一种攀爬式轮椅与防护装置

周建萍，王家珂，田万英，杨 静

(扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

如今大部分残疾人与行动不便的老人只能依靠轮椅来行动，但是目前市面上的轮椅都没有保护装置，在上下楼梯时，患者由于受力不同身体会前倾，一不小心会直接从轮椅上摔下，造成严重的后果。为此本文设计了一种攀爬式轮椅与防护装置，以便有效地保护患者免受伤害。

1 攀爬式轮椅与防护装置

1.1 总体设计

攀爬式轮椅与防护装置整体包括轮椅和防护装置，防护装置主要由收卷装置与气囊组成，其整体结构如图1所示。

1-气囊；2-滑块；3-第二滑槽；4-卡扣；5-弧形杆；6-轮椅；7-管道；8-支架；9-卷盘；10-安装板；11-支管；12-连接杆；13-底板；14-第一滑槽；15-固定杆

与传统轮椅相比，本设计可以更好地在上下楼梯时保护好患者，并且与其他防护装置相比成本更低，在平地使用时不妨碍患者，不会给患者带来视觉方面的困扰。防护装置在一定程度上弥补了攀爬装置的不足，利用防护可以使患者在上下楼梯时更加安全。

该装置的工作原理如下：上下楼梯时打开气囊1，由于轮椅被多个气囊1阻挡，当前倾而造成摔跤时，患者前方被气囊1阻挡，不会直接与地面接触，增加了安全性，在气囊1被拉扯至轮椅前方时，收卷装置(如图2所示)上的弹簧16处于扭转状态；当轮椅在平地上移动时，将卡扣4从卡槽中移出，这时，通过弹簧16的反扭转力能带动卷盘9反向旋转，卷盘9的旋转带动了第二钢丝绳18，使第二钢丝绳18收卷回到卷盘9上，第二钢丝绳18的拉动带动了滑块2，且由于滑块2与滑块2之间通过第一钢丝绳连接，从而第二钢丝绳18能拖动全部的滑块2，滑块2的移动带动了气囊1，使气囊1沿着第一滑槽14和第二滑槽3移动至底板13上方，有效地将气囊1收起。再需要上下楼梯时，向上拉气囊1，直至使卡扣4重新插入卡槽中，使得多个气囊1重新分布于轮椅前方。

1.2 收卷装置设计

收卷装置如图2所示，由安装板10、U型结构的支架8、两个卷盘9、两根第二钢丝绳18、两个弹簧16、一个轴杆、一根管道7和两根支管11等组成。安装板10通过螺栓固定于底板13的右侧面上，支架8通过螺栓固定于安装板10的表面上，支架8内部的相对面上均嵌入式安装一轴承17，轴杆位于支架8内部，轴杆的两端均插入轴承17的内环中，并均与内环焊接固定，两个卷盘9均焊接固定于轴杆上，管道7设置于支架8的左侧，管道7下端通过支撑杆固定于底板13的表面上，两根支管11焊接固定于管道7的左侧，支管11一端均向外弯曲，直至延伸至第一滑槽14中，两根第二钢丝绳18分别盘绕于卷盘9上，两根第二钢丝绳18一端均穿过管道7，一左一右延伸至支管11中，并顺着支管11延伸至第一滑槽14中，直至与最下端的滑块2焊接固定，两个弹簧16分别套设于轴杆两侧，两个弹簧16一端均焊接固定于卷盘9上、另一端均焊接固定于支架8上，通过支管11能有效地将两根第二钢丝绳18分开，避免其缠绕在一起。

7-管道；8-U型结构的支架；9-卷盘；10-安装板；11-支管；16-弹簧；17-轴承；18-第二钢丝绳

2 运动方式的选择

综合国内外的攀爬轮椅产品和设计，根据攀爬轮椅爬楼过程工作方法的不同，可以将其划分为腿足式、轮组式、履带式、复合式四种主要模式。

早期的攀爬轮椅一般都采用腿足式，但它对操控者操作要求很高，操作比较复杂，在平地行走时动作缓慢。

轮组式攀爬装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式和四轮组式，由于其安全可靠性较低、体积较大，且有难以适应不同尺寸楼梯台阶等缺陷，因此普及度不是很高。

履带式攀爬装置的原理类似于坦克，履带式结构传动效率比较高、运动非常平稳，且使用地形范围较广，但其重量过大、运动不够灵活、爬楼时会对楼梯边缘造成巨大压力，对楼梯有一定的损坏，且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便。

复合式攀爬轮椅，顾名思义，是综合以上三种形式，揉合形成一种新型的形式，例如轮-腿复合式、轮-履复合式、轮-腿-履复合式等，其控制系统复杂，设计研发及生产制造的成本较高。几种攀爬轮椅的特点如表1所示。

由表1可以看出，轮组式攀爬机构有很好的结合优势，且其运动形式灵活，在无障碍环境下具有较好的行动性能，易于实现平地-爬楼模式功能转换，造价相对较低。

表1 几种攀爬轮椅的特点

3 气囊材料的选择

气囊材料一般选择透明柔软的材料，通过调研我们采用环保的橡胶或硅胶材料制作，环保无毒，质量稳定，具有弹性高、耐磨性好、耐屈、耐老化、抗撕裂等特点，可适合高低温环境下使用，符合防护装置的使用性能，能够折叠与延伸。

4 电机的选择

市场上为电机提供的电源一般为单相、三相、直流电等。考虑电机的工作环境为家用，无粉尘，不潮湿，温度适宜，最终选择伺服电机。伺服电机抗过载能力强，能承受3倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速启动的场合特别适用，而轮椅正需要这种特性。伺服电机低速运行平稳，不会产生类似于步进电机的步进运行现象，并且伺服电机的发热和噪声问题明显较低。

本设计的所有零件及装配图已经进行了三维建模，样机正在制作中，其三维模型如图3所示。

图3 攀爬式轮椅及防护装置三维实体模型

5 结束语

本文所设计的轮椅与防护装置弥补了如今轮椅存在的缺少防护的问题。相对于传统设备，既降低了轮椅的操作难度，又增加了安全性能。