机械创新设计论文1

手推折叠轮椅

一、手推折叠轮椅的进步历程

根据所收集的各类文献及市场出售的各种折叠式轮椅显示，目前绝大多数折叠式轮椅皆仅止于左右折叠，所以收折之后所占的体积仍是非常庞大，如此将造成搬运、载送上的困难，且施力不易，携带相当不方便，对于必须经常外出而行动不方便者，将形成非常大的负担。目前市面上亦有两三种可收折成手提箱大小的折叠式轮椅，称为组合式轮椅，但其最大的缺点是组装程序相当的复杂和费时，在每一次的使用前与收复过程中，必须经过相当繁琐的步骤，对于使用时间短而使用次数多的患者而言，是一个非常困扰的问题。本设计所要研究的手推型折叠轮椅仅以连杆机构所组成，从经过设计和设计要求的限制，及各类参考文献中得出了最适合此类机构的是Watt I型六连杆机构，并且进行了应用材料的确定、杆件的力学分析和整体的结构设计，最后完成了实体3D模型的制作。所以本设计所研究的手推型折叠轮椅是由单一自由度收折，并且没有分离的零件，不需使用任何拆卸工具即可以达到收折后体积小、重量轻、操作简便，像行李箱拖行及站立收藏等特性，适用于下肢瘫痪、年老体弱多病和行动不方便者，是一种非常理想的代步工具。

由于现代医学的发展和进步，人类的寿命正逐渐的往上提升，致使各国老年人口将不断增加，然而高龄化的社会结构已然成为世界各国的重大挑战。针对这些年长而行动不方便的使用者而言，其身体各部分器官正逐渐退化，再加上神经肌肉萎缩，自行驱动轮椅是非常困难的事，因此他们将不适合使用具有手轮圈的自推型轮椅，而手推型轮椅较能符合其需求。 许多行动不便者在解决移动能力障碍时，最直接使用的工具便是轮椅。根据我国统计部门统计，截止到2006年4月1号，全国现有各类残疾人总数约8296万人，占总人口数的比例为6.34%，而属于肢体残疾的占总残疾人数的比例为29.07%，人数达到2412万。2005年底，中国60岁以上老年人口1.44亿，占总人口的比例达11%。现在我国60岁以上老年人口每年以3%的速度递增。在60岁以上的老年人口中，有相当一部分老年人在日常生活和工作中，在疾病治疗和康复过程中，都需要借助使用轮椅。这对于家庭生计、社会成本与国家经济均会造成严重的影响，不可轻视。对于青壮年的肢体障碍患者而言，轮椅可使他们重新返回职场，以改善家庭生计和降低社会负担；对于行动不便的高龄老人或出现重度神经肌肉萎缩的患者而言，轮椅是他们走出户外的最佳辅具，不但能改善他（她）们的精神生活，而且在心灵层面上更得到慰藉。以下就来介绍目前比较新颖的折叠轮椅： （1）、太阳能折叠式手推轮椅

在其顶部安装太阳能发电系统，这个发电系统由两个能产生 20 瓦电力的太阳能板组成，除了能提供轮椅本身所需的电力（24 瓦）外，晴天时还可额外提供 30 分钟的电力，下雨时，也能当作遮雨棚使用。 （2）、电动驱动折叠式手推轮椅

在原有的基础上，底部安装了电子操控系统，可以电动手动切换行驶，更加便于操作和更人性化。依照人体工程学设计,机身高强度、高承重、重量轻体积小，方便老年人和身体残疾的人出行，适用于中老年人群及行动不便者在室内外作助行代步之用。电动轮椅操作简单，老人使用起来也能得心应手。在轮椅控制器的操纵杆上，即可完成您想要的前进、后退、转弯等等。松手就是停车，操控起来简单灵活。（为了安全更有保障，还在轮椅两边的大轮上各装有一个手刹）。将操纵杆向后，轮椅即会进入倒车状态，还会相应地发出“嘀——嘀”的警报声。在控制器上设有电池电量、速度档的显示和喇叭等，让您能够对轮椅的使用状态有一个最直观的了解。体积小，重量轻。车身是采用的铝合金结构，大大减轻了整车的重量；无需

拆卸电池即可折叠，折叠之后不占用过多空间，还可轻松塞入汽车尾箱，全家出游，共享天伦之乐。可以零半径360度旋转。有此特点，即便是在狭小的空间内，也可以活动自如。 （3）、自动爬楼梯折叠式手推轮椅

