自助式轮椅的设计

胡永举　岳永恒　何永明

轮椅作为残疾人的代步工具，具有不同的结构形式和工作原理，由于他们的残疾部位和身体机能不同，需要我们为其设计不同类型的轮椅，以满足更多残疾朋友的需求，在一定程度上为他们缓解因身体不便带来的痛苦。

1．自助式轮椅车的结构及其特征

本设计研究的自助式轮椅车结构如图1所示。

轮椅车由以下部分构成：(1)自助式轮椅车由棘轮机构；(2)推车手柄：(3)轮椅靠背；(4)轮椅扶手；(5)轮椅前轮；(6)轮椅坐椅；(7)轮椅脚踏板；(8)轮椅压缩弹簧；(9)轮椅角接触组成。其结构特征为：轮椅靠背通过轮椅角接触机构在一定幅度内可前后移动；轮椅靠背通过轮椅压缩弹簧与棘轮机构连接；轮椅压缩弹簧将弹簧缠绕具有可伸缩结构的钢管外面，可以保证该支撑结构不变形，并且有足够的强度；棘轮机构为单向滚动轮。该结构确保轮椅车向后只能发生滑动。

该轮椅车将可前后移动的轮椅靠背(3)通过压缩弹簧(8)与棘轮机构(1)相连接。该装置将身体后倾的压力通过压缩弹簧(8)转化为反向推动轮椅车行进的推动力，并且通过棘轮机构(1)控制轮椅车不发生向后滚动，从而达到依靠身体的前后运动推动轮椅车行进。

2．轮椅车工作过程的可行性分析

假定选取弹簧的倔强系数为：k=2.5n/mm，人体的重量为60kg，轮椅重量为25kg,人体向后靠的力量为20kg，轮椅车的滑动摩擦系数μ₁取0.6，滚动摩擦系数μ₂为0.02，弹簧与地面的倾角θ为45°。

则：f=k1

1=20×9.8/2.5=78.4mm

式中，l为弹簧压缩量。

水平方向弹簧做功为：

W₁=FS=20×9.8×cosθ×0.0784×cosθ=15.3664×cosθ²=15.3664×cos45²=10,867J

水平方向做功过程中，轮椅滑行距离为L'，则：

W₁=FS=F_nμ₂S

=(25+60+20×sinθ)×9.8×0.6×L'

=10.867

L'=0.018m

弹簧做功推动轮椅的滚动距离为L，则：

W₁=FS=F_nμ₂S

=(25+60)×9.8×0.02×L

=10.867

L=0.65m

那么，人体每施加20kg的力量，轮椅车前行的距离为：L-L'=0.65-0.018=0.632m。

3．结论

从上述计算分析可知：在给定、的前提条件下，使用该轮椅车的残疾人每向后施加一次压力，轮椅车可行进0.632m，如果提高身体向后的压力。或者减少滚动摩擦阻力，车辆行进的距离还会加大。因此，从分析结果看，该自助式轮椅车适合于残疾人室内短距离移动，或者作为健康人锻炼身体的健身工具。