模塊化智能輪椅開發(fā)

祖涵明

摘 要：該文介紹模塊化智能輪椅設(shè)計(jì)、開發(fā)的全過程。通過對(duì)智能輪椅機(jī)械部分和電氣部分的設(shè)計(jì)、控制軟件編程，使智能輪椅完成用不同模塊進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制的功能。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 智能輪椅 模塊化控制 殘疾人康復(fù)設(shè)施

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（b）-0051-04

進(jìn)入21世紀(jì)，我國老齡化愈加嚴(yán)重。截止2010年第六次全國人口普查，我國60歲以上人數(shù)已經(jīng)超過2億人，占全國總?cè)藬?shù)的13.26%，預(yù)計(jì)到2020年，老年人比例將達(dá)到17%。計(jì)劃生育政策的落實(shí)使得很多家庭只有一個(gè)孩子，未來可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)年輕人贍養(yǎng)許多老人的情況，這對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和個(gè)人發(fā)展都很不利。尤其是在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)壓力下，年輕人大都離開家鄉(xiāng)，去大城市工作，老人無人照顧，生活不便。針對(duì)兒女在外工作的空巢老人，模塊化智能輪椅的目標(biāo)之一就是通過傳感和智能控制，更加安全地解決老年人出行問題。

另外我國殘疾人的數(shù)量非常龐大。根據(jù)2007年發(fā)布的《中國第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)公報(bào)》和2011年《第六次全國人口普查公報(bào)》；截止2010年末，我國有各類殘疾人8502萬人，占全國人口的6.34%，有殘疾人的家庭達(dá)到7050戶，占全國家庭總數(shù)的17.80%。其中各類殘疾人的人數(shù)分別為：視力殘疾1263萬人；聽力殘疾2054萬人；言語殘疾130萬人；肢體殘疾2472萬人；智力殘疾568萬人；精神殘疾629萬人；多重殘疾1386萬人。各殘疾等級(jí)人數(shù)分別為：重度殘疾2518萬人；中度和輕度殘疾人5984萬人。

殘疾人的出行和獨(dú)立生活能力成為這些家庭的負(fù)擔(dān)。很多時(shí)候會(huì)占用這些家庭的勞動(dòng)力專門照顧殘疾人，造成極大的不便，對(duì)看護(hù)者也會(huì)產(chǎn)生身體上的不良影響；現(xiàn)有的電動(dòng)輪椅又不能滿足手臂殘疾的朋友控制，和智力、視覺不佳的朋友安全出行的需求。根據(jù)病人的單獨(dú)情況定制的輪椅價(jià)格不菲，不具有推廣的可能。針對(duì)商品化智能輪椅的空白，特意研發(fā)模塊化智能輪椅；通過用一種電動(dòng)輪椅底盤配備不同可拆卸控制和智能自動(dòng)模塊的方式，讓智能輪椅具有普適性，降低殘疾朋友的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，提升他們的自主生活能力。

1 市場(chǎng)現(xiàn)狀

現(xiàn)在市場(chǎng)上能直接買到的大多是電動(dòng)輪椅。這些電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，均采用右手控制桿控制前后左右，有些在右手有調(diào)速器，可以改變速度。這些輪椅價(jià)格從4000元至幾萬元不等，續(xù)航能力15～30 km，可以滿足大部分健全老年人短距離出行的需求。但是對(duì)于殘疾人和視力、聽覺有障礙的老年人來說，這樣的輪椅就不能滿足需求了。甚至左利手的朋友想要使用電動(dòng)輪椅都需要向廠家定做；既浪費(fèi)時(shí)間精力，又不能很好地滿足需求?？梢娔K化輪椅的市場(chǎng)空白和需求之大。

對(duì)于無法正常使用雙手的殘疾人，國內(nèi)外都有一些采用其它肢體控制的輪椅樣機(jī)；但是因?yàn)樾枨罅啃?，成本高等原因難以量產(chǎn)，無法切實(shí)滿足殘疾朋友的需求。這些樣機(jī)中不乏可以借鑒并改裝成模塊化的例子，比如可以學(xué)習(xí)路徑的vision輪椅，用眼鏡控制的輪椅等。這些輪椅加以合并改造，就會(huì)有很大市場(chǎng)空間。

