袁融， 傅曉錦， 王康， 鄭慶元， 吳昊

（上海電機學(xué)院機械學(xué)院，上海200245）

1 引言

輪椅對于年老體弱者而言是必不可少的代步工具。但是，傳統(tǒng)的輪椅遇到坎時就無法跨越，而上、下樓梯更是這些行動不便人群的最大障礙。傳統(tǒng)的爬樓輪椅對樓梯的適應(yīng)性較差，不能滿足使用者對舒適性和可靠性的需求，不能實現(xiàn)高精度的運行輸出或完成更復(fù)雜的運動規(guī)律。本課題正是基于這樣的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種集上下樓梯、輔助站立、越障等功能于一體的多功能水平載人椅。

2 國內(nèi)外智能爬樓輪椅的現(xiàn)狀

在國內(nèi)外，為方便輪椅使用者，通常運用行星輪機構(gòu)或者四桿機構(gòu)來實現(xiàn)上下樓梯，具體來講，可以分為行星輪型、外加履帶型、履帶輪和輪子組合型等三類輪椅，但這些輪椅，或是結(jié)構(gòu)簡單可靠性低，或是攜帶不便，不能滿足現(xiàn)代人對爬樓輪椅的需求。

3 多功能水平載人椅的功能、工作原理及其結(jié)構(gòu)

筆者立足于社會需要，設(shè)計了一種集上下樓梯、輔助站立、越障等功能于一體的多功能水平載人椅。

3.1 輔助站立

一些腿腳不靈活的使用者，從坐立到站立的轉(zhuǎn)化，是個很煎熬的過程；與此同時，長時間坐立，勢必會造成站立功能的退化。基于此，我們在水平載人椅上，增加了輔助站立功能，幫助使用者平穩(wěn)地站立。

圖1 站立狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1，由直線電機①（在實物中此電機為一對）驅(qū)動，電機伸長，則E點的軌跡是以C點為圓心，CE的長度為半徑的圓弧，即桿2繞C點逆時針轉(zhuǎn)動。由于BCEF是平行四邊形，因而桿4與桿2有相同的運動規(guī)律，而桿1則繞F點轉(zhuǎn)動，但始終與BC平行（使椅背始終支撐人的后背）。

3.2 越障

在使用輪椅的過程中，難免會遇到無法繞行的障礙物，這就要求輪椅必須具備平穩(wěn)越障的功能。

在越障的過程中，履帶的后沿首先慢慢越上障礙物的外角，隨著水平載人椅越上障礙物，其底盤的仰角逐漸增大，載人椅的質(zhì)心也會逐漸上升，隨著載人椅越上過程的進行，小車的質(zhì)心逐漸上升，當(dāng)載人椅將繼續(xù)爬上臺階，重心超過支點，載人椅作平面運動，一面繞支點轉(zhuǎn)動，一面向前移動。當(dāng)小車繼續(xù)向前運動時，這時載人椅的前端首先著地，從而完成跨越階段。

3.3 上下樓梯

3.3.1 輪子與履帶輪的切換

多功能水平載人椅的切換機構(gòu)運用五桿機構(gòu)補償四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)誤差，實現(xiàn)高精度的運動輸出或完成更復(fù)雜的運動規(guī)律，并以此實現(xiàn)滾輪傳輸與履帶輪傳輸?shù)那袚Q。

圖2 五桿機構(gòu)初始狀態(tài)的示意圖

如圖2，機構(gòu)有兩個直線電機控制，由8個活動構(gòu)件和11個低副構(gòu)成，自由度F=3×8-2×11=2。機構(gòu)中，A、L為輪椅底架上的固定點，機構(gòu)的工作原理如下：兩直線電機驅(qū)動，電機伸長，則B點的軌跡是以A點為圓心，AB的長為半徑的圓弧，即桿1繞A點順時針轉(zhuǎn)動。桿2在直線電機的推動下，隨桿1轉(zhuǎn)動。桿8在直線電機2的推動下，繞K點轉(zhuǎn)動。在桿2和桿8的轉(zhuǎn)動下，CJ上下移動，從而實現(xiàn)了升降的功能。

