一體式自動轉換輪椅床的設計與研究

付 強 劉 鵬 馮根昌 王佳旭 黃金源 趙藝峰

（河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 河北 保定071000）

1 項目背景

由于現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展和進步，生活醫(yī)療質量提高了很多，人類的壽命正逐漸提高,各國老年人口也不斷增加。至此，當今高齡化的社會結構已然成為世界各國的重大挑戰(zhàn)。所以如今對于失能老人和病人的照料與看護問題成為了越來越突出的社會問題。針對這些年長或行動不方便的人群而言，看護床與輪椅是失能老人和病人最依賴的兩個工具。

國外發(fā)達國家（日本、德國等）于20 世紀70 年代已有成熟設備進入市場，當時在國內(nèi)還是一項空白。如今，普通輪椅一般由輪椅架、車輪、剎車裝置及座靠四部分組成；手搖輪椅在普通輪椅基礎上，增加手搖裝置；電動輪椅是為傷殘人及行動困難者提供的室內(nèi)外小型代步工具。但是，如今市面上大多數(shù)醫(yī)護設備都不能做到兩者的有效結合，大多數(shù)是簡單將床分為2-3個板塊，由電推桿可以簡單地實現(xiàn)抬背功能。在照顧失能老人和病人的過程中仍然需要醫(yī)護人員將病人在病床和輪椅上轉移，這樣不僅增加了病人二次受傷的風險，也加重了醫(yī)護人員的負擔。因此他們將不適合使用現(xiàn)有產(chǎn)品，具有一定自動互換功能的一體式輪椅床就十分必要。針對這一情況，設計了一種多功能助老助殘輪椅床結構，可實現(xiàn)平床模式到坐姿模式轉換的操作。這樣實現(xiàn)了病床和輪椅的有效結合，并且提高其可靠性、安全性能，達到半自動化的輪椅床一體化結構設計，以更好地配合老人病人的康復療養(yǎng)，減輕醫(yī)護人員的負擔。該輪椅床造價低、使用方便，可自由拼接和拆卸，移動方便、穩(wěn)定性高。不僅可以在醫(yī)院使用，亦可以在家中使用，服務于更多在家中療養(yǎng)的患者以及行動不便的老人，因此我們設計的輪椅一定會有廣闊的市場。

2 裝置設計原理

2.1 裝置介紹

圖1 輪椅床裝置圖

該輪椅一方面可以在康復床上進行療養(yǎng)休息，第二方面輪椅便于自己的出行，這樣可以幫助老人及殘疾人更好地進行身體健康恢復。

為實現(xiàn)上述目的，該裝置包涵一種多功能助老助殘輪椅床，該輪椅床包括床板、床基、床架、腳板、腿板、坐板、輪椅背板、鎖扣、輪椅基架、直流電機、齒條軌槽、齒輪、直齒條、傳動軸、豎直滑桿、橫向滑桿、鉸鏈四桿、床腳輪、輪椅支撐桿、五星輪、銷軸?？祻痛埠洼喴蔚慕Y合使得空間擴展了許多，接著通過按動式旋轉鎖扣可將床和輪椅自由分離和結合，再通過平行連桿、齒輪齒條、變速電機的智能精密驅動，使得輪椅部分由平床模式到坐姿模式的轉換，接著輪椅五星輪組的機構對越障和上下樓梯時較普通輪椅更為方便，實現(xiàn)了良好的健康靜養(yǎng)、自由出行的身體恢復效果。

2.2 裝置具體結構設計

考慮到病患由病床向輪椅轉移時可能發(fā)生二次傷害的風險和造成不必要的麻煩，本文設計的機構采用了一種兼容了病床和輪椅的設計，它可以實現(xiàn)從病床中輕易脫離出一張獨立的輪椅。

圖2 輪椅床側視圖

圖3 輪椅機構設計側視圖

圖4 輪椅機構設計斜視圖

總體來看，病床的結構采用了三層式的結構，而輪椅方面采用雙層，分別與病床的1、2 層對應，病床的最后一層起到固定輪椅和方便輪椅結構的作用。當輪椅與病床結合時，比原有單床有了更寬闊的空間。如圖2，一種多功能助老助殘輪椅床，其結構特征在于：（1）所述輪椅折疊裝置是由驅動部分、傳動部分和執(zhí)行部分組成，直流電機固定在輪椅基架中央，齒條軌槽靠左固定在輪椅基架上，直流電機與傳動軸鍵連接，傳動軸通過花鍵與齒輪連接，直齒條分別與齒條凹槽、齒輪嚙合，豎直滑桿下端與直齒條固定連接，橫向滑桿與豎直滑桿孔連接，橫向滑桿兩端通過銷軸分別與兩組鉸鏈四桿中的連桿連接，鉸鏈四桿中的左直角擺桿一端與腿板固定，另一端通過銷軸與中間連桿連接，右直角擺桿一端與輪椅背板固定，另一端通過銷軸與中間連桿連接，腿板、坐板與輪椅背板通過銷軸連接。（2）所述的床椅連接裝置是由旋轉鎖扣組成，其旋轉凹槽、鎖柱分別固定安裝在床板、坐板上，通過旋轉可以使得床和輪椅自由結合和分離。（3）所述的樓梯五星輪裝置是輪椅支撐桿通過銷軸與五星輪連接。五星輪的兩小輪之間的夾角大于30°，這樣五星輪在上下樓中卡住臺階，從而保證安全可靠性。此外，在輪椅設計時，考慮到需要符合人體工程學，按病床的設計尺寸標準以及輪椅的尺寸標準，對輪椅的尺寸進行了設計。輪椅平床模式時整體長1900mm 以讓裝置設計滿足90%人群的使用要求，整體寬度為600mm，座位太窄會造成臀部及大腿組織受到壓迫，太寬則會使得輪椅操作不方便，更具體的，背板長度最長720mm、坐板長度為500mm 腿板為400mm,腳板長度為230mm。

