刘润湘 张瀚文 严棋耀 谭皓文 刘慧江 孙洋 曾武 陶艺心 田佳欣 邹永久
摘 要：轮椅不仅是行动不便人士的代步工具，也是他们进行身体锻炼和参与社会活动的重要工具。但靠人力驱动的轮椅与普通电动轮椅在生活中仍有较多的局限，且操作不便，极易发生意外。因此，本次研究一种新型的轮椅，旨在保障使用者的出行安全，并在其基礎上运用新型设计保证其功能运行的稳定性，满足使用者的出行需求。本研究设计的适用人群是年老、身残人群，意在帮助他们重新享受大自然的魅力，让本项目也为助老助残做出一份贡献。
关键词：自主检测 自主控制 新型轮椅设计 助老助残科技
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（a）-0068-04
Abstract： Wheelchairs are not only a means of transportation for people with limited mobility， but also an important tool for them to do physical exercise and participate in social activities. However， there are still many limitations in the life of human-powered wheelchairs and ordinary electric wheelchairs， and the operation is inconvenient， and accidents are easy to happen. Therefore， a new type of wheelchair is studied in this paper， aiming at ensuring the safety of users' travel， and on the basis of this， the new design is used to ensure the stability of its function operation and meet the travel needs of users. This study is designed for the elderly and disabled people， aiming to help them regain the charm of nature， so that this project can also make a contribution to helping the elderly and disabled.
Key Words： The independent testing; Autonomous control; New wheelchair design; Technology to help the elderly and the diesabled
腿脚不便人群是中国的一大边缘人群，它主要分为两类，一种是老年人，一种是残疾人群。据调查，中国60岁以上老年人人口数量已经达到2.49亿，老龄化形势严峻，这其中有相当多的老年人腿脚不便;此外，中国残疾总人数达到8500万，大多需要辅助出行工具，其中尤以轮椅为最。
但纵观世界老年残疾产品市场，我们可以发现国外市场比国内市场成熟许多：美国在新兴养老科技领域的核心专利占比为36.39%，英国4.41%第二，日本以4.03%位居第三，而世界上拥有老人最多的中国在老年人服务领域却与这些国家相距甚远。
基于此，为打开国内相关人群的消费市场，本次设计欲打造出一款“新型轮椅”，旨在既能满足行动不便的老人的出行需求，又能随时报告使用者的出行健康状态。
1 理论基础
人口统计数据显示[1]，我国从1999年进入人口老龄化社会到2017年的18年间，老年人口净增1.1亿。预计到2050年前后，我国老年人口数将达到峰值4.87亿，占总人口的34.9%。“银发经济”已然到来。
对于残疾人的扶持政策在陆续推出;工信部也制定了相关文件[2]鼓励民间资本进入养老产业。基于此，本项目组着手研究兼有智能避障越障、一键呼救和按摩等功能的一款新型轮椅。
目前国内外爬梯轮椅（普通轮式）的设计多采用三轮式设计。然而爬梯稳定性和安全性难以提高。本项目提出带有履带组合式轮胎的轮椅，利用红外线识别系统自动识别障碍物并予以避让，能够轻易跨越常规轮胎不能跨越的障碍;进行有效的分析建模和适用性分析后，不断形成良性反馈并及时修改调整实体模型，根据特定人群的需求，定制出以最优化的方式实现避障越障的轮椅。
2 预实现功能
