一種可輔助轉(zhuǎn)移的多姿態(tài)智能輪椅的設計

劉詩怡　魯鵬

摘 要：針對現(xiàn)有普通輪椅控制智能化和功能多樣化的發(fā)展方向，該文在考量了不同病患的不同需求，充分調(diào)研病患起居生活的基礎上，設計了一種可供廣大肢體病患獨立自主使用的輔助起居機械。該文通過對輪椅的驅(qū)動模塊、調(diào)角模塊、升降模塊、輔助轉(zhuǎn)移模塊等部分結構的設計，得到了一款融普通輪椅、休閑椅、擔架于一體，可實現(xiàn)輔助轉(zhuǎn)移、自動升降椅面、自動行走及轉(zhuǎn)向等功能的新型助殘輪椅，操作簡單，方便折疊，具有較強的市場推廣價值。

關鍵詞：轉(zhuǎn)移輔助裝置 自適應平臺對接 多角度調(diào)節(jié) 電動控制 折疊

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0116-03

1 背景分析與意義

隨著社會老齡化進程的加快以及肢體殘疾患者的不斷增多，普通輪椅的單一功能已經(jīng)漸漸滿足不了這些行動不便者們?nèi)粘Ｉ畹亩鄻有枨罅?。例如，傳統(tǒng)輪椅需要病患家屬將病患從沙發(fā)等位置人為地攙扶甚至抱起放置于輪椅之上，這極大地增加了病患家屬在照顧病患過程中的疲勞強度，并且可能對病患造成二次傷害。又如，當今市面上形形色色的輪椅、擔架、休閑椅，傳統(tǒng)結構中這3種設備互相獨立，人們需單獨購買、使用，造成材料利用率低下與人們時間、金錢的浪費，并且現(xiàn)有產(chǎn)品大多依靠人力驅(qū)動，使用者需配合他人，費時費力。

為改善現(xiàn)有結構以及解決上述所面臨的問題，我們對可輔助轉(zhuǎn)移的多姿態(tài)智能輪椅做出如下設計。

2 輪椅結構設計

可輔助轉(zhuǎn)移的多姿態(tài)智能輪椅采用模塊化設計思想，由驅(qū)動模塊、調(diào)角模塊、升降模塊、輔助轉(zhuǎn)移模塊、附加結構部分組成，如圖1所示。

2.1 驅(qū)動模塊

輪椅驅(qū)動機構由電機、電源、減速裝置等組成。由12 V蓄電池提供動力能源，采用后輪驅(qū)動，利用磁力制動器和傳感器實現(xiàn)智能遙控的轉(zhuǎn)向剎車功能。轉(zhuǎn)向過程中差速轉(zhuǎn)動，能在車體變化（車身角度、高度變化、功能切換）的情況下仍然具有靈活的移動性能。此外，安裝于車底板8下方的電池盒與車底板8之間，車輪架6與電機支架間均采用螺栓連接，便于拆裝。

2.2 調(diào)角模塊

輪椅的靠背板3、坐板16及腿板13之間采用電動調(diào)角裝置對三者之間的夾角進行調(diào)整和鎖止，調(diào)角裝置由調(diào)角器15、調(diào)角電機、調(diào)角器連桿23（圖3所示）組成，調(diào)角器連桿23為花鍵連桿，與調(diào)角電機和調(diào)角器15相互配合，調(diào)角電機帶動調(diào)角器連桿23轉(zhuǎn)動，而后帶動固定于靠背板3外側(cè)的調(diào)角器15，從而實現(xiàn)靠背板3與坐板16間夾角的改變。腿板13與坐板16間角度調(diào)整同理。

通過以上兩處調(diào)角器間的相互配合，輪椅可實現(xiàn)普通輪椅、平躺擔架（床）、休閑椅以及折疊4種不同的姿態(tài)。

2.3 升降模塊

在輪椅車底板8上表面以及坐板16下表面兩側(cè)分別安置縱向滑軌，車底板3和坐板16之間由剪叉式升降-滑軌結構相連，剪式支撐桿9前方兩支點鉸接于支撐桿固定端耳片22（圖3所示）上，后方兩支點鉸接于滑塊10上，通過調(diào)節(jié)埋置于車底板下方的電動推桿的長度來改變剪式支撐桿鉸接角度的變化，驅(qū)動剪叉機構升降支撐。

通過調(diào)角部分調(diào)節(jié)座椅各板面間夾角為零并調(diào)節(jié)坐板高度為最低即可實現(xiàn)車體的完全折疊（如圖2所示）。

2.4 輔助轉(zhuǎn)移模塊

在輪椅的靠背板3、坐板16及腿板13之上附有移動搭板（1）1、移動搭板（2）17、移動搭板（3）14，在移動搭板（2）17下方與坐板16間采用齒輪齒條機構連接，通過電機帶動齒輪，從而帶動齒條實現(xiàn)輪椅移動搭板的橫向平移。

在擔架模式下，首先調(diào)節(jié)高度使椅面升至與床面平齊，隨后控制移動搭板橫向移出，移動搭板移出一側(cè)的底面安裝有平臺滾珠，在移動搭板縱邊與床面搭接后可順利滑動，而后病患自主或需陪護人員輕微協(xié)助轉(zhuǎn)移至床上即可。

