陈宝林，张公永

（1.滨州学院 机电工程系，山东 滨州 256600；2.滨州学院 电气工程系，山东 滨州 256600）

如何设计和制造功能更加完善、人性化的轮椅是残疾人士最为关心的问题，而现在市场上的轮椅大都需要人力推动，在狭小空间移动不灵活，使用不方便，并且大多轮椅存在价格昂贵，功能单一的弊端。因此设计一款轻便小巧、结构紧凑、简单易用、价格低廉、功能强大的轮椅是刻不容缓的。全向移动可调节式轮椅拥有以上特点，可使残疾人士更好的生活与工作，同时可节省家庭护理费用[1]。

1 总体设计方案

全向移动可调节式轮椅主要由框架、动力系统、控制系统、升降系统四部分构成。框架各数据根据人体工程学原理设计；动力系统包括电机、传动装置、麦克纳姆轮；控制系统包括单片机、稳压模块、电机驱动、按钮、操控杆等；升降系统包括液压电动千斤顶、滑道、固态继电器。总体设计方案框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 主要硬件设计选择

图1 总体设计方案框图Fig.1 Block diagram of the overall design

1）框架设计：扶手支架呈三角形，节省材料的同时增加了支架稳固性；座椅据人体工程学原理设计座深800 mm，宽600 mm，距地面的高度为530 mm。

2）电机的选用：采用额定电压 24 V、功率 250 W、转速300 r/min的电机，内置10：1减速箱，降低转速，增大转矩，同时断电状态作为驻车装置[2]。

3）传动装置：采用链传动，链传动无弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比，传动效率高，可在恶劣环境条件下正常工作。本轮椅共有4套相同型号的链条与链轮相互配合，并使它们安装在底盘上的位置相互关联，成中心对称分布，目的使每个轮子能够独立的进行控制，这样设计也便轮椅在运动过程中有良好的稳定性；

4）选用麦克纳姆轮：麦克纳姆轮是一种全向轮，其轮缘上斜45度分布12个滚子，可把一部分的车轮转向力转换到法向面上，依靠各自机轮的方向和速度不同产生合力矢量实现全向移动。

2.2 关键结构材料选择

1）全向移动可调节式轮椅可容纳一人，底盘采用焊接式连接，整体尺寸为650 mm*530 mm*370 mm，上部采用20 mm*20 mm方管搭建外壳支架，外壳材料选用0.3 mm厚的有机板，通过铆钉使有机板材料固定在外壳支架上，减轻重量的同时，极大的减小了行进产生的噪音。

2）根据实际需要，电机下部焊接4 mm钢板，电机底座与钢板用螺栓连接，以保证电机牢固及底盘结构的稳固。

3）麦克纳姆轮连接轴采用直径为20 mm光轴，光轴进行机加工其上形成键槽，光轴与麦克纳姆轮通过键连接位置相对固定，光轴上安装轴承，利用轴承座固定在底盘上。这样主要受力轴与轮子的连接已经基本完成。

4）为了保证座椅上升或下降的平稳，在底盘上竖直焊接有4个立柱，每个立柱内侧固定有钢珠式滑轨，滑轨一端与座椅下方连接，当电动液压千斤顶运动时会带动滑轨的同步运动。依靠滑轨的同步移动即可使座椅的上升、下降保持平稳。

5）麦克纳姆轮边缘分布诸多滚子，滚子的轴线与其轮子的回转轴线成斜45度，而且诸多滚子的包络面形成一个圆柱，这保证了轮椅移动与地面的良好接触。每个轮子有3个自由度，分别是：绕滚子轴线转动、绕轮子转动和绕地面的接触点转动[3]。

2.3 主要部件受力校核

麦克纳姆轮与电机连接轴的校核[4]：

假设性分析：成年人的体重80 kg，整车重40 kg，连接轴直径20 mm，长度70 mm，支点处于轴的两端，通过链条连接。

由横向弯曲最大正应力公式：

横截面为圆的抗弯界面系数的计算公式为：

人重与车重之和为120 kg，F=ma=300 N，由于轴的两端受力，所以最大危险截面在中间位置，连接轴使用材料10NiCr5-4的许用应力为150 Mp。可得：

