多功能水平载人椅的结构设计

袁融， 傅晓锦， 王康， 郑庆元， 吴昊

（上海电机学院机械学院，上海200245）

1 引言

轮椅对于年老体弱者而言是必不可少的代步工具。但是，传统的轮椅遇到坎时就无法跨越，而上、下楼梯更是这些行动不便人群的最大障碍。传统的爬楼轮椅对楼梯的适应性较差，不能满足使用者对舒适性和可靠性的需求，不能实现高精度的运行输出或完成更复杂的运动规律。本课题正是基于这样的现状，设计了一种集上下楼梯、辅助站立、越障等功能于一体的多功能水平载人椅。

2 国内外智能爬楼轮椅的现状

在国内外，为方便轮椅使用者，通常运用行星轮机构或者四杆机构来实现上下楼梯，具体来讲，可以分为行星轮型、外加履带型、履带轮和轮子组合型等三类轮椅，但这些轮椅，或是结构简单可靠性低，或是携带不便，不能满足现代人对爬楼轮椅的需求。

3 多功能水平载人椅的功能、工作原理及其结构

笔者立足于社会需要，设计了一种集上下楼梯、辅助站立、越障等功能于一体的多功能水平载人椅。

3.1 辅助站立

一些腿脚不灵活的使用者，从坐立到站立的转化，是个很煎熬的过程；与此同时，长时间坐立，势必会造成站立功能的退化。基于此，我们在水平载人椅上，增加了辅助站立功能，帮助使用者平稳地站立。

图1 站立状态的结构示意图

如图1，由直线电机①（在实物中此电机为一对）驱动，电机伸长，则E点的轨迹是以C点为圆心，CE的长度为半径的圆弧，即杆2绕C点逆时针转动。由于BCEF是平行四边形，因而杆4与杆2有相同的运动规律，而杆1则绕F点转动，但始终与BC平行（使椅背始终支撑人的后背）。

3.2 越障

在使用轮椅的过程中，难免会遇到无法绕行的障碍物，这就要求轮椅必须具备平稳越障的功能。

在越障的过程中，履带的后沿首先慢慢越上障碍物的外角，随着水平载人椅越上障碍物，其底盘的仰角逐渐增大，载人椅的质心也会逐渐上升，随着载人椅越上过程的进行，小车的质心逐渐上升，当载人椅将继续爬上台阶，重心超过支点，载人椅作平面运动，一面绕支点转动，一面向前移动。当小车继续向前运动时，这时载人椅的前端首先着地，从而完成跨越阶段。

3.3 上下楼梯

3.3.1 轮子与履带轮的切换

多功能水平载人椅的切换机构运用五杆机构补偿四杆机构的结构误差，实现高精度的运动输出或完成更复杂的运动规律，并以此实现滚轮传输与履带轮传输的切换。

图2 五杆机构初始状态的示意图

如图2，机构有两个直线电机控制，由8个活动构件和11个低副构成，自由度F=3×8-2×11=2。机构中，A、L为轮椅底架上的固定点，机构的工作原理如下：两直线电机驱动，电机伸长，则B点的轨迹是以A点为圆心，AB的长为半径的圆弧，即杆1绕A点顺时针转动。杆2在直线电机的推动下，随杆1转动。杆8在直线电机2的推动下，绕K点转动。在杆2和杆8的转动下，CJ上下移动，从而实现了升降的功能。

3.3.2 自动维持座椅水平

图3 在上下楼梯及越障时座椅状态的机构示意图

在上下楼梯和越障的过程中，如果座椅的角度不能自动调节，并保持水平，就会造成使用者的倾倒，留下很大的安全隐患。

多功能水平载人椅的自动维持座椅水平的机械结构及工作原理如图3。由直线电机②驱动（直线电机①无伸长运动），电机伸长，L型杆 3则绕着B点顺时针转动一定的角度，角度的大小由楼梯及障碍物的角度来决定（由测量仪来测得）。从而实现爬楼及越障时座椅能保持水平状态以及调节座椅重心的功能。

3.3.3 上下楼梯过程说明

多功能水平载人椅上下楼梯的机理与越障类似，这里以上楼梯的过程中履带轮的动作为例介绍其运动过程。

当遇到楼梯时，通过五杆机构调整后方（水平载人椅上下楼梯时，均采用面向下方的方式，即上楼梯时，是倒着上去）的履带轮倾斜（图4），并逐渐调整，直至履带轮与楼梯面完全贴合，随后，两个履带轮继续转动。

随后，前面的履带轮也由五杆机构平稳调整至与楼梯面贴合（图 5），这时两个履带轮同时上楼梯。

当多功能水平载人椅通过传感器检测到上楼梯过程结束的时候，后面的履带轮又通过五杆机构平稳调整至水平（图6），最后，前面的履带轮也调整至水平（恢复在平地时的状态），上楼梯过程也随之结束。

图4 履带轮准备上楼梯时的状态

图5 履带轮在上下楼梯时的状态

4 安全性与可靠性

4.1 自动维持轮椅座椅的水平

克服了座椅与轮椅固定不动的特点。在上下楼梯时，通过直线推杆自动调节座椅的倾斜度，使其保持水平，增加了使用者的安全性和舒适性。

图6 履带轮后轮完成上下楼梯时的状态

4.2 上下楼梯均采用“面向楼下”的方式

为了降低爬楼梯过程中轮椅的重心高度，增加稳定性和安全性，无论上楼梯或下楼梯，均采用“面向楼下”的方式，即上楼梯时采用后退方式。

4.3 运用蜗轮蜗杆机构实现自锁功能

在电机与履带轮之间，采用蜗轮蜗杆减速器，以保证在上下楼梯中对履带轮的自锁，使其不至于沿楼梯面下滑。

4.4 增设安全带与反光镜

在多功能水平载人椅座椅上，增设了安全带，有利于提高上下楼梯时的安全性。如果没有安全带，楼梯的倾斜角度过大时，可能会使人从座椅上滑落，造成不安全的因素。

与此同时，由于在上楼梯的时候，使用者处于背向楼梯的方式（即倒退着前进的方式），使用者很难观察到载人椅后方的情况，经常转头向后看，不但会给使用者操作轮椅带来不便，也会使人颈部酸痛，特增设了反光镜，可帮助使用者了解并判断楼梯后方情况。

4.5 简化轮椅结构，控制轮椅的体积和重量

摒弃繁琐复杂的机构，尽可能使用简单、可靠的机构，在保证安全性、舒适性的基础上，结构尽可能简单。

5 结语

多功能水平载人椅采用轮子加履带的组合形式（在平地行走使用轮子，上下楼梯时使用履带），实现了可地面行走、上下楼梯、辅助站立以及越障功能，并且在行驶过程中座椅始终维持水平，保证了使用时的安全性，设计可靠。

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