具有爬梯功能的新型電動(dòng)輪椅

□ 王 綱 □ 平雪良 □ 肖竟成 □ 吳佳峰 □ 張 恒 □ 盧星宇

江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無錫 214000

1 設(shè)計(jì)背景

爬樓梯輪椅一般采用腿足式結(jié)構(gòu),工作原理是利用多條機(jī)械腿的交替升降來支撐輪椅上下樓梯,輪椅上下樓梯的過程實(shí)際上就是模仿人的上下樓梯動(dòng)作的過程。

爬樓梯輪椅按照不同原理可以分為輪組式、履帶式、腿足式、復(fù)合式爬樓梯輪椅,以及其它輔助爬樓梯裝置。各種爬樓梯輪椅在具備自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí),也都存在一定的局限性。日本在腿足式爬樓梯輪椅和機(jī)器人領(lǐng)域的研究較為領(lǐng)先,WL16R系列雙足行走機(jī)器人的機(jī)械腿采用六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),充分拓展了靈活性和承載能力。機(jī)械腿底部安裝有圧力傳感器,結(jié)合座椅上安裝的陀螺儀,機(jī)器人可以實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)并保持質(zhì)心穩(wěn)定。美國iBOT系列爬樓梯輪椅采用單輪組兩星輪式結(jié)構(gòu),幾乎能適用于所有室內(nèi)外樓梯,還能在斜坡、沙灘、崎嶇的路面上行駛,甚至可以實(shí)現(xiàn)直立行走,從而幫助乘坐者達(dá)到正常人的高度。法國Topchair爬樓梯輪椅采用輪履復(fù)合式結(jié)構(gòu),在平地上可以像普通電動(dòng)輪椅一樣行駛,遇到樓梯或障礙物時(shí),輪子可以收起,履帶爬升機(jī)構(gòu)放下。Topchair爬樓梯輪椅充分結(jié)合了輪式機(jī)構(gòu)和履帶機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),是目前性能最為完善的爬樓梯輪椅,但價(jià)格高昂,一般普通家庭難以承受。內(nèi)蒙古民族大學(xué)蘇和平等設(shè)計(jì)的雙聯(lián)星形輪結(jié)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅和東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院設(shè)計(jì)的采用四組行星輪的爬樓梯輪椅均采用輪組式結(jié)構(gòu)。輪組式爬樓梯輪椅在無障礙的平地上行駛時(shí)和普通電動(dòng)輪椅十分相似,運(yùn)動(dòng)靈活,速度快,能量利用率高。在攀爬樓梯過程中,輪椅的質(zhì)心起伏較大,一般需要依靠他人或樓梯護(hù)欄的輔助才能完成爬樓梯過程,對(duì)不同幾何形狀樓梯臺(tái)階的適應(yīng)性也較差。上海交通大學(xué)袁建軍等設(shè)計(jì)的Zero Carrier爬樓梯輪椅由八條底端安裝有滾輪的機(jī)械腿組成,能夠適應(yīng)各種形狀的樓梯及凹凸不平的地形,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,穩(wěn)定性和實(shí)用性差。

國外在爬樓梯輪椅方面的研究已經(jīng)有較長的歷史,研究成果也較多,不少產(chǎn)品投入市場(chǎng),但價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般家庭經(jīng)濟(jì)承受的范圍。國內(nèi)對(duì)爬樓梯輪椅的研究相對(duì)較晚,并且受到體積、質(zhì)量、控制、安全性等因素的制約,很少有產(chǎn)品真正投入使用。筆者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、安全性好、價(jià)格適宜的具有爬梯功能的新型電動(dòng)輪椅,本文對(duì)此進(jìn)行介紹。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

具有爬梯功能的新型電動(dòng)輪椅在使用過程中主要有平地行駛和攀爬樓梯兩種模式,兩種模式轉(zhuǎn)換及攀爬樓梯的過程中,使用者的姿態(tài)不需要很大改變。

