一種兼具爬梯和輔助起身的多功能輪椅設(shè)計(jì)概述

俞振煬?林子涵?林宇燦?楊塞

摘 要 為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的老年人群體和殘疾群體等對(duì)輔助輪椅的需求，本文利用三輪式行星輪結(jié)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款方便實(shí)用、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)爬梯和輔助起身功能的多功能輪椅。首先對(duì)輪椅整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，然后分別介紹了能夠?qū)崿F(xiàn)爬梯和輔助起身功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 輪椅;爬梯;行星輪;連桿滑塊機(jī)構(gòu)

前言

我國(guó)目前已有兩億五千多萬(wàn)老年人口和每年上億的傷病人口，超過(guò)八千五百萬(wàn)殘疾人口[1]。因此我國(guó)是世界上輔助器具需求最多、市場(chǎng)潛力最大的國(guó)家。隨著材料領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的專(zhuān)業(yè)級(jí)、功能特性突出的輪椅產(chǎn)品在市場(chǎng)上不斷涌現(xiàn)。但是目前市場(chǎng)在生活輔助輪椅方面缺少性?xún)r(jià)比突出的產(chǎn)品，現(xiàn)有智能輪椅產(chǎn)品大多系統(tǒng)復(fù)雜、功能碎片化。因此為了解決老齡人群、殘疾人士以及傷病人群起身、如廁、戶(hù)外行動(dòng)不便等問(wèn)題，研制一款操作方便、功能實(shí)用的生活輔助輪椅的需求日益增長(zhǎng)。

1 現(xiàn)狀分析

目前在康復(fù)設(shè)備的研發(fā)領(lǐng)域，日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家研究較早較深。這些國(guó)家的智能輔助輪椅能夠與康復(fù)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、人機(jī)工程學(xué)以及工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域相結(jié)合，推向市場(chǎng)后獲得極大的利潤(rùn)，同時(shí)市場(chǎng)利潤(rùn)反哺科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)，已具備相對(duì)完善的產(chǎn)業(yè)鏈[2]。在國(guó)內(nèi)，也有一部分學(xué)者和企業(yè)展開(kāi)了對(duì)輔助輪椅的研究，并取得了一些成果。但是，由于目前已經(jīng)上市或者正在研發(fā)的輔助輪椅，必須使用大量的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備和供電系統(tǒng)，才能支撐起患者完成相應(yīng)動(dòng)作，使用不太方便。而且設(shè)計(jì)制造成本較高，價(jià)格十分昂貴。

綜上看來(lái)，我們急需研制新型的、安全可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的多功能生活輔助輪椅，可以幫助老年人、殘疾人和傷病人士解決日常生活難題，并且改善他們的生活質(zhì)量。

2 整體結(jié)構(gòu)介紹

為了實(shí)現(xiàn)爬梯功能及輔助起身功能，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活，該輪椅采用左右對(duì)稱(chēng)布置，主要由輪椅架、可拆卸式坐墊、靠墊、兩組三輪式行星輪、兩組萬(wàn)向輪、兩組連桿機(jī)構(gòu)、兩組電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、一套控制操作系統(tǒng)組成。

輪椅模型如圖1所示。輪椅總體尺寸為輪椅靠背800mm，座椅長(zhǎng)550mm，輪椅寬 430mm，座椅高460mm。

3 功能介紹

3.1 爬梯功能

目前市場(chǎng)上的爬樓梯輪椅的主要類(lèi)型有履帶式、輪組式和步行式[3]，也有學(xué)者設(shè)計(jì)了輪履結(jié)合式爬梯輪椅[4]。對(duì)已有的各種攀爬機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，綜合考慮到結(jié)構(gòu)、成本、安全、舒適等重要的因素之后，決定采用三輪式行星輪結(jié)構(gòu)。

