曲柄星輪式爬樓梯輪椅爬升機構設計

王占禮， 趙德超， 陳延偉， 孟祥雨

（長春工業大學機電工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

根據2008年開展的第二次殘疾人抽樣推算，我國各類殘疾人口總數為8 296萬人，殘疾人占全國總人口的6.34%。其中，60歲及以上的老年殘疾人口為4 416萬，占殘疾總人口的53.2%，與1987年相比，60歲及以上的殘疾老年人增加了2 365萬，占到總增加人數的75.5%。隨著年齡的增長，殘疾人口的比例在不斷上升，尤其進入老年后，上升非常迅速[1]。不斷增加的殘疾人口對醫療和保健有著巨大的需求，成為我國面對的重大社會服務問題。服務機器人的出現可以有效地緩解醫務人員不足的現狀，提高殘疾人的生活質量，為我國社會的穩定發展起到積極作用。

近年來，國內外許多公司、大學和研究機構都對攀爬樓梯的助行系統進行了深入研究，也提出了各自的產品或解決方案。美國著名發明家迪恩卡門發明的“獨立機動系統”（iBOT）是目前星型輪機構助行系統中較獨特、性能指標最高的產品。

日本的“Freedom”輪椅很好地解決了上、下樓梯時的姿態平衡問題[2]。英國的BARONMEAD輪椅車可在平地自由運行，還可拆卸為兩部分，便于裝運[3]。

目前，爬樓梯輪椅操作復雜、體積和重量大、價格昂貴，所以在現實生活中沒有得到廣泛應用，例如，iBOT成本較高，售價昂貴（近 29 000美元），對于普通的殘疾人家庭來說只能望而卻步[4];Jianjun Yuan和Shigeo Hirose設計的Zero Carrier I型輪椅對傳統的腿足式進行改進，但由于腳輪尺寸太小，并不適于作為普通輪椅使用，而且因為結構復雜，目前仍處于實驗樣機狀態[5]。曲柄星輪式爬升機構突破了傳統的爬樓梯全自動的概念，采取他人輔助上樓方式，在很大程度上降低了爬樓梯輪椅的成本和難度[6]。

1 爬升機構工作原理

曲柄星輪爬樓梯輪椅的爬升機構由兩套曲柄星輪及鏈傳動構成，其工作原理如圖1所示。

圖1 爬升機構工作原理圖

兩套曲柄星輪通過鏈條進行動力傳動，通過曲柄星輪的交替運動來完成爬升動作。以上工作原理的具體實施方式如圖2所示。

圖2 爬樓梯過程圖

在（a）狀態時，星輪1在下，星輪2在上，處在準備爬升狀態，此時曲柄2與星輪2繞曲柄軸順時針旋轉，同時，由于鏈傳動作用，曲柄1與星輪1繞曲柄軸順時針旋轉直到（b）狀態。在（b）狀態下繼續以上運動即可達到（c）狀態，在（c）狀態下星輪1與星輪2重合，此時已完成一次爬升運動。在（c）狀態下繼續運動至（d）狀態，為下一次爬升運動做準備。至此，一次爬升循環結束。下樓運動與爬升運動相反即可實現。

2 爬升機構結構設計

位于輪椅后側的4個輪子是爬升裝置的運動機構，爬升機結構如圖3所示。

圖3 爬升機結構

在輪椅的內、外兩側框架上分別裝有一對車輪，每對車輪均由內、外輪構成。在下文中以位于左邊的爬樓梯輪子說明詳細的機構組成。爬樓梯的輪子在平地行走時是收起的，平地行走由前面的輪轂電機輪驅動。左側爬樓梯輪子由內外兩個輪子及兩個傳動軸組成。在此爬升裝置中裝有一個輪組，輪組中的兩個輪子相對偏心軸都是可旋轉的，并且兩個輪軸有一定相對距離且聯合驅動。驅動軸和輪子心軸相連接，其目的是使輪子心軸上安裝一個曲臂圓盤（其中曲臂圓盤成為輪緣），可以繞心軸同心旋轉。其中輪組中兩個輪子的驅動軸之間的距離是輪子半徑的2倍，至少應保證約為2倍關系。當此裝置在臺階上運行時，由于輪組中輪子的偏心旋轉，其中一個輪子向上翻轉落在臺階上，隨之第二個輪子也向上翻轉落在同一臺階上。此時該裝置已經完成一次爬升，接下來第一個輪子繼續向下一臺階翻轉，由于第一個輪子在向上翻轉時第二個輪子作為支撐輪，所以該裝置不用再加額外支撐。