電動(dòng)輪椅底部結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由大徑輪、履帶、全向輪、電推桿、履帶電機(jī)組成。利用電推桿完成全向輪及履帶架的收放,適用于兩種模式。履帶架靠近電動(dòng)輪椅靠背的一端與電動(dòng)輪椅上半部分通過一根軸連接,履帶架可以繞軸旋轉(zhuǎn)。履帶架的另一端采用曲柄搖桿方式與電推桿相連,這樣可以在電推桿伸縮過程中實(shí)現(xiàn)履帶架前端角度變化,以便在攀爬樓梯時(shí)將履帶架放下。履帶架收起狀態(tài)如圖2所示,伸展?fàn)顟B(tài)如圖3所示。另一根行程相對(duì)較短的電推桿用于收放全向輪,結(jié)構(gòu)和收放履帶架的電推桿相似,同樣使用曲柄搖桿方式實(shí)現(xiàn)對(duì)全向輪的收放。不同之處是收放履帶架的曲柄與履帶架中間的軸是非固定轉(zhuǎn)動(dòng)副,收放全向輪的曲柄與全向輪之間的軸是固定的,使全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度而達(dá)到收放的效果。

▲圖2 履帶架收起狀態(tài)

▲圖3 履帶架伸展?fàn)顟B(tài)

3 有限元分析

電動(dòng)輪椅在攀爬樓梯過程中有四個(gè)零件承受較大的載荷,包括兩個(gè)電推桿的支撐零件及兩個(gè)在電動(dòng)推桿前段與軸連接的零件。電動(dòng)輪椅在使用過程中行駛緩慢,在有限元分析時(shí)可以簡(jiǎn)化為靜應(yīng)力分析模型。零件材料為40Cr合金鋼,主要屬性見表1。電推桿支撐零件的靜應(yīng)力分析云圖如圖4所示,電推桿前端與軸連接零件的靜應(yīng)力分析云圖如圖5所示。

表1 40Cr合金鋼屬性

▲圖4 電推桿支撐零件靜應(yīng)力云圖

▲圖5 電推桿前端與軸連接零件靜應(yīng)力云圖

電動(dòng)輪椅的總載質(zhì)量為100 kg,每個(gè)電推桿支撐零件的負(fù)載為500 N。對(duì)于電推桿支撐零件而言,其底面固定于電動(dòng)輪椅底座下方,左右兩側(cè)的孔受到來自電推桿的反向推力。對(duì)于電推桿前端與軸的連接零件而言,其通過右側(cè)的槽形孔與電動(dòng)輪椅履帶架上的桿件固定在一起,左側(cè)的孔與電推桿的桿部相連,可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),孔直接承受整個(gè)電動(dòng)輪椅的負(fù)載。通過分析可知,這兩個(gè)零件的最大靜應(yīng)力均在零件材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。

4 履帶與樓梯接觸分析

電動(dòng)輪椅使用的履帶材料為普通橡膠,履帶側(cè)截面簡(jiǎn)化模型如圖6所示。

▲圖6 履帶側(cè)截面簡(jiǎn)化模型

普通住宅樓梯的坡度為20°～45°,一般為30°左右,步寬為250～300 mm,步高為150～200 mm。筆者在設(shè)計(jì)中選取樓梯坡度為30°,步寬為250 mm,在這一情況下,履帶的齒形可以與樓梯臺(tái)階契合,契合時(shí)的情況如圖7所示。橡膠材質(zhì)履帶的摩擦力較大,在電動(dòng)輪椅極限負(fù)載的情況下,可以安全地載送使用者攀爬上樓梯。

▲圖7 履帶與樓梯臺(tái)階契合

5 樣機(jī)測(cè)試

樣機(jī)測(cè)試的主要目的是測(cè)試履帶機(jī)構(gòu)的抬升性能及電動(dòng)輪椅攀爬樓梯的過程。樣機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示,履帶與樓梯臺(tái)階接觸情況如圖9所示。在測(cè)試過程中,樣機(jī)攀爬樓梯穩(wěn)定,基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

▲圖8 樣機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

6 結(jié)束語

針對(duì)老年人及殘障人士行走與攀爬樓梯困難的情況,筆者設(shè)計(jì)了具有爬梯功能的新型電動(dòng)輪椅。本文介紹了電動(dòng)輪椅的結(jié)構(gòu)與原理,對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元分析與強(qiáng)度校核。具有爬梯功能的新型電動(dòng)輪椅為老年人和殘障人士提供了新的出行方式,具有推廣價(jià)值。

▲圖9 履帶與樓梯臺(tái)階接觸