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[摘 要]轮椅的便携性和可靠性的发展可以提高老年人和残障人士的生活品质。文章研究设计了一种智能爬楼轮椅。智能化行驶功能基于Arduino微型控制单元及超声波传感器、红外传感器、滚珠开关、手动开关、马达、蜂鸣器等传感器和执行器来设计实现。智能健康监测系统基于51单芯片微型计算机和心律传感器、血压传感器、显示屏等来设计实现。并且还设计研究了一种轮椅爬升机械系统。该系统包括具有爬升功能的后轮和前爬升轮。后轮通过机构运作，可以从车轮外圆伸出一圈用于爬升台阶的齿，齿可以和台阶啮合。前爬升轮为可伸缩的齿形爬升轮。伸缩臂可以调节，以达到调节前后轮间距的目的。齿形轮可以和台阶啮合。通过该机械系统可以使轮椅沿台阶向上爬升。
[关键词]爬楼轮椅;微型控制单元;健康监测;爬升机械系統
[中图分类号]U665.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Research on Innovative Tire Structure of Stair-climbing
Wheelchair Based on Arduino Control System
Wang Cheng-zhe，Liao Yi-jie，Zhou Yan-miao，Zhang Zhi-heng，Zhang Xun
[Abstract]The development of the portability and reliability of wheelchairs can improve the quality of life of the elderly and the disabled. This paper studies and designs an intelligent stair-climbing wheelchair. The intelligent driving function is designed and implemented based on the Arduino miniature control unit， ultrasonic sensor， infrared sensor， ball switch， manual switch， motor， buzzer and other sensors and actuators. The intelligent health monitoring system is designed and implemented based on 51 single-chip microcomputers， heart rate sensors， blood pressure sensors， and display screens. This paper also designs and studies a wheelchair climbing mechanical system. The system includes a rear wheel with a climbing function and a front climbing wheel. The rear wheel operates through a mechanism， and a circle of teeth for climbing steps can be extended from the outer circle of the wheel， and the teeth can mesh with the steps. The front climbing wheel is a retractable toothed climbing wheel. The telescopic arm can be adjusted to achieve the purpose of adjusting the distance between the front and rear wheels. The toothed wheel can mesh with the step. Through this mechanical system， the wheelchair can climb up the steps.
[Keywords]stairs-climbing wheelchair; miniature control unit; health monitoring; climbing mechanical system
为了提高逐渐增加的老龄化人口和残障人士的生活质量，轮椅的智能化和爬楼功能尤为重要。国内外学者和工程师对轮椅的智能化进行了大量研究[1]。上海健康医学院护理与健康管理学院的肖蕊等人[2]在轮椅上加装语音操作系统和导航定位系统。Nath Sudarshan等人[3]也进行了语音控制智能轮椅的研究与设计。Pathan Shadman Mahmood Khan等人[4]研究了通过头部动作进行控制的智能轮椅系统。南京邮电大学的刘志超[5]研究了脑电信号和头部姿态对智能轮椅的混合控制方法。单芯片微型计算机是智能轮椅的控制核心。广东省机械技师学院的卢茹[6]进行了基于ATxmega64单片机的电动轮椅控制系统的设计，硬件设计包括电源模块、显示模块、操控模块和动力模块，软件设计包括运动控制程序、按键及摇杆程序和现实程序。山东管理学院智能工程学院的Chen Qinghua等人[7]基于STM32单片机进行了轮椅智能化的研究与设计。华北电力大学控制与计算机工程学院的陈毅博[8]基于STC89C52单片机进行了多地形智能轮椅的研究与设计。
