一種輪-履復合式爬樓梯輪椅設計與分析

蔡敬宇，馮立艷，李德勝

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省工業機器人產業技術研究所，河北 唐山 063210)

0 引言

我國現有老舊居民小區的樓房以樓梯為主，老年人和腿部殘疾人爬樓梯能力差，給生活帶來諸多困難。為解決此問題，本文通過對比及分析現有爬樓裝置的優缺點，設計了一種輪-履復合式爬樓梯輪椅。

1 輪-履復合式爬樓梯輪椅結構設計

輪-履復合式爬樓梯輪椅包括座椅單元、平地行走單元、樓梯行走單元和控制單元，如圖1所示。樓梯行走單元包括前履帶單元和后履帶單元，前履帶單元布置在輪椅下方，由電機一10驅動，通過電動伸縮桿13與前履帶單元主體15鉸接；后履帶單元布置在椅背后方，由電機二17驅動，通過支撐架18固定后履帶單元主體19。輪椅在樓梯上行走時打開前履帶單元和后履帶單元并使其共線，適應樓梯20的斜度，進而使人體保持平穩坐姿?？刂茊卧ㄟ^控制電動伸縮桿13實現操控前履帶單元的功能，通過控制電機一10和電機二17實現上下樓梯的功能。

2 爬樓梯輪椅穩定性分析

在設計爬樓梯輪椅時，其安全性和穩定性是權衡設計的重要指標。在現有的文獻中，用于爬樓輪椅穩定性的判斷方法包括靜態穩定裕度法(Static Stability Margin，SSM)、重心投影法(CG Projection Method)以及動態穩定裕度法(Dynamic Stability Margin，DSM)等[1-4]。為使輪椅能夠安全、穩定地爬上樓梯，對其爬樓梯過程的安全性和穩定性進行分析非常必要。

2.1 爬樓越障能力分析

圖2為爬樓梯輪椅爬樓梯模型。前、后雙履帶打開時從B點到C點長為L1，L1=1 000 mm,前履帶單元長度為CD，后履帶單元長度為BE，單級樓梯寬度為M、高為H，輪椅整體重心在A點，爬樓梯時履帶與地面夾角為θ1。按GBJ101—87規定：樓梯踏步高度為140 mm≤H≤210 mm，樓梯踏步寬度為220 mm≤M≤320 mm，樓梯踏步高與寬的關系為:2H+M≤600 mm,本設計取H=150 mm、M=300 mm。

1-可折疊把手一;2-控制面板;3-伸縮桿;4-背靠板;5-可折疊把手二;6-座椅;7-可折疊把手三;8-腳踏板;9-萬向輪;10-電機一;11-電池箱;12-后輪;13-電動伸縮桿;14-鉸接桿;15-前履帶單元主體;16-固定板;17-電機二;18-支撐架;19-后履帶單元主體;20-樓梯;21-腳剎圖1 輪-履復合式爬樓梯輪椅整體模型

圖2 爬樓梯輪椅爬樓梯模型

當輪-履復合式輪椅爬樓梯時，前、后雙履帶位姿保持直線平行狀態，為使其成功完成爬樓動作必須滿足前、后雙履帶打開時的距離L1大于2個相鄰樓梯級的寬度，即：

(1)

由式(1)可知，符合標準要求，可以完成越障任務。

2.2 動態穩定裕度法

判定爬樓梯輪椅穩定性的問題，主要集中在輪椅爬樓梯過程中的穩定性。通過定量計算，得出輪椅在爬樓運動中發生傾倒所需要的勢能，并對勢能進行定量化描述，運用穩定度Ds[5]的概念可以得到爬樓輪椅的穩定性。穩定度Ds的表達式為:

(2)

其中：E0為輪椅在平地行駛時發生傾覆所需要的重力勢能；Et為輪椅在爬樓時發生傾覆所需要的重力勢能。

穩定度Ds的區間取值為[-1,1]，當Ds在0～1之間時，不會發生傾覆。輪椅在樓梯上發生傾倒和在平地上發生傾倒示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 輪椅在樓梯上發生傾倒示意圖

圖4 輪椅在平地上發生傾倒示意圖

圖3中，G1為輪椅爬樓時的重心,G2為輪椅爬樓傾覆時的重心。圖4中，G3為輪椅在平地時的重心，G4為輪椅在平地傾覆時的重心。有：

E0=mg(yG2-yG1).

(3)

Et=mg(yG4-yG3).

(4)

其中：yG1、yG2、yG3、yG4為各重心的Y方向坐標。

本輪椅爬樓時相對于其在平地行走時的重心高度為0.48 m，其穩定度如圖5所示。

圖5 輪椅的穩定度

輪椅在時間t1以前為平地行走狀態，穩定度為1；在t1～t2時間內，輪椅為爬樓狀態，穩定裕度為0.48，從t2點開始完成爬樓動作。輪椅在整個行駛過程中的穩定度均在零以上，并且留有一定的富裕量。通過以上的定量計算和定性分析，采用合適的手段降低重心，并使輪椅重心后移，可以大幅提高輪椅的安全性和平穩性。

3 ADAMS運動仿真

對爬梯輪椅進行ADAMS仿真，先設定好約束條件，進而設定好運動學及動力學系統相對應的運動條件，之后通過軟件自帶的功能仿真輪椅在樓梯上攀爬的全過程。

首先給爬樓梯輪椅的各個部件以及樓梯添加材料屬性，樓梯設置為巖石，車輪設置為橡膠，金屬構件設置為45鋼。創造履帶輪及履帶模塊，通過給履帶輪施加旋轉驅動帶動輪椅爬樓。將ADAMS軟件中的旋轉驅動添加到爬樓梯虛擬樣機中，對履帶部分和臺階施加約束。設定的仿真參數如圖6所示。

圖6 仿真參數設定

通過觀察仿真結果得到輪椅質心的位移、速度和加速度的變化情況，如圖7～圖9所示。

圖7 輪椅質心的位移曲線

由圖7可知：輪椅在爬梯運動過程中，運動軌跡呈周期性波動上升，波動的幅度并不太大。

由圖8可知：X、Y、Z三個方向的速度都呈周期變化，由于摩擦力和車輪與地面彈性碰撞的存在，速度變化出現了抖動。

圖8 輪椅質心X、Y、Z方向的速度變化曲線

4 結論

在臺階寬度有限的情況下，對輪椅越障能力進行了分析，結果表明，輪椅具有較強的越障能力，可以在樓梯上行走。

圖9 輪椅質心X、Y、Z方向的加速度變化曲線

結合動態穩定裕度法，分析了輪椅的穩定性，結果表明，輪椅在爬樓過程中不會翻倒，具有較強的穩定性。

通過ADAMS軟件進行輪椅的運動學仿真分析，得到了輪椅的位移、速度和加速度曲線，可為其后續優化提供依據。