每個(gè)殘疾人都有自己不同的需求，然而大多數(shù)電動(dòng)輪椅無法支持特殊的操控方法和智能技術(shù)。比如手臂癱瘓殘疾的朋友需要用腳、下頜或頭部操縱輪椅；還需要機(jī)械臂幫他們拿東西，端水。腿部、高位癱瘓的朋友需要頭部、下頜操縱輪椅，還需要升降和輔助上床裝置。視力、聽力障礙的患者需要自動(dòng)避障、自動(dòng)導(dǎo)航輪椅。這些需求都不是單個(gè)電動(dòng)輪椅所能滿足的，所以需要模塊化的結(jié)構(gòu)幫助他們使用身體允許的方法操作輪椅。

如何將雙腿不能正常行進(jìn)的殘疾人和康復(fù)中的病人移上病床是一個(gè)國內(nèi)外都沒有深入研究的問題?，F(xiàn)在不論是使用普通輪椅還是電動(dòng)的朋友都需要護(hù)工或家人將病人抱上病床或輪椅。雖然有些電動(dòng)輪椅可以升降，但是沒有切實(shí)改善這個(gè)問題。如此搬運(yùn)可能會(huì)對(duì)病人和殘疾人造成二次損傷。護(hù)工和家人長期照料會(huì)損傷脊柱，也會(huì)對(duì)殘疾人造成心理障礙?？梢钥紤]使用鏟式擔(dān)架（圖1）的設(shè)計(jì)，讓輪椅座位滑動(dòng)到床上，從中間分開，方便上下?？墒沁@樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本太高。市場(chǎng)上尚沒有一款輪椅可以將椅面直接側(cè)滑到病床上，方便護(hù)理。

2 輪椅設(shè)計(jì)過程

2.1 底盤選擇

本模塊化智能輪椅的底盤采用符合國家和國際標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電動(dòng)輪椅車標(biāo)準(zhǔn)的前驅(qū)電動(dòng)輪椅底盤。前驅(qū)電動(dòng)輪椅（如圖2）相比后驅(qū)輪椅有轉(zhuǎn)彎半徑小，越野能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；可以在草坪、石子路、土路等各種路面上行駛，并可以爬陡坡；具有很強(qiáng)的路面適應(yīng)力和穩(wěn)定性。后驅(qū)底盤（如圖4）雖然速度和操控性比前驅(qū)底盤好，但是轉(zhuǎn)彎半徑較大，不適合在家庭室內(nèi)使用。前方的萬向輪在不平路面會(huì)受到較大阻力，不能開過減速帶和草地。中間輪驅(qū)動(dòng)（如圖3），前后萬向輪輔助的輪椅轉(zhuǎn)彎半徑最小，但是比較容易被障礙物卡住，使得主動(dòng)輪懸空，還需要前后懸掛，所以沒有采用。采用前驅(qū)底盤可以方便使用者去公園等場(chǎng)所休閑和在鄉(xiāng)村道路上使用。最后選擇的輪椅底盤草圖如圖5所示。

輪椅馬達(dá)上有離合器，閉合離合器馬達(dá)驅(qū)動(dòng)車輪，打開離合器車輪脫離馬達(dá)。方便輪椅沒電后有護(hù)理者推行。

2.2 底盤結(jié)構(gòu)

底盤上安裝24 V鋰電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、腳踏板、側(cè)面腳踏板和單片機(jī)，提供動(dòng)力和處理信號(hào)。

