引言

近些年來(lái),由于我國(guó)人口老齡化的加劇,老年人群所占比例增大,對(duì)于輪椅的需求量也急劇增加,但是我國(guó)的輪椅行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不夠多元化,普通輪椅的性能較差,適用路況較為單一,而高端一點(diǎn)的電動(dòng)輪椅和調(diào)平輪椅則因?yàn)榻?jīng)費(fèi)以及技術(shù)水平的不足一直處于停滯不前的狀態(tài),且輪椅缺乏自主避障、自動(dòng)控制、導(dǎo)航功能。目前,普通輪椅主要適合在平坦地面上使用,越野性能差,無(wú)法在草地、河邊、崎嶇不平的道路上安全行駛,也不能攀越路牙石等障礙,制約了使用者的活動(dòng)范圍。本項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)有的智能輪椅及機(jī)器人技術(shù),研發(fā)了一種具有越野性能、座椅可自動(dòng)調(diào)平的電動(dòng)輪椅,使其具有良好的地形通過(guò)性與適應(yīng)性,輪椅的座椅可以根據(jù)地形調(diào)整,保證座椅始終水平,且可以自動(dòng)調(diào)整座椅的位置,保證行駛的穩(wěn)定性,從而拓寬了輪椅的可使用范圍,使輪椅具有自主性,更加人性化。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)部分分析

項(xiàng)目所涉及的座椅可自動(dòng)調(diào)平的越野輪椅的核心在于座椅部分,座椅有上下兩塊座椅平臺(tái),下平臺(tái)固定于輪椅上,兩個(gè)MG996舵機(jī)固定在下平臺(tái),兩個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸器用來(lái)連接曲柄以及保證上平臺(tái)可自由轉(zhuǎn)動(dòng),一個(gè)陀螺儀(附著于上座椅平臺(tái))用來(lái)檢測(cè)角度,還有兩個(gè)曲柄以及一個(gè)STM32F103單片機(jī)。調(diào)平系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體的座椅組成較為簡(jiǎn)單,所需元件不多,且元件的價(jià)格比較便宜,適用于大規(guī)模生產(chǎn)投放市場(chǎng)。

輪椅框架則是使用樹(shù)莓派和USB攝像頭,在Linux環(huán)境下使用openCV對(duì)攝像頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,達(dá)到自動(dòng)避障效果。

2控制系統(tǒng)部分分析

該型輪椅具有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式,在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障或意外斷電的情況下,可以進(jìn)行手動(dòng)控制調(diào)平座位,在此我們主要分析其自動(dòng)控制部分。其核心的座椅自動(dòng)調(diào)平部分是采用MPU6050陀螺儀與STM32F103單片機(jī)、MG996舵機(jī)等元件組成,陀螺儀檢測(cè)角度信息,得出使用者坐姿的四個(gè)維度,而后將這些信息傳送給與其相連的STM32F103單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)所獲取的信息運(yùn)行程序啟動(dòng)MG996舵機(jī),舵機(jī)控制兩個(gè)曲柄往復(fù)運(yùn)動(dòng)調(diào)整座椅的上平臺(tái),使之始終與地面保持水平,從而實(shí)現(xiàn)座椅的自動(dòng)調(diào)平,并且不影響輪椅的正常行駛。座椅的調(diào)平系統(tǒng)原理如圖2所示。

座椅可自動(dòng)調(diào)平的輪椅主要功能在于適應(yīng)多種復(fù)雜路況的同時(shí)可以進(jìn)行座椅的實(shí)時(shí)調(diào)平,避免使用中在上下坡等情況下由于重心不穩(wěn)定而發(fā)生事故,甚至造成更大的損失,其實(shí)時(shí)調(diào)平的功能會(huì)給使用者在通過(guò)復(fù)雜地貌如上下坡或爬天橋時(shí)一種如履平地的體驗(yàn),又因?yàn)檩喴嗡O(shè)定路況坡度在普遍路況范圍以內(nèi)(傾角5°~15°),適度的前后左右調(diào)平擺動(dòng)會(huì)給使用者更舒適的使用體驗(yàn)。而超出此傾角范圍的震蕩會(huì)超出人體可接受的震蕩幅度,給使用者造成人體傷害。如若碰到路況復(fù)雜程度、傾斜角度超出設(shè)定范圍,則經(jīng)陀螺儀測(cè)定傳給單片機(jī)之后停止對(duì)舵機(jī)發(fā)出指令,使輪椅不再進(jìn)行調(diào)平操作,直至重新進(jìn)入滿足條件的路況系統(tǒng)重新運(yùn)行,單片機(jī)繼續(xù)發(fā)出指令控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)曲柄進(jìn)行調(diào)平操作。

座椅調(diào)平系統(tǒng)的主要元件及型號(hào)、作用如表1所示。

3同類產(chǎn)品對(duì)比

目前所存在的調(diào)平機(jī)構(gòu)大體分為三種,我們分別與其對(duì)比,結(jié)果如下:

(1)與利用平臺(tái)自重調(diào)平機(jī)構(gòu)相比,本項(xiàng)目機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單,成本更低,而且因?yàn)樽沃亓扛?相比于這種機(jī)構(gòu),本項(xiàng)目機(jī)構(gòu)不易出現(xiàn)震蕩,很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

(2)與利用平衡四連桿調(diào)平機(jī)構(gòu)相比,平衡四連桿機(jī)構(gòu)的平行四邊形機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不緊湊穩(wěn)固,容易發(fā)生事故,且調(diào)平所需空間較大,不適用于實(shí)際使用的輪椅。

(3)與液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)相比,液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)體積過(guò)于龐大,并且液壓傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)使用潤(rùn)滑油等能夠帶來(lái)衛(wèi)生問(wèn)題的產(chǎn)品,不適用于輪椅這一產(chǎn)品。

與以上三種已存在的調(diào)平機(jī)構(gòu)相比較,本項(xiàng)目采用的陀螺儀檢測(cè)角度,單片機(jī)分析信息,控制舵機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)曲柄調(diào)平這一方案,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,成本低,輪椅體積小,更加清潔衛(wèi)生,且自動(dòng)控制效果更好。同時(shí),在電動(dòng)控制調(diào)平部分出現(xiàn)故障的情況下,本機(jī)構(gòu)可手動(dòng)調(diào)平,讓使用者有多種調(diào)平體驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前人口老齡化的大潮下,老年人口的增多使得中青年一代生存壓力增大,作為一件有效的代步工具,輪椅在當(dāng)今時(shí)代需求量巨大,也應(yīng)得到重視與研發(fā),更多的高智能型、高自動(dòng)化輪椅應(yīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)造福行動(dòng)不便的老年群體。本項(xiàng)目所研發(fā)的利用陀螺儀檢測(cè)方向,單片機(jī)輸送指令運(yùn)轉(zhuǎn)舵機(jī)控制曲柄調(diào)平的新型座椅可自動(dòng)調(diào)平的越野輪椅具有成本低,安全穩(wěn)定性能高,智能自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢(shì)條件,在后續(xù)的生產(chǎn)實(shí)踐中肯定會(huì)有廣闊的發(fā)展前景,其存在的問(wèn)題也有待我們進(jìn)一步探索解決,從而推動(dòng)輪椅的高度自動(dòng)化、智能化,解決當(dāng)前社會(huì)普遍存在的老人自理能力差的問(wèn)題,有利于社會(huì)和諧。