曲柄星轮式爬楼梯轮椅爬升机构设计

王占礼， 赵德超， 陈延伟， 孟祥雨

（长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012）

0 引 言

根据2008年开展的第二次残疾人抽样推算，我国各类残疾人口总数为8 296万人，残疾人占全国总人口的6.34%。其中，60岁及以上的老年残疾人口为4 416万，占残疾总人口的53.2%，与1987年相比，60岁及以上的残疾老年人增加了2 365万，占到总增加人数的75.5%。随着年龄的增长，残疾人口的比例在不断上升，尤其进入老年后，上升非常迅速[1]。不断增加的残疾人口对医疗和保健有着巨大的需求，成为我国面对的重大社会服务问题。服务机器人的出现可以有效地缓解医务人员不足的现状，提高残疾人的生活质量，为我国社会的稳定发展起到积极作用。

近年来，国内外许多公司、大学和研究机构都对攀爬楼梯的助行系统进行了深入研究，也提出了各自的产品或解决方案。美国著名发明家迪恩卡门发明的“独立机动系统”（iBOT）是目前星型轮机构助行系统中较独特、性能指标最高的产品。

日本的“Freedom”轮椅很好地解决了上、下楼梯时的姿态平衡问题[2]。英国的BARONMEAD轮椅车可在平地自由运行，还可拆卸为两部分，便于装运[3]。

目前，爬楼梯轮椅操作复杂、体积和重量大、价格昂贵，所以在现实生活中没有得到广泛应用，例如，iBOT成本较高，售价昂贵（近 29 000美元），对于普通的残疾人家庭来说只能望而却步[4];Jianjun Yuan和Shigeo Hirose设计的Zero Carrier I型轮椅对传统的腿足式进行改进，但由于脚轮尺寸太小，并不适于作为普通轮椅使用，而且因为结构复杂，目前仍处于实验样机状态[5]。曲柄星轮式爬升机构突破了传统的爬楼梯全自动的概念，采取他人辅助上楼方式，在很大程度上降低了爬楼梯轮椅的成本和难度[6]。

1 爬升机构工作原理

曲柄星轮爬楼梯轮椅的爬升机构由两套曲柄星轮及链传动构成，其工作原理如图1所示。

图1 爬升机构工作原理图

两套曲柄星轮通过链条进行动力传动，通过曲柄星轮的交替运动来完成爬升动作。以上工作原理的具体实施方式如图2所示。

图2 爬楼梯过程图

在（a）状态时，星轮1在下，星轮2在上，处在准备爬升状态，此时曲柄2与星轮2绕曲柄轴顺时针旋转，同时，由于链传动作用，曲柄1与星轮1绕曲柄轴顺时针旋转直到（b）状态。在（b）状态下继续以上运动即可达到（c）状态，在（c）状态下星轮1与星轮2重合，此时已完成一次爬升运动。在（c）状态下继续运动至（d）状态，为下一次爬升运动做准备。至此，一次爬升循环结束。下楼运动与爬升运动相反即可实现。

2 爬升机构结构设计

位于轮椅后侧的4个轮子是爬升装置的运动机构，爬升机结构如图3所示。

图3 爬升机结构

在轮椅的内、外两侧框架上分别装有一对车轮，每对车轮均由内、外轮构成。在下文中以位于左边的爬楼梯轮子说明详细的机构组成。爬楼梯的轮子在平地行走时是收起的，平地行走由前面的轮毂电机轮驱动。左侧爬楼梯轮子由内外两个轮子及两个传动轴组成。在此爬升装置中装有一个轮组，轮组中的两个轮子相对偏心轴都是可旋转的，并且两个轮轴有一定相对距离且联合驱动。驱动轴和轮子心轴相连接，其目的是使轮子心轴上安装一个曲臂圆盘（其中曲臂圆盘成为轮缘），可以绕心轴同心旋转。其中轮组中两个轮子的驱动轴之间的距离是轮子半径的2倍，至少应保证约为2倍关系。当此装置在台阶上运行时，由于轮组中轮子的偏心旋转，其中一个轮子向上翻转落在台阶上，随之第二个轮子也向上翻转落在同一台阶上。此时该装置已经完成一次爬升，接下来第一个轮子继续向下一台阶翻转，由于第一个轮子在向上翻转时第二个轮子作为支撑轮，所以该装置不用再加额外支撑。

