一种智能助老轮椅及其工作方法

1.本发明属于轮椅技术领域，具体涉及一种智能助老轮椅及其工作方法。


背景技术：

2.近几年来，国民经济的发展迅速和医疗技术水平越来越高，人口老龄化在中国乃至是世界愈演愈烈。第十九次全国人大代表会议指出，加强人口发展战略研究，严阵以待应对人口老龄化情况，建全完善养敬老体系，应该发展相应的老龄事业和产业。另外随着社会的不断发展，老年人的思想观念也发生了转变，对于一些经济独立、身体较好的老人会选择与子女分开住。近12年来我国独居老人和空巢老人的数量在不断上升，为了更好的提高独居老人生活的幸福感，我们团队对市场上已有的助老产品进行了对比分析，发现目前市场上辅助老人行走的产品主要以轮椅、助行器为主，但对于下肢力量较薄弱的独居老人而言，上下轮椅将会有很大的困难，而且当老人需要如厕时又需要从轮椅转至坐便器，这一过程存在很大的安全隐患。为此，需要一款结合辅助如厕、辅助起身、站立、行走的智慧助老轮椅。
3.目前国内外对于辅助站立装置的研究主要分为单一化的辅助站立扶手、固定式的辅助站立座椅和卫生护理机器人等。单一化的辅助站立扶手大多功能都比较单一化，结构也相对简单，满足不了老年人的生理及心理需求，所以此类辅助产品在市场上销量并不太高；固定式的辅助站立座椅机构的设计较为复杂，并且没有照顾到老年人的生活；卫生护理机器人主要用于满足下肢残疾者的站立康复训练，适用范围小，不能满足老年人共同使用的要求，并且此类产品制造成本高，不利于市场推广。
4.面对一成不变的设计，我们应该在保证基本使用功能的同时，开发老年人有需要的其他功能或者在相同功能、不同性能和不同规格的基础上进行功能分析，化繁为简，化整为零，最后划分并设计出一系列功能模块和组合可以构成不同的装置，设计制造更加灵活，不仅能符合市场的不同需求，而且也能节省空间，高效环保，为老年人的老年生活带来更多的可能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种智能助老轮椅及其工作方法，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。
6.为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种智能助老轮椅，包括轮椅框架，所述轮椅框架包括底座框架、设置在底座框架上方的坐垫本体及设置在坐垫本体上方后背位置的椅背框架，所述椅背框架上设置有背垫，所述底座框架的前端下方的两万向轮，所述底座框架后端两侧分别设置有后轮；两所述后轮分别通过两后轮电机进行驱动；所述坐垫本体的上端两侧设置有一扶手；其特征在于，所述坐垫本体的下方设置有一抬升机构，所述坐垫本体上设置有一开合机构，所述底座框架的前端两侧分别通过脚踏固定管固定连接有脚踏机构；
7.所述抬升机构包括固定在底座框架上的两侧分别在水平方向设置有一第一电动推杆，所述第一电动推杆通过第一转动件连接有一连杆，所述连杆的上端通过一第二转动件连接在坐垫本体的下方，所述坐垫本体的前端两侧与底座框架铰接；
8.所述坐垫本体包括设置在上方位置的钣金坐垫及设置在钣金坐垫下方的坐垫支撑板，所述钣金坐垫的中间位置设置有一第一通孔，所述开合机构包括两移动坐板，所述坐垫支撑板的上端设置有一长条状凹槽，所述长条状凹槽形成供两移动坐板滑动的通道，两所述移动坐板置于坐垫支撑板的通道内；所述长条状凹槽的中间设置有第二通孔，所述坐垫支撑板在长条状凹槽的前后两侧横向平行设置有两滑槽，两所述移动坐板的前后端分别设置有滑动板，所述滑动板与滑槽相适配；所述坐垫支撑板的长条状凹槽在第二通孔的左右两侧分别设置有一驱动电机，两所述驱动电机通过传动机构连接两移动坐板，两所述移动坐板在驱动电机的驱动下可开合的连接在第二通孔位置处；
9.所述脚踏机构包括两踏板本体，两所述踏板本体分别通过两第二电动推杆连接在踏板固定管位置处，所述第二电动推杆沿着踏板固定管的方向设置。
10.进一步的，所述传动机构包括啮合连接的齿轮和齿条，所述驱动电机固定连接在坐垫本体下方，所述驱动电机的输出轴固定连接有齿轮，所述齿条固定连接在移动坐板的上方。