设计新型轮椅的初衷是为助老助残做贡献，故产品被期待完成下述功能。
（1）一键呼救功能：在使用者有危险时可以自动通知家人或医院，以得到救助。
（2）避障越障功能：通过红外线感应与单片机程序、APP语音模块控制机体。
3 产品结构
本项目设计的新型轮椅设计旨在机体通过新型轮系设计达到避障越障功能。该设计主要由自主设计的三轮履带轮系与平衡感应伸缩杆组成，图1～3是该设计的机架三视图，具体动力装置已经隐藏。履带轮系主要是保证越障时抓地的力量与稳定性，并且配合平衡感应杆完成旋转越障;平衡感应伸缩杆通过可控转动链接与轮系形成一个整体，它需要在后轮伸缩摆动至前轮这过程中随时感应整体轮椅的平衡，并且通过杆的伸缩和链接的转动以保证整体轮椅的平衡，
4 产品原理
4.1 一键呼救功能原理
一键呼救功能的主体为可视为呼叫装置，在每一张轮椅上，将可视呼叫装置通過网络与云服务器连接，同时将个人信息进行绑定，可视呼叫装置和服务器通过无线传输的方式连接急救中心。当用户轮椅发生强烈冲击或翻转时，信号会同时发送到服务器和急救中心。
可视呼叫装置内设置有一键呼叫模块，所述一键呼叫模块连接摄像头，按下设置好的一键呼叫按钮即可进行拨号，接通的同时开启视频功能;同时，绑定相应编号的APP会通知手机持有者，让亲属得知使用者的情况。
装置设有无线通信（WiFi）模块，APP通过此模块与装置实现绑定。可视呼叫装置连接设有GPS模块。当急救中心同时接到可视呼叫装置和服务器传输过来的位置信息时，以可视呼叫装置传输来的位置信息为准。
4.2 避障越障功能
轮椅碰到障碍物时（此处障碍物指不可正常通过障碍物），红外线感应装置将障碍物形状大小传递至中央处理器，CPU判断是否可越过障碍物。如不可越过，则控制轮系偏转前进方向避过障碍物;如可越过，则轮系旋转系统启动，履带轮系与伸缩臂相协调，控制所述履带轮系依次旋转越过障碍物。
越障可行性分析：利用压力传感器测试及压力分析模型计算的方法，比较研究了相近载质量的轮胎和履带式车辆垂直及水平应力的大小，比较了轮胎和履带轮系]对地面压力的作用及稳定性，
分析方法：把接触面A分成i个单元，每个单元Ai上作用垂直载荷Pi和切向载荷Hi，则履带下方土壤内任意点S沿AiS方向的法向应力σr，i为
式子中ξ为集中系数，不同的地面条件ξ取值不同。计算轮胎作用下的应力时取ξ=7，计算履带作用下的应力时取ξ=6。
土壤内任意点 S 的垂直应力σz及水平应力σx，σy分别为
5 项目前景
轮椅将助行、按摩、爬梯和越野等功能集于一身，配备的的履带式构造在爬梯、越野时稳定性更出色，可以适应复杂多变的的出行环境。
目前研发的轮椅原型只是小规模的理论研究和小型实物组建，主要针对避障越障、按摩、越野的可行性和控制策略的有效性进行研究。随着履带式爬梯越野轮椅课题的进一步开展，可通过工业计算机来控制大量的出行动作、处理大量的监测数据，结合这些数据对性能进行进一步优化。
再者目前国内外智能轮椅的相关研究中没有采用履带式组合式轮胎，也就是说这是一个新的领域，意味着一切都是空白，同时也意味着广阔的前景以及无限的可能。由于本产品有明确的受益人群并且符合国家倡导的政策，未来势必将在一定时间段内占据轮椅市场一定的市场份额。
6 结语
本产品以安全为设计的第一要素，即在保证使用人群的安全的基础上设计出的一款集助老、助残、助行和新颖于一体的新型多功能轮椅。旨在帮助解决老年人和残疾人出行不便的问题，并且在保证安全的前提下让他们能够徜徉在山野间，享受大自然的美好风光。
“银发经济”已然降临，那么如何在困难中寻找机遇，是我们科技创新需要考虑的重要因素了。希望本项目的创新设计能为助老助残爱心活动做出一份贡献。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家统计局[引用日期2020-8-27]
[2] 本刊编辑部.工信部等：印发《智慧健康养老产业发展行动计划（2017-2020年）》[J]. 社会福利， 2017：62.
[3] 孙碧垚.基于STM32的智能轮椅硬件设计及控制系统[D].南京：南京师范大学，2018.
[4] 吕淑平，王冲.自动避障实验小车教学系统设计[J].实验室研究与探索，2019，38（8）：204-208.
[5] 翟振武，刘雯莉.人口老龄化：现状、趋势与应对[J].河南教育学院学报：哲学社会科学版， 2019，38（6）：15-22.
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[7] 王沈皓，戴文君，陈思哲.一种基于STM32的云端服务器设计[J].常州工学院学报，2020，33（1）：32-36.
