便攜式助力輪椅相關(guān)設(shè)計(jì)

李玉麟

摘 要：隨著我國(guó)人口老齡化進(jìn)程逐漸加快以及肢體殘疾人數(shù)量逐漸增多，對(duì)輔助步行工具的需求也就日益提高，而輪椅作為代步工具可以有效的幫助他們提高行動(dòng)自由度以及融入社會(huì)。

關(guān)鍵詞：助力輪椅;? ? 折疊

目前生活中普遍流行的輪椅，功能較為單一，一個(gè)輪椅不能滿足患者的絕大部分需求，因此并不能很好地滿足下肢殘障患者的使用需求。與此同時(shí)科技也在不斷發(fā)展，而老年人和殘障人士的自由活動(dòng)能力和康復(fù)訓(xùn)練由于器械原因依然被嚴(yán)重限制，因此他們對(duì)輔助代步工具的需求和要求日益提高，同時(shí)在國(guó)家號(hào)召創(chuàng)建和諧社會(huì)，關(guān)愛(ài)弱勢(shì)群體的大背景下，新的輪椅的出現(xiàn)已經(jīng)成為了必然的趨勢(shì)，而具有代步與康復(fù)訓(xùn)練功能為一體的便攜式輪椅，不僅能夠輔助患者完成康復(fù)訓(xùn)練，還能夠滿足患者長(zhǎng)距離行動(dòng)的需求，可以更好的擴(kuò)展和方便殘障人士的活動(dòng)領(lǐng)域和空間，同時(shí)此輪椅便攜可折疊，所占空間小重量輕，對(duì)殘障人士克服病患及改變生活質(zhì)量具有極其重大的意義。如今中國(guó)社會(huì)，老齡化越來(lái)越嚴(yán)重，殘疾率也高居不下，輪椅已成為老年人及行走不便者生活中的必須工具，借助輪椅他們能夠進(jìn)行各種社會(huì)活動(dòng)。目前無(wú)論鄉(xiāng)鎮(zhèn)還是城市無(wú)一不在飛速發(fā)展，其中階梯更是基本設(shè)施之一，如登越人行天橋和地下通道需要穿越樓梯等。然而目前最常用的是只可平地行走的普通輪椅和智能輪椅，普通輪椅爬樓不便，智能輪椅價(jià)格又過(guò)高，很難滿足廣大普通老百姓的需求。在這種情況下，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式助力輪椅，而且因?yàn)槠渲悄芑潭认鄬?duì)低，因此價(jià)隨之下降，從而能夠滿足大多數(shù)使用者的承受能力，同時(shí)還保證了輪椅具有良好的功能。

國(guó)內(nèi)兩種主流輪椅的弊端以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1.主流的兩種輪椅弊端

電動(dòng)輪椅，雖然減輕了殘障患者的體力活動(dòng)強(qiáng)度，可以滿足長(zhǎng)距離行走的需要;但搭載其他交通工具時(shí)，由于體積和重量過(guò)大，因此帶來(lái)很多行動(dòng)不方便的地方。輪椅對(duì)搭載車(chē)輛時(shí)的上下移動(dòng)，也不是用人力能夠完成的。目前的做法，是在車(chē)輛上配置機(jī)械手，像吊車(chē)一樣吊起和放下，這使得它同樣缺乏便捷靈活的特征。

使用傳統(tǒng)輪椅時(shí)，殘疾患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，需要更換設(shè)備，康復(fù)患者很難自行完成，同時(shí)患者需要承擔(dān)很多額外的花銷(xiāo)，這時(shí)如果有一部，小巧輕便的，能能夠兼具代步與訓(xùn)練功能的輪椅的輪椅，且方便殘疾患者自己可以移動(dòng)，自行完成康復(fù)訓(xùn)練，無(wú)疑會(huì)給下肢殘障人士的生活帶來(lái)質(zhì)量的改變。

2.中國(guó)輪椅未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

1便攜性：人們?cè)絹?lái)越多地接受了輪椅作為代步工具的基本理念。隨著現(xiàn)代制造業(yè)業(yè)的蓬勃發(fā)展和人們生活需求的提高，殘疾人出行的愿望也越來(lái)越強(qiáng)烈。因?yàn)樾枰罅狂{車(chē)出行因此對(duì)輪椅的需求朝著更加便攜的方向快速發(fā)展。

