多功能轮椅设计概述
新型多功能助老旋转爬楼轮椅设计
Value Engineering0引言随着中国经济快速的发展，所有中国公民生活质量也逐渐提高，中国老年化现状是老年化越来越严重，而这些老年人的子女都在忙碌自己事业很少陪伴在自己父母的身边，可想而知，当人到达一定年龄的时候不管在生活方面还是在行走方面都会带来一定困扰，根据国家2019年老龄化人口报告显示：其中孤寡老人占非常大的比重，所以我们设计一种能方便孤寡老人智能轮椅，目的是让所有独自生活的老人能照顾好自己，减少子女对他们的担心。
1市场分析由于老年人和残疾人数量明显增加给经济，社会的发展带来了巨大的影响，医疗、护理、社会服务等方面需求压力越来越大，从而推进了助老助残机械的发展。
在爬楼梯轮椅的研究方面，国外开始的比较早。
近几十年来国外的高校以及相关的科研机构提出了许多不同爬楼梯轮椅的方案，目前部分方案已经实现了产品化，在生活中得到了应用，相比而言，国内对于爬楼梯轮椅的研究基础比较落后、起步晚，随着近些年来国内高校和企业的深入研究，虽然已经有了一定的成果，但是在技术上还是不成熟，没能实现爬梯轮椅的产品化，现阶段能够看到的爬楼梯轮椅产品几乎都是从国外进口的状况。
针对国内外现有较成熟的爬楼梯轮椅的原理，我们可以把它们分为：腿足式爬校惊轮椅、行星轮式爬棱梯轮椅、履带式爬楼梯轮椅、复合式爬楼梯轮椅以及其它爬楼梯装置，以上各种爬楼梯轮椅在实现爬楼梯方面都有各自的优势，但同时也有相应的局限。
2设计方案2.1工作原理该轮椅主要具备座位旋转与爬楼功能。
正常运行时，保持如图1姿态，三角轮后驱，转向轮前驱。
当遇到楼梯的，启动座椅旋转按钮，座椅旋转180°，此时三角轮变为前驱，开始攀爬台阶，爬楼梯台阶过程中，三个轮子交替攀爬，若攀爬过程中动力不足，三角轮启动制动装置，停止攀爬，保证老人安全。
此外增加紧急救助功能，当老人遇到紧急情况，可以通过手动折叠转换为可推动担架姿态，方便医护人员操作。
2.2机械系统设计2.2.1三角轮机械结构设计三角轮轮毂平面图如图1所示，当轮椅攀爬台阶或者平地行走时，由电机提供动力通过锥齿轮把动力传送到传送杆，然后传送杆带动中心齿轮1，中心齿轮1再带动齿轮2、3、4实现三角轮的运转。
智能轮椅的设计与制造
智能轮椅的设计与制造第一章：引言智能轮椅是一种创新型的机动设备，可以为身体残疾人士提供更加方便的出行方式。
它集成了一系列的智能化技术，例如自动导航、语音识别、智能控制等，大大简化了人们日常出行的流程。
尤其在残疾人士需要自主出行或在无人协助下单独生活的情况下，更加突显出了智能轮椅的价值。
本文将重点介绍智能轮椅的设计和制造，为读者深入了解智能轮椅打下基础。
第二章：智能轮椅的系统架构智能轮椅是由多个模块组成的复杂系统。
通常，它可以分成以下五个模块：智能控制系统、操作面板系统、通讯系统、座椅系统、行驶系统。
1. 智能控制系统：它是智能轮椅最重要和核心的部分，用于控制轮椅的各种行为，例如移动、停止、转弯等。
智能控制系统通常由电子控制器、电池和电机组成。
其中，电子控制器是智能轮椅的“大脑”，它负责集成所有传感器和执行器以及进行实时控制，控制轮椅的运动，从而使得智能轮椅能够实现自主移动。
2. 操作面板系统：它是智能轮椅的界面模块，提供给用户一个方便的交互界面。
通常，操作面板中包含屏幕、按键和语音识别系统。
语音识别系统可以让残疾人士通过语音命令控制轮椅，以便更方便地控制并与轮椅交互。
3. 通讯系统：它是智能轮椅的信息交换模块，用于与外界进行信息交互。
通讯系统包括Wi-Fi网络和蓝牙连接，以便与智能手机或其他外部设备进行连接。
4. 座椅系统：它是智能轮椅的一个重要模块，负责提供座椅支撑和安全性，让使用者更加舒适和安全。
座椅系统可以提供轮椅抬升功能，使残疾人士与普通人同等接触。
5. 行驶系统：它是智能轮椅的运动控制模块，用于控制轮椅的移动和停止。
行驶系统包括轮胎、电机、传感器、制动器，以及提供适当的行驶方向和速度控制。
第三章：智能轮椅的具体设计1. 主控板：主控板是智能控制系统的核心，主要包括微控制器、电机驱动器和加速度传感器。
微控制器是轮椅主控板的“大脑”，负责对传感器采集到的数据进行处理，控制电机驱动器对轮胎进行有效的控制。
