一种电动多功用轮椅的设计

一种电动多功用轮椅的设计

朱龙翔 钟家承 叶泳 龚师敏 聂芬 华文林（指导老师）

(湖北理工学院 湖北黄石 435003)

摘 要：本文在分析当前市场上轮椅存在的缺陷及对市场进行问卷调查的基础上，设计了具有夜间照明、GPS定位及报警、轮椅升降、康复训练、靠背多级折叠等功能的多功用轮椅，提高了残疾人的自理能力，为其生活提供了一定的保障，具有较高的实用价值。

关键词：多功用轮椅，康复训练，定位及报警

引言

调查表明，中国有2个以上残疾人的家庭户为876万户，占残疾人家庭户的12.43％。有残疾人家庭户的总人口占全国总人口的19.98％。有残疾人的家庭户户规模为3.51人。^[1]

因此，如何设计和制造一款功能强大、经济实用的轮椅成为设计师们最关心的问题。现在很多轮椅都需要自己或别人推，功能单一，推动费力，遇障碍难以通过，这些传统轮椅逐渐满足不了人们对它的功能需求，故我们设计一个能上下调节座位高度并能帮助使用者直立“行走”做康复运动，并带有夜间照明、GPS定位以及报警求助的多功用轮椅。希望能为行动不便者提供较好的帮助。

1前期市场调查

图
1 2000-2050年中国65岁及以上老年人口比例^[2]

我们通过问卷调查，发现人们普遍对具有多种功能的轮椅具有较大的需求，且人们对其各种功能的期望也比较高。

2当前市场上的轮椅分析

轮椅是助残机械中重要的分支，对于残疾人以及腿脚不便的人而言，轮椅是应用最普遍的代步工具。目前市场上的轮椅主要有下列三种类型：第一种是着地轮非常小，质量轻、价格便宜但其动力源必须由第二者提供。使用这类轮椅，残疾人用户的自理能力较差；第二种是电动车类型的，动力由电瓶提供，但价格昂贵、不便于携带；第三种类型的动力源可以来源于第二者也可以来自于用户本身,即用手推动助力轮,但手推轮的用力方式很不方便,且起步时较费力,同时上述三种轮椅其座位都固定,柔性不好，一定程度上限制了用户的自理能力。^[3]目前，国内外轮椅生产厂家众多，但大多集中在驱动方式的新材料应用、计算机控制等高科技方向的开发上。然而，这类产品不仅价格昂贵，而且难以广泛推广，于是新一代多功用轮椅开始应运而生。

3轮椅设计

3.1 机械部件

机械系统作为该车的基础影响着整个车的运行姿态和稳定性，轻巧的车身可以使车更加灵活容易操控，合理的重心位置可以让车运行更平稳。而为了配合电路系统的安装和固定，还需要对车体结构进行规划和调整。

（1）夜间照明系统设计

由于行动不便者使用普通轮椅在夜间行驶时，如果自身携带手电筒进行照明可能会引起使用者的分心，并且单手驾驶轮椅具有一定的危险，所以可在轮椅扶手处安装可调节方向、亮度和照明距离的照明灯具，电源为电动轮椅电源。为了防止夜间关闭前照灯具后，不易被后方车辆注意，在轮椅两轮两侧安装适量的LED灯，电源可采用干电池。

设计该系统的主要目的是为了帮助提高残疾人士在夜间借助这款多功能轮椅行动时的可视性，对于一个正常人来说，无论是在家还是在外出行，由于可视性降低、盲区增加，在夜间的危险远高于白天，而对于一个残疾人，这份风险更是呈几何倍数增长。夜间照明系统的最大的功用就在于减少残疾人在夜间行动时的盲区，增加可视性，降低行动不便者于夜间光线不好时撞到家具或被地上偶尔散落的小物件绊倒而摔伤的风险。夜间在外出行时，坐轮椅的人群总高度是正常人1/2～2/3，导致了这类人群更不容易被正常行驶的车辆或人群看到，因此夜间照明系统可以让行动不便的人群在夜间更加醒目，减少其在夜间出事故的风险。

