一种兼具爬梯和辅助起身的多功能轮椅设计概述

一种兼具爬梯和辅助起身的多功能轮椅设计概述

作者：俞振炀林子涵林宇灿杨塞

来源：《科学与信息化》2020年第07期

摘要为了满足日益增长的老年人群体和残疾群体等对辅助轮椅的需求，本文利用三轮式行星轮结构和连杆机构设计了一款方便实用、结构紧凑，能够实现爬梯和辅助起身功能的多功能轮椅。首先对轮椅整体结构进行介绍，然后分别介绍了能够实现爬梯和辅助起身功能的结构设计。

关键词轮椅;爬梯;行星轮;连杆滑块机构

前言

我国目前已有两亿五千多万老年人口和每年上亿的伤病人口，超过八千五百万残疾人口[1]。因此我国是世界上辅助器具需求最多、市场潜力最大的国家。随着材料领域技术的不断发展，更多的专业级、功能特性突出的轮椅产品在市场上不断涌现。但是目前市场在生活辅助轮椅方面缺少性价比突出的产品，现有智能轮椅产品大多系统复杂、功能碎片化。因此为了解决老龄人群、残疾人士以及伤病人群起身、如厕、户外行动不便等问题，研制一款操作方便、功能实用的生活辅助轮椅的需求日益增长。

1 现状分析

目前在康复设备的研发领域，日本、欧美等发达国家研究较早较深。这些国家的智能辅助轮椅能够与康复医学、临床医学、人机工程学以及工业设计等领域相结合，推向市场后获得极大的利润，同时市场利润反哺科研机构进行循环，已具备相对完善的产业链[2]。在国内，也有一部分学者和企业展开了对辅助轮椅的研究，并取得了一些成果。但是，由于目前已經上市或者正在研发的辅助轮椅，必须使用大量的机械结构、电气设备和供电系统，才能支撑起患者完成相应动作，使用不太方便。而且设计制造成本较高，价格十分昂贵。

综上看来，我们急需研制新型的、安全可靠和经济实用的多功能生活辅助轮椅，可以帮助老年人、残疾人和伤病人士解决日常生活难题，并且改善他们的生活质量。

2 整体结构介绍

为了实现爬梯功能及辅助起身功能，同时保证结构紧凑，操作灵活，该轮椅采用左右对称布置，主要由轮椅架、可拆卸式坐垫、靠垫、两组三轮式行星轮、两组万向轮、两组连杆机构、两组电机驱动系统、一套控制操作系统组成。

轮椅模型如图1所示。轮椅总体尺寸为轮椅靠背800mm，座椅长550mm，轮椅宽

430mm，座椅高460mm。

3 功能介绍

3.1 爬梯功能

目前市场上的爬楼梯轮椅的主要类型有履带式、轮组式和步行式[3]，也有学者设计了轮履结合式爬梯轮椅[4]。对已有的各种攀爬机构的优缺点进行分析，综合考虑到结构、成本、安全、舒适等重要的因素之后，决定采用三轮式行星轮结构。

为了满足平地行走及楼梯攀爬的基本要求，传动设计将采用双驱差动控制。即单个行星轮结构有两对齿轮负责驱动，如图所示一对负责驱动星轮旋转，另一对负责驱动行星架翻转。在平地直线行走时只要保证负责驱动星轮旋转的一对的转速和转向相同即可;需要转弯时，使两侧各控制负责驱动星轮旋转的一对齿轮间存在一定的转速差，即可达到灵活转弯的要求;在需要攀爬楼梯时，控制负责驱动行星架翻转的另一对齿轮运转，此时的三个星轮将绕固定的行星架回转，从而达到攀爬楼梯的功能。

本结构设计采用了一种内外轴的形式，即通过内轴（中心轴）驱动星轮旋转，通过外轴（外圈轴）驱动行星架翻转。为了缩小传动齿轮的尺寸大小，本文还在中心齿轮与驱动齿轮之间增加了一个过渡齿轮，这样使行星架里的齿轮传动结构有了紧凑的特点。同时为了增加乘坐者的舒适性，行星轮采用充气轮胎设计，既可以减少攀爬楼梯时带来的震动，也能减少对楼梯的损伤。

3.2 辅助起身功能

考虑到轮椅使用者常常需要起身进行康复训练或是如厕等，由他人辅助或自己起立比较困难，设计了一种连杆滑块机构，能够起到辅助起身的作用，如图2所示。

该结构不同于传统升降台结构[5]坐垫整体抬升，而是通过连杆滑块实现座椅在0到45度之间的单侧翻转，结构更加简单可靠。连杆1左端端与轮椅架固定，中间设有滑块槽，同时另一侧连杆相连，能够实现整个坐垫的翻转。在翻转时，由滑块2处所连接伺服电机带动，移动一段距离带动连杆3和连杆2从而实现坐垫的抬起与放落。

4 结束语

随着老年人口的增长和社会生活水平的提高，多功能辅助轮椅的市场潜力巨大，越来越多的人致力于辅助轮椅的设计与研发。本文所设计的多功能辅助轮椅采用了三轮式行星轮结构和连杆滑块机构，兼具爬梯和辅助起身两大功能，能够更好地满足市场需求。

参考文献

[1] 于娣，邱观建.包容性发展理念下中国残疾人事业政策建构[J].武汉理工大学学报（社会科学版），2019，32（6）：61-66.

[2] 李高峰，肖天骄，吴小高，等.国内外轮椅产品的发展现状及对比分析[J].社会福利（理论版），2020，（2）：9-13.

[3] 周秋雨，邢晓冬.一种新型复合式可爬梯轮椅结构设计与分析[J].机械传动，2019，（2）：74-78.

[4] 王淑坤，孟晓东，尚鸿鹏.一种轮履组合式爬楼轮椅的设计[J].机械传动，2013，37（10）：157-158.

[5] 刘世亮.运动障碍病人辅助起立智能轮椅研究[D].南京：东南大学，2017.

作者简介

俞振炀（1998-），男，浙江杭州人;现就读学校：合肥工业大学机械工程系。