履帶變構(gòu)式輪履復合爬樓輪椅設(shè)計

曹沖振，周　娜，王鳳芹，陳京邦，姜　鵬，李韶韻

(1.山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

履帶變構(gòu)式輪履復合爬樓輪椅設(shè)計

曹沖振1，周娜2，王鳳芹2，陳京邦2，姜鵬1，李韶韻1

(1.山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

摘要：針對爬樓輪椅樓道通過性和平地行走時無需拆分爬樓機構(gòu)的要求，對爬樓輪椅轉(zhuǎn)向技術(shù)和履帶驅(qū)動技術(shù)進行研究，提出一種基于大輪擺動的履帶變構(gòu)式輪履復合爬樓輪椅方案。對爬樓輪椅的大輪擺動機構(gòu)、履帶爬樓機構(gòu)和履帶折疊機構(gòu)分別進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)功能要求分別對其上樓過程、下樓過程進行分析，論證了方案的可行性，最后通過樣機試驗，驗證了履帶變構(gòu)式輪履復合爬樓輪椅能夠在乘坐者自主操作下平穩(wěn)有效地實現(xiàn)各項功能。

關(guān)鍵詞：輪履復合；履帶變構(gòu)；自主操作；爬樓輪椅；樣機試驗

現(xiàn)階段我國人口老齡化的加速[1]，使得輪椅使用者越來越多，而隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，更多平房被樓房代替，相當一部分居民居住在七層以下無電梯的樓房，嚴重限制了輪椅使用者的活動范圍[1-2]。爬樓輪椅的研究已經(jīng)有很長一段時間，目前，爬樓輪椅主要有支撐腿式、輪組式和履帶式[3-4]。支撐腿式的爬樓輪椅結(jié)構(gòu)簡單，但爬樓過程中重心起伏大，不平穩(wěn)；輪組式爬樓輪椅運動比較靈活，但上下樓梯的平穩(wěn)性不高且爬樓裝置體積比較大；履帶式爬樓輪椅的爬樓過程比較平穩(wěn)、高效，但在樓梯半層平臺處的通過性差，且由于行走輪小，平地行走不靈活。

輪履復合式爬樓方法結(jié)合了履帶爬樓的平穩(wěn)性和輪子平地行走的靈活性，是爬樓輪椅的發(fā)展方向[5-6]。目前，國內(nèi)外輪履復合爬樓輪椅主要有兩種實現(xiàn)方式：①履帶爬樓機和普通輪椅組合爬樓，平地時需要拆分爬樓機構(gòu)，下樓后爬樓機構(gòu)需要單獨存放，在樓梯半層平臺處轉(zhuǎn)彎不靈活，通過性差，且不能夠自主操作；②一體式輪履復合爬樓輪椅，能夠由乘坐者自主操作，但是結(jié)構(gòu)復雜、成本高，樓道通過性較差。本研究的目的是設(shè)計一種可自主操作、平地無需拆分、樓道通過性好的輪履復合式爬樓輪椅。

1方案設(shè)計

普通輪椅平地時可由乘坐者自主操作移動，行走輪大，轉(zhuǎn)彎靈活，在樓梯半層平臺處的通過性好，如將履帶爬樓機安裝于普通輪椅下方，不超過普通輪椅的尺寸，就能解決爬樓輪椅的樓道通過性問題。但是，如果履帶不能折疊，則履帶機構(gòu)會超過普通輪椅的尺寸，如果采用履帶變構(gòu)技術(shù)，便可以解決這個難題，滿足爬樓輪椅各項功能的要求。

