一種攀爬式輪椅與防護(hù)裝置

周建萍，王家珂，田萬(wàn)英，楊 靜

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

如今大部分殘疾人與行動(dòng)不便的老人只能依靠輪椅來(lái)行動(dòng)，但是目前市面上的輪椅都沒(méi)有保護(hù)裝置，在上下樓梯時(shí)，患者由于受力不同身體會(huì)前傾，一不小心會(huì)直接從輪椅上摔下，造成嚴(yán)重的后果。為此本文設(shè)計(jì)了一種攀爬式輪椅與防護(hù)裝置，以便有效地保護(hù)患者免受傷害。

1 攀爬式輪椅與防護(hù)裝置

1.1 總體設(shè)計(jì)

攀爬式輪椅與防護(hù)裝置整體包括輪椅和防護(hù)裝置，防護(hù)裝置主要由收卷裝置與氣囊組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-氣囊；2-滑塊；3-第二滑槽；4-卡扣；5-弧形桿；6-輪椅；7-管道；8-支架；9-卷盤；10-安裝板；11-支管；12-連接桿；13-底板；14-第一滑槽；15-固定桿

與傳統(tǒng)輪椅相比，本設(shè)計(jì)可以更好地在上下樓梯時(shí)保護(hù)好患者，并且與其他防護(hù)裝置相比成本更低，在平地使用時(shí)不妨礙患者，不會(huì)給患者帶來(lái)視覺(jué)方面的困擾。防護(hù)裝置在一定程度上彌補(bǔ)了攀爬裝置的不足，利用防護(hù)可以使患者在上下樓梯時(shí)更加安全。

該裝置的工作原理如下：上下樓梯時(shí)打開(kāi)氣囊1，由于輪椅被多個(gè)氣囊1阻擋，當(dāng)前傾而造成摔跤時(shí)，患者前方被氣囊1阻擋，不會(huì)直接與地面接觸，增加了安全性，在氣囊1被拉扯至輪椅前方時(shí)，收卷裝置(如圖2所示)上的彈簧16處于扭轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)輪椅在平地上移動(dòng)時(shí)，將卡扣4從卡槽中移出，這時(shí)，通過(guò)彈簧16的反扭轉(zhuǎn)力能帶動(dòng)卷盤9反向旋轉(zhuǎn)，卷盤9的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了第二鋼絲繩18，使第二鋼絲繩18收卷回到卷盤9上，第二鋼絲繩18的拉動(dòng)帶動(dòng)了滑塊2，且由于滑塊2與滑塊2之間通過(guò)第一鋼絲繩連接，從而第二鋼絲繩18能拖動(dòng)全部的滑塊2，滑塊2的移動(dòng)帶動(dòng)了氣囊1，使氣囊1沿著第一滑槽14和第二滑槽3移動(dòng)至底板13上方，有效地將氣囊1收起。再需要上下樓梯時(shí)，向上拉氣囊1，直至使卡扣4重新插入卡槽中，使得多個(gè)氣囊1重新分布于輪椅前方。

1.2 收卷裝置設(shè)計(jì)

收卷裝置如圖2所示，由安裝板10、U型結(jié)構(gòu)的支架8、兩個(gè)卷盤9、兩根第二鋼絲繩18、兩個(gè)彈簧16、一個(gè)軸桿、一根管道7和兩根支管11等組成。安裝板10通過(guò)螺栓固定于底板13的右側(cè)面上，支架8通過(guò)螺栓固定于安裝板10的表面上，支架8內(nèi)部的相對(duì)面上均嵌入式安裝一軸承17，軸桿位于支架8內(nèi)部，軸桿的兩端均插入軸承17的內(nèi)環(huán)中，并均與內(nèi)環(huán)焊接固定，兩個(gè)卷盤9均焊接固定于軸桿上，管道7設(shè)置于支架8的左側(cè)，管道7下端通過(guò)支撐桿固定于底板13的表面上，兩根支管11焊接固定于管道7的左側(cè)，支管11一端均向外彎曲，直至延伸至第一滑槽14中，兩根第二鋼絲繩18分別盤繞于卷盤9上，兩根第二鋼絲繩18一端均穿過(guò)管道7，一左一右延伸至支管11中，并順著支管11延伸至第一滑槽14中，直至與最下端的滑塊2焊接固定，兩個(gè)彈簧16分別套設(shè)于軸桿兩側(cè)，兩個(gè)彈簧16一端均焊接固定于卷盤9上、另一端均焊接固定于支架8上，通過(guò)支管11能有效地將兩根第二鋼絲繩18分開(kāi)，避免其纏繞在一起。