3.3.2 自動維持座椅水平

圖3 在上下樓梯及越障時座椅狀態(tài)的機構(gòu)示意圖

在上下樓梯和越障的過程中，如果座椅的角度不能自動調(diào)節(jié)，并保持水平，就會造成使用者的傾倒，留下很大的安全隱患。

多功能水平載人椅的自動維持座椅水平的機械結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3。由直線電機②驅(qū)動（直線電機①無伸長運動），電機伸長，L型桿 3則繞著B點順時針轉(zhuǎn)動一定的角度，角度的大小由樓梯及障礙物的角度來決定（由測量儀來測得）。從而實現(xiàn)爬樓及越障時座椅能保持水平狀態(tài)以及調(diào)節(jié)座椅重心的功能。

3.3.3 上下樓梯過程說明

多功能水平載人椅上下樓梯的機理與越障類似，這里以上樓梯的過程中履帶輪的動作為例介紹其運動過程。

當(dāng)遇到樓梯時，通過五桿機構(gòu)調(diào)整后方（水平載人椅上下樓梯時，均采用面向下方的方式，即上樓梯時，是倒著上去）的履帶輪傾斜（圖4），并逐漸調(diào)整，直至履帶輪與樓梯面完全貼合，隨后，兩個履帶輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

隨后，前面的履帶輪也由五桿機構(gòu)平穩(wěn)調(diào)整至與樓梯面貼合（圖 5），這時兩個履帶輪同時上樓梯。

當(dāng)多功能水平載人椅通過傳感器檢測到上樓梯過程結(jié)束的時候，后面的履帶輪又通過五桿機構(gòu)平穩(wěn)調(diào)整至水平（圖6），最后，前面的履帶輪也調(diào)整至水平（恢復(fù)在平地時的狀態(tài)），上樓梯過程也隨之結(jié)束。

圖4 履帶輪準(zhǔn)備上樓梯時的狀態(tài)

圖5 履帶輪在上下樓梯時的狀態(tài)

4 安全性與可靠性

4.1 自動維持輪椅座椅的水平

克服了座椅與輪椅固定不動的特點。在上下樓梯時，通過直線推桿自動調(diào)節(jié)座椅的傾斜度，使其保持水平，增加了使用者的安全性和舒適性。

圖6 履帶輪后輪完成上下樓梯時的狀態(tài)

4.2 上下樓梯均采用“面向樓下”的方式

為了降低爬樓梯過程中輪椅的重心高度，增加穩(wěn)定性和安全性，無論上樓梯或下樓梯，均采用“面向樓下”的方式，即上樓梯時采用后退方式。

4.3 運用蝸輪蝸桿機構(gòu)實現(xiàn)自鎖功能

在電機與履帶輪之間，采用蝸輪蝸桿減速器，以保證在上下樓梯中對履帶輪的自鎖，使其不至于沿樓梯面下滑。

4.4 增設(shè)安全帶與反光鏡

在多功能水平載人椅座椅上，增設(shè)了安全帶，有利于提高上下樓梯時的安全性。如果沒有安全帶，樓梯的傾斜角度過大時，可能會使人從座椅上滑落，造成不安全的因素。

與此同時，由于在上樓梯的時候，使用者處于背向樓梯的方式（即倒退著前進的方式），使用者很難觀察到載人椅后方的情況，經(jīng)常轉(zhuǎn)頭向后看，不但會給使用者操作輪椅帶來不便，也會使人頸部酸痛，特增設(shè)了反光鏡，可幫助使用者了解并判斷樓梯后方情況。

4.5 簡化輪椅結(jié)構(gòu)，控制輪椅的體積和重量

摒棄繁瑣復(fù)雜的機構(gòu)，盡可能使用簡單、可靠的機構(gòu)，在保證安全性、舒適性的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)盡可能簡單。

5 結(jié)語

多功能水平載人椅采用輪子加履帶的組合形式（在平地行走使用輪子，上下樓梯時使用履帶），實現(xiàn)了可地面行走、上下樓梯、輔助站立以及越障功能，并且在行駛過程中座椅始終維持水平，保證了使用時的安全性，設(shè)計可靠。

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