医护轮椅爬楼梯轨道技术的图形仿真与教学探讨

摘 要：图形仿真与教学探讨有着一定的关联。一方面，对医护轮椅爬楼梯的轨道技术，进行图形仿真设计的分析，说明该技术容易投入生产，以及产品走向市场，对现实医护轮椅爬楼梯所遇到的问题，得到实际性的解决；另一方面，该图形仿真设计的分析，对大学里医疗设备研究和开发的教学，起着探讨的作用。

关键词：医护轮椅 轨道技术 图形仿真设计 教学探讨

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0237-03

目前，在中小城市里，楼层不高，只能依靠步行楼梯爬到相应楼层的现象，还是比较多的，于是医院在急救走路不便的病人时，为了克服步行楼梯带来的问题而用了一些办法，有的用两人抬担架的办法，有的用两人抬轮椅进行摸索爬楼梯的办法……但是效果都不理想，比如：受力过重的人会难以支撑的问题，效率低下的问题，容易造成病人激烈震动的问题，都有待解决。该次图形仿真也就是医护轮椅爬楼梯的轨道技术，就是一个较好地解决方案，并且它在医疗设备的教学上，具有一定探讨性的价值。

1 相关仿真图

图1～图4都是用Pro ENGINEER按照1∶1进行实物仿真设计。图1主要是说明该技术进行实物生产和投入市场后，在现实中使用的效果及相关细节，当然，如果人坐在医护轮椅上，是要加上安全防护套；图2主要是反映轮子在行驶过程中，受到鼓式刹车装置与弹柱锁的控制作用；图3主要是介绍弹柱锁运动的原理以及具有拆解维护性的作用；图4主要是介绍手把运动的原理，以及通过钢丝绳对鼓式刹车装置和弹柱锁的控制[1]。

2 医护轮椅依靠轨道爬楼梯的整体分析

如图1和图2所示，楼梯上架着的双轨道，除了自身受到楼梯接触部分的支撑，还以4根大螺柱垂直于双轨道的方向，通过内置螺纹的空心柱旋转定位，进行辅助性地支撑，再加上双轨道1和双轨道2可以进行灵活伸缩固定配合，如图1的截面细节，以致双轨道能够寻找楼梯更好地支撑点，在面对凹凸不平的斜面楼梯时，就有效地解决双轨道受到的支撑力不均匀，容易滑动的现象；双轨道的两侧都有与轮胎接触的平面和与齿轮配合接触的直齿条，医护轮椅前部分的两小轮，只有轮胎与双轨道的轮胎接触面接触，而后部分的两大轮，除了有轮胎与双轨道的轮胎接触面接触以外，还有齿轮与双轨道的直齿条配合接触，如图1中的细节1，而齿轮和轮胎上的支架是通过螺柱固定在一起，齿轮和轮胎具有共同转动的性能，这样医护轮椅在人为控制下，在斜面轨道上行驶时，轮胎主要是受力支撑的作用，而齿轮与直齿条的齿合转动主要是控制医护轮椅前进的速度，如果齿轮停止转动，轮胎也停止转动，齿轮会受到直齿条的阻碍，导致轮胎无法滑行，促使医护轮椅无法前进。安装在医护轮椅上的两个刹车手把，通过各自的两条钢丝绳，其中一条控制鼓式刹车装置（此装置市场比较普遍，且刹车技术很成熟），可以控制医护轮椅慢速均匀向前行驶，另一条则控制弹柱锁，当人的手放开先前紧夹压的手把时，弹柱锁在弹簧的作用下，都会把弹柱杆弹进齿轮的弹柱锁孔里，致使齿轮无法转动，从而实现自锁，促使医护轮椅安全停下来，当然，医护轮椅快速行驶是除外，快速是很容易产生安全事故。

