可分離式聲控智能輪椅床墊的設計

余明暉 譚江輝 蘇 蒲 劉大維 蔡慶坤 陳 日

（廣東技術師范大學機電學院，廣東 廣州 510600）

0 引言

在國內老齡化嚴重、留守老人日益增多的背景下[1]，智能輪椅床墊為國內養老難的問題提出了一個解決方案，對解決國內養老問題起到了促進作用。

智能輪椅床墊供行動不便的老人或殘疾患者使用，操作簡單，安全系數高。主要功能為可以將使用者送上輪椅，還可以將使用者送上床并輔助使用者躺下[2-3]。

智能輪椅床墊可以讓使用者自行解決生活需求，提高其生活的信心，有利于康復和提高養老質量，有效降低了使用者磕碰及跌倒的概率。

可分離式聲控智能輪椅床墊采用Altair Inspire軟件分析傳動裝置的結構合理性，保證傳動過程中不會有過高的速率，提高了安全性和舒適性，還可以降低成本，提高利潤。與此同時，還通過SolidWorks Simulation對輪椅進行結構優化，使輪椅的質量變小，延長輪椅的續航時間。

1 可分離式聲控智能輪椅床墊結構設計

1.1 整體結構設計

通過SolidWorks Simulation軟件對分離式聲控智能輪椅床墊的結構進行設計并優化。分離式聲控智能輪椅床墊主要由分離輪椅和床墊2個部分構成。其中，床墊中主要由電推桿[4]、絲杠、乳膠、托板傳動桿支架、絲桿固定支架以及滑道等組成。分離輪椅主要由行進輪、可折疊扶手以及遙控器等組成，床墊為乳膠材質。輪椅的前輪采用實心輪輻，外側包裹1圈橡膠輪胎，后輪為免充氣輪胎。整體設計機構如圖1所示。

圖1 整體結構圖

1.2 自鎖旋轉裝置結構設計

通過自鎖旋轉裝置將輪椅板從床墊中部推往床邊的輪椅架上，可以實現輪椅板與床墊的自由連接和分離。自鎖旋轉裝置包括具有伸縮裝置的電動推桿，可伸縮設計能更好地節約空間，在床墊移動觸發前，將裝置隱藏在床墊下方。在輪椅平穩后，電磁鐵通電固定輪椅架，床墊中央的電動推桿推動裝置開始將輪椅板平移至輪椅架上方，推動裝置上的限位扣與輪椅板上的限位扣進行自鎖卡緊，輪椅架上的滑軌裝置可以輔助輪椅板與輪椅架的組合，當輪椅板與輪椅架組合后，輪椅組裝過程完成，斷開電磁鐵電源，使輪椅能夠脫離床體自由活動。自鎖旋轉裝置如圖2所示。

圖2 自鎖旋轉裝置

2 安全性分析

2.1 輪椅扶手受力分析

在使用者起身的過程中，輪椅扶手為主要支撐。為了保證其安全性，對其進行受力分析，扶手結構簡圖及其受力分析圖如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以得到公式（1）。

圖3 扶手結構簡圖

圖4 扶手受力分析

式中：σmax為扶手所受最大應力；Mzmax為彎矩；Iz為中性軸慣性矩；ymax為截面上的點到中性軸最大的距離；Wz為抗彎截面系數。

扶手截面圖如圖5所示。由圖5可以得到中性軸慣性矩，如公式（2）所示。

圖5 扶手截面圖

由公式（2）可以得到抗彎截面系數，如公式（3）所示。

當y=h/2時，存在最大正應力，如公式（4）所示。

將公式（2）～公式（4）代入公式（1）可得公式（5）。

扶手的材料為Q235A，屈服強度為235 MPa，許用應力為16 kN/cm2，經過上述公式計算可知，其符合安全要求。

2.2 電推桿和輪椅板有限元分析

在“起身”、“坐下”等實際場景中，輪椅板的電推桿和輪椅板承受的負載最大，材質為25CrMo4，須對這2個部件進行有限元分析。通過Altair Inspire[5]軟件分析了成年人在使用可分離式聲控智能輪椅床墊時電推桿和輪椅板的等效應力、最大位移以及最小安全系數，如圖6所示。

圖6 INSPIRE分析結果匯總

Inspire分析電推桿和輪椅板的米塞斯等效應力結果如圖7所示。25CrMo4的屈服強度σs≥685 MPa、抗拉強度σb≥885 MPa，在受力后，電推桿和輪椅板的最大米塞斯等效應力約為31 MPa，遠小于電推桿和輪椅板的屈服強度，滿足產品的性能要求。

