基于偏心距可调偏心轮的智能轮椅

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摘 要：在2012年国际大学生物联网创新创业大赛总决赛期间，郑州大学赵新灿博士带领的团队设计了一款可上下楼梯的智能轮椅，该智能轮椅一经亮相即引来围观，并得到了评委和观众的赞赏，最终夺得了一等奖。轮椅爬楼梯一直是个难题，几经推敲，他们找到了一种通过改变轮子重心，轻松上楼的好办法，并用半年时间将模型做成实物，在大赛中进行实战显示。

关键词：偏心距；偏心轮；智能轮椅；台阶；物联网

1. 作品背景

轮椅是康复的重要工具，它们不仅是老人和肢体伤残者的代步工具，更重要的是可以为老人和伤残者进行身体锻炼和参与社会活动提供可能。

基于偏心距可调的偏心轮易上台阶的智能轮椅系统结构简单，且自动化程度较高，操作方便，并可在越过台阶或障碍的时候及时地调整使用者的座靠椅倾角，保持平稳，提高使用者的安全性，且成本低廉。

基于偏心距可调的偏心轮易上台阶的智能轮椅系统，有多个专利项目。它的特点有：

主轮采用内外轮结构；

采用偏心距可调的偏心轮机构；

将行星轮、棘轮、万向轮等特点进行整合运用，使轮椅能够连续上台阶，增强其实用性；

安装在轮椅座靠椅下的升降装置，可以自动检测路况信息并调节轮椅座靠椅，以保证轮椅系统重心的稳定；

综合运用超声波传感器和加速度传感器，对路况信息进行实时检测，使整个轮椅系统更加自动化、智能化，也使使用环境更加安全、舒适。

整个轮椅系统作为一个家庭物联网接入终端，可以智能控制家用电器的启动和停止，帮助使用者控制那些不便触及到的电器，并能够完成视频、语音通话等功能。图1所示为实物原理图。

2. 作品介绍

随着经济和科技的不断发展，以及社会的不断进步，对于行走不便的人群来说，生活也有了很大的改观，行走时可以用轮椅来代替传统的拐杖，这样就更加方便。轮椅也从传统的只能固定着坐一直改进到了现在的能够手动机械行走、自动控制或行走甚至会爬台阶的轮椅。

3.基于偏心距可调的偏心轮易上台阶

智能轮椅

该轮椅系统结构简单，自动化程度较高，操作方便，并且在越过台阶或障碍时能够及时调整使用者的座靠椅倾角，保持平稳，提高使用者的安全性，且成本低廉。

3.1 研究过程

首先是对现实生活中的台阶类型以及台阶各个参数进行收集；

其次是对所收集数据进行整理、分析，并研究其与所设计轮椅轮径的关系；

第三是确定设计方案，并进行各个机构的设计；

四是选择材料，根据已定方案进行设计制造；

五是完善各部分功能，并对整个系统进行调试；

第六撰写使用说明，整理文字资料。

3.2 结构特征

（1）主轮采用内外轮结构；

（2）采用偏心距可调的偏心轮机构；

（3）将行星轮、棘轮、万向轮等特点进行整合运用；

（4）在轮椅座靠椅下安装可自动检测路况信息并调节轮椅座靠椅的升降装置；

（5）综合运用超声波传感器和加速度传感器。

3.3 工作原理设计

该轮椅主轮设计采用具有内外轮的结构，使得该电动轮椅的最小转弯半径缩减为零，以克服电动轮椅不能原地转弯的难题。

采用主轴与轮心距离可调的偏心轮结构，可根据台阶高度调节偏心距离，将轮椅上台阶过程中所需做的功分成两部分完成，以有效降低此过程中电动机所需的最大功率；

将轮椅的座靠椅设计成单侧可绕轴旋转结构，以使轮椅在上、下坡过程中，座靠椅能够始终保持水平，从而起到调节轮椅系统重心的作用，扩大轮椅的应用范围；

将行星轮与棘轮的特点进行整合运用，不仅能使轮椅轻松越障碍、上台阶，还可使轮椅上楼梯；

运用传感器检测路况信息，可使得整个轮椅系统更加自动化、智能化；

软件部分可实现全手动、半自动或全自动控制，可适应不同的工作环境。

3.4 突出创新点

（1）主轮采用内外轮结构。解决了两轮同轴，并且需要自由转动的问题，使轮椅能够零半径转向，保证轮椅基本功能的实现；

（2）采用偏心距可调的偏心轮机构降低了轮椅在上台阶过程中重心上升的高度，将轮椅上台阶所需要做的功分开来做，从而减小电动机的实际功率；

（3）将行星轮、棘轮、万向轮等的特点进行整合运用，使轮椅能够连续上台阶，增强其实用性；

（4）安装在轮椅座靠椅下的升降装置，可以自动检测路况信息并调节轮椅座靠椅以保证轮椅系统重心的稳定；

（5）综合运用超声波传感器和加速度传感器对路况信息进行实时检测，使整个轮椅系统更加自动化、智能化，也使使用更加安全、舒适；

（6）通过物联网技术实现在轮椅上对家用电器的智能控制。

图2所示是该智能轮椅的机械技术原理图。

该轮椅机械部分包含：座靠椅1、支撑架2、连接杆3、脚托板4、主轴5、从动轮6、车轮7、液压升降装置8、支撑面板9、连接轴10、滚轮组11、第二电机12、丝杆螺母13、辅助导轨14、丝杆轴15、第一电机16、主动轮17、链条18、第三电机19。

4 使用原理

4.1 静止状态

图3（a）为普通轮椅静止状态示意图，图3（b）为本小组设计的轮椅静止状态示意图。

在使用者坐上轮椅之前或使用者休息时，轮椅状态如图3（b）所示。此时，轮椅主轴5随同丝杆螺母13沿辅助导轨14被丝杆轴15传送到距离轮子边缘较近的位置，系统重心被降低，轮椅处于相对稳定的状态，不会前后晃动，这样，坐在轮椅座靠椅上的人也会感觉比较安全。

4.2 启动过程

当使用者坐上轮椅之后，使用者通过按键控制第二电机12转动，第二电机12将转动传递给丝杆轴15，并牵动轮椅主轴5随丝杆螺母13上升。此过程中，轮椅重心也被提升，轮椅系统状态由图3(b)所示变为图3(a)所示。

4.3 平路行进过程

当轮椅在平路上行进时，第一电机16和第二电机12处于锁定状态，而丝杆螺母13处于车轮7的中心位置，车轮7内的第三电机19转动，从而带动车轮7的外圈转动，轮椅前进。

4.4 上台阶过程

当轮椅需要上台阶或越过障碍物的时候，第三电机19处于关闭状态，和车轮7的外圈啮合为一体，而开启第二电机12，通过带动丝杆轴15的转动，丝杆螺母13在丝杆轴15的转动下慢慢顺着丝杆轴15和辅助导轨14移向车轮7的边缘处；在丝杆螺母移动的同时，车轮主轴5也在向受阻的方向移动，此时轮椅重心前移。

开启第一电机16，主动轮17通过链条18带动从动轮5转动，从动轮带动主轴5转动，主轴5通过丝杆螺母13带动车轮7转动爬上台阶或越过障碍物。当轮椅爬上台阶或越过障碍物后，经自动调节使主轴5回到原位，轮椅转换为平路行走。

4.5 平衡过程

当轮椅在上、下坡过程中，安装在轮椅座靠椅1下的液压升降装置8通过单片机控制伸长或缩短，来保持座靠椅1的水平，从而保证使用者的安全平稳性。此时，系统状态如图4所示。

轮椅实物如图5所示。