驅動式多功能助老爬樓機設計

陳運勝， 李 映

（廣州華立科技職業(yè)學院， 廣東 廣州511325）

0 引言

據(jù)全國老齡辦的研究報告顯示， 當前我國已經進入快速老齡化階段，老年人全球人口總數(shù)的20%，已經是世界上老年人口最多的國家。 伴隨人口老齡化過程最為顯著的特征就是行動能力下降， 這是身體各方面機能衰退不可避免而造成的。 根據(jù)老年人口數(shù)量預測的增長趨勢[1]，預計在2025 年左右，我國60 歲及以上人口數(shù)量將是一個十分龐大的群體，人口規(guī)模會超過3 億。 隨著人口老齡化的增長，助老爬樓設備也在不斷地發(fā)展更新，呈現(xiàn)出了新特點， 關注老年人生活方式成為近年來民生討論熱門， 而老年人一般身體行走能力不便且獨自在家無人照顧，上下樓梯比較困難。 目前，老人上下樓梯的主要方式包括廂式電梯、站立式簡易樓道電梯，座椅電梯、爬樓機等。

廂式電梯，運行速度快且可多人乘坐。 但是要想在原本未安裝電梯的居民樓安裝電梯不是一件簡單的事。 首先六層以下的樓房安裝電梯的成本高，電梯安裝率不高。其次，除了安裝費用和維護成本比較高之外，手續(xù)繁雜瑣碎且需要各樓層業(yè)主的意見，在實際操作中，常常又因為各種原因（如：采光、噪聲和費用分攤等）很難達成一致。

站立式簡易樓道電梯，結構相對簡單，相對于廂式電梯安裝成本低，不占空間，使用起來也相當簡便。 但是站立式簡易樓道電梯要求人踩在踏板上沿著軌道上下樓，可對于年紀大，思路不太清晰，重心不穩(wěn)的老年人來說，站立式簡易樓道電梯還是存在一定風險的。 另外，此類電梯不適用于不方便站立的老年人。

座椅電梯，是一種在樓梯側面運行的電梯，用來幫助行動不方便的人上下樓梯。 老年使用者可坐在椅子上，沿著軌道輕松上下樓。 相對來說，座椅電梯安裝相對廂式電梯安裝費用較低； 相對站立式簡易樓道電梯更適合腿腳不便的老年人，且安全性較高。

但是，廂式電梯、站立式簡易樓道電梯、座椅電梯這3種方式都要求在使用場景預先安裝好設備， 對于在某些沒有安裝好助老助殘爬樓設備的樓道就是一個難題。 爬樓機則在這類使用場景中具有較大的優(yōu)勢。

目前市面上的助老爬樓機結構復雜、安裝難度大、維修機率大、安全性能低、成本高降低了社會利用率、操作過于復雜、實用價值低、功能單一、設計不合理、體型笨重龐大等問題有時無法進行工作。 目前， 隨著人們的出行次數(shù)的增多，在各個商場、酒店等等地方，樓梯的設置必不可少，因此爬樓則無法避免。對于年輕人來說，上下往復爬樓并無太多的影響，但是對于腿腳不便的老年人而言，爬樓則相當?shù)睦щy，為此，輔助老年人爬樓的設備則成為了市場的需求。

1 助老爬樓機研究現(xiàn)狀

在國外的一些主要發(fā)達國家對助老爬樓機器人的研究設計水平走在世界的前沿，如美國、日本、德國等發(fā)達國家。 研究設計人員利用多種理論知識與實物結構相結合， 研究設計出形式多樣的助老爬樓機器人或者爬樓設備，他們研究的產品相對成熟，且大部分已經投入市場進行使用[2-4]。 比如日本早稻田大學高西淳夫教授團隊研究設計了能用于爬樓的步行機器人， 長崎大學機械工程系研究的一種高階爬樓梯裝置， 這種爬樓梯的設備裝置是由行星輪和連桿機構兩部分構成， 裝置前后設計兩組行星輪， 運動時整個裝置是通過行星輪和連桿機構共同作用來完成爬樓梯動作的， 爬樓裝置通過陀螺儀能感知傾角， 整個裝置的平衡是靠座椅下面的液壓桿可自動調節(jié)來實現(xiàn)的。這樣的設計不僅能爬比較高的樓梯，在平地運行時液壓桿折疊到爬樓輪椅裝置的最底部， 大量的運行空間就這樣節(jié)約了。 它的最大優(yōu)點就是體現(xiàn)在可以爬很高樓梯，甚至它可以很輕松地從地面跨上一輛小貨車[5-6]。我國對能夠攀爬樓梯的裝置或機器人研究起步較晚，目前雖然也有很多爬樓機器人方面的相關發(fā)明專利， 但是只有很少部分投入市場使用。 對這類爬樓機的研究設計主要來自于一些國內大學， 比如河北工業(yè)大學研制設計的兩足并聯(lián)腿步行機器人， 上海交通大學研制設計的兩足步行椅機器人， 還有燕山大學研制設計的步行機器等等，一般處于實驗室階段，市場投入應用極少[7]。

