新型爬楼轮椅的设计与运动稳定性分析

（鄂尔多斯应用技术学院 机械与交通工程系，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

随着人们寿命的普遍增长，人口老龄化进程逐渐加大。截止2017 年底，全国65 岁以上人口占人口总数的比例达到11.4%[1]。预计到2050 年前后，中国65 岁及以上老年人口比例将达到22.8%[2]；同时，我国现有残疾人已达8 500 万人，而肢体残疾人数约占29.5%。轮椅成为这些年老体弱者和下肢伤残者必不可少的代步工具[3]。

如今多层建筑已经成为城市生活不可缺少的一部分。楼梯在发挥优势的同时给老年人及肢体残障人士的出行带来了诸多不便，对他们的行动造成了阻碍，影响了他们与外界的沟通和交流，缺少户外活动对残疾人和老年人的生理与心理都会产生较大的不利影响，导致一些疾病的发生[4]。普通轮椅没有越障功能，只适用于平坦的路况环境，面对楼梯、台阶等障碍物时只能望而却步，只能通过人力辅助，但这样的辅助即费力又困难。鉴于这些问题的存在，国内外研究人员对爬楼轮椅进行了研究，如图1 所示。美国Dean Kamen[5]发明了一种能自动调节重心的两轮组式轮椅—IBOT，可在沙滩、斜坡和崎岖的路面上行走；日本科学家[6]发明的“Freedom”利用差动离合原理实现地面行走和攀爬状态的切换；内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平和王人成[7]借鉴IBOT300 的爬楼方式，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅；金运世纪爬楼轮椅[8]采用的是五星轮组作为爬楼系统，该轮椅较为轻便，同时尺寸上适用于我国住宅环境的楼梯尺寸，但该轮椅只能作为辅助型爬楼装置，较为简单的设计使得该设备无法脱离他人帮助独立实现上下楼过程。

本文基于以上研究设计了一款新型爬楼轮椅，以解决现有爬楼轮椅造价高，轮椅使用者在离开护理人员的情况下无法独自上下楼以及跨越常见障碍物，爬楼时因楼梯台阶尺寸不同而存在安全隐患，在凹凸不平路面行驶舒适度不高等难题，从而提高轮椅使用者的生活质量，增加他们的活动范围。

1 机械系统设计原则

本装置首先应该具有普通轮椅所具有的功能，其次机械结构要稳定简单，爬楼时要平稳，同时根据电动轮椅车的国家标准（GB/T 12996—2012）、住宅建筑标准（GB/T 50386—2005）以及人体工程学理论对轮椅机械系统进行设计。

2 系统机构及功能

本装置机械系统由普通行走机构、独立减震机构、上楼座椅调平机构、下楼调平机构、起落架调距机构和起落架与万向轮联动起落机构这6 大机构组成，可实现普通行走、独立减震、座椅调平、座椅升降、起落架调距、起落架与万向轮状态转换和爬楼这7 大功能，这7 大功能大大提高了爬楼轮椅的适用范围和舒适度，其总体效果如图2 所示。

2.1 普通行走功能

普通行走功能是轮椅的基本功能，本设计的普通行走功能是通过行星轮组、花鼓离合器、万向轮和断电自刹车减速电机这5 部分实现，如图3 所示。

通过电机驱动行星轮组的小轮自转完成轮椅的行走运动，通过控制左右两电机的转速以及正反转来调节轮椅的转向和原地转弯；在行星轮组的中央安装有花鼓离合器，通过花鼓离合器的开合切换人力推动和电力驱动这两种模式，当花鼓离合器上下两部分分离时电机主驱动轴与行星轮组齿轮箱内部的中心齿轮分离，电机带动花芯空转，此时轮椅的运动需要外力推动，当花鼓离合器上下两部分合在一起时，电机主驱动轴与行星轮组齿轮箱内部的中心齿轮结合在一起（图4），驱动轮椅运动；轮椅的驱动电机是断电自刹车电机，可提高使用者的安全性。

2.2 独立减震功能

当轮椅行走在凹凸不平的路面上时，行星轮组所受冲击力通过连接杆和摇臂传给减震器进行缓冲，万向轮所受冲击力直接由万向轮弹簧缓冲（图3）。由于左右两边的行星轮组和万向轮相互独立，在减震过程中互不干扰，类似于汽车的独立悬架结构，因此减震效果更好，使用者会更加舒适。

2.3 座椅调平功能

座椅升降机构原理图如图5 所示。

由于楼梯有坡度，使用者乘坐轮椅在上下楼的过程中，整体重心会向下偏移，可能导致轮椅发生倾覆。为了避免这一现象的发生，减轻使用者的心理负担，轮椅通过设置的座椅调平机构来调整整体重心。上楼时通过电推杆一的伸缩来控制剪刀叉机构的升降调整座椅的位置和重心，三角支撑架对导轨起支撑作用，如图6 所示。

下楼时通过电推杆二的伸缩及导轨滑块机构可调整座椅的位置和重心位置，如图7 所示。

2.4 起落架调距功能

虽然楼梯尺寸有建筑标准范围，但是不同的楼梯台阶尺寸还是会在这个范围内变动。起落架上设置调距机构，面对不同尺寸的台阶可以通过调节电推杆三的伸缩程度进行调整三角轮与台阶的相对位置，使其由不稳定状态调整到稳定状态，三角轮平稳的放在台阶上，从而提高了爬楼轮椅的安全性和适用范围。同时，减震器可在轮椅上下楼时降低轮椅颠簸幅度，提高乘坐舒适性，可调距起落架机构示意图，如图8 所示。

