基于高龄者和残疾人出行方式的电动按摩轮椅设计研究

林雨龙 彭泽稳 蔡瑾瑜 李倍 蒋航狄

绍兴文理学院 浙江省绍兴市 312000

摘要：本文从当今社会“智慧家居、幸福家庭”的背景出发，从高龄人的出行着手，就如何提高他们的出行效率的电动轮椅进行了分析，系统全面的介绍了其设计流程。该轮椅的控制部分基于STM32F103RCT6处理器，并配载有超声波测距模块，继电器板、语音模块等模块，通过蓝牙模块确保了交互通信板与核心控制板的稳定连接，在满足老年人出行的代步功能之外，使其感受到细微之处的情感关爱而非粗暴的特殊对待。希望通过本课题的研究，给予其他高龄者永平的设计提供参考，为我国的高龄者提供更多温暖的设计，助力和谐社会发展。

关键词：助老；轮椅；出行方式；设计研究

我国是发展中国家，人口基数大，老年人和残疾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]；而一般的手动轮椅,功能单一，仅仅完成机械的代步功能，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。因此研发了一款功能丰富、价格适中的轮椅产品，满足老年人，残疾人的需求，从而改善该人群的生活质量，已是当下社会的急需要求。

1.硬件设计

该电动按摩轮椅的机械部分包含有背板模块，坐板模块，腿板模块，遮阳模块，上抬升机架以及按摩模块。下移动机架与上抬升机架由四个推杆电机连接在一起，并与之配合形成完整的抬升底座。坐板模块，背板模块，腿板模块都是由组合滑轨、上板、下板三大部分组成。电动按摩模块可以拆分为升降适应推杆，翻转机械臂和电动按摩区块。电动按摩装置通过平面四杆机构以及虚约束实现平行翻转。升降适应推杆可以使其适应不同坐高人群。电动按摩区块中机械手采用前后浮动设计，仿真揉捏按摩。功能实现部分主要包含语音提示模块，超声波避障模块，软硬件结合的继电器控制电路，CPU处理部分。基于出行的功能要求，本设计人性化的考虑了遮阳，置物架等功能，移动方向的控制方面，采用360°摇杆式控制杆，便于控制，并配置语音播报功能，提供友好的人机交互功能；对于轮椅高度的调整，采用交互通信板的按键控制并配套有一个简易的遥控器，方便老人使用；出行过程中倘若碰到障碍物，通过软件控制轮椅进行避障并语音提示，保障出行的安全与便利。该设计的总体框图如图一所示。

图 1总体框架图

1.1 CPU模块

本系统共采用了两款电路板，交互通信板与电机核心控制板，他们的处理器均采用基于 ARM 的 STM32F103RCT6。这款处理器是 STMF103 系列的 Cortex-M3 内核 32 位处理器，它拥有的资源包括：48KB SRAM、256KB FLASH、2 个基本定时器、4 个通用定时器、2 个高级定时 器、2 个 DMA 控制器（共 12 个通道）、3 个 SPI、2 个 IIC、5 个串口、1 个 USB、1 个 CAN、3 个 12 位 ADC、一个 12 位 DAC、1 个 SDIO 接口及 51 个通用 IO 口，性价比极高。

1.2 蓝牙模块

本轮椅采用两个HC-05蓝牙串口通信模块，基于Bluetooth Specification V2.0带EDR蓝牙协议的数传模块。无线工作频率为2.4GHz ISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率是4dBm，接收灵敏度-85dBm，板载PCB天线，可实现10m距离通信。在本设计中的应用是为两个电路板体重稳定的连接，一个电路板置于3D打印的内嵌操作盒中，固定在左边扶手的位置，包含功能按键，用于控制实现相关的功能，另一个电路板置于轮椅主体中，用于控制继电器从而控制各种大电机动作。