2功能性：輪椅乘坐者的身體狀況千差萬(wàn)別，不同狀況的乘坐者需要不同的輪椅，隨著康復(fù)護(hù)理理念的提升，將推動(dòng)輪椅向攻能性發(fā)展，這將為廣大的乘坐者和護(hù)理人員提供更加安全、舒適、便捷的使用體驗(yàn)。

3個(gè)性化：為了更好地滿足不同乘坐者的需求，個(gè)性化的定制輪椅將會(huì)不斷發(fā)展。由于我國(guó)專(zhuān)業(yè)人員的缺乏和個(gè)性輪椅制定成本的高昂，限制了我國(guó)一對(duì)一定制輪椅的發(fā)展，更加適合中國(guó)國(guó)情的是針對(duì)某一類(lèi)人群一對(duì)多的定制輪椅方案。

4電動(dòng)化：隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人們生活水平的提高，行走困難的人士長(zhǎng)距離出行的需求不斷增長(zhǎng)。需要更對(duì)方便地進(jìn)行長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)的代步工具，勢(shì)必帶動(dòng)電動(dòng)輪椅的發(fā)展。

5智能化：隨著社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)文明程度的提高，老年人和殘疾人，尤其是一些喪失上肢運(yùn)動(dòng)能力的殘疾人，愈來(lái)愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來(lái)改善他們的生活質(zhì)量和自由度，這也將推動(dòng)輪椅逐步智能化的發(fā)展。

縱觀輪椅在不同國(guó)家以及地區(qū)的發(fā)展變遷史，從功能、結(jié)構(gòu)、尺寸、款型上體現(xiàn)出極為明顯的區(qū)域特點(diǎn)，怎樣根據(jù)乘坐習(xí)慣、中國(guó)人的體型、使用環(huán)境、路面狀況以及消費(fèi)的能力，讓我們?yōu)槔夏耆艘约皻堈先耸刻峁└雍线m的輪椅，這都是需要我們思考的。

為了能使各種與人體有關(guān)的設(shè)計(jì)能與人的生理特點(diǎn)相符合，讓人在使用輪椅的時(shí)候能夠處于舒適的狀態(tài)和合適的環(huán)境之中，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)有必要把人體的尺寸考慮進(jìn)去，人體尺寸是我們?cè)O(shè)計(jì)者確定我們產(chǎn)品尺寸的重要依據(jù)之一。我們身為便攜式助力輪椅的設(shè)計(jì)者必須充分了解人體各部位的尺寸。只有通過(guò)這種方式，才能預(yù)先確定便攜式助力輪椅的使用者在輪椅的有關(guān)位置上的能見(jiàn)范圍和活動(dòng)范圍。所以，也就要求我們?cè)O(shè)計(jì)者必須了解一些關(guān)于人體測(cè)量學(xué)的基本知識(shí)，并要求我們熟悉掌握有關(guān)設(shè)計(jì)所必要的人體測(cè)量的基本尺寸數(shù)據(jù)和使用的條件。

輪椅的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)

1.簡(jiǎn)要介紹

一種用于輔助下肢殘章患者行動(dòng)與康復(fù)治療的便攜式助力輪椅，具有助力功能、代步功能以及可以折疊的便攜功能。輪椅上端握把可旋轉(zhuǎn)，握把處有一對(duì)壓力傳感器，可以檢測(cè)使用者是否處于握緊狀態(tài)情況，并控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練并保證患者的安全;輪椅的右側(cè)扶手處安裝有搖桿控制裝置，患者可以輕松地通過(guò)搖桿控制輪椅的移動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)代步的功能;產(chǎn)品整體可以通過(guò)折疊收縮改變輪椅的外形尺寸，達(dá)到輪椅攜帶便捷、節(jié)省空間的目的。

多功能折疊式助力代步輪椅，包括柱承重輪子5和導(dǎo)向輪子6，其特征在于：（1）該輪椅還包括靠背1、座位2 、支架12和支撐桿21，支架12和支撐桿21分為左右兩組，每組中的支架12和支撐桿21均通過(guò)支點(diǎn)102活動(dòng)連接。

（2）靠背1和座位2均為能以中線折疊的折疊結(jié)構(gòu)，靠背1的左右兩側(cè)設(shè)置在左右兩個(gè)支架12之間，座位2設(shè)置在左右兩個(gè)支撐桿21之間。

