新型可爬梯式智能輪椅的研究和設(shè)計(jì)*

吳曉龍 覃 忠 伍學(xué)明 李成毅*

新型可爬梯式智能輪椅的研究和設(shè)計(jì)*

吳曉龍①覃 忠①伍學(xué)明②李成毅②*

目的：研究并設(shè)計(jì)一種新型可爬梯式智能輪椅，從而解決醫(yī)院孕婦、母嬰及各類需乘坐輪椅的患者在面對(duì)凹凸不平、路況復(fù)雜的道路上身旁無(wú)護(hù)理人員時(shí)不能自我處理的難題。方法：通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)、外爬梯式輪椅研究現(xiàn)狀及市場(chǎng)的需求展開(kāi)研究，以Y型行星輪作為可爬梯式輪椅行走部件以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建型輪椅結(jié)構(gòu)，并用AutoCAD繪圖軟件建立模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果：新型可爬梯式輪椅達(dá)到的主要技術(shù)參數(shù)為：①微處理器控制，速度可調(diào)為1～10 km/h；②承重為120 kg；③最大爬坡角度為15o左右；④最大越障高度為25 cm；⑤最大越溝寬度為25 cm；⑥充電時(shí)間為8 h。結(jié)論：新型可爬梯式智能輪椅的系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)能夠滿足電動(dòng)輪椅的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

智能輪椅；行星輪；爬梯

[First-author’s address] Equipment Division of Nanhai District Hospital Foshan City, Foshan 528000, China.

目前，社會(huì)對(duì)輪椅的需要越來(lái)越大，并對(duì)其性能指標(biāo)要求越來(lái)越高。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)70年代已有智能成熟設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)，而我國(guó)現(xiàn)有的輪椅，尤其是肢殘者與老年人大量使用的多為手動(dòng)輪椅，由于輪椅本身無(wú)動(dòng)力，實(shí)際使用時(shí)往往需要他人輔助。

無(wú)論是醫(yī)院中孕婦、母嬰還是殘疾人和腿腳不便的老年人，由于生理上的不便其需求存在很大的不同，普通輪椅只能適應(yīng)普通的室內(nèi)環(huán)境和室外路況，而面對(duì)臺(tái)階、樓梯和經(jīng)?？捎龅降恼系K物等卻只能望而卻步，即使有人輔助越過(guò)這些障礙物也非常吃力和困難，給乘坐輪椅的人帶來(lái)了很大的麻煩，致使許多殘疾人或老年人平時(shí)只呆在家里[1]。對(duì)于身體虛弱的殘疾人和老年人，缺少戶外運(yùn)動(dòng)更是讓他們生理和心理都產(chǎn)生不好的影響，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。為改變我國(guó)輪椅手搬人推的較為落后狀況，滿足人們對(duì)現(xiàn)代生活質(zhì)量日益提高的需求，本研究開(kāi)發(fā)研制新型智能輪椅，以解決醫(yī)院孕婦、母嬰及各類需乘坐輪椅的患者面對(duì)凹凸不平、路況復(fù)雜而身旁無(wú)護(hù)理人員時(shí)不能有效地自我處理的難題。

1 新型可爬梯式輪椅研究現(xiàn)狀與系統(tǒng)原理

目前市場(chǎng)上的普通輪椅結(jié)構(gòu)大致相同，分為手動(dòng)輪椅和電動(dòng)輪椅2種。手動(dòng)輪椅多用手輪圈驅(qū)動(dòng)(如圖1所示)。電動(dòng)輪椅則由直流電機(jī)帶減速箱驅(qū)動(dòng)，搖柄控制(如圖2所示)。而爬樓梯裝置爬樓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型主要?dú)w結(jié)為輪組式、履帶式和多足式3類[2]。

圖1 普通手動(dòng)輪椅示圖

圖2 普通電動(dòng)輪椅示圖

1.1 輪組式輪椅

輪組式輪椅的特點(diǎn)是每個(gè)輪組依照行星輪的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，平地行駛時(shí)各小輪繞各自軸線自轉(zhuǎn)，爬樓梯時(shí)各小輪一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。爬樓梯裝置按照所使用的輪組對(duì)數(shù)可分為單輪組式和雙輪組式。輪組式爬樓梯裝置與其他構(gòu)型的裝置相比其質(zhì)量輕便運(yùn)動(dòng)靈活，在無(wú)障礙環(huán)境下具有較好的行動(dòng)性能，但是上、下樓梯時(shí)該類型裝置重心起伏較大，會(huì)使乘坐者感到不適，因此需要設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)[3](如圖3所示)。

圖3 輪組式輪椅示圖

1.2 履帶式輪椅

履帶型機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅應(yīng)用較多，其采用比行星輪機(jī)構(gòu)更為連續(xù)的行走方式，傳動(dòng)效率較高。在上下樓梯過(guò)程中輪椅的重心總會(huì)沿著與樓梯臺(tái)階連線相平行的直線運(yùn)動(dòng)，其重心的波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)[4]。然而，履帶式爬樓梯輪椅最大的不足是平地行走時(shí)阻力較大，運(yùn)動(dòng)不靈活，在爬樓梯時(shí)履帶容易損壞樓梯沿(如圖4所示)。

