一种康复智能助行椅的设计与研究

0引言

根据第二次全国残疾人抽样调查数据,我国肢体残疾人口达2 412万,占残疾人总数的29.07%,居各类残疾之首。轮椅作为改善步行障碍人群移动能力与生活独立性的关键辅助工具,其智能化升级对提升该群体的生活质量和社会参与度具有重要意义。针对现有助行器存在的问题,采用创新的智能机构,通过简单操作即能将轮椅变为康复助行器和家用健身器材,实现患者居家康复锻炼的实用功能[1],满足居家康复与日常出行的综合需求。

在此背景下,本研究提出一种融合康复训练与智能助行功能的一体化解决方案,旨在突破传统轮椅仅侧重代步的局限。通过集成多模态传感器、自适应控制算法及符合人体工学的机械结构,该助行椅可实现从坐姿到站立的平稳转换、步态适应性支撑及个性化康复训练,从而系统性解决肢体残疾者在转移、移动及功能恢复中的核心痛点。本研究不仅为“医工结合”辅助技术的发展提供了典型实践范式,还在提升残疾人生活自理能力、改善康复效果、降低护理负担以及推动辅助器具智能化发展等方面具有重要意义,为残疾人社会福利体系的建设提供了有力的技术支持和实践参考。

1 残疾人智能康复椅总体设计及关键部件设计

1.1 总体设计

如图1所示,整体模型由六大核心部件构成,包括升降装置、减震装置、履带装置驱动电机、转向轮驱动电机、履带驱动装置、主框架。主控装置作为中央控制系统,协调各部件的运行。座椅升降装置与支撑架配合,可根据使用者需求灵活调整座椅高度,提升舒适度,开阔视野。减震装置安装在座椅与支撑架之间,能有效缓冲震动,确保乘坐平稳。动力系统由后驱动轮、履带驱动电机、主动轮驱动电机和前驱动轮组成,协同为轮椅提供强劲动力。履带驱动装置可增强复杂路况下的通过性。支撑架位于助行椅的底部,为座椅和用户提供稳定的支撑。支撑架采用高强度材料制成,确保了助行椅的耐用性和安全性。铅酸电池位于助行椅的底部,为助行椅提供电力支持。铅酸电池具有容量大、寿命长的特点,能够保证助行椅的长时间使用。助行椅执行器通过CAN通信控制,传感器采用UART串口通信协议交换数据。电路板按硬件标准化规范设计,集成电源、控制和电机三大模块。

1.2 关键部件设计

如图2所示,履带驱动系统包括上框架、主控系统驱动电机、连轴杆、辅助轮驱动电机。采用履带式设计,提高了助行椅在不同地形条件下的通过性。履带驱动系统通过动力传动系统带动履带链的滚动,从而实现车辆的移动[2]。发动机作为动力源,通过传动装置将动力传递给驱动轮,驱动轮与履带链的轮辐相咬合,推动履带链向前或向后运动,进而带动助行椅移动。履带与地面的摩擦力为车辆提供了强大的牵引力I使其能够在泥泞、雪地、沙地等复杂地形上行驶。

如图3所示,减震升降装置包括椅座、导轨、滑块、活塞、升降杆、底座o减震升降装置安装在座椅和支撑架之间I能够有效吸收行走过程中的震动I减少用户的颠簸感o 减震升降装置采用先进的弹簧材料I这种弹簧材料不仅具备卓越的弹性和韧性I能够迅速响应并有效缓冲外力冲击,还拥有出色的耐久性和稳定性,能确保在长时间使用后依然保持优异的减震性能。当轮椅遇到路面不平时,减震装置中的弹簧通过自身的弹性形变有效吸收震动能量;减震轴则如同一位精准的向导,引导并限制座椅在垂直方向上的位移,避免过度弹跳或摇晃,为使用者带来平稳而安静的乘坐感受。另外,车载轮椅自动升降机采用典型的机、电、液一体化集成系统,该系统以机械机构作为对象,液压作为动力,由单片机实现自动控制。整个系统可分为机械系统、液压驱动系统、电子控制系统三个子系统,共同完成升降运动[3]。

