一體式自動(dòng)轉(zhuǎn)換輪椅床的設(shè)計(jì)與研究

付 強(qiáng) 劉 鵬 馮根昌 王佳旭 黃金源 趙藝峰

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河北 保定071000）

1 項(xiàng)目背景

由于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，生活醫(yī)療質(zhì)量提高了很多，人類(lèi)的壽命正逐漸提高,各國(guó)老年人口也不斷增加。至此，當(dāng)今高齡化的社會(huì)結(jié)構(gòu)已然成為世界各國(guó)的重大挑戰(zhàn)。所以如今對(duì)于失能老人和病人的照料與看護(hù)問(wèn)題成為了越來(lái)越突出的社會(huì)問(wèn)題。針對(duì)這些年長(zhǎng)或行動(dòng)不方便的人群而言，看護(hù)床與輪椅是失能老人和病人最依賴的兩個(gè)工具。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家（日本、德國(guó)等）于20 世紀(jì)70 年代已有成熟設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)還是一項(xiàng)空白。如今，普通輪椅一般由輪椅架、車(chē)輪、剎車(chē)裝置及座靠四部分組成；手搖輪椅在普通輪椅基礎(chǔ)上，增加手搖裝置；電動(dòng)輪椅是為傷殘人及行動(dòng)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(hù)設(shè)備都不能做到兩者的有效結(jié)合，大多數(shù)是簡(jiǎn)單將床分為2-3個(gè)板塊，由電推桿可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)抬背功能。在照顧失能老人和病人的過(guò)程中仍然需要醫(yī)護(hù)人員將病人在病床和輪椅上轉(zhuǎn)移，這樣不僅增加了病人二次受傷的風(fēng)險(xiǎn)，也加重了醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。因此他們將不適合使用現(xiàn)有產(chǎn)品，具有一定自動(dòng)互換功能的一體式輪椅床就十分必要。針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)了一種多功能助老助殘輪椅床結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)平床模式到坐姿模式轉(zhuǎn)換的操作。這樣實(shí)現(xiàn)了病床和輪椅的有效結(jié)合，并且提高其可靠性、安全性能，達(dá)到半自動(dòng)化的輪椅床一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以更好地配合老人病人的康復(fù)療養(yǎng)，減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。該輪椅床造價(jià)低、使用方便，可自由拼接和拆卸，移動(dòng)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(wù)于更多在家中療養(yǎng)的患者以及行動(dòng)不便的老人，因此我們?cè)O(shè)計(jì)的輪椅一定會(huì)有廣闊的市場(chǎng)。

2 裝置設(shè)計(jì)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(fù)床上進(jìn)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(jìn)行身體健康恢復(fù)。

為實(shí)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(jī)、齒條軌槽、齒輪、直齒條、傳動(dòng)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(xiāo)軸?？祻?fù)床和輪椅的結(jié)合使得空間擴(kuò)展了許多，接著通過(guò)按動(dòng)式旋轉(zhuǎn)鎖扣可將床和輪椅自由分離和結(jié)合，再通過(guò)平行連桿、齒輪齒條、變速電機(jī)的智能精密驅(qū)動(dòng)，使得輪椅部分由平床模式到坐姿模式的轉(zhuǎn)換，接著輪椅五星輪組的機(jī)構(gòu)對(duì)越障和上下樓梯時(shí)較普通輪椅更為方便，實(shí)現(xiàn)了良好的健康靜養(yǎng)、自由出行的身體恢復(fù)效果。

2.2 裝置具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到病患由病床向輪椅轉(zhuǎn)移時(shí)可能發(fā)生二次傷害的風(fēng)險(xiǎn)和造成不必要的麻煩，本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)采用了一種兼容了病床和輪椅的設(shè)計(jì)，它可以實(shí)現(xiàn)從病床中輕易脫離出一張獨(dú)立的輪椅。

圖2 輪椅床側(cè)視圖

圖3 輪椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)視圖

圖4 輪椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)斜視圖

總體來(lái)看，病床的結(jié)構(gòu)采用了三層式的結(jié)構(gòu)，而輪椅方面采用雙層，分別與病床的1、2 層對(duì)應(yīng)，病床的最后一層起到固定輪椅和方便輪椅結(jié)構(gòu)的作用。當(dāng)輪椅與病床結(jié)合時(shí)，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(jié)構(gòu)特征在于：（1）所述輪椅折疊裝置是由驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分組成，直流電機(jī)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(jī)與傳動(dòng)軸鍵連接，傳動(dòng)軸通過(guò)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(guò)銷(xiāo)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(guò)銷(xiāo)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(guò)銷(xiāo)軸與中間連桿連接，腿板、坐板與輪椅背板通過(guò)銷(xiāo)軸連接。（2）所述的床椅連接裝置是由旋轉(zhuǎn)鎖扣組成，其旋轉(zhuǎn)凹槽、鎖柱分別固定安裝在床板、坐板上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)可以使得床和輪椅自由結(jié)合和分離。（3）所述的樓梯五星輪裝置是輪椅支撐桿通過(guò)銷(xiāo)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(tái)階，從而保證安全可靠性。此外，在輪椅設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到需要符合人體工程學(xué)，按病床的設(shè)計(jì)尺寸標(biāo)準(zhǔn)以及輪椅的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)輪椅的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。輪椅平床模式時(shí)整體長(zhǎng)1900mm 以讓裝置設(shè)計(jì)滿足90%人群的使用要求，整體寬度為600mm，座位太窄會(huì)造成臀部及大腿組織受到壓迫，太寬則會(huì)使得輪椅操作不方便，更具體的，背板長(zhǎng)度最長(zhǎng)720mm、坐板長(zhǎng)度為500mm 腿板為400mm,腳板長(zhǎng)度為230mm。