多功能智能轮椅的设计
国内外现状
Status quo at home and abroad
履带式爬楼轮椅
出现较早，原理简单，类似于履带 装甲车或坦克，其传动机构采用履 带式的传动结构，结构稳定，传动 效率高，不仅能够在平地上行驶， 而且能够连续爬楼梯。
步进式爬楼轮椅
执行机构多由铰链杆件机构组成， 其特点在于具有两套支撑机构，两 套支撑装置交替支撑，重复此过程 来实现爬楼目的。价格昂贵，操控 复杂，市面不多见。
轮椅总体方案设计
• 轮椅结构的设计 • 轮椅传动方案的设
计 • 传动机构尺寸的确
定 • 驱动机构的确定 • 总体尺寸的确定
电机驱动方案设计
• 驱动功率的计算 • 驱动电机的确定 • 减速器的选用 • 蓄电池的选用
重要零部件的设计 与校核
• 齿轮的设计计算与 校核
• 轴的设计计算与校 核
• 轴承的选用与校核 • 键的选用与校核 • 轮椅其它部件的设
研究背景 Research Background
随着人口老龄化程度的加重以及伤残人士的增加，使得轮椅成为他们日常出行所必须的代步工具。一直以来， 人们似乎都忽视了高龄人群以及下肢残障人士的日常出行问题，一些高龄化老人以及残障人士被困在家中引发 的事故也时有发生。日常出行不便的他们与社会的交流沟通少，日常出行需要他人的看护，也给他人带来了负 担[1-2]。然而我国目前市面上流通的轮椅多为手动平地轮椅，这类轮椅要求适用人群日常出行必须有人力辅助， 且仅限于在路况平坦的道路上通行，基本没有翻越路障以及爬楼梯的能力。而目前我国的经济快速发展，为了 保障人均住房面积，现有的房屋建筑多为高层建筑，这使得这类人群在日常出行过程中必然会面临上下楼梯的 情况，这在很大程度上限制了他们的外出，从而减少了与外界社会交流沟通的机会。 为了改善老年人以及残障 人士的日常出行，解决他们日常出行的困难，加强他们与外界的交流沟通，这就需要我们应当设计一种功能更 加强大、自由度更高的轮椅作为代步工具。
多功能智能轮椅设计—功能模块的开发设计
多功能智能轮椅设计—功能模块的开发设计摘要全球正在步入一个老龄化的阶段，无论是发达或者是发展中国家，几乎每个国家都在面临着老龄化的问题。
对于很多年迈的老人或者残疾人来说，普通的轮椅无法自己操控，通常还是需要在他人的协助下才可以有效移动。
因此针对轮椅操作方便和运行安全可靠的要求，电动轮椅是比较理想的选择。
然而目前一般的电动轮椅并不具有导航定位和主动避障等功能，电动轮椅的相关功能仍有待持续研究及智能升级。
本次选题面向多功能的智能轮椅，对其中的功能模块进行了开发设计，实现了处理器环境的搭建配置、导航系统与语音识别系统的开发设计。
其中，使用树莓派搭建了ROS 机器人环境，通过激光雷达进行数据收集，采用使用自动与手动控制结合的控制模式，人机交互的操作，实现了智能轮椅自动定位导航和实时避障的功能。
此外，智能轮椅可按照使用者的控制/语音指令进行目标点的路线规划，并在自驱动时不断检测周围环境的数据信息，避开障碍物，实时修正移动路线，确保智能轮椅能够安全准确到达目标地点。
关键词：智能轮椅；树莓派；激光雷达；自动导航；语音识别Multi-functional intelligent wheelchair design -the development anddesign of functional modulesAbstractThe world is entering a stage of aging, whether developed or developing countries, almost every country is facing the problem of aging. For many elderly people and people with disabilities, a normal wheelchair cannot operate on its own and often requires the help of others to move effectively. Thus, the requirements for ease of use and reliability of wheelchairs are