能爬楼梯的轮椅的结构设计

能爬楼梯的轮椅的结构设计檀小龙 210992350福州大学至诚学院机械设计制造及其自动化摘要：本篇论文针对残疾人上楼困难而设计的一款上楼轮椅，文中首先对国内外各种爬楼轮椅结构进行分析，在对比总结各自优缺点的基础上设计出一款结构简单，操作方便的上楼结构。该结构采用星轮行星轮结构，在平地时，行星轮工作，上楼时，齿式离合器结合后整个行星齿系将变成一个刚性的整体而转换为星轮结构模式，即各个齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，从而实现上楼功能。车身则采用滑轨式自动调平结构，该结构简单，调节方便。关键字：轮椅 星轮 滑轨式自动调平结构 履带式 1.1 引言 目前市场上的轮椅存在一个很大的不足：由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。很多场合尤其是室外比如银行门前，购物中心门前等都或多或少有几级台阶，而对于室内仍有很多地方没有电梯，对于那些乘坐轮椅的残疾人，他们仍然有很多不便。当然，国家也花费了大量的人力和财力在某些场所修建了相应的轮椅坡道和其它公用设施以方便残疾人活动。但由于受各种因素的影响，这些措施起到的作用仍然非常有限。解决这一问题的最好方法就是改进残疾人使用的行走设备，也就是说通过改进残疾人轮椅的机械结构，使其能够适应日常生活中所碰到大多数的地形。对于残疾人轮椅车的改进，已有不少人提出各种解决方案：有的使用履带式的辅助爬升设备帮助轮椅上下楼梯，有的采用步进式的结构一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺仪控制两轮结构的翻转，立起来上下楼梯，但这些方案都有一些不尽如人意的地方，比如：结构复杂，造价高，使用不便，不能很好的适应平地行驶等，因而都未能得到较广泛的应用。正是基于此背景，一款结构简单，操作方便，价格合适的上楼机器既能为残疾人带来方便，同时也具有巨大的市场容量。在毕业之际，于是选择了残疾人上楼为主题设计了星轮行星轮转换式可爬楼梯轮椅：该结构采用星轮行星轮结构，在平地时，行星轮工作，上楼时，齿式离合器结合后整个行星齿系将变成一个刚性的整体而转换为星轮结构模式，即各个齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，从而实现上楼功能。车身则采用滑轨式自动调平结构，该结构简单，调节方便,这也正是此设计的创新的地方。 1.2 上下楼梯轮椅发展历史 上下楼梯机构轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机 构式等。机器人作为一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难 越障机器人的研究对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。其中，移动机器人从事各项事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。上下楼梯机构轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机 构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机构式等。行星轮式的典型代表为美国强生公司下属的独立技术公司研制出的爬楼梯轮椅IBOT。IBOTR的轮椅开发历时8年，耗资超过 1.5亿，是迄今为止推出的最尖端的产品。它配有感知人一轮椅重心位置的陀螺仪和复杂的计算机系统，可以随时调整重心位置以保证轮椅的平衡。IBOT结构紧凑，运动灵活，操作简便，可靠性、安全性等各方面指标都很高，它不仅可以爬21厘米以下高度的楼梯和不超过厘米高的“马路牙子，也能够在沙滩、斜坡和崎岖的路面和小山坡上前进，而且能够两轮着地“站起来”直立行走，以使乘坐者可以升高到普通人的高度，也便于取放高处的物体。IBOT如此先进，价格也不菲12.9万美元的高价可能使很多人望而却步。除此之外，国内外还发明了其它多种行星轮式爬楼梯机构。由于存在这样或那样的问题，尽管发明专利很多，真正推广使用的却很少。 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35，上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶。法国Topchair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。 