面向手动轮椅的无工具可拆卸助力原型系统设计与初步工程评估

《Instruments》：Design and Preliminary Engineering Evaluation of a Tool-Less Detachable Power-Assist Prototype for Manual Wheelchairs

　　

： 手动轮椅因其经济性、便携性和机械结构简单而被广泛使用；然而，长时间手动推行会增加上肢疲劳和肌肉骨骼负荷。本研究提出了一种无工具可拆卸后置助力原型系统的设计及初步工程评估，该系统可在不对轮椅车架进行永久性改造的前提下完成安装与拆卸。该原型集成了可调节安装机构、双无刷直流（BLDC）轮毂电机、被动悬架以及被动后稳定机构，构成一个单一的可拆卸推进模块。控制杆可置于乘坐者或陪护者操作位置，而约12 kg推进模块的物理安装与拆卸主要由陪护者或护理人员完成，无需单独的初始适配流程。结构分析显示，在指定设计载荷条件下，最大von Mises应力为126.3 MPa，最小安全系数为1.98。平均组合安装-拆卸流程时间为96.06 s。独立工程测试在120.1 kg测试载荷下记录了水平地面行驶55 m、速度2.829 km/h，并成功通过10.5°坡道（约18.5%坡度）。在另一次4 km户外评估中，GPS记录的平均速度为2.7 km/h。上述结果支持该集成可拆卸架构在所评估条件下的初步工程可行性。仍需进一步开展标准化结构、动力学、对比性、多轮椅适配及以用户为中心的评估，以确立实际可用性与性能。

论文解读文章

一、研究背景与问题

行动能力对于独立生活、健康和社会参与至关重要。对于下肢残疾人士而言，手动轮椅因其结构简单、便携和经济实惠而成为最常被处方的辅助移动设备之一。然而，手动轮椅使用者依赖上肢进行日常推行，重复性推行使肩关节复合体承受显著机械负荷，长期累积可导致肩部疼痛和上肢过度使用损伤。尤其在户外移动、坡道或不平坦地形条件下，推行所需体力大幅增加，进一步加剧了身体负担，可能降低移动能力并限制日常与社区活动参与。

电动助力可以在保留手动轮椅重要特性的同时降低推行体力需求。现有助力系统架构包括推圈激活助力、后置推进单元及其他电动附加系统，在控制方式、安装要求、便携性、牵引力和操作者定位方面存在差异。尽管已有研究探索了不同手动轮椅电动化改造方案，但现有产品在安全性、可靠性、便携性、安装兼容性和操作特性方面仍存在权衡。本研究旨在探索一种集成可调节后置安装接口、双驱动轮、被动垂直顺应性和被动后稳定机构于一体的可拆卸推进模块，且无需对轮椅车架进行永久性结构改造。研究不声称优于商业产品，而是评估该集成架构的技术可行性，并识别后续标准化和以用户为中心测试所需解决的实际问题。

二、研究内容与结论

研究人员设计并初步评估了一种无工具可拆卸后置助力系统原型。该系统由可拆卸机械框架、双轮毂无刷直流（BLDC）电机、可充电电池组、电机控制器、被动悬架机构、后稳定结构和杠杆式控制界面组成。控制杆可安装于轮椅前方或后方，使电动推进可由乘坐者或陪护者控制。约12 kg推进模块的物理安装与拆卸主要由陪护者或护理人员完成。基于翻转夹具的安装机构实现无工具安装与拆卸，可调节高度和宽度接口可适配参考轮椅车架而无需单独初始适配流程。

结构分析表明，在指定设计载荷条件下，最大von Mises应力为126.3 MPa，最小安全系数为1.98，超过1.75的设计目标。10名研究团队成员（5男5女）各完成10次连续组合安装-拆卸循环，平均流程时间为96.06 s，低于预设120 s工程目标，且未观察到可见松动或机械不稳定。独立工程测试（韩国测试研究院，报告编号ECU-2023-014507）在120.1 kg测试载荷下记录了水平地面行驶55 m、平均速度2.829 km/h，并成功通过10.5°坡道（约18.5%坡度）行驶5.5 m。4 km户外GPS测试记录最大速度4.3 km/h、平均速度2.7 km/h，总时长1 h 25 min 18 s，测试期间电池未耗尽。被动后稳定机构在约10°倾斜平台上验证了机械展开和地面接触功能。悬架有限元分析预测最大结构位移12.67 mm，在目标位移范围内。

上述结果支持该集成可拆卸架构在所评估条件下的初步工程可行性，但研究仅使用一台参考轮椅和一台原型，安装-拆卸试验由研究团队成员而非轮椅使用者或护理人员完成，通用兼容性和独立乘坐者安装能力尚未确立。

三、主要关键技术方法

研究人员采用以下关键技术方法开展研究：基于Autodesk Inventor 2024对参考折叠手动轮椅进行逆向工程，生成三维计算机辅助设计（CAD）模型并进行安装空间分析；采用翻转夹具锁定机构实现无工具可拆卸安装，并设计独立高度（约20 mm）和宽度（约±30 mm）调节机制；使用Autodesk Inventor 2024进行有限元分析（FEA），评估结构完整性并优化设计，模型包含384,668个单元，采用STS304LN（屈服强度250 MPa）和AL6061-T6（屈服强度275 MPa）材料属性；采用双BLDC轮毂电机（MDH150，轮径170 mm，额定转矩8 N·m，最大转矩16 N·m）和7S3P电池组（标称电压25.2 V，容量14.44 Ah，约364 Wh）构成驱动系统；采用线性导轨和压缩螺旋弹簧（刚度14 N/mm）构建被动悬架机构，设计垂直行程25 mm；在MATLAB Online（R2025a）中建立集总参数弹簧-阻尼模型进行悬架初步设计；通过原型制造和实验评估验证系统性能。