为了实现轮椅的爬楼功能，大量学者对轮椅的运动机构进行了设计和研究。浙江理工大学机械与自动控制学院的祝志芳等人[9]提出了一种直线型连杆爬升机构，并通过Solidworks软件对机构的运动进行了模拟，爬升机构的整体运动轨迹近似直线。华北理工大学机械工程学院的蔡敬宇等人[10]设计了一种轮–履带复合式的爬楼轮椅，采用前后双履带，并通过ADAMS软件对轮椅质心的速度和加速度进行了运动分析。鄂尔多斯应用技术学院机械与交通工程系的刘荣娥等人设计了一种具有行星轮机构的轮椅，具有爬楼、减震、座椅调平、起落架调距和座椅升降功能，并通过Solidworks中的Motion模块对轮椅的运动进行了仿真。内蒙古民族大学物理与机电学院苏和平等人设计了一种双联行星轮机构爬楼轮椅。 通过学者以往的研究发现，轮椅的智能化对于轮椅的多功能和安全性能尤为重要。对于轮椅的爬楼功能，主要通过连杆机构、履带机构或行星轮机构实现。很少有学者对轮椅轮子的结构和形式进行创新型研究。本文设计的智能化轮椅具有智能避障、警报和健康检测功能。以此为基础，设计了一种具有可伸缩齿形机构的后轮与攀爬齿型机械臂，来实现轮椅的爬楼功能。
1 智能系统
本文中的智能轮椅是基于Arduino单芯片微控制器来实现的。Arduino以AtmelAVR单片机为核心，采用了开放源代码的软硬件平台。智能化系统电路如图1所示。
2 總控系统
总控是通过HC-05蓝牙模块与Arduino主板配合形成的系统，可以通过应用软件控制轮子的运动速度和方向，从而控制轮椅的运动状态（左转弯、右转弯、直行），从而保证轮椅顺畅安全地行驶。还可通过控制变形爬升轮的形态实现轮椅常规使用模式和爬楼模式的切换。总控系统控制逻辑如图2所示。
3 爬楼机构设计
3.1 整体机构设计
整体化设计如图3所示。
（1）后轮驱动系统：后轮采用分离电机驱动，通过程序控制两电机的转速，进而形成差速来实现转向功能。
（2）后轮爬楼系统：后轮采用电机带动的机械结构实现爬升齿的伸缩，在爬楼时，通过电机带动，将爬楼齿伸出，与楼梯形成啮合机构，进而实现爬楼：在正常行进过程中爬楼齿处于收回状态，以确保正常行进。
3.2 后轮机械结构设计
本产品后轮采用可伸缩齿形结构。可伸缩齿形结构的齿的伸缩由使用者通过按键或手机应用软件来控制。轮体内部通过连杆滑块机构实现齿的伸缩。如图4所示，臂（2）与齿（3）相对固定，臂（2）与轮（1）之间由转轴联结，轨道（5）用于保证齿
（3）运动顺滑。
当需要爬升台阶时，如图4（a）所示，由使用者通过控制轮体内部电机转动，从而驱动轮（1）逆时针转动，将齿（3）顺滑动轨道（5）推出，使轮体变形成具有10个齿的齿轮，齿轮可通过啮合台阶进行爬升。爬升结束后，在平坦路面正常运行时，如图4（b）所示，使用者控制轮体内中间驱动轮（1）顺时针旋转，臂（2）将10个齿（3）顺导轨缩入轮体内部，使齿（3）的弧形断面与轮体外圆面重合，保证后轮能够在平坦地面平稳行驶。
4 结语
本文通过以单芯片微型计算机为基础设计轮椅的智能控制系统，使轮椅实现了自动避障、求救警报、健康监测等功能。通过利用连杆滑块机构设计使轮椅后轮具有可伸缩台阶啮合齿，加上可伸缩前台阶啮合齿轮以及可伸缩车架，实现爬升台阶的功能。智能化控制系统与台阶爬升机构设计结合，设计出了用于行动不便的老年人与残障人士的智能化爬楼轮椅。
参考文献
[1] 陈勇，李云霞.智能轮椅导航系统研究现状与发展趋势[J].电子测试，2008（6）：9-12.
[2] 郝付英.智能轮椅控制系统研究与设计[D].济南：山东大学，2012.
[3] Nath S，Debnath S，Mukherjee N，et al.Self sanitizing voice controlled intelligent wheelchair[J].Journal of Physics：Conference Series，2021，1797（1）：012019.
[4] Pathan Shadman Mahmood Khan，Ahmed Wasif;Rana Md.Masud，Tasin Md.Shahjalal，et al.Wireless Head Gesture Controlled Robotic Wheel Chair for Physically Disable Persons[J].Journal of Sensor Technology，2020.10（4）：47-59.
[5] 刘志超.基于脑电与头姿混合接口的机器人轮椅交互方法研
究[D].南京：南京邮电大学，2020.
[6] 王星，黄俊，谭钦红.基于AVR的电动轮椅控制系统设计与实现[J].数字通信，2014，41（5）：58-61.