a relatively ideal solution. However, at present, the general electric wheelchair does not have the functions of navigation, positioning and active obstacle avoidance.This topic focuses on the multifunctional intelligent wheelchair, setting and designing function modules, as well as the structure and configuration of the processor, and the construction and configuration of the processor environment. The development and design of the navigation system and the speech recognition system are realized. Among them, raspberry PI is used to build ROS robot environment, data collection is carried out through lidar, control mode combining automatic and manual control is adopted, and man-machine interactive operation is adopted to realize the functions of automatic positioning and navigation of intelligent wheelchair and real-time obstacle avoidance. In addition, the intelligent wheelchair can plan the route of the target point according to the user's control/voice command, continuously detect the data information of the surrounding environment, avoid obstacles, andmodify the movement route in real time during the self-drive to ensure that the intelligent wheelchair can reach the target site safely and accurately.Keywords: intelligent wheelchair; Raspberry pie; Lidar; self-navigation; Speech recognition目录1 绪论 (3)1.1 智能轮椅研究意义 (3)1.2 发展历程和研究现状 (4)1.3 本文的研究思路 (5)2 导航系统的整体方案 (5)2.1 导航系统的工作原理 (6)2.2 导航系统硬件设备 (6)2.3 软件平台选择 (8)2.4 SLAM技术 (10)3 室内地图的构建 (13)3.1 树莓派环境搭建 (14)3.2 ROS环境配置及功能包的安装 (15)3.3 建立地图 (16)4 路径规划与控制 (23)4.1 全局路径规划 (25)4.2 本地实时规划 (27)4.3 机器人配置 (28)4.4 代价地图Costmap (30)5 语音识别系统设计 (35)5.1 工作原理 (35)5.2 语音识别配置 (35)5.3 语音控制 (36)6 仿真与展示 (37)6.1 机器人仿真模型 (37)6.2 Gmapping_slam (38)6.3 语音识别与控制 (40)7 结论与展望 (41)参考文献 (42)致谢............................................................................................................................................. 错误!未定义书签。