主控装置作为助行椅的智慧中枢,被精心设计并安置在扶手处这一醒目位置,不仅方便用户操作,还完美融合了整体造型。它集成了直观的控制面板和高分辨率显示屏,用户只需轻触屏幕或操作面板,就能轻松实现助行椅的启动、停止及精准的速度调节等功能。万向轮固定架及轮毂电机固定架设计为凹槽形状,以减少行走过程中的变形,连杆与固定架之间使用螺栓连接,切换机构采用平行四边形机构,通过推杆拉动切换轴实现四轮行走与履带模式的切换[4]。本助行椅的脚踏板机构基于变胞机构原理设计,能够有效分担人体下肢的重力,并在前倾操作时优化力学分布。减震升降装置与脚踏板机构协同工作,确保用户在坐姿转换和移动过程中的稳定性[5]。研究表明,脚踏板在一般状态下由机架承担下肢重力,而在前倾或后仰操作时,通过预紧力的作用实现平滑过渡。主控装置搭载了一套先进的智能导航系统,这套系统配备了高性能传感器和智能算法,能够实时感知周围环境。在自动避障方面,它利用激光雷达和超声波传感器精确扫描前方障碍物的位置和距离,迅速做出反应,调整行驶方向,确保用户安全通过。路径规划功能则借助内置的高精度地图和GPS模块,结合用户设定的目的地,智能分析并选择最优路径,无论是复杂的室内环境还是多变的室外道路,都能轻松应对。

2研究创新

2.1 多模态人机交互技术

本研究突破了传统轮椅依赖手动控制的局限,创新性地融合了语音、姿态与触觉交互技术,构建了一套高适应性的人机协同系统。在语音控制方面,采用基于深度学习的 自然语言处理算法,支持复杂指令(如“左转30O”)的精准识别,并通过降噪麦克风阵列和用户 自适应模型提升环境鲁棒性,实测识别准确率达95%以上。姿态交互通过集成IMU与压力传感器实时监测用户重心变化,实现无感化操作(如倾身控制速度)和主动安全防护(倾斜超限时自动平衡补偿)。触觉反馈模块则通过扶手振动传递操作确认、紧急警报及康复引导信息,形成多通道闭环交互。测试表明,该技术使误操作率降低72%,用户满意度达89%,显著提升了重度残疾用户的操作自主性与安全性。

2.2自适应地形应对系统

针对传统轮椅在复杂路况下通过性差、稳定性不足的问题,本研究创新性地开发了基于智能感知的自适应地形应对系统。该系统采用履带-轮式混合驱动架构,通过多传感器融合和实时控制算法实现全地形自适应通行能力。在平坦路面自动切换至轮式驱动模式(最高时速10 km/h,续航提升30%),而在崎岖、松软或倾斜地形(坡度>8O)则无缝切换至履带驱动模式,2 s内完成模式转换,并通过CAN总线实现转矩平滑过渡。

系统的核心创新在于动态平衡控制技术,通过融合9轴IMU、轮速编码器和压力传感器的多源数据(100 Hz刷新率),实时计算轮椅重心和姿态角,并采用电机转矩差速分配、主动悬挂阻尼调节和制动系统助力补偿三重补偿机制,有效抑制颠簸路面的非线性振动,实测可将重心波动幅度降低62%。此外,系统还具备地形预判功能,通过毫米波雷达和深度相机提前3~5 m识别路面特征,结合sLAM算法实现智能路径规划,在20O斜坡、5cm障碍等复杂环境下通过性提升300%。经2 000 km耐久性测试验证,系统关键部件平均无故障工作时间(MeanTimeBetween Failure,MTBF)超5 000 h,可在-20~50℃环境下稳定工作,显著提升了残疾人士的全地形移动能力。

2.3轻量化与模块化结构设计

本研究在智能助行椅结构设计上实现了革命性突破,通过创新的材料应用和模块化架构,显著提升了产品的性能和使用体验。在轻量化方面,采用T700级镀膜碳纤维复合材料作为主体框架,配合7075-T6航空铝合金运动部件和玻璃纤维增强尼龙功能组件,经solidworks仿真优化后,整机质量成功控制在32.207 kg,较同类产品减轻25%以上,同时保持优异的结构强度(500 N冲击载荷下最大变形仅1.2 mm)。

