輔助起居和如廁的多功能輪椅

摘 要：為解決獨居、患病老人以及殘疾人起居不便、如廁困難等問題，設(shè)計了一種可輔助起居和如廁的多功能輪椅，以實現(xiàn)日產(chǎn)代步、輔助站立、獨立如廁、平穩(wěn)剎車等功能，該輪椅主要由抬腳與移動模塊、輔助站立模塊以及蓋板開合模塊等組成。本文分析了各模塊的工作原理，并運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行了三維建模。結(jié)果表明，該多功能輪椅工作穩(wěn)定，性能可靠，功能效果實現(xiàn)良好，能夠更好地幫助腿腳不便的人群提高生活自理能力。

關(guān)鍵詞：多功能輪椅；日常代步；輔助站立；獨立如廁；平穩(wěn)剎車；建模

中圖分類號：TP39；TH789 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.027

0 引 言

根據(jù)第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，60歲及以上人口為26 402萬人，占人口總數(shù)的18.7%，其中65歲以上的人口為19 064萬人，占總?cè)丝诳倲?shù)的13.5%。相比于2010年的全國人口普查數(shù)據(jù)，60歲及以上人口的比重上升了5.44個百分點，普查結(jié)果顯示，我國正在進(jìn)入老齡化社會并且與老齡化有關(guān)的問題會逐步突出[1]。人口老齡化給我國的經(jīng)濟(jì)、社會、政治、文化等方面的發(fā)展帶來了深刻影響，龐大的老年群體在養(yǎng)老、醫(yī)療、社會服務(wù)等方面的需求也越來越大[2]。

隨著科技和互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，醫(yī)療器械逐漸超脫于“物”的范疇，變得越來越智能化，并在潛移默化中貼近“人”的形象[3]。如今，輪椅已經(jīng)成為高齡老人與下肢殘疾患者的必備品，但普通輪椅功能有限，很難真正滿足人們的日常活動需求[4-5]。此外，人體長期保持同一坐姿還可能會導(dǎo)致壓瘡的產(chǎn)生，壓瘡一旦發(fā)生會嚴(yán)重降低患者的生活質(zhì)量[6-8]。經(jīng)過調(diào)查，市面上所售的輪椅大部分只為使用者提供代步功能，而多功能輪椅是一類以醫(yī)學(xué)理論和用戶實際需求為主要設(shè)計依據(jù)的自動化康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，除了提供日常的代步和休息功能，還能夠?qū)κ褂谜咄饶_的康復(fù)起到一定的輔助作用，從而促進(jìn)使用者運(yùn)動機(jī)能的恢復(fù)[9-10]。為此，本文設(shè)計了一款具有實用性和輕便性的多功能輪椅。

1 多功能輪椅整體結(jié)構(gòu)

圖1所示為多功能輪椅的整體結(jié)構(gòu)。此輪椅主要由3大模塊組成，分別為抬腳與移動模塊、輔助站立模塊以及蓋板開合模塊。抬腳與移動模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)整雙腳的放置高度，提高使用者的舒適感，并且實現(xiàn)代步功能；輔助站立模塊設(shè)置安全輔助裝置，翻轉(zhuǎn)板抬升時契合人體從坐到站起全過程；蓋板的開合模塊使輪椅貼合馬桶外側(cè)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)座椅下方蓋板的自由開合，方便使用者如廁。

多功能輪椅的三大模塊相互配合實現(xiàn)輔助站立、獨立如廁和日常代步功能，幫助使用者獨立完成日常起居活動。多功能輪椅的可調(diào)節(jié)背板和平穩(wěn)剎車設(shè)計給使用者帶來更多舒適感。本設(shè)計一方面吸取了其他輪椅的功能優(yōu)點，另一方面可很好地彌補(bǔ)市面上輪椅的缺陷，以更好地幫助老人代步和如廁。

2 多功能輪椅的工作原理

圖2所示為多功能輪椅的設(shè)計研究目標(biāo)框圖，輪椅主要針對具有一定上肢行動能力，但腿腳不便（下肢受損）的老人或殘疾人而設(shè)計，既能作為日常代步工具又能輔助使用者如廁。這使得用戶可以獨立完成日常的生活起居和較為私密的如廁過程。一方面能夠很大程度上減少護(hù)理人員的看護(hù)工作量；另一方面，可在保障安全的情況下，很好地提高使用者的自我活動能力。該輪椅功能齊全，每項功能單元模塊化設(shè)計均可以滿足用戶對日常生活的需求。