圖7 米塞斯等效應力分析結果

Altair Inspire分析電推桿和輪椅板在使用過程中的位移，結果如圖8所示。輪椅板末端的位移最大，最大位移小于2 mm，滿足產品的性能要求。

圖8 位移分析結果

Altair Inspire分析電推桿和輪椅板在使用過程中的安全系數結果如圖9所示，安全系數滿足產品的使用要求。

圖9 安全系數分析結果

根據上述分析結果可以得出，電推桿和輪椅板的最大應力小于屈服強度，位移量偏小，安全系數達到要求，完全滿足產品的性能要求。

3 控制設計

可分離式聲控智能輪椅床墊的主控芯片是STM32F103C8T6，其可快速處理語音指令并快速響應，可以同時精準控制多臺舵機、電機。

3.1 主要部件

可分離式聲控智能輪椅床墊的控制系統包括STM32、聲控裝置、舵機以及自鎖裝置，輪椅包括驅動裝置、復位裝置。

智能語音控制系統采用LD3320語音芯片，可以靈敏識別老人較低的音量，1 m內識別率達95%。其可識別所有中文詞條，當對著小型麥克風說出對應的指令（例如上升、下降等）時，STM32控制床墊執行相應的指令。

舵機是一種角度伺服的驅動器，適用于角度需要不斷頻繁變化的控制系統。采用舵機系統作為傳動系統，舵機有較高的精度和較好的固定力量，防抖震性能高。

供電系統的供電裝置分為2個部分（床墊連接外部220 V交流電源，輪椅采用蓄電池進行供電）：1） 內置充電器與蓄電池連接，當輪椅與床墊未分離時，充電器給輪椅內蓄電池充電。2） 電源轉換器與蓄電池、外部電源連接，轉換器將蓄電池中12 V的直流電、三角插頭的外部電源轉化為5 V的直流電，供單片機控制系統正常工作使用。12 V蓄電池為輪椅的儲能裝置，負責儲存電能。

3.2 輪椅床墊控制流程

可分離式聲控智能輪椅床墊的主體分為特制床墊和緊卡在床邊的輪椅架。輪椅板通過推動、自鎖2個裝置，在滑軌的輔助下實現輪椅板與床墊的自由連接和分離。

系統在接收語音“移出”命令后，電磁鐵通電固定輪椅，床墊中央的推動裝置將床墊平移至輪椅上方，直至輪椅板與輪椅組合好，推動裝置上的自鎖裝置解鎖，并斷開電磁鐵電源，使輪椅能夠脫離床體自由活動。

在接收“移入”命令后，滑軌上的電磁鐵通電，輪椅上的限位扣2通過電磁鐵與導軌吸合在一起，通過導軌與推動裝置上的限位扣1完成鎖定，鎖定后電動推桿回縮，順著導軌收縮到原定指令設定好的位置，輪椅板回到床墊上并且與床板契合在一起。限位扣位置如圖10所示。

圖10 限位扣

上床墊上有與床墊分離的輪椅身，當使用者需要起身時，通過聲控帶動電機使椅座先抬起5°，避免在椅背抬起的過程中因老人滑向床尾而引發未知的危險。在抬起扶手的同時可以觸發上床墊下降到可以讓輪椅自主導出的高度，將扶手卡緊在椅座上，保證老人不會在兩側滑出后，電機將椅背緩慢抬起到合適的角度。保證以上操作完成后，輪椅通過電推桿卡在床側的輪椅架上并固定好，這時使用者可以控制輪椅架向前滑出脫離床墊，自由出行。可分離式聲控智能輪椅床墊的控制流程如圖11所示。

圖11 控制流程圖

4 功能實現

4.1 輪椅模式

系統接收語音“移出”命令后，扶手、輪椅板背部上升一定角度，在輪椅板背部平穩后，由電動推桿推動輪椅板移動到輪椅架上，然后輪椅板腿部向下旋轉一定角度，讓使用者的雙腳自然放下，在電動推桿收回后，輪椅與床墊分離，進入輪椅模式，如圖12所示。

圖12 輪椅模式

4.2 床墊模式

通過電推桿與輪椅板之間的鎖緊裝置，由原來的推動裝置將輪椅板從輪椅架上拉回床墊處，輪椅板回到床墊上后會緩慢展平，扶手也會收回放平，輪椅板和床墊一起組合成床，如圖13所示。

圖13 床墊模式

5 結語

可分離式聲控智能輪椅床墊采用了機電一體化設計，與目前市面上的純護理床相比，增加了聲控系統以及床墊與輪椅自動連接系統，使用者可輕松切換輪椅模式和床墊模式。通過SolidWorks Simulation對輪椅進行結構優化設計，結合Altair Inspire軟件分析了輪椅板在伸出電推桿、輪椅板時的米塞斯等效應力、最大位移以及安全系數，保障了輪椅床墊的安全性。可分離式聲控智能輪椅床墊致力于解決行走不便的老人、腿部殘疾患者自主出行和日常生活需求的問題，也減輕了使用者家屬的陪護壓力，在醫療護理領域具有廣闊的應用市場及前景。可分離式聲控智能輪椅床墊的設計樣機圖如圖14所示。

圖14 可分離式聲控智能輪椅床墊的設計樣機圖