一体式自动转换轮椅床的设计与研究

2021-05-20冯根昌王佳旭黄金源赵艺峰

科学技术创新 2021年12期

付强刘鹏冯根昌王佳旭黄金源赵艺峰

（河北农业大学机电工程学院河北保定071000）

1 项目背景

由于现代医学的发展和进步，生活医疗质量提高了很多，人类的寿命正逐渐提高,各国老年人口也不断增加。至此，当今高龄化的社会结构已然成为世界各国的重大挑战。所以如今对于失能老人和病人的照料与看护问题成为了越来越突出的社会问题。针对这些年长或行动不方便的人群而言，看护床与轮椅是失能老人和病人最依赖的两个工具。

国外发达国家（日本、德国等）于20 世纪70 年代已有成熟设备进入市场，当时在国内还是一项空白。如今，普通轮椅一般由轮椅架、车轮、刹车装置及座靠四部分组成；手摇轮椅在普通轮椅基础上，增加手摇装置；电动轮椅是为伤残人及行动困难者提供的室内外小型代步工具。但是，如今市面上大多数医护设备都不能做到两者的有效结合，大多数是简单将床分为2-3个板块，由电推杆可以简单地实现抬背功能。在照顾失能老人和病人的过程中仍然需要医护人员将病人在病床和轮椅上转移，这样不仅增加了病人二次受伤的风险，也加重了医护人员的负担。因此他们将不适合使用现有产品，具有一定自动互换功能的一体式轮椅床就十分必要。针对这一情况，设计了一种多功能助老助残轮椅床结构，可实现平床模式到坐姿模式转换的操作。这样实现了病床和轮椅的有效结合，并且提高其可靠性、安全性能，达到半自动化的轮椅床一体化结构设计，以更好地配合老人病人的康复疗养，减轻医护人员的负担。该轮椅床造价低、使用方便，可自由拼接和拆卸，移动方便、稳定性高。不仅可以在医院使用，亦可以在家中使用，服务于更多在家中疗养的患者以及行动不便的老人，因此我们设计的轮椅一定会有广阔的市场。

2 装置设计原理

2.1 装置介绍

图1 轮椅床装置图

该轮椅一方面可以在康复床上进行疗养休息，第二方面轮椅便于自己的出行，这样可以帮助老人及残疾人更好地进行身体健康恢复。

为实现上述目的，该装置包涵一种多功能助老助残轮椅床，该轮椅床包括床板、床基、床架、脚板、腿板、坐板、轮椅背板、锁扣、轮椅基架、直流电机、齿条轨槽、齿轮、直齿条、传动轴、竖直滑杆、横向滑杆、铰链四杆、床脚轮、轮椅支撑杆、五星轮、销轴。康复床和轮椅的结合使得空间扩展了许多，接着通过按动式旋转锁扣可将床和轮椅自由分离和结合，再通过平行连杆、齿轮齿条、变速电机的智能精密驱动，使得轮椅部分由平床模式到坐姿模式的转换，接着轮椅五星轮组的机构对越障和上下楼梯时较普通轮椅更为方便，实现了良好的健康静养、自由出行的身体恢复效果。

2.2 装置具体结构设计

考虑到病患由病床向轮椅转移时可能发生二次伤害的风险和造成不必要的麻烦，本文设计的机构采用了一种兼容了病床和轮椅的设计，它可以实现从病床中轻易脱离出一张独立的轮椅。

图2 轮椅床侧视图

图3 轮椅机构设计侧视图

图4 轮椅机构设计斜视图

总体来看，病床的结构采用了三层式的结构，而轮椅方面采用双层，分别与病床的1、2 层对应，病床的最后一层起到固定轮椅和方便轮椅结构的作用。当轮椅与病床结合时，比原有单床有了更宽阔的空间。如图2，一种多功能助老助残轮椅床，其结构特征在于：（1）所述轮椅折叠装置是由驱动部分、传动部分和执行部分组成，直流电机固定在轮椅基架中央，齿条轨槽靠左固定在轮椅基架上，直流电机与传动轴键连接，传动轴通过花键与齿轮连接，直齿条分别与齿条凹槽、齿轮啮合，竖直滑杆下端与直齿条固定连接，横向滑杆与竖直滑杆孔连接，横向滑杆两端通过销轴分别与两组铰链四杆中的连杆连接，铰链四杆中的左直角摆杆一端与腿板固定，另一端通过销轴与中间连杆连接，右直角摆杆一端与轮椅背板固定，另一端通过销轴与中间连杆连接，腿板、坐板与轮椅背板通过销轴连接。（2）所述的床椅连接装置是由旋转锁扣组成，其旋转凹槽、锁柱分别固定安装在床板、坐板上，通过旋转可以使得床和轮椅自由结合和分离。（3）所述的楼梯五星轮装置是轮椅支撑杆通过销轴与五星轮连接。五星轮的两小轮之间的夹角大于30°，这样五星轮在上下楼中卡住台阶，从而保证安全可靠性。此外，在轮椅设计时，考虑到需要符合人体工程学，按病床的设计尺寸标准以及轮椅的尺寸标准，对轮椅的尺寸进行了设计。轮椅平床模式时整体长1900mm 以让装置设计满足90%人群的使用要求，整体宽度为600mm，座位太窄会造成臀部及大腿组织受到压迫，太宽则会使得轮椅操作不方便，更具体的，背板长度最长720mm、坐板长度为500mm 腿板为400mm,脚板长度为230mm。

