可分离式声控智能轮椅床垫的设计

余明晖 谭江辉 苏 蒲 刘大维 蔡庆坤 陈 日

（广东技术师范大学机电学院，广东 广州 510600）

0 引言

在国内老龄化严重、留守老人日益增多的背景下[1]，智能轮椅床垫为国内养老难的问题提出了一个解决方案，对解决国内养老问题起到了促进作用。

智能轮椅床垫供行动不便的老人或残疾患者使用，操作简单，安全系数高。主要功能为可以将使用者送上轮椅，还可以将使用者送上床并辅助使用者躺下[2-3]。

智能轮椅床垫可以让使用者自行解决生活需求，提高其生活的信心，有利于康复和提高养老质量，有效降低了使用者磕碰及跌倒的概率。

可分离式声控智能轮椅床垫采用Altair Inspire软件分析传动装置的结构合理性，保证传动过程中不会有过高的速率，提高了安全性和舒适性，还可以降低成本，提高利润。与此同时，还通过SolidWorks Simulation对轮椅进行结构优化，使轮椅的质量变小，延长轮椅的续航时间。

1 可分离式声控智能轮椅床垫结构设计

1.1 整体结构设计

通过SolidWorks Simulation软件对分离式声控智能轮椅床垫的结构进行设计并优化。分离式声控智能轮椅床垫主要由分离轮椅和床垫2个部分构成。其中，床垫中主要由电推杆[4]、丝杠、乳胶、托板传动杆支架、丝杆固定支架以及滑道等组成。分离轮椅主要由行进轮、可折叠扶手以及遥控器等组成，床垫为乳胶材质。轮椅的前轮采用实心轮辐，外侧包裹1圈橡胶轮胎，后轮为免充气轮胎。整体设计机构如图1所示。

图1 整体结构图

1.2 自锁旋转装置结构设计

通过自锁旋转装置将轮椅板从床垫中部推往床边的轮椅架上，可以实现轮椅板与床垫的自由连接和分离。自锁旋转装置包括具有伸缩装置的电动推杆，可伸缩设计能更好地节约空间，在床垫移动触发前，将装置隐藏在床垫下方。在轮椅平稳后，电磁铁通电固定轮椅架，床垫中央的电动推杆推动装置开始将轮椅板平移至轮椅架上方，推动装置上的限位扣与轮椅板上的限位扣进行自锁卡紧，轮椅架上的滑轨装置可以辅助轮椅板与轮椅架的组合，当轮椅板与轮椅架组合后，轮椅组装过程完成，断开电磁铁电源，使轮椅能够脱离床体自由活动。自锁旋转装置如图2所示。

图2 自锁旋转装置

2 安全性分析

2.1 轮椅扶手受力分析

在使用者起身的过程中，轮椅扶手为主要支撑。为了保证其安全性，对其进行受力分析，扶手结构简图及其受力分析图如图3和图4所示。

由图3和图4可以得到公式（1）。

图3 扶手结构简图

图4 扶手受力分析

式中：σmax为扶手所受最大应力；Mzmax为弯矩；Iz为中性轴惯性矩；ymax为截面上的点到中性轴最大的距离；Wz为抗弯截面系数。

扶手截面图如图5所示。由图5可以得到中性轴惯性矩，如公式（2）所示。

图5 扶手截面图

由公式（2）可以得到抗弯截面系数，如公式（3）所示。

当y=h/2时，存在最大正应力，如公式（4）所示。

将公式（2）～公式（4）代入公式（1）可得公式（5）。

扶手的材料为Q235A，屈服强度为235 MPa，许用应力为16 kN/cm2，经过上述公式计算可知，其符合安全要求。

2.2 电推杆和轮椅板有限元分析

在“起身”、“坐下”等实际场景中，轮椅板的电推杆和轮椅板承受的负载最大，材质为25CrMo4，须对这2个部件进行有限元分析。通过Altair Inspire[5]软件分析了成年人在使用可分离式声控智能轮椅床垫时电推杆和轮椅板的等效应力、最大位移以及最小安全系数，如图6所示。

图6 INSPIRE分析结果汇总

Inspire分析电推杆和轮椅板的米塞斯等效应力结果如图7所示。25CrMo4的屈服强度σs≥685 MPa、抗拉强度σb≥885 MPa，在受力后，电推杆和轮椅板的最大米塞斯等效应力约为31 MPa，远小于电推杆和轮椅板的屈服强度，满足产品的性能要求。

