可升降輪椅的設計

王逸云（西華大學機械工程學院,成都　610039）

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可升降輪椅的設計

王逸云
（西華大學機械工程學院,成都610039）

摘 要:本文通過運用機械系統(tǒng)設計的思想，對輪椅的升降機構設計過程進行了詳細的分析和敘述，并結合現(xiàn)有的產(chǎn)品，最終設計出了既滿足使用要求，又經(jīng)濟實惠的可升降輪椅。

關鍵詞:升降輪椅；絲桿螺母；座椅；剪叉

1　引言

隨著全球人口老齡化的加快，社會對輪椅的總需求量也隨之逐年增長，使整個輪椅行業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)[1]。對于非老年的殘疾人，輪椅可以讓他們重新回到職場，以改善自身生活和降低對社會的負擔；對于行動不便的老人或者患有神經(jīng)肌肉萎縮的患者，輪椅是他們走出狹小空間的最佳輔助工具，不僅能改變他們實實在在的生活方式，還能在心里上得以慰藉。

目前國內外有很多的輪椅生產(chǎn)廠家，但大部分研究方向都集中在驅動方式向新材料的應用、電腦控制等智能化高新技術方向發(fā)展，這樣的產(chǎn)品價格昂貴，很難得以推廣。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活質量不斷的提高，功能單一的輪椅已不能滿足使用者的需要，特制輪椅又因其造價高昂讓許多的使用者望而卻步。改進現(xiàn)有市場上的普通輪椅，使其兼?zhèn)淦降匦旭偤蜕底蝺煞N功能，已成為使用者更加經(jīng)濟適用的選擇。

2　升降輪椅的方案設計

（1）研究給定的設計任務：在現(xiàn)有輪椅的基礎上，使座椅部分能夠平穩(wěn)地升降，以使使用者能自主地操作高處物體，對輪椅的升降結構進行總體方案設計。

（2）設計任務抽象化：用“黑箱”圖來表達所要設計的任務，是將設計任務抽象化的一種方法[2]。所謂黑箱是指僅知輸入量和輸出量而不知其內部結構的表述設計任務的一種模式，黑箱明確表示了設計任務的基本功能要求和主要約束條件。設計過程就是逐步打開黑箱，確定其內部結構，實現(xiàn)由輸入量轉化為輸出量的過程，圖1所示為升降輪椅的黑箱圖。

（3）確定工藝原理:為了打開黑箱，實現(xiàn)黑箱要求的作業(yè)對象由輸入至輸出的轉化，必須確定實現(xiàn)轉化的工藝原理。①需要升降動作，發(fā)出指令信號；②接受驅動信號，電機輸出動力；③升降裝置動作，完成指令。

（4）確定技術過程:所謂確定技術過程是指按照選定的工藝原理確定作業(yè)對象轉化所需的流程，流程中規(guī)定了每一轉化程序的相應功能要求，如圖2為升降輪椅技術過程主流程圖。

（5）功能的分解：功能分解是在系統(tǒng)分解的基礎上，將各個子系統(tǒng)的功能逐項逐級分解，直至不能再分解，圖3為升降輪椅的功能分解圖。

（6）升降結構的初步方案：隨著設計過程中對升降輪椅黑箱圖的逐步打開，結合本文輪椅的設計任務，對現(xiàn)有輪椅進行了詳細的研究與分析，發(fā)現(xiàn)普通的輪椅座位下方有很大的空間，若安裝一種升降裝置，就可同時兼?zhèn)淦降匦旭偤蜕底蝺煞N功能。再結合現(xiàn)有的升降結構，初步擬定出如下三種方案。

方案一：將剪叉式液壓升降系統(tǒng)作為輪椅的升降機構，即把剪式支撐架安裝在座墊下方，支架的四個支點固定在座椅的四角，通過液壓油控制推桿的伸縮達到輪椅升降的目的。優(yōu)點：工作平穩(wěn)，推力大；缺點：液壓裝置復雜且笨重，價格昂貴。

方案二：剪式千斤頂升降系統(tǒng)作為輪椅的升降機構，其工作原理為：等腰三角形的兩腰相等不變，當縮短底邊變化時，三角形的高就會發(fā)生變化，即通過絲桿和螺母來調節(jié)上下兩個等腰三角形的底邊來進行提升和下降輪椅的高度。優(yōu)點：結構簡單，價格便宜，自鎖性能好。缺點：穩(wěn)定性差，工作效率低。

方案三：叉桿、滑塊和絲桿螺母副組成的升降機構，在座墊的左右兩側設計對稱的兩對叉桿，兩叉桿之間通過前后橫桿進行連接，絲桿螺母副裝在兩橫桿之間，改變兩橫桿之間的距離即改變叉桿之間的距離，以此實現(xiàn)左右同步升降運動。優(yōu)點：結構簡單，成本低廉；缺點：操作不便利，穩(wěn)定性差，不符合人機工程學。

（7）升降方案的確定。比較上述三種方案的優(yōu)缺點可知，單一的某種升降裝置均難以滿足使用要求，結合人機工程學的基礎知識，綜合剪式液壓升降機構和絲桿螺母副機構的優(yōu)點，以此作為本設計的最終方案為最優(yōu)[3-4]。即將剪叉式機構作為輪椅的升降裝置，支架的四個支點支撐在座位的四角，使之受力均衡，螺旋機構通過兩根連接桿安裝在剪叉支架的中間，螺桿通過滑塊聯(lián)軸器和電機連接在一起。當電機正轉（反轉）時，螺桿橫向移動帶動剪叉機構的夾角減?。ㄔ龃螅?，從而使叉桿之間的距離縮短（變長），使座椅上升（下降），最終的設計方案如圖4所示。

3　結論

本設計方案具有結構簡單，操作方便，成本低廉的優(yōu)點，滿足設計任務的要求。但該方案也有一些不足之處：1）由于在設計中絲桿螺母副采用的是單線螺紋，故傳動效率不高；2）改進后的升降輪椅不再具有折疊功能。

參考文獻：

[1]何清華,黃素平等.智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].機器人技術與應用,2003(02):12-16.

[2]朱龍根.機械系統(tǒng)設計[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[3]王強,張學強等.一種自動升降輪椅:中國,ZL201420160041.2[P].2014-10-08.

[4]吳志強.數(shù)控銑床升降臺的新型平衡機構的設計[J].機床與液壓,2010,38(08):119-120.

作者簡介：王逸云，男，四川成都人，本科在讀，研究方向：機械設計制造及其自動化。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.228