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作者:許標誠、王坤池、阮致維、楊惟中(2002-11-08);推薦:徐業良(2002-11-08)

無障礙空間之輪椅清洗機設計(I)

摘要

近年來殘障人權越來越受到重視,政府也不斷宣導無障礙空間的概念,因此輪椅族有更多機會從事許多戶外活動;但輪椅族從事戶外活動後輪椅回到室內,在某些需要維持地面清潔的場合,如何清潔胎面便成為輪椅族一項因難的問題。

本研究即在針對輪椅族研發一台方便其清洗輪椅用的輪椅清洗機,能夠省時、有效率、且可獨自操作。本文首先就一般市售產品進行探討,了解目前此領域的發展現況,進而提出我們的設計概念,設計一可自動清洗輪椅輪胎胎面的作業平台,接下來並實際製作原型測試,以期能真正達到實用目的。

1.         輪椅清洗機簡介

近年來輪椅族越來越活躍於各類戶外運動競賽,像是籃球、桌球、羽球及競速等等。他們利用多種不同種類的輪椅,克服肢體障礙的限制及種種困難,完成許多大家想像不到的活動,但是在日常生活中還有許多瑣碎的小麻煩困擾著他們,如輪椅的清洗、上下樓梯等。而輪椅本身在功能、舒適性的提升上,已經有非常多相關研究,市售產品種類繁多,也已相當成熟,但目前對於輪椅族在輪椅使用上所需要的周邊輔助設施,則較少有研究。

輪椅清洗機便是一項重要的輪椅使用周邊輔助設施,這項需求是由位於桃園縣八德市的「脊髓傷殘損傷中心」所提出。輪椅族常會有一個困擾,當他們從室外要進入一個乾淨的環境,例如家中、辦公室、或是圖書館等,常會擔心輪椅的輪胎不乾淨而弄髒了地面。若是要清洗,其過程費時又費力,對輪椅族或其家人、照護者而言非常的不方便,因此研發一協助輪椅族能獨立清洗輪椅胎面的設備是有其必要性的。

本研究的目的在設計一輕便、簡易的輪椅清洗設備,裝置在經常有輪椅族朋友出入且需要維持地面清潔之場所,以清洗輪椅之胎面,並且整個清洗過程可由使用者一人獨自操作,達到方便、實用之目的。

目前市面上的輪椅主要可分為三種類型:(1)標準型輪椅(如圖1[1],即一般手動式的輪椅;(2)運動型輪椅(如圖2[1],即輪椅族從事各項運動時使用的特殊輪椅;(3)電動輪椅(如圖3[2],給無法用手推動輪椅的脊髓損傷患者使用。三種類型中又以標準型輪椅最為普遍,因此本計畫所研發的輪椅清洗機將以標準型輪椅作為設計適用對象。

1. 標準型輪椅                 2. 運動型輪椅                 3.電動輪椅

國外清洗輪椅相關的產品主要可分為三類:(1)外掛式(如圖4[3],在輪椅煞車桿的地方加裝刷子來清潔胎面;(2)密封式(如圖5[4],將整台的輪椅放進一密封的機器中,利用類似淋浴的方式來清潔輪椅;(3)滾輪式(如圖6[5]面上裝置滾輪組,而當輪椅經過時,便由滾輪轉動擦拭胎面。

4. 外掛式                 5. 密封式                         6. 滾輪式        

上述各種清洗方式優缺點整理如表1。本輪椅洗車機將結合外掛式和滾輪式的優點,設計出新一代的輪椅清洗機,完整的設計概念與流程於後段會有詳盡的說明。

1. 各式清洗機優缺點比較

型式             優缺點

優點

缺點

外掛式清洗機

使用便利、模組化

易損壞、清潔力有限

密封式清洗機

清潔力佳

體積大、使用不便、耗時

滾輪式清洗機

使用便利、省時

清潔力有限

2.         輪椅清洗機之設計需求分析

本研究設計之輪椅清洗機也可歸類為輔具的一種,設計流程上採用了PoulsonRichardson提出的“USERfit”[6]用者需求為設計中心的概念之輔具設計程序,整體設計流程如圖7所示,其中明確揭示了輔具設計流程各階段所須了解使用者需求的重點為何。表2為依據USERfit輔具設計程序所做輪椅清洗機各項設計需求分析。

7. USERfit 方法論中輔具設計流程

2.USERfit架構中9項元件的目的

USERfit元件

分析

Environmental context(環境情況)

無法清潔胎面的輪椅族

Product environment(產品情況)

提供使用者於清洗輪椅時使用

User analysis(使用者分析)

使用者多為下肢運動機能障礙者

User activities(使用者的活動性)

當使用者進入某些場合時需維持地面清潔時,因行動不便,無法自行清洗輪椅之胎面。

Product analysis(產品分析)

具有馬達控制及刷洗、噴水清洗等機構,讓使用者可獨自完成整個清洗動作

Requirement summary(需求總結)

除了必須達成其需之清潔功能,如洗滌、刷洗、拭乾等之外,必須同時具備操作簡便性、不占空間、以及可單人完成清洗過程

Product attribute matrix

(產品的基礎特性)

