一种座椅可自动调平的越野轮椅的设计

引言

近些年来,由于我国人口老龄化的加剧,老年人群所占比例增大,对于轮椅的需求量也急剧增加,但是我国的轮椅行业产品结构不够多元化,普通轮椅的性能较差,适用路况较为单一,而高端一点的电动轮椅和调平轮椅则因为经费以及技术水平的不足一直处于停滞不前的状态,且轮椅缺乏自主避障、自动控制、导航功能。目前,普通轮椅主要适合在平坦地面上使用,越野性能差,无法在草地、河边、崎岖不平的道路上安全行驶,也不能攀越路牙石等障碍,制约了使用者的活动范围。本项目结合现有的智能轮椅及机器人技术,研发了一种具有越野性能、座椅可自动调平的电动轮椅,使其具有良好的地形通过性与适应性,轮椅的座椅可以根据地形调整,保证座椅始终水平,且可以自动调整座椅的位置,保证行驶的稳定性,从而拓宽了轮椅的可使用范围,使轮椅具有自主性,更加人性化。

1机械结构部分分析

项目所涉及的座椅可自动调平的越野轮椅的核心在于座椅部分,座椅有上下两块座椅平台,下平台固定于轮椅上,两个MG996舵机固定在下平台,两个万向联轴器用来连接曲柄以及保证上平台可自由转动,一个陀螺仪(附着于上座椅平台)用来检测角度,还有两个曲柄以及一个STM32F103单片机。调平系统基本结构如图1所示。整体的座椅组成较为简单,所需元件不多,且元件的价格比较便宜,适用于大规模生产投放市场。

轮椅框架则是使用树莓派和USB摄像头,在Linux环境下使用openCV对摄像头采集的数据进行处理,达到自动避障效果。

2控制系统部分分析

该型轮椅具有手动控制和自动控制两种方式,在驱动系统发生故障或意外断电的情况下,可以进行手动控制调平座位,在此我们主要分析其自动控制部分。其核心的座椅自动调平部分是采用MPU6050陀螺仪与STM32F103单片机、MG996舵机等元件组成,陀螺仪检测角度信息,得出使用者坐姿的四个维度,而后将这些信息传送给与其相连的STM32F103单片机,单片机根据所获取的信息运行程序启动MG996舵机,舵机控制两个曲柄往复运动调整座椅的上平台,使之始终与地面保持水平,从而实现座椅的自动调平,并且不影响轮椅的正常行驶。座椅的调平系统原理如图2所示。

座椅可自动调平的轮椅主要功能在于适应多种复杂路况的同时可以进行座椅的实时调平,避免使用中在上下坡等情况下由于重心不稳定而发生事故,甚至造成更大的损失,其实时调平的功能会给使用者在通过复杂地貌如上下坡或爬天桥时一种如履平地的体验,又因为轮椅所设定路况坡度在普遍路况范围以内(倾角5°~15°),适度的前后左右调平摆动会给使用者更舒适的使用体验。而超出此倾角范围的震荡会超出人体可接受的震荡幅度,给使用者造成人体伤害。如若碰到路况复杂程度、倾斜角度超出设定范围,则经陀螺仪测定传给单片机之后停止对舵机发出指令,使轮椅不再进行调平操作,直至重新进入满足条件的路况系统重新运行,单片机继续发出指令控制舵机运转驱动曲柄进行调平操作。

座椅调平系统的主要元件及型号、作用如表1所示。

3同类产品对比

目前所存在的调平机构大体分为三种,我们分别与其对比,结果如下:

(1)与利用平台自重调平机构相比,本项目机构结构更为简单,成本更低,而且因为座椅重量更小,相比于这种机构,本项目机构不易出现震荡,很容易实现自动控制。

(2)与利用平衡四连杆调平机构相比,平衡四连杆机构的平行四边形机构会导致结构不紧凑稳固,容易发生事故,且调平所需空间较大,不适用于实际使用的轮椅。

(3)与液压调平机构相比,液压调平机构体积过于庞大,并且液压传动系统运行过程中会使用润滑油等能够带来卫生问题的产品,不适用于轮椅这一产品。

与以上三种已存在的调平机构相比较,本项目采用的陀螺仪检测角度,单片机分析信息,控制舵机运行带动曲柄调平这一方案,结构更加简单,成本低,轮椅体积小,更加清洁卫生,且自动控制效果更好。同时,在电动控制调平部分出现故障的情况下,本机构可手动调平,让使用者有多种调平体验。

4结语

在当前人口老龄化的大潮下,老年人口的增多使得中青年一代生存压力增大,作为一件有效的代步工具,轮椅在当今时代需求量巨大,也应得到重视与研发,更多的高智能型、高自动化轮椅应被开发出来造福行动不便的老年群体。本项目所研发的利用陀螺仪检测方向,单片机输送指令运转舵机控制曲柄调平的新型座椅可自动调平的越野轮椅具有成本低,安全稳定性能高,智能自动化程度高的优势条件,在后续的生产实践中肯定会有广阔的发展前景,其存在的问题也有待我们进一步探索解决,从而推动轮椅的高度自动化、智能化,解决当前社会普遍存在的老人自理能力差的问题,有利于社会和谐。