一種攀爬式輪椅與防護裝置

周建萍，王家珂，田萬英，楊 靜

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

如今大部分殘疾人與行動不便的老人只能依靠輪椅來行動，但是目前市面上的輪椅都沒有保護裝置，在上下樓梯時，患者由于受力不同身體會前傾，一不小心會直接從輪椅上摔下，造成嚴重的后果。為此本文設(shè)計了一種攀爬式輪椅與防護裝置，以便有效地保護患者免受傷害。

1 攀爬式輪椅與防護裝置

1.1 總體設(shè)計

攀爬式輪椅與防護裝置整體包括輪椅和防護裝置，防護裝置主要由收卷裝置與氣囊組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-氣囊；2-滑塊；3-第二滑槽；4-卡扣；5-弧形桿；6-輪椅；7-管道；8-支架；9-卷盤；10-安裝板；11-支管；12-連接桿；13-底板；14-第一滑槽；15-固定桿

與傳統(tǒng)輪椅相比，本設(shè)計可以更好地在上下樓梯時保護好患者，并且與其他防護裝置相比成本更低，在平地使用時不妨礙患者，不會給患者帶來視覺方面的困擾。防護裝置在一定程度上彌補了攀爬裝置的不足，利用防護可以使患者在上下樓梯時更加安全。

該裝置的工作原理如下：上下樓梯時打開氣囊1，由于輪椅被多個氣囊1阻擋，當前傾而造成摔跤時，患者前方被氣囊1阻擋，不會直接與地面接觸，增加了安全性，在氣囊1被拉扯至輪椅前方時，收卷裝置(如圖2所示)上的彈簧16處于扭轉(zhuǎn)狀態(tài)；當輪椅在平地上移動時，將卡扣4從卡槽中移出，這時，通過彈簧16的反扭轉(zhuǎn)力能帶動卷盤9反向旋轉(zhuǎn)，卷盤9的旋轉(zhuǎn)帶動了第二鋼絲繩18，使第二鋼絲繩18收卷回到卷盤9上，第二鋼絲繩18的拉動帶動了滑塊2，且由于滑塊2與滑塊2之間通過第一鋼絲繩連接，從而第二鋼絲繩18能拖動全部的滑塊2，滑塊2的移動帶動了氣囊1，使氣囊1沿著第一滑槽14和第二滑槽3移動至底板13上方，有效地將氣囊1收起。再需要上下樓梯時，向上拉氣囊1，直至使卡扣4重新插入卡槽中，使得多個氣囊1重新分布于輪椅前方。

1.2 收卷裝置設(shè)計

收卷裝置如圖2所示，由安裝板10、U型結(jié)構(gòu)的支架8、兩個卷盤9、兩根第二鋼絲繩18、兩個彈簧16、一個軸桿、一根管道7和兩根支管11等組成。安裝板10通過螺栓固定于底板13的右側(cè)面上，支架8通過螺栓固定于安裝板10的表面上，支架8內(nèi)部的相對面上均嵌入式安裝一軸承17，軸桿位于支架8內(nèi)部，軸桿的兩端均插入軸承17的內(nèi)環(huán)中，并均與內(nèi)環(huán)焊接固定，兩個卷盤9均焊接固定于軸桿上，管道7設(shè)置于支架8的左側(cè)，管道7下端通過支撐桿固定于底板13的表面上，兩根支管11焊接固定于管道7的左側(cè)，支管11一端均向外彎曲，直至延伸至第一滑槽14中，兩根第二鋼絲繩18分別盤繞于卷盤9上，兩根第二鋼絲繩18一端均穿過管道7，一左一右延伸至支管11中，并順著支管11延伸至第一滑槽14中，直至與最下端的滑塊2焊接固定，兩個彈簧16分別套設(shè)于軸桿兩側(cè)，兩個彈簧16一端均焊接固定于卷盤9上、另一端均焊接固定于支架8上，通過支管11能有效地將兩根第二鋼絲繩18分開，避免其纏繞在一起。

7-管道；8-U型結(jié)構(gòu)的支架；9-卷盤；10-安裝板；11-支管；16-彈簧；17-軸承；18-第二鋼絲繩

2 運動方式的選擇

綜合國內(nèi)外的攀爬輪椅產(chǎn)品和設(shè)計，根據(jù)攀爬輪椅爬樓過程工作方法的不同，可以將其劃分為腿足式、輪組式、履帶式、復(fù)合式四種主要模式。

早期的攀爬輪椅一般都采用腿足式，但它對操控者操作要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時動作緩慢。

輪組式攀爬裝置按輪組中使用小輪的個數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式和四輪組式，由于其安全可靠性較低、體積較大，且有難以適應(yīng)不同尺寸樓梯臺階等缺陷，因此普及度不是很高。

履帶式攀爬裝置的原理類似于坦克，履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率比較高、運動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，但其重量過大、運動不夠靈活、爬樓時會對樓梯邊緣造成巨大壓力，對樓梯有一定的損壞，且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便。

復(fù)合式攀爬輪椅，顧名思義，是綜合以上三種形式，揉合形成一種新型的形式，例如輪-腿復(fù)合式、輪-履復(fù)合式、輪-腿-履復(fù)合式等，其控制系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)計研發(fā)及生產(chǎn)制造的成本較高。幾種攀爬輪椅的特點如表1所示。

由表1可以看出，輪組式攀爬機構(gòu)有很好的結(jié)合優(yōu)勢，且其運動形式靈活，在無障礙環(huán)境下具有較好的行動性能，易于實現(xiàn)平地-爬樓模式功能轉(zhuǎn)換，造價相對較低。

表1 幾種攀爬輪椅的特點

3 氣囊材料的選擇

氣囊材料一般選擇透明柔軟的材料，通過調(diào)研我們采用環(huán)保的橡膠或硅膠材料制作，環(huán)保無毒，質(zhì)量穩(wěn)定，具有彈性高、耐磨性好、耐屈、耐老化、抗撕裂等特點，可適合高低溫環(huán)境下使用，符合防護裝置的使用性能，能夠折疊與延伸。

4 電機的選擇

市場上為電機提供的電源一般為單相、三相、直流電等。考慮電機的工作環(huán)境為家用，無粉塵，不潮濕，溫度適宜，最終選擇伺服電機。伺服電機抗過載能力強，能承受3倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速啟動的場合特別適用，而輪椅正需要這種特性。伺服電機低速運行平穩(wěn)，不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象，并且伺服電機的發(fā)熱和噪聲問題明顯較低。

本設(shè)計的所有零件及裝配圖已經(jīng)進行了三維建模，樣機正在制作中，其三維模型如圖3所示。

圖3 攀爬式輪椅及防護裝置三維實體模型

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的輪椅與防護裝置彌補了如今輪椅存在的缺少防護的問題。相對于傳統(tǒng)設(shè)備，既降低了輪椅的操作難度，又增加了安全性能。