爬楼梯轮椅发展及关键技术的研究*

2013-08-02王占礼郭化超陈延伟

机械研究与应用 2013年2期

王占礼，郭化超，陈延伟

(长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012)

1 引言

在经济飞速发展、人口密度越来越大的现代社会里，楼梯的诞生缓解了建筑用地日益紧张的压力，提高了人们对空间的利用率。但是，目前常见的建筑物既没有设计也没有建造一个方便残障人士及行动不便的老年人士出入的通道。在这种情况下，楼梯对于他们往往意味着一个巨大的障碍需要去克服，给他们的出行带来了很多不便，影响他们与外界的沟通交流。而且，这一问题随着老年人和残疾人数量的增多［1］日益突出。

轮椅对于年老体弱者及肢体伤残者而言是他们必不可少的代步工具，其应用需求越来越大。但是，它们一般仅适合在平地上使用，很少具备爬楼梯和翻越路障的能力，这给轮椅使用者带来诸多不便。由于伤残者对回归社会和独立生活的渴望，促使轮椅的性能和质量不断完善和提高［2］。为此，目前也有很多人致力于爬楼梯轮椅的研究。

我国的轮椅产业发展较缓慢，能爬楼梯的多功能轮椅在国内尚无成熟的产品。随着社会生产力的发展，人们生活水平的不断提高，考虑老年人及残疾人对出行的方便性的需求，研制具有爬楼梯功能的轮椅具有重大的现实意义。在目前已有的爬楼梯机构中，爬楼梯轮椅的越障机构经历了轮式、履带式、多履带式、轮腿复合式、轮履复合式等的发展历程［3］。这些越障机构的设计目的:一方面是为更好地适应地形，增加移动机构与接触面的接触面积，提高牵引力和车体的稳定性;另一方面是为保障越障过程的连续性，提高越障能力和能源的利用效率［4］。

2 国内外研究现状

近几十年，国内外的许多大学、公司和研究机构都对爬楼梯的装置进行了深入的研究，提出了各种各样的产品或解决方案。总体而言，根据爬升结构的不同，通常采用三种结构原理［4］，一种结构是采用行星轮机构，它们不仅绕自身的轴旋转还绕一个所有轮的共同轴线旋转;一种结构是履带轮型爬楼梯轮椅;一种结构是腿足式结构。

目前，国外为解决乘坐轮椅者跨越楼梯的方式是借助楼宇的紧急疏散的运输设备—爬楼车，即将轮椅临时固定在爬楼车上，藉以上下楼梯，使用完毕后再放回原处，操作程序繁琐。虽然能解决乘坐轮椅者上下楼梯，但在没有配备爬楼车的楼宇就无法上下楼梯［5-7］。

国内外爬楼轮椅通常运用行星轮机构来实现上下楼梯［6-8］。对于行星轮型爬楼轮椅，结构简单，并利用自锁机构保证上下楼梯时不倾倒。但该爬楼轮椅对楼梯的适应性较差，不能满足使用者对舒适性和可靠性的需求。

对于履带轮型爬楼轮椅，在上下楼梯时采用履带轮的方式，保证了上下楼梯过程的连续性［7-8］。但是，所述履带轮型爬楼轮椅无法实现从斜面到平面的姿态平稳转换，且结构笨重，对楼梯边沿的损害程度很大，运动过程的阻力矩较大，换向过程实现困难，能源利用效率低，这些问题在很大程度上限制了该型轮椅在上下楼梯中的使用。

对于轮-履组合型爬楼轮椅，该轮椅运用四杆结构，通过升降轮子以实现轮子与履带轮的转换［3-8］。但是，所述爬楼轮椅采用四杆结构，仅有一个自由度，故不能实现高精度的运行输出或完成更复杂的运动规律。

对于腿足式结构爬楼梯轮椅，该结构模仿人上下楼梯的动作，采用一组或几组腿交替升降、支撑爬楼的原理［7-10］，对楼梯的适应性很强，但是，其承载重心偏高，倾翻危险性大，对稳定性要求极高，控制难度很大，机构结构复杂，还有诸多问题需要解决［9］。

总结国内外各类爬楼梯轮椅的特点可以看出，发展至今大多数爬楼梯装置的自主性不高，仍需在旁人协助的条件下实现上下楼梯，而且在稳定性和安全性等可靠性方面存在的很多问题也值得深入研究。如何在保障爬楼梯轮椅整体体积小、重量轻的前提下，结合先进的传感手段和控制技术实现其可靠、平稳的上下楼梯将是今后“老人/残障者上下楼梯助行系统”研究领域的发展方向。

