一種新型的可爬樓梯輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)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(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

中國老齡事業(yè)發(fā)展報(bào)告（2013）中指出：2013年老年人口數(shù)量突破2億，老齡化水平達(dá)到14.8%[1]。第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查主要數(shù)據(jù)顯示：全國共有殘疾人口8000多萬，占全國人口總數(shù)的6.34%[2]。有些老年人和殘疾人下肢活動(dòng)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(shí)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(dòng)。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?，F(xiàn)在輪椅市場上，能爬樓梯的輪椅很少且價(jià)格昂貴。由于履帶結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)各種復(fù)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(dǎo)致輪椅平地行走時(shí)轉(zhuǎn)彎不便、行走速度緩慢[3～7]。因此，依據(jù)我國國情，設(shè)計(jì)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jīng)濟(jì)因素出發(fā)，在傳統(tǒng)輪椅的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(shí)處于水平位置，提高舒適性。

1 輪椅的整體結(jié)構(gòu)及其功能

傳統(tǒng)的輪椅設(shè)計(jì)只是滿足一些基本的功能，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)輪椅座椅的位置調(diào)節(jié)功能。本文提出的設(shè)計(jì)思路是把座椅做成可以翻轉(zhuǎn)的，翻轉(zhuǎn)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(shí)，座椅就處于水平位置。通過切換機(jī)構(gòu)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(jī)械部分主要包括：輪椅主體框架、可翻轉(zhuǎn)的座椅、切換機(jī)構(gòu)、履帶底盤四部分組成。輪椅的整體設(shè)計(jì)簡圖如圖1所示。

圖1 輪椅整體結(jié)構(gòu)簡圖

其中，切換機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)帶動(dòng)履帶底盤上下移動(dòng)。座椅翻轉(zhuǎn)依靠外力輔助。切換機(jī)構(gòu)通過兩個(gè)推桿驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。履帶底盤上安裝有大轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流電機(jī)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。平地行走依靠后輪上的兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。當(dāng)需要攀爬樓梯時(shí)，座椅翻轉(zhuǎn)到傾斜支架上；然后推桿帶動(dòng)切換機(jī)構(gòu)放下履帶，同時(shí)使輪椅車輪離地，輪椅此時(shí)靠履帶行走。

2 座椅調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及其功能

該動(dòng)能原理圖如圖2所示，為座椅調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，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(dāng)座椅繞A點(diǎn)翻轉(zhuǎn)到傾斜支架上以后，輪椅背向樓梯爬樓時(shí)，使用者與地面大致水平。通過模糊調(diào)節(jié)控制座椅位置結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。使用者處于座椅的不同位置時(shí)，輔助者翻轉(zhuǎn)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(yùn)用了杠桿原理，調(diào)整簡便。能夠使輪椅在樓梯上或者斜坡上時(shí)時(shí)刻保持座椅的水平，固定裝置能在上下樓梯時(shí)夠防止座椅移動(dòng)，提高了舒適性。

圖2 座椅調(diào)整示意圖

3 切換機(jī)構(gòu)及其功能

傳統(tǒng)的輪椅只是單一的輪式或者履帶式的結(jié)構(gòu)，只能用車輪或者履帶行走，兩者不能進(jìn)行切換。因此使用起來很不方便。本文提出的設(shè)計(jì)思路是在傳統(tǒng)輪椅上安裝切換機(jī)構(gòu)，通過這種機(jī)構(gòu)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(shí)切換。切換機(jī)構(gòu)的簡圖如圖3所示。

圖3 切換機(jī)構(gòu)

3.1 切換機(jī)構(gòu)工作原理

如圖所示，該機(jī)構(gòu)由推桿驅(qū)動(dòng)9個(gè)活動(dòng)桿件組成。機(jī)構(gòu)中A、B、C為輪椅上的固定點(diǎn)，滑塊與履帶底盤連接并能在其上面滑動(dòng)。其工作原理為：當(dāng)使用者需要上下樓梯時(shí)，推桿勻速伸長帶動(dòng)桿件2和對稱的桿件向下移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)B、C上的桿件繞著兩點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)滑塊沿著履帶底盤滑動(dòng)。由于B、C上桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)履帶底盤開始向下移動(dòng)。移動(dòng)到一定位置時(shí)候輪椅車輪離地。輪椅依靠履帶來行走。反之，當(dāng)使用者需要在平底上行走時(shí)，由于履帶比較笨重，在平底上行走不便。所以推桿收縮時(shí)，輪椅車輪著地。輪椅依靠車輪來行走。利用該功能能夠隨時(shí)隨地切換輪椅車輪和履帶底盤，切換機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡單、操作方便。