3 轨道的技术分析

3.1 常用轨道配置的整体尺寸与质量

如图1和图2所示，一般楼梯的斜面长度都在3 000 mm左右，本双轨道1和双轨道2都焊接齿高为10 mm的直齿条板块，两个双轨道配合伸缩固定的范围为2 300～3 600 mm，伸缩步长为100 mm，板块材料厚度为4 mm，两个配合的双轨道从左轨到右轨，截面宽度为750 mm，截面高度为79 mm，其中双轨道1的长度为2100 mm，双轨道2的长度为1 mm800 mm，双轨道2的左轨和右轨的侧壁上各有16个螺柱孔，都相对应焊接上固定螺母，每两个螺柱孔的距离为100 mm，也就是伸缩步长，如图1的细节2，分别用8根螺柱即可固定装配；顶部独立的两个无直齿条的转动轨道（起接引医护轮椅轮子开向双轨道的作用），长度为300 mm；双轨道2比双轨道1多一个和自身同样长的焊接支撑板，如图1的截面细节，该支撑板只是受力支撑的作用，故接触底面可以冲压多孔型，以减轻其重量。这就是对于斜面长度为3 000 mm左右楼梯常用的轨道配置，考虑需要人为方便搬动轨道和轨道受压的原因，而型号为2014，密度为2.7000000e-06kg/mm3的廉价的铝合金，远远轻于钢铁，但是又有着钢铁般的强度和硬度，常常被应用于高强度和高硬度（包括高温）的场合，故轨道材料选择此种铝合金。经过Pro ENGINEER对上述的常用的轨道配置进行模型分析，得出其质量属性为34 kg，这对于两人灵活搬动轨道爬上爬下楼梯的要求，已经是很适合了。

3.2 面对复杂楼梯的解决方案

面对复杂的楼梯，如斜面凹凸不平和斜面长度过长的情况，这里都要设法解决。斜面凹凸不平，前面有提过；斜面长度过长，也就是超过常用轨道配置的3 600 mm，则考虑在双轨道1的底部接上外加双轨道，并用钣金和螺柱螺母固定，外加双轨道的长度设有1 000 mm和2 100 mm两类，其轨道上的细节和双轨道1是一致，实质上就是常用轨道配置中，双轨道1底部的延伸，然后用两根大螺柱配合在外加双轨道顶部的内置螺纹的空心柱上，起辅助性支撑的作用。用Pro ENGINEER进行模拟分析，当接上1 000 mm的外加双轨道时，整个轨道的伸缩长度为3 300～4 600 mm，质量为44 kg，当接上2 100 mm的外加双轨道时，整个轨道的伸缩长度为4 400 mm～5 700 mm，质量为50.1 kg。

3.3 轨道的安全实验测试方案

现实中，一般铝合金轮椅的质量大约为15 kg，这里设为25 kg，一般成年人的质量大约为70 kg，这里设为100 kg，那么人坐在医护轮椅上的总质量则为125 kg。在受压的情况下，轨道的安全实验测试，应该找其脆弱点进行测试。首先，让铝合金直齿条的齿厚方向，承受125 kg乘以10所得的压力，具体是分别用不同的齿厚进行受压，记下齿条的变形情况，选取没有变形的齿厚；其次，把不同厚度的铝合金板块制造成轨道，焊接上直齿条板块，整个轨道用螺柱固定接好的长度为5 700 mm，用6根大螺柱把轨道支起来，由于外加轨道的底部没有设计大螺柱支撑，故在底部，需要用其他物体做辅助性支撑，其结果让轨道平稳悬空且轨道平面垂直于重力方向，最后把总质量为125 kg的轮椅，放在轨道上面来回移动，记下轨道的变形情况，选取没有变形的板块厚度，预测很接近4 mm。

