新型多功能助老旋轉(zhuǎn)爬樓輪椅設(shè)計(jì)

姜淵文JIANG Yuan-wen；丁文DING Wen；李爽LI Shuang；劉廣堂LIU Guang-tang；欒雨翰LUAN Yu-han；高興軍GAO Xing-jun

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，撫順113001）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，所有中國(guó)公民生活質(zhì)量也逐漸提高，中國(guó)老年化現(xiàn)狀是老年化越來(lái)越嚴(yán)重，而這些老年人的子女都在忙碌自己事業(yè)很少陪伴在自己父母的身邊，可想而知，當(dāng)人到達(dá)一定年齡的時(shí)候不管在生活方面還是在行走方面都會(huì)帶來(lái)一定困擾，根據(jù)國(guó)家2019年老齡化人口報(bào)告顯示：其中孤寡老人占非常大的比重，所以我們?cè)O(shè)計(jì)一種能方便孤寡老人智能輪椅，目的是讓所有獨(dú)自生活的老人能照顧好自己，減少子女對(duì)他們的擔(dān)心。

1 市場(chǎng)分析

由于老年人和殘疾人數(shù)量明顯增加給經(jīng)濟(jì)，社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的影響，醫(yī)療、護(hù)理、社會(huì)服務(wù)等方面需求壓力越來(lái)越大，從而推進(jìn)了助老助殘機(jī)械的發(fā)展。在爬樓梯輪椅的研究方面，國(guó)外開(kāi)始的比較早。

近幾十年來(lái)國(guó)外的高校以及相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)提出了許多不同爬樓梯輪椅的方案，目前部分方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，在生活中得到了應(yīng)用，相比而言，國(guó)內(nèi)對(duì)于爬樓梯輪椅的研究基礎(chǔ)比較落后、起步晚，隨著近些年來(lái)國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)的深入研究，雖然已經(jīng)有了一定的成果，但是在技術(shù)上還是不成熟，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)爬梯輪椅的產(chǎn)品化，現(xiàn)階段能夠看到的爬樓梯輪椅產(chǎn)品幾乎都是從國(guó)外進(jìn)口的狀況。針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有較成熟的爬樓梯輪椅的原理，我們可以把它們分為：腿足式爬校驚輪椅、行星輪式爬棱梯輪椅、履帶式爬樓梯輪椅、復(fù)合式爬樓梯輪椅以及其它爬樓梯裝置，以上各種爬樓梯輪椅在實(shí)現(xiàn)爬樓梯方面都有各自的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也有相應(yīng)的局限。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 工作原理

該輪椅主要具備座位旋轉(zhuǎn)與爬樓功能。正常運(yùn)行時(shí)，保持如圖1 姿態(tài)，三角輪后驅(qū)，轉(zhuǎn)向輪前驅(qū)。當(dāng)遇到樓梯的，啟動(dòng)座椅旋轉(zhuǎn)按鈕，座椅旋轉(zhuǎn)180°，此時(shí)三角輪變?yōu)榍膀?qū)，開(kāi)始攀爬臺(tái)階，爬樓梯臺(tái)階過(guò)程中，三個(gè)輪子交替攀爬，若攀爬過(guò)程中動(dòng)力不足，三角輪啟動(dòng)制動(dòng)裝置，停止攀爬，保證老人安全。此外增加緊急救助功能，當(dāng)老人遇到緊急情況，可以通過(guò)手動(dòng)折疊轉(zhuǎn)換為可推動(dòng)擔(dān)架姿態(tài)，方便醫(yī)護(hù)人員操作。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 三角輪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三角輪輪轂平面圖如圖1 所示，當(dāng)輪椅攀爬臺(tái)階或者平地行走時(shí)，由電機(jī)提供動(dòng)力通過(guò)錐齒輪把動(dòng)力傳送到傳送桿，然后傳送桿帶動(dòng)中心齒輪1，中心齒輪1 再帶動(dòng)齒輪2、3、4 實(shí)現(xiàn)三角輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.2 升降座椅機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用電動(dòng)升桿升降裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、無(wú)噪音、安裝方便等的特點(diǎn)。當(dāng)需要升降座椅時(shí)，點(diǎn)擊按鈕，驅(qū)動(dòng)輪椅上升或下降，再次點(diǎn)擊按鈕停止升降。

