助老輪履協(xié)同輪椅設(shè)計

張慧云，楊 強，李 航

(成都工業(yè)學院 智能制造學院，成都 610031)

當今社會，行走困難的老年人很多。失去行走能力的老年人，給個人和家庭甚至國家醫(yī)療系統(tǒng)和社會保障體系造成沉重的負擔和巨大的壓力。解決老年人行走困難的問題已引起社會各界的重視。

目前有一些行走機構(gòu)應(yīng)用在各行各業(yè)中。這些行走機構(gòu)的相同之處是在平地時用輪子行走，路面環(huán)境較差時用履帶行走。輪式行走機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、行走靈活，但與地面接觸面積小，當爬坡或路面環(huán)境差時，容易打滑，遇到復(fù)雜障礙不能翻越。履帶行走機構(gòu)與路面的接觸面積大，行走時不易打滑，能夠在復(fù)雜環(huán)境下行走，其缺點是靈敏度較差，功率消耗較大[1]。把輪式行走和履帶行走結(jié)合以來，并實現(xiàn)兩者的靈活轉(zhuǎn)換，是目前行走機構(gòu)的研究方向。賈海東等[2]開發(fā)了一種輪履復(fù)合巡檢機器人行走機構(gòu)，可以代替人力在井下進行巡檢，路面情況好的時候用輪式行走，當路面狀況較差的時候用履帶行走，不僅減少了人力，還排除了安全隱患。王騰等[3]對輪履復(fù)合移動平臺連桿切換機構(gòu)進行設(shè)計分析，發(fā)現(xiàn)連桿機構(gòu)能夠很好地進行輪式行走和履帶行走之間的切換，設(shè)計出的移動平臺應(yīng)用在城市廢墟搜集和工程探險等復(fù)雜的環(huán)境。曹鵬彬等[4]設(shè)計了助老助殘輪履協(xié)同移動平臺，用平面四桿機構(gòu)進行輪式行走和履帶行走之間的切換，并對移動平臺的爬樓性能進行運動分析，能實現(xiàn)安全爬樓。

目前常用的輪履協(xié)同行走機構(gòu)有四履帶雙擺臂、六履帶四擺臂等[5]，這些行走機構(gòu)及其輪履切換結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需驅(qū)動電機個數(shù)多，不適用于輪椅。本文設(shè)計的助老輪履協(xié)同輪椅結(jié)構(gòu)簡單，所需電機只有1個，輪履切換利用汽車翻斗原理，結(jié)構(gòu)簡單，能解決老年人行走困難的問題。

1 整體結(jié)構(gòu)及傳動布局

1.1 整體結(jié)構(gòu)

輪履協(xié)同輪椅的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪椅為3輪，前車輪為轉(zhuǎn)向輪，后2個車輪，其中1個是主動輪，由電機直接驅(qū)動，另1個為從動輪。

1—履帶行走機構(gòu)； 2—驅(qū)動輪；3—從動輪；4—離合器； 5—轉(zhuǎn)向輪；6—輪履轉(zhuǎn)換操縱機構(gòu)； 7—鏈傳動。圖1 輪履協(xié)同輪椅整體結(jié)構(gòu)

這種3輪結(jié)構(gòu)可以靈活地轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)較復(fù)雜的行走軌跡[6]。如果老人上車不便，可將轉(zhuǎn)向輪上的方向盤拆下。在平地時，兩輪和地面接觸，實現(xiàn)輪式行走。當遇到爬樓時，先把轉(zhuǎn)向輪部件拆下，液壓缸驅(qū)動四桿機構(gòu)變形,讓履帶和地面接觸，實現(xiàn)履帶攀爬樓梯。根據(jù)老年人攀爬樓梯的需求，履帶行走采用雙履帶，并且履帶的從動輪可以抬起一定的高度，形成前攻角，幫助進行爬樓?？紤]到老人乘坐的舒適性，履帶采用減震性很好的橡膠履帶。履帶驅(qū)動采用履帶齒與驅(qū)動齒輪內(nèi)嚙合的形式驅(qū)動。