輪椅在平地上運(yùn)動(dòng)，是靠五星輪的兩個(gè)輪著地和中間輪起支撐作用達(dá)到運(yùn)動(dòng)，此時(shí)五星輪中心軸與銷(xiāo)軸固定，每個(gè)小輪和支桿可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)平地上360°防打滑轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)測(cè)量樓梯的臺(tái)階長(zhǎng)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(tái)階，其前面四個(gè)小輪起到支撐和導(dǎo)向順滑作用從而保證輪椅在上下樓的安全。輪椅在上樓過(guò)程中按下上樓的按鈕，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)五星輪中的小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于其結(jié)構(gòu)和角度的合理性，每上一臺(tái)階就會(huì)停頓1s,這樣就可以平穩(wěn)上樓。

2.3 裝置具體實(shí)施方式

如圖1、圖2、圖3，一種多功能助老助殘輪椅床結(jié)構(gòu)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(dòng)軸7、直流電機(jī)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(xiāo)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(shí)，輪椅和床是拼接在一起的，在想要出行時(shí)，可按動(dòng)滑動(dòng)鎖扣4 使之分離，接著按下啟動(dòng)按鈕，電機(jī)8 開(kāi)始驅(qū)動(dòng)，即將轉(zhuǎn)換成輪椅模式，這樣由直流電機(jī)8通過(guò)傳動(dòng)軸7 帶動(dòng)齒輪在直齒條6 上左右傳動(dòng)，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(dòng)會(huì)使豎直滑桿左右移動(dòng)，這樣橫向滑桿就會(huì)上下滑動(dòng)，使得上方鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)10 中的連桿會(huì)左右平行移動(dòng)，通過(guò)銷(xiāo)軸15 接著帶動(dòng)雙擺桿同角度平穩(wěn)擺動(dòng)，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(huì)隨著雙擺桿旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，擺動(dòng)到與輪椅架貼穩(wěn)的位置會(huì)自動(dòng)停止，這樣就完成了輪椅部分由平床模式到坐姿模式的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)分離后，平地上可以通過(guò)萬(wàn)向輪運(yùn)行，輪椅五星輪9 在上下樓中會(huì)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，下樓時(shí)其中兩輪分別在兩臺(tái)階著地，其中一輪起支撐作用，合理的結(jié)構(gòu)角度設(shè)計(jì)從而保證安全可靠性。

3 功能及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 通過(guò)變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條精密傳動(dòng)、平行連桿穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)使其穩(wěn)定地由平床模式到坐姿模式的轉(zhuǎn)換。

3.2 輪椅五星輪組的機(jī)構(gòu)對(duì)越障和上下樓梯時(shí)較普通輪椅更為方便。當(dāng)遇到臺(tái)階時(shí)，其旋轉(zhuǎn)角度會(huì)剛好與臺(tái)階相嚙合，此時(shí)伺服電機(jī)開(kāi)始進(jìn)行智能調(diào)速，由閉環(huán)控制反饋電路時(shí)刻的檢測(cè)，五星輪旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，在下臺(tái)階時(shí)不會(huì)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(jié)合避免了單床的空間狹隘，這樣空間的擴(kuò)大可以實(shí)施多種療養(yǎng)功能的布置，如進(jìn)餐、吃藥等等。

4 結(jié)論

該輪椅床安全性能強(qiáng)，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(zhuǎn)換為輪椅模式，這樣就可以去戶外出行通風(fēng)散步，另外，無(wú)論遇到樓梯、障礙物時(shí)，萬(wàn)向輪和五星輪的結(jié)合機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)平地?fù)裣?、上下樓梯和越過(guò)障礙物功能，解決了原病床只能抬背式靜養(yǎng)的問(wèn)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(hù)人員的負(fù)擔(dān)。當(dāng)然由以上創(chuàng)新點(diǎn)創(chuàng)造的優(yōu)勢(shì)，可以適當(dāng)?shù)奶砑有└郊庸δ苋缗渌?、按摩、腕式血壓心率測(cè)試，這樣就會(huì)使得輪椅床成為養(yǎng)老助老一體式機(jī)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(jié)構(gòu)更好地結(jié)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(cè)試等可以通過(guò)語(yǔ)音控制實(shí)現(xiàn)。

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