4 弹柱锁的技术分析

如图3弹柱锁结构所示，在钢丝绳拉动的作用下拉动弹柱杆，弹簧受压进行压缩，弹柱杆往后移动，此时医护轮椅后轮支架上的弹柱杆离开齿轮上的弹柱锁孔，齿轮和轮胎可以转动；在钢丝绳松开拉动的作用下，由于先前压缩着的弹簧，在自身具有回复力的作用下，促使弹柱杆向前移动，此时医护轮椅后轮支架上的弹柱杆进入齿轮的弹柱锁孔，齿轮和轮胎停止转动。当弹柱杆中部的螺柱和尾部的调节螺母被扭出时，弹柱杆连同焊接在一起的防转杆和长螺母，通过支架2上相对应的组合孔被移出，活动挡板直接在内部卸下，此时可以进行更换弹簧方面的维护。弹柱锁的外部可以用薄片装配。

5 刹车手把的技术分析

如图1所示，两个刹车手把被安装在医护轮椅上的两个推杆上，分别由人的左右手控制，每个刹车手把都控制两条钢丝绳，这两条钢丝绳又分别控制弹柱锁和鼓式刹车装置。如图4，当刹车手把通过旋转轴向上移动，也就是人的手紧抓压刹车手把时，两条钢丝绳均通过旋转轴的旋转被拉动，进而拉动弹柱锁和鼓式刹车装置的相关控制部件。钢丝绳在弹柱锁和鼓式刹车装置的装配要求，必须与图4的技术同步，当刹车手把向上移动并进入凹槽卡住时，弹柱锁的弹柱杆离开弹柱锁孔，也就是解锁，医护轮椅的后轮可以转动，这个凹槽设计，实质上是解决该医护轮椅能够在平地上方便行驶的问题；当刹车手把离开凹槽继续向上移动时，鼓式刹车装置的弹簧在钢丝绳的作用下进行压缩，其运作原理与弹柱锁相似，导致相关部件进入刹车状态，并马上进入临界点，即楼梯斜面向下的滑动力等于鼓式刹车装置产生的与之相反的摩擦力，这时人很容易控制医护轮椅在楼梯轨道上慢速均匀行驶；当人松开刹车手把时，刹车手把自动回到原来的状态，鼓式刹车装置复位，不起刹车的作用，弹柱锁也实现自锁的功能，这时医护轮椅的后轮也停止转动。

6 医疗设备的教学探讨

大学教学的目的之一，是让学生毕业进入社会后，能够把理论知识和技术带进社会实践中去，并与社会实践相结合，然后通过社会实践，把相关问题反馈于教学，从而促使教学的完善。医疗设备从原来的人工化，走向自动化、信息化，将来还要走向智能化，图形仿真技术的设计，虽然在此设计的是“医护轮椅爬楼梯的轨道技术”，其主体属于医疗设备的人工化，但辅助性设计方面毕竟是利用了信息化技术，如，Pro ENGINEER，对此类仿真软件，将来还有望进一步发展[2]，或许还可以实现智能化的仿真，我们可以从该图形仿真设计的经验中，推广到医疗设备的研发，它的优点使医疗设备的模型与功能实现模拟，可以事先跟客户做友好的沟通，可以使研究与开发过程减少很多的错误，从而提高生产效率。编程技术可以集成软件，是信息化的主体，更是智能化不可跨越的阶段，在现实的医疗设备开发中，很多人也因此只重视编程技术，忽略了图形仿真技术的上述优点，从而造成很多不必要的麻烦。所以，图形仿真在社会实践中具有一定的作用，大学在面向医疗设备专业教学的方面，应给予重视，牢牢抓住编程技术这个“核心”和图形仿真技术这个“外壳”之间的关系[3]。

7 结语

通过对医护轮椅爬楼梯的轨道技术，进行图形仿真的分析和实验安全的测试，说明了其在理论和实践中，具有一定的可行性，值得生产。该图形仿真技术，可以推广到大学医疗设备专业的教学，使其和编程技术相结合，再应用到社会医疗设备的研发技术，进而提高医疗设备研发的商业价值。

参考文献

[1] 张瑞东.在三维CAD软件中建立空间几何元素模型的研究[J].测试技术学报，2011，25（3）：217-222.

[2] 李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势[J].模具工业，2005（7）：9-12.

[3] 龙超.关于计算机技术在工业上应用的教学[J].软件，2014，35（3）：227-228.