王逸云（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都　610039）

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可升降輪椅的設(shè)計(jì)

王逸云
（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都610039）

摘 要:本文通過運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想，對輪椅的升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析和敘述，并結(jié)合現(xiàn)有的產(chǎn)品，最終設(shè)計(jì)出了既滿足使用要求，又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的可升降輪椅。

關(guān)鍵詞:升降輪椅；絲桿螺母；座椅；剪叉

1　引言

隨著全球人口老齡化的加快，社會對輪椅的總需求量也隨之逐年增長，使整個輪椅行業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)[1]。對于非老年的殘疾人，輪椅可以讓他們重新回到職場，以改善自身生活和降低對社會的負(fù)擔(dān)；對于行動不便的老人或者患有神經(jīng)肌肉萎縮的患者，輪椅是他們走出狹小空間的最佳輔助工具，不僅能改變他們實(shí)實(shí)在在的生活方式，還能在心里上得以慰藉。

目前國內(nèi)外有很多的輪椅生產(chǎn)廠家，但大部分研究方向都集中在驅(qū)動方式向新材料的應(yīng)用、電腦控制等智能化高新技術(shù)方向發(fā)展，這樣的產(chǎn)品價格昂貴，很難得以推廣。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷的提高，功能單一的輪椅已不能滿足使用者的需要，特制輪椅又因其造價高昂讓許多的使用者望而卻步。改進(jìn)現(xiàn)有市場上的普通輪椅，使其兼?zhèn)淦降匦旭偤蜕底蝺煞N功能，已成為使用者更加經(jīng)濟(jì)適用的選擇。

2　升降輪椅的方案設(shè)計(jì)

（1）研究給定的設(shè)計(jì)任務(wù)：在現(xiàn)有輪椅的基礎(chǔ)上，使座椅部分能夠平穩(wěn)地升降，以使使用者能自主地操作高處物體，對輪椅的升降結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。

（2）設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化：用“黑箱”圖來表達(dá)所要設(shè)計(jì)的任務(wù)，是將設(shè)計(jì)任務(wù)抽象化的一種方法[2]。所謂黑箱是指僅知輸入量和輸出量而不知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表述設(shè)計(jì)任務(wù)的一種模式，黑箱明確表示了設(shè)計(jì)任務(wù)的基本功能要求和主要約束條件。設(shè)計(jì)過程就是逐步打開黑箱，確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)由輸入量轉(zhuǎn)化為輸出量的過程，圖1所示為升降輪椅的黑箱圖。

（3）確定工藝原理:為了打開黑箱，實(shí)現(xiàn)黑箱要求的作業(yè)對象由輸入至輸出的轉(zhuǎn)化，必須確定實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的工藝原理。①需要升降動作，發(fā)出指令信號；②接受驅(qū)動信號，電機(jī)輸出動力；③升降裝置動作，完成指令。

（4）確定技術(shù)過程:所謂確定技術(shù)過程是指按照選定的工藝原理確定作業(yè)對象轉(zhuǎn)化所需的流程，流程中規(guī)定了每一轉(zhuǎn)化程序的相應(yīng)功能要求，如圖2為升降輪椅技術(shù)過程主流程圖。

（5）功能的分解：功能分解是在系統(tǒng)分解的基礎(chǔ)上，將各個子系統(tǒng)的功能逐項(xiàng)逐級分解，直至不能再分解，圖3為升降輪椅的功能分解圖。

（6）升降結(jié)構(gòu)的初步方案：隨著設(shè)計(jì)過程中對升降輪椅黑箱圖的逐步打開，結(jié)合本文輪椅的設(shè)計(jì)任務(wù)，對現(xiàn)有輪椅進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析，發(fā)現(xiàn)普通的輪椅座位下方有很大的空間，若安裝一種升降裝置，就可同時兼?zhèn)淦降匦旭偤蜕底蝺煞N功能。再結(jié)合現(xiàn)有的升降結(jié)構(gòu)，初步擬定出如下三種方案。

方案一：將剪叉式液壓升降系統(tǒng)作為輪椅的升降機(jī)構(gòu)，即把剪式支撐架安裝在座墊下方，支架的四個支點(diǎn)固定在座椅的四角，通過液壓油控制推桿的伸縮達(dá)到輪椅升降的目的。優(yōu)點(diǎn)：工作平穩(wěn)，推力大；缺點(diǎn)：液壓裝置復(fù)雜且笨重，價格昂貴。

方案二：剪式千斤頂升降系統(tǒng)作為輪椅的升降機(jī)構(gòu)，其工作原理為：等腰三角形的兩腰相等不變，當(dāng)縮短底邊變化時，三角形的高就會發(fā)生變化，即通過絲桿和螺母來調(diào)節(jié)上下兩個等腰三角形的底邊來進(jìn)行提升和下降輪椅的高度。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，自鎖性能好。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，工作效率低。

方案三：叉桿、滑塊和絲桿螺母副組成的升降機(jī)構(gòu)，在座墊的左右兩側(cè)設(shè)計(jì)對稱的兩對叉桿，兩叉桿之間通過前后橫桿進(jìn)行連接，絲桿螺母副裝在兩橫桿之間，改變兩橫桿之間的距離即改變叉桿之間的距離，以此實(shí)現(xiàn)左右同步升降運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉；缺點(diǎn)：操作不便利，穩(wěn)定性差，不符合人機(jī)工程學(xué)。

（7）升降方案的確定。比較上述三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)可知，單一的某種升降裝置均難以滿足使用要求，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的基礎(chǔ)知識，綜合剪式液壓升降機(jī)構(gòu)和絲桿螺母副機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，以此作為本設(shè)計(jì)的最終方案為最優(yōu)[3-4]。即將剪叉式機(jī)構(gòu)作為輪椅的升降裝置，支架的四個支點(diǎn)支撐在座位的四角，使之受力均衡，螺旋機(jī)構(gòu)通過兩根連接桿安裝在剪叉支架的中間，螺桿通過滑塊聯(lián)軸器和電機(jī)連接在一起。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）時，螺桿橫向移動帶動剪叉機(jī)構(gòu)的夾角減?。ㄔ龃螅?，從而使叉桿之間的距離縮短（變長），使座椅上升（下降），最終的設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

3　結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。但該方案也有一些不足之處：1）由于在設(shè)計(jì)中絲桿螺母副采用的是單線螺紋，故傳動效率不高；2）改進(jìn)后的升降輪椅不再具有折疊功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]何清華,黃素平等.智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2003(02):12-16.

[2]朱龍根.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[3]王強(qiáng),張學(xué)強(qiáng)等.一種自動升降輪椅:中國,ZL201420160041.2[P].2014-10-08.

[4]吳志強(qiáng).數(shù)控銑床升降臺的新型平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2010,38(08):119-120.

作者簡介：王逸云，男，四川成都人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.228