基于麥克納姆輪的半自主輔助如廁輪椅設(shè)計(jì)

李雨潭 馬博 楊瑞洋 王鵬程 宋曉斌 徐澤成 袁博

摘? 要：我國人口老齡化的日趨嚴(yán)重，輪椅作為老年人的代步工具得到了廣泛的應(yīng)用，但當(dāng)前絕大多數(shù)輪椅也僅僅起到了代步作用。針對(duì)老人或下肢不方便者如廁困難問題，文章設(shè)計(jì)了一種基于麥克納姆輪的半自主輔助如廁輪椅。該輪椅采用麥克納姆輪進(jìn)行全向移動(dòng)，通過電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)坐臥兩種狀態(tài)變換，安裝有半自動(dòng)升降扶手。輪椅實(shí)用性較強(qiáng)，能夠較好的解決老年人和下肢不便者自行如廁問題。

關(guān)鍵詞：輪椅;麥克納姆輪;老年人;輔助如廁

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0032-02

Abstract： The aging population in China is becoming more and more serious， wheelchair as a walking tool for the elderly has been widely used， but at present， the vast majority of wheelchairs have only played the role of walking. In order to solve the problem that it is difficult for the elderly or those with inconvenient lower limbs to go to the toilet， a semi-autonomous auxiliary toilet wheelchair based on McNham wheel is designed in this paper. The wheelchair uses McNham wheel for omni-directional movement， and the electric push rod is used to realize the change of sitting and lying state， and the semi-automatic lifting handrail is installed. Wheelchair practical， can better solve the elderly and lower limb inconvenience to go to the toilet on their own.

Keywords： wheelchair; McNham wheel; elderly; auxiliary toilet

1 概述

隨著年齡的增長，人體下肢力量會(huì)減弱，引起起身行走困難，這會(huì)導(dǎo)致老年人生活不能自理，生活需要有人照顧，給老人以及其家庭上帶來一定的困擾。輪椅是解決老年人自主行走的重要工具，但當(dāng)前輪椅結(jié)構(gòu)還比較單一，僅具有輔助行走功能，部分高檔輪椅可以與床銜接，實(shí)現(xiàn)坐臥變換，但這些功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。老年人如廁次數(shù)多，對(duì)于下肢不便者，上廁所成為影響其生活的頭等大事，因此本文將設(shè)計(jì)一款可以輔助老年人如廁的輪椅。

2 輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輪椅的整體性能要求

對(duì)于下肢不便者，由于其無法自行站立行走，因此輪椅必須具有坐臥兩種狀態(tài)，以便能夠與床銜接;輪椅必須具有全向行走能力和靈活的轉(zhuǎn)向能力;具有升降扶手輔助老年人站立，并支撐老年人身體[1-4]。因此，基于上述功能要求，本文將采用麥克納姆輪作為輪椅的主要行走部件，其能夠在任意方向上實(shí)現(xiàn)平移和原地旋轉(zhuǎn);采用三段式支撐結(jié)構(gòu)，兩兩通過銷軸連接，能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，并使用電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)坐臥兩種姿態(tài)的變換;采用剪式升降機(jī)構(gòu)作為扶手，實(shí)現(xiàn)扶手的上下升降。同時(shí)，采用Arduino單片機(jī)作為輪椅的核心控制單元，實(shí)現(xiàn)輪椅的各種運(yùn)動(dòng)[5]。

2.2 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全向移動(dòng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)輪椅的底盤使用四個(gè)麥克納姆輪，分別為兩個(gè)左旋輪和兩個(gè)右旋輪，如圖1所示。4個(gè)麥克納姆輪由4個(gè)電機(jī)通過減速器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)， 以保證每個(gè)麥克納姆輪在輪椅的運(yùn)行過程中都可以輸出動(dòng)力。

麥克納姆輪的重點(diǎn)在于如何控制其正常行走。當(dāng)左右兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向相反時(shí)，輪椅車前進(jìn)或后退;當(dāng)左右兩邊輪子的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速相同時(shí)，輪椅車向左移動(dòng)或向右移動(dòng);當(dāng)左右兩邊輪子的轉(zhuǎn)向相同，轉(zhuǎn)速不同，可實(shí)現(xiàn)輪椅車向任意方向運(yùn)動(dòng)[6]。其運(yùn)動(dòng)示意圖以及右前輪軸心速度分析如圖2所示。

圖2（a）中，以小車的底盤幾何中心O點(diǎn)為原點(diǎn)建立XOY坐標(biāo)系。底盤的運(yùn)動(dòng)可以分解為3個(gè)分量[Vx、ω、Vy]，其中，為Z軸ω的角速度;輥?zhàn)拥乃俣葹棣?為底Vx盤沿軸方X向的速度;Vy為底盤沿Y軸方向的速度;i=1、2、3、4為右前輪、左前輪、右后輪、左后輪;α為麥克納姆輪的輪轂軸與輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸的夾角，在此α=45°。圖2（b）為右前輪軸心速度分析，其中， ω為原點(diǎn)O點(diǎn)的速度; r為O點(diǎn)到右前輪中心點(diǎn)O1點(diǎn)的距離;V為輪子的軸心處O1速度，Vr為輪子軸心速度沿垂直于方r向（即切線方向）的速度分量;Vt為原點(diǎn)O點(diǎn)的速度。

根據(jù)受力和運(yùn)動(dòng)分析，可計(jì)算出椅車底盤的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式如式（1）所示：

根據(jù)公式（1），若實(shí)現(xiàn)輪椅車的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只需要調(diào)節(jié)各麥克納姆輪的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)。

2.3 坐臥姿態(tài)轉(zhuǎn)換與升降扶手設(shè)計(jì)

坐臥姿態(tài)轉(zhuǎn)換與升降扶手均是通過電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)如圖3所示。這兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)均是電動(dòng)推桿參數(shù)的計(jì)算。

如圖3（a）所示，以輪椅靠背的升降為例進(jìn)行計(jì)算說明。夾角？琢的變化范圍是90°到180°，這也是電動(dòng)推廣的兩個(gè)極限狀態(tài)。因此，根據(jù)幾何知識(shí)，可以得到

（c-b）2=a2+（105+l）2-2·a·d·cos？琢

式中：d為推桿的伸縮量，105為電動(dòng)推桿的固有參數(shù)。

根據(jù)公式（2）即可正確選擇電動(dòng)推桿。

3 結(jié)論

為了幫助行動(dòng)不便老年人順利如廁，本文設(shè)計(jì)了一種基于麥克納姆輪的半自主輔助如廁輪椅。該輪椅可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)坐臥姿態(tài)轉(zhuǎn)換，能夠輔助并支撐老年人站立，對(duì)改善老年人生活質(zhì)量有著極大的意義。

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