為了滿(mǎn)足平地行走及樓梯攀爬的基本要求，傳動(dòng)設(shè)計(jì)將采用雙驅(qū)差動(dòng)控制。即單個(gè)行星輪結(jié)構(gòu)有兩對(duì)齒輪負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)，如 圖所示一對(duì)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)星輪旋轉(zhuǎn)，另一對(duì)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)行星架翻轉(zhuǎn)。在平地直線(xiàn)行走時(shí)只要保證負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)星輪旋轉(zhuǎn)的一對(duì)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向相同即可;需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，使兩側(cè)各控制負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)星輪旋轉(zhuǎn)的一對(duì)齒輪間存在一定的轉(zhuǎn)速差，即可達(dá)到靈活轉(zhuǎn)彎的要求;在需要攀爬樓梯時(shí)，控制負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)行星架翻轉(zhuǎn)的另一對(duì)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)的三個(gè)星輪將繞固定的行星架回轉(zhuǎn)，從而達(dá)到攀爬樓梯的功能。

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了一種內(nèi)外軸的形式，即通過(guò)內(nèi)軸（中心軸）驅(qū)動(dòng)星輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)外軸（外圈軸）驅(qū)動(dòng)行星架翻轉(zhuǎn)。為了縮小傳動(dòng)齒輪的尺寸大小，本文還在中心齒輪與驅(qū)動(dòng)齒輪之間增加了一個(gè)過(guò)渡齒輪，這樣使行星架里的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有了緊湊的特點(diǎn)。同時(shí)為了增加乘坐者的舒適性，行星輪采用充氣輪胎設(shè)計(jì)，既可以減少攀爬樓梯時(shí)帶來(lái)的震動(dòng)，也能減少對(duì)樓梯的損傷。

3.2 輔助起身功能

考慮到輪椅使用者常常需要起身進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練或是如廁等，由他人輔助或自己起立比較困難，設(shè)計(jì)了一種連桿滑塊機(jī)構(gòu)，能夠起到輔助起身的作用，如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)升降臺(tái)結(jié)構(gòu)[5]坐墊整體抬升，而是通過(guò)連桿滑塊實(shí)現(xiàn)座椅在0到45度之間的單側(cè)翻轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠。連桿1左端端與輪椅架固定，中間設(shè)有滑塊槽，同時(shí)另一側(cè)連桿相連，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)坐墊的翻轉(zhuǎn)。在翻轉(zhuǎn)時(shí)，由滑塊2處所連接伺服電機(jī)帶動(dòng)，移動(dòng)一段距離帶動(dòng)連桿3和連桿2從而實(shí)現(xiàn)坐墊的抬起與放落。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著老年人口的增長(zhǎng)和社會(huì)生活水平的提高，多功能輔助輪椅的市場(chǎng)潛力巨大，越來(lái)越多的人致力于輔助輪椅的設(shè)計(jì)與研發(fā)。本文所設(shè)計(jì)的多功能輔助輪椅采用了三輪式行星輪結(jié)構(gòu)和連桿滑塊機(jī)構(gòu)，兼具爬梯和輔助起身兩大功能，能夠更好地滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 于娣，邱觀建.包容性發(fā)展理念下中國(guó)殘疾人事業(yè)政策建構(gòu)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2019，32（6）：61-66.

[2] 李高峰，肖天驕，吳小高，等.國(guó)內(nèi)外輪椅產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)比分析[J].社會(huì)福利（理論版），2020，（2）：9-13.

[3] 周秋雨，邢曉冬.一種新型復(fù)合式可爬梯輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2019，（2）：74-78.

[4] 王淑坤，孟曉東，尚鴻鵬.一種輪履組合式爬樓輪椅的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動(dòng)，2013，37（10）：157-158.

[5] 劉世亮.運(yùn)動(dòng)障礙病人輔助起立智能輪椅研究[D].南京：東南大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介

俞振煬（1998-），男，浙江杭州人;現(xiàn)就讀學(xué)校：合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系。