袁融， 傅曉錦， 王康， 鄭慶元， 吳昊

（上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海200245）

1 引言

輪椅對(duì)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(shí)就無(wú)法跨越，而上、下樓梯更是這些行動(dòng)不便人群的最大障礙。傳統(tǒng)的爬樓輪椅對(duì)樓梯的適應(yīng)性較差，不能滿(mǎn)足使用者對(duì)舒適性和可靠性的需求，不能實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)行輸出或完成更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本課題正是基于這樣的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外智能爬樓輪椅的現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)外，為方便輪椅使用者，通常運(yùn)用行星輪機(jī)構(gòu)或者四桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下樓梯，具體來(lái)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(lèi)輪椅，但這些輪椅，或是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠性低，或是攜帶不便，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代人對(duì)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(huì)需要，設(shè)計(jì)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(gè)很煎熬的過(guò)程；與此同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間坐立，勢(shì)必會(huì)造成站立功能的退化?；诖耍覀?cè)谒捷d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(xiàn)電機(jī)①（在實(shí)物中此電機(jī)為一對(duì)）驅(qū)動(dòng)，電機(jī)伸長(zhǎng)，則E點(diǎn)的軌跡是以C點(diǎn)為圓心，CE的長(zhǎng)度為半徑的圓弧，即桿2繞C點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于BCEF是平行四邊形，因而桿4與桿2有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而桿1則繞F點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)程中，難免會(huì)遇到無(wú)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(guò)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(pán)的仰角逐漸增大，載人椅的質(zhì)心也會(huì)逐漸上升，隨著載人椅越上過(guò)程的進(jìn)行，小車(chē)的質(zhì)心逐漸上升，當(dāng)載人椅將繼續(xù)爬上臺(tái)階，重心超過(guò)支點(diǎn)，載人椅作平面運(yùn)動(dòng)，一面繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，一面向前移動(dòng)。當(dāng)小車(chē)?yán)^續(xù)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，這時(shí)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(jī)構(gòu)運(yùn)用五桿機(jī)構(gòu)補(bǔ)償四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)誤差，實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)輸出或完成更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并以此實(shí)現(xiàn)滾輪傳輸與履帶輪傳輸?shù)那袚Q。

圖2 五桿機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)的示意圖

如圖2，機(jī)構(gòu)有兩個(gè)直線(xiàn)電機(jī)控制，由8個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和11個(gè)低副構(gòu)成，自由度F=3×8-2×11=2。機(jī)構(gòu)中，A、L為輪椅底架上的固定點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的工作原理如下：兩直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)伸長(zhǎng)，則B點(diǎn)的軌跡是以A點(diǎn)為圓心，AB的長(zhǎng)為半徑的圓弧，即桿1繞A點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。桿2在直線(xiàn)電機(jī)的推動(dòng)下，隨桿1轉(zhuǎn)動(dòng)。桿8在直線(xiàn)電機(jī)2的推動(dòng)下，繞K點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在桿2和桿8的轉(zhuǎn)動(dòng)下，CJ上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了升降的功能。

3.3.2 自動(dòng)維持座椅水平

圖3 在上下樓梯及越障時(shí)座椅狀態(tài)的機(jī)構(gòu)示意圖

在上下樓梯和越障的過(guò)程中，如果座椅的角度不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，并保持水平，就會(huì)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(dòng)維持座椅水平的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3。由直線(xiàn)電機(jī)②驅(qū)動(dòng)（直線(xiàn)電機(jī)①無(wú)伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)），電機(jī)伸長(zhǎng)，L型桿 3則繞著B(niǎo)點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，角度的大小由樓梯及障礙物的角度來(lái)決定（由測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)得）。從而實(shí)現(xiàn)爬樓及越障時(shí)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(guò)程說(shuō)明

多功能水平載人椅上下樓梯的機(jī)理與越障類(lèi)似，這里以上樓梯的過(guò)程中履帶輪的動(dòng)作為例介紹其運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

當(dāng)遇到樓梯時(shí)，通過(guò)五桿機(jī)構(gòu)調(diào)整后方（水平載人椅上下樓梯時(shí)，均采用面向下方的方式，即上樓梯時(shí)，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(gè)履帶輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

當(dāng)多功能水平載人椅通過(guò)傳感器檢測(cè)到上樓梯過(guò)程結(jié)束的時(shí)候，后面的履帶輪又通過(guò)五桿機(jī)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(shí)的狀態(tài)），上樓梯過(guò)程也隨之結(jié)束。

圖4 履帶輪準(zhǔn)備上樓梯時(shí)的狀態(tài)

圖5 履帶輪在上下樓梯時(shí)的狀態(tài)

4 安全性與可靠性

4.1 自動(dòng)維持輪椅座椅的水平

克服了座椅與輪椅固定不動(dòng)的特點(diǎn)。在上下樓梯時(shí)，通過(guò)直線(xiàn)推桿自動(dòng)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(shí)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(guò)程中輪椅的重心高度，增加穩(wěn)定性和安全性，無(wú)論上樓梯或下樓梯，均采用“面向樓下”的方式，即上樓梯時(shí)采用后退方式。

4.3 運(yùn)用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖功能

在電機(jī)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(duì)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(shí)的安全性。如果沒(méi)有安全帶，樓梯的傾斜角度過(guò)大時(shí)，可能會(huì)使人從座椅上滑落，造成不安全的因素。

與此同時(shí)，由于在上樓梯的時(shí)候，使用者處于背向樓梯的方式（即倒退著前進(jìn)的方式），使用者很難觀(guān)察到載人椅后方的情況，經(jīng)常轉(zhuǎn)頭向后看，不但會(huì)給使用者操作輪椅帶來(lái)不便，也會(huì)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(jiǎn)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(jī)構(gòu)，盡可能使用簡(jiǎn)單、可靠的機(jī)構(gòu)，在保證安全性、舒適性的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單。

5 結(jié)語(yǔ)

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(shí)使用履帶），實(shí)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(guò)程中座椅始終維持水平，保證了使用時(shí)的安全性，設(shè)計(jì)可靠。

［1］ 黃先琪.一種新型的爬樓梯機(jī)器人［J］.機(jī)器人技術(shù)，2009，36（5）：75-76.

［2］ 喬鳳斌，楊汝清.六輪移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯能力分析［M］.機(jī)器人，2004，26（4）：301-305.

［3］ 張明路，丁承君，段萍.移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33（2）：110-115.