具有爬梯功能的新型電動輪椅

□ 王 綱 □ 平雪良 □ 肖竟成 □ 吳佳峰 □ 張 恒 □ 盧星宇

江南大學 機械工程學院 江蘇無錫 214000

1 設計背景

爬樓梯輪椅一般采用腿足式結構,工作原理是利用多條機械腿的交替升降來支撐輪椅上下樓梯,輪椅上下樓梯的過程實際上就是模仿人的上下樓梯動作的過程。

爬樓梯輪椅按照不同原理可以分為輪組式、履帶式、腿足式、復合式爬樓梯輪椅,以及其它輔助爬樓梯裝置。各種爬樓梯輪椅在具備自身優(yōu)勢的同時,也都存在一定的局限性。日本在腿足式爬樓梯輪椅和機器人領域的研究較為領先,WL16R系列雙足行走機器人的機械腿采用六自由度并聯(lián)機構,充分拓展了靈活性和承載能力。機械腿底部安裝有圧力傳感器,結合座椅上安裝的陀螺儀,機器人可以實時調整姿態(tài)并保持質心穩(wěn)定。美國iBOT系列爬樓梯輪椅采用單輪組兩星輪式結構,幾乎能適用于所有室內外樓梯,還能在斜坡、沙灘、崎嶇的路面上行駛,甚至可以實現(xiàn)直立行走,從而幫助乘坐者達到正常人的高度。法國Topchair爬樓梯輪椅采用輪履復合式結構,在平地上可以像普通電動輪椅一樣行駛,遇到樓梯或障礙物時,輪子可以收起,履帶爬升機構放下。Topchair爬樓梯輪椅充分結合了輪式機構和履帶機構的優(yōu)點,是目前性能最為完善的爬樓梯輪椅,但價格高昂,一般普通家庭難以承受。內蒙古民族大學蘇和平等設計的雙聯(lián)星形輪結構電動爬樓梯輪椅和東南大學機械學院設計的采用四組行星輪的爬樓梯輪椅均采用輪組式結構。輪組式爬樓梯輪椅在無障礙的平地上行駛時和普通電動輪椅十分相似,運動靈活,速度快,能量利用率高。在攀爬樓梯過程中,輪椅的質心起伏較大,一般需要依靠他人或樓梯護欄的輔助才能完成爬樓梯過程,對不同幾何形狀樓梯臺階的適應性也較差。上海交通大學袁建軍等設計的Zero Carrier爬樓梯輪椅由八條底端安裝有滾輪的機械腿組成,能夠適應各種形狀的樓梯及凹凸不平的地形,結構復雜,穩(wěn)定性和實用性差。

國外在爬樓梯輪椅方面的研究已經(jīng)有較長的歷史,研究成果也較多,不少產(chǎn)品投入市場,但價格遠遠超出一般家庭經(jīng)濟承受的范圍。國內對爬樓梯輪椅的研究相對較晚,并且受到體積、質量、控制、安全性等因素的制約,很少有產(chǎn)品真正投入使用。筆者設計了一種結構緊湊、操作方便、安全性好、價格適宜的具有爬梯功能的新型電動輪椅,本文對此進行介紹。

2 機械結構

具有爬梯功能的新型電動輪椅在使用過程中主要有平地行駛和攀爬樓梯兩種模式,兩種模式轉換及攀爬樓梯的過程中,使用者的姿態(tài)不需要很大改變。

電動輪椅底部結構如圖1所示,主要由大徑輪、履帶、全向輪、電推桿、履帶電機組成。利用電推桿完成全向輪及履帶架的收放,適用于兩種模式。履帶架靠近電動輪椅靠背的一端與電動輪椅上半部分通過一根軸連接,履帶架可以繞軸旋轉。履帶架的另一端采用曲柄搖桿方式與電推桿相連,這樣可以在電推桿伸縮過程中實現(xiàn)履帶架前端角度變化,以便在攀爬樓梯時將履帶架放下。履帶架收起狀態(tài)如圖2所示,伸展狀態(tài)如圖3所示。另一根行程相對較短的電推桿用于收放全向輪,結構和收放履帶架的電推桿相似,同樣使用曲柄搖桿方式實現(xiàn)對全向輪的收放。不同之處是收放履帶架的曲柄與履帶架中間的軸是非固定轉動副,收放全向輪的曲柄與全向輪之間的軸是固定的,使全向輪轉動一個角度而達到收放的效果。

▲圖2 履帶架收起狀態(tài)

▲圖3 履帶架伸展狀態(tài)

3 有限元分析

電動輪椅在攀爬樓梯過程中有四個零件承受較大的載荷,包括兩個電推桿的支撐零件及兩個在電動推桿前段與軸連接的零件。電動輪椅在使用過程中行駛緩慢,在有限元分析時可以簡化為靜應力分析模型。零件材料為40Cr合金鋼,主要屬性見表1。電推桿支撐零件的靜應力分析云圖如圖4所示,電推桿前端與軸連接零件的靜應力分析云圖如圖5所示。

表1 40Cr合金鋼屬性

▲圖4 電推桿支撐零件靜應力云圖

▲圖5 電推桿前端與軸連接零件靜應力云圖

電動輪椅的總載質量為100 kg,每個電推桿支撐零件的負載為500 N。對于電推桿支撐零件而言,其底面固定于電動輪椅底座下方,左右兩側的孔受到來自電推桿的反向推力。對于電推桿前端與軸的連接零件而言,其通過右側的槽形孔與電動輪椅履帶架上的桿件固定在一起,左側的孔與電推桿的桿部相連,可相對轉動,孔直接承受整個電動輪椅的負載。通過分析可知,這兩個零件的最大靜應力均在零件材料屈服強度范圍內。

4 履帶與樓梯接觸分析

電動輪椅使用的履帶材料為普通橡膠,履帶側截面簡化模型如圖6所示。

▲圖6 履帶側截面簡化模型

普通住宅樓梯的坡度為20°～45°,一般為30°左右,步寬為250～300 mm,步高為150～200 mm。筆者在設計中選取樓梯坡度為30°,步寬為250 mm,在這一情況下,履帶的齒形可以與樓梯臺階契合,契合時的情況如圖7所示。橡膠材質履帶的摩擦力較大,在電動輪椅極限負載的情況下,可以安全地載送使用者攀爬上樓梯。

▲圖7 履帶與樓梯臺階契合

5 樣機測試

樣機測試的主要目的是測試履帶機構的抬升性能及電動輪椅攀爬樓梯的過程。樣機測試現(xiàn)場如圖8所示,履帶與樓梯臺階接觸情況如圖9所示。在測試過程中,樣機攀爬樓梯穩(wěn)定,基本達到了設計要求。

▲圖8 樣機測試現(xiàn)場

6 結束語

針對老年人及殘障人士行走與攀爬樓梯困難的情況,筆者設計了具有爬梯功能的新型電動輪椅。本文介紹了電動輪椅的結構與原理,對關鍵零件進行了有限元分析與強度校核。具有爬梯功能的新型電動輪椅為老年人和殘障人士提供了新的出行方式,具有推廣價值。

▲圖9 履帶與樓梯臺階接觸