一种坐卧变换式轮椅的设计

顾绮芳

摘要：随着我国人口老龄化的日趋严重，轮椅作为老年人的代步工具得到了广泛的应用。传统手动轮椅需要人工操作，而普通电动轮椅也仅具有自动行走的功能，并没有从根本上解决使用者出行难的问题。本文设计了一种新型的坐卧变换式轮椅结构，具备自动折叠、自动升降和自主行走的功能。该轮椅自动化程度高，在满足老年人走出户外、沐浴阳光需求的同时减轻了看护人员的劳动强度，为新型电动轮椅产品的开发提供了参考。

关键词：轮椅；坐卧变换式；自动升降；自主行走

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0275-04

根据2016年发布的最新预测，我国2035年将面临比美国更为严重的人口老龄化问题，到2050年65岁以上的老年人口将首次突破3.6亿，超出总人口的1/4[1]。65岁以后随着年龄的增长，人体各项机能逐年下降，大多人都患有多种老年疾病[2]。《中国制造2025》中明确了发展医疗护理设备产业对于我国成为创新型制造业大国的重要意义[3]。传统轮椅与电动轮椅的行走机构采用的是前轮转向驱动和双动力差动转向驱动，在此基础上要实现全向移动必然需要更加复杂的控制算法，同时需要一定的回转半径，因此对空间活动范围必然有一定的要求。本次设计的坐卧式轮椅底盘拟采用具有全向移动功能的Mecanum轮，该全方位移动系统可以在不改变位姿的情况下，沿平面任意方向移动，同时可以做零半径的旋转运动，具有较好的机动性能[4]。四动力全向驱动可以避免运动过程中户外模块受活动空间的束缚，可以使户外模块在狭小的房间、楼宇大厦以及室外道路上行走。

1 全向移动系统的设计

如图1所示，坐卧式轮椅底盘主要由底盘架、底板、Mecanum轮运动模块、Mecanum轮座四部分组成。框架整体采取焊接工艺，底盘架是由壁厚2mm的方钢焊接而成，底盘架下面焊接有2mm厚的底板，底盘架的四角分别焊接有一个Mecanum轮座。底板是移动平台和上面升降部分的连接中介，Mecanum轮座是Mecanum轮运动模块的支撑和相对运动部件。

Mecanum轮运动模块如图2所示，Mecanum轮座上安装有两个法兰型直线轴承，弹簧导柱上安装有弹簧，弹簧导柱可以沿直线轴承上下滑动，弹簧导柱另一端与Mecanum支撑上架固连，这样的结构能够保证户外模块在移动过程中四个Mecanum轮运动模块始终与地面接触，同时具有减振的功效。Mecanum组件安装在支撑座上架和支撑座下架之间。支撑座架一边安装有联轴器架，选用十字型联轴器将伺服电机的动力传递到Mecanum组件上。

Mecanum轮按照滚轮排布方式的不同可以分为左旋轮和右旋轮。其中左旋轮和右旋轮只是滚轮排布方位不同，其他参数均一致。 所选Mecanum轮的单轮最大载重为80kg，最大外径为200mm，轮子自重为1.2kg，拥有18个滚轮，滚轮倾斜角度为45° 。以上参数满足本设计需求，至此坐卧式轮椅底盘设计完毕。

2 轮椅折叠功能设计

可折叠功能是可以实现户外模块平床模式和坐姿模式之间的相互转化如图3和图4。

综合考虑平床模式和坐姿模式，将可折叠部分为四部分：背板、坐板、腿板、脚板，如图5所示。坐板与立式升降柱相连，在折叠过程中位置不发生改变。背板与坐板、腿板与坐板、腿板与脚板均为铰链连接，通过安装在坐板侧架上两侧的两个背板推杆、两个腿板推杆推动背板、腿板绕轴转动，其中背板的活动范围为[0°?80°]，腿板的活动范围为[0°?70°]。脚板与腿板的运动为同步运动，腿板绕坐板旋转时，氮气弹簧由伸张状态变成压缩状态，带动脚板绕腿板旋转。

2.1 尺寸配比

根据前章中普通病床尺寸标准和电动轮椅车外形尺寸的标准，以及产品设计满足90%人使用的要求，确定了坐卧变换式轮椅的相关尺寸：整体长[L=1900mm]、整体宽[W=600mm]、背板长[L1=720mm]、坐板长[L2=500mm]、腿板长[L3=400mm]、脚板长[L4=230mm]。在四部分铰链链接处个预留16mm的缝隙，防止折叠时蒙皮在链接处由于挤压出现褶皱，如图6所示。

2.2 推杆的选用

电动推杆是一种常见的将电动机的旋转运动转变为直线往复运动的电力驱动装置[5]，它具有结构紧凑、惯量小、响应快、低噪音、性能稳定、故障率低、可靠性高的特点。在坐卧变换式轮椅背板运动和腿板运动的过程中本文均选用的是电动推杆作为动力元件。在电动推杆选型时主要考虑的因素有推杆行程、推杆推力以及推杆的锁紧力。同时作为一款医用设备，坐卧变换式轮椅在满足以上条件的情况下还应该尽量选择噪音较小的静音推杆。

坐卧变换式轮椅背板的运动是背板推杆推拉背板的一个过程，其模型简图如图7所示。当背板绕[O]点做旋转时，背板推杆作用于背板的作用点轨迹是一个以[OD]为半径圆，背板旋转角度[α]的范围为[0°?80°]。在背板由平床模式向坐姿模式转变的过程中，背板推杆的长度不断增加，反之亦然。

3 升降结构设计

为了使患者能够从床上平移到坐卧变换式轮椅上所以必须设计升降机构，尽管国标中已经规定了常用医用床的高度为[480?630mm]，但这只是一个区间范围，床与床之间高度上还是存在差异，为了适应不同高度床的使用，本文在全向移动平台和可折叠部分之间安装有电动升降柱，将患者搬移到处于平床模式下的户外模块上，可以通过调低电动升降柱的高度降低户外模块和患者的重心，这使得坐姿模式下的户外模块具有更高的安全性。

4 结语

本文设计了一种具有自主行走、自动升降以及坐卧式姿态变换功能的新型坐卧式轮椅。本文在对坐卧式轮椅的全向移动底盘结构、折叠功能结构、升降结构进行理论计算的基础上进行了机构设计。坐卧变换式轮椅具有以下几个优点：1）轮椅具有坐卧变换功能，配合过床易可以轻松实现老人过床；2）轮椅具有升降功能，可以适应不同床面高度；3）电动操作，减轻了护理人员的劳动强度。综上，本文对新型坐卧式轮椅的研究为新型轮椅产品的设计提供了理论依据与参考。

参考文献：

[1] 严志钦， 马海龙. 人口老龄化对我国养老保险的影响及对策[J].甘肃科技纵横， 2011， 40（6）：6-7.

[2] 白建军. 多功能护理服务机器人的设计与研究[D].南昌：南昌大學， 2010：2-5.

[3] 付卫东. 制造业强国崛起与现代职业教育体系建设——日本的经验及启示[J].华中师范大学学报：人文社会科学版， 2015， 54（4）：161-167.

[4] 范宏斌， 周耀琮. 浅析医疗器械管理中的风险管理[J].科技风，2013， 50（10）：255-265.

[5] 甘新平，伍学明，许小强.新型多功能电动轮椅的研究和CAD设计[J].临床医学工程， 2012，19（7）：1040-1042.

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