[7] 陈毅博.基于STC89C52单片机的多地形智能轮椅的控制设计[J].无线互联科技，2020，17（16）：91-92+117.
[8] 贾永祥.新型轮-履复合式爬楼梯轮椅设计与实现[D].南京：南京理工大学，2016.
[9] 刘荣娥，李福明，胡树山.新型爬楼轮椅的设计与运动稳定性分析[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2020，40（6）：43-47.
[10] 苏和平，王人成.一种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计[J].中国组织工程研究，2005，9（26）：144-145.
[关键词]爬楼轮椅;微型控制单元;健康监测;爬升机械系統
[中图分类号]U665.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Research on Innovative Tire Structure of Stair-climbing
Wheelchair Based on Arduino Control System
Wang Cheng-zhe，Liao Yi-jie，Zhou Yan-miao，Zhang Zhi-heng，Zhang Xun
[Abstract]The development of the portability and reliability of wheelchairs can improve the quality of life of the elderly and the disabled. This paper studies and designs an intelligent stair-climbing wheelchair. The intelligent driving function is designed and implemented based on the Arduino miniature control unit， ultrasonic sensor， infrared sensor， ball switch， manual switch， motor， buzzer and other sensors and actuators. The intelligent health monitoring system is designed and implemented based on 51 single-chip microcomputers， heart rate sensors， blood pressure sensors， and display screens. This paper also designs and studies a wheelchair climbing mechanical system. The system includes a rear wheel with a climbing function and a front climbing wheel. The rear wheel operates through a mechanism， and a circle of teeth for climbing steps can be extended from the outer circle of the wheel， and the teeth can mesh with the steps. The front climbing wheel is a retractable toothed climbing wheel. The telescopic arm can be adjusted to achieve the purpose of adjusting the distance between the front and rear wheels. The toothed wheel can mesh with the step. Through this mechanical system， the wheelchair can climb up the steps.
[Keywords]stairs-climbing wheelchair; miniature control unit; health monitoring; climbing mechanical system
为了提高逐渐增加的老龄化人口和残障人士的生活质量，轮椅的智能化和爬楼功能尤为重要。国内外学者和工程师对轮椅的智能化进行了大量研究[1]。上海健康医学院护理与健康管理学院的肖蕊等人[2]在轮椅上加装语音操作系统和导航定位系统。Nath Sudarshan等人[3]也进行了语音控制智能轮椅的研究与设计。Pathan Shadman Mahmood Khan等人[4]研究了通过头部动作进行控制的智能轮椅系统。南京邮电大学的刘志超[5]研究了脑电信号和头部姿态对智能轮椅的混合控制方法。单芯片微型计算机是智能轮椅的控制核心。广东省机械技师学院的卢茹[6]进行了基于ATxmega64单片机的电动轮椅控制系统的设计，硬件设计包括电源模块、显示模块、操控模块和动力模块，软件设计包括运动控制程序、按键及摇杆程序和现实程序。山东管理学院智能工程学院的Chen Qinghua等人[7]基于STM32单片机进行了轮椅智能化的研究与设计。华北电力大学控制与计算机工程学院的陈毅博[8]基于STC89C52单片机进行了多地形智能轮椅的研究与设计。