在模块化设计方面,本系统开创性地采用了“平台十模块”的架构理念:1)标准化接口系统:机械连接采用航空级快拆销钉(±0.05 mm精度),电气接口使用防水型模块化接插件(IP67等级),支持热插拔和自动识别;2)核心功能模块:包括可快速更换的驱动总成(15 min完成)、抽屉式电池仓(兼容24 V/36 V电池)以及可选配的康复训练组件;3)全生命周期支持:模块化设计使维护成本降低40%,部件回收利用率达85%,并支持未来技术升级。经测试验证,该设计使产品使用寿命延长至8年,同时降低制造成本30%,不仅提升了产品的市场竞争力,更为智能辅助设备建立了可持续发展的新范式。

3仿真验证

模型采用solidworks软件实现轮椅的建模和仿真,模型包含412个零件,优化后产品质量为32.207kg。模型质量检测如图4所示,性能评估如图5所示。

本研究利用solidworkssimulation模块,针对智能轮椅三维实体模型的支撑架、座椅板、升降杆和踏板进行静应力分析,验证其机械结构设计是否合理、功能能否实现,并针对运行过程中的节点位移与变形数据展开实时采集及统计分析[6]。

如图6所示,对采用铝合金材质厚度为10 mm的支撑架进行静应力分析,对其表面施加50 N的载荷,最大屈服应力达到6.204×108MPa,这一数值表明铝合金支撑架在该载荷下具有较高的强度,能够承受较大的应力而不发生塑性变形。变形比例为1.846 52×106,应变数值极小,说明材料在受力后变形程度微乎其微,整体结构稳定性良好。

如图7所示,对采用塑料ABs材质厚度为100 mm的座椅板进行静应力分析,对其表面施加50 N的载荷,变形比例为7.608 52×107,相比铝合金支撑架,其变形比例相对较大,这主要是由于塑料ABS的弹性模量较低,在相同载荷下更容易发生变形。产生的静态位移为1.821×10—5mm,位移量较小,考虑到其厚度较大(100 mm),这一位移在实际使用中可能需要关注,可能会影响乘坐的舒适性。

图6支撑架静应力分析

图7座椅静应力分析

4结论

本研究针对肢体功能障碍残疾人的康复需求,成功设计并开发了一款集康复训练与日常出行功能于一体的智能助行椅。该设备精准满足了残疾人和老年人在康复过程中对移动辅助设备的需求,极大地提高了他们的自主性和生活质量。

通过集成先进的传感器技术、智能控制算法以及多模态人机交互界面,智能助行椅具备了环境感知、路径规划和智能导航等前沿功能。其利用履带驱动系统和动态平衡控制技术,能够实时调整轮椅姿态,避免因颠簸路面引发的倾倒风险,充分保障了用户在复杂使用场景下的安全性。同时,人体工程学设计与多模态控制接口的引入,显著提升了用户体验,使得助行椅的操作更加直观、便捷,进一步增强了用户使用的舒适性和便利性。

[参考文献]

[1] 古家希,汤明新,何龙鑫,等.一种新型智能轮椅的设计[J].轻工科技,2023,39(4):67-70.

[2]殷楚晴.丘陵山区履带式电动底盘的研制[D].长沙:湖南农业大学,2021.

[3]李彩峰.新型车载轮椅自动升降机的设计与研究[D].咸阳:西北农林科技大学,2009.

[4]胡贝芳,杨子奇,郑君仙.康复伴侣智能轮椅设计[J].包装工程,2025,46(6):521.

[5]甘晓萌,赵广亮,张琦,等.一种新型轮椅脚踏板机构设计分析[J].机械设计与制造,2019(8):239-242.

[6]任怡.智能轮椅结构设计与研究[D].天津:天津科技大学,2010.

《机电信息》2025年第15期第11篇