新型老年人轮椅的设计与研究

1. 引言

1.1 老龄化社会的挑战

1.1.1 人口老龄化趋势

• 根据国家第六次人口普查数据显示，截至2010年12月31日，我国60岁及以上人口占13.26%，中国现有老龄人口已超过1.67亿，且每年以近800万的速度增加，根据有关专家的预测，到2050年，中国老龄人口将达到总人口的三分之一。
• 随着人口老龄化的加剧，老年人的行动不便问题日益凸显，对轮椅的需求不断增加。

1.1.2 轮椅市场现状

• 我国轮椅市场需求大，但现有轮椅产品在便捷性、舒适性、安全性等方面存在不足。
• 随着科技的发展，老年人轮椅的设计需要更加注重智能化、人性化、功能多样化和环保节能。

1.2 电动轮椅发展趋势

1.2.1 智能化

• 增加电动机作为助力装置，增加速度检测、距离检测装置和报警装置等，充分合理地利用现有的科技，将机械和电子、电气、人机工程学相结合，设计出新型的老年人轮椅，来提高老年人轮椅使用的便捷性、安全性和舒适性。
• 智能化轮椅可以更好地满足老年人的个性化需求，提高其生活质量。

1.2.2 设计人性化

• 轮椅的设计应该尽可能的结合人机工程学的相关知识，使轮椅的尺寸尽可能符合人体的器官的尺寸，使轮椅使用者脊柱处于生理体位，保持正常的生理曲度。
• 人性化设计可以提高轮椅的舒适性，减少使用者的不适感。

1.2.3 功能多样性

• 改变以往老年人轮椅只实现坐的功能，扩大为能实现坐、立、卧、上下楼梯的功能，具有电动、手动、手推三合-功能，更大程度地方便使用者。
• 功能多样性可以满足老年人不同的出行需求，提高其生活品质。

1.2.4 模块化

• 未来概念老年人轮椅要批量生产，必须实现模块化，整个系统应由基本模块和各个功能模块构成，每个功能模块负责一种功能，用户可以根据需求选择配置最适合的轮椅。
• 模块化可以降低成本，提高性价比，满足不同用户的需求。

1.2.5 新型材料的应用

• 现今是个能源紧缺的时代，能源和环保是当代社会的主旋律.老年人轮椅的设计应该响应时代的号召，尽可能地采用高效、环保、节能型材料。
• 新型环保材料的应用，既能提高老年人轮椅的使用性能，减轻重量，又能减少对环境的破坏。

2. 改进老人轮椅系统方案设计

2.1 轮椅组成部分

2.1.1 大车轮

• 大轮胎承载主要的重量。除了少数使用环境要求而用实心轮胎外，多用充气轮胎,充气轮胎重量轻,抗颠簸能力强。

2.1.2 小车轮

• 直径大的小轮易于越过小的障碍物和特殊的地毯。但直径太大使整个轮椅所占空间变大，行动不方便。

2.1.3 轮胎

• 轮胎有实心的、有充气内胎和无内胎充气型三种。实心型在平地走较快且不易爆破，易推动，但在不平路上振动大，且卡入与轮胎同宽的沟内时不易拔出。

2.1.4 刹车

• 大轮应每轮均有刹车，像偏瘫者只能用一只手时，只好用单手刹车，但也可装延长杆，操纵两侧刹车。

2.1.5 座椅

• 其高、深、宽取决于患者的体型，其材料质地也取决于病种。

2.1.6 坐垫

• 为避免压疮，对垫子要高度注意，选用Roto垫，这种垫由一块大塑料，上面有大量直径5cm左右的乳头状塑胶空心柱组成，每个柱都柔软易动，患者坐上后受压面变成大量的受压点。

2.1.7 腿托及脚踏板

• 腿托可为横跨两侧式，或两侧分开式，本设计采用的是两侧分开式，腿托上附有海绵垫，可减轻小腿承受的压强，增强舒适度。

2.1.8 靠背

• 靠背有高矮及可倾斜和不可倾斜之分。本设计从使用者舒适度的角度出发，采用高靠背可调节角度倾斜的方式，靠背上有设计有靠枕。

2.1.9 扶手及臂托

• 一般高出椅座面225 mm 260 mm。本设计采用的是高出椅面250 mm。

2.2 人性化设计方案

2.2.1 座位深度设计

• 座位深度比一般轮椅加深4cm，在坐立状态下靠背后倾8°，这两方面相结合，使得轮椅支撑性能更好，产生大腿、臀部、背部三点支撑，从而降低臀部和尾椎的压力，避免产生因乘坐轮椅不适造成二次伤害。

