可分離式多功能輪椅床

張夢(mèng)涵 王 偉 程煥然 楊 宇 王春鵬 賈秉霖

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150000）

1 概述

目前我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入人口老齡化社會(huì), 我國(guó)不僅是人口最多的國(guó)家,也是老年人最多的國(guó)家。由于社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)加大,很多年輕人外出打工使得空巢老人的數(shù)量增加。這其中有很多老年人生活不能自理。家具的使用功能指的是臥具在使用者的生活與工作方面發(fā)揮的效能即指其具體的使用目的和使用要求。[1]多功能臥具的設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅停留在實(shí)用性的角度上很多產(chǎn)品是以“視覺超現(xiàn)代”和“功能超舒適”的形式出現(xiàn)也吸引了更多的目光。[2]現(xiàn)在的輪椅的種類有很多種類型(如:手推型輪椅、電動(dòng)輪椅、運(yùn)動(dòng)型輪椅、躺式輪椅和折疊式輪椅),但是據(jù)小組調(diào)查,上述種類的輪椅,存在著不能自動(dòng)、不能適應(yīng)環(huán)境、局限性高、功能少等缺點(diǎn)劣勢(shì), 且將床和輪椅進(jìn)行結(jié)合的形式出現(xiàn)能夠充分地利用好空間價(jià)值和提高家具的使用價(jià)值[3]。據(jù)此,本設(shè)計(jì)將輪椅和床身進(jìn)行結(jié)合,引入傳感器等的系統(tǒng)控制,去除手動(dòng)的復(fù)雜成分,不僅能實(shí)現(xiàn)比其他類型輪椅還多的功能, 而且還可以簡(jiǎn)單地通過(guò)有線或無(wú)線的遙控設(shè)備, 對(duì)功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的自動(dòng)化輔助智能輪椅,更適合老人及康復(fù)人員等人群。

