一種多功能越障輪椅的結構設計與仿真分析*

田 英, 佘 陽，黎鑄新，唐國源

（1.佛山科學技術學院機電工程學院，廣東佛山 528000;2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510640）

0 引言

隨著全球老齡化加劇、卒中發病率居高不下、交通事故不斷增多等原因，現今社會對輪椅需求量不斷增大。據中國殘疾人聯合會公布的調查顯示，2010 年末我國肢體傷殘2 472 萬人，約占總人口的1.8%，其中需要使用輪椅的人數很多。然而除了醫院之外的公共場合很少看到有人使用輪椅，主要是受目前的輪椅功能的限制，普通輪椅遇到臺階等障礙物無法跨越，很大程度限制了使用者的活動空間。

目前，國內外已有的越障礙輪椅有輪組式、步行式和履帶式3種基本類型［1］。輪組式電動輪椅具有由1對或2對輪組構成的星形輪系，輪系上的小輪既可以繞各自的軸線自轉，也可以隨桿一起繞中心軸公轉［2］，具有運動速度快和能量利用率高等優點，但在上下樓梯過程中重心起伏較大，使乘坐者感到不適；步行式電動輪椅對不同尺寸的樓梯有較好的適應性，但其結構非常復雜，運動速度緩慢、對控制的要求較高［3］；履帶式電動輪椅在上下臺階過程中重心始終沿著與臺階沿連線平行的直線運動，所以運動平穩、波動小，對不同尺寸的樓梯也有一定的適應性［4］，但在平地運動時由于阻力較大，能量消耗高，也沒有在日常生活中得到廣泛運用。近幾年，基于上述3種基本形式的復合電動輪椅也涌現，主要有輪-腿復合電動輪椅［5］和輪-履復合電動輪椅［6-8］，其中，輪子用于平地高效移動，機械腿和履帶用于越障和上下樓梯。然而，輪-腿復合電動輪椅存在驅動系統比較復雜和上下樓梯過程中乘坐者的重心太高的問題，輪-履復合電動輪椅雖結構緊湊且重心比較低，但存在體型過大、重，機構復雜或者價格昂貴等問題，在市面的使用率很低，而且這些高性能的智能輪椅供應商大多集中于歐美發達國家，價格昂貴，國內大多數殘疾人難以支付［9］。因此本文研制一款結構可靠、輕便又價格相對適中的越障礙輪椅，不僅為下肢有殘疾的人或者老年人提供優良和安全的代步工具，拓寬活動空間，也可以提高他們的生活質量。

1 總體結構設計

本輪椅主要由4 組電動推桿和3 組車輪組成，2 個前輪為萬向輪，2個后輪為驅動輪，由2個電機驅動，正常行走時前輪和后輪著地，中輪收起，只有在座椅升高和越障時中輪才著地，根據此設計，基于FUSION 軟件建立了輪椅的三維模型，如圖1所示。輪椅正常行駛時，主要依靠前輪和后輪承受重力，液壓推桿組2伸長、推桿組4縮短，以達到后輪后移的目的，使重心后移，確保了行駛時的穩定性。當輪椅要實現越障或升高功能時，控制系統通過控制推桿組1、2、3、4的伸長量，以調節輪子的角度和高度，使輪椅達到所需的高度并處于穩定的狀態。此外，中輪和后輪采用無刷電機作為動力驅動，能有效地提高輪椅使用壽命和減少行駛時產生的噪聲。

圖1 輪椅的三維模型

輪椅的關鍵參數如下：

（1）驅動電機（輪轂電機）功率，單側300 W 共600 W，電機額定電壓為24 V；

（2）電池總容量1 480 W·h，估計續航20 km；

（3）4組推桿功率共30 W×8；

（4）控制系統為單片機，遙桿控制；

（5）座椅高度520 mm，座板寬540 mm，深度500 mm，靠背高度700 mm，可調靠背角度；

（6）主體材質為25號鋼。

2 輪椅越障功能的實現

2.1 輪椅越障工作原理

輪椅通過紅外線測距傳感器測量障礙物的高度，控制系統再對推桿的長度進行調節，以改變中、后輪的位置，以此方式實現越障功能，在FUSION軟件中，根據三維模型建立了輪椅的越障過程的運動模型，如圖2 所示。其中圖2（a）所示為當輪椅將要靠近障礙物時，中輪推桿組1、3伸長至中輪觸碰地面后，中輪和后輪的相對應的4組推桿同時伸長，前輪離地，輪椅整體升高，如圖2（b）所示，與此同時，輪椅繼續向前行駛至前輪置于障礙物上后，通過控制中輪推桿組1、3的收縮，使中輪與前輪位于同一水平面，當輪椅前進至圖2（c）所示位置時，后輪推桿收縮，并收縮至和前輪在同一水平面，如圖2（d）所示。如此循環工作，最終實現輪椅越障。

