一种智能轮椅设计.pdf

研制开发41现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9卷第4期一种智能轮椅设计伏梓栋尚文*（苏州科技大学机械工程学院，苏州2 150 0 0）【摘要】随着老龄化社会的来临，从“活着”到“健康地活着”是当下老年人的追求，智能轮椅的需求将呈现快速发展的势头。在保证实用性前提下降低成本，提高智能轮椅的普及率，本文以国内外智能轮椅的研究现状为基础，从智能轮椅的结构优化入手，通过三维仿真建模设计，辅之以基于PLC的控制功能，设计出具有自动避障功能的智能轮椅，特别适用于年老人员和截瘫患者。结构简单、操作方便、价格便宜，为智能轮椅的设计提供有意义的参考。【关键词】智能；轮椅；避障；三维建模；可编程逻辑控制器【中图分类号】TB472;TH789【文献标志码】A【D O I10.11876/mimt202304008An intelligent wheelchair designFuZidong,ShangWen*(School of Mechanical Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215000,China)Corresponding author:Shang Wen,E-mail:36777624 Abstract With the advent of an aging society,the pursuit of the elderly is to move from“living to“living healthily,andthe demand for smart wheelchairs will show a rapid development trend.On the premise of ensuring practicality,reducing costs andincreasing the popularity of intelligent wheelchairs,this article was based on the research status of intelligent wheelchairs at home andabroad.Starting from the structural optimization of intelligent wheelchairs,three-dimensional simulation modeling design was carriedout,supplemented by PLC based control functions,to design intelligent wheelchairs with automatic obstacle avoidance function,especiallysuitable for elderly people and paraplegic patients.The structure was simple and easy to operate,providing meaningful reference for thedesign of intelligentwheelchairs.KeywordsIntelligent;Wheelchair;Obstacle;Avoidance 3D modeling;Programmable logic controller2020年第七次人口普查的结果将康复医学推向前所未有的浪潮，6 0 岁以上有2.6 4亿人，约占全部人口的18.7 0%，这一比例比10 年前高了5.44%，老龄化来得猝不及防，从“活着”到“健康地活着”是人们的追求，但是康复治疗师的匮乏和参差不齐的水平无法满足需求，所以从康复到辅助，康复机器人方兴未艾 。“十四五”机器人产业发展规划2 中提出把康复型机器人、助老助残型机器人以及外科机器人为发展作为主线，其中智能轮椅的研发是助老助残产品研发的重要方向。