腿足式爬楼梯轮椅的主要特点是具有两套支撑装置，这两套装置交替支撑实现上下楼梯功能。由于这种爬楼梯方式类似于人类上下楼梯的过程，故也常称之为步行式爬楼梯轮椅。早期的爬楼梯轮椅大多采用这种方式，例如1892年bray发明的第一台爬楼梯轮椅就采用了这种方式。在爬楼梯时，先由其中一套支撑装置支撑并抬高轮椅及另一套支撑系统，然后另一套支撑系统前移到台阶上；在台 阶上停稳后，整个轮椅重心移到该支撑装置上，先前那套支撑装置则收回，如此循环，直到爬完整段楼梯为止。 腿足式爬楼梯机构的主要特点是：爬行速度较慢，对重心设计要求较高但如果加装有传感装置则对不同尺寸的楼梯具有较高的适应能力。为了解决腿足式爬楼梯机构爬行速度较慢的缺点，有学者提出了平行四杆式爬楼梯机构，就是在普通轮椅的两侧各加设一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构，它用四条“腿”托送轮椅上台阶。平行四杆式爬楼梯机构结构简单、价格低廉，但由于仅仅由四个点支撑整车，其平稳度不高，安全性也不太好。综上所述，为了较好地解决老弱病残人员外出活动问题，其关键是提出一种比较完善的上下楼梯方案，且整个轮椅尺寸合适、质量适中、安全性好、使用方便，最好能够适应不同的阶梯尺寸，其价格也能为普通老百姓接受。此外，应考虑爬楼梯过程往往只是整个外出活动过程中的很少一部分，必须兼顾平地行驶情况。可以看出，虽然经过多年的不懈努力，老弱病残人员出行问题已经得到了可喜的改善，但距离完美解决尚有不小的路径要走。2.设计方案2.1 上下楼梯机构的比较一台轮椅要实现上楼功能，其关键是如何选择合适的运动机构。在目前的研究中，能实现该功能的机构主要有步进式，脚足式结构，履带式，轮式机构,辅助式机构等，下面通过对这几种机构的特点进行对比和分析，为选择本次设计要打好基础。2.1.1步进式 受火车的曲柄连杆机构的启发，经过思考，开始想到一种连杆机构，如图1所示，通过驱动三个互成120度的曲柄带动三个踏板交替与楼梯接触前行。在平路的时候和普通的轮椅车是一样的，靠轮子行走，在爬楼梯的时候，驱动轮则切换成上述步进机构，较平稳的沿着楼梯的棱边往上爬，如同爬一个斜坡一样。 图1 经过分析发现步进式结构强度要求较高，而装配精度难以保证，从而使得整体性能会受很大影响。另外，这种步进式结构上第一级楼梯会比较困难，平地行走时其连杆机构是一个累赘，甚至会影响其平地行走功能。2.1.2 脚足式机构从理论上来讲，脚足式机构是最灵活的运动机构，地形适应能力强，可以解决大多数环境的行走问题，但是，其机械结构，控制复杂，效率低，要实稳定的高速行走，还有诸多问题需解决。它的典型代表是美国的CMU的Ambler移动机器人等，但仍在移动速度慢，控制复杂，承载能力不足等诸多缺点，普及比较困难。2.1.3履带式机构履带式机构的研究和应用相对来说是比较成熟的，在可以爬楼梯机器人等类似装置中应用比较广泛，履带型机构的爬楼梯轮椅应用也较多。其主要特点是：越障能力强，且可以适应不同的楼梯；行走比较连续，在上下楼梯过程中重心波动小，运动相当平稳；履带支撑面上有履齿，不易打滑 ，牵引附着性能好。但相比于轮式结构，它存在机构体积大，笨重，能量效率低；对台阶损坏大；转弯不方便，由于履带与地面的接触面积大而且摩擦系数较大，所以对地面及履带磨损都比较严重。2.1.4 轮式机构轮式机构轮椅广泛地应用于国外的一些爬楼机器人，其体积小，结构简单，控制方便，能够实现平衡，快速移动，能量效率高，采用差动传动时转向半径小，转向灵活，在平地行走时有绝对的优势，但遇到台阶，楼梯等障碍物是就显得力不从心。普通轮椅要想跨过台阶等障障物，其中一个必要条件是它的车轮半径至少要大于台阶高度，而且跨越台阶时需要的能量很大，过程不稳定，冲击较大；而且楼梯宽度有限，如果一味的增加车轮半径会导致轮椅在台阶上失去支撑点，这也是目前常规轮椅采用大的后车轮而无法实现爬楼功能的主要原因。 下面介绍几种现有的典型上下楼梯轮椅，为进一步了解以上各种机构的使用情况，为本次设计的机构选型提供参考。2.1.5辅助式机构辅助式机构主要是指通过给普通轮椅加装辅助机构使其具有爬楼 功能。目前此方面的主要研究成果为在普通轮椅的两侧各加一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构，四腿与轮椅原有的四个轮形成两套支撑系统，通过四边形机构的运动，两套支撑系统轮番着地，并将另一套支撑系统支撑托起送到上（或下）一个台阶。由于这种轮椅是以普通轮椅为基础改造而成的，所以结构简单，价格低，但是当这种轮椅用四条腿托起轮椅上台阶时，是四个点支撑整车，因为每个楼梯的尺寸是不同的，这四个点如果落在台阶边沿上，是很危险的。