图7 米塞斯等效应力分析结果

Altair Inspire分析电推杆和轮椅板在使用过程中的位移，结果如图8所示。轮椅板末端的位移最大，最大位移小于2 mm，满足产品的性能要求。

图8 位移分析结果

Altair Inspire分析电推杆和轮椅板在使用过程中的安全系数结果如图9所示，安全系数满足产品的使用要求。

图9 安全系数分析结果

根据上述分析结果可以得出，电推杆和轮椅板的最大应力小于屈服强度，位移量偏小，安全系数达到要求，完全满足产品的性能要求。

3 控制设计

可分离式声控智能轮椅床垫的主控芯片是STM32F103C8T6，其可快速处理语音指令并快速响应，可以同时精准控制多台舵机、电机。

3.1 主要部件

可分离式声控智能轮椅床垫的控制系统包括STM32、声控装置、舵机以及自锁装置，轮椅包括驱动装置、复位装置。

智能语音控制系统采用LD3320语音芯片，可以灵敏识别老人较低的音量，1 m内识别率达95%。其可识别所有中文词条，当对着小型麦克风说出对应的指令（例如上升、下降等）时，STM32控制床垫执行相应的指令。

舵机是一种角度伺服的驱动器，适用于角度需要不断频繁变化的控制系统。采用舵机系统作为传动系统，舵机有较高的精度和较好的固定力量，防抖震性能高。

供电系统的供电装置分为2个部分（床垫连接外部220 V交流电源，轮椅采用蓄电池进行供电）：1） 内置充电器与蓄电池连接，当轮椅与床垫未分离时，充电器给轮椅内蓄电池充电。2） 电源转换器与蓄电池、外部电源连接，转换器将蓄电池中12 V的直流电、三角插头的外部电源转化为5 V的直流电，供单片机控制系统正常工作使用。12 V蓄电池为轮椅的储能装置，负责储存电能。

3.2 轮椅床垫控制流程

可分离式声控智能轮椅床垫的主体分为特制床垫和紧卡在床边的轮椅架。轮椅板通过推动、自锁2个装置，在滑轨的辅助下实现轮椅板与床垫的自由连接和分离。

系统在接收语音“移出”命令后，电磁铁通电固定轮椅，床垫中央的推动装置将床垫平移至轮椅上方，直至轮椅板与轮椅组合好，推动装置上的自锁装置解锁，并断开电磁铁电源，使轮椅能够脱离床体自由活动。

在接收“移入”命令后，滑轨上的电磁铁通电，轮椅上的限位扣2通过电磁铁与导轨吸合在一起，通过导轨与推动装置上的限位扣1完成锁定，锁定后电动推杆回缩，顺着导轨收缩到原定指令设定好的位置，轮椅板回到床垫上并且与床板契合在一起。限位扣位置如图10所示。

图10 限位扣

上床垫上有与床垫分离的轮椅身，当使用者需要起身时，通过声控带动电机使椅座先抬起5°，避免在椅背抬起的过程中因老人滑向床尾而引发未知的危险。在抬起扶手的同时可以触发上床垫下降到可以让轮椅自主导出的高度，将扶手卡紧在椅座上，保证老人不会在两侧滑出后，电机将椅背缓慢抬起到合适的角度。保证以上操作完成后，轮椅通过电推杆卡在床侧的轮椅架上并固定好，这时使用者可以控制轮椅架向前滑出脱离床垫，自由出行。可分离式声控智能轮椅床垫的控制流程如图11所示。

图11 控制流程图

4 功能实现

4.1 轮椅模式

系统接收语音“移出”命令后，扶手、轮椅板背部上升一定角度，在轮椅板背部平稳后，由电动推杆推动轮椅板移动到轮椅架上，然后轮椅板腿部向下旋转一定角度，让使用者的双脚自然放下，在电动推杆收回后，轮椅与床垫分离，进入轮椅模式，如图12所示。

图12 轮椅模式

4.2 床垫模式

通过电推杆与轮椅板之间的锁紧装置，由原来的推动装置将轮椅板从轮椅架上拉回床垫处，轮椅板回到床垫上后会缓慢展平，扶手也会收回放平，轮椅板和床垫一起组合成床，如图13所示。

图13 床垫模式

5 结语

可分离式声控智能轮椅床垫采用了机电一体化设计，与目前市面上的纯护理床相比，增加了声控系统以及床垫与轮椅自动连接系统，使用者可轻松切换轮椅模式和床垫模式。通过SolidWorks Simulation对轮椅进行结构优化设计，结合Altair Inspire软件分析了轮椅板在伸出电推杆、轮椅板时的米塞斯等效应力、最大位移以及安全系数，保障了轮椅床垫的安全性。可分离式声控智能轮椅床垫致力于解决行走不便的老人、腿部残疾患者自主出行和日常生活需求的问题，也减轻了使用者家属的陪护压力，在医疗护理领域具有广阔的应用市场及前景。可分离式声控智能轮椅床垫的设计样机图如图14所示。

图14 可分离式声控智能轮椅床垫的设计样机图