輔助老人居家活動的全朝向可升降輪椅

程安穎，梁艷梅，伍安

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林，541000）

0 引言

目前中國已成為世界上老年人口最多的國家，截至2020年底中國65歲以上老年人人口已達(dá)1.91億，每年新增65歲以上老年人口平均增長率4%，其中60%-70%需要醫(yī)療服務(wù)。2021年至2050年是我國人口加速老齡化階段。老年人口數(shù)量平均每年增加620萬人，本世紀(jì)中葉老年人口數(shù)量將達(dá)到峰值，到2050年，老年人口總量將超過4億人，老齡化水平達(dá)到30%以上。老齡化的不斷加劇勢必導(dǎo)致失能老人的增加，醫(yī)療需求增加。輪椅作為老年人重要的行動輔助工具，其需求將不斷擴(kuò)大。盡管在大環(huán)境的推動下輪椅行業(yè)飛速發(fā)展，但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能單一，難以滿足老年人的多種需求。目前市面上較多售賣的是一般只能用來平地行駛代步的普通輪椅，如圖1，也有一些電動輪椅能夠具有爬樓功能，比如履帶式爬樓輪椅、星輪式爬樓輪椅，但是這些輪椅多數(shù)需要第二人輔助。許多老人面臨獨(dú)自生活、子女不能隨時守候身邊的問題，更需要一款僅一人即可方便操作的輪椅。

圖 1 普通輪椅

圖 3 升降結(jié)構(gòu)

許多老年人居住在小戶型的住宅，普通輪椅不便于小空間活動。如今，小戶型住宅深受老年人的青睞[1]，這個問題將更加突出，一款能夠在小空間全向轉(zhuǎn)動的輪椅就被迫切需要了。在生活習(xí)慣上，老年人有一些共性。比如：老年人不喜歡站著或蹲著換鞋，因?yàn)槔夏耆说耐攘推胶饽芰Χ加兴陆?，站著和蹲著換鞋不僅不方便而且危險；老年人起身時使不上力，需要扶撐[2]?？缮档妮喴文軌蚺浜侠夏耆说耐庑危夏耆耸褂幂喴螘r，可以將椅面高調(diào)整到符合自己需求的高度，解決了老年人穿鞋時找不到合適高度的凳子或是起身時找不到何時高度的支撐等問題。我們設(shè)計的全朝向可升降輪椅具有360°朝向、可升降的功能，能夠滿足多數(shù)老年人的生活需求。

1 輪椅的工作原理

全朝向可升降輪椅主要由動力輪驅(qū)動前進(jìn)、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動、剪叉式機(jī)構(gòu)升降組成。輪椅前置一個萬向輪，后置兩個動力輪，由動力輪驅(qū)動前進(jìn)后退，電機(jī)在接收到調(diào)節(jié)速度的命令之后，改變轉(zhuǎn)速，調(diào)整行進(jìn)速度或是進(jìn)行差速調(diào)向。動力驅(qū)動輪能保證輪椅緩慢、安全平穩(wěn)前進(jìn)或調(diào)向。坐墊下設(shè)計有蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)和剪叉式升降機(jī)構(gòu)。在小空間的使用場景中，想要改變輪椅朝向，按下朝向調(diào)節(jié)按鍵，蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作，帶動椅面轉(zhuǎn)動至所需角度。當(dāng)要進(jìn)行高度調(diào)節(jié)時，按下相應(yīng)按鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動蝸桿，兩邊交叉機(jī)構(gòu)高度改變，帶動椅面調(diào)節(jié)高度。