1. DEKA IBOT（如图2） 图2DEKA IBOT共有三种运运模式，一种是正常模式，像普通轮椅一样在平地上前进；如果遇到崎岖的路面，沙土或斜坡，它就进入四轮驱动状态，靠四个轮子行走；第二个状态是直立模式，只靠一地后轮接触地面，就像中国武术里的“金鸡独立”；第三种是爬楼梯模式，两对后轮交替爬到上一级台阶上。配备了一套计算机传感器和陀螺仪，具备较强的自我平衡功能，使用智能手柄操作，最大爬坡能力30度，最大台阶高度21CM。一味的追求全自动化的传统设计理念使得售价高达20万RMB，高达的费使得它的推广变得十分困难。 2 双联行星轮电动爬楼轮椅此电动爬楼梯轮椅是内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平教授与清华大学精密仪器与机械学系的王人成教授共同设计的，它借鉴了IBOT的爬楼梯方式，采用了双联行星轮机构（如图3）。行星轮式爬楼梯轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在 “”形或“字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线 自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转，而在爬 楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。 图3在平地行走时，各小轮自转，而在爬 楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。整体结构如图所示，前面的小轮是导向轮，其转向原理与汽车的转向 梯形相同,个行走轮2，3尺寸相同，同侧的两个后轮轴是相联的，左右两侧 也是相连的。个行走轮的连接示意图和行星轮系工作原理见图，其中一对行走轮中装有电动轮毂，平地行走时，由这对电动轮毂驱动后轮自转；爬楼梯时，后轮自转停止并自锁，所有后轮由中轴上的电动机驱动，随中轴进行公转，两对轮交替进行翻爬楼梯。 该双联行星轮机构爬楼梯轮椅采用了效率高体积小的行星轮系作为爬楼梯 机构，能够较为轻松地实现上下楼梯功能，并选用了电动自行车轮毂为行走提供动力，使得整个轮椅结构紧凑、重量轻，整个外形尺寸相当于普通的轮椅，并省去了复杂的陀螺重心平衡系统，明显降低了制造成本。但该机构前后轮轴是相连的，左右两侧也是相连的，这样将导致转弯困难，运动灵活性降低。而且车轮直径较大，不适合在普通居民住宅楼梯上使用。这种爬楼梯轮椅也没有得到实际生产和推广使用。双联乃至三联，四联行星轮系在越障机器人上也有很广泛的应用。3 其它可以上下楼的轮椅介绍两种国外的产品，一种是英国的BARONMEAD公司正在国内经销的助推式上下楼电动轮椅车，一种是德国PERFEKTA公司已经发布的橡校履带式电动轮椅车。使用这种轮椅车时，一般由护理人员操纵更为安全。BARONMEAD上下楼梯轮椅车，自重34KG，最大载重130KG，上下楼梯速度每分钟15个台阶左右，充足电后可连续上下楼梯800级。台阶限高25CM。 这种轮椅车可在平地自由运行，可拆卸为两部分，便于装运。PERFEKTA为履带式传动，采用12V-15AH的蓄电池，12V/150W的直流电机，自重42KG，可爬坡楼梯的最大坡度32度。这种轮椅车除了可以单独使用外，还可以作为普通的轮椅搬运工具，直接把轮椅放在上面上下楼梯，因此作为车站，机场等移动轮椅乘客的专用工具比较方便。而且，熟练操作可自行乘坐轮椅上下楼梯。2.2 上楼轮椅及其主要结构的设计通过对比各种机构及现有的上下楼梯轮椅，分析其各自的优势和不足，主要考虑控制的难易，使用的安全性，操作的方便性，最终选择轮式结构，为了实现上下楼梯的功能，采用行星轮结构。该方案是基于一种新结构星轮行星轮转换式结构，如图4和图5所示。其基本结构是具有三个行星齿轮的行星齿轮系，在中心齿轮外依次均布三惰轮和三行星齿轮，中心齿轮和惰轮、惰轮和行星齿轮间均为外啮合，左右两半箱体相联接作为转臂，由此构成具有三个行星齿轮的行星齿轮系。在各行星齿轮轴系箱体外伸端分别固定一个车轮，箱体中心固定有齿式离合器固定端，齿式离合器活动端与中心轴通过花键滑动联接，当齿式离合器活动端与固定端没有啮合时，整个结构便处于行星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动三个车轮旋转，便可以在平地上行走。