11.优选的，所述坐垫支撑板的每一滑槽内设置有用于限制两移动坐板运动位置的两限位挡板。
12.进一步的，所述第一转动件包括第一螺栓，所述第一螺栓穿过第一电动推杆和连杆上的通孔并通过第一螺母进行锁定。
13.进一步的，所述第二转动件包括第二螺栓及u形固定件，所述u形固定件固定在坐垫本体下方，所述第二螺栓穿过u形固定件的两通孔及连杆的通孔并通过第二螺母进行锁定。
14.进一步的，所述第二电动推杆的下方设置有一连接件，所述连接件的一端固定在第二电动推杆上，另一端与踏板本体转动连接，所述踏板本体与连接件之间的转动角度为90
°
。
15.进一步的，所述轮椅框架的后方设置有摄像头，所述扶手上设置有显示装置。
16.进一步的，一种智能助老轮椅还包括一控制盒，所述控制盒设置在底座框架上，所述控制盒内设置有单片机、多个h桥控制电路、蓄电池和电源电路，所述蓄电池为整个轮椅供电，所述电源电路将蓄电池的直流电转换为各元器件所需的电压，所述单片机的输入端连接有若干控制按键，若干所述控制按键集中安装在一万向控制器上，所述单片机的输出端连接多个h桥控制电路，多个h桥控制电路分别电连接后轮电机、驱动电机、第一电动推杆的推杆电机和第二电动推杆的推杆电机。
17.进一步的，所述移动坐板的下方设置有铝板。
18.本发明的实施例还提供一种智能助老轮器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
19.s1、抬升机构工作过程：正常状态时，第一电动推杆处于伸长状态；当老人需要起身时，通过控制按键控制两第一电动推杆的往回运动，带动连杆转动，连杆转动会同时带动坐垫本体转动至一定的角度，辅助老人起身；当老人需要坐下时，通过按键控制两第一电动
推杆向前运动处于伸长状态，连杆转动带动坐垫本体转回水平状态；
20.s2、开合机构的工作过程：正常状态时，两移动坐板处于合拢状态；当老人需要如厕时，通过控制按键控制驱动电机旋转，驱动电机带动齿轮旋转，齿轮与齿条啮合，齿条带动移动坐板打开，方便老人如厕；当老人如厕后，通过按键控制驱动电机反向旋转，驱动电机通过齿轮齿条带动两移动坐板合拢；
21.s3、脚踏机构的工作过程：老人坐在轮椅上时，第二电动推杆处于缩短的状态，老人将脚放在踏板上；当老人需要对调整腿长，通过控制按键调整长度；当老人需要起身上、下轮椅时，通过控制按键控制第二电动推杆处于伸长至最长的状态，脚踏本体接触地面，老人在上、下轮椅时不用自己移脚。
22.本发明的上述技术方案的有益效果如下：
23.(1)本发明的助老轮椅通过第一电动推杆与连杆相连，就实现座椅的辅助起身轨迹，结构精简且生产成本不高，利用比较简单的结构实现了所需的功能，且能够能实现平稳的抬升；通过第二电动推杆控制踏板本体向上向下运动，使下肢无力的老人上、下轮椅时无需再自己将脚放置在踏板本体上，提高了老人的体验感；开合机构通过驱动电机与传动机构配合，承重合理、效率高，提高了轮椅在辅助老人如厕时的工作效率；本发明不仅能作为一款新型的多功能轮椅供给老人使用，还可以将此轮椅中所涉及到的辅助如厕系统应用于医院、无障碍卫生间、养老院等场所。
24.(2)本发明的助老轮椅通过后置摄像头、前置显示屏，万向控制器的设置，可有效避免防老人在操纵行走的过程中出现视觉上面的死角，有助于老人更加灵活可靠地操纵轮椅。
附图说明
25.图1为本发明的结构示意图；
26.图2为本发明的侧视图；
27.图3为本发明的轮椅在拆除坐垫和左侧移动坐板时的结构示意图；
28.图4为本发明的第一电动推杆的机构运动简图；
29.图5为fr＝700n时连杆bc所受压力f
cb
随推杆位移变化线图；
30.图6为fr＝700n时正交均布载荷下第一电动推杆9中电机的推力f随推杆位移变化线图；
31.图7为第一电动推杆回程坐垫本体抬升角位移随推杆位移变化曲线图；
32.图8为第一电动推杆回程坐垫本体角速度随时间变化曲线图；
33.图9为第一电动推杆回程坐垫本体抬升角加速度随时间变化曲线图。
