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-腿復合式、輪-履復合式、輪-腿-履復合式等，其控制系統(tǒng)復雜，設計研發(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?？紤]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)設備，既降低了輪椅的操作難度，又增加了安全性能。