基于平衡車的自助上下樓梯輪椅

常宏,常鵬,蔣維,董劍南,秦海洋

(長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

傳統(tǒng)輪椅作為一種輔助行動(dòng)不便人的行走器械，應(yīng)對(duì)平整地面沒(méi)有問(wèn)題，而且高層都配備有電梯，輪椅使用者也很便利。可是在道路、花園以及廣場(chǎng)等存在樓梯的地方卻給輪椅使用者帶來(lái)不便，這種小范圍的樓梯不便設(shè)置專用升降機(jī)構(gòu)，因此進(jìn)行了很多針對(duì)上下樓梯輪椅的研究。典型行星輪式的爬樓梯結(jié)構(gòu)[1-2]在上樓時(shí)所需扭矩大，且車身的震動(dòng)較強(qiáng)，與之相似的還有輪組式結(jié)構(gòu)[3]；輪-履復(fù)合式[4]結(jié)構(gòu)輪椅行進(jìn)平穩(wěn)，但仍需人員予以輔助；基于齒輪齒條翻轉(zhuǎn)式的爬樓梯機(jī)構(gòu)[5]運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，但其運(yùn)動(dòng)過(guò)程較復(fù)雜；近年來(lái)隨著足立式機(jī)器人的發(fā)展，也出現(xiàn)了足輪式[6]爬樓機(jī)構(gòu)，其越障性能較為優(yōu)越。除此之外，還有許多研究對(duì)爬樓輪椅進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析[7]、靈敏度分析[8]以及越障能力分析[9]等。本文基于這些研究成果，提出了一種可以讓使用者自助完成上下樓過(guò)程，且行進(jìn)平穩(wěn)的輪椅設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了體驗(yàn)感。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 自助上下樓輪椅整體結(jié)構(gòu)

車體本身可以分為上樓輔助裝置(階梯圓弧轉(zhuǎn)換器)、輔助登梯結(jié)構(gòu)以及保護(hù)系統(tǒng)三大部分，見圖1。車架部分，在傳統(tǒng)輪椅的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，由過(guò)去的四輪穩(wěn)定改為基于平衡車的兩輪穩(wěn)定[10-11]，主要目的是由兩輪來(lái)接觸樓梯實(shí)現(xiàn)輪椅上下樓。

1.1 階梯圓弧轉(zhuǎn)換器

圖2 階梯圓弧轉(zhuǎn)換器示意圖

如圖2所示，階梯圓弧轉(zhuǎn)換器由連桿機(jī)構(gòu)1～4、弧形齒條5組成。

改變桿1的旋轉(zhuǎn)角度α，使連桿1運(yùn)動(dòng)，調(diào)整桿2的角度，使桿3在平面平移，從而推動(dòng)圓弧形齒條繞點(diǎn)P轉(zhuǎn)動(dòng)。這一系列的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了與樓梯高度的匹配。

1.2 輪椅連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

文獻(xiàn)[12]規(guī)定室外公共場(chǎng)合的樓梯臺(tái)階高度h≤16 cm，臺(tái)階寬度S≤30 cm。輪椅車輪按規(guī)定取半徑r=30.5 cm。設(shè)定臺(tái)階的最低高度為h=11 cm，當(dāng)車輪在平地與臺(tái)階接觸時(shí)，使用者應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿1，進(jìn)而帶動(dòng)桿2的旋轉(zhuǎn)，桿2與桿3下端為鉸接，且桿3的運(yùn)動(dòng)被殼體限制為平面內(nèi)的平移，此時(shí)桿2帶動(dòng)桿3作平面內(nèi)的平移來(lái)調(diào)節(jié)桿3的位置高度，以配合臺(tái)階高度。之后車輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)齒輪嚙合完成上樓動(dòng)作。該過(guò)程即模擬車輪以q點(diǎn)為圓心，以車輪半徑r為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)。因此，桿4的長(zhǎng)度為車輪半徑r，弧形齒條5與小齒輪的中心距也為車輪半徑r。通過(guò)輪椅半徑r與臺(tái)階高度h的關(guān)系，得出車輪上升高度

故可推算出桿1長(zhǎng)度l1=25.26 cm，桿1與桿4的夾角為α=51.61°，當(dāng)桿1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到與桿2垂直時(shí)為可上臺(tái)階的最大高度,此時(shí)桿1與桿4的夾角為α=60.54°。