履帶變構(gòu)式輪履復合爬樓輪椅將普通輪椅和履帶爬樓機相結(jié)合(圖1(a))，包括輪椅架、大輪擺動機構(gòu)、履帶爬樓機構(gòu)和履帶折疊機構(gòu)四部分(圖1(b)～(e))。履帶爬樓機構(gòu)分成前段履帶部分和后段履帶部分，所述履帶變構(gòu)是指前后履帶部分可以根據(jù)爬樓或平地行走的需要進行折疊和展開，是通過履帶折疊機構(gòu)實現(xiàn)的。輪椅架就是普通輪椅去掉了大輪。輪椅架固定在后段履帶部分上，即座椅與履帶底平面的夾角是固定的，故輪椅架的安裝角度決定了爬樓狀態(tài)座椅的傾角。大輪擺動機構(gòu)通過擺動大輪實現(xiàn)平地行走和履帶爬樓的轉(zhuǎn)換，以及平地時座椅角度的調(diào)節(jié)。

1-輪椅架；2-大輪擺動機構(gòu)；3-履帶爬樓機構(gòu)；4-履帶折疊機構(gòu)；5-擺臂電機及減速裝置；6-擺臂軸；7-大輪擺臂；8-行走大輪；9-前段履帶部分；10-后段履帶部分；11-折疊電機及減速裝置；12-擺桿；13-折疊轉(zhuǎn)軸；14-連桿

平地行走時，履帶行走機構(gòu)通過變構(gòu)折疊置于輪椅座椅下方，和普通輪椅一樣由乘坐者自主轉(zhuǎn)動行走大輪，發(fā)揮輪椅行走輪大、越障性能好的優(yōu)點；爬樓時，乘坐者自主控制履帶爬樓機構(gòu)展開，大輪上擺，實現(xiàn)平穩(wěn)、安全地爬樓。

1.1大輪擺動機構(gòu)

如圖1(c)所示，大輪擺臂機構(gòu)由擺臂電機及減速裝置、擺臂軸、大輪擺臂和行走大輪組成。大輪擺臂機構(gòu)的電機及減速裝置通過固定架與電池盒連接，固定在后段履帶部分上，帶動擺臂軸轉(zhuǎn)動，從而使大輪擺臂擺動大輪。擺臂軸是通過軸承固定在后段履帶部分的外側(cè)履帶板上的。大輪擺動機構(gòu)是實現(xiàn)輪履轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，且在爬樓過程中起到緩沖支撐的重要作用，這一作用將在后文的爬樓過程分析中進一步闡述。為了滿足爬樓輪椅的功能要求，大輪擺動機構(gòu)的三個狀態(tài)，分別記為大輪位置1、大輪位置2和大輪位置3。

1.2履帶爬樓機構(gòu)

處于爬樓狀態(tài)時，履帶爬樓機構(gòu)作為行走部件，由電機驅(qū)動。履帶爬樓機構(gòu)如圖2所示：驅(qū)動電機及減速裝置固定在電池盒上，經(jīng)驅(qū)動軸傳動帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪經(jīng)后段履帶傳動帶動外側(cè)傳動輪轉(zhuǎn)動，從而帶動內(nèi)側(cè)傳動輪轉(zhuǎn)動，內(nèi)側(cè)傳動輪帶動前段履帶轉(zhuǎn)動。由于履帶需要嚙合傳動，兩個驅(qū)動輪和四個傳動輪是有齒的履帶輪，兩個從動輪、若干支撐輪和兩個導向張緊輪為無齒的帶輪。為了前后履帶的拆裝和松緊調(diào)節(jié)，前段履帶從動輪處和后段履帶導向張緊輪處分別設(shè)有履帶張緊機構(gòu)。

1.3履帶折疊機構(gòu)

如圖1(e)所示，履帶折疊機構(gòu)由折疊電機及減速裝置、擺桿、折疊轉(zhuǎn)軸、連桿組成。折疊電機及減速裝置通過折疊電機軸擺動擺桿，從而通過連桿牽引前段履帶部分進行折疊，經(jīng)過三維建模及折疊功能的要求初步確定了擺桿和連桿的長度，以及履帶折疊電機及減速器的安裝位置。

1-驅(qū)動輪；2-傳動輪；3-從動輪；4-支撐輪；5-導向張緊輪；6-張緊部件；7-外側(cè)履帶輪固定板；8-內(nèi)側(cè)履帶輪固定板；9-前履帶輪固定板；10-橡膠履帶；11-驅(qū)動輪軸