基于单片机的多功能轮椅设计方法-概述说明以及解释
基于单片机的多功能轮椅设计方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容应该包括对所设计的多功能轮椅的简要介绍，概括设计的目标和意义。
以下是可能的内容：概述：随着社会的不断进步和人们对生活质量的要求不断提高，多功能轮椅作为一种智能化康复辅助设备，正在逐渐受到人们的关注和重视。
本文旨在基于单片机技术，设计一款功能多样且智能化的轮椅，以满足残疾人士的日常生活和移动需求。
在多功能轮椅的设计中，我们注重提高用户的舒适性、安全性和独立性。
通过引入单片机技术，本设计方案能够实现多种功能，包括电动推进、智能导航、体位调整等。
而且，该设计还考虑到残疾人士的不同需求和特殊情况，为他们提供更完善的康复辅助服务。
本设计方案的意义在于，通过单片机的应用，我们可以大大提高轮椅的智能化程度，使残疾人士的日常生活更加独立和便利。
此外，多功能轮椅的设计还有助于改善康复治疗过程，促进残疾人士的康复进程。
它不仅提高了残疾人士的生活质量，还为他们创造了更多的就业机会，促进了社会的融合和发展。
我们将在接下来的章节中详细介绍本设计方案的具体内容和技术要点。
首先，我们将介绍设计方案中的几个关键要点，包括电动推进系统、智能导航系统以及体位调整系统等。
接着，我们会对这些要点逐一展开讨论，并对其进行详细的设计和分析。
最后，在结论部分，我们将总结本文的主要内容，并展望未来多功能轮椅设计的发展趋势。
通过本文的研究和设计，我们期望能为残疾人士提供更好的康复辅助服务，为他们的生活带来更多的便利和舒适。
同时，我们也希望通过本次设计经验，为相关领域的研究者和设计者提供一些借鉴和参考，推动多功能轮椅技术的发展和创新。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构部分的目的是为读者提供一个清晰的概述，以帮助他们了解本文的组织和内容。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分是文章的开端，旨在引导读者进入主题。
在引言中，我们将对多功能轮椅的设计方法进行概述，介绍其背景和重要性。
多功能轮椅课程设计
多功能轮椅课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解多功能轮椅的基本构造、设计原理及适用人群。
2. 学生能够掌握多功能轮椅的操作方法、安全使用规范及维护保养知识。
3. 学生能够了解我国残疾人事业发展现状及相关政策。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析并解决多功能轮椅使用过程中遇到的问题。
2. 学生能够设计出符合特定需求的轮椅改良方案，提高轮椅的使用效能。
3. 学生能够进行团队合作，完成对多功能轮椅的评估和优化。
情感态度价值观目标：1. 学生能够关爱残疾人，尊重他们的权益，树立平等、互助、和谐的社会观念。
2. 学生能够认识到科技创新对改善残疾人生活的重要作用，培养创新精神和实践能力。
3. 学生能够关注社会问题，树立责任意识，为残疾人提供实际帮助。
课程性质：本课程为实践活动课程，结合课本知识，注重实践操作和团队合作。
学生特点：学生为初中生，具有一定的理解能力、动手能力和创新能力。
教学要求：教师需注重理论与实践相结合，关注学生个体差异，鼓励学生积极参与，提高学生的实践能力和综合素质。
通过本课程的学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面取得具体的学习成果。
