作品背景

輪椅是康復(fù)的重要工具，它們不僅是老人和肢 體傷殘者的代步工具，更重要的是可以為老人和傷殘 者進(jìn)行身體鍛煉和參與社會活動提供可能。

基于偏心距可調(diào)的偏心輪易上臺階的智能輪椅 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且自動化程度較高，操作方便，并可 在越過臺階或障礙的時候及時地調(diào)整使用者的座靠 椅傾角，保持平穩(wěn)，提高使用者的安全性，且成本 低廉。

基于偏心距可調(diào)的偏心輪易上臺階的智能輪椅 系統(tǒng)，有多個專利項目。它的特點(diǎn)有：

主輪采用內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)；

采用偏心距可調(diào)的偏心輪機(jī)構(gòu)；

將行星輪、棘輪、萬向輪等特點(diǎn)進(jìn)行整合運(yùn)用， 使輪椅能夠連續(xù)上臺階，增強(qiáng)其實(shí)用性；

安裝在輪椅座靠椅下的升降裝置，可以自動檢 測路況信息并調(diào)節(jié)輪椅座靠椅，以保證輪椅系統(tǒng)重心 的穩(wěn)定；

綜合運(yùn)用超聲波傳感器和加速度傳感器，對路 況信息進(jìn)行實(shí)時檢測，使整個輪椅系統(tǒng)更加自動化、 智能化，也使使用環(huán)境更加安全、舒適。

整個輪椅系統(tǒng)作為一個家庭物聯(lián)網(wǎng)接入終端, 可以智能控制家用電器的啟動和停止，幫助使用者控 制那些不便觸及到的電器，并能夠完成視頻、語音通 話等功能。圖1所示為實(shí)物原理圖。

圖1實(shí)物原理圖

作品介紹

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，以及社會的不斷 進(jìn)步，對于行走不便的人群來說，生活也有了很大的 改觀，行走時可以用輪椅來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拐杖，這樣就更加方便。輪椅也從傳統(tǒng)的只能固定著坐一直改進(jìn) 到了現(xiàn)在的能夠手動機(jī)械行走、自動控制或行走甚至 會爬臺階的輪椅。

基于偏心距可調(diào)的偏心輪易上臺階 智能輪椅

該輪椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度較高，操作 方便，并且在越過臺階或障礙時能夠及時調(diào)整使用 者的座靠椅傾角，保持平穩(wěn)，提高使用者的安全性, 且成本低廉。

3.1研究過程

首先是對現(xiàn)實(shí)生活中的臺階類型以及臺階各個 參數(shù)進(jìn)行收集；

其次是對所收集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，并研究 其與所設(shè)計輪椅輪徑的關(guān)系；

第三是確定設(shè)計方案，并進(jìn)行各個機(jī)構(gòu)的設(shè)計； 四是選擇材料，根據(jù)已定方案進(jìn)行設(shè)計制造； 五是完善各部分功能，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試； 第六撰寫使用說明，整理文字資料。

3.2結(jié)構(gòu)特征

主輪采用內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)；

采用偏心距可調(diào)的偏心輪機(jī)構(gòu)；

將行星輪、棘輪、萬向輪等特點(diǎn)進(jìn)行整合運(yùn)用；

在輪椅座靠椅下安裝可自動檢測路況信息并 調(diào)節(jié)輪椅座靠椅的升降裝置；

綜合運(yùn)用超聲波傳感器和加速度傳感器。

3.3工作原理設(shè)計

該輪椅主輪設(shè)計采用具有內(nèi)外輪的結(jié)構(gòu)，使得 該電動輪椅的最小轉(zhuǎn)彎半徑縮減為零，以克服電動輪 椅不能原地轉(zhuǎn)彎的難題。

采用主軸與輪心距離可調(diào)的偏心輪結(jié)構(gòu)，可根 據(jù)臺階高度調(diào)節(jié)偏心距離，將輪椅上臺階過程中所需 做的功分成兩部分完成，以有效降低此過程中電動 機(jī)所需的最大功率；

將輪椅的座靠椅設(shè)計成單側(cè)可繞軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu), 以使輪椅在上、下坡過程中，座靠椅能夠始終保持水 平，從而起到調(diào)節(jié)輪椅系統(tǒng)重心的作用，擴(kuò)大輪椅的 應(yīng)用范圍；

將行星輪與棘輪的特點(diǎn)進(jìn)行整合運(yùn)用，不僅能 使輪椅輕松越障礙、上臺階，還可使輪椅上樓梯；

運(yùn)用傳感器檢測路況信息，可使得整個輪椅系 統(tǒng)更加自動化、智能化；

軟件部分可實(shí)現(xiàn)全手動、半自動或全自動控制, 可適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

3.4突出創(chuàng)新點(diǎn)

(1)主輪采用內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)。解決了兩輪同軸，并 且需要自由轉(zhuǎn)動的問題，使輪椅能夠零半徑轉(zhuǎn)向，保 證輪椅基本功能的實(shí)現(xiàn)；