7-管道；8-U型結(jié)構(gòu)的支架；9-卷盤；10-安裝板；11-支管；16-彈簧；17-軸承；18-第二鋼絲繩

2 運(yùn)動(dòng)方式的選擇

綜合國(guó)內(nèi)外的攀爬輪椅產(chǎn)品和設(shè)計(jì)，根據(jù)攀爬輪椅爬樓過(guò)程工作方法的不同，可以將其劃分為腿足式、輪組式、履帶式、復(fù)合式四種主要模式。

早期的攀爬輪椅一般都采用腿足式，但它對(duì)操控者操作要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)動(dòng)作緩慢。

輪組式攀爬裝置按輪組中使用小輪的個(gè)數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式和四輪組式，由于其安全可靠性較低、體積較大，且有難以適應(yīng)不同尺寸樓梯臺(tái)階等缺陷，因此普及度不是很高。

履帶式攀爬裝置的原理類似于坦克，履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高、運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，但其重量過(guò)大、運(yùn)動(dòng)不夠靈活、爬樓時(shí)會(huì)對(duì)樓梯邊緣造成巨大壓力，對(duì)樓梯有一定的損壞，且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便。

復(fù)合式攀爬輪椅，顧名思義，是綜合以上三種形式，揉合形成一種新型的形式，例如輪-腿復(fù)合式、輪-履復(fù)合式、輪-腿-履復(fù)合式等，其控制系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)研發(fā)及生產(chǎn)制造的成本較高。幾種攀爬輪椅的特點(diǎn)如表1所示。

由表1可以看出，輪組式攀爬機(jī)構(gòu)有很好的結(jié)合優(yōu)勢(shì)，且其運(yùn)動(dòng)形式靈活，在無(wú)障礙環(huán)境下具有較好的行動(dòng)性能，易于實(shí)現(xiàn)平地-爬樓模式功能轉(zhuǎn)換，造價(jià)相對(duì)較低。

表1 幾種攀爬輪椅的特點(diǎn)

3 氣囊材料的選擇

氣囊材料一般選擇透明柔軟的材料，通過(guò)調(diào)研我們采用環(huán)保的橡膠或硅膠材料制作，環(huán)保無(wú)毒，質(zhì)量穩(wěn)定，具有彈性高、耐磨性好、耐屈、耐老化、抗撕裂等特點(diǎn)，可適合高低溫環(huán)境下使用，符合防護(hù)裝置的使用性能，能夠折疊與延伸。

4 電機(jī)的選擇

市場(chǎng)上為電機(jī)提供的電源一般為單相、三相、直流電等?？紤]電機(jī)的工作環(huán)境為家用，無(wú)粉塵，不潮濕，溫度適宜，最終選擇伺服電機(jī)。伺服電機(jī)抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受3倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速啟動(dòng)的場(chǎng)合特別適用，而輪椅正需要這種特性。伺服電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象，并且伺服電機(jī)的發(fā)熱和噪聲問(wèn)題明顯較低。

本設(shè)計(jì)的所有零件及裝配圖已經(jīng)進(jìn)行了三維建模，樣機(jī)正在制作中，其三維模型如圖3所示。

圖3 攀爬式輪椅及防護(hù)裝置三維實(shí)體模型

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的輪椅與防護(hù)裝置彌補(bǔ)了如今輪椅存在的缺少防護(hù)的問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備，既降低了輪椅的操作難度，又增加了安全性能。