34.附图标记说明：1、底座框架；2、坐垫本体；3、椅背框架；4、背垫；5、万向轮；6、后轮；7、扶手；8、脚踏固定管；9、第一电动推杆；10、连杆； 11、第一转动件；111、第一螺栓；112、第一螺母；12、第二转动件；121、第二螺栓；122、第二螺母；123、u形固定件；13、移动坐板；14、滑槽；15、滑动板；16、齿轮；17、齿条；18、第二电动推杆；19、踏板本体；20、后轮电机；21、扶手支撑管；22、把手；23、连接件；24、限位挡板；25、通道； 26、驱动电机。
具体实施方式
35.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.如图1、图2和图3所示，一种智能助老轮椅，包括轮椅框架，所述轮椅框架包括底座框架1、设置在底座框架1上方的坐垫本体2及设置在坐垫本体 1上方后背位置的椅背框架3，所述椅背框架3上设置有背垫4，所述底座框架1的前端下方的两万向轮5，所述底座框架1后端两侧分别设置有后轮6；两所述后轮6分别通过两后轮电机20进行驱动；所述坐垫本体2的上端两侧设置有一扶手7；扶手7通过扶手支撑管21固定连接在坐垫本体2上方，扶手7前端设置有把手22；所述坐垫本体2的下方设置有一抬升机构，所述坐垫本体2上设置有一开合机构，所述底座框架1的前端两侧分别通过脚踏固定管8固定连接有脚踏机构；
39.所述抬升机构包括固定在底座框架1上的两侧分别在水平方向设置有一第一电动推杆9，所述第一电动推杆9通过第一转动件11连接有一连杆10，所述连杆10的上端通过一第二转动件12连接在坐垫本体2的下方，所述坐垫本体2的前端两侧与底座框架1铰接；在本发明进一步的实施例中，所述第一转动件11包括第一螺栓111，所述第一螺栓111穿过第一电动推杆9的端部和连杆10上的通孔并通过第一螺母112进行锁定。本实施例中，所述第二转动件12包括第二螺栓121及u形固定件123，所述u形固定件123固定在坐垫本体2下方，所述第二螺栓121穿过u形固定件123的两通孔及连杆10的通孔并通过第二螺母122进行锁定。
40.为了安全稳定的辅助下肢力量薄弱的独居老人坐下或起身，辅助老人起身的抬升部分由第一电动推杆9带动连杆10实现坐垫本体2的抬升，其中，在连杆10与第一电动推杆9的第一转动件11、连杆10与坐垫本体2连接的第二转动件12中添加了推力球轴承，当第一电动推杆9的电机带动第一电动推杆9往回运动时，带动连杆10转动，连杆10转动的同时带动坐垫本体2翻转至一定的角度辅助老人起身，整个抬升过程流畅稳定；考虑到抬升装置辅助老人上、下轮椅时可能会导致身体不协调或者重心不稳，出现前倾的现象，因此，将两侧扶手7与坐垫本体2处加以固定，两扶手7可随着坐垫本体被抬升一定的角度，这样老人在起身时除了辅助老人起身的抬升机构，老人还能以扶手作为一个借力点支撑其起身，降低老人跌倒的风险，与此同时为了更好的方便老人控制，还在右侧扶手前安装了万向摇杆控制器，让老人在控制轮椅时更加灵活、便捷。
41.所述坐垫本体2包括设置在上方位置的钣金坐垫201及设置在钣金坐垫 201下方的坐垫支撑板202，所述钣金坐垫201的中间位置设置有一第一通孔，所述开合机构包括两
移动坐板13，所述坐垫支撑板202的上端设置有一长条状凹槽，所述长条状凹槽形成供两移动坐板13滑动的通道25，两所述移动坐板置于坐垫支撑板202的通道25内；所述长条状凹槽的中间设置有第二通孔，所述坐垫支撑板202在长条状凹槽的前后两侧横向平行设置有两滑槽14，两所述移动坐板13的前后端分别设置有滑动板15，所述滑动板15与滑槽14相适配；所述坐垫支撑板202的长条状凹槽在第二通孔的左右两侧分别设置有一驱动电机26，两所述驱动电机26通过传动机构连接两移动坐板13，两所述移动坐板13在驱动电机26的驱动下可开合的连接在第二通孔位置处；在本发明进一步的实施例中，所述传动机构包括啮合连接的齿轮16和齿条17，所述驱动电机26固定连接在坐垫支撑板202在长条状凹槽位置处的上方，所述驱动电机26的输出轴固定连接有齿轮16，所述齿条17固定连接在移动坐板的下方。