德州學(xué)院 劉睿智 王志坤 王志勇

1 方便上下樓梯的代步車的設(shè)計方案

1.1 設(shè)計靈感

在世界上，方便上下樓梯的老年代步車的研究已經(jīng)有將近百年的歷史了，也提出了多種老年代步車上下樓梯的解決方案。在已有的上下樓梯解決方案當中，有連續(xù)式上下樓梯方案，例如履帶式；有間歇式上下樓梯的解決方案，例如步進式。在這些解決方案當中，由于星輪式上下樓梯的老年代步車既可以平地行走，又可以平穩(wěn)地上下樓梯，而且結(jié)構(gòu)精細，體積小巧，其效率較高，操作相對來說比較簡單，是較理想的上下樓梯解決方案。代步車是傷殘人士和老年人必不可少的輔助行走工具，但由于傷殘人士和老年人身體相對較弱，且較多無經(jīng)濟能力，收入有限，因此，要求代步車小巧輕便可折疊，易于老年人操作使用，可以在疲勞時提供舒適的休息座椅。

1.2 設(shè)計原理

該代步車主要由防滑扶手、左右支架、橫向固定板、防滑墊升降座桿、星形四輪與不銹鋼座椅和坐墊組成。相較于其他代步車而言，其主要創(chuàng)新點在該代步車上下樓時通過星形四輪的應(yīng)用，可以更加方便省力，與普通代步車（如圖1 普通代步車、圖2普通代步車越障示意圖）上下樓時的不方便形成了鮮明對比，主要適用于老年人群體和傷殘人士，用于幫助老年人行走和傷殘人士做一些簡單的康復(fù)訓(xùn)練等。

圖1 普通代步車

圖2 普通代步車越障示意圖

1.3 工作原理

該代步車運用到輪系及其設(shè)計、機械運動力學(xué)和平衡力學(xué)等原理。星形輪的運用是對代步車的一種改進，可以通過星輪圍繞輪子中心軸承的轉(zhuǎn)動來達到上下樓梯的目的（如圖3 星輪與升降座桿連接圖、圖4 星形輪轂）。另外其具備一般代步車通過左右支架支撐體重、上提重心的作用；防滑扶手可以一定程度上避免因手滑握不住支架對使用者造成傷害；不銹鋼座椅和坐墊可以在使用者疲勞時提供休息座椅；防滑墊升降座桿共有四根，可根據(jù)使用者身高調(diào)節(jié)代步車高度，四根座桿呈方形，在承重時可以保持使用者立位、步行或休息時的平衡，更加安全，可根據(jù)使用者身高調(diào)節(jié)代步車高度。在不使用時，可以對車身進行折疊，減少代步車的占地空間，方便包裝攜帶。

圖3 星輪與升降座桿連接圖

圖4 星形輪轂

圖5 遇障運轉(zhuǎn)圖

如圖5 所示，當遇到障礙物時，星輪會如圖中的軌跡繞中心運轉(zhuǎn)來跨越障礙。平衡公式：

注：N1彈力、N2彈力分別為接觸地面的輪 1、輪 2 和地面之間的接觸彈力，N3為后支撐桿的彈力，F(xiàn)推力1、F推力2分別為接觸地面的輪1 和輪2 所受到的推力，G 為底盤所受壓力，a 為輪子垂直于受力平面的平面和障礙物最高處水平面有關(guān)的夾角。

假設(shè)摩擦力忽略不計，即F 摩擦力=0，且著地的兩個輪子所受的推力為同一使用者施加的，則轉(zhuǎn)矩相等，而每兩個相近的輪子圓心距離為D，輪子的直徑為d，后輪到后座桿的距離為H，障礙物高度為 h，a 為 45°，L 為轉(zhuǎn)臂長度。

所以hmax≤D 時，星輪可以越過障礙。

由公式可知所需推力很小，方便老年人和傷殘人群使用。

在下樓時，該代步車的星輪上安裝有剎車裝置，后支架下裝有防滑墊，星輪到達下一臺階且已穩(wěn)定時，進行剎車制動，后支架觸地，雙手握住防滑扶手支撐身體到達下一階梯，重復(fù)此操作下樓，避免老年人在使用該代步車下樓時滑倒摔傷。該代步車具備了普通醫(yī)用護理代步車輔助病人進行康復(fù)訓(xùn)練作用的同時，節(jié)省了一定的看護時間。

1.4 產(chǎn)品尺寸（見表 1）

表1 產(chǎn)品尺寸

1.5 本機優(yōu)勢

（1）平穩(wěn)避障，上下樓梯。

（2）提供舒適座椅。

（3）防滑防摔。

（4）制作成本低。

（5）結(jié)構(gòu)緊湊，功能單一，簡單易用。

（6）可折疊，易包裝攜帶。

2 創(chuàng)新點

（1）星輪式輪轂的應(yīng)用。

（2）過障時更加平穩(wěn)省力。

3 結(jié)論

該代步車可以在幫助老人行走的同時實現(xiàn)平穩(wěn)過障、上下樓梯的目的，節(jié)省了照顧這類人群所需的部分時間。該代步車制作成本低，易生產(chǎn)，可滿足社會需求。星輪處設(shè)有剎車設(shè)施，后支撐桿底座安置防滑墊圈，可防止老年人滑倒摔傷。因此該老年代步車的星輪設(shè)計在輔助老年人行走、上下樓梯的同時，也能減輕醫(yī)護人員和家人的壓力。