2爬樓過程分析

爬樓輪椅的運動全過程都由乘坐者自己操作控制，下面分別介紹上樓過程和下樓過程的具體操作，根據(jù)爬樓過程中的具體功能要求和動作過程來分析方案的可行性[7]。

2.1上樓過程

上樓過程可以分成如下五個階段。

上樓準備階段：如圖3(a)所示，乘坐者雙手轉(zhuǎn)動行走大輪，使大輪始終靠在第一個臺階沿上，以確保履帶爬樓方向與臺階沿垂直，同時向后擺動大輪使履帶爬樓機構(gòu)著地，繼續(xù)擺動大輪到合適位置；然后，通過履帶折疊機構(gòu)展開履帶爬樓機構(gòu)，使用履帶爬樓機構(gòu)進行爬樓。此狀態(tài)擺臂大輪的位置記為大輪位置1。

上樓階段：如圖3(b)所示，爬樓輪椅待履帶爬樓機構(gòu)爬過前幾個臺階后，進入穩(wěn)定爬樓階段，整體重心總是沿著平行于樓梯臺階邊沿連線的方向做直線運動，其重心波動較小，爬樓較平穩(wěn)。

上樓結(jié)束前階段：如圖3(c)所示，在爬樓輪椅以及乘坐者整體的重心越過最后一個臺階沿之前，向后擺動行走大輪著地，避免重心越過最后一個臺階沿后突然下落。此時大輪擺臂機構(gòu)就起到緩沖支撐的作用。此狀態(tài)擺臂大輪的位置記為大輪位置2。

上樓結(jié)束階段：如圖3(d)所示，保持上一個階段最后的狀態(tài)不變，履帶爬樓機構(gòu)繼續(xù)爬樓，直到履帶爬樓機構(gòu)完全脫離樓梯臺階，并有一定的安全距離后停止。此過程中乘坐者逐漸后仰，因有行走大輪的支撐，乘坐者后仰的角度不大，乘坐舒適且半層平臺處所需操作空間較小，通過性好。

平地行走階段：如圖3(e)所示，通過履帶折疊機構(gòu)將履帶爬樓機構(gòu)折疊到輪椅座椅下面，再擺動大輪到合適位置，使乘坐舒適，至此爬樓輪椅轉(zhuǎn)換為平地行走狀態(tài)，上樓過程完畢。乘坐者可以自主轉(zhuǎn)動行走大輪平地行走、轉(zhuǎn)彎。此狀態(tài)擺臂大輪的位置記為大輪位置3。

2.2下樓過程

下樓過程與上樓過程類似，也可以分為五個階段。

下樓準備階段：如圖3(d)所示，調(diào)整好輪椅下樓方向后，先向后擺動大輪到大輪位置2，再通過履帶折疊機構(gòu)將履帶爬樓機構(gòu)展開。

下樓前階段：如圖3(c)所示，在樓梯優(yōu)角處，驅(qū)動履帶爬樓機構(gòu)下樓，當爬樓輪椅和乘坐者的整體重心越過第一個臺階沿以后停止履帶爬樓機構(gòu)的運動。此處擺臂大輪也起到了緩沖支撐的作用，爬樓輪椅在擺臂大輪的支撐下，完成了重心的過渡。

下樓階段：如圖3(b)所示，先擺動大輪到大輪位置1，再驅(qū)動履帶爬樓機構(gòu)下樓。整體重心總是沿著平行于樓梯臺階邊沿連線的方向做直線運動，其重心波動較小，爬樓較平穩(wěn)。

下樓結(jié)束階段：如圖3(a)所示，下樓經(jīng)過最后兩個臺階時，履帶最前端觸地，座椅逐漸后仰，直到履帶爬樓機構(gòu)完全脫離臺階。

平地行走階段：如圖3(e)所示，先通過履帶折疊機構(gòu)將履帶爬樓機構(gòu)進行折疊，再將擺臂大輪擺動到大輪位置3。至此爬樓輪椅轉(zhuǎn)換為平地行走狀態(tài)，下樓過程完畢。乘坐者可以自主轉(zhuǎn)動行走大輪平地行走、轉(zhuǎn)彎。