二、教学内容1. 多功能轮椅的基本构造与设计原理：- 轮椅的结构组成及其功能- 设计原理：力学、人体工程学在轮椅设计中的应用- 教材章节：第三章“医疗器械的基本构造与设计原理”2. 多功能轮椅的操作、使用规范与维护保养：- 操作方法及注意事项- 安全使用规范- 维护保养知识- 教材章节：第四章“医疗器械的操作、使用与维护”3. 残疾人事业发展现状及相关政策：- 我国残疾人事业发展的基本情况- 相关政策法规解读- 教材章节：第五章“我国残疾人事业的发展及政策法规”4. 实践活动：- 多功能轮椅的操作体验与评估- 团队合作，设计轮椅改良方案- 教材章节：实践活动部分教学进度安排：第一课时：多功能轮椅的基本构造与设计原理第二课时：多功能轮椅的操作、使用规范与维护保养第三课时：残疾人事业发展现状及相关政策第四课时：实践活动教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节，确保学生能够在短时间内掌握多功能轮椅的相关知识，为实践活动打下基础。
人性化多功能轮椅设计
Equipment and Manufacturing
中国航班
CHINA FLIGHTS
人性化多功能轮椅设计
徐凯钦 于麓泉 李泓滔 张驰 李谨 | 中国石油大学（华东）
摘要：在生活中，经常可见行动不便， 需要轮椅辅助出行的残疾人群，本着希望 帮助他们 , 提高他们自理程度的目的，我 们小组决定设计一款能更加好的服务于残 疾人群的轮椅。
1.2.2 电动轮椅 电动轮椅是增加了电动马达和导航控 制的手段的轮椅，通常是一个小的操纵杆 安装在扶手上，而不是手动功率的轮椅移 动，适合重度瘫痪或需要较大移动距离者。 只要其认知能力不错的话，使用电动轮椅 是个不错的选择，不过需要较大的活动空 间。电动轮椅还有刹车制及喇叭，用以通 知行人让路以免发生交通意外。 1.2.3 特制轮椅 视患者情况而定，有多种不同配件， 例如加强载重量，特殊坐垫或靠背，颈部 支撑系统……等等。
关键词：理论应用；模拟制作；创意 设计；创新研究
1 研究目的 1.1 研究内容 研究涉及一种人性化多功能轮椅领 域，更具体的说是一种人性化多功能轮椅， 方便残疾人或者病人自行从床上和轮椅之 间移动，提高他们的自理能力，并降低轮 椅的重量。 （1）如果要实现用户方便上下床， 可以将轮椅的座位与靠椅部分进行“展平 + 抬升”，所以我们将研究如何将轮椅底 座进行抬升，以及靠背的角度如何旋转等
图1 抬升细节图
既然为特制轮椅，加强相对于其他两 种价格会偏高 , 在使用上也因配件繁多比 较麻烦，通常是用在重症或严重肢体或躯 干变形者。
其中，电动轮椅是市场新宠儿，下面 我主要分析电动轮椅市场。
电动轮椅是在传统手动轮椅的基础 上，叠加高性能动力驱动装置、智能操纵 装置、电池等部件，改造升级而成的，具 备人工操纵智能控制器，就能驱动轮椅完 成前进、后退、转向、站立、平躺、等多 种功能的新一 - 代智能化轮椅，是现代精 密机械、智能数控、工程力学等领域相结 合的高新科技产品。
多功能电动轮椅关键机构设计与仿真分析
多功能电动轮椅关键机构设计与仿真分析摘要：随着人口老龄化和残疾人口增加，电动轮椅作为一种重要的辅助设备，已经成为现代社会不可或缺的一部分。
本文旨在设计一种多功能电动轮椅，通过对关键机构的设计和仿真分析，提高其性能和安全性，以满足不同用户的需求。
关键词：多功能电动轮椅；关键机构；设计；仿真分析1电动轮椅整体方案设计第一，底座应该采用轻量化材料，如铝合金或碳纤维，以提高整车的稳定性和操控性。
底座上应安装电动驱动系统，包括电机、电池、控制器等，以实现电动推进和转向功能。
同时，底座下方应配备避震系统，以提高车辆的行驶舒适性。
第二，座椅应该具有多种调节功能，如高度调节、倾斜调节、座椅深度调节等。
座椅材料应该采用舒适、透气的材料，如网布或皮革，以提高乘坐舒适度。
座椅后方应配备可调节的头枕，以提供头部支撑。
第三，扶手应该具有多种调节功能，如高度调节、前后调节、旋转调节等。
扶手材料应该采用舒适、防滑的材料，如橡胶或软质塑料，以提高握把舒适度和安全性。
第四，电动轮椅的附加功能应该包括升降、倾斜、折叠等。
升降功能可以帮助用户在不同高度的场合下使用轮椅，如上下楼梯、进出电梯等。
倾斜功能可以帮助用户在不同角度下使用轮椅，如倾斜座椅可以帮助用户进行换位操作。
折叠功能可以方便用户进行携带和存储。
2关键机构设计2.1升降机构设计升降机构是一种能够将轮椅升降到不同高度的装置，它可以帮助行动不便的人士更加方便地进出建筑物、车辆等场所。