圖4 履帶式輪椅示圖

1.3 多足式輪椅

多足式輪椅的主要特點(diǎn)為具有兩套或兩套以上支撐裝置，多套支撐裝置交替支撐，以實(shí)現(xiàn)上、下樓梯的功能。這種機(jī)構(gòu)的爬樓梯過(guò)程類似于人體上下樓梯的過(guò)程，故有人稱之為步行式爬樓梯輪椅，1892年Bray發(fā)明的第一臺(tái)爬樓梯輪椅就采用了這種方式[5]。在爬樓梯時(shí)先由其中一套支撐裝置支撐，抬高輪椅及另一套支撐系統(tǒng)，再水平向前移動(dòng)，上一級(jí)臺(tái)階。然后，由另一套支撐裝置支撐，將前面那套支撐裝置收回，如此循環(huán)，直到爬完樓梯為止，其爬樓梯過(guò)程不連續(xù)。此種類型的爬樓梯輪椅運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn)，但是對(duì)控制的要求較高，操作較為復(fù)雜(如圖5所示)。

圖5 多足式輪椅示圖

由于輪組式爬樓梯輪椅可以兼顧平地行駛和爬樓梯，而且結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，效率較高，操作相當(dāng)簡(jiǎn)單，是比較理想的爬樓梯機(jī)構(gòu)。結(jié)合我國(guó)國(guó)情和輪椅使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，在分析現(xiàn)有爬樓梯機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)了一種基于輪組機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅，既可滿足爬樓梯功能，又安全可靠，操作方便，通用性好而且價(jià)格適中。

2 新型可爬梯式輪椅結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

可爬梯式輪椅設(shè)計(jì)的基本要求為：①具有普通輪椅功能；②座椅在行進(jìn)和爬梯時(shí)要平穩(wěn)；③驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定；④重量較輕容易搬動(dòng)；⑤價(jià)格適中。其主要由車架、座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)、行駛機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。新型爬梯式輪椅的總體計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 新型可爬梯式輪椅CAD結(jié)構(gòu)圖

2.1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

動(dòng)力機(jī)構(gòu)由2個(gè)驅(qū)動(dòng)橋組成，前后橋各有一套傳動(dòng)系統(tǒng)，由變速馬達(dá)、減速器、差速器和左、右輪系統(tǒng)組成。輪椅采用4驅(qū)動(dòng)形式，以保證爬樓梯時(shí)通過(guò)足夠的翻轉(zhuǎn)力矩(如圖7所示)。

圖7 爬梯輪椅的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 行駛機(jī)構(gòu)

行駛機(jī)構(gòu)采用輪組結(jié)構(gòu)。輪組結(jié)構(gòu)一般由2個(gè)以上的小輪構(gòu)成，小輪為2個(gè)時(shí)其結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但爬梯時(shí)輪架所需的翻轉(zhuǎn)力矩最大，輪組支架中心的起伏也最大。隨著小輪個(gè)數(shù)的增加，輪組支架所需的翻轉(zhuǎn)力矩減小，輪組架中心的起伏減小，但結(jié)構(gòu)也隨之復(fù)雜。本研究選用由3個(gè)小輪構(gòu)成的輪組結(jié)構(gòu)，即星輪結(jié)構(gòu)。平地行駛時(shí)，輪系為定軸輪系，任意2個(gè)小輪著地，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)；遇到障礙或樓梯時(shí)，利用電磁離合器將驅(qū)動(dòng)輪鎖死，不能往后退。爬樓過(guò)程中，行星輪系將承受很大的爬樓力矩及碰撞沖擊，非常容易損壞(如圖8所示)。

圖8 星輪結(jié)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.3 座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)

在上下樓時(shí)爬樓梯輪椅整體是傾斜的，坐在傾斜的輪椅會(huì)使乘坐者感到不適。為了克服這一弊端和輪椅爬樓過(guò)程中重心的起伏，專門設(shè)計(jì)了一種滾道滑軌式的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)，其主要由圓弧形軌道及滾軸組成[9-10]?；壓附釉诘准苌希瑵L軸通過(guò)螺紋連接固定在座椅底部的支架上，其軸端安裝有軸承可以在滑軌里滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)座椅的調(diào)平(如圖9所示)。

圖9 滾道滑軌式座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)原理圖

2.4 制動(dòng)機(jī)構(gòu)

為了保證輪椅爬樓過(guò)程的安全性，必須保證其良好的制動(dòng)性。制動(dòng)機(jī)構(gòu)分為剎車和防上下滑動(dòng)兩部分，當(dāng)人坐在輪椅中上下樓梯時(shí)為保證安全必須設(shè)置一些防止打滑移動(dòng)的裝置，以保證輪椅上下樓梯時(shí)不發(fā)生上下打滑移動(dòng)。

