一種新型的可爬樓梯輪椅結構設計及運動分析

李育文，位建康，王紅衛(wèi)，張 金，楊改云

LI Yu-wen,WEI Jian-kang,WANG Hong-wei,ZHANG Jin,YANG Gai-yun

（鄭州輕工業(yè)學院 機電工程學院，鄭州 450002）

0 引言

中國老齡事業(yè)發(fā)展報告（2013）中指出：2013年老年人口數量突破2億，老齡化水平達到14.8%[1]。第二次全國殘疾人抽樣調查主要數據顯示：全國共有殘疾人口8000多萬，占全國人口總數的6.34%[2]。有些老年人和殘疾人下肢活動不便，他們不能像正常人一樣靠雙腿支撐站立或者蹲下。這時他們就需要其他輔助工具——輪椅。輪椅發(fā)展到現(xiàn)在已有幾百年的歷史，普通輪椅功能多種多樣，現(xiàn)在輪椅趨向于電動。智能化方向發(fā)展，但是它們一般僅適合在平地上使用，很少具備爬樓和翻越路障的能力。現(xiàn)在輪椅市場上，能爬樓梯的輪椅很少且價格昂貴。由于履帶結構能夠適應各種復雜路況，而且爬樓梯重心起伏小、穩(wěn)定性好，很適合爬樓梯使用。國外也有很多公司開發(fā)了履帶式輪椅，但是由于履帶本身的局限性導致輪椅平地行走時轉彎不便、行走速度緩慢[3～7]。因此，依據我國國情，設計一款經濟實惠的爬樓梯輪椅是十分必要的。綜合以上考慮，本文從對使用者的方便程度和經濟因素出發(fā)，在傳統(tǒng)輪椅的基礎上，設計了履帶底盤和輪椅車輪能夠切換的輪椅，該輪椅既可以依靠車輪平地行走和又能依靠履帶上下樓梯的多功能輪椅。另外該輪椅能夠使使用者在上下樓梯時處于水平位置，提高舒適性。

1 輪椅的整體結構及其功能

傳統(tǒng)的輪椅設計只是滿足一些基本的功能，在設計時把輪椅的靠背、座椅、腳踏和腿托等直接安裝固定在整體輪椅焊接架上，這樣在使用過程中不能實現(xiàn)輪椅座椅的位置調節(jié)功能。本文提出的設計思路是把座椅做成可以翻轉的，翻轉之后座椅與地面的夾角為30°，由于樓梯與地面的斜度一般在30°左右，這樣輪椅在樓梯上時，座椅就處于水平位置。通過切換機構可以放下履帶底盤，輪椅依靠履帶攀爬樓梯。這樣重心起伏小，舒適型高。本系統(tǒng)的機械部分主要包括：輪椅主體框架、可翻轉的座椅、切換機構、履帶底盤四部分組成。輪椅的整體設計簡圖如圖1所示。

圖1 輪椅整體結構簡圖

其中，切換機構固定在輪椅框架上，然后和履帶底盤耦合在一起，通過切換機構帶動履帶底盤上下移動。座椅翻轉依靠外力輔助。切換機構通過兩個推桿驅動，從而實現(xiàn)上下移動。履帶底盤上安裝有大轉矩無刷直流電機，通過電機驅動履帶輪實現(xiàn)轉動。平地行走依靠后輪上的兩個電機驅動，可以實現(xiàn)前進、后退、轉彎等功能。當需要攀爬樓梯時，座椅翻轉到傾斜支架上；然后推桿帶動切換機構放下履帶，同時使輪椅車輪離地，輪椅此時靠履帶行走。

2 座椅調節(jié)結構及其功能

該動能原理圖如圖2所示，為座椅調節(jié)結構，輪椅的支架傾斜部分與地面的夾角大致為30°。樓梯的斜度為30°左右，這樣當座椅繞A點翻轉到傾斜支架上以后，輪椅背向樓梯爬樓時，使用者與地面大致水平。通過模糊調節(jié)控制座椅位置結構簡單、易于實現(xiàn)。使用者處于座椅的不同位置時，輔助者翻轉座椅所需的力不同。一般情況下，輔助者所使用的力不會大于150N。這對輔助者來說不會感覺很吃力。

