老年代步車方便上下樓裝置的研究

德州學院 劉睿智 王志坤 王志勇

1 方便上下樓梯的代步車的設計方案

1.1 設計靈感

在世界上，方便上下樓梯的老年代步車的研究已經有將近百年的歷史了，也提出了多種老年代步車上下樓梯的解決方案。在已有的上下樓梯解決方案當中，有連續式上下樓梯方案，例如履帶式；有間歇式上下樓梯的解決方案，例如步進式。在這些解決方案當中，由于星輪式上下樓梯的老年代步車既可以平地行走，又可以平穩地上下樓梯，而且結構精細，體積小巧，其效率較高，操作相對來說比較簡單，是較理想的上下樓梯解決方案。代步車是傷殘人士和老年人必不可少的輔助行走工具，但由于傷殘人士和老年人身體相對較弱，且較多無經濟能力，收入有限，因此，要求代步車小巧輕便可折疊，易于老年人操作使用，可以在疲勞時提供舒適的休息座椅。

1.2 設計原理

該代步車主要由防滑扶手、左右支架、橫向固定板、防滑墊升降座桿、星形四輪與不銹鋼座椅和坐墊組成。相較于其他代步車而言，其主要創新點在該代步車上下樓時通過星形四輪的應用，可以更加方便省力，與普通代步車（如圖1 普通代步車、圖2普通代步車越障示意圖）上下樓時的不方便形成了鮮明對比，主要適用于老年人群體和傷殘人士，用于幫助老年人行走和傷殘人士做一些簡單的康復訓練等。

圖1 普通代步車

圖2 普通代步車越障示意圖

1.3 工作原理

該代步車運用到輪系及其設計、機械運動力學和平衡力學等原理。星形輪的運用是對代步車的一種改進，可以通過星輪圍繞輪子中心軸承的轉動來達到上下樓梯的目的（如圖3 星輪與升降座桿連接圖、圖4 星形輪轂）。另外其具備一般代步車通過左右支架支撐體重、上提重心的作用；防滑扶手可以一定程度上避免因手滑握不住支架對使用者造成傷害；不銹鋼座椅和坐墊可以在使用者疲勞時提供休息座椅；防滑墊升降座桿共有四根，可根據使用者身高調節代步車高度，四根座桿呈方形，在承重時可以保持使用者立位、步行或休息時的平衡，更加安全，可根據使用者身高調節代步車高度。在不使用時，可以對車身進行折疊，減少代步車的占地空間，方便包裝攜帶。

圖3 星輪與升降座桿連接圖

圖4 星形輪轂

圖5 遇障運轉圖

如圖5 所示，當遇到障礙物時，星輪會如圖中的軌跡繞中心運轉來跨越障礙。平衡公式：

注：N1彈力、N2彈力分別為接觸地面的輪 1、輪 2 和地面之間的接觸彈力，N3為后支撐桿的彈力，F推力1、F推力2分別為接觸地面的輪1 和輪2 所受到的推力，G 為底盤所受壓力，a 為輪子垂直于受力平面的平面和障礙物最高處水平面有關的夾角。

假設摩擦力忽略不計，即F 摩擦力=0，且著地的兩個輪子所受的推力為同一使用者施加的，則轉矩相等，而每兩個相近的輪子圓心距離為D，輪子的直徑為d，后輪到后座桿的距離為H，障礙物高度為 h，a 為 45°，L 為轉臂長度。

所以hmax≤D 時，星輪可以越過障礙。

由公式可知所需推力很小，方便老年人和傷殘人群使用。

在下樓時，該代步車的星輪上安裝有剎車裝置，后支架下裝有防滑墊，星輪到達下一臺階且已穩定時，進行剎車制動，后支架觸地，雙手握住防滑扶手支撐身體到達下一階梯，重復此操作下樓，避免老年人在使用該代步車下樓時滑倒摔傷。該代步車具備了普通醫用護理代步車輔助病人進行康復訓練作用的同時，節省了一定的看護時間。

1.4 產品尺寸（見表 1）

表1 產品尺寸

1.5 本機優勢

（1）平穩避障，上下樓梯。

（2）提供舒適座椅。

（3）防滑防摔。

（4）制作成本低。

（5）結構緊湊，功能單一，簡單易用。

（6）可折疊，易包裝攜帶。

2 創新點

（1）星輪式輪轂的應用。

（2）過障時更加平穩省力。

3 結論

該代步車可以在幫助老人行走的同時實現平穩過障、上下樓梯的目的，節省了照顧這類人群所需的部分時間。該代步車制作成本低，易生產，可滿足社會需求。星輪處設有剎車設施，后支撐桿底座安置防滑墊圈，可防止老年人滑倒摔傷。因此該老年代步車的星輪設計在輔助老年人行走、上下樓梯的同時，也能減輕醫護人員和家人的壓力。