智能轮椅作为基于机器人技术的应用平台，可以让不同残疾程度的人有办法控制轮椅，大大提高用户的生活质量，与传统轮椅相比，智能轮椅具有大脑（计算机控制系统）、耳朵（麦克风）和眼晴（摄像头）功能，使轮椅成为高度自动化的智能轮椅移动机器人，特别适用于截瘫患者或下肢强直患者使用不同控制方式的智能驱动系统3。从198 6 年英国发明出世界上的首辆智能型轮椅以来，智能轮椅的发展就进人了一个新纪元，经过数十年的研究,其研究取得了显著的成果。国外智能轮椅最初只安装测距装置，随着智能化的水平越来越高，综合力学、电学、生物学等多个学科，现代智能轮椅集成了自动导航、避障、自动行走、人机交互，还将人工智能、康复医疗等功能融合。瑞士联邦理工学院和苏黎世艺术大学研发的Scewo智能轮椅4,结构紧凑，能够让残障人士自由的上下楼梯；第一作者：伏梓栋，男，本科，研究方向：智能机器人，E-mail：ly g f z d o 0 1 16 3.c o m通讯作者：尚文，女，博士，讲师，研究方向：智能机器人，多智能体，机电一体化、数控自动化设备和嵌式视觉系统，E-mail:42Modern Instruments&Medical.Vol.29No.4欧洲公司生产的爱尔威MBW-412智能轮椅5 能够一键电动折叠，遥控互联，采用WABS电磁刹车技术来满足智能轮椅的安全需求。从控制系统上看，这些智能轮椅采用的控制系统与移动机器人接近。上位机选择的是通用型计算机（笔记本电脑或工控机），下位机选择的是驱动控制系统及传感系统。论经济性来看，由于所需要的零部件中都有较昂贵的元器件做支撑，所以价格较高，尚未真正进人市场。我国智能轮椅研究始于2 0 世纪8 0 年代，经过近40 年的发展，目前已经开发出多种智能轮椅产品，中科院自动化研究所与香港力劲集团合作研制出了智能控制功能的电动轮椅6 ，不但具有当前市面上电动轮椅所具有的所有功能，而且可以实现更加友好的人机接口和良好的操作性能；上海交通大学开发出了“交龙”智能型轮椅7 ，具有高度的智能型、安全性和机动性的移动。这些产品与发达国家的相比，复杂性和灵活性仍存在一定差距,但也有自身的特点特别是在智能轮椅的电动驱动组件、嵌人式控制器、传感器技术、电源技术等核心技术方面，技术指标接近甚至超过国外先进水平。总体上，我国智能轮椅的发展目前并不如人们所愿，一方面是现代智能轮椅集成了自动导航、避障、人机交互等功能，这些功能都是融合性技术，随着全球化趋势的逐年锁紧，技术壁垒的限制导致我国智能轮椅技术发展无法借鉴国外的先进技术理念；另一方面,智能轮椅的人机交互（HumanCo m-puter Interaction,HCI)仍不方便，部分人机界面难以准确区分乘客的有意识行为和无意识行为，实用性差；轮椅安全系数不完善，不能完全预防各种环境危险的可能性，相应的安全措施不完善；甚至部分智能轮椅过于注重功能的实现，导致控制系统和传感器系统过于复杂；最主要的原因是在我国智能轮椅属于高消费产品，高昂的售价大大超出了需要者的消费能力6 ,尤其在经济发展相对薄弱的地区。所以我们不但要加大投人，提高发展智能轮椅的技术水平更要发展经济、实惠的普通产品，降低智能轮椅价格，使其成为惠及大众的产品。鉴于此，本设计从实用性出发，在保证智能轮椅基本功能的前提下，遵循操作简便、价格便宜的原则，优化智能轮椅的结构，通过三维仿真建模设计，辅之以基于可编程序控制器（ProgrammableLogicController,PLC）的控制功能，设计出具有自动避障功能的智能轮椅，适合截瘫患者或年老人使用；同时,改变智能轮椅在绝大多数贫困家庭和贫困残疾人眼中,是一种无法企及的奢侈品的现象，为智能轮椅的普及、发展提供新的思路。1总体设计方案本文主要从结构设计、电机的设计与选型和控制系统设计三方面人手。其中结构设计主要考虑轮椅的车身架构及驱动系统、转向结构的结构设计；而电机的设计与选型主要依据轮椅转速、传动效率和主动轮转矩；而控制系统设计中，采用基于PLC的控制系统设计，分软硬件设计。具体设计方案如图1所示。