多路況下防摔倒智能輪椅的研究與設計

（華北理工大學，河北唐山市，063210）杜璟慧 邊俊霞 姜娜 王明華 董琬琦 楊曼

隨著中國逐漸進入老齡化社會，最新人口普查結果顯示中國60歲以上的人口已經達到2.64億且中國肢體殘疾人口達到了8 500萬。設計一款針對多路況的智能化防摔倒輪椅，包括面對崎嶇道路與潮濕道路的安全防護響應以及高速運行的安全保障已經成為當前的主要任務之一。該輪椅的設計能夠有效保障老年人、殘疾患者等弱勢群體在復雜路況下的行駛安全，對促進市場發展以及醫療輔助具有及其重要的現實意義[3]。

1 輪椅設計

1.1 輪椅的結構設計

運用Pro.E三維建模軟件所設計的防摔倒型智能輪椅示意圖如圖1所示。該輪椅包含以下組成部分：（1）整體式加強車架；（2）左右分體式電池；（3）后輪雙電機驅動；(4)腳踏；(5)超聲波測距傳感器；(6)濕度傳感器；(7)速度傳感器；(8)制動裝置；(9)自動升降式履帶；(10)安全氣囊；(11)顯示屏；(12)狀態監測與傳輸集成盒（condition monitoring and transmission，CMT）。

圖1 整體示意圖

由于需要根據輪椅座椅前后與地面距離的差值來判斷輪椅是否有摔倒風險，此處采用兩個超聲波測距傳感器，分別安裝于座椅下方的前后。為了可以更好地監測輪椅的行駛速度和地面的濕度，速度傳感器與濕度傳感器均安裝于輪轂上，制動裝置安裝與后輪輪轂處。考慮到摔倒時為了更好地保護使用者，在輪椅的兩側均安裝了安全氣囊。

以上零部件以及傳感器的設置為后續實現路況識別以及安全保障做鋪墊，具體實現方式參考第三部分。

1.2 輪椅的功能模塊設計

針對行動不便的老年人、殘疾患者等弱勢群體，為保證此類群體的安全出行設計的輪椅。該輪椅具有針對不同路況下的摔倒狀態識別與傳輸、摔倒預警和校正，以及摔倒保護功能。為了讓使用者在生活上獲得幸福感和滿足感。根據以上需求初步確定了多功能輪椅的總體設計方案，主要分為制動裝置，自動升降式履帶，安全氣囊3個部分，以下將針對各部分進行詳細描述。

1.2.1 制動裝置

制動裝置由剎車碟片和剎車器組成如圖2，用于及時制動。制動裝置主要是為了使輪椅在行駛過程中減速或在最短的距離內停止[4]。

圖2 制動裝置

以下是本輪椅制動裝置的啟動原理：在高速行駛時，將輪椅的轉速信號轉換成脈沖信號，經放大整形之后送入單片機[5]，CMT會依據速度傳感器傳輸的速度數據進行判定，當速度超出第一閾值時，會發出警報并提示乘坐者降低速度，當速度超過第二閾值時，加速電機停止工作，安裝于輪轂的緩慢制動裝置開始工作，直到速度為0停止工作。

在路面上行駛時，當路面濕度和崎嶇程度超過閾值時，安裝在橫梁上的履帶輪會自行下降，增大輪椅于地面的接觸面積與摩擦力，從而防止輪椅打滑和顛簸，降低輪椅側翻的可能性。

1.2.2 安全氣囊

安裝于輪椅前方擋板與靠背處，用于保護輪椅摔倒狀態下的乘坐人。

在使用者摔倒時，安全氣囊在乘員的周圍形成彈性氣墊，及時吸收沖擊能量，從而有效地保護使用者的安全，使之免于傷害或減輕傷害程度。

2 案例說明

2.1 崎嶇道路

座椅前后的超聲波測距傳感器會測量出座椅前后離地面的距離（Distance between wheelchair and ground，DWG）前端DWG減去后端DWG的值為DWGS。當在崎嶇道路上行駛時，超聲波測距傳感器測出數據后，會將這些數據傳輸到CMT。CMT會根據前后兩個DWG的值來判定道路的崎嶇程度，并做出相應的響應:

當DWGS為正，且只有一個DWG值超出第一閾值時，CMT通過分析判斷輪椅進入向后準摔倒狀態，此時，CMT發出指令，單片機輸出的為低電平，蜂鳴器開始工作發出持續警報聲，提醒使用者及路人輪椅有摔倒的危險；同時安裝于座椅后方自動彈出裝置開始工作，電磁閥上的彈簧帶動電磁閥向下轉動推出，推桿的另一端塞到卡扣的下側，向上帶動卡扣旋轉打開，支架迅速彈出，使輪椅與地面形成支撐，從而防止摔倒。此狀態下防摔倒流程如圖3所示。

圖3 向后準摔倒狀態下防摔倒流程圖

當DWGS為負，且只有一個DWG值超出第一閾值時，CMT通過分析判斷輪椅進入向前準摔倒狀態，此時，CMT發出指令，輪胎制動裝置開始工作，與車身相連的非旋轉元件與車輪相連的旋轉元件相互摩擦來阻止車輪的轉動；同時將傳感器信號轉換成脈沖信號，控制電機的運轉，通過齒輪來帶動升降軸工作，使位于座椅下方的履帶輪慢慢下降，使輪椅整體的重心下降，避免摔倒。此狀態下防摔倒流程如圖4所示。

圖4 向前準摔倒狀態下防摔倒流程圖

當兩個DWG均超出第一閾值時，CMT通過分析判斷輪椅進入側翻準摔倒狀態，此時，CMT根據分析結果得到座椅的傾斜方向，并向對側的履帶傳動裝置發出脈沖信號，使對側履帶慢慢下降，對重心進行調整，使輪椅恢復平衡狀態。此狀態下防摔倒流程如圖5所示。

圖5 側翻準摔倒狀態下防摔倒流程圖

CMT根據傳感器輸入的數據判斷摔倒風險解除后，再次發出指令，蜂鳴器停止工作，警報聲消失；卡扣回落，彈出裝置自動收回；與車輪相連的旋轉元件回到原始位置，制動解除；發出脈沖信號，齒輪反向運轉，使升降軸上升，履帶向上收回，輪椅繼續正常行駛。

2.2 濕滑道路

安裝于輪轂上的濕度傳感器會監測行駛路面的濕度值，輪椅在路面濕滑的道路上行駛時，CMT會依據濕度傳感器傳輸的濕度值進行路況判定，當路面濕度超過閾值時，CMT發出指令，將信號傳輸到履帶的升降系統，使齒輪開始轉動，安裝在座椅下的履帶輪會自行下降，增大輪椅與地面的接觸面積，同時增大與地面的摩擦力，從而減小輪椅對打滑的敏感性，降低摔倒的可能性。此狀態下工作流程如圖6所示。

圖6 濕滑路面時防摔倒流程圖

2.3 摔倒保護

當輪椅在行駛過程中，CMT對數據進行分析，DWG與DWGS只要有一個超出第二閾值時，CMT判斷輪椅將發生摔倒，向電子控制系統發出指令，執行機構刺破氣瓶，使靠墊后方和擋板處的安全氣囊迅速充滿氣體并彈出，在摔倒瞬間打開安全氣囊，保護使用者的安全。

3 結論

隨著中國的老齡化程度不斷加深，老齡化人群和殘疾人群等弱勢群體數量上升，對輪椅的智能化需求不斷上漲，加之在如今這個醫護人員緊張、智能生活迅速發展的大環境下，獨立使用輪椅生活已成為不可避免的趨勢。未來的工作將致力于低成本的多路況防摔倒智能輪椅的設計，讓所有老年人可以更加幸福生活。