該裝置主要由電動式齒輪傳動機(jī)構(gòu)，齒輪和蝸桿組合的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，剪叉式升降機(jī)構(gòu)，雙蝸桿輔助起立機(jī)構(gòu)組成。全朝向可升降輪椅由電機(jī)驅(qū)動兩個后輪，通過左驅(qū)動輪和右驅(qū)動輪的不同轉(zhuǎn)速，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向；齒輪和蝸桿組合的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接小齒輪，小齒輪通過鏈條與蝸桿配合，蝸桿與大齒輪嚙合，電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的圈數(shù)，可使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一定的角度；剪叉式升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、承載量大，左右兩邊分別一個交叉機(jī)構(gòu)，中間采用一根蝸桿作為傳動路徑，左右兩邊交叉桿各連接有一滑塊，一端桿固定，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動蝸桿，兩邊交叉機(jī)構(gòu)升高，達(dá)到平穩(wěn)升降的目的；輔助起立機(jī)構(gòu)采用雙蝸桿式，蝸桿在扶手下方，蝸桿傳動時，扶手下方的滑道被蝸桿上的桿件支起，扶手平穩(wěn)緩慢升高，達(dá)到輔助起立的目的。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

■ 2.1 實(shí)現(xiàn)全朝向的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)

全朝向功能由蝸輪和蝸桿配合的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接齒輪，齒輪通過鏈條與蝸桿配合，蝸桿與蝸輪嚙合，電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的圈數(shù)，可使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一定的角度。

蝸桿通常用碳鋼或合金鋼制成，對于不太重要的傳動以及低速中載蝸桿，可采用40鋼和45鋼等，經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度在220～300HBS。綜合考慮，在本機(jī)構(gòu)中蝸桿擬定采用45碳鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度在220-250HBS。為避免齒輪疲勞強(qiáng)度不足而失效的情況，需保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。

相較于棘輪機(jī)構(gòu)和直接由電機(jī)控制的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，由鏈條驅(qū)動、蝸輪蝸桿配合構(gòu)成的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)360°任意角度轉(zhuǎn)動，并且更加平穩(wěn)、緩慢，適合給老人使用。

根據(jù)GB5703-85《人體測量方法》中的研究，人在28～30歲時身高達(dá)到最大值，35～40歲逐漸出現(xiàn)衰減趨勢。根據(jù)老年人身高的降低率，楊楠在《老年多功能電動輪椅的人性化設(shè)計研究》中近似推算出的中國老年人身體部分測量尺寸如表1所示[3]。

表 1 中國老年人（60歲以上）身體測量部分尺寸（單位：mm)

基于以上數(shù)據(jù)，輪椅椅面寬度設(shè)計為470mm，長度設(shè)計為430mm，椅背高度設(shè)計為 580mm[4]，底部轉(zhuǎn)盤直徑約為350mm，大齒輪齒數(shù)為60。輪椅轉(zhuǎn)向占地面積為底部框架面積，是輪椅座椅面積的1.5倍，普通輪椅轉(zhuǎn)向面積為輪椅面積的2倍甚至更大。

這一設(shè)計主要針對輪椅整體不便轉(zhuǎn)向的問題，適用于在廚房、電梯、衛(wèi)生間轉(zhuǎn)向空間小的情況。

■ 2.2 剪叉式升降機(jī)構(gòu)

目前國內(nèi)帶有升降功能的輪椅比較少，一般選擇的升降方式是在座椅底下安裝一個電缸來實(shí)現(xiàn)座椅的上升和下降，但由于腿桿的作用面積比較小，當(dāng)人的重心偏移過大時，輪椅容易傾翻，因此安全性不高。所以我們選擇了采用剪叉式升降方式。

剪叉式升降平臺是一種能夠?qū)崿F(xiàn)平面升降的機(jī)械，主要用于抬升重物，有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、移動靈活、堅(jiān)實(shí)耐用、環(huán)境適用性好、便于制造、便于維修等特點(diǎn)。四根長度相等的支撐桿在兩桿的中點(diǎn)分別交叉鉸接，一邊兩桿各有一端鉸接在平板和機(jī)架上，另一邊的兩桿一端與兩滑塊相連，并且可以在平板的導(dǎo)軌上定向滑動。我們采用這種剪叉式升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較簡單，其承載量大，左右兩邊各設(shè)置一個交叉機(jī)構(gòu)，中間采用一根蝸桿作為傳動路徑，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動蝸桿，使兩邊交叉機(jī)構(gòu)升高，達(dá)到平穩(wěn)升降的目的。

