三星轮多功能轮椅设计*

刘 鑫 宫逸文 赖文博 陶 程 高 义

1武汉科技大学机械自动化学院 武汉 430081 2武汉科技大学材料与冶金学院 武汉 430081

0 引言

随着社会老龄化日益加重，我国老年人所占人口比例越来越高，其人数居世界之最。与此同时，目前我国残疾人群体已经达到8 500余万人，这一数据仍在不断上升[1]。行动不便是这两大群体需要面对的主要问题之一。由于行动不便导致外出机会减少，相比健全的中青年人更加渴望方便出行的生活，故各类轮椅市场需求加大。传统老式轮椅功能单一，且不便于自己操作，往往还会因地形问题导致种种不便，故各类能克服不良地形的特殊轮胎以及减少人为操作难度的自动化技术开始运用于轮椅。

针对目前国内已有的各式轮椅，项目组对现有轮椅市场开展调研，深入了解目前国内已有轮椅技术的隐患与缺陷，存在不能自如的上下楼梯、自动化程度低、使用者起身困难等问题。基于此，本文经过改善优化后设计出能更好地适应残疾人与老年人的三星轮多功能轮椅。

如图1所示，三星轮多功能轮椅通过结合机械结构与机械传动的方式，针对座椅与扶手架改善了使用者坐上轮椅以及从轮椅上站起时的体验感。针对久坐导致的不适感，通过电动机运转带动椅背实现椅背按摩技术，极大程度改善了使用感受。

图1 三星轮多功能轮椅全景图

1 三星轮多功能轮椅方案设计

1.1 机械方案设计

座椅部分主要由伺服电动机和传动齿轮与丝杆机构相互配合组成[2]。在坐垫下方两侧安装2套相同的丝杆机构，两侧的丝杆在伺服电动机的带动下沿相同方向旋转，从而改变支撑杆角度，以此实现坐垫的翻转，为使用者在落座和起身时提供支持力；在椅背部分采用曲柄摇杆机构原理，利用丝杆转动的方式带动滑块移动，从而使得下方导杆可以带动椅背旋转。椅背按摩部分，利用伺服电动机带动锥齿轮旋转从而带动与之啮合的直齿轮转动，使曲柄滑块的周期性运动而达到按摩的功能。

轮胎部分为三星轮机构，伺服电动机通过带动连接两侧三星轮的轮轴旋转，带动三星轮中的中心齿轮旋转，通过中间将中心齿轮与星轮连接的小齿轮传动从而带动3个星轮旋转。平地行驶时，只需将中间小齿轮放松，由中心齿轮带动与地面接触的两个星轮运动，三星轮整体向前平动；爬楼行驶时，则将中间连接的小齿轮锁死，由中心齿轮旋转带动整个三星轮系共同向前翻转运动。

1.2 系统组成设计

三星轮多功能轮椅改善了轮椅的轮胎与座椅2个部分。产品的2个核心部分为传动系统和控制系统。

1）传动系统 2部分均由伺服电动机和传动齿轮以及丝杆机构组成[3]。通过伺服电动机实现无级调速平缓调整坐垫与扶手架，可为使用者提供动力帮助；实现根据使用者需要调整背部按摩节奏；实现根据不同情况有效控制三星轮旋转方式。

2）控制系统 主要为离线控制系统，采用单片机作为主控芯片，可由使用者根据自身需求调整轮椅内各部分，同时实现各部件配合衔接稳定，尽可能减少在调整过程中可能存在的滞涩情况。

2 机械结构设计

2.1 坐垫辅助装置设计

如图2所示，坐垫辅助装置由2根丝杆搭配导杆链接组成，导杆一端通过铰链链接在滚珠丝杆的螺母上，另一端则通过铰链链接坐垫尾部，伺服电动机带动丝杆转动，使得螺母在丝杆上的位置改变。导杆支撑点的改变，使得导杆将坐垫尾端支撑起来，从而为使用者从轮椅上起身时提供支持力，便于更好地离开轮椅。

图2 坐垫辅助装置

2.2 椅背调节及按摩装置设计

如图3所示，椅背调节装置利用曲柄摇杆机构的原理，通过伺服电动机控制带动丝杆旋转，控制滑块上下运动，从而使得导杆随之运动，进而改变椅背的倾斜角度。椅背按摩装置由一个伺服电动机锥齿轮旋转从而带动与之啮合的直齿轮转动，再带动一端的齿轮转动，进而带动上下2个传动齿轮旋转，再由传动齿轮带动上下2根齿轮轴旋转，利用曲柄滑块的周期性运动实现按摩的功能[4]。

