针对行动不便人群的新型轮椅开发设计 

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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 dhF 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 dF 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

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