此種設(shè)計一是為了解決老人使用輪椅獨(dú)居時不方便拿放在高處的物品的問題，二是解決不同體型的老人使用輪椅時高度難以匹配的問題。

3 模型仿真

采用德國慧魚公司的慧魚模型來搭建模擬實(shí)際情況，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可行性。

慧魚創(chuàng)意組合模型的主要部件尺寸精確，且為尼龍材質(zhì)，不易磨損，保證了反復(fù)拆裝也不會影響模型結(jié)合的精確度；慧魚構(gòu)件的工業(yè)燕尾槽設(shè)計使六面都可拼接，可實(shí)現(xiàn)隨心所欲的組合和擴(kuò)充。利用基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的慧魚基本構(gòu)件（機(jī)械元件/電氣元件/氣動元件），輔以控制器和編程軟件，運(yùn)用設(shè)計構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)分析，可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)技術(shù)過程的還原。

圖4是利用SolidWorks建模軟件建立的慧魚模型的實(shí)體模型圖。

圖 4 整體結(jié)構(gòu)慧魚模型圖

圖 5 ROBO接口板圖

圖 6 系統(tǒng)整體框圖

電控部分的主要電路由揚(yáng)聲器電路、MCU、數(shù)碼管顯示模塊、紅外模塊、電機(jī)輸出電路五大部分組成。其中MCU主控使用ROBO 接口板（型號 93293），該型號有8個輸入端口，有4個輸出端口，能同時控制4個電機(jī)或電磁閥。揚(yáng)聲器用于播報電量不足的情況，提醒使用者及時充電；數(shù)碼管顯示模塊用于顯示輪椅當(dāng)前進(jìn)行的功能和所在的擋位。在程序設(shè)計方面，設(shè)計有多檔調(diào)速，適應(yīng)快慢不同需求；助老輪椅通過輕觸遙控器上的按鍵開關(guān)觸發(fā)控制板程序來控制輪椅行駛、座椅轉(zhuǎn)動任意角度達(dá)到想要的朝向位置和調(diào)整座椅高度。

電機(jī)作為電動輪椅的主要動力提供者，由定子和轉(zhuǎn)子組成，通電導(dǎo)線在磁場中受力運(yùn)動的方向、電流方向與磁感線方向有關(guān)。實(shí)現(xiàn)輪椅的全朝向轉(zhuǎn)向及升降功能選用直流伺服電機(jī)作為動力源。因?yàn)樗欧姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速受信號電壓控制，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向隨信號電壓的大小和相位變化而非常靈敏和準(zhǔn)確地跟著變化，使得伺服電機(jī)的速度、位置控制精度非常準(zhǔn)確，反應(yīng)迅速，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向。輪椅的行駛功能選用傳統(tǒng)且穩(wěn)定的有刷電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)為變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動；溫升低，可靠性好；價格低。主要選用1:20（用于機(jī)械傳動）的電動機(jī)。

系統(tǒng)控制設(shè)計主要為開環(huán)控制。開環(huán)控制較為簡單，由遙控器選擇擋位、功能輸入系統(tǒng)控制器，控制器處理信息后輸出至電機(jī)，電機(jī)接收到信號開始工作實(shí)現(xiàn)對應(yīng)功能，單向傳輸信號，無復(fù)雜電路反饋，調(diào)整方便。

4 結(jié)語

我們設(shè)計的全朝向可升降輪椅具有360°朝向、可升降的功能，其主要解決的是老人使用輪椅在電梯、衛(wèi)生間、廚房等在狹小空間活動時遇到的問題?？缮档脑O(shè)計是為了配合老年人的外形，解決日常生活中因高度問題引起的不便情況。我們設(shè)計的全朝向可升降輪椅目前處于初期研發(fā)階段，對多功能輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了設(shè)計和仿真模擬，用慧魚模型搭建實(shí)物模型，以驗(yàn)證設(shè)計的可行性，但是由于輪椅實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)涉及多方面因素，對輪椅的各種力學(xué)模型有待進(jìn)一步研究。在不斷加劇的老齡化現(xiàn)狀面前，醫(yī)療科技的設(shè)計要更加考慮老年人的使用習(xí)慣和需求，為使用者的生理需求和心理依賴做多方面考慮。