輪椅在平地上運動，是靠五星輪的兩個輪著地和中間輪起支撐作用達到運動，此時五星輪中心軸與銷軸固定，每個小輪和支桿可自由轉動，可實現(xiàn)平地上360°防打滑轉動。經(jīng)過測量樓梯的臺階長度在20～25cm 之間，高度在15～18cm 之間，五星輪的兩小輪之間的夾角大于30°，這樣五星輪在上下樓中卡住臺階，其前面四個小輪起到支撐和導向順滑作用從而保證輪椅在上下樓的安全。輪椅在上樓過程中按下上樓的按鈕，電動機帶動五星輪中的小鏈輪轉動，由于其結構和角度的合理性，每上一臺階就會停頓1s,這樣就可以平穩(wěn)上樓。

2.3 裝置具體實施方式

如圖1、圖2、圖3，一種多功能助老助殘輪椅床結構包括床板1、腿板2、坐板3、鎖扣4、輪椅背板5、直齒輪齒條6、傳動軸7、直流電機8、輪椅五星輪9、鉸鏈四桿10、腳板11、床基12、床架13、床腳輪14、銷軸15、橫向滑桿16、豎直滑桿17、齒條軌槽18、輪椅基架19。在病床上療養(yǎng)時，輪椅和床是拼接在一起的，在想要出行時，可按動滑動鎖扣4 使之分離，接著按下啟動按鈕，電機8 開始驅動，即將轉換成輪椅模式，這樣由直流電機8通過傳動軸7 帶動齒輪在直齒條6 上左右傳動，直齒條6 與豎直滑桿17 的一端固定連接，橫向滑桿18 與豎直滑桿孔連接，齒條左右移動會使豎直滑桿左右移動，這樣橫向滑桿就會上下滑動，使得上方鉸鏈四桿機構10 中的連桿會左右平行移動，通過銷軸15 接著帶動雙擺桿同角度平穩(wěn)擺動，由于直角擺桿一邊與腿板2和背板5 連接，所以輪椅背板和腿板會隨著雙擺桿旋轉擺動，擺動到與輪椅架貼穩(wěn)的位置會自動停止，這樣就完成了輪椅部分由平床模式到坐姿模式的轉換。實現(xiàn)分離后，平地上可以通過萬向輪運行，輪椅五星輪9 在上下樓中會發(fā)揮其優(yōu)勢，下樓時其中兩輪分別在兩臺階著地，其中一輪起支撐作用，合理的結構角度設計從而保證安全可靠性。

3 功能及創(chuàng)新點

3.1 通過變速電機驅動、齒輪齒條精密傳動、平行連桿穩(wěn)定運轉使其穩(wěn)定地由平床模式到坐姿模式的轉換。

3.2 輪椅五星輪組的機構對越障和上下樓梯時較普通輪椅更為方便。當遇到臺階時，其旋轉角度會剛好與臺階相嚙合，此時伺服電機開始進行智能調(diào)速，由閉環(huán)控制反饋電路時刻的檢測，五星輪旋轉的穩(wěn)定性，在下臺階時不會發(fā)生劇烈的磨合現(xiàn)象，并且五星輪安裝緩沖彈簧，防止發(fā)生顛簸或沖擊的現(xiàn)象。

3.3 病床和輪椅的結合避免了單床的空間狹隘，這樣空間的擴大可以實施多種療養(yǎng)功能的布置，如進餐、吃藥等等。

4 結論

該輪椅床安全性能強，可靠性好，平床模式增大了整體的療養(yǎng)空間，由此模式可以平穩(wěn)地轉換為輪椅模式，這樣就可以去戶外出行通風散步，另外，無論遇到樓梯、障礙物時，萬向輪和五星輪的結合機構可以實現(xiàn)平地擇向、上下樓梯和越過障礙物功能，解決了原病床只能抬背式靜養(yǎng)的問題，這樣大大提高了老人病人的安全自理能力，并減輕了醫(yī)護人員的負擔。當然由以上創(chuàng)新點創(chuàng)造的優(yōu)勢，可以適當?shù)奶砑有└郊庸δ苋缗渌?、按摩、腕式血壓心率測試，這樣就會使得輪椅床成為養(yǎng)老助老一體式機器。

5 研究展望與不足

5.1 人工智能的智能控制可以使輪椅與床體結構更好地結合與分離，由老人自己就能輕松完成。

5.2 其附加功能如配藥、按摩、腕式血壓心率測試等可以通過語音控制實現(xiàn)。

5.3 可以根據(jù)老人的病情來選擇坐式或者臥式輪椅車的轉換模式，這樣更能推動輪椅床的廣泛使用。