鋰電池相比很多電動(dòng)輪椅使用的鉛酸蓄電池有能量密度高、質(zhì)量輕、更安全的優(yōu)點(diǎn)；但是價(jià)格更高。價(jià)格高的問題可以被鋰電池壽命長的優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償。鋰電池的壽命更長，鐵鋰電池充電循環(huán)可以達(dá)到2000次，而鉛酸電池只有500次。鉛酸電池在冬季容量會(huì)下降40%以上，鋰電池的具有良好的溫度適用性，即使在-20℃的冬季，其容量下降不超過15%。鋰電池充電時(shí)間短，方便輪椅使用者長距離出行；鉛酸電池的充電時(shí)間一般為6～8h以上，鋰電池使用專用充電器，充電時(shí)間只需2-3h。重要的成本問題，實(shí)際上鋰電池成本不比鉛酸電池成本貴很多，在小型儲(chǔ)能電池使用情況下，鋰電池比鉛酸電池更具競(jìng)爭(zhēng)力。目前鋰電池昂貴的原因是因?yàn)槠浼夹g(shù)還在不斷進(jìn)步，舊的生產(chǎn)工藝淘汰迅速，廠家為在短時(shí)間收回成本，必定有比其它行業(yè)更高的利潤率，當(dāng)技術(shù)發(fā)展成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模形成，鋰電池的價(jià)格一定會(huì)比鉛酸電池還便宜。

輪椅采用兩個(gè)200 W直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右前輪，設(shè)計(jì)最大時(shí)速9 km/h，設(shè)計(jì)最大航程20～30 km（可選擇電池容量）。

電池的上方安放著座椅底盤。座椅采用可升降、可滑動(dòng)設(shè)計(jì)（如圖6），方便和病床對(duì)接并搬運(yùn)病人。座椅經(jīng)側(cè)滑裝置、升降裝置固定在座椅底盤上。升降采用千斤頂螺桿與氣撐桿相結(jié)合的方式，減少升降電機(jī)的功耗，增強(qiáng)升降座位的穩(wěn)定性。升降范圍可以滿足普通床鋪的高度相等，最大提升25cm。升降系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輪椅把手上的按鈕控制。椅子底座和固定的椅子靠背由嵌入椅背兩側(cè)滑軌連接，安裝有不同模塊的右側(cè)扶手隨椅子一起升降，可拆卸的左扶手固定在靠背上?；瑒?dòng)裝置主要機(jī)構(gòu)是安裝在座椅下方和升降結(jié)構(gòu)之間的兩條承重滑軌?；壏秩卧O(shè)計(jì)：第一段固定在升降機(jī)上，不能滑動(dòng)；第二段連接第一段，可以滑出一半；第三段連接第二段，可以完全滑出輪椅。每條承重滑軌都有兩排滾珠與相鄰滑軌連接，滑出后設(shè)計(jì)最大承重45kg，保證安全。左扶手在放下時(shí)起到對(duì)滑動(dòng)座椅的限位功能，由護(hù)工或家人抬起后座位方可滑動(dòng)。輪椅底盤上右側(cè)面裝有可折疊腳踏板，不用時(shí)向上折疊收起；需要使用滑動(dòng)座位時(shí)放下。護(hù)工可以站在側(cè)面腳踏板上，保持輪椅平衡；將座椅調(diào)節(jié)到和床一樣高后，向左推座椅，將病人挪到床上，然后將輪椅推走。

2.3 模塊化控制器

針對(duì)不同殘疾人和老年人四肢活動(dòng)水平不同，本智能輪椅采用模塊化控制器滿足不同需求。所有控制模塊在沒有信號(hào)輸入時(shí)馬達(dá)處于剎車狀態(tài)，保證使用者安全。

開發(fā)時(shí)總控制器使用Arduino Mega 2560單片機(jī)（圖8）。Arduino Mega2560 上至多有54個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入端口，至多15個(gè)輸出端口和16個(gè)模擬信號(hào)輸入端口，256KB內(nèi)存；配合馬達(dá)控制電路可以滿足模塊化智能輪椅的信號(hào)處理需求[14]。