圖3　爬樓過程

3樣機試驗

樣機試驗樓梯的參數(shù)如圖4，過程中各個階段狀態(tài)圖如圖5所示。為了驗證爬樓輪椅在樓道內(nèi)的通過性、履帶爬樓的平穩(wěn)性等性能，在若干居民樓(包括新樓和舊樓)內(nèi)對樣機進行了試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4　樓梯參數(shù)參照圖

試驗結(jié)果表明，在常見尺寸參數(shù)的樓梯上，在乘坐者自主操作下，履帶變構(gòu)式爬樓輪椅樓道通過性好，且爬樓過程平穩(wěn)安全。

1)爬樓輪椅爬樓過程中的平穩(wěn)性受樓梯傾角的影響：當樓梯傾角較小(≤33.2°)時，爬樓輪椅的爬樓平穩(wěn)性良好；當樓梯傾角較大(33.9°)時，爬樓輪椅在爬樓過程中平穩(wěn)性一般，有前傾波動；當樓梯傾角過大(≥34.8°)時，爬樓輪椅不能自主操作爬樓，有前傾危險，實際中傾角大于34.8°的樓梯非常少見。

2)爬樓輪椅在樓梯半層平臺處的通過性與半層平臺的尺寸有關(guān)，鈍角處距離是影響爬樓輪椅半層平臺處通過性的主要因素：當樓梯半層平臺鈍角處距離較小(L1=1 050 mm)時，由于空間較小，半層平臺處的通過性一般，勉強能夠在乘坐者自主操作下完成轉(zhuǎn)彎爬樓；當L1≤1 040 mm時，爬樓輪椅不能完成輪履轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)彎。

圖5　樣機試驗狀態(tài)圖

表3　樣機試驗數(shù)據(jù)

4結(jié)論

提出一種履帶變構(gòu)式輪履復合爬樓輪椅設(shè)計方案，結(jié)合普通輪椅和履帶爬樓機的特點，平地無需拆分，既具有普通輪椅行走輪大、樓梯半層平臺處轉(zhuǎn)彎靈活的優(yōu)點，又具有履帶爬樓機爬樓平穩(wěn)安全的優(yōu)點，能夠在乘坐者自主操作下平穩(wěn)有效地完成爬樓、平地行走以及輪履的轉(zhuǎn)換，乘坐舒適，具有較好應用前景。

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(責任編輯：呂文紅)

Design of Wheel-tracked Stair Wheelchair with Variable-structured Track

CAO Chongzhen1,ZHOU Na2,WANG Fengqin2,CHEN Jingbang2,JIANG Peng1,LI Shaoyun1

(1.College of Transportation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China;2.College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:Based on stair-climbing mechanism requirements of stair wheelchairs for staircase accessibility and no disassembling on level ground,a study on stair wheelchair steering technology and crawler driving technology was carried out.A design scheme of a wheel-tracked stair wheelchair with variable-structured track was presented,which was based on the swing of big wheels.The feasibility of the scheme was determined based on the respective structural design for big wheel tilting mechanism,crawlerclimbing mechanism and crawler folding mechanism and the analysis of climbing and descending processes of the stair wheelchair according to its functional requirements.Prototype tests verified that the stair wheelchair could meet all functional requirements under the autonomous operation of its rider.

Key words:wheel-tracked;variable-structured track;autonomous operation;stair wheelchair;prototype test

收稿日期：2015-11-13

基金項目：國家自然科學基金項目(50975164)

作者簡介：曹沖振(1975—)，男，山東臨沂人，副教授，博士，主要從事移動機器人技術(shù)的研究.E-mail：13685423639@163.com

中圖分類號：TP242;TH789

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0091-06