2 爬樓機的分類與分析

綜合國內外研究現(xiàn)狀， 爬樓機主要分為載物爬樓機和載人爬樓機。

載物爬樓機有支腿式爬樓機的執(zhí)行結構， 適合用于載重低于250kg，操作靈活體驗好，速度快。執(zhí)行起來類似于推臂式爬樓機，兩個支腿向下支撐在本級臺階上，然后將整個車體和貨物抬升到高一級臺階。 最好是有經驗的人進行操作。還有一種執(zhí)行機構是履帶式的，其結構類似于坦克的履帶。 履帶比較長， 可以同時覆蓋2 個臺階以上，依靠兩條履帶的滾動實現(xiàn)爬樓機的移動，從而實現(xiàn)進行上下樓梯的移動。 一般履帶式爬樓機適用于載重在250kg 以上的貨物。

目前載人爬樓機基本可以分為以下四種類型： 步行式機構載人爬樓機、履帶式機構載人爬樓機、輪組式機構載人爬樓機、步進支撐式機構載人爬樓機。分別對國內外載人爬樓機研究情況進行分析如下：

步行式機構載人爬樓機主要由機械連桿機構組成，其運動原理是模仿人類爬樓梯時候的動作。 裝置在運動的時候是依次一只腳抬高以及臺階然后向前水平移動，平穩(wěn)著地后再換另一只腳， 如此重復動作完成整個爬樓梯的過程。 對步行式機構爬樓機的研究方向主要是步行機器人。 例如： 日本長崎大學研究的一種高階爬樓梯裝置，還有上海交通大學研制的雙足步行椅機器人，河北工業(yè)大學研究的雙足并聯(lián)腿步行機器人。

步行式機構載人爬樓機有很多優(yōu)點：一是爬樓運動相對平穩(wěn)； 二是能夠自適應多種不同高度不同樣式的樓梯。當然，步行式機構爬樓機還有很多不足的地方：首先要自適應多種不同高度不同樣式的樓梯，就對控制系統(tǒng)要求較高。其次這個動作相對比較緩慢，爬樓周期較長。在運動過程中，整體重心是偏上的，容易出現(xiàn)側傾。這些不足之處也使得目前使用步行式機構載人爬樓機的人較少。

履帶式機構載人爬樓機， 其結構與履帶式機構載物爬樓機類似。大多屬于電動驅動的爬樓機。結構相對比較簡單，工作原理是電動機帶動履帶輪轉動，從而實現(xiàn)履帶在轉動，較長的履帶與樓梯接觸實現(xiàn)爬樓。 日本長崎大學設計了一款名為“Sakadakun”的雙履帶電動爬樓機，可以進行角度調整。 英國一公司開發(fā)了履帶式爬樓機“Baronmead”，其特點是運動速度比較快，大約3s 能完成一個臺階。 中國也有很多學者設計者研究履帶式爬樓機，并且申請了專利。

輪組式機構載人爬樓機， 主要由行星輪和行星支架組成。各小輪可以繞著各自的中心轉動，也可以繞著行星支架的中心轉動。輪組式機構載人爬樓機在爬樓梯時，小輪繞著大輪公轉。 在平地運動時，小輪可以進行自轉。 輪組式機構載人爬樓機適合爬樓梯， 也適合轉為平地平穩(wěn)地行走。 但是，輪組式機構載人爬樓機的結構相對比較笨重，且占用空間較大，影響其應用范圍。豐田推出可攀爬樓梯的iBot 機械輪椅，但是其昂貴的造價，讓很多普通家庭望而卻步。

