基于Arduino控制系統的爬樓輪椅的創新型輪胎結構研究

王成哲 廖翊杰 周炎淼 張志恒 張洵

[摘? ? 要]輪椅的便攜性和可靠性的發展可以提高老年人和殘障人士的生活品質。文章研究設計了一種智能爬樓輪椅。智能化行駛功能基于Arduino微型控制單元及超聲波傳感器、紅外傳感器、滾珠開關、手動開關、馬達、蜂鳴器等傳感器和執行器來設計實現。智能健康監測系統基于51單芯片微型計算機和心律傳感器、血壓傳感器、顯示屏等來設計實現。并且還設計研究了一種輪椅爬升機械系統。該系統包括具有爬升功能的后輪和前爬升輪。后輪通過機構運作，可以從車輪外圓伸出一圈用于爬升臺階的齒，齒可以和臺階嚙合。前爬升輪為可伸縮的齒形爬升輪。伸縮臂可以調節，以達到調節前后輪間距的目的。齒形輪可以和臺階嚙合。通過該機械系統可以使輪椅沿臺階向上爬升。

[關鍵詞]爬樓輪椅;微型控制單元;健康監測;爬升機械系統

[中圖分類號]U665.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–02

Research on Innovative Tire Structure of Stair-climbing

Wheelchair Based on Arduino Control System

Wang Cheng-zhe，Liao Yi-jie，Zhou Yan-miao，Zhang Zhi-heng，Zhang Xun

[Abstract]The development of the portability and reliability of wheelchairs can improve the quality of life of the elderly and the disabled. This paper studies and designs an intelligent stair-climbing wheelchair. The intelligent driving function is designed and implemented based on the Arduino miniature control unit， ultrasonic sensor， infrared sensor， ball switch， manual switch， motor， buzzer and other sensors and actuators. The intelligent health monitoring system is designed and implemented based on 51 single-chip microcomputers， heart rate sensors， blood pressure sensors， and display screens. This paper also designs and studies a wheelchair climbing mechanical system. The system includes a rear wheel with a climbing function and a front climbing wheel. The rear wheel operates through a mechanism， and a circle of teeth for climbing steps can be extended from the outer circle of the wheel， and the teeth can mesh with the steps. The front climbing wheel is a retractable toothed climbing wheel. The telescopic arm can be adjusted to achieve the purpose of adjusting the distance between the front and rear wheels. The toothed wheel can mesh with the step. Through this mechanical system， the wheelchair can climb up the steps.

[Keywords]stairs-climbing wheelchair; miniature control unit; health monitoring; climbing mechanical system

為了提高逐漸增加的老齡化人口和殘障人士的生活質量，輪椅的智能化和爬樓功能尤為重要。國內外學者和工程師對輪椅的智能化進行了大量研究[1]。上海健康醫學院護理與健康管理學院的肖蕊等人[2]在輪椅上加裝語音操作系統和導航定位系統。Nath Sudarshan等人[3]也進行了語音控制智能輪椅的研究與設計。Pathan Shadman Mahmood Khan等人[4]研究了通過頭部動作進行控制的智能輪椅系統。南京郵電大學的劉志超[5]研究了腦電信號和頭部姿態對智能輪椅的混合控制方法。單芯片微型計算機是智能輪椅的控制核心。廣東省機械技師學院的盧茹[6]進行了基于ATxmega64單片機的電動輪椅控制系統的設計，硬件設計包括電源模塊、顯示模塊、操控模塊和動力模塊，軟件設計包括運動控制程序、按鍵及搖桿程序和現實程序。山東管理學院智能工程學院的Chen Qinghua等人[7]基于STM32單片機進行了輪椅智能化的研究與設計。華北電力大學控制與計算機工程學院的陳毅博[8]基于STC89C52單片機進行了多地形智能輪椅的研究與設計。

為了實現輪椅的爬樓功能，大量學者對輪椅的運動機構進行了設計和研究。浙江理工大學機械與自動控制學院的祝志芳等人[9]提出了一種直線型連桿爬升機構，并通過Solidworks軟件對機構的運動進行了模擬，爬升機構的整體運動軌跡近似直線。華北理工大學機械工程學院的蔡敬宇等人[10]設計了一種輪–履帶復合式的爬樓輪椅，采用前后雙履帶，并通過ADAMS軟件對輪椅質心的速度和加速度進行了運動分析。鄂爾多斯應用技術學院機械與交通工程系的劉榮娥等人設計了一種具有行星輪機構的輪椅，具有爬樓、減震、座椅調平、起落架調距和座椅升降功能，并通過Solidworks中的Motion模塊對輪椅的運動進行了仿真。內蒙古民族大學物理與機電學院蘇和平等人設計了一種雙聯行星輪機構爬樓輪椅。

