自助式輪椅的設計

胡永舉　岳永恒　何永明

輪椅作為殘疾人的代步工具，具有不同的結構形式和工作原理，由于他們的殘疾部位和身體機能不同，需要我們為其設計不同類型的輪椅，以滿足更多殘疾朋友的需求，在一定程度上為他們緩解因身體不便帶來的痛苦。

1．自助式輪椅車的結構及其特征

本設計研究的自助式輪椅車結構如圖1所示。

輪椅車由以下部分構成：(1)自助式輪椅車由棘輪機構；(2)推車手柄：(3)輪椅靠背；(4)輪椅扶手；(5)輪椅前輪；(6)輪椅坐椅；(7)輪椅腳踏板；(8)輪椅壓縮彈簧；(9)輪椅角接觸組成。其結構特征為：輪椅靠背通過輪椅角接觸機構在一定幅度內可前后移動；輪椅靠背通過輪椅壓縮彈簧與棘輪機構連接；輪椅壓縮彈簧將彈簧纏繞具有可伸縮結構的鋼管外面，可以保證該支撐結構不變形，并且有足夠的強度；棘輪機構為單向滾動輪。該結構確保輪椅車向后只能發生滑動。

該輪椅車將可前后移動的輪椅靠背(3)通過壓縮彈簧(8)與棘輪機構(1)相連接。該裝置將身體后傾的壓力通過壓縮彈簧(8)轉化為反向推動輪椅車行進的推動力，并且通過棘輪機構(1)控制輪椅車不發生向后滾動，從而達到依靠身體的前后運動推動輪椅車行進。

2．輪椅車工作過程的可行性分析

假定選取彈簧的倔強系數為：k=2.5n/mm，人體的重量為60kg，輪椅重量為25kg,人體向后靠的力量為20kg，輪椅車的滑動摩擦系數μ₁取0.6，滾動摩擦系數μ₂為0.02，彈簧與地面的傾角θ為45°。

則：f=k1

1=20×9.8/2.5=78.4mm

式中，l為彈簧壓縮量。

水平方向彈簧做功為：

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

水平方向做功過程中，輪椅滑行距離為L'，則：

W₁=FS=F_nμ₂S

=(25+60+20×sinθ)×9.8×0.6×L'

=10.867

L'=0.018m

彈簧做功推動輪椅的滾動距離為L，則：

W₁=FS=F_nμ₂S

=(25+60)×9.8×0.02×L

=10.867

L=0.65m

那么，人體每施加20kg的力量，輪椅車前行的距離為：L-L'=0.65-0.018=0.632m。

3．結論

從上述計算分析可知：在給定、的前提條件下，使用該輪椅車的殘疾人每向后施加一次壓力，輪椅車可行進0.632m，如果提高身體向后的壓力。或者減少滾動摩擦阻力，車輛行進的距離還會加大。因此，從分析結果看，該自助式輪椅車適合于殘疾人室內短距離移動，或者作為健康人鍛煉身體的健身工具。