设计时需要考虑到多种因素，以确保其功能完备、结构稳定、安全可靠。
（1）功能需求：具备升降、旋转、倾斜等多种功能，以适应不同场合的需求。
例如，在进入车辆时，需要将轮椅升降到车门高度，并旋转90度，以方便进入车内；（2）结构设计：电动轮椅升降机构的结构需要紧凑、稳定、安全。
在设计时需要考虑到轮椅的重量、尺寸、稳定性等因素，以确保升降机构能够承受重量并保持平稳；（3）控制系统：需要配备智能控制系统，以实现升降、旋转、倾斜等功能。
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1前言
轮椅是康复的重要工具，它的发明可以说为腿部行动不便群体提供了极大的便利。
但是它在部分使用场景下以及部分功能上是存在一定的局限性的。
例如，其在上下楼梯时就不能使用人群的需求。
为了解决上述需求，给相关人群提供性能优越的代步工具，研究一种价格适宜、平稳安全的爬楼梯装置是十分必要的。
本设计可以解决传统的星轮式轮椅行走波动较大、在针对楼梯倾角调节轮椅时的困难等问题。
本设计采用剪切式的连杆机构，其既可使前部伸出而上楼梯，也可使后部缩短而方便下楼梯，故可以使座椅保持相应的平衡而使上下楼梯的功能得以实现。
2爬楼梯轮椅的设计
2.1总体设计
该轮椅主要由车架、座椅、多连杆机构、行星轮机构、驱动机构等组成。
该轮椅高度为0.8m，前后宽度为0.7m，左右宽度为0.7m，重量约为20kg。
通过多连杆机构可调整轮椅上楼梯的角度，在行星轮的配合之下即可实现上楼梯的功能。
2.2行星轮设计
现行楼梯台阶的尺寸为：阶高应在140-170mm，阶面宽度为220-270mm，以此为依据，预设三星轮子轮直径为180mm，在此尺寸下，利用三星轮的转动功能，爬台阶功能很容易实现。
2.3多连杆机构设计
四连杆机构设计如下：四连杆的一端铰链连接三星轮，对角端的铰链连接在轮椅箱体中伸出的螺杆上，且四连杆中与箱体连接的其中一杆是固定。
箱体内通过蜗轮蜗杆机构驱动轴的转动，以此来控制四连杆整体的转动，并且由于有一杆是固定的，就可以控制四连杆的收缩。
再将在三星轮主轴上连接四连杆机构，借用四连杆机构的伸缩来实现轮椅角度的改变，使之保持水平。
2.4爬楼梯功能可行性分析
在下楼梯过程中，经软件模拟，
多连杆机构的极限位置如下左图所
示，通过如下的计算可知，此过程是
可以实现的（下方几个运动简图中，从固定杆开始顺时针方向，各杆长度依次为180mm、400mm、380mm、230mm）。
此时后轮轴到行星轮与阶梯面接触点的距离为：
⨯
︒
︒
+
︒
⨯
230=
+
⨯
+
210
sin
30
42
sin
10
13
573
380
cos
后轮杆到后轮与阶梯面的距离即大轮的半径为280mm，二者相差293约为两个台阶之高。
同样，在上楼梯过程中的极限位置如下右图所示，通过计算及软件模拟也可知下楼梯过程是可以实现的（下方几个运动简图中，从固定杆开始顺时针方向，各杆长度依次为180mm、400mm、380mm、230mm）。
此时后轮轴到行星轮与阶梯面接触点的距离为：
︒
⨯
+
⨯
210=
︒
-
5
38
sin
sin
42
230
30
后轮杆到后轮与阶梯面的距离即大轮的半径为280mm，二者相差275，同样约为两个台阶之高。
综上所述，可知该机构可在正常条件下实现上下楼梯功能。
3爬楼梯轮椅的运动过程
在平地行驶时，不启用三星轮主轴上的电机，星轮架相对主轴不可转动，使三星轮中的两个小轮着地，每个星轮可以绕自身星轮轴自由旋转，只使用后轮驱动迫使两小轮转动，其他方面与传统轮椅一致。
在上下楼梯过程中，根据星轮式爬楼梯轮椅的特点：每个星轮以及星轮架可以绕星轮架主轴公转，同时每个星轮也可以绕自身星轮轴自转。
在上下楼梯过程中，启用主轴上的电机，依靠其绕主轴公转，在后轮驱动的辅助下实现上下楼梯的功能。
4结论
这是一款既有传统轮椅的基础功能又可实现在有高度差的路况下自如行走的设备，并且操作简单、安全稳定、灵活方便。
如果将来本设计应用到实际中并被有相关需求的群体使用，必然会极大的方便他们的出行和极大的扩大他们的行动范围，缓解上述相关人群因为比例显著增加而给社会经济、医疗护理各方面带来的巨大压力。