（3）座位2的底部設(shè)置有X形支架，X形支架包括兩個(gè)底部支撐桿9，兩個(gè)底部支撐桿9交叉，兩個(gè)底部支撐桿9能以該交叉點(diǎn)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成活動(dòng)的X形結(jié)構(gòu)。

（4）兩個(gè)底部支撐桿9的上端支撐座位2的左右兩側(cè)，兩個(gè)底部支撐桿9的底端通過(guò)可旋轉(zhuǎn)支撐座91改變角度。

（5）支撐桿21的側(cè)方還設(shè)置有用于支撐橫向手扶支撐桿7的定位卡座 8。

輪椅使用時(shí)，支架12與支架21依靠支點(diǎn)102旋轉(zhuǎn)調(diào)整至預(yù)先設(shè)定好的位置，定位桿9調(diào)整至預(yù)先設(shè)定好的角度，在支撐座91的支撐下，輪椅即進(jìn)入穩(wěn)定的使用狀態(tài)如圖1所示。

輪椅使用電力驅(qū)動(dòng)并通過(guò)手動(dòng)搖桿71控制方向驅(qū)動(dòng)輪6控制輪椅的移動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)代步的功能。

當(dāng)患者需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，將握把3依靠可旋轉(zhuǎn)支架32旋轉(zhuǎn)180度;支撐桿12與支撐桿21依靠支點(diǎn)102調(diào)整至預(yù)先設(shè)定好的角度，依靠卡座8將扶手支撐桿7位置鎖定;將踏板4依靠可旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)41向上旋轉(zhuǎn)90度;此時(shí)，輪椅進(jìn)入輔助康復(fù)訓(xùn)練的使用狀態(tài)如圖2所示。

其中，握把3部分安裝有電容感應(yīng)開(kāi)關(guān)33，可以通過(guò)檢測(cè)控制握把3處的觸摸情況，控制輪子6轉(zhuǎn)動(dòng)，輔助患者完成康復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)患者手部離開(kāi)時(shí)，輪子6停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證患者的安全。剎車(chē)裝置31，可用于緊急情況時(shí)患者自主對(duì)輪椅進(jìn)行制動(dòng)，以保護(hù)患者的安全。

當(dāng)使用者完成康復(fù)訓(xùn)練需要放置時(shí)，解除卡座8與扶手支撐桿桿7之間的鎖死，將卡座8向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度?？勘?向座位2并攏，依靠支點(diǎn)102完成并攏動(dòng)作;當(dāng)支撐桿7與地面完全垂直后，將輪椅沿靠背折疊處11與座位折疊處22向中間折疊，底部支撐桿9支撐起椅背折疊處11與座位折疊處22，依靠可旋轉(zhuǎn)支撐座91完成折疊動(dòng)作。支架72內(nèi)部具有凹槽，遙桿71可收縮至凹槽內(nèi)，支架72可收縮至扶手支架7內(nèi)部，當(dāng)輪椅處于折疊狀態(tài)時(shí)可以起到保護(hù)遙桿的作用。如圖3。

2.產(chǎn)品制作及原理

（1）助力系統(tǒng)組成及運(yùn)動(dòng)原理

助力輪椅車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)力覺(jué)傳感器系統(tǒng)探測(cè)使用者通過(guò)手推輪給系統(tǒng)的初始力大小、速度大小綜合控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算處理后，由控制器產(chǎn)生 PWM 波形控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，合理調(diào)整直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的綜合驅(qū)動(dòng)[2]。輪椅的助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)原理的示意圖如下圖圖 4 所示：

左輪和右輪由獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別進(jìn)行進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng) F1與F2相同時(shí)，輪椅處于直行狀態(tài);當(dāng) F1大于F2時(shí)，輪椅進(jìn)行右轉(zhuǎn);當(dāng) F1小于F2時(shí)，輪椅進(jìn)行左轉(zhuǎn);F1和 F2始終都擁有一個(gè)向前的合力 F。

為了更好的實(shí)現(xiàn)輪椅的助力功能，整個(gè)系統(tǒng)由以下的幾個(gè)模塊構(gòu)成：信號(hào)處理與中心控制模塊、力覺(jué)傳感模塊、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊、輪速采集模塊。系統(tǒng)的原理框圖如下圖 3 所示。

