新型多功能助老旋转爬楼轮椅设计

姜渊文JIANG Yuan-wen；丁文DING Wen；李爽LI Shuang；刘广堂LIU Guang-tang；栾雨翰LUAN Yu-han；高兴军GAO Xing-jun

（辽宁石油化工大学机械工程学院，抚顺113001）

0 引言

随着中国经济快速的发展，所有中国公民生活质量也逐渐提高，中国老年化现状是老年化越来越严重，而这些老年人的子女都在忙碌自己事业很少陪伴在自己父母的身边，可想而知，当人到达一定年龄的时候不管在生活方面还是在行走方面都会带来一定困扰，根据国家2019年老龄化人口报告显示：其中孤寡老人占非常大的比重，所以我们设计一种能方便孤寡老人智能轮椅，目的是让所有独自生活的老人能照顾好自己，减少子女对他们的担心。

1 市场分析

由于老年人和残疾人数量明显增加给经济，社会的发展带来了巨大的影响，医疗、护理、社会服务等方面需求压力越来越大，从而推进了助老助残机械的发展。在爬楼梯轮椅的研究方面，国外开始的比较早。

近几十年来国外的高校以及相关的科研机构提出了许多不同爬楼梯轮椅的方案，目前部分方案已经实现了产品化，在生活中得到了应用，相比而言，国内对于爬楼梯轮椅的研究基础比较落后、起步晚，随着近些年来国内高校和企业的深入研究，虽然已经有了一定的成果，但是在技术上还是不成熟，没能实现爬梯轮椅的产品化，现阶段能够看到的爬楼梯轮椅产品几乎都是从国外进口的状况。针对国内外现有较成熟的爬楼梯轮椅的原理，我们可以把它们分为：腿足式爬校惊轮椅、行星轮式爬棱梯轮椅、履带式爬楼梯轮椅、复合式爬楼梯轮椅以及其它爬楼梯装置，以上各种爬楼梯轮椅在实现爬楼梯方面都有各自的优势，但同时也有相应的局限。

2 设计方案

2.1 工作原理

该轮椅主要具备座位旋转与爬楼功能。正常运行时，保持如图1 姿态，三角轮后驱，转向轮前驱。当遇到楼梯的，启动座椅旋转按钮，座椅旋转180°，此时三角轮变为前驱，开始攀爬台阶，爬楼梯台阶过程中，三个轮子交替攀爬，若攀爬过程中动力不足，三角轮启动制动装置，停止攀爬，保证老人安全。此外增加紧急救助功能，当老人遇到紧急情况，可以通过手动折叠转换为可推动担架姿态，方便医护人员操作。

2.2 机械系统设计

2.2.1 三角轮机械结构设计

三角轮轮毂平面图如图1 所示，当轮椅攀爬台阶或者平地行走时，由电机提供动力通过锥齿轮把动力传送到传送杆，然后传送杆带动中心齿轮1，中心齿轮1 再带动齿轮2、3、4 实现三角轮的运转。

2.2.2 升降座椅机械结构设计

采用电动升杆升降装置，具有结构紧凑、体积小、无噪音、安装方便等的特点。当需要升降座椅时，点击按钮，驱动轮椅上升或下降，再次点击按钮停止升降。

2.2.3 轮椅旋转机械结构设计

轮椅底座采用内齿式双排异径球轴承，以此来控制轮椅的旋转。后背与挡板通过电动推杆调节倾斜程度。

2.3 控制系统设计

图1 型心三脚轮

轮椅采用两种控制模式：主动控制模式，使用者可以通过操纵面板上手动控制，操纵面板上设有按钮和操纵杆；智能控制模式，通过轮椅本身在外界环境影响下或者轮椅本身出现故障，轮椅自动开启智能控制，由轮椅面板发生器发出求助装置，并由电信号传入操纵面板，提醒使用者采取紧急控制功能，确保人的安全。同时我们将采取两种模式替换功能，当自主操作信号强于设定安全信号时，将自动变为智能操作模式，更加方便使用。

控制面板：控制面板通过一键操控原理进行设计，把轮椅的各种功能按键放在操纵面板上，同时按键时带有语音提示功能，并在按键处设置功能彩图，方便老年人识别，对老年人来说也能增加该轮椅的实用性。如图2 所示。

图2 电路控制图

3 设计计算

3.1 电动机类型选择

根据工作条件选择单相电动机，电压为220V。

3.2 传动装置的效率

锥齿轮η1=0.95，锥齿轮η2=0.95，圆柱齿轮η3=0.97，圆柱齿轮η4=0.97，工作及ηw=0.97，则传动效率ηa=η1×η2×η3×η4×ηw=0.82。

3.3 电动机功率的确定

按照工作条件，轮椅最大速度不能超过2.7m/s，则取v=2m/s，一个老人平均体重在65kg 左右，取牵引力F=800N。

工作机所需功率为：

电动机所需额定功率：

进行综合考虑价格、重量、传动比等因素， 选定电机型号为90YT40GV22 单相电动机，额定功率Pen=2.2kW，输出转速nt=1450r/min。（图3）

图3 新型多功能助老旋转爬楼轮椅二维装配图

4 结语

该装置的三脚轮以三轮相互交替的方式上楼，提高了上楼的稳定性。在爬楼时，若发生轮椅没电等突发状况，各轮自动锁死不发生移动，使轮椅牢牢卡在楼梯之上；轮椅座椅下有旋转装置，可以让座椅随意变换方向，方便老人进出门后方便进行各方向的移动；中间部分采用液压升降系统，方便了老人自己调节轮椅高度，方便老人独立调节高度，增加老人舒适度；前后档板均有电动推杆，可以平躺方便老人直接从床上到轮椅上，也可以让老人直接躺下来休息，全程可独立操作；动力装置采用操作简单、安全可靠的电动机装置，易于拆卸、维护，可实现自动和手动两种操作。