尹杰，朱雪明，严正阳，李志明，毕清，林辉

（1.江汉大学智能制造学院；2.江汉大学工程训练中心；3.江汉大学人工智能学院，湖北 武汉 430000）

20世纪90年代以来，中国的老龄化进程加快。随着年龄的增加，老年人整体健康水平下降，健康问题逐渐突出。由于年龄的原因，老人的体温代谢以及体温中枢都已经衰老，代谢缓慢，出现身体抵抗力降低等情况，所以导致老年人很容易腿脚不便，需要经常坐在轮椅上。因此我们设计了一款新型轮椅，该轮椅摒弃了普通轮椅轮子，采用麦克纳姆轮可以实现全向移动，即使在狭小的房间内，使用者也可以很好地移动位置；轮椅升降可以控制，可以调整到合适高度方便使用者从轮椅上下来，还能升高轮椅方便老人拿够不着的物品；轮椅的背板转动和脚托可以实现联动，控制背板转动的同时能够向外推进脚托，使用者可以躺在轮椅上休息。这款产品具有市面上产品所不具备的功能，更有利于解决老年人在坐轮椅时的种种不便利，相信会比市场上同等产品更有优势。

1 轮椅的结构设计

1.1 轮椅的整体性要求

为了方便老年人随时随地可以躺下来休息，因此轮椅需要有坐卧两种状态，考虑到老年人行动不太方便，因此需要在坐卧转换机构上加上电驱动功能，实现一键坐卧转换；家里活动空间相对于轮椅较为狭小，因此轮椅需灵活自如，方便使用；为使老年人能够不用起身就可以拿到一定高度的东西，轮椅必须具有升降功能。基于上述功能需求，本文将采用麦克纳姆轮与轮椅结合，作为该轮椅的主要行走机构，其能够在任意的水平方向上实现平移和旋转；采用丝杠螺母副和六连杆结构实现轮椅的坐卧两种状态的转换，该结构可以实现在90～180°任意角度的转换，并且有良好的自锁性；采用丝杠螺母副和剪差式机构实现轮椅的升降功能。同时使用基于STC89C52单片机作为轮椅的控制系统的核心，再搭配点动式按键开关、电机驱动模块和微型直流减速电机共同构成一个完整的开环控制系统，实现轮椅的各项运动。

总体结构如图1所示。

图1 轮椅结构总图

1.2 行走机构设计

为了实现轮椅能灵活自由地移动，现有两种方案：方案一：使用万向轮；方案二：使用麦克纳姆轮（全向轮）。

两种方案进行对比：（1）万向轮结构简单，制作成本低，具有省时省力、耐磨耐划、耐水蒸气、耐冲击、耐老化、抗腐蚀等一系列优点，安装在助老轮椅上能使轮椅在房间里360°自由旋转移动，但是，万向轮承载能力一般，适用于平坦光滑的路面，广泛应用于机械设备、电子设备、大型超市、医疗设备等。而且万向轮不能与电机驱动配合。（2）麦克纳姆轮（全向轮）结构复杂，所有的转动部位都使用轴承，所以制作成本较大。行走机构设计采用麦克纳姆轮与轮椅结合，该轮可采用全向驱动技术，加之麦克纳姆轮的独特运行方式，能使轮椅在任意方向上实现平移和原地旋转。可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。借助这一强大的机动性，轮椅可以在狭小的空间内自由任意地移动。而且麦克纳姆轮承载能力较好。

对比两种方案，因为更需要的是自动可控制机构，所以选择麦克纳姆轮作为轮椅的行走机构。

移动原理分析：麦克纳姆轮由一般轮子在外圆的轮廓上，按45°角斜放着许多可以转动的鼓形辊子，当辊子与地面接触的时候，地面会给车轮45°夹角的摩擦力，也就是沿辊子轴线方向的摩擦力。左前方和右后方的轮子为左旋轮，左后方和右前方的轮子为右旋轮。四个轮子有四个电机单独控制，控制四个轮子的转向和转速即可控制轮椅的平动或者旋转。

当四个轮子均向前或者向后转动时，其左右分力会相互抵消，轮椅就会向前移动；同理斜对角两轮同向转动，另外，两轮反向转动时，前后分力会抵消，轮椅就会向前运动。原地旋转时四轮形成两对同向力矩时，轮椅零半径原地旋转。合理调整各轮转速和转向，即可实现任意方向上的移动。

1.3 升降机构设计

升降姿态转换通过丝杠螺母副和剪差式机构实现。电机通过联轴器和丝杠连接在一起，电机转动带着丝杠一起转动，丝杆法兰、剪叉式支架和滑块一起链接在同一根杆上，丝杠转动，丝杆法兰通过连杆带动束型导轨上的滑块运动，同时连杆也推动剪叉式支架运动，坐板与剪叉式支架同样用直线导轨链接，以此实现轮椅的升降功能。

剪叉式机构在座板上升过程中，上平面始终和下平面保持平行，而且高度稳定，能够缓慢平稳地上升、下降，并且承载一定的重量，老年人可以用手扶住扶手，更加安全。该机构有良好的自锁性，可以在任意高度固定。

丝杠传动精度比较高，从而可以保持上升或下降时的平稳。丝杆传动还有很强的停留功能，只要信号一停止，丝杆可以很稳定地停留在某一位置。直线导轨采用束型导轨，束型导轨每个面都可以承受侧向力，可以承受比较复杂的力，从而可以保证老人在轮椅上面的稳定。直线导轨和滑块之间带有滚珠，可以很大程度上减少摩擦。

1.4 坐卧机构设计

轮椅坐卧机构采用连杆机构，传动机构为丝杆螺母副和直线导轨。通过减速电机带动丝杆螺母副运动，从而带动与丝杆螺母副链接的底杆做直线运动。底杆的另一端使用直线导轨约束，保证底杆在水平方向平动。

此时，底杆充当多连杆机构的动力杆，带动多连杆运动，实现背板和脚板的联动运动。坐卧机构图如图2所示。

图2 坐卧机构图

使用多连杆机构，保证背板和脚板能同时转动，使躺下时既平稳又安全。

动力装置采用丝杠螺母副结构传动，既能保证较大的传动力矩，又能保证传动的平稳性。

坐卧机构同时与扶手联动，加强了结构的稳定性。

2 结语

现在社会对老年人的生活质量越来越关注，随着科技水平的不断提高，针对老年人生活起居的产品设计将不断推动我国助老产业的发展。本文设计的一种基于麦克纳姆轮的万向式可卧升降轮椅，极大地方便了老年人的日常生活。该轮椅可以实现全向移动，实现坐卧姿态转换，能够升降，对改善老年人生活质量有极大的意义。