輪椅上樓梯時(shí)，椅背向上樓方向，使用者根據(jù)樓梯的高度可以調(diào)節(jié)桿1 的偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而改變桿3所處位置的高度，使其與單階樓梯高度相適應(yīng)。將兩個(gè)上樓輔助裝置(階梯圓弧轉(zhuǎn)換器)分別安放地面靠近輪椅兩側(cè)，讓齒條與車軸兩端的齒輪正確嚙合。輪椅乘坐者向后倚靠輪椅，使輪椅重心向上一級(jí)樓梯發(fā)生一定角度偏移，根據(jù)平衡車原理[13]，輪椅電機(jī)帶動(dòng)車軸轉(zhuǎn)動(dòng)使輪椅向重心偏移的方向移動(dòng)，由于車軸兩端齒輪與齒條相嚙合，此時(shí)齒條相當(dāng)于太陽(yáng)輪，車軸兩端齒輪相當(dāng)于行星輪，繞該裝置做圓周運(yùn)動(dòng)，因此輪椅做一段圓弧運(yùn)動(dòng)并與車軸兩端齒輪的圓周運(yùn)動(dòng)一致，實(shí)現(xiàn)垂直和水平方向的移動(dòng)，達(dá)到上樓梯的目的。輪椅下樓梯時(shí)，原理與上樓梯時(shí)一致。

本文所選用的齒輪模數(shù)為5，弧形齒條對(duì)應(yīng)完整大齒輪圓心角為77°范圍的部分，大小齒輪齒數(shù)分別為110、12。上樓過(guò)程如圖3所示。

a)上樓起始 b)上樓中 c)上樓結(jié)束圖3 輪椅上樓過(guò)程

1.3 保護(hù)系統(tǒng)

保護(hù)系統(tǒng)在意外情況發(fā)生時(shí)激活。車體整體質(zhì)心靠后，根據(jù)角加速度傳感器返回值是否達(dá)到上限確定是否激活保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)車體將要發(fā)生傾覆時(shí)，角加速度會(huì)達(dá)到設(shè)定值，制動(dòng)車體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，車體會(huì)因質(zhì)心位置靠后而向后仰倒，避免將使用者摔出。同時(shí)，車體裝有紅外線傳感器[14]，可以感知周圍的障礙物或行人，避免使用者因疏忽而造成的碰撞。

2 平衡系統(tǒng)控制

[15-16]采用PID控制器對(duì)平衡系統(tǒng)進(jìn)行控制。本文主控芯片采用飛思卡爾的K60芯片，在IAR環(huán)境下編寫程序，通過(guò)加速度傳感器MMA8451與陀螺儀MPU3050相結(jié)合，基于I2C總線協(xié)議采集車體的角度信息[17]，通過(guò)光電編碼器采集車體的速度信息，實(shí)現(xiàn)直立。

圖4 角度濾波處理的波形

3 輪椅模型的力學(xué)分析

本文使用Ansys對(duì)設(shè)計(jì)的輪椅模型進(jìn)行力學(xué)分析檢測(cè)車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況。將在Solidworks中建立的模型導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行分析，選用50D碳素結(jié)構(gòu)鋼作為車身各部分的主要材料，對(duì)車身進(jìn)行網(wǎng)格劃分及分析。網(wǎng)格劃分如圖5所示，應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示(圖中單位為MPa)。

由分析結(jié)果看出輪椅在加載后局部位置受力形變較大，此時(shí)輪軸部分的應(yīng)力較大并且較集中。故增加座椅和輪軸處的材料厚度后再進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示(圖7中單位為MPa)。

圖5 網(wǎng)格劃分

圖6 輪椅模型的力學(xué)分析

圖7 改進(jìn)后的力學(xué)分析

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Solidworks運(yùn)動(dòng)仿真以及Ansys結(jié)構(gòu)分析，該輪椅結(jié)構(gòu)剛度較強(qiáng)，運(yùn)行過(guò)程中與樓梯面配合緊密，使用方法簡(jiǎn)單，使用者可以自助應(yīng)對(duì)戶外小范圍階梯，獨(dú)立出行。但現(xiàn)階段輪椅的圓弧轉(zhuǎn)換器仍需使用者手動(dòng)轉(zhuǎn)移，造成不便，在以后的研究中，應(yīng)使輪椅更自動(dòng)化，增強(qiáng)體驗(yàn)感。

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