( 2)采用偏心距可調(diào)的偏心輪機(jī)構(gòu)降低了輪椅 在上臺階過程中重心上升的高度，將輪椅上臺階所需 要做的功分開來做，從而減小電動機(jī)的實(shí)際功率；

( 3)將行星輪、棘輪、萬向輪等的特點(diǎn)進(jìn)行整 合運(yùn)用，使輪椅能夠連續(xù)上臺階，增強(qiáng)其實(shí)用性；

安裝在輪椅座靠椅下的升降裝置，可以自 動檢測路況信息并調(diào)節(jié)輪椅座靠椅以保證輪椅系統(tǒng)重 心的穩(wěn)定；

( 5)綜合運(yùn)用超聲波傳感器和加速度傳感器對 路況信息進(jìn)行實(shí)時檢測，使整個輪椅系統(tǒng)更加自動化、 智能化，也使使用更加安全、舒適；

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在輪椅上對家用電器 的智能控制。

圖2所示是該智能輪椅的機(jī)械技術(shù)原理圖。

圖2技術(shù)原理圖

該輪椅機(jī)械部分包含:座靠椅1、支撐架2、連接桿3、腳托板4、主軸5、從動輪6、車輪7、液壓 升降裝置8、支撐面板9、連接軸10、滾輪組11、第 二電機(jī)12、絲桿螺母13、輔助導(dǎo)軌14、絲桿軸15、 第一電機(jī)16、主動輪17、鏈條18、第三電機(jī)19。

4使用原理

4.1靜止?fàn)顟B(tài)

圖3(a)為普通輪椅靜止?fàn)顟B(tài)示意圖，圖3(b) 為本小組設(shè)計的輪椅靜止?fàn)顟B(tài)示意圖。

在使用者坐上輪椅之前或使用者休息時，輪椅 狀態(tài)如圖3(b)所示。此時，輪椅主軸5隨同絲桿螺 母13沿輔助導(dǎo)軌14被絲桿軸15傳送到距離輪子邊 緣較近的位置，系統(tǒng)重心被降低，輪椅處于相對穩(wěn) 定的狀態(tài)，不會前后晃動，這樣，坐在輪椅座靠椅上 的人也會感覺比較安全。

(a)普通輪椅靜止?fàn)顟B(tài)圖

(b)智能輪椅靜止?fàn)顟B(tài)圖

圖3輪椅靜止?fàn)顟B(tài)示意圖

4.2啟動過程

當(dāng)使用者坐上輪椅之后，使用者通過按鍵控制 第二電機(jī)12轉(zhuǎn)動，第二電機(jī)12將轉(zhuǎn)動傳遞給絲桿軸 15,并牽動輪椅主軸5隨絲桿螺母13上升。此過程中, 輪椅重心也被提升，輪椅系統(tǒng)狀態(tài)由圖3(b)所示變?yōu)?圖3(a)所示。

4.3平路行進(jìn)過程

當(dāng)輪椅在平路上行進(jìn)時，第一電機(jī)16和第二電 機(jī)12處于鎖定狀態(tài)，而絲桿螺母13處于車輪7的中 心位置，車輪7內(nèi)的第三電機(jī)19轉(zhuǎn)動，從而帶動車 輪7的外圈轉(zhuǎn)動，輪椅前進(jìn)。

4.4上臺階過程

當(dāng)輪椅需要上臺階或越過障礙物的時候，第三 電機(jī)19處于關(guān)閉狀態(tài)，和車輪7的外圈嚙合為一體, 而開啟第二電機(jī)12,通過帶動絲桿軸15的轉(zhuǎn)動，絲 桿螺母13在絲桿軸15的轉(zhuǎn)動下慢慢順著絲桿軸15 和輔助導(dǎo)軌14移向車輪7的邊緣處；在絲桿螺母移 動的同時，車輪主軸5也在向受阻的方向移動，此時 輪椅重心前移。

開啟第一電機(jī)16，主動輪17通過鏈條18帶動 從動輪5轉(zhuǎn)動，從動輪帶動主軸5轉(zhuǎn)動，主軸5通過 絲桿螺母13帶動車輪7轉(zhuǎn)動爬上臺階或越過障礙物。 當(dāng)輪椅爬上臺階或越過障礙物后，經(jīng)自動調(diào)節(jié)使主軸 5回到原位，輪椅轉(zhuǎn)換為平路行走。

4.5平衡過程

當(dāng)輪椅在上、下坡過程中，安裝在輪椅座靠椅 1下的液壓升降裝置8通過單片機(jī)控制伸長或縮短, 來保持座靠椅1的水平，從而保證使用者的安全平穩(wěn) 性。此時，系統(tǒng)狀態(tài)如圖4所示。

圖4平衡過程狀態(tài)圖

輪椅實(shí)物如圖5所示。

圖5輪椅實(shí)物圖片

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