3 新型可爬梯式輪椅運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

3.1 平地行駛

當(dāng)輪椅在平地行駛時(shí)行星輪的任意個(gè)小輪著地，其效率與普通輪式車輛相同。當(dāng)前后變速馬達(dá)轉(zhuǎn)速相同時(shí)輪椅能夠克服地面摩擦力直線行駛；當(dāng)前后變速馬達(dá)存在轉(zhuǎn)速差時(shí)可實(shí)現(xiàn)輪椅轉(zhuǎn)彎。

3.2 跨越障礙

輪椅直線行進(jìn)時(shí)遇到一般障礙，當(dāng)障礙物高度較小時(shí)可利用小車輪尺寸優(yōu)勢(shì)直接通過(guò)；當(dāng)前進(jìn)的車輪碰上較高障礙而不能直接通過(guò)時(shí)電磁離合器結(jié)合，定軸輪系發(fā)生演變，帶動(dòng)支架翻轉(zhuǎn)越過(guò)障礙。

3.3 跨越壕溝

輪椅可以跨越一定寬度的壕溝，其跨溝原理與越障相同，當(dāng)行星輪不能直接通過(guò)小溝時(shí)，接通電磁離合器，帶動(dòng)支架翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)跨越壕溝。

3.4 爬梯

輪椅爬樓梯過(guò)程中平地行駛時(shí)任意兩個(gè)小輪著地，電磁離合器分離，可以有效利用車輪的附著質(zhì)量，提高車輪的通過(guò)性；當(dāng)最前端的車輪遇到樓梯或者障礙物時(shí)前行星輪電磁離合器開(kāi)啟，同時(shí)小輪自鎖，帶動(dòng)前支架翻轉(zhuǎn)輪椅開(kāi)始爬梯；當(dāng)后輪遇到樓梯或者障礙物時(shí)后行星輪電磁離合器開(kāi)啟，帶動(dòng)后支架翻轉(zhuǎn)開(kāi)始爬樓，爬樓過(guò)程中座椅始終保持水平(如圖10所示)。

圖10 新型可爬梯式輪椅爬梯過(guò)程示圖

4 結(jié)語(yǔ)

目前，現(xiàn)有輪椅尤其是肢殘者與老年人大量使用的多為手動(dòng)輪椅，由于輪椅本身無(wú)動(dòng)力，實(shí)際使用時(shí)往往需要他人輔助，諸感不便。為改變我國(guó)輪椅手搬人推的落后狀況，更好地為傷殘人員服務(wù)，滿足人們對(duì)現(xiàn)代生活質(zhì)量日益提高的需求，積極開(kāi)發(fā)研制智能輪椅具有重要意義。本研究設(shè)計(jì)的新型可爬梯式輪椅的主要技術(shù)指標(biāo)能夠滿足電動(dòng)輪椅的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12996-1991“電動(dòng)輪椅車”，翻越樓梯指標(biāo)能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50386-2005“住宅建筑規(guī)范”中所規(guī)定樓梯標(biāo)準(zhǔn)及常見(jiàn)的戶外樓梯，由此有很好的應(yīng)用推廣意義[11-13]。

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[13]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50386-2005住宅建筑規(guī)范[S].國(guó)家質(zhì)量檢驗(yàn)檢疫總局,2005-11-30.

Research and design of the new stair climbing intelligent wheelchair

WU Xiao-Long, QINZhong, WU Xue-ming, et al
China Medical Equipment,2015,12(6):12-15.

Objective: Study and design the new stair climbing intelligent wheelchair for the people who use wheel chair in order to be well handled in the face of the rugged road especially ladder and other obstacles. Methods: By means of research the status of the current ladder wheelchair at home and abroad, as well as market demand, the new ladder-type wheelchair parts and the drive system is based on the Y-type planetary gear, and use the AutoCAD software to draw model and analysis structure. Results: Main technical specification of the new stair climbing intelligent wheelchair as follows: speed adjustable controlled by Microprocesso, 1-10 km/h; carry weight: 120 kg; maximum climbing angle: 15o; maximum climbing barrier altitude: 25 cm; maximum climbing barrier width: 25 cm; battery charging time: 8 h. Conclusion: Main technical specifications of the system are satisfied with the national criterion.

Intelligent wheel chair; Planetary gear; Ladder

吳曉龍,男,(1969- ),本科學(xué)歷，工程師。佛山市南海區(qū)中醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療設(shè)備采購(gòu)、維修、保養(yǎng)、效益分析及檔案管理工作。

1672-8270(2015)06-0012-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.06.004

2015-03-02

廣東省重大科技專項(xiàng)(2012A080104010)“基于云計(jì)算及物聯(lián)網(wǎng)的母嬰云端智能呵護(hù)平臺(tái)”

①佛山市南海區(qū)中醫(yī)院設(shè)備科 廣東 佛山 528000

②廣州市第十二人民醫(yī)院設(shè)備科 廣東 廣州 510620

*通訊作者：646845462@qq.com