3 爬楼梯轮椅系统关键技术

爬楼梯轮椅系统研究内容主要由机械结构设计、控制系统设计两大部分组成［11］。其中机械机构设计主要完成爬升机构设计、辅助支撑机构设计两方面内容;控制系统设计包括控制系统结构设计和控制系统算法两部分，爬楼梯轮椅系统的基本控制结构如图1所示。这两部分内容紧密联系、相辅相成共同作用实现理想的运动路径和运动状态。

图1 爬楼梯轮椅系统基本控制结构

3.1 机械结构设计

机械结构设计的目的应满足爬楼梯助行系统机械结构紧凑、整体重量小，具有合理的路径规划能实现连贯爬升运动。机械结构设计的优劣程度很大范围内决定了系统的适应能力及控制过程的难易程度，是系统设计的核心所在。

3.1.1 爬升机构设计

爬楼梯轮椅系统机械结构设计的核心是爬升机构，能够实现爬越楼梯这种越障运动的主要有星轮式、履带式、腿足式3种。在这3种爬升机构的基础上，吸取各自的优点，发展组合式的爬楼梯装置将是今后研究的创新方向。

结合爬楼梯运动路径的特点，采用可将独立运动分解为两个有差异运动，或将两个有差异的运动合成为一个运动的差动机构、组合型机构、新型变形机构，可实现轮椅从平地运动—爬升运动—平地运动过程的姿态平稳转化。综合考虑轮、腿、履带机构的优势，把三者复合起来使用，可有效克服各自的不足，保障爬楼梯轮椅能够安全、可靠、高效地实现上下楼梯的过程。不同爬升机构的对比参见表1。

表1 不同爬升机构的对比

3.1.2 辅助支撑机构设计

电动爬楼梯轮椅的使用群体是老年人以及残障者，因此对轮椅的使用安全性要求极高。同时，在上下楼梯运行过程中，质心位置、支撑条件的不断变化对系统安全、可靠的实现合理的运动轨迹提出了很高的要求。

为保证爬升过程的安全性，爬升装置和轮椅以及使用者的总重心必须始终位于支撑装置与楼梯台阶支撑点之间。系统由平地状态突然启动时，由于自身的惯性作用会发生后倾的现象，为了解决这一问题通常在系统的后部增加了一个防止后倾的装置;为了避免爬升过程前倾的危险，考虑扩大支撑边界，来增加前倾稳定裕量是有效的解决办法;为保证上下楼梯操作的安全性，需有相应的锁定装置，一旦轮椅倾斜角度超出倾翻稳定性要求范围之外，锁定装置锁定，支撑装置支撑在楼梯台阶上。

从乘坐着舒适性角度出发，轮椅椅面要始终保持水平，如果轮椅椅面前倾乘坐者就会有种向前栽的感觉，假如轮椅椅面后倾，乘坐者的后背就会紧紧的依靠在轮椅架上从而轮椅有后倾的趋势。为了使轮椅椅面保持水平，通常采用三点高副球铰接机构的椅面平衡调节机构，其中，一点高副球铰接固定，两点高副球铰接可调，用于调节椅面的平衡。

3.2 控制系统设计

为保证爬楼梯轮椅能够安全、可靠、高效地实现上下楼梯的过程，并可同时作为电动轮椅使用，爬楼梯轮椅的控制器必须具有很强的功能;除根据电动轮椅控制器所具有的速度调节、运动控制、故障检测等功能之外，还必须具有可以实时检测使用者的坐姿和位置、爬楼梯轮椅与楼梯的相对位置、爬楼梯轮椅的运动状态等功能，并可以根据传感器信息对爬楼梯轮椅的驱动系统进行正确的控制或给出报警信号。

3.2.1 控制系统结构设计

爬楼梯轮椅系统除了完成普通轮椅功能要求之外还需运行在电动轮椅和上下楼梯轮椅两种模式下，其控制功能应分别由两套相互独立的开环控制系统来完成，以实现平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度宽度的楼梯功能要求，这也就导致电动爬楼梯轮椅的运动形式十分复杂，应针对不同环境下轮椅需要实现的动作设计爬楼梯的控制系统。