對(duì)于手臂殘疾的人，可以安裝下頜或頭部控制器，方便操控輪椅。

下頜控制器（如圖9）的支架安在輪椅右扶手的護(hù)板接口上，可調(diào)節(jié)支架將微動(dòng)控制搖桿伸到病人的下巴下面。微動(dòng)控制器的頂端是一個(gè)球形橡膠部件，病人的下頜可以頂在上面操縱輪椅。通過廣東省工傷醫(yī)院下頜控制輪椅樣機(jī)的使用反饋，球形控制頭比碗型控制頭操縱更舒適、簡(jiǎn)便，故采用[7]。病人只需移動(dòng)頭部就可控制輪椅移動(dòng)?？刂茡u桿的輸入信號(hào)采用曲線設(shè)計(jì)（如圖10），在小幅度移動(dòng)時(shí)速度小于移動(dòng)量的正比速度，方便在室內(nèi)低速精確控制；在輸入信號(hào)增大時(shí)速度迅速提高，方便戶外出行。

頭部控制器（如圖11）可以固定在輪椅靠背的頭枕處。凹形頭枕后方、左側(cè)和右側(cè)分別安裝自動(dòng)復(fù)位長行程壓力/位移傳感器，病人向后仰頭輪椅前進(jìn)，低頭輪椅停止，向兩側(cè)靠分別向左右轉(zhuǎn)彎。使用時(shí)用座椅升降機(jī)調(diào)節(jié)座椅到合適的位置，適應(yīng)不同身高。頭部和下頜控制器可以幫助不方便使用手的殘疾人控制輪椅。

腳部控制模塊針對(duì)特殊病人設(shè)計(jì)。（如圖12）腳部控制器可以安裝在輪椅腳踏板上，配合座椅升降機(jī)，調(diào)節(jié)高度適應(yīng)不同人的身高。腳部控制器和原來的手部控制桿類似，都是電位器搖桿控制前后左右。控制器固定鞋套長30cm，寬10cm，病人的鞋可以固定在控制器的鞋套中，防止滑脫。腳部控制器腳掌部位和腳跟部位都有按鈕，只有用整個(gè)腳掌同時(shí)踩下兩個(gè)按鈕控制器才可以控制輪椅，防止上下輪椅時(shí)發(fā)生誤操作。

手柄控制器讓護(hù)理者輕松地控制電動(dòng)輪椅。有些病人可能有家人照料，但是因?yàn)橐恍┰蚣胰艘膊槐汩L時(shí)間推輪椅。該智能輪椅特意在手柄處安裝了方向、速度控制器（如圖13），讓護(hù)理者毫不費(fèi)力地控制輪椅前進(jìn)，方便長途推行。手柄控制器安裝在右手柄上，分上下兩部分。上電位器滑塊可以左右移動(dòng)，自動(dòng)回位，由護(hù)理者右手拇指控制左右。下電位器安裝在手柄下方，由食指和中指向上前后按壓，自動(dòng)回位，控制前后速度。

2.4 輪椅智能控制

除了不同方式的手動(dòng)控制，該模塊化智能輪椅還可以加入智能自動(dòng)模塊，保障視力受限和智力受限的使用者安全出行。智能控制模塊包括可選擇安裝的紅外避障模塊、紅外路面掃描模塊和輪椅控制單片機(jī)攜帶的GPS定位模塊。

紅外避障模塊（如圖14）安裝在桌板下方和后輪支架上，由四個(gè)前視紅外傳感器和兩個(gè)后視紅外傳感器組成，可以掃描前方左右各45度內(nèi)和后方兩側(cè)的障礙物情況；在障礙物接近時(shí)語音提示“障礙，轉(zhuǎn)彎”，過度接近時(shí)自動(dòng)減速。因?yàn)檩喴问乔膀?qū)，轉(zhuǎn)彎時(shí)擺尾幅度較大，使用者不方便一邊觀察前方，一邊觀察后方。后部紅外傳感器提供側(cè)視，安裝在后輪支架的最遠(yuǎn)端，在即將碰撞時(shí)自動(dòng)減速，并語音提示“后方障礙，減速”。

