王占禮， 趙德超， 陳延偉， 孟祥雨

（長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

根據(jù)2008年開展的第二次殘疾人抽樣推算，我國各類殘疾人口總數(shù)為8 296萬人，殘疾人占全國總?cè)丝诘?.34%。其中，60歲及以上的老年殘疾人口為4 416萬，占?xì)埣部側(cè)丝诘?3.2%，與1987年相比，60歲及以上的殘疾老年人增加了2 365萬，占到總增加人數(shù)的75.5%。隨著年齡的增長，殘疾人口的比例在不斷上升，尤其進(jìn)入老年后，上升非常迅速[1]。不斷增加的殘疾人口對(duì)醫(yī)療和保健有著巨大的需求，成為我國面對(duì)的重大社會(huì)服務(wù)問題。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)可以有效地緩解醫(yī)務(wù)人員不足的現(xiàn)狀，提高殘疾人的生活質(zhì)量，為我國社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展起到積極作用。

近年來，國內(nèi)外許多公司、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)攀爬樓梯的助行系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，也提出了各自的產(chǎn)品或解決方案。美國著名發(fā)明家迪恩卡門發(fā)明的“獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)”（iBOT）是目前星型輪機(jī)構(gòu)助行系統(tǒng)中較獨(dú)特、性能指標(biāo)最高的產(chǎn)品。

日本的“Freedom”輪椅很好地解決了上、下樓梯時(shí)的姿態(tài)平衡問題[2]。英國的BARONMEAD輪椅車可在平地自由運(yùn)行，還可拆卸為兩部分，便于裝運(yùn)[3]。

目前，爬樓梯輪椅操作復(fù)雜、體積和重量大、價(jià)格昂貴，所以在現(xiàn)實(shí)生活中沒有得到廣泛應(yīng)用，例如，iBOT成本較高，售價(jià)昂貴（近 29 000美元），對(duì)于普通的殘疾人家庭來說只能望而卻步[4];Jianjun Yuan和Shigeo Hirose設(shè)計(jì)的Zero Carrier I型輪椅對(duì)傳統(tǒng)的腿足式進(jìn)行改進(jìn)，但由于腳輪尺寸太小，并不適于作為普通輪椅使用，而且因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前仍處于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)狀態(tài)[5]。曲柄星輪式爬升機(jī)構(gòu)突破了傳統(tǒng)的爬樓梯全自動(dòng)的概念，采取他人輔助上樓方式，在很大程度上降低了爬樓梯輪椅的成本和難度[6]。

1 爬升機(jī)構(gòu)工作原理

曲柄星輪爬樓梯輪椅的爬升機(jī)構(gòu)由兩套曲柄星輪及鏈傳動(dòng)構(gòu)成，其工作原理如圖1所示。

圖1 爬升機(jī)構(gòu)工作原理圖

兩套曲柄星輪通過鏈條進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，通過曲柄星輪的交替運(yùn)動(dòng)來完成爬升動(dòng)作。以上工作原理的具體實(shí)施方式如圖2所示。

圖2 爬樓梯過程圖

在（a）狀態(tài)時(shí)，星輪1在下，星輪2在上，處在準(zhǔn)備爬升狀態(tài)，此時(shí)曲柄2與星輪2繞曲柄軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，由于鏈傳動(dòng)作用，曲柄1與星輪1繞曲柄軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)直到（b）狀態(tài)。在（b）狀態(tài)下繼續(xù)以上運(yùn)動(dòng)即可達(dá)到（c）狀態(tài)，在（c）狀態(tài)下星輪1與星輪2重合，此時(shí)已完成一次爬升運(yùn)動(dòng)。在（c）狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至（d）狀態(tài)，為下一次爬升運(yùn)動(dòng)做準(zhǔn)備。至此，一次爬升循環(huán)結(jié)束。下樓運(yùn)動(dòng)與爬升運(yùn)動(dòng)相反即可實(shí)現(xiàn)。

2 爬升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

位于輪椅后側(cè)的4個(gè)輪子是爬升裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，爬升機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 爬升機(jī)結(jié)構(gòu)