优选的，所述坐垫支撑板202上的每一滑槽14内设置有用于限制两移动坐板13运动位置的两限位挡板24。在本实施例中，第二通孔大于等于第一通孔的尺寸，且第一通孔与第二通孔的中心位置相同；在本发明的实施例中，移动坐板13尺寸设计：经查找相关资料，了解到市场上家用座便器并非有一个标准尺寸，如图4所示，家用座便器整体长度尺寸l为680mm至730mm，宽度尺寸w为390mm至410mm，座圈到地面的高度尺寸h为360mm至430mm。根据以上数据，将所设计底座框架1下方空间长宽高设置为500mm
×
460mm
ꢀ×
440mm，如图4所示，如此以来方便联通座便器。为了保障坐垫本体的正常使用以及开合功能的正常运行，在轮椅原有坐垫本体2的两边都设置了开合机构，由两边的驱动电机26同时控制齿轮16转动，齿轮16带动齿条17移动从而实现移动坐板13的开合，与此同时，为了提高坐垫本体2的承重，设计时，在移动坐板13的下方安置了铝板，提高了装置的稳定性，与此同时，为了提高坐垫本体2开合的效率，将移动坐板13与图中的坐垫支撑板202相连接，齿条17移动时带动移动坐板13通过滑动板15在滑槽14里面移动，减小了移动时移动坐板13与固定木板之间的摩擦阻力，使得整个轮椅装置在辅助老人如厕时安全便捷。
42.所述脚踏机构包括两踏板本体19，两所述踏板本体19分别通过两第二电动推杆18连接在踏板固定管8位置处，所述第二电动推杆18沿着踏板固定管 8的方向设置。为了扩大作品的适用范围以及提高作品的安全性能，在改进和完善轮椅结构时，特地将轮椅脚踏处的结构进行了改进，区别于传统的固定型脚踏板，在脚踏板处设置第二电动推杆18，使得老人在上、下轮椅时不用自己移脚，让一些下肢力量薄弱的老人有更良好的使用体验。为了便于使用，所述第二电动推杆18的下方设置有一连接件23，所述连接件23的一端固定在第二电动推杆18上，另一端与踏板本体19转动连接，所述踏板本体19与连接件23之间的转动角度为90
°
。
43.在进一步的实施例中，所述轮椅框架的后方设置有摄像头，所述扶手7 上设置有显示装置。
44.一种智能助老轮椅还包括一控制盒，所述控制盒设置在底座框架1上，所述控制盒内设置有单片机、多个h桥控制电路、蓄电池和电源电路，所述蓄电池为整个轮椅供电，所述电源电路将蓄电池的直流电转换为各元器件所需的电压，所述单片机的输入端连接有若干控制按键，所述单片机双向电连接摄像头，所述单片机的输出端连接显示装置，所述单片机将摄像头所采集到的图片并发送给显示装置；所述单片机的输出端连接多个h桥控制电路，多个h桥控制电路分别电连接后轮电机、驱动电机、第一电动推杆的推杆电机和第二电动推杆的推杆电机。该轮椅的驱动控制器均利用脉冲调制(pwm)的原理，通过调速控制器和正反
转调速控制器分别两组控制第一电机推杆和第二电机推杆的推杆电机和直流电机，该驱动模块利用h桥原理，输入、输出光耦隔离，无杂音，可无极调速，通过调试设定定时和限位，集调速、驱动、正反转等功能为一体。因此，本装置所选择的调速控制器和正反转控制器，具备普通继电器的所有功能，又远超过普通继电器。
45.理论计算与分析
46.1、总体尺寸计算
47.根据市面马桶的现有尺寸，本产品在设计时，考虑到产品的通用性，将所设计轮椅框架下方空间长宽高设置为500mm*460mm*440mm。
48.2、推杆电机推力计算
49.推杆电机的机构运动简图如下图4所示，其中，取d为原点建立平面直角坐标系，已知量：推杆电机杆头b与推杆电动机杆身固定处a的初始距离为408.5mm，坐垫和连杆连接处c与转动副d的距离为cd＝205mm，连杆长为bc＝260mm，推杆电机杆身固定处a与转动副d的水平距离为ad
x
＝365mm，垂直距离为ady＝80mm。
50.未知量：第一电动推杆9中电机的推力f，老人给坐垫施加的均布载荷等效力fr，连杆bc所受的力f
cb
，cd与水平方向的夹角α，bc与水平方向的夹角β，推杆电机伸出的长度为l。
51.由平面直角坐标系可得：c(-cd