紅外路面掃描模塊（如圖15）安裝在腳踏板下方，由四個(gè)下視紅外傳感器構(gòu)成。四個(gè)紅外傳感器與水平成-30度橫向排列，不斷測(cè)距。如果距離變長，說明前方下陷；如果距離不斷變化，說明路面不平。檢測(cè)到路面變化后，輪椅進(jìn)行語音提示“路面不平”，提醒使用者注意；在探測(cè)到大幅度下陷時(shí)自動(dòng)減速，并語音提示“路面，減速”。建議使用頭部控制器的顧客使用這個(gè)模塊，因?yàn)槭褂谜呖赡芎芏鄷r(shí)候是在仰頭操作，難以觀察路面情況。

GPS模塊可以和智能手機(jī)通過藍(lán)牙連接，在用戶需要去遠(yuǎn)方時(shí)提供導(dǎo)航。用戶在手機(jī)上規(guī)劃好路徑后可以計(jì)算總里程數(shù)，與智能輪椅無線連接后輪椅計(jì)算電池電量，預(yù)計(jì)無法到達(dá)時(shí)在手機(jī)上彈出警告。現(xiàn)有的電動(dòng)輪椅只有電量指示，用戶并不知道電池是否夠用，只能憑經(jīng)驗(yàn)判斷，增加了不安全性。本智能輪椅在路徑規(guī)劃時(shí)就可以提醒用戶電量不夠，方便規(guī)劃行程。

2.5 輪椅控制圖

見圖17。

3 模塊化輔助設(shè)備（規(guī)劃中）

因?yàn)殡妱?dòng)輪椅使用者行動(dòng)不便，在坐姿上胳膊活動(dòng)范圍有限，所以無法順利完成日常生活中許多動(dòng)作，比如開門、倒水、拿東西等。還有些手臂殘疾患者根本無法移動(dòng)胳膊。針對(duì)輪椅使用者開門難、拿取物品難、喝水難等問題，該智能輪椅在底盤右扶手處預(yù)留了安裝機(jī)械臂的位置，為未來升級(jí)安裝機(jī)械臂留出空間。機(jī)械臂初步規(guī)劃有7個(gè)自由度，長1 m左右；具有夾取、伸縮、旋轉(zhuǎn)的能力。機(jī)械臂每個(gè)馬達(dá)都裝有扭矩傳感器，在受力過大時(shí)自動(dòng)停止當(dāng)前動(dòng)作，防止打到東西或者捏碎物品。機(jī)械手上方有攝像頭傳感器，可以按照程序識(shí)別日常生活中的物品，如杯子、門把手、開關(guān)等。當(dāng)使用者需要抓取物品時(shí)，可以直接向智能手機(jī)說明物品名稱，智能手機(jī)將信號(hào)通過藍(lán)牙傳給控制器，控制機(jī)械臂自動(dòng)識(shí)別物品，待用戶語音確認(rèn)后抓取到輪椅桌板上。如果使用者發(fā)出喝水指令，機(jī)械臂還可以把水杯遞到使用者胸前，病人就可以通過吸管飲用。

4 智能輪椅與智能家居構(gòu)想

隨著各種智能設(shè)備的普及，智能家居也即將成為現(xiàn)實(shí)。到那時(shí)，所有家庭設(shè)備，例如電視機(jī)、燈、空調(diào)都可以使用智能手機(jī)控制。智能輪椅也會(huì)成為一部分，幫助老年人和有需要的人更方便地生活。模塊化智能輪椅將會(huì)分階段，根據(jù)更新的需求開發(fā)相應(yīng)的模塊，成為家居物聯(lián)網(wǎng)的一部分，方便更多人的生活。

5 結(jié)語

隨著國家經(jīng)濟(jì)、生活水平的提高，老年人和殘疾人等社會(huì)特殊群體越來越多地受到人們的關(guān)注和幫助。模塊化智能輪椅可以根據(jù)個(gè)人需求定制、購買模塊，更加人性化地方便他們出行，切實(shí)提高了老年、殘疾人的生活質(zhì)量，有助于他們?nèi)谌肷鐣?huì)。我們相信隨著科技進(jìn)步，模塊化智能輪椅會(huì)進(jìn)入他們的身邊，陪伴他們更好的生活

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