当拨动齿式离合器活动端使其与齿式离合器固定端结合时，中心齿轮和箱体（转臂）锁死，从而各齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，整个行星齿轮系将变成一个刚性的整体而转变为星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动包括行星轮系在内的整个箱体翻转，此种结构模式可用于攀爬楼梯。该方案的优点在于，同一结构通过简单转换得到两种驱动模式，分别适应爬楼和平地行走，各自适应性良好，并且结构紧凑，操作方便。 图4 图52.2.1 座椅调平结构在上下时爬楼轮椅整体是倾斜的，坐在倾斜的轮椅上要使乘坐者感到不适，为了克服这一弊端和轮椅爬楼过程中重心的起伏，我们专门设计了一种滚道式的座椅调平机构（图6）。其主要由圆弧形轨道及滚轴组成。滑轨焊接在底架上，滚轴通过螺纹连接固定的座椅底部的支架上，其轴端安装有轴承可以在滑轨里滑动，从而实座椅的调平。 图六 2.2.2 星轮行星轮转换式结构离合器的选用(1)牙嵌式离合器牙嵌式离合器结构简单，安装方便，承载力较大，从功能上讲基本上可以满足使用要求。但是牙嵌式离合器牙数较少，满足我们使用要求的矩形牙嵌离合器只有7个牙，离合器的活动端与固定端自然对正的几率非常小，操纵时需要反复调整，很不方便。(2)电磁离合器电磁离合器在通电后依靠电磁力使活动端与固定端结合，其操纵方便，只需按下开关接通电源。电磁离合器有多种型号，有摩擦式的、牙嵌式的，有干式的、湿式的。摩擦式的重量都很重，不符合我们的使用要求。根据使用条件，只有牙嵌式电磁离合器DLY0系列符合要求。使用电磁离合器最大的优点就是操纵方便，但是也有很多弊端，首先是重量问题，电磁离合器本身就有1.5kg重，还需要专门配备蓄电池，势必增加整车的重量。其次是可靠性问题，电磁式的没有机械式的可靠，爬楼时如果出现电磁离合器线圈突然烧坏或是蓄电池电量耗完的问题，将会发生危险。另外，蓄电池需要经常充电很不方便，电磁离合器安装精度要求很高，尤其是活动端和固定端同轴度要求非常高，对加工和装配都提出了很高的要求。(3)齿式离合器齿式离合器与牙签式离合器比较相似，不同的是齿式离合器的齿数可以根据情况自己设计，可以取较多齿数。齿式离合器承载能力很大，根据我们的使用要求，可以取较小的模数和较多的齿数，齿端面倒成尖角，这样以来结合起来非常容易，操纵时不需要太多的调整。综合分析比较，最终选择了齿式离合器，其结构紧凑，体积小，重量轻，操纵方便，安全可靠。（图七） 图七3 工作原理及性能分析3.1平地行走平地行走时采用行星轮驱动模式，双边手摇驱动，利用差动来转向。由于速度比较慢，人完全可以控制其速度，因而也不需要刹车。3.2翻越一级台阶等简单障碍如图13，对于简单障碍可以正着直接上去，导向轮可以将万向轮悬起，如果障碍比较矮，可直接用行星轮状态爬上去，如果障碍较高，可以拨动离合器转换为星轮状态，翻越障碍。 图 1 翻阅简单障碍 图 2 上楼3.3上楼如图14，将离合器结合，采用星轮驱动模式，正着上楼梯，导向轮与楼梯外沿相贴，使得前轮不会被楼梯挡死，而且不会有太大的波动。后驱动轮每转120度上一个台阶，并且具有一定的节奏性，中途可停留，安全省力。对于一般的楼梯后面不需要人扶，精确的重心设计保证了其不会后翻，对于特别的楼梯，为保证绝对的安全，可在后面增加一名辅助者防止后翻。图 3 下楼3.3下楼如图15，下楼时采用行星轮驱动模式倒着下楼，由于下楼时震动较大，速度控制难度大，容易后翻，因而下楼时需要一辅助者在后面扶持以防止倾翻。完成制作后，作品实物照片见图16图 4 产品实物照片5 创新点及应用.(1)星轮行星轮可转换式结构，通过在传统行星轮结构上增设一个离合器，使系统具有星轮和行星轮两种驱动模式；(2)平地上使用行星轮驱动模式，爬楼时使用星轮驱动模式，适应性好；(3)导向轮与万向轮的巧妙结合增强了万向轮的越障能力；(4)同一传动链上设有两个驱动点，满足了平地行走和爬楼时不同的传动比要求。本产品可广泛用于社区，养老院，医院等场合，适用于腿脚不便的残疾人或老年人。相对于现有的可爬楼轮椅，我们的产品适应性好、性价比高。在批量生产时成本可降至2000元左右，而据我们调查，武汉市唯一一个辅助爬楼装置价格高达6万元，而国外具有相似功能的IBOT3000轮椅更是高达3万美元，相比之下我们的轮椅具有很好的市场前景。参考文献1机械原理基础篇/杨家军 主编 武汉：华中科技大学出版社，2005年3月2机械设计基础篇/吴昌林 姜柳林 主编 武汉：华中科技大学出版社 2005年3月3机械零件设计手册（第三版）/东北大学 编 北京：冶金工业出版社 1994年4月4杨家军. 机械系统创新设计. 华中科技大学出版社, 20005机械设计课程设计/唐增宝 何永然 刘安俊 主编 武汉：华中科技大学出版社 1999年3月- 14 -