智能轮椅上下床功能的设计

 智能轮椅上下床功能的设计

张宇豪，谢硕，郭佳畅，戴家兴，陈思立

（绍兴文理学院 浙江 绍兴312000）

摘要：随着我国人口老龄化的发展，以及残障人士数量的增长，对于弱势群体的关爱已然成为社会的关注焦点。本文以他们最常用的辅助工具轮椅为载体,以解决其在轮椅与床面之间的转移困难问题为设计切入点[1]，设计了抬升底座，脚板背板，以及侧推平移结构，实现了辅助上下床功能。本设计方便了目标群体的生活，提升了他们的幸福指数，为关爱弱势群体做出了社会贡献。

关键词 上下床功能；抬升底座；侧推平移；关爱老人

1. 研究背景

当今世界各大城市都面临老龄化问题， 1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。与其他国家相比，中国社会人口老龄化程度高，已逐步进入老龄化社会。许多大城市，如上海、北京，老年人的比例已达20%。与此同时还有肢体残疾人的人口近6000万。在他们当中，有相当多的人因行走不便不得不依靠轮椅才能够正常生活[2]。此背景下，轮椅的上下床功能具有重要价值。

2．设计方案

老人上下床最困难的地方在于无处用力或者自身无法用力，本文设计的轮椅上下床功能可以灵活地让使用者由坐姿状态切换成卧姿状态。轮椅通过超声波定位自动适应床的高度，便于患者在轮椅与床之间转移，且使其在转移过程中减少了体力支出。轮椅承载面距地面的高度可以调节，使轮椅与床之间的对接变得更简单、更方便。上下床主体模块可以拆分为，背板模块，坐板模块，腿板模块，上抬升机架，以及下移动机架。下移动机架与上抬升机架由四个推杆电机连接在一起，并与之配合形成完整的抬升底座。坐板模块，背板模块，腿板模块是由组合滑轨、剪式力臂、上板、下板四大部分组成，并配合剪式力臂推杆电机形成侧推平移结构。

3工作原理

3.1结构设计

3.1.1抬升底座设计

轮椅使用四只推杆斜靠的三角抬升结构，如图1，这样高度调整可得到实现。随着床位自动调节来辅助老人上下床部分。

图 1抬升底座

3.1.2腿板背板设计

实现腿部板水平或者垂直的电机与实现背部板水平或垂直的电机，如图2，这两个电机同时作用可以使乘坐者完成从坐姿到卧姿的动作转换。

图 2腿板电机（左）背板电机（右）

3.1.3侧推平移结构设计

每块支撑人的板都有上下两层，上层承载板可以在使用者卧姿状态将其从轮椅位置平稳地侧推平移至床面上，如图3。

图 3侧推平移结构

3.2理论计算

3.2.1轮椅抬升机构

轮椅的支撑是位于座板下四根型号为TCJ-C4-24-240-5-2500-L1推杆，与铝型钢支架链接构成，在最低位置时电机与上视基准面的角∠A=60°，对此时的轮椅进行受力分析。

正常老年人的体重约为75kg，加上轮椅上部分的构件总体重量约为120kg而大推杆的承重约为1500N，由此可算出推杆的上限承重：

此时对推杆的受压杆进行分析，受压杆为空心铝管材料为硬铝2A11，内径为10mm外径为28mm。横截面积为：

由公式算得正应力为：

铝管的许用压应力为，铝管受力稳定。

3.2.2剪式力臂分析

底杆所受正应力小于极限受力，桁架受力稳定，轮椅在由坐姿转到卧姿的过程安全且稳定。在将人送到床上的过程中，剪式抬升装置十分关键，在它的起步阶段时由压力传感器测得杆AC的压力最大值为153N。因为杆AC设计的特殊性只要验证杆AC的强度即可。

在剪式收缩到伸长的瞬间，杆AC与侧式基准面的角度为∠θ=21.4°可以画出此时杆AC的受力示意图：

图 4受力示意图（右）

其中AB长度为110mm，BC长度为150mm，B点为危险截面。

最大弯矩为：

测量B点截面数据最长边线44.5mm，厚度8mm，B点孔直径为4mm。

杆一所受的轴向力：

B点的横截面积：

轴向力引起的正应力：

B点的弯矩：

此横截面的惯性矩为：

由弯矩产生的弯应力：

总的压应力为：

杆AC的材料为不锈钢，查阅资料可知杆的许用压应力为 。

3.2.3辅助上下床板面受力

验证轮椅在辅助老人上下床的稳定性：当轮椅上板伸出时将情况简化成空间的悬空梁，且受力并不均匀， 受力示意可画为：

图 5侧推平移机构推出状态模型图（左）和受力示意图（右）

上板总重量约为85kg轮椅下部分的重量约为100kg轮椅重心离边缘0.25m，悬臂梁重心离边缘0.2kg，板面的许用压应力为。

由计算可知即使轮椅上板伸出时另一端没有支撑，轮椅依旧稳定。计算此时伸出板的抗弯性能，总板长为1.3m，板厚为5mm材料硬铝。

板面的最大弯矩为：

验证板的稳定性：

伸出支撑板强度符合要求。

4.结语

传统的轮椅只能满足老年人与残疾人群的出行，新型的智能轮椅上下床功能方便了这些人群的生活，让他们重获自理能力。在社会老龄化的背景下，对老年产品研发也是大势所向。本文设计的轮椅功能应用广泛，可在家居，养老院，护理院等投入使用，提高了使用人群的生活品质也方便了护理人员的工作，为关爱老人与残疾人等弱势群体做出了极大的社会贡献。

参考文献

[1]张锦. 基于情境的辅助用户上下床的电动轮椅创新设计[D].长安大学,2021.DOI:10.26976/d.cnki.gchau.2021.000602.

[2]用“创新”托起康健的希望 中国信息报 , 2010.05.20

基金项目：2023年挑战杯重点培育项目

作者简介：

张宇豪（2001，10），男，汉，浙江台州，绍兴文理学院机械与电气工程学院机械系机械电子工程，学生。

谢硕（2000，05），男，汉，河南周口，绍兴文理学院机械与电气工程学院机械系机械电子工程，学生。

郭佳畅(2000.03)，男，汉，河北衡水，绍兴文理学院机械与电气工程学院机械电子工程，学生。

戴家兴（2001.02），男，汉，江苏兴化，绍兴文理学院机械与电气工程学院电气自动化系，学生。

陈思立（2002，06），男，汉，湖南湘潭，绍兴文理学院机械与电气工程学院机械系机械电子工程，学生。