2.2.3 輪椅旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪椅底座采用內(nèi)齒式雙排異徑球軸承，以此來(lái)控制輪椅的旋轉(zhuǎn)。后背與擋板通過(guò)電動(dòng)推桿調(diào)節(jié)傾斜程度。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 型心三腳輪

輪椅采用兩種控制模式：主動(dòng)控制模式，使用者可以通過(guò)操縱面板上手動(dòng)控制，操縱面板上設(shè)有按鈕和操縱桿；智能控制模式，通過(guò)輪椅本身在外界環(huán)境影響下或者輪椅本身出現(xiàn)故障，輪椅自動(dòng)開(kāi)啟智能控制，由輪椅面板發(fā)生器發(fā)出求助裝置，并由電信號(hào)傳入操縱面板，提醒使用者采取緊急控制功能，確保人的安全。同時(shí)我們將采取兩種模式替換功能，當(dāng)自主操作信號(hào)強(qiáng)于設(shè)定安全信號(hào)時(shí)，將自動(dòng)變?yōu)橹悄懿僮髂Ｊ剑臃奖闶褂谩?/p>

控制面板：控制面板通過(guò)一鍵操控原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，把輪椅的各種功能按鍵放在操縱面板上，同時(shí)按鍵時(shí)帶有語(yǔ)音提示功能，并在按鍵處設(shè)置功能彩圖，方便老年人識(shí)別，對(duì)老年人來(lái)說(shuō)也能增加該輪椅的實(shí)用性。如圖2 所示。

圖2 電路控制圖

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型選擇

根據(jù)工作條件選擇單相電動(dòng)機(jī)，電壓為220V。

3.2 傳動(dòng)裝置的效率

錐齒輪η1=0.95，錐齒輪η2=0.95，圓柱齒輪η3=0.97，圓柱齒輪η4=0.97，工作及ηw=0.97，則傳動(dòng)效率ηa=η1×η2×η3×η4×ηw=0.82。

3.3 電動(dòng)機(jī)功率的確定

按照工作條件，輪椅最大速度不能超過(guò)2.7m/s，則取v=2m/s，一個(gè)老人平均體重在65kg 左右，取牽引力F=800N。

工作機(jī)所需功率為：

電動(dòng)機(jī)所需額定功率：

進(jìn)行綜合考慮價(jià)格、重量、傳動(dòng)比等因素， 選定電機(jī)型號(hào)為90YT40GV22 單相電動(dòng)機(jī)，額定功率Pen=2.2kW，輸出轉(zhuǎn)速nt=1450r/min。（圖3）

圖3 新型多功能助老旋轉(zhuǎn)爬樓輪椅二維裝配圖

4 結(jié)語(yǔ)

該裝置的三腳輪以三輪相互交替的方式上樓，提高了上樓的穩(wěn)定性。在爬樓時(shí)，若發(fā)生輪椅沒(méi)電等突發(fā)狀況，各輪自動(dòng)鎖死不發(fā)生移動(dòng)，使輪椅牢牢卡在樓梯之上；輪椅座椅下有旋轉(zhuǎn)裝置，可以讓座椅隨意變換方向，方便老人進(jìn)出門(mén)后方便進(jìn)行各方向的移動(dòng)；中間部分采用液壓升降系統(tǒng)，方便了老人自己調(diào)節(jié)輪椅高度，方便老人獨(dú)立調(diào)節(jié)高度，增加老人舒適度；前后檔板均有電動(dòng)推桿，可以平躺方便老人直接從床上到輪椅上，也可以讓老人直接躺下來(lái)休息，全程可獨(dú)立操作；動(dòng)力裝置采用操作簡(jiǎn)單、安全可靠的電動(dòng)機(jī)裝置，易于拆卸、維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作。