1.2 傳動布局

輪履協(xié)同輪椅的動力系統(tǒng)大大簡化，整個動力系統(tǒng)只有1個直流伺服電機。輪式行走機構(gòu)和履帶行走機構(gòu)之間動力的切換采用摩擦離合器，方便實現(xiàn)動力的接通和斷開。2個摩擦離合器對稱分布在輸出軸的兩端，用液壓缸推動操縱桿實現(xiàn)兩邊離合器的接通和斷開，從而實現(xiàn)輪子和履帶間的動力轉(zhuǎn)換，如圖2所示。直流伺服電機輸出動力時，操縱桿向左推動，履帶鏈傳動一端的摩擦離合器的從動件和主動件接合，從而傳遞電機的扭矩，通過鏈傳動，驅(qū)動履帶行走機構(gòu)運動，實現(xiàn)履帶行走。當需要輪式行走時，操縱桿向右推動，使輪式輸出軸一端的摩擦離合器的從動件與主動件結(jié)合，驅(qū)動輪式行走機構(gòu)的主動輪運動。

1—直流伺服電機；2—液壓執(zhí)行元件；3—摩擦離合器主動件；4—摩擦離合器從動件；5—輪式輸出軸齒輪； 6—履帶輸出鏈傳動；7—換向架推桿。圖2 傳動布局

2 輪履轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)計原理

目前學者設(shè)計出的對輪履轉(zhuǎn)換裝置，有的用絲杠配合舵機轉(zhuǎn)換,有的使用多桿機構(gòu)進行轉(zhuǎn)換,都比較復(fù)雜[1-4]。大型運輸自卸貨車的車斗升降結(jié)構(gòu)原理是將液壓元件的一端通過鉸鏈的方式固定在車體上，該端可以繞固定點旋轉(zhuǎn)，而另一端連接在車斗上，該鏈接端上液壓元件也能繞固定點旋轉(zhuǎn)，而車斗的固定端則通過鉸鏈的方式固定在車體上，從而實現(xiàn)貨物的卸載，如圖3所示。自卸車斗的原理可以應(yīng)用在輪履轉(zhuǎn)換裝置中。

圖3 自卸車斗工作原理

在輪履轉(zhuǎn)換機構(gòu)方案設(shè)計時，可以結(jié)合平面四桿機構(gòu)的變形原理，實現(xiàn)輪式行走和履帶行走之間的切換。主要就是履帶行走機構(gòu)的上下運動，從而實現(xiàn)履帶傳動機構(gòu)的接地與脫離。

輪履轉(zhuǎn)換四邊形機構(gòu)，如圖4所示，當液壓缸推桿伸出時，履帶后支撐桿向右擺動，履帶連接板和地面接觸，兩輪離開地面，實現(xiàn)履帶行走；當液壓缸推桿收縮時，履帶后支撐桿向左擺動，履帶離開地面，兩輪和地面接觸，實現(xiàn)輪式行走。

1—履帶前支撐桿； 2—履帶連接板； 3—履帶后支撐桿； 4—操縱液壓缸。圖4 輪履切換四邊形機構(gòu)示意圖

3 轉(zhuǎn)向輪部件設(shè)計

本文設(shè)計的輪椅采用手動轉(zhuǎn)向的方式,如圖5所示，該轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)除輪子之外主要由方向盤、過渡桿、前輪支撐桿3部分組成。但由于轉(zhuǎn)向機構(gòu)位于輪椅的中間，有的老人上下輪椅受到一定的阻礙，因此在轉(zhuǎn)向機構(gòu)中設(shè)計了過渡桿，過渡桿和方向盤之間用螺栓連接，方便對轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行拆卸。為避免爬樓時前輪和樓梯發(fā)生干涉，可以先調(diào)整好方向，取下前輪后，再進行攀爬。

1—螺栓；2—方向盤；3—過渡桿；4—前輪支撐桿。圖5 轉(zhuǎn)向輪部件