总体设计思路结构设计电机设计与选型控制系统设计车架结构设计驱动结构设计转向结构设计电机选型能机选择PLC驱动转向避障及编系统系统控制程软控制控制系统件的设计设计设计选择图1智能轮椅整体设计方案图2结构设计目前轮椅的整体结构形式主要有腿式结构、履带式结构和轮组式结构三种。履带式结构不适合室内移动，而且自重较大需要更大的功率驱动履带，限制了日常使用；腿式结构承重较小，危险系数高，同时舒适性差，机构也复杂，对控制要求较高，且动作缓慢，也不利于日常使用场景的使用5；相对而言轮组式结构简单、控制简单、平地行驶效率高、避障功能易实现、转向轮比较灵活，能够自动和手动运行,所以整体结构采用轮组式。而轮组式轮椅结构设计主要包括车架结构设计、驱动结构设计和转向结构设计。2.1车架结构车架是轮椅的骨架，由扶手架构，脚踏板架构，座椅架构，电池支撑架构几个架构组成。本文选用比强度高、质量轻、充型能力强的铝合金材质。在设计轮椅车架尺寸时，选取中位使用者的身高17 5cm，提供60kg，根据电动轮椅车（CB/T12996-2012）【8 标43现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9卷第4期准中关于室内，室外型的电动轮椅车外形尺寸及附录A中电动轮椅车的主要技术参数的规定，整体外形尺寸为10 38 mm690mm940mm，其他主要尺寸如表1所示。表1车轮椅的主要结构参数表结构名称参数(长宽高，mm)车架710583785车轴150030电池机座497 442 3.5脚踏板2041407车把手450040车前轮450205车前轮架16088210车轮结构80 0607坐垫4064854减速大齿轮12 0125减速小齿轮12055脚踏板连接杆123102017电机197 88 54电池265190130控制台7068135为了进行力学仿真和动力学分析，采用solidworks建模来进行可行性研究。在充分考虑轮椅通用性的前提下，根据轮椅结构建立三维模型，如图2所示。图2智能轮椅结构三维模型图2.2驱动结构驱动结构的电机与车轮通过齿轮和轴来传动，轴选用刚度较好的45钢，车轮选用舒适感强、不易扎胎的无内胎充气型车轮；小齿轮（电机传动齿轮）转速为8 6 r/min，大齿轮（车轮传动齿轮）转速为43r/min，其传动比为i=1:2,根据齿轮常用材料及其力学性能表中，可确定小齿轮（电机传动齿轮）选用45钢调质，硬度为2 2 9-2 8 6 HBS；大齿轮（车轮传动齿轮）选用45钢正火，硬度为16 2-2 17 HBs92.3转向结构大部分的转向结构采用驱动轮差速运动和基于阿克曼原理的转向机构设计，本文选择基于阿克曼原理的转向机构设计方案，采用10 0%阿克曼率来进行转向结构的设计10 ，轮椅转弯时，由于内外轮转过的角度不一样，所以每个车轮的运动轨迹都不一样，以此确保轮胎和地面之间是纯滚动。连杆参数也是比较重要的数据指标，选取的具体参数，如表2所示。表2连杆参数表连杆名称参数（长宽厚，mm）轮椅连杆（长杆）500205轮椅连杆（弯杆）1851055轮椅前轮连杆（短杆）120 20 5轮椅前轮连杆（长杆）3052053电机的设计与选型3.1电机的选型根据电动轮椅车（GB/T12996-2012）【8 确定轮椅的主要技术参数，由于最大承重重量在120kg左右而且要求有自动避障功能，对电机的要求较高，选用后轮驱动方式为双电机驱动，轮椅最大速度为4.5km/h，确定后轮的直径约为D=550mm，根据求周长公式可得L=1.73m，遂轮椅的主动轮转速为N=43r/min；电动轮椅的主动轮的传动齿轮与电机传动齿轮的传动比定位i=1:2，可知电机的输出转速为N=86r/min。所以选用2 4V、30 0 W无刷电动机，蓄电池采用2 4V充电型蓄电池，选用型号为8 0 BLD300L2。经转矩计算，该型号完全满足驱动电机要求。3.2舵机选择舵机是一种典型的位置伺服的驱动器，目前在遥控机器人上广泛使用，它接收由讯号机发出的信号，然后电路板上的集成电路（IntegratedCircuit，IC)开始驱动无核心马达旋转，摆臂得到减速齿轮的动力，送回讯号由位置检测器发出，判断是否已经到达定位。