四、研究结果

4.1 结构分析结果

在指定450 N/安装区域载荷和粘结接触假设下，最大变形出现在翼板连接区域，最大位移0.3295 mm。最大等效（von Mises）应力为126.3 MPa，出现在安装接口附近。STS304LN屈服强度250 MPa与最大等效应力之比约为1.98，与最小安全系数一致，超过1.75设计目标。该结果支持初步静态结构充分性，但不构成对所有动态运行载荷的验证。

4.2 安装与拆卸性能

10名研究团队成员各完成10次连续组合安装-拆卸循环，整体平均时间为96.06 s，参与者个体平均时间范围为88.2至112.9 s，低于预设120 s工程目标。重复过程中未观察到可见松动或机械不稳定，表明在所评估条件下无工具安装与拆卸具有可重复性。

4.3 行驶性能

驾驶评估中观察到松开操纵杆可使轮椅停止，电机控制器通电且轮椅静止时对外部位移存在阻力。4 km户外GPS测试记录最大速度4.3 km/h、平均速度2.7 km/h，总时长1 h 25 min 18 s，电池未耗尽。独立KTR水平地面测试中，120.1 kg测试载荷下行驶55 m用时70 s，平均速度2.829 km/h。独立KTR坡道测试中，同一载荷下在10.5°坡度行驶5.5 m。

4.4 后稳定性能

在约10°倾斜测试平台上诱导轮椅后向旋转，验证稳定支撑机械展开并接触地面。达到机械展开条件时，支撑向下旋转并建立地面接触，无需电子传感器或主动控制。测试条件下未观察到可见结构失效、松动或故障。该结果证明在所测试条件下功能展开和地面接触，而非对后向稳定性的量化改善。

4.5 悬架性能

对三种候选压缩弹簧进行评估，刚度14.0 N/mm的弹簧在建模载荷条件下提供适当结构响应且无机械干涉。最终悬架配置的FEA预测最大结构位移12.67 mm，在悬架设计过程中确立的目标位移范围内。结果支持所提出悬架机构在可用安装空间内的结构可行性和垂直顺应性，但未实验测量传递至轮椅车架和座椅的加速度或振动，因此不证明量化振动衰减或乘坐舒适性改善。

五、讨论与结论

讨论部分指出，结构分析和原型评估支持所评估条件下的初步机械可行性，但FEA的450 N/接口载荷工况并非来源于完整移动系统后部载荷的实测，未记录正式网格收敛性研究，粘结接触假设无法捕捉夹具滑移或局部分离，因此FEA应视为初步设计筛选。推进计算区分了额定和短时电机能力：使用总移动质量148.5 kg，10°时理想重力转矩需求约10.8 N·m/电机，10.5°时约11.3 N·m/电机，超过8 N·m额定转矩但低于16 N·m最大转矩，滚动阻力、加速度、轮胎变形和损耗会进一步增加需求，因此该计算不确立连续爬坡裕量。评估局限于一台参考轮椅和一台原型，安装-拆卸试验由研究团队成员而非轮椅使用者或护理人员完成，程序时间组合了安装和拆卸。该模块可无工具安装拆卸，但涉及举升和定位轮椅，主要面向陪护者或护理人员。参考轮椅在模块移除后可折叠，但模块附着时不可折叠。安装后实际运行条件下的最小离地间隙未经实验验证。对其他轮椅型号的潜在适用性取决于其后车架结构的几何和机械兼容性，高度约20 mm和宽度约±30 mm的调节范围提供了有限适配的机械基础，但未经过实验验证。松开操纵杆停止和通电静止状态下的抗位移阻力仅被定性观察，未量化停止距离或时间、保持转矩、下坡制动或突然断电响应。断电会禁用主动保持并允许自由轮动，因此在坡道上意外移动仍是安全隐患。主动电机保持不是独立的机械驻车制动。未来开发应纳入轮椅使用者和临床医生的反馈，建立模块重量、安装力度、控制位置、便携性和折叠兼容性的实际设计要求，并进行标准化工程测试。

研究结论部分翻译如下：开发了一种用于手动轮椅的可拆卸后置助力原型，并通过初步工程测试进行了评估。该系统集成了可调节无工具安装机构、双轮毂电机、被动悬架和后防倾结构。控制界面可配置为轮椅使用者或陪护者操作，而约12 kg模块的安装与拆卸主要面向陪护者或护理人员。独立工程测试在120.1 kg测试载荷下证明了水平地面平均速度2.829 km/h行驶55 m和10.5°坡道行驶5.5 m的能力。这些发现支持所提出系统在所评估条件下的初步技术可行性。仍需进一步标准化测试和以用户为中心的评估，以评估其在不同轮椅配置中的操作安全性、可用性和实际适用性。