一体式辅助上下床电动按摩轮椅

一 体式辅助上下床电动按摩轮椅

郭佳畅 , 戴家兴，张宇豪，吴学钏，褚清清

（绍兴文理学院机械与电气工程学院，浙江绍兴， 312000 ）

摘要：中国人口基数大，老年人的生活消费水平普遍偏低。高昂的电动轮椅、智能轮椅短时间内很难普及[1]。一般的手动轮椅，功能单一，仅仅满足有限制的代步需求，一些常人看似简单的动作都可能成为老年人无法逾越的障碍。本文设计并制造了一款一体式辅助上下床电动按摩轮椅，该轮椅具有辅助上下床、一体式背部按摩、双姿态切换、超声避障等功能。

关键词：自动化；超声避障；人机交互；电动轮椅；背部按摩

1 引言

随着我国人口结构偏向老龄，以及生活水平的提高，老人们在满足基本的出行要求时，也越来越关注身体、精神以及社会活动均为正常活动的状态，同时更加注重个人自身的保健，而不是以往的有病才去治疗的思想，而老年人对于个人身体的保健尤其重视[2]。研究发现，现在身有残疾的部分群体或是老年人无法在床和轮椅间独立上下，均需要有家人或护理人员协助，而市售轮椅大多是从轮椅的舒适性和轻便性出发，轮椅的椅面高度和位置与床无法相配合，不能直接与床对接，这样一方面增加了护理人员的工作负担，另一方面也给身有残疾的部分群体或老年人带来诸多不便，同时还增加了上下轮椅的危险性。普通的轮椅与床有一定的高度差，老人无法自己从轮椅转移到床上。

为此，我们设计了一款具有一体式按摩功能、辅助上下床功能、一体式背部按摩功能及避障功能的上下床电动按摩轮椅。旨在提高老人独自生活能力，保障一定的老人生活质量，在此基础上，再提升老人的生活品质，达到享受人生的境界。

2 系统总体设计方案

图1 系统总体设计方案/系统控制示意图

2.1系统控制方案

轮椅的电动系统分为两个部分，一部分用于与老人交互与提示，一部分实现轮椅的运动与环境检测，即交互部分，和主控部分，两部分之间通过蓝牙进行无线通讯。

交互部分通过按键控制蓝牙发送对应功能指令，并作出语言提示；主控部分接收指令并控制电机驱动部分驱动多组电机完成相应动作，包括电机的正反转和调速。同时提供轮椅周围环境检测，实现自动避障，以及辅助上下床和按摩器开关功能。

对于需要复杂控制过程的主控部分，采用ST公司的STM32F103RCT6微控制器，实现环境检测、电机驱动电路、继电器电路；对于用于交互提示的部分，采用资源相对较少的STM32F103C8T6微控制器，实现按键检测与语言提示。通过Altium Designer设计电路，进行电路设计与实验验证。

2.2电机驱动部分

在设计中需要对遥控器控制功能和软件程序控制功能进行灵活地切换，所以我们设计了多继电器控制单电机的电路并实际应用，其中继电器3,4用于控制软件操控电机运行还是程序操控电机运行，继电器1,2和继电器5,6用于控制直流电机的电源供给来控制电机正反转，来达到控制电机的目的。同时，在本设计之中，有些电机的控制只需要软件来进行，不需要遥控器来操控，所以就单纯的设计了控制电路，总电路原理图如下：

图 2 软件与遥控控制电机原理图

2.3机械传动原理及性能分析

在坐姿时老年人可以通过控制器选择上床，此时与床面对接一侧的扶手连带着控制轮椅驱动的控制器也会缓慢落下。紧接着支撑老人背部的推杆电机缓缓落下，支撑老人腿部的两个小电机缓缓升起，将老人抬升的同时缓慢且舒适地实现坐姿到卧姿的转变。然后轮椅会通过超声波模块自动识别床位，将要上床的一面控制在上床的合理高度，接着执行上床的系列程序，位于底座的四根推杆电机在轮椅坐垫下四个方向加压，使座面受力均匀，轮椅坐板抬升平稳。为了让抬升的高度适应现实中高度不定的床位高度，抬升推杆的抬升高度也单独编写了程序控制，也由超声波模块检测，当超声波检测到座板版面抬升到与床面高度齐平时，抬升推杆自锁，之后侧边的推杆电机收缩，驱动剪式力臂侧移收缩，剪式力臂前端链接着滑轨，滑轨链接座板，最终实现板面侧移，使承载着老人的座板与床铺对接，如此老人便能自如的挪移到床上。老人上床之后再由剪式力臂推杆电机将板面移回原位。而辅助老人下床就是此过程的逆向实现。

电动按摩通过一只250mm行程的电动推杆控制它抬升到最高点，之后通过U形力臂传到涡轮减速电机的力，使其翻转，以达到电动按摩伸出的目的，最后再由电动推杆控制按摩块的高度，以适应不同人群坐高。双U形力臂可以简单看作一组四杆机构，如图所示：

图3 按摩翻转过程示意图（左）和模型图（右）

3结论

本文设计了一种能实现的辅助老人上下床，自动按摩，由遥控器控制高度、坐姿和卧姿电动调节功能的电动按摩轮椅，人机交互良好，本轮椅操作简单，控制简便、人性化，达到了设计要求。

4 参考文献

1. 钟佳岑，滕水生，倪佳慧，周华烨.辅助上床轮椅设计研究[J].科技视界.2017（3）:28.

2. 孙希凤，方积乾 . 老年人生存质量的影响因素 [J]. 中国老年医学杂志， 2002，22(8)：508-509.

基金项目：绍兴文理学院2023年挑战杯重点培育项目

作者简介:郭佳畅，2000.03，男，汉，河北衡水，绍兴文理学院机械与电气工程学院机械电子工程，学生。