一種坐臥變換式輪椅的設(shè)計(jì)

顧綺芳

摘要：隨著我國(guó)人口老齡化的日趨嚴(yán)重，輪椅作為老年人的代步工具得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)手動(dòng)輪椅需要人工操作，而普通電動(dòng)輪椅也僅具有自動(dòng)行走的功能，并沒(méi)有從根本上解決使用者出行難的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種新型的坐臥變換式輪椅結(jié)構(gòu)，具備自動(dòng)折疊、自動(dòng)升降和自主行走的功能。該輪椅自動(dòng)化程度高，在滿足老年人走出戶外、沐浴陽(yáng)光需求的同時(shí)減輕了看護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為新型電動(dòng)輪椅產(chǎn)品的開發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：輪椅；坐臥變換式；自動(dòng)升降；自主行走

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）22-0275-04

根據(jù)2016年發(fā)布的最新預(yù)測(cè)，我國(guó)2035年將面臨比美國(guó)更為嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題，到2050年65歲以上的老年人口將首次突破3.6億，超出總?cè)丝诘?/4[1]。65歲以后隨著年齡的增長(zhǎng)，人體各項(xiàng)機(jī)能逐年下降，大多人都患有多種老年疾病[2]?！吨袊?guó)制造2025》中明確了發(fā)展醫(yī)療護(hù)理設(shè)備產(chǎn)業(yè)對(duì)于我國(guó)成為創(chuàng)新型制造業(yè)大國(guó)的重要意義[3]。傳統(tǒng)輪椅與電動(dòng)輪椅的行走機(jī)構(gòu)采用的是前輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)和雙動(dòng)力差動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上要實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)必然需要更加復(fù)雜的控制算法，同時(shí)需要一定的回轉(zhuǎn)半徑，因此對(duì)空間活動(dòng)范圍必然有一定的要求。本次設(shè)計(jì)的坐臥式輪椅底盤擬采用具有全向移動(dòng)功能的Mecanum輪，該全方位移動(dòng)系統(tǒng)可以在不改變位姿的情況下，沿平面任意方向移動(dòng)，同時(shí)可以做零半徑的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有較好的機(jī)動(dòng)性能[4]。四動(dòng)力全向驅(qū)動(dòng)可以避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中戶外模塊受活動(dòng)空間的束縛，可以使戶外模塊在狹小的房間、樓宇大廈以及室外道路上行走。

1 全向移動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如圖1所示，坐臥式輪椅底盤主要由底盤架、底板、Mecanum輪運(yùn)動(dòng)模塊、Mecanum輪座四部分組成。框架整體采取焊接工藝，底盤架是由壁厚2mm的方鋼焊接而成，底盤架下面焊接有2mm厚的底板，底盤架的四角分別焊接有一個(gè)Mecanum輪座。底板是移動(dòng)平臺(tái)和上面升降部分的連接中介，Mecanum輪座是Mecanum輪運(yùn)動(dòng)模塊的支撐和相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件。

Mecanum輪運(yùn)動(dòng)模塊如圖2所示，Mecanum輪座上安裝有兩個(gè)法蘭型直線軸承，彈簧導(dǎo)柱上安裝有彈簧，彈簧導(dǎo)柱可以沿直線軸承上下滑動(dòng)，彈簧導(dǎo)柱另一端與Mecanum支撐上架固連，這樣的結(jié)構(gòu)能夠保證戶外模塊在移動(dòng)過(guò)程中四個(gè)Mecanum輪運(yùn)動(dòng)模塊始終與地面接觸，同時(shí)具有減振的功效。Mecanum組件安裝在支撐座上架和支撐座下架之間。支撐座架一邊安裝有聯(lián)軸器架，選用十字型聯(lián)軸器將伺服電機(jī)的動(dòng)力傳遞到Mecanum組件上。

Mecanum輪按照滾輪排布方式的不同可以分為左旋輪和右旋輪。其中左旋輪和右旋輪只是滾輪排布方位不同，其他參數(shù)均一致。 所選Mecanum輪的單輪最大載重為80kg，最大外徑為200mm，輪子自重為1.2kg，擁有18個(gè)滾輪，滾輪傾斜角度為45° 。以上參數(shù)滿足本設(shè)計(jì)需求，至此坐臥式輪椅底盤設(shè)計(jì)完畢。

2 輪椅折疊功能設(shè)計(jì)

