多功能轮椅设计概述

1前言

轮椅是康复的重要工具，它的发明可以说为腿部行动不便群体提供了极大的便利。但是它在部分使用场景下以及部分功能上是存在一定的局限性的。例如，其在上下楼梯时就不能使用人群的需求。为了解决上述需求，给相关人群提供性能优越的代步工具，研究一种价格适宜、平稳安全的爬楼梯装置是十分必要的。本设计可以解决传统的星轮式轮椅行走波动较大、在针对楼梯倾角调节轮椅时的困难等问题。本设计采用剪切式的连杆机构，其既可使前部伸出而上楼梯，也可使后部缩短而方便下楼梯，故可以使座椅保持相应的平衡而使上下楼梯的功能得以实现。

2爬楼梯轮椅的设计

2.1总体设计

该轮椅主要由车架、座椅、多连杆机构、行星轮机构、驱动机构等组成。该轮椅高度为0.8m，前后宽度为0.7m，左右宽度为0.7m，重量约为20kg。通过多连杆机构可调整轮椅上楼梯的角度，在行星轮的配合之下即可实现上楼梯的功能。

2.2行星轮设计

现行楼梯台阶的尺寸为：阶高应在140-170mm，阶面宽度为220-270mm，以此为依据，预设三星轮子轮直径为180mm，在此尺寸下，利用三星轮的转动功能，爬台阶功能很容易实现。

2.3多连杆机构设计

四连杆机构设计如下：四连杆的一端铰链连接三星轮，对角端的铰链连接在轮椅箱体中伸出的螺杆上，且四连杆中与箱体连接的其中一杆是固定。箱体内通过蜗轮蜗杆机构驱动轴的转动，以此来控制四连杆整体的转动，并且由于有一杆是固定的，就可以控制四连杆的收缩。再将在三星轮主轴上连接四连杆机构，借用四连杆机构的伸缩来实现轮椅角度的改变，使之保持水平。

2.4爬楼梯功能可行性分析

在下楼梯过程中，经软件模拟，

多连杆机构的极限位置如下左图所

示，通过如下的计算可知，此过程是

可以实现的（下方几个运动简图中，从固定杆开始顺时针方向，各杆长度依次为180mm、400mm、380mm、230mm）。

此时后轮轴到行星轮与阶梯面接触点的距离为：

⨯

︒

︒

+

︒

⨯

230=

+

⨯

+

210

sin

30

42

sin

10

13

573

380

cos

后轮杆到后轮与阶梯面的距离即大轮的半径为280mm，二者相差293约为两个台阶之高。

同样，在上楼梯过程中的极限位置如下右图所示，通过计算及软件模拟也可知下楼梯过程是可以实现的（下方几个运动简图中，从固定杆开始顺时针方向，各杆长度依次为180mm、400mm、380mm、230mm）。

此时后轮轴到行星轮与阶梯面接触点的距离为：

︒

⨯

+

⨯

210=

︒

-

5

38

sin

sin

42

230

30

后轮杆到后轮与阶梯面的距离即大轮的半径为280mm，二者相差275，同样约为两个台阶之高。

综上所述，可知该机构可在正常条件下实现上下楼梯功能。

3爬楼梯轮椅的运动过程

在平地行驶时，不启用三星轮主轴上的电机，星轮架相对主轴不可转动，使三星轮中的两个小轮着地，每个星轮可以绕自身星轮轴自由旋转，只使用后轮驱动迫使两小轮转动，其他方面与传统轮椅一致。

在上下楼梯过程中，根据星轮式爬楼梯轮椅的特点：每个星轮以及星轮架可以绕星轮架主轴公转，同时每个星轮也可以绕自身星轮轴自转。在上下楼梯过程中，启用主轴上的电机，依靠其绕主轴公转，在后轮驱动的辅助下实现上下楼梯的功能。

4结论

这是一款既有传统轮椅的基础功能又可实现在有高度差的路况下自如行走的设备，并且操作简单、安全稳定、灵活方便。如果将来本设计应用到实际中并被有相关需求的群体使用，必然会极大的方便他们的出行和极大的扩大他们的行动范围，缓解上述相关人群因为比例显著增加而给社会经济、医疗护理各方面带来的巨大压力。