图3 椅背调节及按摩装置

2.3 三星轮传动装置设计

如图4所示，其工作时由伺服电动机带动中间的大齿轮同轴转动，再通过大齿轮带动与之啮合的3个小齿轮转动，3个小齿轮利用齿轮轴传动带动两侧三星轮旋转实现平地行驶时三星轮向前平动[5]；在面对爬坡过程中，锁死三星轮中的小齿轮，伺服电动机仍能给大齿轮提供更大的扭矩，从而使得三星轮系翻转。在前后轮传动中，采用连杆将轮椅的驱动方式变为全轮驱动，实现在运动过程中面对各种地形动力充沛[6]。

图4 三星轮传动装置

3 控制系统设计

3.1 控制系统流程图

控制系统主要采用4个STC15F2K60S2型集成CPU作为主控芯片[7]，实现坐垫辅助装置、椅背调节装置、按摩装置和三星轮传动装置独立工作，各机构运行过程互不冲突，能实现功能多线程运行和实时精确控制，其控制流程如图5所示[8]。

图5 轮椅控制系统流程图

3.2 电路原理图

轮椅的电路主要由集成主板部分、多线程运行部分、动力传输部分、辅助支撑部分组成，由CPU主板对4个54ZYT-14205伺服电动机进行控制，继而实现对轮椅各功能的调节与控制，其原理图如图6所示。

图6 轮椅各部分控制电路原理图

3.3 电动机选型

轮胎材质为橡胶，轮胎半径r为0.15 m，传动比u为40，滚动摩阻系数f为0.005 m，额定最高速度v1为15 km/h，额定载重G为1 000 N，机械传动效率n为0.76。

1）理论平地行驶分析

2）理论爬梯分析

本轮椅爬梯时额定时速v2为1.2 km/h，三星轮等效半径R为0.3 m，设计最大爬梯角为30°，由此得出爬梯时电动机所需提供的v2扭矩为

由式（1）、式（2）可得电动机既能提供较大扭矩输出，又满足转速调节范围（40～1 200 r/min）的要求。因此，本轮椅的电动机选用低速直流励磁电动机，此类电动机的转速可通过加在电动机上的电压进行调节，并且拥有各类电动机中最广的转速调节范围，同时具备较强的扭矩输出能力。此外，选用直流电动机还具备无级变速和自适应扭矩输出两大优点。

4 材料选取

机构主体采用2种不同的铝合金材料，分别为6061系和7005系铝材；机构零件部分则采用45号结构钢。

1）6061系铝材 运用于整体机架。该铝材密度小，具有一定强度，且有可焊性与抗蚀性高的工业结构性，采用该铝材同时可以有效地降低机架的质量；

2）7005系铝材 运用于丝杆，轮轴等传动部件，采用该铝材，可满足本产品对于丝杆等传动部分的高强度与高断裂韧性的焊接结构需求，确保传动装置的正常运行。

3）45号结构钢 运用于齿轮等诸多的零部件，采用该优质碳素钢，可实现产品零部件对于较高强度的耐磨性和韧性需求，确保机构运行的稳定性。

5 应用效果

使用前给实验的仿真人偶放置于轮椅上，并由操作人员通过两边扶手上的操作盘进行操作，通过传感器实时反映人偶在轮椅上时，坐垫调节、椅背调节、椅背按摩以及三星轮爬楼过程中人偶背部以及臀部的受力情况。开始实验后，操作人员旋动椅背调节按钮，随后并依次调试椅背按摩、轮胎运动状态反复变化，最后人偶离开座椅时坐垫支撑辅助起身装置。

6 结论

三星轮多功能轮椅将多种技术相结合，旨在为伤残人士以及行动不便的老年人群体设计一款使用体验更佳的轮椅。不同于市面上的各类轮椅，三星轮多功能轮椅通过伺服电动机控制滚珠丝杆传动以及曲柄摇杆装置运转实现轮椅上的坐垫、椅背、按摩装置等功能的调节；在三星轮传动设计中，通过连杆将前后轮转换为全轮驱动，为爬楼过程提供充沛动力。通过将各类新型技术混合运用于三星轮多功能轮椅设计，使其更加适合伤残人士以及行动不便的老年人使用，为其提供更好的使用体验和舒适感。