圖2 輪椅越障過程模型

2.2 控制系統

根據其功能主要分成信息收集、信息轉換、信息輸出3個模塊。

（1）信息收集：信息來源由紅外線傳感和控制手柄兩部分構成。輪椅進行智能越障時由紅外線測距傳感器把收集到的信號傳遞至主控系統；輪椅需要實現升高等特殊指令時由控制手柄傳輸相應信號。

（2）信息轉換：主控系統把收集到的信號進行翻譯，計算推桿的伸長量，轉化為輸出信號。

（3）信號輸出：控制系統把信號輸出至推桿，實現推桿長度的調控。

3 輪椅結構設計與仿真分析

3.1 輪椅整體受力分析

輪椅在水平地面行駛時，輪椅自身重量以及人的體重均由前后4個輪承擔，現對其機械結構進行受力分析。假設人的體重為120 kg，載荷平均分布在座椅上，主體材質選擇25 號鋼，基于ANSYS分析其產生的應力大小及形變量，來校核輪椅的強度和剛度，保證輪椅能夠正常工作[10]。其應力分布和形變由圖3所示，輪椅整車應力最大的地方為推桿跟底部連接桿的位置，最大應力為78.2 MPa，遠小于材料的許用應力450 MPa，則該結構的強度滿足其條件。在外部載荷作用下，形變最大的為座椅扶手，最大形變量為0.022 mm，對該結構影響不大，滿足剛度條件。

圖3 輪椅的整體受力分析

3.2 推桿受力分析

由輪椅的整體受力分析可知輪椅在升高情況下推桿4的受力情況最嚴重，因此對推桿4單獨進行受力分析，推桿4的行程為300 mm，材料為25號鋼，此時推桿的伸長量為200 mm，推桿4的受力分析圖如圖4所示，由圖4（a）可知，推桿所受最大應力值為87.42 MPa，遠小于材料的許用應力450 MPa；由圖4（b）可知，推桿的最大形變量為0.000 5 mm，變形非常微小，不影響正常工作。因此推桿設計滿足要求。

圖4 推桿4的受力分析

3.3 輪椅轉向性能分析

本設計采用差速轉向的方式實現輪椅的轉向控制。其前后輪軸距較長并帶有機械轉向系統，由于軸距較長，在上下坡、制動或加速時，不容易前后傾翻，比較適合戶外的復雜環境。輪椅的后輪為驅動輪，驅動輪由直流電機通過減速器驅動，驅動電機既是動力源又可通過左右輪差速的方式實現輪椅轉向，電機額定功率為300 W，額定電壓為24 V，額定轉速3 000 r/min，減速比為9.78。

圖5 所示為輪椅的簡化轉向模型。假定驅動車輪相對于地面只做純滾動。令v 為電動輪椅車質心的瞬時線速度， Ω為橫擺角速度，vr、vl分別為左、右輪線速度，D為驅動輪的輪距，由輪椅的運動分析可知：

令智能輪椅的轉彎半徑為R，則有：

綜上可知，輪椅可通過控制手柄搖擺角度來控制智能輪椅左右兩個驅動輪的轉向，實現輪椅的轉向運動。

圖5 轉向運動模型

3.4 輪椅升高性能分析

智能輪椅的升降是通過4 組推桿的配合伸縮實現的。推桿組1與推桿組4隨著其余兩桿運動而運動，主要起加大支撐力的作用。就運動而言，通過推桿組2與推桿組3的配合即可實現輪椅的升降，所以只需對推桿組2與推桿組3進行分析即可。當輪椅進行最基本的升降運動時，使用者無需自行調節速度，推桿將會按照系統設定好的速度進行伸縮。

將輪椅上升的速度設置為勻速45 mm/s，此速度既不會太慢，也不會因為過快而導致使用者感到不適。根據此速度3.5 s即可將輪椅上升至越障狀態，此時前輪距離地面157.5 mm，根據推桿其空間結構分布情況，推桿組3 的推出速度應為50.33 mm/s，推桿組2 的推出速度為105.7 mm/s。推出速度均為勻速運動，啟動與停止時會產生一定的剛性沖擊，但對推桿的使用壽命與使用者乘坐舒適性的影響很小，可以忽略不計。

為了更好地表達出推桿與輪椅座椅的運動關系，令z為輪椅上升高度，x為推桿2 推出位移，y為推桿3 推出位移，t為推桿運動時間，通過Matlab 對數據擬合后，得出關系式：

