可直立行走的助步轮椅机构设计

    0　引言

    肢体残疾的人很多,而且由于自然灾害、疾病与交通事故的原因,人数正逐年增加,目前,中国下肢残疾的人已经超过900万[1]。下肢残疾大大限制了他们的活动空间,降低了生活自理能力,并且会产生心理上的问题。轮椅为下肢几乎完全残疾的人在平坦的地面上自由活动与部分自理创造了条件。康复医学与康复器械都致力于帮助下肢残疾的人康复与行走[2-8],文献[9]研究了可直立行走的电动助步轮椅的步态规划,文献[10]对智能轮椅的研究现状和发展趋势作了综述。然而,可直立行走的助步轮椅的机构设计问题仍然没有得到良好地解决,为此,我们利用可重构机构的思想,结合绳索的单向约束特性,对坐位形态下的轮椅机构进行了设计,对行走状态下的双腿上下楼梯的参数进行了设计计算,以便为可直立行走的助步轮椅的商品化提供可行的机构与参数计算方法。

    1　可直立行走助步轮椅的结构与功能

    可直立行走的助步轮椅适用于上肢功能完好或基本完好、下肢功能不完全丧失但不能独立行走的个体。它具有坐位形态、直立形态与助行功能。它优越于普通轮椅的地方在于它可以实现直立与助行;它优越于双拐杖助残的地方在于它可以将双手解放出来以便料理家务或照顾自己。

    在坐态时,如图1所示,它与普通轮椅的功能几乎完全相同,除了链传动在一侧之外,其余的结构左右对称;座位为左右两瓣结构,一瓣与左侧上架后端铰联,另一瓣与右侧上架后端铰联,两瓣之间不再连接,两条大腿分别与两瓣以扁带扣连,以便为直立行走时创造 

    几何条件;前面两个轮子独立支撑,后面两个轮子为同轴结构,以便为坐态时行走与转向创造条件。在直立形态,具有协助行走、上下楼梯的功能。上楼的机构简图如图2所示,下楼的机构简图如图3所示。前面两个轮子、后面两个轮子之间的轮距都为480mm。前下方左右各有一个两节的脚踏,脚踏相对于水平面的倾角α=5°,脚踏离地的最小距离为5mm。该种设计一是为轮椅形态时放置双脚与向前行进时顺利越过低矮的障碍物,二是为直立形态时行走使用(脚被扁带扣连在脚踏上)。两节脚踏比一节脚踏更适宜脚迈步的需要,两节脚踏之间为转动副,后一节脚踏与前架组成转动副,两节脚踏均通过钢丝绳与前架连接以达到行走时脚踏(脚)可相对于前架(小腿)摆动的目的。在进入直立形态的过程中,人体在每个脚踏上的重力一旦超过预设的弹性力(20kg),脚踏着地,为行走创造条件。前架为两节套装结构,可以轴向伸缩5mm,通过约束弹簧与重力实现5mm的伸缩量,两节之间可以作相对转动,以便通过前架下段的转向手把(左右各1个)相对于上段的转动而实现转向。前架与上架组成转动副,该转动副处(膝关节)设置一个驱动手轮,通过链条驱动后轮实现前后运动。当需要站立时,上身先向前倾斜,使重心前移,再用双手对膝关节处的杆件施加向下的主动推力,借助髋关节与膝关节残存力量的辅助,使轮椅抬起、自动收拢并与人一起达到站立状态。站立时,人体的部分自重由站立状态的轮椅支(小腿约束在前架上,大腿约束在上架上,双手握住左右的行走用手把),通过上肢与上架、前架的配合,实现行走或再借助楼梯扶手的协助实现上下楼梯。