1.3 超声波测距模块

超声波测距模快采用HC-SR04款，安装于轮椅前方，采用IO触发测距的工作原理，自动发送8个40kHz的方波，自动监测是否有信号返回，有信号返回，则在接收·引脚会产生一段高电平，设置定时器为输入捕获模式即可计算超声波从发送到返回的时间，测试距离=高电平时间*声速。在本轮椅的应用之中用于检测前方障碍物的距离，当距离小于限定安全距离的时候，就会启动避障功能，对应动作电机停止并语音提示，待障碍物移除后，方可继续工作。

1.4 继电器控制模块

本设计中包含有多个电机，需要在手动与自动控制中来回切换，故我们采用了智能化的继电器控制电路，每个电机由一组继电器电路控制，其中直接连接到电机两端的两个继电器用于控制是软件操作电机还是人工手动操作电机，再者，引申出去四个继电器，连接到电源端，用于控制电机的不同转向。该设计稳定且灵活的保证了改设计对于电机控制的要求，保证了轮椅的运动的可靠性。

1.5 语音模块

语音提示模块主要由JQ8400FL10P语音模块组成。JQ8400语音模块集成了一个16位的MCU，采用硬解码的方式，保证了系统的稳定性和音质。选用此芯片在于他能够灵活的更换SPI-flash内的语音内容，省去了传统语音芯片需要安装上位机更换语音的麻烦，SPI FLASH直接模拟成U盘，跟拷贝U盘一样方便。在本设计中主要应用于在避障时的语音提示移除障碍物，以及轮椅坐姿调整时的语音提示，使高龄者能轻松的适应本轮椅。

1.6 电动按摩机构

为了使本轮椅的应用更加适应高龄者这一人群的需要，在本设计中创新性的增加了电动按摩机构，但为了不影响平时出行时的体验，我们设计了U型机构，在使用时，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。在不使用时，可以将其收回到轮椅的靠背后，并且采用前后浮动设计，仿真揉捏按摩，充分考虑使用者的体验。

1.7 抬升装置

为了适应不同使用者的坐高，本轮椅采用了高度可调的抬升机构，坐姿时轮椅的支撑是位于座板下四根型号为TCJ-C4-24-240-5-2500-L1推杆，与铝型钢支架链接构成，在最低位置时电机与上视基准面的角度为60°，提供可靠的支撑力，承载使用者与厚重的铝材，我们通过计算分析，考虑正常老年人的体重约为75kg，加上轮椅上部分的构件总体重量约为120kg而大推杆的承重约为1500N。铝管能承受力远超此时受压，因此构件稳定。

2.系统功能设计

使用者靠近轮椅并启动电源，轮椅发出“欢迎使用”，通过默认软件的设置，轮椅调节自身高度至一定值，若高度不合适，使用者可以通过配套的遥控器调节轮椅高度与底板，背板的倾角。在室内，使用者可以按扶手侧的按键启动按摩机构，按摩器通过电动推杆调节到轮椅背侧，并启动按摩，使用者同样可以通过按键调节按摩器高度，转向，也可一键收回按摩器。在室外，本轮椅配套了摇杆式的操纵杆，控制轮椅360°移动，使用者可以灵活控制前进的方向，考虑到高龄者使用时的手脚迟钝，人性化的设计了避障功能，且在轮椅运行过程中，全程有语音提示，实为适用于高龄者的智能轮椅。

3.结论

由于传统的轮椅只能机械的完成代步的功能，一部份产品甚至需要靠使用者手动操作，为了适应构建和谐幸福社会的热潮，将人工智能化设计充分应用于现实生活，我们设计了这款适用于高龄人的电动按摩轮椅，加快了智慧城市发展的脚步。使得老年人出行的问题得到了有效的解决，适应于各种不同的场合，提高了高龄者的生活质量。

参考文献

1. 石学文,杜勇,秦川等.基于无线通信的电动轮椅控制系统的研究与设计[0].电子技术2018,47(08):90-92.

2. 单新颖,陈伟，闫和平.多姿态电动轮椅控制器的设计和测试[J].中国康复理论与实践,2018,24(05):604- 609.