姜淵文JIANG Yuan-wen；丁文DING Wen；李爽LI Shuang；劉廣堂LIU Guang-tang；欒雨翰LUAN Yu-han；高興軍GAO Xing-jun

（遼寧石油化工大學機械工程學院，撫順113001）

0 引言

隨著中國經濟快速的發(fā)展，所有中國公民生活質量也逐漸提高，中國老年化現狀是老年化越來越嚴重，而這些老年人的子女都在忙碌自己事業(yè)很少陪伴在自己父母的身邊，可想而知，當人到達一定年齡的時候不管在生活方面還是在行走方面都會帶來一定困擾，根據國家2019年老齡化人口報告顯示：其中孤寡老人占非常大的比重，所以我們設計一種能方便孤寡老人智能輪椅，目的是讓所有獨自生活的老人能照顧好自己，減少子女對他們的擔心。

1 市場分析

由于老年人和殘疾人數量明顯增加給經濟，社會的發(fā)展帶來了巨大的影響，醫(yī)療、護理、社會服務等方面需求壓力越來越大，從而推進了助老助殘機械的發(fā)展。在爬樓梯輪椅的研究方面，國外開始的比較早。

近幾十年來國外的高校以及相關的科研機構提出了許多不同爬樓梯輪椅的方案，目前部分方案已經實現了產品化，在生活中得到了應用，相比而言，國內對于爬樓梯輪椅的研究基礎比較落后、起步晚，隨著近些年來國內高校和企業(yè)的深入研究，雖然已經有了一定的成果，但是在技術上還是不成熟，沒能實現爬梯輪椅的產品化，現階段能夠看到的爬樓梯輪椅產品幾乎都是從國外進口的狀況。針對國內外現有較成熟的爬樓梯輪椅的原理，我們可以把它們分為：腿足式爬校驚輪椅、行星輪式爬棱梯輪椅、履帶式爬樓梯輪椅、復合式爬樓梯輪椅以及其它爬樓梯裝置，以上各種爬樓梯輪椅在實現爬樓梯方面都有各自的優(yōu)勢，但同時也有相應的局限。

2 設計方案

2.1 工作原理

該輪椅主要具備座位旋轉與爬樓功能。正常運行時，保持如圖1 姿態(tài)，三角輪后驅，轉向輪前驅。當遇到樓梯的，啟動座椅旋轉按鈕，座椅旋轉180°，此時三角輪變?yōu)榍膀?，開始攀爬臺階，爬樓梯臺階過程中，三個輪子交替攀爬，若攀爬過程中動力不足，三角輪啟動制動裝置，停止攀爬，保證老人安全。此外增加緊急救助功能，當老人遇到緊急情況，可以通過手動折疊轉換為可推動擔架姿態(tài)，方便醫(yī)護人員操作。

2.2 機械系統(tǒng)設計

2.2.1 三角輪機械結構設計

三角輪輪轂平面圖如圖1 所示，當輪椅攀爬臺階或者平地行走時，由電機提供動力通過錐齒輪把動力傳送到傳送桿，然后傳送桿帶動中心齒輪1，中心齒輪1 再帶動齒輪2、3、4 實現三角輪的運轉。

2.2.2 升降座椅機械結構設計

采用電動升桿升降裝置，具有結構緊湊、體積小、無噪音、安裝方便等的特點。當需要升降座椅時，點擊按鈕，驅動輪椅上升或下降，再次點擊按鈕停止升降。

2.2.3 輪椅旋轉機械結構設計

輪椅底座采用內齒式雙排異徑球軸承，以此來控制輪椅的旋轉。后背與擋板通過電動推桿調節(jié)傾斜程度。

2.3 控制系統(tǒng)設計

圖1 型心三腳輪

輪椅采用兩種控制模式：主動控制模式，使用者可以通過操縱面板上手動控制，操縱面板上設有按鈕和操縱桿；智能控制模式，通過輪椅本身在外界環(huán)境影響下或者輪椅本身出現故障，輪椅自動開啟智能控制，由輪椅面板發(fā)生器發(fā)出求助裝置，并由電信號傳入操縱面板，提醒使用者采取緊急控制功能，確保人的安全。同時我們將采取兩種模式替換功能，當自主操作信號強于設定安全信號時，將自動變?yōu)橹悄懿僮髂Ｊ?，更加方便使用?/p>

控制面板：控制面板通過一鍵操控原理進行設計，把輪椅的各種功能按鍵放在操縱面板上，同時按鍵時帶有語音提示功能，并在按鍵處設置功能彩圖，方便老年人識別，對老年人來說也能增加該輪椅的實用性。如圖2 所示。

圖2 電路控制圖

3 設計計算

3.1 電動機類型選擇

根據工作條件選擇單相電動機，電壓為220V。

3.2 傳動裝置的效率

錐齒輪η1=0.95，錐齒輪η2=0.95，圓柱齒輪η3=0.97，圓柱齒輪η4=0.97，工作及ηw=0.97，則傳動效率ηa=η1×η2×η3×η4×ηw=0.82。

3.3 電動機功率的確定

按照工作條件，輪椅最大速度不能超過2.7m/s，則取v=2m/s，一個老人平均體重在65kg 左右，取牽引力F=800N。

工作機所需功率為：

電動機所需額定功率：

進行綜合考慮價格、重量、傳動比等因素， 選定電機型號為90YT40GV22 單相電動機，額定功率Pen=2.2kW，輸出轉速nt=1450r/min。（圖3）

圖3 新型多功能助老旋轉爬樓輪椅二維裝配圖

4 結語

該裝置的三腳輪以三輪相互交替的方式上樓，提高了上樓的穩(wěn)定性。在爬樓時，若發(fā)生輪椅沒電等突發(fā)狀況，各輪自動鎖死不發(fā)生移動，使輪椅牢牢卡在樓梯之上；輪椅座椅下有旋轉裝置，可以讓座椅隨意變換方向，方便老人進出門后方便進行各方向的移動；中間部分采用液壓升降系統(tǒng)，方便了老人自己調節(jié)輪椅高度，方便老人獨立調節(jié)高度，增加老人舒適度；前后檔板均有電動推桿，可以平躺方便老人直接從床上到輪椅上，也可以讓老人直接躺下來休息，全程可獨立操作；動力裝置采用操作簡單、安全可靠的電動機裝置，易于拆卸、維護，可實現自動和手動兩種操作。