（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與交通工程系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著人們壽命的普遍增長(zhǎng)，人口老齡化進(jìn)程逐漸加大。截止2017 年底，全國(guó)65 歲以上人口占人口總數(shù)的比例達(dá)到11.4%[1]。預(yù)計(jì)到2050 年前后，中國(guó)65 歲及以上老年人口比例將達(dá)到22.8%[2]；同時(shí)，我國(guó)現(xiàn)有殘疾人已達(dá)8 500 萬人，而肢體殘疾人數(shù)約占29.5%。輪椅成為這些年老體弱者和下肢傷殘者必不可少的代步工具[3]。

如今多層建筑已經(jīng)成為城市生活不可缺少的一部分。樓梯在發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的同時(shí)給老年人及肢體殘障人士的出行帶來了諸多不便，對(duì)他們的行動(dòng)造成了阻礙，影響了他們與外界的溝通和交流，缺少戶外活動(dòng)對(duì)殘疾人和老年人的生理與心理都會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響，導(dǎo)致一些疾病的發(fā)生[4]。普通輪椅沒有越障功能，只適用于平坦的路況環(huán)境，面對(duì)樓梯、臺(tái)階等障礙物時(shí)只能望而卻步，只能通過人力輔助，但這樣的輔助即費(fèi)力又困難。鑒于這些問題的存在，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)爬樓輪椅進(jìn)行了研究，如圖1 所示。美國(guó)Dean Kamen[5]發(fā)明了一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅—IBOT，可在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上行走；日本科學(xué)家[6]發(fā)明的“Freedom”利用差動(dòng)離合原理實(shí)現(xiàn)地面行走和攀爬狀態(tài)的切換；內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平和王人成[7]借鑒IBOT300 的爬樓方式，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅；金運(yùn)世紀(jì)爬樓輪椅[8]采用的是五星輪組作為爬樓系統(tǒng)，該輪椅較為輕便，同時(shí)尺寸上適用于我國(guó)住宅環(huán)境的樓梯尺寸，但該輪椅只能作為輔助型爬樓裝置，較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)使得該設(shè)備無法脫離他人幫助獨(dú)立實(shí)現(xiàn)上下樓過程。

本文基于以上研究設(shè)計(jì)了一款新型爬樓輪椅，以解決現(xiàn)有爬樓輪椅造價(jià)高，輪椅使用者在離開護(hù)理人員的情況下無法獨(dú)自上下樓以及跨越常見障礙物，爬樓時(shí)因樓梯臺(tái)階尺寸不同而存在安全隱患，在凹凸不平路面行駛舒適度不高等難題，從而提高輪椅使用者的生活質(zhì)量，增加他們的活動(dòng)范圍。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

本裝置首先應(yīng)該具有普通輪椅所具有的功能，其次機(jī)械結(jié)構(gòu)要穩(wěn)定簡(jiǎn)單，爬樓時(shí)要平穩(wěn)，同時(shí)根據(jù)電動(dòng)輪椅車的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 12996—2012）、住宅建筑標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50386—2005）以及人體工程學(xué)理論對(duì)輪椅機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)及功能

本裝置機(jī)械系統(tǒng)由普通行走機(jī)構(gòu)、獨(dú)立減震機(jī)構(gòu)、上樓座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)、下樓調(diào)平機(jī)構(gòu)、起落架調(diào)距機(jī)構(gòu)和起落架與萬向輪聯(lián)動(dòng)起落機(jī)構(gòu)這6 大機(jī)構(gòu)組成，可實(shí)現(xiàn)普通行走、獨(dú)立減震、座椅調(diào)平、座椅升降、起落架調(diào)距、起落架與萬向輪狀態(tài)轉(zhuǎn)換和爬樓這7 大功能，這7 大功能大大提高了爬樓輪椅的適用范圍和舒適度，其總體效果如圖2 所示。

2.1 普通行走功能

普通行走功能是輪椅的基本功能，本設(shè)計(jì)的普通行走功能是通過行星輪組、花鼓離合器、萬向輪和斷電自剎車減速電機(jī)這5 部分實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示。

通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星輪組的小輪自轉(zhuǎn)完成輪椅的行走運(yùn)動(dòng)，通過控制左右兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)輪椅的轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)彎；在行星輪組的中央安裝有花鼓離合器，通過花鼓離合器的開合切換人力推動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)這兩種模式，當(dāng)花鼓離合器上下兩部分分離時(shí)電機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸與行星輪組齒輪箱內(nèi)部的中心齒輪分離，電機(jī)帶動(dòng)花芯空轉(zhuǎn)，此時(shí)輪椅的運(yùn)動(dòng)需要外力推動(dòng)，當(dāng)花鼓離合器上下兩部分合在一起時(shí)，電機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸與行星輪組齒輪箱內(nèi)部的中心齒輪結(jié)合在一起（圖4），驅(qū)動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)；輪椅的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是斷電自剎車電機(jī)，可提高使用者的安全性。

