一種輪椅爬樓梯輔助裝置的設計

王燕燕， 徐西凡， 王長乾， 吳 晗， 張港港

(陜西理工大學 機械工程學院，陜西 漢中 723000)

當前我國人口的老齡化趨勢不斷上升，同時也存在部分因疾病和受傷造成的下肢損傷的人群，對于這些人的出行，輪椅是重要的輔助行動工具[1-2]。電動輪椅的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的手動輪椅成為行動不便人群的主要輔助行動工具，這雖然很大程度上解決了輪椅動力的問題，但是傳統(tǒng)的輪椅只能實現(xiàn)平地行駛，遇到較差路況或有臺階時很難使用，同時國內的住宅還存在許多沒有電梯的老式、復式樓房，因此這些人群上下樓成為了一個較為棘手的問題。

國外相對于國內的房屋建筑個性化更為突出，輪椅上下樓梯技術的研究應用更加廣泛。目前國內市場上已有多種適用于各種樓梯的爬樓輪椅，常見的有3種輔助爬樓輪椅：履帶式、星輪式和腿式[3]，但都存在一定的缺點。履帶式爬樓輪椅由于重量大、體積大，在平地上行走對能量消耗較大，所以續(xù)航能力弱；星輪式爬樓輪椅體積小巧、動作靈活，但沒有防滑制動裝置，存在一定的安全隱患，且工作時振動較大，無法用于平地行駛；腿式爬樓輪椅上下樓梯和平地運動相對于前兩種輪椅都有較大的優(yōu)勢，但難點在于控制開發(fā)難度較高，技術較難掌握，因此價格昂貴，不適用于我國大面積市場[4-5]。在不影響平地輪椅行走續(xù)航的基礎上，為解決爬樓輪椅振動大、整體裝置笨重的問題，本文設計出一種輪椅爬樓梯的輔助裝置，可以平穩(wěn)上樓，平地正常行走。

1 方案設計

考慮到要解決智能輔助爬樓輪椅的平地行駛續(xù)航能力和降低整體重量問題，本文基于綠色環(huán)保和創(chuàng)新設計思想，輪椅主體仍采用普通電動輪椅，輔助裝置結構簡單，操作簡便，便攜可收納，只有在爬樓的時候展開，平地行駛時處于收納狀態(tài)，同時振動小和噪音低。

1.1 設計要求

輪椅爬樓輔助裝置的工作環(huán)境主要為復式及無電梯的多層小樓，其工作路面為國家標準樓梯。根據國家標準輪椅指標[6]與國家樓梯標準[7]，確定裝置主要技術指標：(1)以輪椅重心為測量基準點，載重范圍在100～135 kg之間；(2)舒適爬樓角度為23°～45°；(3)可方便拆卸，平地運行時該機構處于收納狀態(tài)；(4)爬樓過程中平穩(wěn)、振動小、噪音??；(5)設計中有安全保護，輪椅安全平穩(wěn)，靈活爬樓；(6)對樓梯及墻壁無損傷。

1.2 結構設計

當前上下樓輪椅主要利用樓梯臺階，在長期使用過程中對樓梯有較大的損傷，爬樓過程的平穩(wěn)性也有待于提升。本裝置為滿足運動平穩(wěn)的要求，設計了多個模塊協(xié)同工作(見表1)，實現(xiàn)連續(xù)爬樓過程。

表1 機械結構功能模塊表

該裝置在使用過程中利用樓梯側墻壁作為施力作用面，采用真空吸盤吸附于墻壁并通過輔助結構交替施力實現(xiàn)輪椅的爬樓運動[8]，所以對墻壁的光潔度有一定的要求。因此吸盤的材料選用丁腈橡膠，能實現(xiàn)其與木板和光潔墻面之間具有較強的吸附力。機構與輪椅的連接采用T型槽結構。整個裝置的動力設計采用可程控的伺服電機為動力源[9-10]，通過聯(lián)軸器、絲杠將電機的轉動轉化為直線運動，為輪椅提供爬樓動力。最后通過滑臺板將運動傳遞給工業(yè)吸盤。

步進式輔助輪椅爬樓裝置部分機械結構如圖1所示。

1.工業(yè)吸盤A；2.推動氣缸A；3.滑臺板A；4.T型槽；5.T型塊；6.伺服機構；7.伺服機構;8.滑臺板B；9.推動氣缸B；10.工業(yè)吸盤B

將T型塊(5)焊接在輪椅扶手右側，T型塊與T型槽(4)相配合，伺服機構(6)與T型槽連接。伺服機構的兩個滑臺板A和B(3和8)上分別固定有推動氣缸A和B(2和9)，其中推動氣缸A與滑臺板A固定在伺服機構頂端，兩個推動氣缸連接兩個工業(yè)吸盤A和B(1和10)，為保持平衡穩(wěn)定將機構的中心與輪椅的中心位置重合。