該功能運用了杠桿原理，調整簡便。能夠使輪椅在樓梯上或者斜坡上時時刻保持座椅的水平，固定裝置能在上下樓梯時夠防止座椅移動，提高了舒適性。

圖2 座椅調整示意圖

3 切換機構及其功能

傳統(tǒng)的輪椅只是單一的輪式或者履帶式的結構，只能用車輪或者履帶行走，兩者不能進行切換。因此使用起來很不方便。本文提出的設計思路是在傳統(tǒng)輪椅上安裝切換機構，通過這種機構把輪椅和履帶底盤聯(lián)接在一起。這樣可以保證輪椅車輪和履帶底盤間的隨時切換。切換機構的簡圖如圖3所示。

圖3 切換機構

3.1 切換機構工作原理

如圖所示，該機構由推桿驅動9個活動桿件組成。機構中A、B、C為輪椅上的固定點，滑塊與履帶底盤連接并能在其上面滑動。其工作原理為：當使用者需要上下樓梯時，推桿勻速伸長帶動桿件2和對稱的桿件向下移動，進而推動B、C上的桿件繞著兩點轉動，同時滑塊沿著履帶底盤滑動。由于B、C上桿件的轉動履帶底盤開始向下移動。移動到一定位置時候輪椅車輪離地。輪椅依靠履帶來行走。反之，當使用者需要在平底上行走時，由于履帶比較笨重，在平底上行走不便。所以推桿收縮時，輪椅車輪著地。輪椅依靠車輪來行走。利用該功能能夠隨時隨地切換輪椅車輪和履帶底盤，切換機構機構簡單、操作方便。

3.2 切換機構的仿真分析

為了驗證設計的機構是否合理，功能能否滿足要求，其軌跡是否合理，需要對機構進行仿真分析。考慮到操作的難易程度以及軟件接口的兼容性問題，這里只是在ADAMS中建立切換機構桿件模型[8，9]，忽略了輪椅架、座椅、車輪等其他輪椅結構。在ADAMS中的模型如圖4所示。

圖4 切換機構ADAMS模型

從對切換機構的仿真過程可以看出，該機構動作與要求的動作一致。推桿所施加的力為1500N，仿真時間為0.17s，步數為50。從仿真結果中提取出E點的速度、加速度和軌跡（如圖5所示）。CE桿隨推桿1的角速度、角加速度以及與水平位置時的夾角的變化曲線（如圖6所示）。

圖5 E點速度、加速度、軌跡曲線

圖6 CE速度、加速度、位移隨桿1的變化曲線

從圖5可以看出，E點的軌跡大致為一個四分之一圓，E點的速度為Y方向上的分量，變化比較平緩，只是在達到最終位置之后繼續(xù)變化時才出現(xiàn)拐點。從圖6所示的CE隨桿1的變化曲線可以看出，位移、速度變化都比較平緩。因此，該機構能夠滿足設計要求。

該機構運用推桿驅動，整體結構緊湊簡單、控制容易、便捷性較好，使用者使用時更加人性化。

4 輪椅的運動特性分析

圖7 爬樓過程簡圖

如圖7所示，當輪椅上樓梯時，首先通過輔助者調節(jié)座椅，使其達到傾斜支架上，然后推桿驅動切換機構帶動履帶底盤下降，最終輪椅車輪離開地面，輪椅依靠電機驅動履帶主動輪帶動履帶底盤行走。

輪子和履帶切換式爬樓梯輪椅的優(yōu)越性能體現(xiàn)在低能耗的輪式快速運動的特點和高翻越障礙性能的履帶運動特點[10]，其運動特性在于，這種結構能夠隨時切換自身的驅動形式，很好的適應各種復雜路況，當需要在平地上運動時，依靠車輪就能完成各種動作，當遇到樓梯時，切換到履帶模式并配合座椅調整結構可以實現(xiàn)翻越障礙和攀爬樓梯。該輪椅的爬樓過程如圖7所示。

5 結論

該新型多功能爬樓梯輪椅結合了輪式和履帶式輪椅的優(yōu)點，能夠適應各種路況。能夠隨時進行平地行走功能和爬樓梯功能的切換；座椅調節(jié)功能能使座椅在樓梯上處于水平位置，保證了舒適性；控制模塊結構簡單、操作容易；并對切換機構進行了仿真分析，通過仿真得到了切換機構運行平穩(wěn)、沒有干涉現(xiàn)象，證明了機構設計的合理性，為輪椅樣機制作提供了理論依據。

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