3.2 切換機(jī)構(gòu)的仿真分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是否合理，功能能否滿足要求，其軌跡是否合理，需要對機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jī)構(gòu)桿件模型[8，9]，忽略了輪椅架、座椅、車輪等其他輪椅結(jié)構(gòu)。在ADAMS中的模型如圖4所示。

圖4 切換機(jī)構(gòu)ADAMS模型

從對切換機(jī)構(gòu)的仿真過程可以看出，該機(jī)構(gòu)動(dòng)作與要求的動(dòng)作一致。推桿所施加的力為1500N，仿真時(shí)間為0.17s，步數(shù)為50。從仿真結(jié)果中提取出E點(diǎn)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(shí)的夾角的變化曲線（如圖6所示）。

圖5 E點(diǎn)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(diǎn)的軌跡大致為一個(gè)四分之一圓，E點(diǎn)的速度為Y方向上的分量，變化比較平緩，只是在達(dá)到最終位置之后繼續(xù)變化時(shí)才出現(xiàn)拐點(diǎn)。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(jī)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

該機(jī)構(gòu)運(yùn)用推桿驅(qū)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)緊湊簡單、控制容易、便捷性較好，使用者使用時(shí)更加人性化。

4 輪椅的運(yùn)動(dòng)特性分析

圖7 爬樓過程簡圖

如圖7所示，當(dāng)輪椅上樓梯時(shí)，首先通過輔助者調(diào)節(jié)座椅，使其達(dá)到傾斜支架上，然后推桿驅(qū)動(dòng)切換機(jī)構(gòu)帶動(dòng)履帶底盤下降，最終輪椅車輪離開地面，輪椅依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶主動(dòng)輪帶動(dòng)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(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和高翻越障礙性能的履帶運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)[10]，其運(yùn)動(dòng)特性在于，這種結(jié)構(gòu)能夠隨時(shí)切換自身的驅(qū)動(dòng)形式，很好的適應(yīng)各種復(fù)雜路況，當(dāng)需要在平地上運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠車輪就能完成各種動(dòng)作，當(dāng)遇到樓梯時(shí)，切換到履帶模式并配合座椅調(diào)整結(jié)構(gòu)可以實(shí)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(jié)論

該新型多功能爬樓梯輪椅結(jié)合了輪式和履帶式輪椅的優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)各種路況。能夠隨時(shí)進(jìn)行平地行走功能和爬樓梯功能的切換；座椅調(diào)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(jié)構(gòu)簡單、操作容易；并對切換機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，通過仿真得到了切換機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、沒有干涉現(xiàn)象，證明了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為輪椅樣機(jī)制作提供了理論依據(jù)。

[1]吳玉韶.老齡藍(lán)皮書：中國老齡事業(yè)發(fā)展報(bào)告（2013）[M].社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社,2013：2-3.

[2]國家統(tǒng)計(jì)局、第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組.第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)[J].中國殘疾人,2006(12)：5.

[3]MORALES R,GONZALEZ A,FELIU A,etal.Environment adaption of a new staircase-climbing wheelchair[J].Autonomous Robots,2007,23(4)：275-292.

[4]鞏海偉,張建國,劉合榮,朱賢仲.下肢殘障人多功能器械的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012,(11)：58-60.

[5]廖曉輝,沈大中,王東署.智能輪椅的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008,30(4)：1-6.

[6]胡義華,諶炎輝,張樹林.多功能自助輪椅設(shè)計(jì)的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(7)：132-134.

[7] 任怡,張峻霞,張建國,胡軍.立臥兩用電動(dòng)輪椅車的設(shè)計(jì)[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(1)：47-50.

[8]李軍,邢俊文.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2002.

[9]郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實(shí)例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[10]王東曉,高學(xué)山,劉云輝.輪/履耦合式無障礙輪椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,33(4)：55-59.