2.5 起落架与万向轮状态转换功能

（1）万向轮的锁紧。当在平地行驶时，电推杆四收缩到极限位置或者某一位置时，连接销轴到达滑槽的下极限端，并与其完全接触，两连架杆恰好平行，达到死点位置，机构被锁紧。如图9（a）所示。

（2）起落架的锁紧。当要上下楼或越障时，电推杆四伸长到极限位置或者某一位置时，连接销轴到达滑槽的上极限端，并与其完全接触，而连架杆和减震器恰好平行，达到死点位置，机构被锁紧。如图9（b）所示。

2.6 座椅升降功能

轮椅使用者多为行动不便者，对于放在高处的物体只能望而却步，本装置设有座椅升降功能，该功能是由上下楼调平机构以及起落架与万向轮联动起落机构相互配合实现的。当电推杆一伸长，电推杆二收缩时可将椅座调高，使坐在上面的人升高，可以取放位于高处的物体，电推杆四伸长，将起落架放下，增加了轮椅在椅座调高过程中和使用者取放东西时大幅度动作所引起的波动的稳定性，搭配轮椅所配有的安全带，可进一步提高其安全性。

2.7 爬楼功能

爬楼功能的实现是由所有机构相互配合完成的。准备上下楼时，电磁离合器启动，行星轮组齿轮箱与主轴结合在一起（图3），驱动电推杆四伸长，将起落架放下万向轮升起，开启爬楼座椅自动调平系统，电机驱动行星轮组翻转，电子陀螺仪对座椅平衡信息的釆集处理来控制电推杆一或二的伸缩长度（上楼时只有电推杆一起作用，电推杆二无动作，下楼时则相反）。

3 运动稳定性分析

轮椅在爬楼和下楼过程的运动可靠性和安全性是需要重点考虑的性能。本文通过SolidWorks 中的Motion 模块进行了机构的运动仿真分析。先在SolidWork 的装配体模块完成零部件装配，按照运动学原理约束自由度，然后进入Motion 模块，通过添加驱动、重力、接触等操作实现轮椅攀爬仿真，具体分析了由于乘坐者乘坐位置、乘坐姿态等变化引起的整体重心变化对轮椅运动稳定性的影响。

仿真中乘坐者自身体重设定为60 kg，通过调整乘坐者重心在模型中竖直和水平方向的位置，以达到使乘坐者和轮椅整体重心变化的效果。

在仿真环境中轮椅重心坐标值为（0,714.9），相对于轮椅重心，人体重心仅在竖直方向变化时整体重心位置在竖直方向坐标初始值分别为714.9（不坐人时）、764.9、839.1、913.3、987.5，对以上5组模型在攀爬方式下进行仿真，每种状态下整体重心运动的竖直位移分量和合位移随时间的变化曲线如图10、图11 所示。

由图10 可以看出，由于人体乘坐位置及姿态的变化引起整体重心在垂直方向变化时，整体重心运动的竖直位移呈周期性波形上升，每个周期的最后虽有小幅度回落，但属于正常现象，而且因其攀爬速度较小（3 r/min），所以在攀爬过程中乘坐者的颠簸感会非常小，并不影响其舒适度。由图11可以看出，整体重心运动的合位移曲线比较平滑，随着时间的增加不断上升，中途也并未出现错位打滑现象。由图10 和图11 可以看出，整体重心位置在竖直方向的变化并不会影响轮椅在攀爬楼梯时运动平稳性。

考虑人体重心在水平方向偏移造成整体重心变化时，3 组仿真模型的整体质心位置坐标初始值分别为（0,764.9），（133.6,764.9），（-133.6,764.9），对以上3 组模型在攀爬方式下进行仿真，每种状态下整体重心运动的竖直位移分量和合位移随时间的变化曲线如图12、图13 所示。

图11 可以看出，重心在水平方向的变化对重心运动的竖直位移分量没有影响，位移周期性上升，没有滑落现象。由图12 可以看出，其整体重心运动的合位移曲线平滑，连续平稳上升，表明轮椅一直处于正常攀爬状态。

综合图10～图13 可以看出，轮椅的攀爬状态对乘坐者的乘坐位置以及乘坐姿态等方面的变化拥有良好的适应性，轮椅在攀爬楼梯的过程中具有较好的安全稳定性。

4 结论

通过对现有爬楼轮椅的调研分析，设计了一款新型爬楼轮椅，与市场已有产品相比本装置功能多样，具有普通行走功能、爬楼功能、独立减震功能、座椅调平功能、起落架调距功能、起落架与万向轮状态转换功能和座椅升降功能，适用于多种尺寸的楼梯和不同的路况。重点分析了轮椅在爬楼过程中的稳定性，仿真结果表明该轮椅可以安全平稳完成爬楼。本装置不仅利用了行星轮机构结构紧凑、运动灵活、操作方便等特点，而且还有效解决了行星轮组在攀爬楼梯过程中易出现错位打滑的安全隐患问题。