一種新型助老科技的研究設計

劉潤湘 張瀚文 嚴棋耀 譚皓文 劉慧江 孫洋 曾武 陶藝心 田佳欣 鄒永久

摘? 要：輪椅不僅是行動不便人士的代步工具，也是他們進行身體鍛煉和參與社會活動的重要工具。但靠人力驅動的輪椅與普通電動輪椅在生活中仍有較多的局限，且操作不便，極易發生意外。因此，本次研究一種新型的輪椅，旨在保障使用者的出行安全，并在其基礎上運用新型設計保證其功能運行的穩定性，滿足使用者的出行需求。本研究設計的適用人群是年老、身殘人群，意在幫助他們重新享受大自然的魅力，讓本項目也為助老助殘做出一份貢獻。

關鍵詞：自主檢測? 自主控制? 新型輪椅設計? 助老助殘科技

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0068-04

Abstract： Wheelchairs are not only a means of transportation for people with limited mobility， but also an important tool for them to do physical exercise and participate in social activities. However， there are still many limitations in the life of human-powered wheelchairs and ordinary electric wheelchairs， and the operation is inconvenient， and accidents are easy to happen. Therefore， a new type of wheelchair is studied in this paper， aiming at ensuring the safety of users' travel， and on the basis of this， the new design is used to ensure the stability of its function operation and meet the travel needs of users. This study is designed for the elderly and disabled people， aiming to help them regain the charm of nature， so that this project can also make a contribution to helping the elderly and disabled.

Key Words： The independent testing; Autonomous control; New wheelchair design; Technology to help the elderly and the diesabled

腿腳不便人群是中國的一大邊緣人群，它主要分為兩類，一種是老年人，一種是殘疾人群。據調查，中國60歲以上老年人人口數量已經達到2.49億，老齡化形勢嚴峻，這其中有相當多的老年人腿腳不便;此外，中國殘疾總人數達到8500萬，大多需要輔助出行工具，其中尤以輪椅為最。

但縱觀世界老年殘疾產品市場，我們可以發現國外市場比國內市場成熟許多：美國在新興養老科技領域的核心專利占比為36.39%，英國4.41%第二，日本以4.03%位居第三，而世界上擁有老人最多的中國在老年人服務領域卻與這些國家相距甚遠。

基于此，為打開國內相關人群的消費市場，本次設計欲打造出一款“新型輪椅”，旨在既能滿足行動不便的老人的出行需求，又能隨時報告使用者的出行健康狀態。

1? 理論基礎

人口統計數據顯示[1]，我國從1999年進入人口老齡化社會到2017年的18年間，老年人口凈增1.1億。預計到2050年前后，我國老年人口數將達到峰值4.87億，占總人口的34.9%?！般y發經濟”已然到來。

對于殘疾人的扶持政策在陸續推出;工信部也制定了相關文件[2]鼓勵民間資本進入養老產業?；诖?，本項目組著手研究兼有智能避障越障、一鍵呼救和按摩等功能的一款新型輪椅。

目前國內外爬梯輪椅（普通輪式）的設計多采用三輪式設計。然而爬梯穩定性和安全性難以提高。本項目提出帶有履帶組合式輪胎的輪椅，利用紅外線識別系統自動識別障礙物并予以避讓，能夠輕易跨越常規輪胎不能跨越的障礙;進行有效的分析建模和適用性分析后，不斷形成良性反饋并及時修改調整實體模型，根據特定人群的需求，定制出以最優化的方式實現避障越障的輪椅。

2? 預實現功能

設計新型輪椅的初衷是為助老助殘做貢獻，故產品被期待完成下述功能。

（1）一鍵呼救功能：在使用者有危險時可以自動通知家人或醫院，以得到救助。

（2）避障越障功能：通過紅外線感應與單片機程序、APP語音模塊控制機體。

3? 產品結構

本項目設計的新型輪椅設計旨在機體通過新型輪系設計達到避障越障功能。該設計主要由自主設計的三輪履帶輪系與平衡感應伸縮桿組成，圖1～3是該設計的機架三視圖，具體動力裝置已經隱藏。履帶輪系主要是保證越障時抓地的力量與穩定性，并且配合平衡感應桿完成旋轉越障;平衡感應伸縮桿通過可控轉動鏈接與輪系形成一個整體，它需要在后輪伸縮擺動至前輪這過程中隨時感應整體輪椅的平衡，并且通過桿的伸縮和鏈接的轉動以保證整體輪椅的平衡，

