多功能水平載人椅的結構設計

袁融， 傅曉錦， 王康， 鄭慶元， 吳昊

（上海電機學院機械學院，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，不能實現高精度的運行輸出或完成更復雜的運動規(guī)律。本課題正是基于這樣的現狀，設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 國內外智能爬樓輪椅的現狀

在國內外，為方便輪椅使用者，通常運用行星輪機構或者四桿機構來實現上下樓梯，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，或是結構簡單可靠性低，或是攜帶不便，不能滿足現代人對爬樓輪椅的需求。

3 多功能水平載人椅的功能、工作原理及其結構

筆者立足于社會需要，設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?；诖?，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)的結構示意圖

如圖1，由直線電機①（在實物中此電機為一對）驅動，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，載人椅的質心也會逐漸上升，隨著載人椅越上過程的進行，小車的質心逐漸上升，當載人椅將繼續(xù)爬上臺階，重心超過支點，載人椅作平面運動，一面繞支點轉動，一面向前移動。當小車繼續(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運用五桿機構補償四桿機構的結構誤差，實現高精度的運動輸出或完成更復雜的運動規(guī)律，并以此實現滾輪傳輸與履帶輪傳輸的切換。

圖2 五桿機構初始狀態(tài)的示意圖

如圖2，機構有兩個直線電機控制，由8個活動構件和11個低副構成，自由度F=3×8-2×11=2。機構中，A、L為輪椅底架上的固定點，機構的工作原理如下：兩直線電機驅動，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點順時針轉動。桿2在直線電機的推動下，隨桿1轉動。桿8在直線電機2的推動下，繞K點轉動。在桿2和桿8的轉動下，CJ上下移動，從而實現了升降的功能。

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構及工作原理如圖3。由直線電機②驅動（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）。從而實現爬樓及越障時座椅能保持水平狀態(tài)以及調節(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。

當遇到樓梯時，通過五桿機構調整后方（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)轉動。

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

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

圖4 履帶輪準備上樓梯時的狀態(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 運用蝸輪蝸桿機構實現自鎖功能

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 增設安全帶與反光鏡

在多功能水平載人椅座椅上，增設了安全帶，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，經常轉頭向后看，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 簡化輪椅結構，控制輪椅的體積和重量

摒棄繁瑣復雜的機構，盡可能使用簡單、可靠的機構，在保證安全性、舒適性的基礎上，結構盡可能簡單。

5 結語

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，設計可靠。

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