可折疊功能是可以實(shí)現(xiàn)戶外模塊平床模式和坐姿模式之間的相互轉(zhuǎn)化如圖3和圖4。

綜合考慮平床模式和坐姿模式，將可折疊部分為四部分：背板、坐板、腿板、腳板，如圖5所示。坐板與立式升降柱相連，在折疊過(guò)程中位置不發(fā)生改變。背板與坐板、腿板與坐板、腿板與腳板均為鉸鏈連接，通過(guò)安裝在坐板側(cè)架上兩側(cè)的兩個(gè)背板推桿、兩個(gè)腿板推桿推動(dòng)背板、腿板繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其中背板的活動(dòng)范圍為[0°?80°]，腿板的活動(dòng)范圍為[0°?70°]。腳板與腿板的運(yùn)動(dòng)為同步運(yùn)動(dòng)，腿板繞坐板旋轉(zhuǎn)時(shí)，氮?dú)鈴椈捎缮鞆垹顟B(tài)變成壓縮狀態(tài)，帶動(dòng)腳板繞腿板旋轉(zhuǎn)。

2.1 尺寸配比

根據(jù)前章中普通病床尺寸標(biāo)準(zhǔn)和電動(dòng)輪椅車外形尺寸的標(biāo)準(zhǔn)，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足90%人使用的要求，確定了坐臥變換式輪椅的相關(guān)尺寸：整體長(zhǎng)[L=1900mm]、整體寬[W=600mm]、背板長(zhǎng)[L1=720mm]、坐板長(zhǎng)[L2=500mm]、腿板長(zhǎng)[L3=400mm]、腳板長(zhǎng)[L4=230mm]。在四部分鉸鏈鏈接處個(gè)預(yù)留16mm的縫隙，防止折疊時(shí)蒙皮在鏈接處由于擠壓出現(xiàn)褶皺，如圖6所示。

2.2 推桿的選用

電動(dòng)推桿是一種常見的將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)裝置[5]，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、慣量小、響應(yīng)快、低噪音、性能穩(wěn)定、故障率低、可靠性高的特點(diǎn)。在坐臥變換式輪椅背板運(yùn)動(dòng)和腿板運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中本文均選用的是電動(dòng)推桿作為動(dòng)力元件。在電動(dòng)推桿選型時(shí)主要考慮的因素有推桿行程、推桿推力以及推桿的鎖緊力。同時(shí)作為一款醫(yī)用設(shè)備，坐臥變換式輪椅在滿足以上條件的情況下還應(yīng)該盡量選擇噪音較小的靜音推桿。

坐臥變換式輪椅背板的運(yùn)動(dòng)是背板推桿推拉背板的一個(gè)過(guò)程，其模型簡(jiǎn)圖如圖7所示。當(dāng)背板繞[O]點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)時(shí)，背板推桿作用于背板的作用點(diǎn)軌跡是一個(gè)以[OD]為半徑圓，背板旋轉(zhuǎn)角度[α]的范圍為[0°?80°]。在背板由平床模式向坐姿模式轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，背板推桿的長(zhǎng)度不斷增加，反之亦然。

3 升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使患者能夠從床上平移到坐臥變換式輪椅上所以必須設(shè)計(jì)升降機(jī)構(gòu)，盡管國(guó)標(biāo)中已經(jīng)規(guī)定了常用醫(yī)用床的高度為[480?630mm]，但這只是一個(gè)區(qū)間范圍，床與床之間高度上還是存在差異，為了適應(yīng)不同高度床的使用，本文在全向移動(dòng)平臺(tái)和可折疊部分之間安裝有電動(dòng)升降柱，將患者搬移到處于平床模式下的戶外模塊上，可以通過(guò)調(diào)低電動(dòng)升降柱的高度降低戶外模塊和患者的重心，這使得坐姿模式下的戶外模塊具有更高的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種具有自主行走、自動(dòng)升降以及坐臥式姿態(tài)變換功能的新型坐臥式輪椅。本文在對(duì)坐臥式輪椅的全向移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)、折疊功能結(jié)構(gòu)、升降結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。坐臥變換式輪椅具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）輪椅具有坐臥變換功能，配合過(guò)床易可以輕松實(shí)現(xiàn)老人過(guò)床；2）輪椅具有升降功能，可以適應(yīng)不同床面高度；3）電動(dòng)操作，減輕了護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。綜上，本文對(duì)新型坐臥式輪椅的研究為新型輪椅產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)與參考。

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