2 可分離多功能輪椅設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)。床的尺寸是1.2 米X2 米的單人床,床的框架采用45 號(hào)鋼制成,床析采用木材制成。輪椅高1 米,長(zhǎng)50 厘米,寬40 厘米。輪椅的支撐部分用不銹鋼管焊接而成,輪椅上的析材采用復(fù)合材料,輪椅的前輪采用實(shí)心的輪輻外加一圈橡膠皮,后輪采用輻條連接車轂和輪圈。用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)后輪,使輪椅能夠完成前進(jìn)后退的功能。輪椅的折疊部分。設(shè)計(jì)出滿足功能及實(shí)際問(wèn)題的模型尺寸,輪椅高15 厘米,長(zhǎng)12 厘米,寬14.4 厘米,下面將對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)地介紹。2.2 整體結(jié)構(gòu)。輪椅由椅座、椅腿靠、椅背通過(guò)螺栓柱鏈接;椅背上側(cè)身翻析通過(guò)椅背栓和椅背鏈接能夠?qū)崿F(xiàn)一定角度的翻轉(zhuǎn);扶手通過(guò)椅背兩側(cè)的凹槽卡住,能夠在豎直方向上移動(dòng);底座用于連接椅座和傳動(dòng)舵機(jī),實(shí)現(xiàn)自由行走。椅腿靠和椅背通過(guò)和傳動(dòng)齒輪進(jìn)行焊接,通過(guò)齒輪嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.3 輪椅與床之間轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)輪椅與床析之間的轉(zhuǎn)換這一功能, 本設(shè)計(jì)初期選用連桿機(jī)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)椅背和椅腿靠的轉(zhuǎn)動(dòng),但實(shí)踐后發(fā)現(xiàn),根據(jù)所學(xué)的知識(shí)現(xiàn)狀,連桿的長(zhǎng)度和強(qiáng)度難以實(shí)現(xiàn)定位、定形、定尺寸。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)思考,最后確定了運(yùn)用齒輪外嚙合的傳動(dòng)方式,這樣不僅能夠容易調(diào)試轉(zhuǎn)角,而且不用考慮連桿問(wèn)題。齒輪外嚙合可以實(shí)現(xiàn)反方向的運(yùn)動(dòng)傳遞,當(dāng)與舵機(jī)相連的齒輪與椅背、椅腿靠上的齒輪形成外嚙合傳動(dòng),并滿足傳動(dòng)條件時(shí),帶動(dòng)椅背、椅腿靠按照預(yù)定的轉(zhuǎn)角方向轉(zhuǎn)動(dòng),以此實(shí)現(xiàn)輪椅與床析之間的轉(zhuǎn)換功能。2.4扶手的升降設(shè)計(jì)。扶手的升降功能是通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。凸輪機(jī)構(gòu)按照從動(dòng)件的不同分為尖頂從動(dòng)件、滾子推桿從動(dòng)件、平底推桿從動(dòng)件。本設(shè)計(jì)采用平底推桿從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu),在兩個(gè)扶手的下方通過(guò)等寬的窄薄析鏈接, 用扶手結(jié)構(gòu)替代平底結(jié)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)升起一定角度時(shí)拖動(dòng)底部薄析平臺(tái),將扶手抬升并支撐起來(lái)為乘坐者提供護(hù)欄。2.5 坐躺動(dòng)作設(shè)計(jì)。坐躺動(dòng)作是一種輪椅與床析轉(zhuǎn)換的一種形式,在輪椅和床結(jié)合的適合,通過(guò)某按鍵可以實(shí)現(xiàn),僅椅背的轉(zhuǎn)動(dòng),使乘坐者實(shí)現(xiàn)坐在床上和躺在床上的兩種形態(tài)的轉(zhuǎn)變,使使用者更能適應(yīng)不同的狀況,依據(jù)使用者的意愿進(jìn)行改變形態(tài)。2.6 側(cè)身翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。側(cè)身翻轉(zhuǎn)功能也是通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)側(cè)翻析轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng),最高處轉(zhuǎn)到角度rr'時(shí),實(shí)現(xiàn)左右側(cè)翻。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)。3.1.1 控制系統(tǒng)工作原理。用觸碰傳感器設(shè)置按鍵提供輸入,當(dāng)按鍵指示執(zhí)行時(shí),圓周舵機(jī)帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)輪椅前進(jìn);當(dāng)按鍵指示輪椅轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),舵機(jī)轉(zhuǎn)速V左＞V右時(shí)輪椅右轉(zhuǎn),V左＜V右時(shí)輪椅左轉(zhuǎn);當(dāng)按鍵指示輪椅轉(zhuǎn)換時(shí),標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)帶動(dòng)椅背、椅腿靠齒輪分別外嚙合到角度α、β,舵機(jī)帶動(dòng)扶手抬升進(jìn)行保護(hù),再次按下按鍵時(shí)恢復(fù)初始狀態(tài);當(dāng)按鍵指示在床上坐起時(shí),舵機(jī)帶動(dòng)椅背轉(zhuǎn)動(dòng)角度β',再次按鍵恢復(fù)初始位置;當(dāng)按鍵指示翻身時(shí), 舵機(jī)左轉(zhuǎn)角度γ 時(shí)左側(cè)身, 右轉(zhuǎn)角度γ'時(shí)有側(cè)身。3.1.2 單片機(jī)選擇。本設(shè)計(jì)單片機(jī)采用學(xué)校教學(xué)探索者教育機(jī)器人配套設(shè)備。其中包含的ARM主控析,可供傳感器輸入和舵機(jī)輸出, 可接受遙控信號(hào)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的變速調(diào)節(jié), 滿足項(xiàng)目要求。3.1.3 傳感器選擇。設(shè)備中的TTL 信號(hào)傳感器分為中斷型和非中斷型。采用中斷型觸碰傳感器來(lái)編輯指令傳遞信息,使主控析控制舵機(jī)完成各部分動(dòng)作。3.1.4 電動(dòng)機(jī)選擇。圓周舵機(jī)可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),可正反轉(zhuǎn)且可調(diào)速;標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)不可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),只能在180 度之間正反轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用兩種舵機(jī),標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)帶動(dòng)齒輪嚙合,完成椅背和椅腿靠轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度,實(shí)現(xiàn)輪椅和床架之間的轉(zhuǎn)換功能,帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu),抬升扶手提供保護(hù)功能;圓周舵機(jī)作為行進(jìn)車輪驅(qū)動(dòng)。3.2軟件設(shè)計(jì)流程如圖1。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 輪椅行進(jìn)速度測(cè)試及調(diào)試（表1）。根據(jù)上述的測(cè)量性質(zhì),綜合考慮六個(gè)速度,在0.4 和0.6 之間存在緩和點(diǎn),再考慮到乘坐者的舒適性和安全性,本設(shè)計(jì)選擇0.5m/s。4.2 椅背椅腿靠轉(zhuǎn)角測(cè)試及調(diào)試（表2）。由表中的數(shù)據(jù)可以看出,在椅背的翻轉(zhuǎn)過(guò)程中, 轉(zhuǎn)角的適合范圍在75°到90°之間, 椅腿靠的轉(zhuǎn)角范圍在45°到75°之間。轉(zhuǎn)角范圍應(yīng)該較可行轉(zhuǎn)角大些, 故據(jù)此本設(shè)計(jì)將椅背的轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)成90°,將椅腿靠的轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)成75°。4.3側(cè)身析轉(zhuǎn)交測(cè)試及調(diào)試。在根據(jù)椅背的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)下,加上側(cè)身翻析的轉(zhuǎn)角不能超過(guò)90°, 為了達(dá)到側(cè)身翻轉(zhuǎn)的功能不能對(duì)乘坐者產(chǎn)生恐懼害怕心理,選擇75°作為轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖1

表1

5 結(jié)論

時(shí)代正向著高科技、高智能的多項(xiàng)聯(lián)動(dòng)的方向發(fā)展,家庭家具等都能夠?qū)崿F(xiàn)智能化,相信可分離多功能輪椅床能夠在家庭、醫(yī)療等方面能夠有著不一樣的價(jià)值, 為老人的獨(dú)立起居提供方便,為病患恢復(fù)自理減輕護(hù)士壓力提供基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)沒(méi)能解決上下樓梯的難題,希望隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展,在不久的將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)這一難題,使其功能更強(qiáng)大,更具人性化。