由一個可逆電機輸入動力，有鏈傳動同時串聯地傳遞給兩個驅動軸即可，其中把兩個驅動軸聯合驅動的目的是，當兩個輪子都相對于驅動軸旋轉180°的時候，輪組中的兩個偏心輪將同心。在這個爬升裝置中，其輪組中的每個輪緣在心軸部分軸向通過軸承擋圈定位，并安裝軸承定向鎖，因而輪緣可固定方向運動，即在爬樓梯時反向旋轉。因而即使在爬升時有輪緣剎車，爬升裝置相對樓梯的方向運動也是有可能的，因此可以加一個剎車裝置解決，例如自動控制電磁剎車裝置。它可以阻止輪子繼續移動而不用打斷旋轉運動或行程運動。在爬升過程中，一個輪對可通過這個剎車裝置固定在樓梯邊緣，另一組偏心輪對通過旋轉運動著陸在另一臺階上。這個輪緣可通過軸承套安裝在輪心軸上，在心軸上安裝鏈輪，同時，在驅動軸上安裝一個相同的鏈輪，兩個鏈輪通過鏈傳動，傳動比為1∶1。這個電磁剎車裝置可安裝在心軸上或者輪緣上。

在沒有剎車動作時，剎車裝置中的剎車盤和輪子以相同速度轉動。在剎車位置，通過剎車盤輪緣鎖死，爬升輪的行程運動由于偏心安裝而不受影響。由于鏈傳動輪緣處于鎖死狀態，所以剎車裝置軸承定向鎖的運動方向是可以被限制的。

3 爬升機構穩定性分析

至今，iBOT仍是世界上較為先進的爬樓梯輪椅，它的工作原理源于基本的行星輪運動系統[7]，車輪能夠圍繞各自軸線轉動，也能夠隨著系桿作繞中心軸的轉動。iBOT輪椅驅動輪的直徑為305 cm，運動軌跡的半徑與車輪的半徑是相等的，其運動軌跡如圖4所示。

圖4 iBOT的運動軌跡圖

文中爬升裝置輪子半徑為105 cm，其軌跡如圖5所示。

圖5 曲柄星輪機構的運動軌跡圖

運動軌跡半徑為中心至驅動軸的距離。二者對比，iBOT的運動速度很快，但是它的起伏很大，文中所設計的雖然速度相對較慢，但是運動的軌跡很平滑，使用時減少顛簸，提高了舒適度。

4 結 語

文中主要完成爬樓梯輪椅的爬升機構設計，為今后進一步研究設計奠定一定基礎。本設計的優點在于爬升動作簡單，控制容易;結構小巧，制造成本較低;爬升效率較高;對于各種尺寸的樓梯有較強的適應能力，可以適應一定范圍內任意尺寸的樓梯;爬升過程中重心變化小，運行平穩。

[1] 丁志宏.我國殘疾老年人口:現狀與特征[J].人口研究，2008（4）:3-4.

[2] Hashino，Satoshi.Development of crawl type stair lift for wheelchair users[J].Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology-Proceedings，1996（2）:533-534.

[3] Hashino，Satoshi.Development of new type stair lift for wheelchair users[J].Proceedings of the Japa/USA Symposium on Flexible Automation，1996（1）:233-236.

[4] Lawn M J，Ishimatsu T.Modeling of a stair-climbing wheelchair mechanism with high single-step capability[J].IEEE T rans Neural Syst.Rehabil Eng.，2003，11（3）:323-32.

[5] Victor Paquet，David Feathers.An anthropometricstudy of manual and powered wheelchair users[J]. International JournalofIndustrialErgonomics，2004，33:191-204.

[6] 蘇和平，王人成.爬樓梯輪椅的研究進展[J].中國康復醫學雜志，2005，20（5）:366-367.

[7] 項海籌，烏蘭木其，張濟川.手動爬樓梯輪椅[J].中國康復醫學雜志，1994，9（21）:62-66.