[4]力覺(jué)傳感系統(tǒng)的主要方式[1-5]：（1）為便于采集使用者作用于手推輪的力矩。因?yàn)橛?F=ma，加速度正比于手所施加的力，因此我們可以通過(guò)采集加速度來(lái)替代力的采集。最后我們選取了角加速度傳感器作為實(shí)時(shí)采集使用者推動(dòng)輪椅產(chǎn)生的加速度的儀器，角加速度傳感器和輪椅助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接在一起，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)將實(shí)時(shí)采集的加速度的變化作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)（2）采用扭矩傳感器來(lái)直接采集使用者作用于手推輪上的力，通過(guò)傳送器將信號(hào)傳送至信號(hào)處理中心進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而實(shí)現(xiàn)了力覺(jué)采集（3）我們將采用角度傳感器把手推輪相對(duì)車(chē)輪的偏轉(zhuǎn)角度作為使用者的施力信號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并且通過(guò)傳送器傳送到信號(hào)處理中心進(jìn)行運(yùn)算處理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)力覺(jué)數(shù)據(jù)采集采集（4）我們可以通過(guò)壓力傳感器來(lái)采集手推輪相對(duì)于車(chē)輪偏轉(zhuǎn)的時(shí)候作用于輪轂內(nèi)的力來(lái)作為使用者的施力信號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并且將數(shù)據(jù)通過(guò)傳送器傳送到信號(hào)處理中心來(lái)進(jìn)行處理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)力覺(jué)采集。當(dāng)輪速采集系統(tǒng)將速度采集并且傳送到計(jì)算機(jī)之后，這些速度數(shù)據(jù)會(huì)被傳輸?shù)交?Lab VIEW 的便攜式助力輪椅的智能檢測(cè)及控制系統(tǒng)進(jìn)行顯示，分析以及處理，同時(shí)輪椅還會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控輪椅車(chē)的運(yùn)行速度并以此來(lái)確保安全，當(dāng)輪速超過(guò) 10km/h 時(shí)，輪椅會(huì)自行啟動(dòng)保護(hù)程序，并對(duì)輪椅進(jìn)行降速處理來(lái)確保乘坐人的安全。

（2）電動(dòng)部分原理綱要

控制電路主要由液晶顯示、蓄電池、操縱桿、主控制器、直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向燈、電池電壓檢測(cè)電路等共同組成。操作操縱桿任意方向運(yùn)動(dòng)都將會(huì)生成兩路幅值大小不同、極性不同的模擬電壓信號(hào)。這兩路模擬電壓信號(hào)將會(huì)通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路后直接接入兩路高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換并且同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。主控制器將會(huì)實(shí)時(shí)采集這兩路的模擬電壓信號(hào)并且按照已設(shè)定好的路徑規(guī)劃程序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，并且再將它轉(zhuǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。并分別給左右兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路不同的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)和不同的方向信號(hào)，從而使得兩電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速相同或者不同。以此達(dá)到驅(qū)使輪椅進(jìn)行轉(zhuǎn)向、后退、前進(jìn)等各種運(yùn)動(dòng)模式的要求。為了保障使用輪椅的安全，我們特別設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向燈以及喇機(jī)電路，還有電壓檢測(cè)電路等。主控制器對(duì)行車(chē)速度和蓄電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)顯示當(dāng)前車(chē)速和剩余電量來(lái)把信息傳遞給使用者使其更好的利用輪椅。

結(jié)束語(yǔ)

隨著近年來(lái)人們的收入增加，消費(fèi)水品逐漸提高，使得我們對(duì)更高的生活質(zhì)量有了一定的要求。而本文設(shè)計(jì)的便攜式助力輪椅對(duì)老年人以及殘障人群的生活質(zhì)量的提高有著非常大的幫助。本文的設(shè)計(jì)主要是博采眾長(zhǎng)，將多種輪椅的特點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì)融于一體，這使得我們?cè)诒M量減少成本以及維護(hù)費(fèi)用的情況下，還可以讓老人以及殘障人士的需求有多方面的滿足。它將是這類(lèi)人群的最好伴侶，同時(shí)通過(guò)多種傳感器的控制以及計(jì)算可以使輪椅保證老人以及殘障人群的出行，對(duì)整個(gè)社會(huì)的持續(xù)性健康發(fā)展來(lái)說(shuō)，有很重要的意義。

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