经计算，其实际切应力小于许用切应力，因此连接轴不会被损坏。

2.4 辅助部件的设计

辅助部件包括：控制箱、脚踏板及座椅后方的储物筐等。为了方便安装与检修控制箱设计为翻盖式，最大翻转角120度；脚踏板的中心位置用销穿过，使脚踏板在35度范围内任意转动，每个使用者可自行调节；针对残疾人士的需要在座椅后方设计储物筐。

2.5 行驶速度计算

每台电机在额定功率下的空转速度为3 000 r/min，通过减速比为10:1的减速箱，计算得输出转速300 r/min。车轮直径203.5 mm，周长为1 319.43 mm。由于车轮与电机通过链传动连接，则该轮椅能在无负载全速行驶的情况下时速为24 km/h。由于采用四轮独立驱动，这样4台电机提供的扭矩总和远大于每台电机的扭矩，所以即使在负载的情况下该轮椅的时速也不会小于15 km/h，据以上数据可知该车完全能满足行驶速度的需要。

3 控制系统设计

全向移动可调节式轮椅的电气系统由ATmega16单片机模块、电源模块、电机驱动模块、直流电机。它的控制系统框图如图2所示。操作者通过对按键和对八方位摇杆的动作使得单片机接收信号，电机的驱动模块接收到单片机的命令后对电机进行驱动，进而带动麦克纳姆轮旋转实现全方位移动或者千斤顶开始带动座椅的上升下降。

图2 控制系统框图Fig.2 Control system block diagram

3.1 运动控制过程

利用稳压模块为AVR单片机提供稳定电能，操控信号经单片机和电机驱动模块后，利用PWM控制4个电机单独运转，从而带动4个轮子有不同的转速和转向，4个轮子相互配合运动实现全方位移动[5]。

3.2 升降功能控制

当轮椅移动到合适位置，可根据拿取物品的高度按动左扶手前端的升降按钮，此时AVR单片机接收信号控制固态继电器的通断，可使电动液压千斤顶得电，千斤顶带动座椅进而完成升降。千斤顶选用蓝贝尔NE-345、12 V液压电动千斤顶，最大伸缩范围0～200 mm并且可在此范围内任意停留[6]。座椅下方的4个立柱内侧安装有滑道，在竖直伸缩时保证座椅升降的平稳性。

3.3 控制流程图

控制系统的流程如图3所示，控制系统利用软件实现多个行为模块的控制，行为模块包括：座椅的上升、下降模块；轮椅的直线运动模块；斜向运动模块以及原地旋转模块。可以按照要求选择不同的模块从而进行不同的控制。

图3 控制流程图Fig.3 Control flow graph

4 性能测试

通过上述分析计算已经对轮椅的硬件结构、控制系统等有了全面认知，最终进行加工制作得到了全向移动可调式轮椅，它的整体外观如图4所示。

图4 整体外观图Fig.4 Overall Appearance

全方位移动通过4个大功率直流减速电机和一套麦克纳姆轮的独立运转实现。使用者操控方向控制摇杆发出移动命令，MCU立即响应中断，开始处理所发出的指令，随后退出中断服务程序，通过利用定时器对PWM信号进行模拟，使MCU输出相应的信号控制电机驱动器的使能端，进而控制电机转动。由于麦克纳姆轮的特殊结构，轮子对地的作用力并不垂直于支撑面，这时加上独立电机的协调配合便可使行进方向与水平合力方向一致，实现全方位移动[7]。

升降功能通过电动液压千斤顶来提供上升动力，使用者按动升降按钮，单片机接收信号，然后发出命令控制固态继电器的通断。当正向导通时电动液压千斤顶开始带动座椅平稳的上升，最终到达所需高度。当突然断电时，由于千斤顶的自锁功能从而会保持座椅目前的高度[8]，而不会导致意外的发生。具体性能指标如表1所示。

表1 全向移动可调节式轮椅性能指标Tab.1 Omnidirectional mobile adjustable wheelchair performance

5 结 论

全向移动可调节式轮椅是针对残障人士及体弱老人而设计，立足于安全、经济、实用与智能的基本理念。利用麦克纳姆轮实现全向移动，提高运动的灵活性；轮椅可以平稳升降，高度可调，易于使用者取放高处物品；摇杆式电动控制，使用更轻松、控制更方便。结构设计合理，外形美观，能够迎合市场的需求，市场上暂无同类产品，有较好的市场前景。

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