通過學者以往的研究發現，輪椅的智能化對于輪椅的多功能和安全性能尤為重要。對于輪椅的爬樓功能，主要通過連桿機構、履帶機構或行星輪機構實現。很少有學者對輪椅輪子的結構和形式進行創新型研究。本文設計的智能化輪椅具有智能避障、警報和健康檢測功能。以此為基礎，設計了一種具有可伸縮齒形機構的后輪與攀爬齒型機械臂，來實現輪椅的爬樓功能。

1 智能系統

本文中的智能輪椅是基于Arduino單芯片微控制器來實現的。Arduino以AtmelAVR單片機為核心，采用了開放源代碼的軟硬件平臺。智能化系統電路如圖1所示。

2 總控系統

總控是通過HC-05藍牙模塊與Arduino主板配合形成的系統，可以通過應用軟件控制輪子的運動速度和方向，從而控制輪椅的運動狀態（左轉彎、右轉彎、直行），從而保證輪椅順暢安全地行駛。還可通過控制變形爬升輪的形態實現輪椅常規使用模式和爬樓模式的切換。總控系統控制邏輯如圖2所示。

3 爬樓機構設計

3.1 整體機構設計

整體化設計如圖3所示。

（1）后輪驅動系統：后輪采用分離電機驅動，通過程序控制兩電機的轉速，進而形成差速來實現轉向功能。

（2）后輪爬樓系統：后輪采用電機帶動的機械結構實現爬升齒的伸縮，在爬樓時，通過電機帶動，將爬樓齒伸出，與樓梯形成嚙合機構，進而實現爬樓：在正常行進過程中爬樓齒處于收回狀態，以確保正常行進。

3.2 后輪機械結構設計

本產品后輪采用可伸縮齒形結構。可伸縮齒形結構的齒的伸縮由使用者通過按鍵或手機應用軟件來控制。輪體內部通過連桿滑塊機構實現齒的伸縮。如圖4所示，臂（2）與齒（3）相對固定，臂（2）與輪（1）之間由轉軸聯結，軌道（5）用于保證齒

（3）運動順滑。

當需要爬升臺階時，如圖4（a）所示，由使用者通過控制輪體內部電機轉動，從而驅動輪（1）逆時針轉動，將齒（3）順滑動軌道（5）推出，使輪體變形成具有10個齒的齒輪，齒輪可通過嚙合臺階進行爬升。爬升結束后，在平坦路面正常運行時，如圖4（b）所示，使用者控制輪體內中間驅動輪（1）順時針旋轉，臂（2）將10個齒（3）順導軌縮入輪體內部，使齒（3）的弧形斷面與輪體外圓面重合，保證后輪能夠在平坦地面平穩行駛。

4 結語

本文通過以單芯片微型計算機為基礎設計輪椅的智能控制系統，使輪椅實現了自動避障、求救警報、健康監測等功能。通過利用連桿滑塊機構設計使輪椅后輪具有可伸縮臺階嚙合齒，加上可伸縮前臺階嚙合齒輪以及可伸縮車架，實現爬升臺階的功能。智能化控制系統與臺階爬升機構設計結合，設計出了用于行動不便的老年人與殘障人士的智能化爬樓輪椅。

參考文獻

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[3] Nath S，Debnath S，Mukherjee N，et al.Self sanitizing voice controlled intelligent wheelchair[J].Journal of Physics：Conference Series，2021，1797（1）：012019.

[4] Pathan Shadman Mahmood Khan，Ahmed Wasif;Rana Md.Masud，Tasin Md.Shahjalal，et al.Wireless Head Gesture Controlled Robotic Wheel Chair for Physically Disable Persons[J].Journal of Sensor Technology，2020.10（4）：47-59.

[5] 劉志超.基于腦電與頭姿混合接口的機器人輪椅交互方法研

究[D].南京：南京郵電大學，2020.

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[8] 賈永祥.新型輪-履復合式爬樓梯輪椅設計與實現[D].南京：南京理工大學，2016.

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[10] 蘇和平，王人成.一種雙聯星形輪機構電動爬樓梯輪椅的設計[J].中國組織工程研究，2005，9（26）：144-145.