基于雙平行四邊形機構多姿態輪椅的設計

蘇宏倫，王思鍇，胡湘宇，蘇鵬,，樊瑜波

1.國家康復輔具研究中心，民政部康復輔具技術與系統重點實驗室，北京市 100176；2.北京信息科技大學機電工程學院，北京市100192

肢體功能障礙者的增多亟需大量的輔助器具，而輪椅等已成為下肢功能障礙者必不可少的生活工具。當前常規輪椅姿態形式單一，僅有坐姿功能；而多姿態輪椅可以通過仰臥姿態實現平躺休息，也可以通過站立姿態進行腿部康復訓練或高處取物，克服常規輪椅長時間保持坐姿而造成血液循環不暢的缺點，滿足患者使用的多種需求，并且多姿態變換也是智能多功能輪椅的重要功能[1-2]。

有學者研究多姿態輪椅的日常使用情況以及輪椅的適應人群，有助于指導多姿態輪椅的設計與推廣應用[3-4]。也有很多研究者進行多姿態輪椅控制研究。美國研究者利用PID (proportion integral differential)控制算法、神經網絡控制算法，研發人機融合的協同輪椅系統，提出輪椅車控制系統的國際標準[5-6]。瑞典研究者開展前驅動控制方法、輔助站立電動輪椅車研究，實現具有轉彎半徑小、能實現后背平躺功能的輪椅[7-8]。也有研究者研究多姿態輪椅驅動機構的運動特性，為系統的速度設計提供指導[9]。在輪椅結構方面，研究者基于兩個杠桿平行四邊形機構設計了座椅或輪椅的站立單元[10]；也有研究者基于連桿機構設計可實現站立及仰臥姿態的多姿態輪椅，通過座面傾斜和腳踏板的內收輔助使使用者站立[1]；此外，液壓系統與連桿機構組合使用也可用于多姿態輪椅的驅動設計[2]。總體而言，當前大多數多姿態輪椅驅動冗余、結構笨重，價格昂貴，不利于多姿態輪椅的推廣使用。研發一種結構簡單、輕量化、可靠性高的多姿態輪椅具有巨大的社會需求[11-13]。

本研究擬設計一種基于雙平行四邊形機構的多姿態輪椅，只需要一個旋轉驅動機構，可實現坐-仰臥和坐-站立的三姿態變換，以及多姿態輪椅的輕量化設計，對輪椅機構及力學進行分析與仿真，驗證輪椅原理設計的可行性，并可用于指導輪椅的結構設計和優化。

1 材料與方法

1.1 機構設計原理

平行四邊形機構是一種應用廣泛的雙曲柄機構，應用于各個行業[14-18]。有研究者設計雙平行四邊形直線運動機構，用于核電站反應堆壓力容器頂蓋無損檢查[17]。還有研究者采用三自由度的平行四邊形機構實現機械手有空間跨度的自動化上下料[18]。平行四邊形機構具有形式簡單、姿態變換可靠、運動穩定等優點，其結構形式可用于多姿態輪椅姿態變換機構的設計。

基于雙平行四邊形機構設計的多姿態輪椅(圖1)主要由椅座機構ABCD和椅背機構DEFG兩個平行四邊形構成。A～F分別為機構鉸接點，其中，A點為旋轉驅動鉸鏈點，可通過減速裝置安裝驅動電機。AB桿延長構成腿托，CD桿與DE桿呈一定角度固連，可繞鉸鏈點D旋轉運動，DG與GF在確定合適角度后固連。

圖1 多姿態輪椅示意圖

對輪椅的姿態變換過程進行詳細分析，實現三姿態變換的過程如圖2 所示。其中，(a)圖為初始姿態坐姿示意圖，圖中，h為輪椅高度，l為輪椅寬度，a為腿托的長度，b為椅座長度，c為椅背長度，d為地面到椅座的高度；(b)圖和(c)圖中，θ為椅背與水平面的夾角，β為椅座與水平面的夾角。

(1) 坐姿到仰臥姿態變換。鎖定桿鎖定椅座保持固定，腿托解除鎖定，驅動鉸鏈順時針轉動，帶動椅背向下旋轉，依靠平行四邊形機構ABCD對邊平行特性，椅背與腿托以相同的角速度順時針旋轉，帶動身體由坐姿變為仰臥姿態，如圖2(b)所示，此時滿足

(2) 坐姿到站立姿態變換。鎖定桿鎖定腿托保持固定，椅背解除鎖定，電機驅動逆時針轉動，帶動椅座與椅背向上旋轉，身體由坐姿變為站立姿態，如圖2(c)所示，此時滿足

對于該多姿態輪椅，存在一個冗余約束，根據平面自由度計算理論，輪椅機構自由度數為1，機構具有相對確定的運動特征[19]。當θ=β=0°時，為仰臥姿態的極限狀態，此時椅背、椅座和腿托在同一平面上；當θ=90°、β=90°時，為站立姿態的極限狀態，此時椅背、椅座和腿托在同一豎直平面上。