根据设计的相关要求11 采用MG995型舵机，其外主要性能指标如表3所示。44ModernInstruments&MedicalTreatm2023.Vol.29No.4表3舵机性能表能机型号MG995舵机尺寸(mm)40.719.742.9重量（g)55工作扭矩(kg/cm)13使用温度(）)-30+60额定转速(RPM)53 62转动角度(rad)180额定电流（mA）100工作电压(V)3.07.24控制系统设计本设计控制系统分为驱动系统、转向系统和自动避障系统三部分组成12】，由安装在智能轮椅的人机界面（Human Machine Interface,HMI）人机交互页面组成上位机，控制PLC进行相应动作，由超声波传感器组成模拟输人至PLC中，由其分析控制机转向系统进行自动避障。具体原理如图3所示。驱动机构HMI（人机交互）驱动器驱动电机PLC转向机构PWM调速能机超声波传感器自动避障24VDC电池供电图3控制系统原理图4.1PLC及编程软件的选择SIEMENS公司生产的S7-1200S7-1200控制器使用灵活、功能强大，可用于控制各种各样的设备，具有集成PROFINET接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性等特点13,是应用最广的PLC产品之一，结合智能轮椅的驱动、转向、避障等功能要求，此款型号的PLC完全能够满足。编程软件选用SIEMENS公司自行设计的软件STEP7BasicV16（T IA p o r t a l），该软件可对所有操作、机器和过程序列进行优化，操作简单且具有完全的数据透明性,可用于对S7-1200控制器进行编程144.2驱动系统控制设计智能轮椅的驱动部分主要包括左右两个带有减速齿轮的电动机，并用蓄电池充电。蓄电池既能够给控制部分的PLC供电，并且可以给电动机提供所需电源。驱动系统中，首先需要通过PLC来控制无刷直流电机的传动，然后再根据齿轮机构把动力提供给智能轮椅车轮，通过电机的正转与反转不同来控制轮椅前进和后退。其中比较重要的环节就是让左右电机同步正传和反转1智能轮椅驱动系统采用S7-1200PLC控制，CPU选型为：12 12 C。按照设计要求和现场操作条件，我们选择HMI中的“圆”来代替驱动器和驱动电机。整体逻辑为：当按“前进”时，定义的正转“圆”的外观呈现灰色，按钮为点动。当按“后退”时，定义的反转“圆”的外观呈现黑色。由于本设计的两种电机同步正转或者反转，这就要求设立的“圆”都能显示两个电机的正反转。4.3转向系统控制设计转向机构的控制按照脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）输出信号至舵机上，舵机按照PLC发出的指令进行左右角度的摆动16 。由于尚不能进行无极调速，遂选取特定的角度范围来进行设计，这样做的好处就是能够在了解PLC基础知识的情况下深人开展设计工作。由于S712 0 0 能够输出5V的电压信号，遂就无需经过转换电路就能够实现舵机的转向控制。4.4避障控制系统设计本设计采用制作成本比较低、操作便捷，而且可以识别透明得物体，受外界干扰小的超声波传感器，45现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9卷第4期智能轮椅的自动避障系统主要是由超声波传感器，PLC和舵机组成。在人机交互页面中设置一个自动/手动运行按钮，当自动运行按钮开启时，自动避障功能启动，当遇到障碍物，该传感器输出为以高电平信号，被PLC接收，经过PLC的编译处理，输出PWM信号控制舵机，进行左转或右转的动作；当手动按钮开启时，就需要手动进行转向驱动。具体的控制流程，如图4所示。开始遇到障碍No手动转向避障功能开启Yes超声波传感器启动，经过机控制实现转向躲过障碍，继续前进结束图4智能轮椅自动避障控制流程图5结论本课题通过研究我国智能轮椅的市场前景，技术实力，国内外研究现状后，设计出具有避障功能的智能轮椅设备。