由一个可逆电机输入动力，有链传动同时串联地传递给两个驱动轴即可，其中把两个驱动轴联合驱动的目的是，当两个轮子都相对于驱动轴旋转180°的时候，轮组中的两个偏心轮将同心。在这个爬升装置中，其轮组中的每个轮缘在心轴部分轴向通过轴承挡圈定位，并安装轴承定向锁，因而轮缘可固定方向运动，即在爬楼梯时反向旋转。因而即使在爬升时有轮缘刹车，爬升装置相对楼梯的方向运动也是有可能的，因此可以加一个刹车装置解决，例如自动控制电磁刹车装置。它可以阻止轮子继续移动而不用打断旋转运动或行程运动。在爬升过程中，一个轮对可通过这个刹车装置固定在楼梯边缘，另一组偏心轮对通过旋转运动着陆在另一台阶上。这个轮缘可通过轴承套安装在轮心轴上，在心轴上安装链轮，同时，在驱动轴上安装一个相同的链轮，两个链轮通过链传动，传动比为1∶1。这个电磁刹车装置可安装在心轴上或者轮缘上。

在没有刹车动作时，刹车装置中的刹车盘和轮子以相同速度转动。在刹车位置，通过刹车盘轮缘锁死，爬升轮的行程运动由于偏心安装而不受影响。由于链传动轮缘处于锁死状态，所以刹车装置轴承定向锁的运动方向是可以被限制的。

3 爬升机构稳定性分析

至今，iBOT仍是世界上较为先进的爬楼梯轮椅，它的工作原理源于基本的行星轮运动系统[7]，车轮能够围绕各自轴线转动，也能够随着系杆作绕中心轴的转动。iBOT轮椅驱动轮的直径为305 cm，运动轨迹的半径与车轮的半径是相等的，其运动轨迹如图4所示。

图4 iBOT的运动轨迹图

文中爬升装置轮子半径为105 cm，其轨迹如图5所示。

图5 曲柄星轮机构的运动轨迹图

运动轨迹半径为中心至驱动轴的距离。二者对比，iBOT的运动速度很快，但是它的起伏很大，文中所设计的虽然速度相对较慢，但是运动的轨迹很平滑，使用时减少颠簸，提高了舒适度。

4 结 语

文中主要完成爬楼梯轮椅的爬升机构设计，为今后进一步研究设计奠定一定基础。本设计的优点在于爬升动作简单，控制容易;结构小巧，制造成本较低;爬升效率较高;对于各种尺寸的楼梯有较强的适应能力，可以适应一定范围内任意尺寸的楼梯;爬升过程中重心变化小，运行平稳。

[1] 丁志宏.我国残疾老年人口:现状与特征[J].人口研究，2008（4）:3-4.

[2] Hashino，Satoshi.Development of crawl type stair lift for wheelchair users[J].Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology-Proceedings，1996（2）:533-534.

[3] Hashino，Satoshi.Development of new type stair lift for wheelchair users[J].Proceedings of the Japa/USA Symposium on Flexible Automation，1996（1）:233-236.

[4] Lawn M J，Ishimatsu T.Modeling of a stair-climbing wheelchair mechanism with high single-step capability[J].IEEE T rans Neural Syst.Rehabil Eng.，2003，11（3）:323-32.

[5] Victor Paquet，David Feathers.An anthropometricstudy of manual and powered wheelchair users[J]. International JournalofIndustrialErgonomics，2004，33:191-204.

[6] 苏和平，王人成.爬楼梯轮椅的研究进展[J].中国康复医学杂志，2005，20（5）:366-367.

[7] 项海筹，乌兰木其，张济川.手动爬楼梯轮椅[J].中国康复医学杂志，1994，9（21）:62-66.