1.3 部件選型設計

根據爬樓裝置的運動設計方案，機構以伺服電機為驅動部件，工業(yè)吸盤為支撐整個工作裝置的重要部件。吸盤工作中采用真空吸附，工作時緊貼并吸附于墻壁。整體參數(shù)的設計受最大載重重量、吸盤吸吊力、墻面材料、吸盤真空度等影響。由于吸附對象是光滑整潔的墻面，無通氣性，不易變形，因此吸盤材料選用丁腈橡膠。截面形狀為圓形時，所需吸盤直徑

(1)

式中M為吸附物的重量，考慮整套裝置的負載，給定初始值35 kg；δ為安全系數(shù)，由于吸附物的起吊方向是垂直起吊，取8；n為吸盤個數(shù)，如圖1所示為2個吸盤，但是工作時只有一個吸盤進行動作，因此n為1；工作時P為真空壓力，選取值-70 kPa。由于真空吸盤在吸附時會變形，吸盤的外徑將增加10%左右，因此查吸盤直徑表選取直徑D=220 mm的工業(yè)吸盤。

吸盤安裝時為垂直安裝，真空壓力的吸吊力F與真空壓力P，吸盤與吸附物在墻面的摩擦力μ，吸盤面積S等因素相關，所需吸吊力為

F=μ×P×S×0.1,

(2)

實際爬樓中，輪椅自重與負載給定了初始值，吸吊力已經根據計算得知，為了保證能夠完成吸附-爬樓任務，實際中要有一定的安全系數(shù)，一般取2.5。當大于等于2.5時，才能完成指定動作。經驗證，滿足實際工況需求。

1.4 工作過程

初始狀態(tài)，工業(yè)吸盤A和B位于伺服機構兩端，推動氣缸A和B?？諌簷C工作工業(yè)吸盤A和B吸附墻壁，電機正轉，工業(yè)吸盤B收縮，向工業(yè)吸盤A方向移動，移動至吸盤B處停止，電機停止轉動，推動氣缸A推動吸盤B再次緊貼于墻面上并吸附，吸盤A停止進氣斷開與墻面的連接，電機繼續(xù)正轉，吸盤A與伺服系統(tǒng)同時向前移動，移動到伺服系統(tǒng)極限位置，吸盤A吸附墻面，周期性往復，實現(xiàn)輪椅的爬樓過程。工作過程示意圖如圖2所示。

圖2 工作過程示意圖

2 爬樓梯輔助裝置仿真分析

2.1 模型建立

為驗證結構設計的正確性，利用Solidworks建立三維參數(shù)化模型，并導入動力學分析軟件ADAMS中，得到該裝置的虛擬樣機模型，如圖3所示。驅動裝置為吸盤及滑臺板，前者驅動力方向垂直于墻壁方向，后者與墻壁方向平行。建立運動約束構件間的運動關系，添加約束與所需運動。各部件約束關系見表2。

圖3 虛擬樣機模型

表2 虛擬樣機約束關系表

工業(yè)吸盤A和B起始位置均為伺服機構兩端極限位置。利用Step函數(shù)，進行運動控制，運行時間為12 s，4000步進行仿真，對虛擬樣機模型進行仿真運動學分析并得到結果。

2.2 仿真結果及分析

爬樓梯運動仿真是為了分析此裝置在輔助輪椅爬樓過程中是否能安全平穩(wěn)，對上樓輪椅進行合成速度分析是為了檢驗輪椅在其運動過程中是否會有沖擊以及較大加速度。圖4所示為爬樓過程中輪椅重心運動軌跡曲線圖，圖5所示為爬樓過程中輪椅重心合速度曲線圖。

圖4 輪椅重心運動軌跡圖

圖5 輪椅重心合速度圖

從圖4中可以看出，單步輪椅距離大約為120 cm，位移值達到預期值，并且整個運行曲線平緩，呈周期性變化。在整個運動過程中，沒有突變現(xiàn)象，表明其上樓時重心沒有發(fā)生較大的變化，根據曲線趨勢，其角度符合舒適爬樓角度。

從圖5中可以看出，曲線呈周期性變化，每個周期會出現(xiàn)一次峰值，最大速度值為450 mm/s，這是由于上樓過程中輪椅通過輔助裝置上升時，速度會出現(xiàn)由小到大再到小的變化。圖5中爬升速度的周期變化說明輪椅運動過程沒有較大的沖擊力，且具有平穩(wěn)性，有效保證了乘坐者的安全。

3 結束語

本文基于創(chuàng)新思想設計輪椅爬樓輔助裝置，此款輪椅輔助裝置采用電控、氣動相結合，實現(xiàn)輪椅自動爬樓，提高了輪椅上樓的效率，保障了人在上樓過程中的安全性。該設計結構簡單，操作簡便，體積較小且質量較輕，對樓梯無損傷。所使用的零件是市面上現(xiàn)有的且技術成熟的產品，價格低廉，易于推廣，可為后續(xù)市場應用奠定基礎。