在结构设计中，分别研究驱动系统的结构设计，转向机构的结构设计，轮椅的车身架构。其中驱动系统的结构设计通过驱动电机的选型，和齿轮与轴的连接，齿轮与齿轮传动比设定，减速传动，将传动力传导至车轮以便进行去前进和后退。并且通过驱动电机的选型，齿轮啮合的传动比的计算和轴等传动结构的材料选型来最终实现驱动系统的结构设计。转向机构的设计借鉴了“阿克曼转向机构原理”的设计，分别由四连杆机构和舵机的角度转向来进行转向机构的设计，四连杆机构根据机械原理，设计能够让车轮进行左右转向的机构设计。同时通过舵机的角度控制来控制连杆的运动以便让转向机构灵活的达到目的。车身结构设计主要考虑材料的选型和结构的优化设计，其中材料的选取主要是借鉴电动轮椅中的管结构设计，并且通过设计装设蓄电池的底座支架和车身骨架的结构来进行布局。控制系统设计中，基于PLC的控制系统设计，选取的PLC型号为S7-1200，通过该PLC设计了驱动系统的电动机的正反转，转向机构的舵机角度控制和根据超声波传感器的测距功能来使得智能轮椅能够自动躲避障碍物。通过TIA_PORTAL软件进行人机交互页面的设计和PLC编程设计，驱动机构的编程设计里面主要引用了互锁概念，转向机构和避障功能都运用了S7-1200PLC的PWM的功能,并且通过MOVE命令来让进行脉宽的变化，从而让舵机进行角度变换以至于达到转向和自动避障的要求。该智能轮椅能够通过传感技术进行自动避障，同时，能够通过手动控制来进行智能轮椅的前进后退左转右转，具有造价较低易于推广、结构简单具备智能轮椅的基本功能，主要在舒适度方面考虑不足，在以后的研究中要进一步探讨。参考文献1谭睿.中国老年人口失能状况及变化分析基于第六次、第七次全国人口普查数据J.卫生经济研究，2 0 2 3,40（3）：6-11.2铁名.“十四五”机器人产业发展规划发布J.液压与气动,2 0 2 2,46(1):142.3Flemmer CL,Flemmer RC.A review of manual wheelchairs J.Disabil Rehabil Assist Technol,2016,11(3):177-187.4陈浩栋，史金飞，高海涛，等。基于导纳控制的轮椅姿态柔顺调节方法研究J.现代仪器与医疗,2 0 2 2,2 8（5）：44-49.5Fehr L,Langbein WE,Skaar SB.Adequacy of power wheelchaircontrol interfacesfor persons with severe disabilities:A clinicalsurveyJ.J Reprod Dev,2000,37(3):353-360.6王京华，张传会，韩爱民，等.一种电动轮椅的起立机构设计J.现代仪器与医疗,2 0 2 2,2 8（1）：6 0-6 2,6 6.7张荣辉，钟宇帆.基于图像识别的智能轮椅的设计J.数字技术与应用,2 0 2 2,40（3）：2 0 4-2 0 6.8GB/T12996-2012.电动轮椅车S.北京：中国标准出版社，2 0 12.9寿允.室内智能轮椅的研究与设计D.镇江：江苏科技大学,2 0 2 2.10吴宏雷，孟青云，肖轶.电动轮椅车的智能导航及避障研究J.现代仪器与医疗，2 0 2 1,2 7（3）：6-11.11金戈，周娜.基于物联网的智能轮椅设计与研究J.电脑编程技巧与维护,2 0 2 1,2 8（8）：10 4-10 5.12李航.基于模块化设计的智能轮椅研究与实践D.北京：北京工业大学，2 0 2 0.13倪晴.基于服务设计理念的老年智能轮椅设计研究D上海：上海工程技术大学，2 0 2 0.14庄璇，杨子倩.智能轮椅的发展与设计原则J.设计，2 0 2 2，35(7):110-112.15曾辛未.智能轮椅GPS定位导航系统研究与设计D.南昌：南昌大学，2 0 16.16杨怡，李文锋.基于模糊控制的轮椅自主跟随与避障系统J.计算机测量与控制，2 0 18,2 6（9）：93-96+10 2.