老年代步车方便上下楼装置的研究

德州学院 刘睿智 王志坤 王志勇

1 方便上下楼梯的代步车的设计方案

1.1 设计灵感

在世界上，方便上下楼梯的老年代步车的研究已经有将近百年的历史了，也提出了多种老年代步车上下楼梯的解决方案。在已有的上下楼梯解决方案当中，有连续式上下楼梯方案，例如履带式；有间歇式上下楼梯的解决方案，例如步进式。在这些解决方案当中，由于星轮式上下楼梯的老年代步车既可以平地行走，又可以平稳地上下楼梯，而且结构精细，体积小巧，其效率较高，操作相对来说比较简单，是较理想的上下楼梯解决方案。代步车是伤残人士和老年人必不可少的辅助行走工具，但由于伤残人士和老年人身体相对较弱，且较多无经济能力，收入有限，因此，要求代步车小巧轻便可折叠，易于老年人操作使用，可以在疲劳时提供舒适的休息座椅。

1.2 设计原理

该代步车主要由防滑扶手、左右支架、横向固定板、防滑垫升降座杆、星形四轮与不锈钢座椅和坐垫组成。相较于其他代步车而言，其主要创新点在该代步车上下楼时通过星形四轮的应用，可以更加方便省力，与普通代步车（如图1 普通代步车、图2普通代步车越障示意图）上下楼时的不方便形成了鲜明对比，主要适用于老年人群体和伤残人士，用于帮助老年人行走和伤残人士做一些简单的康复训练等。

图1 普通代步车

图2 普通代步车越障示意图

1.3 工作原理

该代步车运用到轮系及其设计、机械运动力学和平衡力学等原理。星形轮的运用是对代步车的一种改进，可以通过星轮围绕轮子中心轴承的转动来达到上下楼梯的目的（如图3 星轮与升降座杆连接图、图4 星形轮毂）。另外其具备一般代步车通过左右支架支撑体重、上提重心的作用；防滑扶手可以一定程度上避免因手滑握不住支架对使用者造成伤害；不锈钢座椅和坐垫可以在使用者疲劳时提供休息座椅；防滑垫升降座杆共有四根，可根据使用者身高调节代步车高度，四根座杆呈方形，在承重时可以保持使用者立位、步行或休息时的平衡，更加安全，可根据使用者身高调节代步车高度。在不使用时，可以对车身进行折叠，减少代步车的占地空间，方便包装携带。

图3 星轮与升降座杆连接图

图4 星形轮毂

图5 遇障运转图

如图5 所示，当遇到障碍物时，星轮会如图中的轨迹绕中心运转来跨越障碍。平衡公式：

注：N1弹力、N2弹力分别为接触地面的轮 1、轮 2 和地面之间的接触弹力，N3为后支撑杆的弹力，F推力1、F推力2分别为接触地面的轮1 和轮2 所受到的推力，G 为底盘所受压力，a 为轮子垂直于受力平面的平面和障碍物最高处水平面有关的夹角。

假设摩擦力忽略不计，即F 摩擦力=0，且着地的两个轮子所受的推力为同一使用者施加的，则转矩相等，而每两个相近的轮子圆心距离为D，轮子的直径为d，后轮到后座杆的距离为H，障碍物高度为 h，a 为 45°，L 为转臂长度。

所以hmax≤D 时，星轮可以越过障碍。

由公式可知所需推力很小，方便老年人和伤残人群使用。

在下楼时，该代步车的星轮上安装有刹车装置，后支架下装有防滑垫，星轮到达下一台阶且已稳定时，进行刹车制动，后支架触地，双手握住防滑扶手支撑身体到达下一阶梯，重复此操作下楼，避免老年人在使用该代步车下楼时滑倒摔伤。该代步车具备了普通医用护理代步车辅助病人进行康复训练作用的同时，节省了一定的看护时间。

1.4 产品尺寸（见表 1）

表1 产品尺寸

1.5 本机优势

（1）平稳避障，上下楼梯。

（2）提供舒适座椅。

（3）防滑防摔。

（4）制作成本低。

（5）结构紧凑，功能单一，简单易用。

（6）可折叠，易包装携带。

2 创新点

（1）星轮式轮毂的应用。

（2）过障时更加平稳省力。

3 结论

该代步车可以在帮助老人行走的同时实现平稳过障、上下楼梯的目的，节省了照顾这类人群所需的部分时间。该代步车制作成本低，易生产，可满足社会需求。星轮处设有刹车设施，后支撑杆底座安置防滑垫圈，可防止老年人滑倒摔伤。因此该老年代步车的星轮设计在辅助老年人行走、上下楼梯的同时，也能减轻医护人员和家人的压力。