1.2 力學分析

驅動力是反映輪椅運動特性的重要指標之一，對輪椅的姿態變換進行受力分析，如圖3 所示。為保障患者的安全，忽略慣性力的影響，設置座椅運動速度上限，采用靜力學的分析方法[20]，椅背、椅座和腿托承受均布載荷。

輪椅由坐姿到仰臥姿態變換時，如圖3(a)所示，q1、q2、q3分別為腿托、椅面和椅背上的均布載荷，此時旋轉驅動處的力矩為

式中，ω為轉速，t為運動時間。

輪椅由坐姿到站立姿態變換時，可認為腿托部分不受力，因為椅背和底面有一定的夾角，所以會在D點產生力矩FD，此時旋轉驅動處的力矩為

2 結果

2.1 動力學計算結果

為滿足大部分患者人群的需求，假設人的體質量為70 kg，通過人體肢體在總體質量的占比計算人體肢體質量[21](表1)，參照肢體質量進行均布載荷賦值。設置腿托長度a=380 mm，椅座長度為b=400 mm，椅背長度c=635 mm，保持輪椅平穩運動為前提，設置輪椅運動角速度ω=6°/s 為定值，運動時間t=15 s。

表1 人體肢體質量參數表

坐姿變換為仰臥姿態過程中，驅動力矩隨著轉動角度θ的增大，旋轉驅動處的力矩逐漸增大，當t=15 s 時，達到最大力矩M=1.27× 103N·m。坐姿變換為站立姿態過程中，當t=0時，旋轉驅動處的力矩為T=2.10 × 103N·m，隨著轉動角度θ的增大，旋轉驅動的力矩逐漸減小。見表2。

2.2 仿真驗證結果

圖2 機構各姿態示意圖

圖3 仰臥姿態和站立姿態均布載荷分布圖

表2 坐姿到仰臥姿態和站立姿態的力矩變化(×103,N·m)

在機構原理及力學分析的基礎上，設計簡化的三維驗證模型，將三維模型導入Adams 軟件中進行分析，對各個鉸接點施加約束副，在驅動鉸鏈位置處施加旋轉驅動，并對肢體質量載荷進行賦值，如圖4 所示。當由坐姿變化為仰臥姿態時，解鎖固定副(1)，并施加旋轉驅動(1)，分析驅動力矩的變化情況；由坐姿變化為站立姿態時，解鎖固定副(2)，施加旋轉驅動(2)，分析驅動力矩的變化情況。

圖4 多姿態輪椅模型圖

進行多姿態輪椅的動力學仿真，得到座椅從坐姿到仰臥姿態變換過程中各力矩變化，如圖5 所示。從圖中可以看出隨著時間的增加，力矩快速增大，椅背、腿托和水平面的角度慢慢減小，完全躺下時，θ=0°，驅動端提供的力矩最大T=1.33× 103N·m。

輪椅從坐姿到站立姿態的力矩變化情況如圖6 所示，姿態變換開始時力矩最大，此時T=2.24×103N·m，當輪椅由坐姿完全轉換為站立姿態的時候力矩最小為0，力矩隨著時間和轉角增大而減小。

圖5 坐姿到仰臥姿態的力矩變化圖

圖6 坐姿變為站立姿態的力矩變化圖

因為仿真中考慮輪椅本身的質量，仿真結果稍大于理論計算結果，但其變化趨勢基本一致，驗證了力學分析的正確性。可知本機構的動作與需求功能相一致，驅動合理，機構可行，滿足設計要求。

3 討論

本研究基于雙平行四邊形機構原理設計多姿態輪椅，對其結構原理進行分析，計算輪椅鉸接點在姿態變換過程中的力矩，然后利用Adams 進行仿真驗證，結果顯示計算與仿真的力矩變化趨勢一致，驗證了理論分析的正確性，對機構的進一步結構設計和優化具有指導意義。本研究所設計的多姿態輪椅的三種姿態可以幫助患者進行移動、休息、康復訓練，適應患者的多種需求；運用平行四邊形機構使輪椅結構簡化，單個旋轉驅動正反轉可實現輪椅三姿態變換，簡單可靠，有利于實現輪椅的輕量化，滿足智能多功能輪椅的設計需求。防傾覆性是多姿態輪椅的重要指標[22]，下一步研究將結合理論計算與仿真結果對結構的設計進行細化，對多姿態輪椅進行防傾覆性分析及實驗。