2.2.2 背椅设计

• 背椅可调节成坐、卧方式，适用于中风、全瘫、半瘫以及其他身体控制能力弱的乘坐者；全躺后背可让乘坐者乘坐更平稳。

2.2.3 防倾轮设计

• 带防倾轮，起到一个防后翻的作用，防后倾轮可以根据路面状况、运行状况来调节高低。

2.2.4 星形轮设计

• 采用三个小轮组合成星形轮作为前轮，可以在人为辅助的情况下，三个轮分别作为支撑前进，轻松地上下楼梯。

2.2.5 驱动方式设计

• 采用“电机+手动+手推”的方式，可以实现使用者“电动+自助+他助”的需求，更加人性化。

2.2.6 新材料运用

• 采用新型材料作为坐垫和靠垫，增加舒适性和提高抗颠簸能力。为避免压疮，选用Roto垫。

2.3 各部分尺寸选择

2.3.1 座宽

• 座宽按人机工程学的要求应该满足臀部横向宽度所需要的尺寸，考虑到要包容大多数操作者，我国正常成人男女人体主要尺寸按GB10000-88标准如表1、表2，按成人女子P95百分位数的臀部宽度，在设计中还要考虑衣服厚度和余量，两边各留25mm，座宽设计为430 mm。

2.3.2 座深

• 座深是座面的前后距离，它应能使臀部得到全部支撑，其深度一般相当于臀部至大腿全长的3/4，按成人男子，95百分位数应不超过446 mm。本设计采用440 mm。

2.3.3 扶手高度

• 进过调查研究发现扶手高度高出座椅面225~260 mm时乘坐着最为舒适，同时也较为安全，不会使使用者跌出轮椅外。本设计采用250 mm。

2.3.4 驱动轮

• 大轮选用直径尺寸应在510~660mm，经校正后采用560mm。前轮采用三个小轮组合而成的星形轮,每个小轮直径尺寸应在120~200mm之间，最后采用150mm。

2.3.5 手泉

• 手圈一般直径小于大轮50 mm，因本设计大论尺寸为560 mm，所以手轮采用510mm。

2.3.6 靠枕

• 靠枕作为使用者使用时休息必备的物品，靠枕高度(从臀部到后脑勺，按坐姿眼高来计算)应尽可能合适，这个尺寸本设计根据GB10000-88坐姿人体尺寸表选择男性坐姿眼高P50百分位数798 mm，再综合考虑使用者体型差别、陪侍人员服务时方便与否等实际情况，本设计采用坐姿眼高400mm。靠枕尺寸为300mmX100mmX50mm。

2.3.7 靠背

• 靠背高度(从臀部到靠背顶端)依据靠枕的高度来设定，靠背过高,将会挡住助推者的视线;过低,则使用者不方便靠,增加颈部的受力，经过计算,靠背的高度靠枕的顶部;即为850 mm。

2.3.8 脚踏板

• 脚踏板的长度应从膝关节凹陷处至脚底的高度，本设计根据GB10000-88坐姿人体时表选择男性坐姿小腿加足高P90百分位数439 m，再综合考虑使用者穿鞋的高度。使用舒适度等情况考虑，采用440 mm的长度。

2.3.9 腿托

• 腿托可以承担一部分小腿的重力，特别是当轮椅调整为躺卧状态的时候，腿托要承担几乎所有小腿的重力，本设计根据GB10000-88坐姿人体尺寸表选择男性小腿长P90百分位数396m，再综合考虑使用者穿鞋的高度、使用舒适度等情况考虑，腿托应安置在小腿约1/2处，故采用腿托的下端距离脚踏板150 mm处，腿托的尺寸为150mmX65mmX30mn。

3. 未来概念老人轮椅的功能组成模块设计

3.1 行走模块设计

3.1.1 自助方式

• 大轮的外圈设计有直径为510mm的手轮圈，使用者自助通过用双手推动手轮圈使大轮向前/后移动，轮椅将会做相应的移动，以达到目的。

3.1.2 后轮驱动方式

• 采用双电动轮椅专用蓄电池(24v/14Ah)，后轮采用双电动轮椅专用电机(220w，24v)驱动，左右分放，功率大，电池持久耐用。

3.1.3 刹车装置

• 刹车采用手刹与电动刹车相结合，尽可能地方便使用者，保证使用者在行驶中的停车安全。

3.1.4 后轮轮毂处刹车装置

• 采用一种新型的塑胶轮刹车装置，包括空心轮轴(1)及其两端的法兰盘(6)，法兰盘上固定有外涨式刹车机构，外侧的塑胶轮(13)通过快拆装杆(12)与轮轴相连，其特征是刹车环(9)表面设置有凸块/片/台，嵌入塑胶轮(10)内侧，与塑胶轮一体注塑成型!5。
• 刹车铁环为底部开孔的杯状，杯状向外空压出多个凸台，杯口向外处延伸出多个倾斜的凸片。刹车机构包括与法兰盘紧固的刹车盘(8)，刹车盘上设置有可开可合的两块半闭环的刹车环(15)，刹车环上设置有刹车片(14)，刹车铁环与刹车盘活套连接[5]。

3.2 控制问题

• 采用万向控制系统，前进、后退，左右自由转向，使用者通过操作外向控制器，可以进行前进/后退/左右自由转向的操作。
• 前进、后退是通过系统对电机的转向的控制，来实现轮椅前进与后退功能；左右自由转向是通过系统对大轮左右轮速度的快慢调节达到转向的效果。
• 若要进行向右转弯，就进行万向转换器中的右转操作，经系统的调节控制，大左轮的速度大于大右轮的速度，轮椅将向右转弯。反之则向左转弯。