最后在Adams 中進行運動仿真，發現輪椅在升降過程中未發生干涉問題，驗證了該輪椅機構設計合理性與運動安全性。

3.5 座椅角度調節機構

研究表明，具備座椅和靠背傾斜功能的輪椅通過調整角度可以緩解使用者的疲勞，置于特定角度有助于減小接觸壓力，從而避免皮膚潰爛[11]。除了滿足壓力緩解外，角度可調的輪椅車可以提升使用舒適度[12]。因此，本輪椅還設置了座椅角度調節裝置，如圖6所示，其主要由一個扇形齒板、一個棘輪鎖緊機構和定位凸輪、手柄及扇形齒輪聯接的椅背安裝板組成。該機構工作時靠手柄聯動凸輪打開棘輪鎖緊使扇形齒板能自由運動，合上手柄和凸輪就卡死了扇形齒板鎖定角度。使座椅角度可自由、快速調整。

圖6 座椅角度調節機構

3.6 輪椅的爬坡與側傾能力的分析

3.6.1 爬坡度計算

當輪椅上坡行駛時，設輪椅和人的總質量G＝150 kg，Fs為驅動力，f為滾動摩擦力，Fn為支撐力，α 為爬坡角度。輪椅上坡時所受的阻力為坡道阻力（Gsin α）與滾動摩擦力之和，表示為：

式中：μ為滾動阻力，一般取0.02。

電機的功率P＝300 W，機械傳動效率η＝0.8，輪椅的平均速度1.8 m/s，后輪半徑R＝0.18 m，根據公式：

可得出當輪椅勻速上坡時，其牽引力為Fs＝740 N ，根據牛頓第三定律，將驅動力和道路阻力平衡，即：

利用Matlab 里的fsolve 函數計算得出α＝29.07°，即輪椅理想爬坡極限為29.07°

3.6.2 最大側傾角的計算

本智能輪椅的紅外測距系統除了可以測定前方障礙物的距離外，也可以測定輪椅的側傾角度。紅外線傳感器安裝在座位下方的位置，通過對傳感器的信息采集實現實時監測輪椅的側傾情況。當側傾角即將超過極限角度時，系統會發出警示信息提醒使用者。當輪椅超出極限側傾角，即輪椅傾倒時，其他人也可以通過終端顯示器觀察到其情況，可以及時地幫助傾倒的乘坐者。

側傾極限角可通過力學原理，在簡化的模型上計算出其理論值，輪椅的側翻簡化示意圖如圖7所示。

圖7 輪椅側翻示意圖

設人與輪椅的重量之和為120 kg，在忽略人體重心偏移的情況下，經Adams 模擬測出輪椅水平時，人和輪椅總體的重心高度a＝526 mm，位于輪椅對稱的中間位置。經實際測量，本輪椅兩個后輪之間的距離的一半b＝268 mm。

假設輪椅的側傾角為α，輪椅處于傾翻的臨界狀態，根據簡化圖與力學原理可知：

利用Matlab 里的fsolve 函數計算得到α＝27°，即輪椅發生側翻的極限角度為27°。

4 實物樣機試制與測試

為了檢驗該輪椅的功能和性能，試制了實物樣機，設計了智能輪椅的電控系統和相關的電子器件，通過焊接組裝后的輪椅實物圖如圖8所示。

圖8 越障輪椅實物樣機

智能輪椅的最大行駛速度采用速度計測量為5.45 km/h，小于6 km/h，滿足GB/T 12996-1991［13］要求。利用砝碼模擬人的質量檢測承載能力，利用斜度可調的鐵板檢測爬坡和側傾，但是為了使輪椅不致呈現破壞性試驗，輪椅的承載能力、爬坡和側傾試驗分別做到100 kg、18°（國標爬坡角度大于或等于9°）、18°，測試結果表明，所設計的實物樣機完全滿足功能和性能要求，實現了預期目標。

5 結束語

（1）設計了具有一款具有移動功能、越障功能、升降功能、靠背角度可調節、爬坡的多功能電動輪椅，設計了相應的執行機構和滿足人機工程學的輪椅尺寸。

（2）利用ANSYS對推桿結構的原理及約束條件分析，結合人體重量，材料種類及性能等實際設計要求，做出了輪椅整車的受力分析，保證了輪椅在各種功能下結構強度和剛度要求。

（3）利用ADAMS對推桿的伸縮情況進行分析，結合推桿的運行速度，得出推桿的運動關系式，驗證了輪椅結構的合理性與運動安全性。