对应于那些只有身体上残疾的人士，活动范围比较大，但往往会面对一些建筑上的障碍设施，如最直观的楼梯，却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫任务。在原来的轮椅上安装履带轮机构，实现连续性爬楼梯，传动效率比较高。在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动的，其重心的波动很小，运动非常平稳。

二、折叠轮椅设计的创新原理

本设计所研究的折叠机构是以四连杆组（4-barlinkage）为出发点，利用杆件特殊翻转的特性来作为此折叠机构最初的概念设计。还有就是在测试当轮椅在展开的使用状态时，使用者的体重加诸于轮椅上，所造成结构的应力分布及材料变形，借此了解各部分零件的强度和刚度是否足够，还有要兼顾接头和杆件的强度、加工上的难易程度、杆件与各个零件之间的干涉问题、操作步骤的简便性，并尽量减低轮椅的重量和降低成本等等，以作为生产制造的参考。

1、折叠轮椅的结构设计

本课题所设计的手推式折叠轮椅，如下图所示，此型轮椅为连杆数6、接头数7的单一自由度的折叠轮椅，其中C点是双重接头，将此双重接头拆在坐垫杆上，则前脚杆与坐垫杆为三元杆，而其余杆件为二元杆。

图示的结构简图可知，轮椅的结构共有活动构件数为n?5，低副PL?7，没有高副。故其自由度应为F?3n?2PL?PH?3?5?2?7?0?1

2、折叠轮椅的材料和力学分析

在生产实践中，各种机械和工程结构得到广泛应用，如桥梁、房屋、电机、机床等。机械和工程结构的每一组成部分为构件。任何构件都由某种材料制成，并受到某种载荷的作用。实际的构件并非是静力学所理想化的那种刚体，任何构件在外力作用下都将不同程度地发生形状和尺寸的改变。如果构件的形状、尺寸设计不合理，或选用材料不当，则构件在一定载荷的作用下，会发生过度的变形或破坏。为了保证机械和工程结构的正常工作，在载荷作用下，构件都应该具有足够的承受载荷的能力，简称承载能力，也即构件必须具有足够的强度、

刚度和稳定性。这些基本要求，不仅与构件的截面形状和尺寸有关，而且还与材料的力学性能有关，而这些又都关系到制造成本，因此合理的选择构件的材料，如何正确的确定构件的截面形状，使构件即满足使用要求，又降低制造成本，便成为构件设计的一个十分重要的问题。

三、对此的创新思维

该型轮椅运用人性化设计理念，从技术上帮助下肢残疾朋友解除了普通轮椅只能坐不能卧、长时间使用易生褥疮的困扰。该型轮椅专供下肢残疾朋友和老年人使用的系列产品之一。在原来的设计基础上，再其背后加上剪式收折机构，便于因为长时间坐的姿势导致易生褥疮和不舒适感，方便打开后背，可以躺下，为解决下肢残疾人和老年人的实际困难，立下了汗马功劳。与其他轮椅不同的是，所设计的这个多功能轮椅上面再架上一个铁架子，上面支着50厘米见方的太阳能电池板。在轮椅的座位下挂着两个10厘米见方、20厘米长的金属盒子，这就是驱动轮椅的蓄电池。还有在轮椅的扶手上安装着操作柄，随着轻轻地前后推拉，轮椅在空地上前后自如地移动着。其次在左右扶手上安装上可以放MP3、收音机等等的架子，在轮廓上安装上电热毯，也是其中的一种想法，还有就是在普通轮椅上安装一个由交流调速电机驱动的传动系统，利用齿轮和履带传动，使之成为一个有机的整体，达到能完成人体主要部位功能锻炼的目的。上肢运动部分，上肢运动是指双臂及手部进行周期性往复运动，将患者双手固定于手柄上，做划船状运动；下肢运动是指腿及脚部进行周期性往复运动，将患者双腿固定脚踏板上，做踏车式运动；背部按摩部分是指由电机带动的两个按摩轮做上下左右转动，达到背部按摩的目的。被动式的功能锻炼轮椅由两套电机驱动系统完成，其中一套用于上下肢的运动，另一套用于背部按摩部分，整套运动协调可靠，不仅能够帮助病人恢复肢体功能，又为医护人员减轻了工作量。经临床实际应用表明，该套医疗康复设备，使用简单，操作方便，能够协助患者做肢体运动，促进病人康复，是一种极有推广价值的康复医疗设备，外加上可自由调整的安全带。

随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走、动手能力等）。因此，对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点。

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