（2）GPS定位及报警系统设计

在车身上安装GPS定位器，GPS模块获得的定位数据通过移动通信模块（gsm/gprs网络）传至Internet上的一台服务器上，轮椅使用者的亲人而可以实现在互联网上查询使用者的位置。^[4]

报警系统的主要是感应器将接收信号传输给单片机，单片机可以直接与GSM模块通讯，随后GSM模块发送短信到亲人手机手机报警，又可通过GPS迅速到达轮椅使用者所处位置。

GPS其主要价值体现在使用这款轮椅的人群其监护人能及时掌握他们的行动路线及定位。若发生意外状况，GPS定位系统可以让家人快速找到他们。报警系统的功用在于当使用者出现上述意外状况时，系统将第一时间给监护人、医院或警方发送消息。使用者或其监护人可以根据使用者的行为习惯进行数据调整设置，分为两个模式，在家及在外。在家，可以由轮椅上附带的传感器监测使用者的血压心率等，若有不正常的现象，立即向设置对象发出短信或电话提醒；在外出行时，主要根据两个方面判断使用者的情况，一是在同一地点的停留时间，二是使用者的生理数据，若有与所设定的数据有差别，系统第一时间向设置对象发短信或电话提醒。

（3）轮椅靠背设计

使用者控制调角杆，可通过类似于汽车座椅的调角器，调节靠背和座椅的倾斜角度，将轮椅原本不能弯曲的靠背做成可以平放的，帮助使用者休息。该功能配合着轮椅的升降功能，可以将轮椅高度升降至与床平齐,方便自主上床。

（4）轮椅升降设计

该系统通过手柄控制活塞油腔容积，以此来调节整个液压系统的压强，达到控制座椅升降的目的。

使用者控制前端操控杆，可通过升降调节装置改变轮椅座位高度。该功能的实现主要是通过控制液压杆的升降来实现轮椅的升降，在升降时地面需要对液压杆和轮椅有着足够大的支撑。

（5）康复训练部件设计

该部件主要是通过轮椅的拉伸机制实现，使用者在使用时先将轮椅升高的一定的高度，随后慢慢通过液压杆将座椅向后下方拉，从而实现靠背和座椅达到竖直状态，使用者可通过扶手的支持缓慢站立，从而可以达到缓慢锻炼的效果。

3.2 机械传动系统

本车传动系统采用液压传动方式。电动机向液压泵传递机械能，从而将机械能转换为液体的液压能，以实现间接的向液压缸的运动提供能量。该系统中的控制元件为安装在轮椅扶手上的按钮，通过控制液压油的流通方向来控制液压缸的运动方向。

3.3 电源及电路系统

该车以电动轮椅自带蓄电池为主要电源，作为轮椅升降、折叠、行走等功能的动力来源，以干电池为辅助电源，为照明系统供电。

该车主电路为蓄电池到电动机及蓄电池到单片机及GPS系统的电路。将蓄电池固定在与电动机相近位置。

结语

多用功用轮椅同时具有夜间照明、GPS定位及报警、轮椅升降、康复训练、靠背多级折叠等功能。能够满足使用者的使用需求，改善使用体验，使轮椅使用者的不便的地方得到较大的改善。

参考文献

[1]新华社.中国发布第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报[ER].2007.05.28

[2]2017-2022年中国轮椅市场供需预测及投资战略研究报告[J].2016.10.26

[3]王育荣,冯永伟.一种可升降省力便携式轮椅设计[J].现代制造技术与装备,2012(05):29-31.

[4]QYResearch.GPS定位器市场发展前景及投资可行性分析报告（2020-2026年）[Z].2020.07.03

作者简介：朱龙翔，湖北理工学院机电工程学院本科生。

通信作者：华文林（1967- ），男，副教授，湖北理工学院教师，研究方向：汽车电控技术。

基金项目：项目基金来源为“湖北理工学院2019年国家（省、校）级大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：S201910920042）。