一種被動(dòng)越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

陳世豪 劉思雨 王守海 高巳淇 齊迎春

摘 要：隨著我國(guó)人口老齡化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重以及肢體殘疾人數(shù)量的逐步增加，對(duì)輔助步行工具的需求日益增高。但隨城市化的不斷加快，樓梯和跨越路障等不斷增加，所以研究一款簡(jiǎn)單且價(jià)格普通的越障機(jī)構(gòu)很有必要。因此基于連桿機(jī)構(gòu)工作原理和易于操控的思想，設(shè)計(jì)了一款輪組式越障機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)能夠簡(jiǎn)單地抬升的同時(shí)，沒(méi)有任何電力的應(yīng)用，純粹利用機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成，安全性更高，可靠性更高。

關(guān)鍵詞：越障;輪組;機(jī)械

The Design of a Passive Obstacle-crossing Function

Chen Shihao Liu Siyu Wang Shouhai Gao Siqi Qi Yingchun

College of Biological and Agricultural Engineering JLU JilinChangchun 130022

Abstract：With the aging of China's population and the gradual increase in the number of physical disabilities，the demand for assisted walking tools is increasing.However，with the acceleration of urbanization，staircases and roadblocks are increasing，so it is necessary to study a simple and affordable barrier surmounting mechanism.When the actuator is driving on the flat ground，each small wheel rotates around its own axis.When climbing the stairs，the wheels revolve around the central axis.The structure can be simply lifted at the same time，there is no electrical application，purely using mechanical structure to complete，higher safety，higher reliability.

Keywords：obstacle crossing;wheel group;machinery

當(dāng)今社會(huì)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，人們生活環(huán)境處處都發(fā)生了巨大變化，土路坡路修成臺(tái)階，人行道高出車道，而與此同時(shí)，對(duì)行為能力較弱的老年人和殘疾人等社會(huì)弱勢(shì)群體來(lái)說(shuō)，卻增添了生活中的不便。普通輪椅難以越過(guò)臺(tái)階、馬路沿等障礙，而市面上零星幾種的越障輪椅大多由國(guó)外進(jìn)口、價(jià)格高，因此，在這種情況下，研究一款簡(jiǎn)單且價(jià)格普通的越障機(jī)構(gòu)，成了方便老年人、殘疾人生活的當(dāng)務(wù)之急。

1 研究背景

目前在爬樓梯、越障裝置的研究領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)外研究開(kāi)始較早，一些技術(shù)已投入市場(chǎng)但價(jià)格較貴，相當(dāng)于中低檔轎車的價(jià)格。近年來(lái)我國(guó)相關(guān)專利也屢見(jiàn)不鮮，不同的爬樓梯裝置適用于不同的環(huán)境和條件，各有利弊。按照爬樓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型，主要可歸結(jié)為輪組式、履帶式、腿式三類。我們旨在設(shè)計(jì)出一款可將輪椅從地面抬升至指定高度并在此過(guò)程中保持平穩(wěn)的輪組式越障裝置，主要針對(duì)的是老年人和殘疾人輪椅出行應(yīng)對(duì)非鋪裝路面或一定程度的臺(tái)階攀爬。應(yīng)用本裝置可以很大程度上節(jié)省越過(guò)障礙時(shí)的人力消耗，它所能達(dá)到的效果是：節(jié)省空間、節(jié)省人力、低成本、免維護(hù)、使用方便、出行便捷。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示為設(shè)計(jì)的越障機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要由座椅、腳踏板、3組車輪、推桿及三組連桿等主要機(jī)構(gòu)組成。座椅與壓桿直接連接，與抬升輪通過(guò)一連桿機(jī)構(gòu)連接。連接抬升輪的兩連桿機(jī)構(gòu)間通過(guò)一平行四邊形結(jié)構(gòu)連接，起到增強(qiáng)穩(wěn)定性作用。兩支撐輪上方桿件也由一桿相連。此機(jī)構(gòu)純依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，由操控者施加動(dòng)力，推動(dòng)車體前行，或后輪上安裝動(dòng)力裝置，車體上的越障機(jī)構(gòu)在操控者控制下完成越障，使此越障機(jī)構(gòu)通過(guò)性更強(qiáng)，且安全穩(wěn)定。

3 越障原理

4 越障過(guò)程

圖2所示為所設(shè)計(jì)越障機(jī)構(gòu)的越障過(guò)程。行駛時(shí)，操控者推動(dòng)或后輪驅(qū)動(dòng)車體前行，越障機(jī)構(gòu)處于初始狀態(tài)，三組輪子分別著地。裝有被動(dòng)越障機(jī)構(gòu)的車體在遇到障礙時(shí)，操控者手壓Y字連桿7，前輪在平行四桿機(jī)構(gòu)的限位下，升到一定高度便停止，此時(shí)前輪可以輕松越過(guò)一定高度的障礙如圖2（1）、（2）所示，支撐輪3及后輪6與地面接觸，維持車體平衡且繼續(xù)前行;當(dāng)支撐輪3接觸到障礙時(shí)，放松Y字壓桿，且稍上拉Y字壓桿，使支撐輪3翹起，在平行四桿機(jī)構(gòu)的限位下，支撐輪3升到一定的高度便停止，隨著車體前行翻越障礙，如圖2（3）、（5）所示，車體上裝有壓桿限位機(jī)構(gòu)，控制壓桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以控制抬升輪抬升高度，保證越障安全;當(dāng)抬升輪和支撐輪越過(guò)障礙后，操控者放松壓桿7，抬升輪和支撐輪下落地面，隨著車體前行，后輪翻越障礙，完成越障。三組輪子越障過(guò)程中，由桿4、5、8等組成的連桿機(jī)構(gòu)確保抬升輪和支撐輪的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性和限位。使用時(shí)，遇到障礙人體重心靠近后輪，可輕易地通過(guò)壓桿控制抬升輪與支撐輪。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

本機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的區(qū)別在于，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)前輪越障時(shí)，需要以后輪為支點(diǎn)抬起車體的前半身，由杠桿原理，此時(shí)動(dòng)力臂較短，并且由于車體的前半身較重，阻力相對(duì)較大，需要的抬升力較大且由于后輪的不穩(wěn)定，導(dǎo)致抬升過(guò)程不穩(wěn)定，不易控制。本機(jī)構(gòu)增加了一對(duì)Y型壓桿，使得前輪和車體不再固聯(lián)，在抬升過(guò)程中只需要抬升前輪的重量，由于支撐輪的存在，使得抬升過(guò)程的動(dòng)力臂較長(zhǎng)達(dá)到省力的目的，并且能在抬升過(guò)程中起到支撐作用，使車身保持穩(wěn)定。