步進支撐式機構載人爬樓機， 是在普通輪椅上加裝的實現(xiàn)爬樓梯動作的輔助設備。這樣可以降低生產成本，也方便攜帶，在爬樓梯行業(yè)中受到廣泛的應用。

3 驅動式多功能助老爬樓機結構組成及特點

綜合分析目前爬樓機的優(yōu)缺點： 有些安全性高的助老爬樓機，結構相對比較復雜，生產成本隨之較高，而有些助老爬樓設備結構單一， 在升降爬樓過程中尤其是登上或是登下升降臺時，安全性低，容易跌倒等問題。 在研究各類爬樓機結構特點以及適用場合的前提下， 本課題研究設計了一種驅動式多功能助老爬樓機[8]。

圖1 是一種驅動式多功能助老爬樓機， 主要部件包括支撐架、電機、線輥、拉繩、定滑輪、側支架、橫架、升降臺、滑座、橫桿、靠背板、開口、扶手桿、電磁鐵、旋轉臺、固定桿、環(huán)形槽、控制器等。支撐架平行安裝于樓道上，支撐架上設置升降臺， 升降臺可經由驅動模塊的控制沿支撐架的長度方向升降滑動， 升降臺的上端設置環(huán)形的靠背板，靠背板的一側設置開口，開口內鉸接扶手桿，扶手桿的自由端與開口的另一端通過電磁鐵磁吸固定， 電磁鐵與驅動模塊電連接，升降臺內設置電控的旋轉臺，旋轉臺上設置固定桿， 升降臺上對應固定桿的位置設置相配合的環(huán)形槽，環(huán)形槽與靠背板上下對應，固定桿穿出環(huán)形槽與靠背板連接固定。

圖1 驅動式多功能助老爬樓機結構圖

驅動模塊由控制器構成，控制器與電磁鐵電連接，支撐架上設置電機，電機與控制器電連接，電機上驅動連接線輥，線輥上繞設有拉繩，支撐架的兩端設置定滑輪，拉繩的兩自由端繞過對應一側的定滑輪連接于升降臺上，通過電機驅動控制線輥的正反轉， 使得線輥上的拉繩的兩端呈一收一放又或是一放一收的狀態(tài)， 進而在拉繩的拉動下，控制拉動連接的升降臺沿支撐架上下滑動，實現(xiàn)升降位置的移動調節(jié)。 并且， 控制器由于電磁鐵電連控制，進而使用電磁鐵的通斷電與電機的啟停相互同步，因此，在電機啟動時，電磁鐵通電，使得扶手桿磁吸固定，避免其誤打開，而在升降位置移動到達相應位置后，電機停止，電磁鐵斷電，扶手桿打開，老人可從開口處實現(xiàn)于升降臺上的登上或是登下。

支撐架包括一對側支架，側支架通過橫架連接，滑座通過橫桿連接固定，拉繩的兩自由端連接于橫桿的兩側。升降臺的側截面呈直三角形狀，頂表面呈水平狀。升降臺上設置滑座，滑座滑動連接于側支架上。

4 工作原理

在上升時的登樓時，先控制旋轉臺的轉動180°，使得靠背板的開口一側轉動至老人的正面， 進而將扶手桿轉動打開，可使得老人直接登上升降臺。然后將扶手桿轉動復位，并控制旋轉臺的轉動，使得開口一側轉動至與老人同朝向的位置。然后通過控制器控制電機的啟動，帶動控制升降臺的爬樓。而此時電磁鐵通電，在扶手桿的自由端磁吸固定于開口的另一側， 以保證老人安全的站立于升降臺內。同時，扶手桿也可方便老人的攙扶。相應的，在登上高層后，控制器控制電機關閉，同時電磁鐵斷電，老人將扶手桿推動打開，即可直接走下升降臺。

5 結束語

這種驅動式多功能助老爬樓機能夠根據(jù)滿足不同老人身形的需求， 對老人站立在升降臺時的升降爬樓過程中，實現(xiàn)較好的支撐防護，以保證其在升降移動過程中的安全性。易于老人快捷方便登上或是登下升降臺，且爬樓過程中，安全性高。 同時，老年人也可根據(jù)自身選擇手動前進、后退檔位進行運動爬樓，或選擇自動檔進行電動完成驅動。 驅動式多功能助老爬樓機結構簡單、 造價成本低、安全系數(shù)高、操作簡單、適用范圍廣。