2.2 獨(dú)立減震功能

當(dāng)輪椅行走在凹凸不平的路面上時(shí)，行星輪組所受沖擊力通過連接桿和搖臂傳給減震器進(jìn)行緩沖，萬向輪所受沖擊力直接由萬向輪彈簧緩沖（圖3）。由于左右兩邊的行星輪組和萬向輪相互獨(dú)立，在減震過程中互不干擾，類似于汽車的獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，因此減震效果更好，使用者會(huì)更加舒適。

2.3 座椅調(diào)平功能

座椅升降機(jī)構(gòu)原理圖如圖5 所示。

由于樓梯有坡度，使用者乘坐輪椅在上下樓的過程中，整體重心會(huì)向下偏移，可能導(dǎo)致輪椅發(fā)生傾覆。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，減輕使用者的心理負(fù)擔(dān)，輪椅通過設(shè)置的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)來調(diào)整整體重心。上樓時(shí)通過電推桿一的伸縮來控制剪刀叉機(jī)構(gòu)的升降調(diào)整座椅的位置和重心，三角支撐架對(duì)導(dǎo)軌起支撐作用，如圖6 所示。

下樓時(shí)通過電推桿二的伸縮及導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)可調(diào)整座椅的位置和重心位置，如圖7 所示。

2.4 起落架調(diào)距功能

雖然樓梯尺寸有建筑標(biāo)準(zhǔn)范圍，但是不同的樓梯臺(tái)階尺寸還是會(huì)在這個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)。起落架上設(shè)置調(diào)距機(jī)構(gòu)，面對(duì)不同尺寸的臺(tái)階可以通過調(diào)節(jié)電推桿三的伸縮程度進(jìn)行調(diào)整三角輪與臺(tái)階的相對(duì)位置，使其由不穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，三角輪平穩(wěn)的放在臺(tái)階上，從而提高了爬樓輪椅的安全性和適用范圍。同時(shí)，減震器可在輪椅上下樓時(shí)降低輪椅顛簸幅度，提高乘坐舒適性，可調(diào)距起落架機(jī)構(gòu)示意圖，如圖8 所示。

2.5 起落架與萬向輪狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能

（1）萬向輪的鎖緊。當(dāng)在平地行駛時(shí)，電推桿四收縮到極限位置或者某一位置時(shí)，連接銷軸到達(dá)滑槽的下極限端，并與其完全接觸，兩連架桿恰好平行，達(dá)到死點(diǎn)位置，機(jī)構(gòu)被鎖緊。如圖9（a）所示。

（2）起落架的鎖緊。當(dāng)要上下樓或越障時(shí)，電推桿四伸長(zhǎng)到極限位置或者某一位置時(shí)，連接銷軸到達(dá)滑槽的上極限端，并與其完全接觸，而連架桿和減震器恰好平行，達(dá)到死點(diǎn)位置，機(jī)構(gòu)被鎖緊。如圖9（b）所示。

2.6 座椅升降功能

輪椅使用者多為行動(dòng)不便者，對(duì)于放在高處的物體只能望而卻步，本裝置設(shè)有座椅升降功能，該功能是由上下樓調(diào)平機(jī)構(gòu)以及起落架與萬向輪聯(lián)動(dòng)起落機(jī)構(gòu)相互配合實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電推桿一伸長(zhǎng)，電推桿二收縮時(shí)可將椅座調(diào)高，使坐在上面的人升高，可以取放位于高處的物體，電推桿四伸長(zhǎng)，將起落架放下，增加了輪椅在椅座調(diào)高過程中和使用者取放東西時(shí)大幅度動(dòng)作所引起的波動(dòng)的穩(wěn)定性，搭配輪椅所配有的安全帶，可進(jìn)一步提高其安全性。