(1)   被動式刷洗模式

(2)   自動噴水加濕

(3)   胎面自動旋轉

(4)   支撐結構安全性考量

(5)   One-touch人機操作介面

Design summary(設計總結)

輪椅清洗機

Usability evaluation(實用性評估)

使用者實際測試並加以評估實際效用

從以上分析中課歸納出,本輪椅清洗機,除了必須達成其所需之清潔基本功能,如洗滌、刷洗、拭乾等之外,必須同時具備操作簡便性、不占空間、以及可單人完成清洗過程等三項共同特徵功能。

3.         輪椅清洗機之各子系統

綜合以上所述,本研究輪椅清洗機設計可分為結構、清洗、動力、水處理等四個子系統,其各主要功能及預期達成之動作描述如下。

3.1    結構子系統

結構子系統主要功能是讓使用者能輕鬆地將輪椅推行到清洗平台上並固定,為了方便安裝於室內狹小空間,我們設計其尺寸約為一般輪椅大小,圖8為整體結構設計示意圖。

8. 整體結構設計示意圖

如圖8所示,為方便使用者進入清洗機平台,平台兩旁設置高度約為55公分之扶手,此為一般人坐在標準型輪椅上時最容易施力的高度,即使是行動不便的使用者依然可以自行利用扶手推上清洗機,完成整個清洗過程。首先使用者操控輪椅以後退方式進入清洗機,並使四個輪子分別進入清洗槽。清洗槽間距離配合標準型輪椅輪軸間的距離做設計,故只要輪椅上昇至清洗平台後,四輪自動會對準清洗槽。接下來使用者按下開關,便可進行清洗的工作,完畢後使用著可自行操控輪椅往前即可離開清洗機。清洗機斜板角度為方便輪椅族上下設計為30°,電源、水量、動力裝置則統一安裝在下層。

3.2 清洗子系統

清潔功能是本輪椅清洗機最重要的目的,故清洗子系統為關鍵子系統,如圖9所示,一「卡鉗式清潔器」在兩組帶動輪胎旋轉的滾輪之間,當輪胎旋轉進入卡鉗時,則由卡鉗式清潔器將其洗淨而完成清潔的目的。

9. 卡鉗式清潔器位置示意圖

卡鉗式清潔器內部配置如圖10,共包含5個元件,作動原理說明如下:

(1)   滾筒:承受輪胎下壓的力,且因可同時滾動,故不影響輪胎受滾輪帶動,滾筒表面為布類的材質使其兼具擦拭的功能。

(2)   刷板:由一固定在基座上的軸支撐,可做大約50度旋轉運動,且其上佈滿刷毛,可刷洗胎面。

(3)   支撐軸:支撐滾筒,且藉由彈簧的彈力維持高度,當滾筒受力彈簧壓縮時,觸動刷板使其往內夾。

(4)   彈簧:在支撐軸內,承受下壓力,並提供恢復力。

(5)   噴水孔:基座上有一噴水孔,並連接小型的幫浦使其可將水打上胎面。

10(a). 卡鉗式清潔器正視圖

10(b). 卡鉗式清潔器側視圖

10(c). 卡鉗式清潔器立體圖

清洗子系統作動作動流程如圖11所示,輪胎經由導槽進入卡鉗後,同時壓縮到滾筒觸動支撐軸,使刷板由兩側夾住輪胎;接著滾輪開始轉動,帶動輪胎在原地旋轉,於是噴水系統開始將適量的水噴上胎面,並由刷板上的刷毛將胎面上的污穢物刷下,完成整個清洗過程。

11(a). 卡鉗未受負載狀況

11(b). 滾筒受到來自輪胎的下壓力

前輪輪徑太小且有旋轉自由度,故此卡鉗式清洗器設計並不適用於前輪,我們另設計一前輪清洗槽,如圖12,當前輪進入清洗槽時,由於滾輪的帶動,使其與清洗槽內的刷毛摩擦而清淨胎面。

12. 前輪清洗槽

3.3 動力子系統

為完成自動清洗的目的,輪椅清洗機由馬達帶動滾輪,來帶動輪胎轉動,如圖13所示。

13. 輪椅清洗機動力子系統

13中輪椅前、後輪皆分別有兩根滾輪支撐,使其輪椅在進入清洗機後,可以在車身不動的情況下,讓輪胎跟隨滾輪轉動而清洗。滾輪是利用齒輪組和馬達接合來傳動,經過計算及查詢廠商型錄後,採用10V1800rpm、減速比3090W的馬達,估計可以承載體重100公斤

3.4 水處理子系統

輪椅胎面清洗時噴以少許水,將比一般只用刷毛刷洗更乾淨,但相對的也衍生出一些設計上的問題,如需要多少水量?如何補充?抹布是否有辦法將水完全吸附呢?