随着机器人技术的发展，移动机器人控制技术大量应用于爬楼梯轮椅的控制系统中，使得爬楼梯轮椅具有更好的交互性，适应性和自主性。采用嵌入式控制系统可有效解决信息集中处理使得上位机信心处理量大，负担重，实时性差无法满足实际使用的缺点［12］，为爬楼梯轮椅控制系统的研究提供了新的方向。中科院自动化所研制的嵌入式多功能轮椅系统在该方面进行了尝试，采用ARM+DSP+FPGA的方式来构建多功能轮椅的中央控制系统、传感器系统、视觉系统和运动控制系统，整个控制系统系统运行稳定，具有实时性高、功耗低，续航时间长的特点，为爬楼梯轮椅向产业化方向发展迈进了一大步［13］。

3.2.2 控制系统算法

在未知和不确定的环境下，爬楼梯轮椅需要通过多种传感器收集数据，用以界定周围环境及自身状态信息，需要用一定算法对数据进行分析、融合，比较完整地反映环境特征和自身状态，为系统运动控制提供精确的数据信息。爬楼梯轮椅在行驶时必须不断地感知周围环境及自身状态信息［14］，所以要求控制系统算法能够对实时提供的各种信息进行快速有效处理，并能保证信息的完整性。

常规的PID控制虽然具有算法简单、精度高、可靠性强的优点，但是仅对于可建立精确数学模型的控制系统具有很好的控制作用。对于爬楼梯轮椅电机调速系统而言，被控对象复杂，具有非线性、强耦合以及时变性的特点，很难达到控制系统的精确鲁棒性和抗干扰性能［12］。模糊控制具有鲁棒性强的优点，能较好的适应轮椅运行过程中路况突变等干扰条件，但单纯的模糊控制不能很好的消除系统的稳态误差［15］。使用复合算法可以使控制器有较强的鲁棒性和较小的静态误差，但复杂的算法本身就是控制器实现的障碍。模糊PID控制器结合了模糊控制和PID控制器两者的优点，可根据不同的偏差和偏差变化率选择不同的比例、微分、积分参数，从而即具有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有PID控制器精度高的特点，对爬楼梯轮椅运动控制系统具有良好的控制效果。模糊控制系统的工作原理如图1所示。

图1 模糊控制系统工作原理

4 发展趋势与展望

综上所述，针对电动爬楼梯轮椅的研究已经取得了一定的成效，但也要看到目前阶段主要还停留在实验室或是少数定做，并没有真正产业化，在研究上仍有很多空间［11］。未来的研究将向以下几个方面发展。

(1)质量轻爬楼梯轮椅要走向实际应用，必须考虑其应用的情况。作为代步工具，爬楼梯轮椅车的能源系统一般采用的是机载电源，所以要求系统整体重量轻，以延长续航时间。同时，减轻重量也可相应提高上下楼梯时的灵活性，降低控制的难度。

(2)可靠性高爬楼梯轮椅面向的对象是老年人以及肢体残疾人士，爬楼梯轮椅的设计应从细微处出发，设计安全、舒适、性能稳定的产品，爬楼梯过程中应保证重心波动小，安全保证措施响应及时。

(3)功能齐全爬楼梯轮椅作为使用者生活中重要的部分，在功能设计上应最大程度的满足人性化要求，构建良好的人机交互界面，使产品真正意义上融入到使用者生活的各个方面。

(4)价格低爬楼梯轮椅投入市场被用户接受的一个重要因素是价格因素，爬楼梯轮椅要实现批量生产，必须采用模块化的设计思想，这样用户不仅可以自主选择配置合适的轮椅，同时，也可降低生产成本，缩短研发周期，提高性价比。

随着人工智能技术、计算机技术、多传感器信息融合技术等技术的不断发展，爬楼梯轮椅的研究也呈现出全新的局面，朝着人机一体化的方向不断发展。相信在不久的将来，电动爬楼梯轮椅将真正融入到老年人和残障人士的生活中，大大改善他们的生活质量，使他们的出行更为方便，楼梯和路障将不再是他们出行的障碍，帮助他们重新融入到社会中去。

［1］郑晓瑛.中国残疾人口现状与未来发展趋势［J］.北京大学校报，2008.

［2］刘静.自动爬楼梯轮椅的虚拟设计与运动仿真［J］.机械研究与应用，2012(6):133.

［3］马永为，赵臣.基于行星轮系的爬楼梯轮椅研究［D］.天津:天津大学，2008.

［4］隋春平，吴镇伟.一种基于差动机构的履腿复合式移动机器人:CN，201010563622.7［P］.2010.11.29.

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