2.7 爬樓功能

爬樓功能的實(shí)現(xiàn)是由所有機(jī)構(gòu)相互配合完成的。準(zhǔn)備上下樓時(shí)，電磁離合器啟動(dòng)，行星輪組齒輪箱與主軸結(jié)合在一起（圖3），驅(qū)動(dòng)電推桿四伸長(zhǎng)，將起落架放下萬向輪升起，開啟爬樓座椅自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星輪組翻轉(zhuǎn)，電子陀螺儀對(duì)座椅平衡信息的釆集處理來控制電推桿一或二的伸縮長(zhǎng)度（上樓時(shí)只有電推桿一起作用，電推桿二無動(dòng)作，下樓時(shí)則相反）。

3 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

輪椅在爬樓和下樓過程的運(yùn)動(dòng)可靠性和安全性是需要重點(diǎn)考慮的性能。本文通過SolidWorks 中的Motion 模塊進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析。先在SolidWork 的裝配體模塊完成零部件裝配，按照運(yùn)動(dòng)學(xué)原理約束自由度，然后進(jìn)入Motion 模塊，通過添加驅(qū)動(dòng)、重力、接觸等操作實(shí)現(xiàn)輪椅攀爬仿真，具體分析了由于乘坐者乘坐位置、乘坐姿態(tài)等變化引起的整體重心變化對(duì)輪椅運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

仿真中乘坐者自身體重設(shè)定為60 kg，通過調(diào)整乘坐者重心在模型中豎直和水平方向的位置，以達(dá)到使乘坐者和輪椅整體重心變化的效果。

在仿真環(huán)境中輪椅重心坐標(biāo)值為（0,714.9），相對(duì)于輪椅重心，人體重心僅在豎直方向變化時(shí)整體重心位置在豎直方向坐標(biāo)初始值分別為714.9（不坐人時(shí)）、764.9、839.1、913.3、987.5，對(duì)以上5組模型在攀爬方式下進(jìn)行仿真，每種狀態(tài)下整體重心運(yùn)動(dòng)的豎直位移分量和合位移隨時(shí)間的變化曲線如圖10、圖11 所示。

由圖10 可以看出，由于人體乘坐位置及姿態(tài)的變化引起整體重心在垂直方向變化時(shí)，整體重心運(yùn)動(dòng)的豎直位移呈周期性波形上升，每個(gè)周期的最后雖有小幅度回落，但屬于正?，F(xiàn)象，而且因其攀爬速度較?。? r/min），所以在攀爬過程中乘坐者的顛簸感會(huì)非常小，并不影響其舒適度。由圖11可以看出，整體重心運(yùn)動(dòng)的合位移曲線比較平滑，隨著時(shí)間的增加不斷上升，中途也并未出現(xiàn)錯(cuò)位打滑現(xiàn)象。由圖10 和圖11 可以看出，整體重心位置在豎直方向的變化并不會(huì)影響輪椅在攀爬樓梯時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

考慮人體重心在水平方向偏移造成整體重心變化時(shí)，3 組仿真模型的整體質(zhì)心位置坐標(biāo)初始值分別為（0,764.9），（133.6,764.9），（-133.6,764.9），對(duì)以上3 組模型在攀爬方式下進(jìn)行仿真，每種狀態(tài)下整體重心運(yùn)動(dòng)的豎直位移分量和合位移隨時(shí)間的變化曲線如圖12、圖13 所示。

圖11 可以看出，重心在水平方向的變化對(duì)重心運(yùn)動(dòng)的豎直位移分量沒有影響，位移周期性上升，沒有滑落現(xiàn)象。由圖12 可以看出，其整體重心運(yùn)動(dòng)的合位移曲線平滑，連續(xù)平穩(wěn)上升，表明輪椅一直處于正常攀爬狀態(tài)。

綜合圖10～圖13 可以看出，輪椅的攀爬狀態(tài)對(duì)乘坐者的乘坐位置以及乘坐姿態(tài)等方面的變化擁有良好的適應(yīng)性，輪椅在攀爬樓梯的過程中具有較好的安全穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有爬樓輪椅的調(diào)研分析，設(shè)計(jì)了一款新型爬樓輪椅，與市場(chǎng)已有產(chǎn)品相比本裝置功能多樣，具有普通行走功能、爬樓功能、獨(dú)立減震功能、座椅調(diào)平功能、起落架調(diào)距功能、起落架與萬向輪狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能和座椅升降功能，適用于多種尺寸的樓梯和不同的路況。重點(diǎn)分析了輪椅在爬樓過程中的穩(wěn)定性，仿真結(jié)果表明該輪椅可以安全平穩(wěn)完成爬樓。本裝置不僅利用了行星輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、操作方便等特點(diǎn)，而且還有效解決了行星輪組在攀爬樓梯過程中易出現(xiàn)錯(cuò)位打滑的安全隱患問題。