轮椅在平地上运动，是靠五星轮的两个轮着地和中间轮起支撑作用达到运动，此时五星轮中心轴与销轴固定，每个小轮和支杆可自由转动，可实现平地上360°防打滑转动。经过测量楼梯的台阶长度在20～25cm 之间，高度在15～18cm 之间，五星轮的两小轮之间的夹角大于30°，这样五星轮在上下楼中卡住台阶，其前面四个小轮起到支撑和导向顺滑作用从而保证轮椅在上下楼的安全。轮椅在上楼过程中按下上楼的按钮，电动机带动五星轮中的小链轮转动，由于其结构和角度的合理性，每上一台阶就会停顿1s,这样就可以平稳上楼。

2.3 装置具体实施方式

如图1、图2、图3，一种多功能助老助残轮椅床结构包括床板1、腿板2、坐板3、锁扣4、轮椅背板5、直齿轮齿条6、传动轴7、直流电机8、轮椅五星轮9、铰链四杆10、脚板11、床基12、床架13、床脚轮14、销轴15、横向滑杆16、竖直滑杆17、齿条轨槽18、轮椅基架19。在病床上疗养时，轮椅和床是拼接在一起的，在想要出行时，可按动滑动锁扣4 使之分离，接着按下启动按钮，电机8 开始驱动，即将转换成轮椅模式，这样由直流电机8通过传动轴7 带动齿轮在直齿条6 上左右传动，直齿条6 与竖直滑杆17 的一端固定连接，横向滑杆18 与竖直滑杆孔连接，齿条左右移动会使竖直滑杆左右移动，这样横向滑杆就会上下滑动，使得上方铰链四杆机构10 中的连杆会左右平行移动，通过销轴15 接着带动双摆杆同角度平稳摆动，由于直角摆杆一边与腿板2和背板5 连接，所以轮椅背板和腿板会随着双摆杆旋转摆动，摆动到与轮椅架贴稳的位置会自动停止，这样就完成了轮椅部分由平床模式到坐姿模式的转换。实现分离后，平地上可以通过万向轮运行，轮椅五星轮9 在上下楼中会发挥其优势，下楼时其中两轮分别在两台阶着地，其中一轮起支撑作用，合理的结构角度设计从而保证安全可靠性。

3 功能及创新点

3.1 通过变速电机驱动、齿轮齿条精密传动、平行连杆稳定运转使其稳定地由平床模式到坐姿模式的转换。

3.2 轮椅五星轮组的机构对越障和上下楼梯时较普通轮椅更为方便。当遇到台阶时，其旋转角度会刚好与台阶相啮合，此时伺服电机开始进行智能调速，由闭环控制反馈电路时刻的检测，五星轮旋转的稳定性，在下台阶时不会发生剧烈的磨合现象，并且五星轮安装缓冲弹簧，防止发生颠簸或冲击的现象。

3.3 病床和轮椅的结合避免了单床的空间狭隘，这样空间的扩大可以实施多种疗养功能的布置，如进餐、吃药等等。

4 结论

该轮椅床安全性能强，可靠性好，平床模式增大了整体的疗养空间，由此模式可以平稳地转换为轮椅模式，这样就可以去户外出行通风散步，另外，无论遇到楼梯、障碍物时，万向轮和五星轮的结合机构可以实现平地择向、上下楼梯和越过障碍物功能，解决了原病床只能抬背式静养的问题，这样大大提高了老人病人的安全自理能力，并减轻了医护人员的负担。当然由以上创新点创造的优势，可以适当的添加些附加功能如配药、按摩、腕式血压心率测试，这样就会使得轮椅床成为养老助老一体式机器。