为了实现轮椅的爬楼功能，大量学者对轮椅的运动机构进行了设计和研究。浙江理工大学机械与自动控制学院的祝志芳等人[9]提出了一种直线型连杆爬升机构，并通过Solidworks软件对机构的运动进行了模拟，爬升机构的整体运动轨迹近似直线。华北理工大学机械工程学院的蔡敬宇等人[10]设计了一种轮–履带复合式的爬楼轮椅，采用前后双履带，并通过ADAMS软件对轮椅质心的速度和加速度进行了运动分析。鄂尔多斯应用技术学院机械与交通工程系的刘荣娥等人设计了一种具有行星轮机构的轮椅，具有爬楼、减震、座椅调平、起落架调距和座椅升降功能，并通过Solidworks中的Motion模块对轮椅的运动进行了仿真。内蒙古民族大学物理与机电学院苏和平等人设计了一种双联行星轮机构爬楼轮椅。 通过学者以往的研究发现，轮椅的智能化对于轮椅的多功能和安全性能尤为重要。对于轮椅的爬楼功能，主要通过连杆机构、履带机构或行星轮机构实现。很少有学者对轮椅轮子的结构和形式进行创新型研究。本文设计的智能化轮椅具有智能避障、警报和健康检测功能。以此为基础，设计了一种具有可伸缩齿形机构的后轮与攀爬齿型机械臂，来实现轮椅的爬楼功能。
1 智能系统
本文中的智能轮椅是基于Arduino单芯片微控制器来实现的。Arduino以AtmelAVR单片机为核心，采用了开放源代码的软硬件平台。智能化系统电路如图1所示。
2 總控系统
总控是通过HC-05蓝牙模块与Arduino主板配合形成的系统，可以通过应用软件控制轮子的运动速度和方向，从而控制轮椅的运动状态（左转弯、右转弯、直行），从而保证轮椅顺畅安全地行驶。还可通过控制变形爬升轮的形态实现轮椅常规使用模式和爬楼模式的切换。总控系统控制逻辑如图2所示。
3 爬楼机构设计
3.1 整体机构设计
整体化设计如图3所示。
（1）后轮驱动系统：后轮采用分离电机驱动，通过程序控制两电机的转速，进而形成差速来实现转向功能。
（2）后轮爬楼系统：后轮采用电机带动的机械结构实现爬升齿的伸缩，在爬楼时，通过电机带动，将爬楼齿伸出，与楼梯形成啮合机构，进而实现爬楼：在正常行进过程中爬楼齿处于收回状态，以确保正常行进。
3.2 后轮机械结构设计
本产品后轮采用可伸缩齿形结构。可伸缩齿形结构的齿的伸缩由使用者通过按键或手机应用软件来控制。轮体内部通过连杆滑块机构实现齿的伸缩。如图4所示，臂（2）与齿（3）相对固定，臂（2）与轮（1）之间由转轴联结，轨道（5）用于保证齿
（3）运动顺滑。
当需要爬升台阶时，如图4（a）所示，由使用者通过控制轮体内部电机转动，从而驱动轮（1）逆时针转动，将齿（3）顺滑动轨道（5）推出，使轮体变形成具有10个齿的齿轮，齿轮可通过啮合台阶进行爬升。爬升结束后，在平坦路面正常运行时，如图4（b）所示，使用者控制轮体内中间驱动轮（1）顺时针旋转，臂（2）将10个齿（3）顺导轨缩入轮体内部，使齿（3）的弧形断面与轮体外圆面重合，保证后轮能够在平坦地面平稳行驶。
4 结语
本文通过以单芯片微型计算机为基础设计轮椅的智能控制系统，使轮椅实现了自动避障、求救警报、健康监测等功能。通过利用连杆滑块机构设计使轮椅后轮具有可伸缩台阶啮合齿，加上可伸缩前台阶啮合齿轮以及可伸缩车架，实现爬升台阶的功能。智能化控制系统与台阶爬升机构设计结合，设计出了用于行动不便的老年人与残障人士的智能化爬楼轮椅。
参考文献
[1] 陈勇，李云霞.智能轮椅导航系统研究现状与发展趋势[J].电子测试，2008（6）：9-12.
[2] 郝付英.智能轮椅控制系统研究与设计[D].济南：山东大学，2012.
[3] Nath S，Debnath S，Mukherjee N，et al.Self sanitizing voice controlled intelligent wheelchair[J].Journal of Physics：Conference Series，2021，1797（1）：012019.
[4] Pathan Shadman Mahmood Khan，Ahmed Wasif;Rana Md.Masud，Tasin Md.Shahjalal，et al.Wireless Head Gesture Controlled Robotic Wheel Chair for Physically Disable Persons[J].Journal of Sensor Technology，2020.10（4）：47-59.
[5] 刘志超.基于脑电与头姿混合接口的机器人轮椅交互方法研
究[D].南京：南京邮电大学，2020.
[6] 王星，黄俊，谭钦红.基于AVR的电动轮椅控制系统设计与实现[J].数字通信，2014，41（5）：58-61.
[7] 陈毅博.基于STC89C52单片机的多地形智能轮椅的控制设计[J].无线互联科技，2020，17（16）：91-92+117.
[8] 贾永祥.新型轮-履复合式爬楼梯轮椅设计与实现[D].南京：南京理工大学，2016.
[9] 刘荣娥，李福明，胡树山.新型爬楼轮椅的设计与运动稳定性分析[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2020，40（6）：43-47.
[10] 苏和平，王人成.一种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计[J].中国组织工程研究，2005，9（26）：144-145.