可分離式多功能輪椅床

張夢涵 王 偉 程煥然 楊 宇 王春鵬 賈秉霖

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱150000）

1 概述

目前我國已經進入人口老齡化社會, 我國不僅是人口最多的國家,也是老年人最多的國家。由于社會競爭加大,很多年輕人外出打工使得空巢老人的數量增加。這其中有很多老年人生活不能自理。家具的使用功能指的是臥具在使用者的生活與工作方面發揮的效能即指其具體的使用目的和使用要求。[1]多功能臥具的設計已經不僅停留在實用性的角度上很多產品是以“視覺超現代”和“功能超舒適”的形式出現也吸引了更多的目光。[2]現在的輪椅的種類有很多種類型(如:手推型輪椅、電動輪椅、運動型輪椅、躺式輪椅和折疊式輪椅),但是據小組調查,上述種類的輪椅,存在著不能自動、不能適應環境、局限性高、功能少等缺點劣勢, 且將床和輪椅進行結合的形式出現能夠充分地利用好空間價值和提高家具的使用價值[3]。據此,本設計將輪椅和床身進行結合,引入傳感器等的系統控制,去除手動的復雜成分,不僅能實現比其他類型輪椅還多的功能, 而且還可以簡單地通過有線或無線的遙控設備, 對功能進行轉換的自動化輔助智能輪椅,更適合老人及康復人員等人群。

2 可分離多功能輪椅設計

2.1 總體設計。床的尺寸是1.2 米X2 米的單人床,床的框架采用45 號鋼制成,床析采用木材制成。輪椅高1 米,長50 厘米,寬40 厘米。輪椅的支撐部分用不銹鋼管焊接而成,輪椅上的析材采用復合材料,輪椅的前輪采用實心的輪輻外加一圈橡膠皮,后輪采用輻條連接車轂和輪圈。用電動機帶動后輪,使輪椅能夠完成前進后退的功能。輪椅的折疊部分。設計出滿足功能及實際問題的模型尺寸,輪椅高15 厘米,長12 厘米,寬14.4 厘米,下面將對各部分進行詳細地介紹。2.2 整體結構。輪椅由椅座、椅腿靠、椅背通過螺栓柱鏈接;椅背上側身翻析通過椅背栓和椅背鏈接能夠實現一定角度的翻轉;扶手通過椅背兩側的凹槽卡住,能夠在豎直方向上移動;底座用于連接椅座和傳動舵機,實現自由行走。椅腿靠和椅背通過和傳動齒輪進行焊接,通過齒輪嚙合來實現轉動。2.3 輪椅與床之間轉換設計。為實現輪椅與床析之間的轉換這一功能, 本設計初期選用連桿機構同時實現椅背和椅腿靠的轉動,但實踐后發現,根據所學的知識現狀,連桿的長度和強度難以實現定位、定形、定尺寸。經過長時間反復思考,最后確定了運用齒輪外嚙合的傳動方式,這樣不僅能夠容易調試轉角,而且不用考慮連桿問題。齒輪外嚙合可以實現反方向的運動傳遞,當與舵機相連的齒輪與椅背、椅腿靠上的齒輪形成外嚙合傳動,并滿足傳動條件時,帶動椅背、椅腿靠按照預定的轉角方向轉動,以此實現輪椅與床析之間的轉換功能。2.4扶手的升降設計。扶手的升降功能是通過凸輪機構來實現的。凸輪機構按照從動件的不同分為尖頂從動件、滾子推桿從動件、平底推桿從動件。本設計采用平底推桿從動件凸輪機構,在兩個扶手的下方通過等寬的窄薄析鏈接, 用扶手結構替代平底結構。凸輪機構升起一定角度時拖動底部薄析平臺,將扶手抬升并支撐起來為乘坐者提供護欄。2.5 坐躺動作設計。坐躺動作是一種輪椅與床析轉換的一種形式,在輪椅和床結合的適合,通過某按鍵可以實現,僅椅背的轉動,使乘坐者實現坐在床上和躺在床上的兩種形態的轉變,使使用者更能適應不同的狀況,依據使用者的意愿進行改變形態。2.6 側身翻轉設計。側身翻轉功能也是通過凸輪機構帶動側翻析轉動來實現的。標準舵機帶動凸輪轉動,最高處轉到角度rr'時,實現左右側翻。

3 控制系統設計

3.1 硬件設計。3.1.1 控制系統工作原理。用觸碰傳感器設置按鍵提供輸入,當按鍵指示執行時,圓周舵機帶動后輪轉動,帶動輪椅前進;當按鍵指示輪椅轉動時,舵機轉速V左＞V右時輪椅右轉,V左＜V右時輪椅左轉;當按鍵指示輪椅轉換時,標準舵機帶動椅背、椅腿靠齒輪分別外嚙合到角度α、β,舵機帶動扶手抬升進行保護,再次按下按鍵時恢復初始狀態;當按鍵指示在床上坐起時,舵機帶動椅背轉動角度β',再次按鍵恢復初始位置;當按鍵指示翻身時, 舵機左轉角度γ 時左側身, 右轉角度γ'時有側身。3.1.2 單片機選擇。本設計單片機采用學校教學探索者教育機器人配套設備。其中包含的ARM主控析,可供傳感器輸入和舵機輸出, 可接受遙控信號實現舵機的變速調節, 滿足項目要求。3.1.3 傳感器選擇。設備中的TTL 信號傳感器分為中斷型和非中斷型。采用中斷型觸碰傳感器來編輯指令傳遞信息,使主控析控制舵機完成各部分動作。3.1.4 電動機選擇。圓周舵機可以連續轉動,可正反轉且可調速;標準舵機不可連續轉動,只能在180 度之間正反轉動。本設計采用兩種舵機,標準舵機帶動齒輪嚙合,完成椅背和椅腿靠轉動特定角度,實現輪椅和床架之間的轉換功能,帶動凸輪機構,抬升扶手提供保護功能;圓周舵機作為行進車輪驅動。3.2軟件設計流程如圖1。

4 實驗測試

4.1 輪椅行進速度測試及調試（表1）。根據上述的測量性質,綜合考慮六個速度,在0.4 和0.6 之間存在緩和點,再考慮到乘坐者的舒適性和安全性,本設計選擇0.5m/s。4.2 椅背椅腿靠轉角測試及調試（表2）。由表中的數據可以看出,在椅背的翻轉過程中, 轉角的適合范圍在75°到90°之間, 椅腿靠的轉角范圍在45°到75°之間。轉角范圍應該較可行轉角大些, 故據此本設計將椅背的轉角設計成90°,將椅腿靠的轉角設計成75°。4.3側身析轉交測試及調試。在根據椅背的轉角數據下,加上側身翻析的轉角不能超過90°, 為了達到側身翻轉的功能不能對乘坐者產生恐懼害怕心理,選擇75°作為轉動角度。

圖1

表1

5 結論

時代正向著高科技、高智能的多項聯動的方向發展,家庭家具等都能夠實現智能化,相信可分離多功能輪椅床能夠在家庭、醫療等方面能夠有著不一樣的價值, 為老人的獨立起居提供方便,為病患恢復自理減輕護士壓力提供基礎。本設計沒能解決上下樓梯的難題,希望隨著科技的進一步發展,在不久的將來能夠實現這一難題,使其功能更強大,更具人性化。