為了解這些設計問題,首先我們利用一般澆水的噴霧器噴灑300g水,設定有效噴水高度為20cm,結果發現平均要噴440次才能噴完,即每次噴出量為0.68g。輪椅清洗機輪胎旋轉一周需噴水8次,每次清洗動作需旋轉2周,兩後輪總共需要的水量為0.6818×8×2×2=21.6g。以此計算,2公升的水源足夠92人次使用,估計每日使用量為6人次的話,則使用期限長達2周。因不須經常添加水,故將採用採外掛式水箱。

接著我們直接以噴霧器噴灑抹布,測試其吸水性,以3M的魔布為測試的對象,在噴水8次之後大部分的水已被抹布吸收,周圍只有極小量的水霧產生,但亦有少部分形成水滴而匯集於基座底部,故在底部設計一盛水皿。噴水器則利用小型的沉水馬達,將其噴水頭改裝。圖14為卡鉗清洗器及水處理子系統的實體配置情況。

14. 卡鉗及水系統配置圖

4.         整體測試及設計改良

至此,整個第一代清洗機的雛型已經大致完成(如圖1516),接下來開始實際乘坐輪椅,進行整個清洗的過程測試。在輪椅進入清洗槽後,不管是動力或水系統,皆可達成我們預期設計的目的,卡鉗模型也可達成我們的作動要求;但在經過了測試之後,也使我們發現了一些不預期的交互作用,故也規劃進行設計上的修改。

15. 輪椅清洗機實體圖 

16. 輪椅清洗機內部配置

在測試時發現,由於上蓋至清洗槽內滾輪的距離過高,故在清洗完時,輪椅前輪不易出來,因此降低上蓋至滾輪的距離及改變前輪清洗方式是設計改進的要點。

(1)    前輪清洗設計變更

由於前輪有旋轉的自由度,因此為方便出入,規劃改採旋盤式前輪清洗機構,如圖17,共包含4項主要元件:

17. 旋盤式前輪清洗機構

a.       圓盤:為上方為直徑140mm之圓平面,向下有一凸軸導入下方連座軸承中,圓盤上平面裝置有一替換式抹布,當圓盤旋轉時,可擦拭胎面以達清潔效果。

b.      連座軸承:提供上方圓盤轉動時確保在同一軸心上轉動,並降低其他不必要之摩擦力。

c.       骨架結構:連座軸承與底盤間支撐結構,提供連座軸承一穩定堅固的骨架。

d.      馬達:提供圓盤轉動時之動力源。

如圖18,當輪椅進入清洗機到達定位時,輪椅前方小輪剛好會置於圓盤中心距40mm的位置;接著馬達開始驅動上方的圓盤,使其呈逆時針轉動,並在前輪接觸點處造成一切線方向的作用力,在摩擦力極大的情況下,進而帶動前輪滾動,並在滾動的同時擦拭前輪胎面以達成我們要的清潔效果。

18. 旋盤式前輪清洗機構動作示意圖

(2)    傳動方式變更

由於為了降低滾輪到上蓋的距離,故我們將原本的利用齒輪的傳動方式,思考改為利用皮帶與皮帶輪來傳動,如此不但可以降低高度,更可避免因齒輪咬合所帶來的噪音問題。

(3)    噴水系統變更

先前自行改裝的沉水馬達雖可達成濕潤的目的,但壓力不足,故噴霧的效果不好,以致常有水滴會沿胎面落至底盤,因此將利用工業界使用的「加濕器」,以其可以更符合我們的需求。

5. 未來展望

輪椅清洗機國外已有不少產品,但大多有其特需的使用情況或場合,而國內目前似乎並無相關的研究。本研究經過幾個月來的努力,雖然整體概念及雛形已經完成,但未來還是仍然有許多可以改進地方,如感測及電腦晶片控制、材料結構的加強等,以期可以更加的實用化,並適應各種不同的場合,使其成為日常生活中大眾化的商品。

6. 誌謝

成長,是令人喜悅。尤其是在這次專題製作的過程中,我們每個人都成長了不少,不管是在軟體分析繪圖或硬體加工及設計知識上;而首先特別感謝本組的指導老師徐業良教授,傳授我們許多設計及報告方面的知識,且不時提供許多建議,使我們了解到許多實務設計上的考量,並不時關心大家的生活情況,令大家備感溫馨。再來要感謝的是王崇飛老師及洪永杰學長,在專題製作的過程中提供許多建議及討論,替我們解決了許多瓶頸及困難,使本專題可以更趨向實用及完備;尤其是洪永杰學長,教導我們軟體及加工技術上的應用及提供所需的各項支援,並在我們遭遇挫折時給予我們最大的幫助。最後感謝3423實驗室所有學長,及曾經幫助過我們的師長同學們,使我們在學習的過程中獲益良多,在此,謹致上我們最深的謝意。

參考文獻

[1]   達成醫療器材,http://i9care2you.tripod.com/

[2]   勝利之家輔具資料庫,http://www.vhome.org.tw/resource/equipdata/res1901.htm

[3]   Lenjoy Medical Engineering Inc.http://www.comfy.org/index.htm

[4]   Aqua Phase Maintenancehttp://www.medwashers.com/

[5]   Smile Rehab Ltdhttp://www.smilerehab.com/index.htm.

[6]   Poulson, D., and Richardson, S., “USERfita framework for user centred design in assistive technology,” Technology and Disability, Vol. 9, Issue. 3, pp.163-171, 1998.