在輪椅的內(nèi)、外兩側(cè)框架上分別裝有一對(duì)車輪，每對(duì)車輪均由內(nèi)、外輪構(gòu)成。在下文中以位于左邊的爬樓梯輪子說明詳細(xì)的機(jī)構(gòu)組成。爬樓梯的輪子在平地行走時(shí)是收起的，平地行走由前面的輪轂電機(jī)輪驅(qū)動(dòng)。左側(cè)爬樓梯輪子由內(nèi)外兩個(gè)輪子及兩個(gè)傳動(dòng)軸組成。在此爬升裝置中裝有一個(gè)輪組，輪組中的兩個(gè)輪子相對(duì)偏心軸都是可旋轉(zhuǎn)的，并且兩個(gè)輪軸有一定相對(duì)距離且聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸和輪子心軸相連接，其目的是使輪子心軸上安裝一個(gè)曲臂圓盤（其中曲臂圓盤成為輪緣），可以繞心軸同心旋轉(zhuǎn)。其中輪組中兩個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)軸之間的距離是輪子半徑的2倍，至少應(yīng)保證約為2倍關(guān)系。當(dāng)此裝置在臺(tái)階上運(yùn)行時(shí)，由于輪組中輪子的偏心旋轉(zhuǎn)，其中一個(gè)輪子向上翻轉(zhuǎn)落在臺(tái)階上，隨之第二個(gè)輪子也向上翻轉(zhuǎn)落在同一臺(tái)階上。此時(shí)該裝置已經(jīng)完成一次爬升，接下來第一個(gè)輪子繼續(xù)向下一臺(tái)階翻轉(zhuǎn)，由于第一個(gè)輪子在向上翻轉(zhuǎn)時(shí)第二個(gè)輪子作為支撐輪，所以該裝置不用再加額外支撐。

由一個(gè)可逆電機(jī)輸入動(dòng)力，有鏈傳動(dòng)同時(shí)串聯(lián)地傳遞給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸即可，其中把兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的目的是，當(dāng)兩個(gè)輪子都相對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)180°的時(shí)候，輪組中的兩個(gè)偏心輪將同心。在這個(gè)爬升裝置中，其輪組中的每個(gè)輪緣在心軸部分軸向通過軸承擋圈定位，并安裝軸承定向鎖，因而輪緣可固定方向運(yùn)動(dòng)，即在爬樓梯時(shí)反向旋轉(zhuǎn)。因而即使在爬升時(shí)有輪緣剎車，爬升裝置相對(duì)樓梯的方向運(yùn)動(dòng)也是有可能的，因此可以加一個(gè)剎車裝置解決，例如自動(dòng)控制電磁剎車裝置。它可以阻止輪子繼續(xù)移動(dòng)而不用打斷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或行程運(yùn)動(dòng)。在爬升過程中，一個(gè)輪對(duì)可通過這個(gè)剎車裝置固定在樓梯邊緣，另一組偏心輪對(duì)通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)著陸在另一臺(tái)階上。這個(gè)輪緣可通過軸承套安裝在輪心軸上，在心軸上安裝鏈輪，同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)軸上安裝一個(gè)相同的鏈輪，兩個(gè)鏈輪通過鏈傳動(dòng)，傳動(dòng)比為1∶1。這個(gè)電磁剎車裝置可安裝在心軸上或者輪緣上。

在沒有剎車動(dòng)作時(shí)，剎車裝置中的剎車盤和輪子以相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)。在剎車位置，通過剎車盤輪緣鎖死，爬升輪的行程運(yùn)動(dòng)由于偏心安裝而不受影響。由于鏈傳動(dòng)輪緣處于鎖死狀態(tài)，所以剎車裝置軸承定向鎖的運(yùn)動(dòng)方向是可以被限制的。

3 爬升機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性分析

至今，iBOT仍是世界上較為先進(jìn)的爬樓梯輪椅，它的工作原理源于基本的行星輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[7]，車輪能夠圍繞各自軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，也能夠隨著系桿作繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。iBOT輪椅驅(qū)動(dòng)輪的直徑為305 cm，運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑與車輪的半徑是相等的，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

圖4 iBOT的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

文中爬升裝置輪子半徑為105 cm，其軌跡如圖5所示。

圖5 曲柄星輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

運(yùn)動(dòng)軌跡半徑為中心至驅(qū)動(dòng)軸的距離。二者對(duì)比，iBOT的運(yùn)動(dòng)速度很快，但是它的起伏很大，文中所設(shè)計(jì)的雖然速度相對(duì)較慢，但是運(yùn)動(dòng)的軌跡很平滑，使用時(shí)減少顛簸，提高了舒適度。

4 結(jié) 語

文中主要完成爬樓梯輪椅的爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，為今后進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)奠定一定基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于爬升動(dòng)作簡單，控制容易;結(jié)構(gòu)小巧，制造成本較低;爬升效率較高;對(duì)于各種尺寸的樓梯有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)任意尺寸的樓梯;爬升過程中重心變化小，運(yùn)行平穩(wěn)。

[1] 丁志宏.我國殘疾老年人口:現(xiàn)狀與特征[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] 蘇和平，王人成.爬樓梯輪椅的研究進(jìn)展[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2005，20（5）:366-367.

[7] 項(xiàng)?；I，烏蘭木其，張濟(jì)川.手動(dòng)爬樓梯輪椅[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，1994，9（21）:62-66.