·
cosα，cdsinα)、b(-ad
x
l,-ady)；
52.由几何关系可得：bc2＝(ad
x-l-cd
·
cosα)2 (cd
·
sinα ady)2ꢀꢀ
(1)
53.由(1)式展开整理得：
[0054][0055]
解出α的表达式为：
[0056][0057]
其中，
[0058]
假设老人的质量为70千克，则fr≤700n，假设fr始终等于最大力，即 fr＝f
r，max
＝700n。
[0059]
根据力三角形得
[0060]
由几何关系可得：f＝f
cb
·
cosβ
ꢀꢀ
(6)
[0061]
选用的推杆电机行程为150mm，则上式中l的范围为258.5mm到 408.5mm。取位移间隔为0.01mm，通过matlab绘制相关线图。
[0062]
如图5-图8所示，图5为fr＝700n时连杆bc所受压力f
cb
随推杆位移变化线图。图6为fr＝700n时正交均布载荷下第一电动推杆9中电机的推力f随推杆位移变化线图。图7为第一电动推杆回程坐垫本体抬升角位移随推杆位移变化曲线图。通过对时间间接求一阶和二阶导数，分别得到角速度线图8和角加速度线图9所示。图8为第一电动推杆回程坐垫本体角速度随时间变化曲线图。图9为第一电动推杆回程坐垫本体抬升角加速度随时间变化曲线
图。
[0063]
3、连杆的强度校核
[0064]
按许用正应力计算，因轴的选用材料为铝合金6061，已知连杆截面面积 a＝160
×
10-6
mm2。由机械手册可知铝合金6061的许用正应力[σ
t
]＝265mpa。且由图5可知fr＝700n时连杆bc所受最大压力f
cbmax
为3089n，在横截面处可计算出所受的最大正应力为：
[0065][0066]
故满足强度要求，且安全裕度较大。
[0067]
4、主要材料及构件选择
[0068]
4.4.1齿轮齿条的选择
[0069]
本产品用到的齿轮齿条依靠3d打印加工而成，成本不高且容易加工。选用模数m＝1、齿数z＝20、分度圆直径d＝m
×
z＝20mm的标准直齿圆柱齿轮和长度为145mm的齿条。
[0070]
4.4.2驱动电机的选择
[0071]
移动坐板13时，两移动坐板13的行程l各为75mm，设移动坐板13运动的时间为t＝2s。
[0072]
则齿轮转过的圈数为：
[0073]
驱动电机转速n为：
[0074]
根据所设计电路，取驱动电机电压值u＝5v，电流值为i＝0.4a
[0075]
则驱动电机的功率为：p＝u
×
i＝2w
[0076]
则驱动电机所需扭矩为：
[0077]
由此，本发明选用额定扭矩为1.8kg﹒cm，转速为112.5r/min的驱动电机。
[0078]
本发明的实施例还提供一种智能助老轮器的工作方法，包括以下步骤：
[0079]
s1、抬升机构工作过程：正常状态时，第一电动推杆9处于伸长状态；当老人需要起身时，通过控制按键控制两第一电动推杆9的往回运动，带动连杆10转动，连杆10转动会同时带动坐垫本体2转动至一定的角度，辅助老人起身；当老人需要坐下时，通过按键控制两第一电动推杆9向前运动处于伸长状态，连杆10转动带动坐垫本体2转回水平状态；
[0080]
s2、开合机构的工作过程：正常状态时，两移动坐板12处于合拢状态；当老人需要如厕时，通过控制按键控制驱动电机26旋转，驱动电机26带动齿轮16旋转，齿轮16与齿条17啮合，齿条17带动移动坐板12打开，方便老人如厕；当老人如厕后，通过按键控制驱动电机26反向旋转，驱动电机26 通过齿轮16、齿轮17带动两移动坐板13合拢；
[0081]
s3、脚踏机构的工作过程：老人坐在轮椅上时，第二电动推杆18处于缩短的状态，老人将脚放在踏板本体19上；当老人需要对调整腿长，通过控制按键调整长度；当老人需要起身上、下轮椅时，通过控制按键控制第二电动推杆18处于伸长至最长的状态，脚踏本体19接触地面，老人在上、下轮椅时不用自己移脚。
[0082]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。