理论探讨
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针对行动不便人群的新型轮椅开发设计
东静，闫俊鹏，冯永杰，刘宜坤，胡学明，高红爽
（天津科技大学 机械工程学院，天津市 300457）
摘要：现针对行动不便人群的床、椅转换问题设计一款新型轮椅。该轮椅与普通轮椅相比加装背部支起机构、麦克纳姆轮底架 和连接滑轨，具有平躺、自由转向和转移功能。可以轻松将行动不便的人员从轮椅放置于床上，减少护理人员工作强度，降低受助 者心理负担。
关键词：行动不便；新型轮椅；背部支起机构；麦克纳姆轮；连接滑轨
一、引言
据中国康复器具协会统计数据显示，中国有近 2.5 亿老年人口 和 8500 万左右的残疾人是轮椅的使用群体。轮椅的出现改善了这 接近三亿人的生活，但是也会给行动不便的人群上下床带来诸多麻 烦。尽管市面上轮椅功能种类丰富，但大多数轮椅只保证了使用者 的基本行动需求，却忽略了细节上的用户体验，且无一款轮椅能让 行动不便的人群轻松切换于轮椅与床之间。通常情况下，行动不便 的人需要看护人员的协助才能完成轮椅与床之间的切换。这一过程 不但费时费力，而且加重了受助者的心理负担[1]。
针对这种情况，现介绍一种针对行动不便人群的新型轮椅开发 设计方案，以解决行动不便人群在轮椅与床之间切换的问题。
二、基本结构设计 (一)总体结构概述
新型轮椅结构如图 1 所示。上半部分的座椅和下半部分的底 架之间连有横向布置的滑轨。上半部分的座椅可通过滑轨移动到外 部的支架上。轮椅靠背处装有支起机构，推杆一端固定在背部铰链 固定梁，另一端通过铰链固定在推杆支撑板上，推杆伸缩运动带动 背部靠板总成绕铰链转动，完成背部支起运动。底架采用麦克纳姆 轮作为轮椅的主要行走部件，以实现在任意方向上的平移和原地旋 转。
图 1 新型轮椅布局总图
（二）背部支起机构
以导杆机构为原理的背部支起机构，铰接点少，机构简单，可 靠性相对较高。背部支起机构如图 2 所示，推杆一端通过铰链固定 在推杆固定板上，另一端通过铰链固定在背部铰链固定梁上，推杆 通过伸缩运动带动背部靠板绕铰链的转动，完成背部支起活动。
图 2 背部支起机构
背部支起机构的机构简图如图 3 所示。以坐板为水平面，以座 板和靠背铰接点 B 为轴，靠背与水平方向形成的夹角为θ。A 是推 杆与支撑板的铰接点，推杆与水平方向夹角为α。C 为推杆与背部 固定梁的铰接点。B 铰链和 C 铰链水平方向距离为 a，A 铰链和 B 铰链竖直距离为 b。各参数的几何关系如下[2]：
2 2
2 sin s
a b
ab ，2 2
sin sin
2 sin b a
a b
ab
图 3 背部支起机构简图
推杆作用力为 F，推杆在力 F 方向上的位移为
ds
，背部靠板承载力 P 在竖直方向的位移为
dh
，则可得到：P dh F ds
根据已得到的各参数的几何关系可推算出推杆受力与运动尺 寸的关系：
Pr sin d F ds Pr tan 2absin
F ab
（三）麦克纳姆轮底架
新型轮椅的底架使用四个麦克纳姆轮，分别为两个左旋轮和两 个右旋轮。刚体在平面内的运动可以分解为三个独立分量：X 轴平 动、Y 轴平动、yaw 轴自转。如下图所示，底盘的运动也可以分解 为三个量：
表示 X 轴运动的速度，即左右方向，定义向右为正；
表示 Y 轴运动的速度，即前后方向，定义向前为正；
表示 yaw 轴自转的角速度，定义逆时针为正。
以上三个量一般都视为四个轮子的几何中心（矩形的对角线交 点）的速度，其受力分析图如图 5 所示。
图 4 受力分析图
底盘沿 X 轴平移，沿 Y 轴平移，绕几何中心自转时：
麦克纳姆轮的应用目的在于控制轮椅灵活地转位。当左右两个 轮子的转向相反时，轮椅车前进或后退；当左右两边轮子的转向转 速相同时，轮椅车向左移动或向右移动；当左右两边轮子的转向相 同，转速不同，可实现轮椅车向任意方向运动。[3]
（四）连接滑轨
滑轨又称为导轨，主要是由金属材料制成槽和脊，用于承受、
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引导移动装置并减少表面相互摩擦的一种装置。本新型轮椅采用直 线滚动式导轨引导上半部分的座椅和下半部分的底架相对运动，如 图 6 所示。
图 5 轮椅导轨转移
考虑轮椅使用者为行动不便的老人和残疾人，轨道的设汁要有 导向精度，并保证运动的平稳性，具有足够的承载能力和刚度，使 用寿命长等必要特点，所以新型轮椅采用滚动直线导轨。
产品四个方向等载荷承载能力强，根据结构力学可知，滚动直 线导轨副采用四列圆弧轨道结构，接触角为 45°，可同时承受径向、
反径向及横向负载时，能力相当。
三、工作过程
新型轮椅工作示意图见图 7 所示。① 看护人员将固定在床侧 的导轨支架升起，并将轮椅推至床边支架位置并锁住轮椅。② 受 助者坐在该新型轮椅上，看护人员水平推动上半部分的座椅，使座 椅部分通过导轨从轮椅底架滑向床边支架，并将轮椅锁在支架上。
③ 看护人员缓缓放平座椅靠背，该过程种受助者也随着靠背缓慢 后仰直到上半身平躺在轮椅上，并与床齐平。④ 看护人员将脚板 缓慢上抬直至水平，此时靠背、座板、脚板水平铺展在床边位置。
⑤ 然后看护人员水平移动行动不便的受助者，使其从轮椅过度到 床。⑥ 打开座椅与支架的锁紧装置，将座椅原位返回到轮椅底架 上，并放下床边支架。
图 6 床、椅转换过程图 四、结语
护理人员在日常照顾伤、病、老人时简单的“上床、下椅”动 作都可能成为行动不便人员无法逾越的障碍，以往靠人力搬、抱的 方式不但费时费力，而且存在安全隐患。我们设计了一种针对行动 不便人员的新型轮椅，尽量减少受助者完全离开轮椅全部依靠人力 实现床、椅过度的困难。总之，借助该新型轮椅可以完成行动不便 人员床椅轻松转换，减少护理人员的负担，丰富行动不便人员的日 常生活，而且该轮椅加工较容易，可操作性强。
参考文献
[1]赖佳路，钟仁明. 一种方便行动不便放射治疗患者摆位 的专用轮椅设计[J]. 医疗装备，2019，第 32 卷(9 期)：15-16.
[2]邢坤，程武山. 多功能智能轮椅背部支起机构优化设计[J].
轻工机械，2019，第 37 卷(5 期)：90-91.
[3]李雨潭，马博，杨瑞洋，王鹏程，宋晓斌，徐泽成，袁 博. 基于麦克纳姆轮的半自主辅助如厕轮椅设计[J]. 科技创新 与应用，2019，30 期：32-33.
[4]王利. 滑轨式和升降式康复辅助洗浴器具的浴槽结构设 计与研究[D]. 天津：天津科技大学，2012.
作者简介：
王虎讲师，孙涌讲师