3 多功能輪椅模塊設(shè)計分析

3.1 抬腳與移動模塊設(shè)計

圖3所示為輪椅的抬腳和移動模塊。輪椅的下部分為固定支架，我們選擇了材料冷彎空心薄壁方管，使多功能輪椅受力更加穩(wěn)定。我們還設(shè)計了抬腳機(jī)構(gòu)，使用電動推桿伸縮來調(diào)節(jié)L型管抬起的角度，并在L型管下方裝配可供翻轉(zhuǎn)的腳踏板，以適應(yīng)使用者雙腳放置的位置，從而提高使用舒適性。此外，為降低萬向輪與底部框架連接處的彎曲變形，采用了承重適當(dāng)?shù)哪_輪。我們選擇萬向腳輪作為前輪，并在腳輪上安裝剎車裝置。

3.2 輔助站立模塊設(shè)計

圖4所示為輔助站立模塊結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)由電動推桿、翻轉(zhuǎn)板、翻轉(zhuǎn)管、曲柄扶手、背板調(diào)角器和支撐扶手組成。輔助站立時曲柄扶手在電動推桿的推動下緩慢上升并帶動連接件翻轉(zhuǎn)板傾斜向上移動；當(dāng)翻轉(zhuǎn)板與翻轉(zhuǎn)管形成一定角度時，帶動翻轉(zhuǎn)管旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)傾斜上升。在傾斜上升的過程中，翻轉(zhuǎn)板推動人體的臀部上升并向前傾斜，同時由曲柄扶手提供上肢支撐點，從而幫助人體從坐姿狀態(tài)順利切換成站立狀態(tài)，如圖4（b）所示。此外，腿腳無力的老人在如廁后可以將雙肘支撐于曲柄扶手上，并借助于扶手的推力而輕松站起。翻轉(zhuǎn)板下方鏤空式設(shè)計保證留有足夠的空間與馬桶對接。在輪椅靠背材料的選擇上，我們采用方管并裝配了鐵固定板，依靠方管上調(diào)角器內(nèi)的壓力彈簧進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)靠背提高了使用者的舒適度。

3.3 蓋板的開合模塊設(shè)計

圖5所示為輪椅的蓋板開合模塊結(jié)構(gòu)，軸承座通過螺紋連接固定于坐板上，轉(zhuǎn)軸在軸承座內(nèi)運(yùn)動，曲桿推板與轉(zhuǎn)軸固定在一起，曲桿通過焊接的方式與轉(zhuǎn)軸連接，推桿通過推桿座與曲桿推板連接，曲桿通過支座與蓋板相連。坐板的背面還裝有支撐板，支撐板上固定有滑板，蓋板上裝有支撐底座，支撐底座的下部分通過軸支座與滑塊相連。正常狀態(tài)時，蓋板處于閉合狀態(tài)，如圖5（a）所示。在如廁前，電動推桿推動，轉(zhuǎn)軸帶動曲桿旋轉(zhuǎn)，同時滑塊在滑板內(nèi)水平運(yùn)動，共同帶動蓋板，打開蓋板，如圖5（b）所示。

4 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展，人們的生活水平穩(wěn)步提升，社會對于醫(yī)療器械的要求也不斷提高。因此，本文針對腿腳不便以及老年人群在日常起居和如廁時遇到的問題進(jìn)行了分析和研究，并在設(shè)計多功能輪椅的機(jī)構(gòu)時，將輪椅的功能性、安全性和人性化要求考慮其中，旨在提供更好的生活體驗；同時也對輪椅重新定義，使輪椅不僅僅是一個移動工具，而是一個配備了多種功能的便利器械，能夠給腿腳不便的人群提供正常生活的保障。通過前人的研究發(fā)現(xiàn)，智能輪椅的迭代升級推動了行業(yè)發(fā)展[11]。希望在不久的將來，還可以融入人工智能等，對其功能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使其更人性化。

注：本文通訊作者為俞成濤。

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收稿日期：2023-03-29 修回日期：2023-05-08

基金項目：江蘇省青藍(lán)工程優(yōu)秀青年骨干教師項目；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目：輔助起居與如廁的多功能輪椅（202211463047Y）

作者簡介：沈俊杰（2000—），男，江蘇南通人，本科，研究方向為機(jī)械電子工程。

朱 沁（2002—），女，江蘇無錫人，本科，研究方向為英語。

楊宇馳（2002—），男，江蘇宿遷人，本科，研究方向為機(jī)械電子工程。

唐 堯（2002—），男，江蘇泰州人，本科，研究方向為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。

張鑫威（2002—），男，江蘇連云港人，本科，研究方向為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。

俞成濤（1987—），男，安徽六安人，博士研究生，副教授，主要從事醫(yī)療器械設(shè)計研究工作。