4? 產品原理

4.1 一鍵呼救功能原理

一鍵呼救功能的主體為可視為呼叫裝置，在每一張輪椅上，將可視呼叫裝置通過網絡與云服務器連接，同時將個人信息進行綁定，可視呼叫裝置和服務器通過無線傳輸的方式連接急救中心。當用戶輪椅發生強烈沖擊或翻轉時，信號會同時發送到服務器和急救中心。

可視呼叫裝置內設置有一鍵呼叫模塊，所述一鍵呼叫模塊連接攝像頭，按下設置好的一鍵呼叫按鈕即可進行撥號，接通的同時開啟視頻功能;同時，綁定相應編號的APP會通知手機持有者，讓親屬得知使用者的情況。

裝置設有無線通信（WiFi）模塊，APP通過此模塊與裝置實現綁定?？梢暫艚醒b置連接設有GPS模塊。當急救中心同時接到可視呼叫裝置和服務器傳輸過來的位置信息時，以可視呼叫裝置傳輸來的位置信息為準。

4.2 避障越障功能

輪椅碰到障礙物時（此處障礙物指不可正常通過障礙物），紅外線感應裝置將障礙物形狀大小傳遞至中央處理器，CPU判斷是否可越過障礙物。如不可越過，則控制輪系偏轉前進方向避過障礙物;如可越過，則輪系旋轉系統啟動，履帶輪系與伸縮臂相協調，控制所述履帶輪系依次旋轉越過障礙物。

越障可行性分析：利用壓力傳感器測試及壓力分析模型計算的方法，比較研究了相近載質量的輪胎和履帶式車輛垂直及水平應力的大小，比較了輪胎和履帶輪系]對地面壓力的作用及穩定性，

分析方法：把接觸面A分成i個單元，每個單元Ai上作用垂直載荷Pi和切向載荷Hi，則履帶下方土壤內任意點S沿AiS方向的法向應力σr，i為

式子中ξ為集中系數，不同的地面條件ξ取值不同。計算輪胎作用下的應力時取ξ=7，計算履帶作用下的應力時取ξ=6。

土壤內任意點 S 的垂直應力σz及水平應力σx，σy分別為

5? 項目前景

輪椅將助行、按摩、爬梯和越野等功能集于一身，配備的的履帶式構造在爬梯、越野時穩定性更出色，可以適應復雜多變的的出行環境。

目前研發的輪椅原型只是小規模的理論研究和小型實物組建，主要針對避障越障、按摩、越野的可行性和控制策略的有效性進行研究。隨著履帶式爬梯越野輪椅課題的進一步開展，可通過工業計算機來控制大量的出行動作、處理大量的監測數據，結合這些數據對性能進行進一步優化。

再者目前國內外智能輪椅的相關研究中沒有采用履帶式組合式輪胎，也就是說這是一個新的領域，意味著一切都是空白，同時也意味著廣闊的前景以及無限的可能。由于本產品有明確的受益人群并且符合國家倡導的政策，未來勢必將在一定時間段內占據輪椅市場一定的市場份額。

6? 結語

本產品以安全為設計的第一要素，即在保證使用人群的安全的基礎上設計出的一款集助老、助殘、助行和新穎于一體的新型多功能輪椅。旨在幫助解決老年人和殘疾人出行不便的問題，并且在保證安全的前提下讓他們能夠徜徉在山野間，享受大自然的美好風光。

“銀發經濟”已然降臨，那么如何在困難中尋找機遇，是我們科技創新需要考慮的重要因素了。希望本項目的創新設計能為助老助殘愛心活動做出一份貢獻。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家統計局[引用日期2020-8-27]

[2] 本刊編輯部.工信部等：印發《智慧健康養老產業發展行動計劃（2017-2020年）》[J]. 社會福利， 2017：62.

[3] 孫碧垚.基于STM32的智能輪椅硬件設計及控制系統[D].南京：南京師范大學，2018.

[4] 呂淑平，王沖.自動避障實驗小車教學系統設計[J].實驗室研究與探索，2019，38（8）：204-208.

[5] 翟振武，劉雯莉.人口老齡化：現狀、趨勢與應對[J].河南教育學院學報：哲學社會科學版， 2019，38（6）：15-22.

[6] 劉澤旭，王立海，孫天用，等.輪式與三角履帶式集材機的爬坡性能比較[J].林業科技開發，2014，28（6）：79-83.

[7] 王沈皓，戴文君，陳思哲.一種基于STM32的云端服務器設計[J].常州工學院學報，2020，33（1）：32-36.