2.5 附加結構

（1）扶手。

扶手18與座椅有兩個連接處，在正常情況下使用時，扶手前端通過銷軸固定于椅面兩側(cè)，扶手后端通過扶手限位塊19固定角度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移功能時可將扶手后方拉起旋轉(zhuǎn)180°至車身下方，不妨礙移動搭板的推出。

（2）靠背及靠枕。

靠背板3中設有可伸縮調(diào)節(jié)的伸縮背板2，伸縮背板2下緣鉸接兩處活動桿件4，同時坐板16后側(cè)邊緣固接有兩處固定角度的固定桿件5（固定桿件可拆卸），活動桿件4與固定桿件5間分別鉸接相連。此連桿裝置可使伸縮背板2隨靠背板3角度的變化而伸縮，在靠背板3水平放置時伸縮背板2伸至最長。另外，在將輪椅靠背板3折疊起來之前，需要提前把固定桿件5的固定端卸下。

（3）腿板和踏板。

輪椅的腿板13下端鉸接有矩形腳踏板12，腳踏板12不用時可向上旋轉(zhuǎn)收起。

3 控制系統(tǒng)

輪椅的控制模塊采用89S52單片機為主控，外接驅(qū)動模塊L298N連接驅(qū)動電機、角度調(diào)節(jié)電機以及GSM模塊，通過按鍵實現(xiàn)輪椅的自動運動、角度自動調(diào)節(jié)以及緊急情況自動報警等功能。

該設計需提供+12 V和+5 V電源，DC+12V由12 V充電電源提供，DC+5CV由直流+12 V經(jīng)7805轉(zhuǎn)換得到。為單片機及其他電路提供工作電壓，直流12 V主要為電機提供驅(qū)動電壓。

硬件結構圖如圖4所示。

驅(qū)動電機與角度調(diào)節(jié)電機均采用直流電機，電機速度的調(diào)節(jié)均通過單片機輸出PWM波來實現(xiàn)。智能車輪的轉(zhuǎn)向采用差速轉(zhuǎn)向思想。GSM模塊選用SIM900A模塊，當遇到緊急情況，通過按鍵進行短消息發(fā)送，達到報警的目的。另外，用戶可以通過發(fā)送短信，由GSM模塊接收，經(jīng)單片機解碼，去執(zhí)行相應的緊急處理措施。

4 輪椅功能簡介

通過車體的多種調(diào)節(jié)和變形功能使其能夠適應多種不同環(huán)境不同使用者的需求，提高了工作范圍與機動性能。

（1）作為輪椅。

當調(diào)節(jié)靠背板3與坐板16間夾角至90°或接近90°，坐板16與腿板13間夾角至適宜角度時配合行走裝置可作為普通輪椅使用。

（2）作為擔架。

擔架模式主要是為自動轉(zhuǎn)移功能服務，在擔架模式下，病患可以電動喚醒轉(zhuǎn)移功能，輪椅移動搭板將與輪椅平面發(fā)生相對運動，將病患平移至床或者沙發(fā)上，或者從床到輪椅，全程無需家屬參與，安全可靠。同時擔架模式可以為患者提供午休的功能，緊急情況可執(zhí)行普通擔架的救護功能。

（3）作為休閑椅。

使用者可適當根據(jù)個人喜好調(diào)節(jié)腿板13與坐板16、靠背板3與坐板16間的角度使自己感到舒適，休閑椅狀態(tài)同樣可以滿足病患看書、午休、就餐等多元化的生活需求。

5 模擬樣機

通過以上描述，研究人員最終將其加工制作得到了可實現(xiàn)上述功能的輪椅，它的整體外觀如圖5所示。

6 結語

文章在分析目前市場上輪椅存在的缺陷基礎上，對現(xiàn)有輪椅的功能進行了拓展和完善。

輔助轉(zhuǎn)移模塊利用齒輪齒條機構實現(xiàn)輪椅與床的對接過程，極大地降低了病患家屬在照顧患者過程中的疲勞強度，最大程度為病患提供自理自助的條件。設計集輪椅、擔架、休閑椅3種傳統(tǒng)結構的功能于一體，不僅適應人們不同的需求，體現(xiàn)了產(chǎn)品的高效性，滿足了使用者多方面的需求；可升降式車體利用剪式升降結構與電動推桿的伸縮配合實現(xiàn)車體的升降，車身的不同放置方式使其最大程度折疊和升降，也減少了空間的不必要占用；機電一體化的設計，實現(xiàn)車輪的自動化驅(qū)動，手機或者按鍵等智能化管理方便人們對輪椅的控制，節(jié)省人力資源，也增加了使用的趣味性；自適應椅背伸縮等機械結構的設計，令可輔助轉(zhuǎn)移的多姿態(tài)智能輪椅在傳統(tǒng)輪椅基礎上進一步擴展了使用功能，具有良好的實用價值。

參考文獻

[1] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊：起重運輸機械零部件[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2] 李振清.機械設計簡明手冊[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1993.

[3] 楊可楨.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社，1979.

[4] 李哲英.電子技術及其應用基礎[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 戴雅麗.自動控制原理與系統(tǒng)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2005.

[6] 林濤.數(shù)學電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2006.

[7] 藺海榮.材料力學[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.