一种爬楼梯轮椅的运动分析

李占贤，巩喜然

（河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 063009）

0 引言

随着我国经济的发展，高层建筑逐渐增多，一些常年卧床的重病或突发病患者，医院要求卧姿运送，而很多高层民宅上的电梯空间不能容纳医疗担架，致使抬着病人走楼梯的现象时有发生。国内有很多星轮式概念设计［1－4］，由于体积大等缺点很难真正实施推广。Murray J Lawn［5］等人研制了一种性能良好的履带式轮椅，但较为笨重。本文介绍了一种新型电动爬楼梯轮椅，其结构简洁、实用性强、平地行走阻力小，适合多种楼梯结构、价格相对低廉，适合批量生产。

1 爬楼梯轮椅的结构及工作原理

图1 为爬楼梯轮椅各状态结构简图。其行走机构采用行星轮，行星轮具有机构简单、质量小的特点，可降低整体重量，且可同时满足上、下楼梯和在平路上行走的功能。前、后腿共同构成其腿机构，该机构采用前腿长后腿短形式，前腿较长与地面倾斜放置且与椅面通过转动副连接，后腿较短与地面垂直放置且与椅面通过转动副和移动副连接。这样，整个腿机构构成一个并联系统，该并联系统具有3个自由度，通过3个自由度的配合使机构在爬楼梯过程中椅面保持水平。

图1 爬楼梯轮椅各状态结构简图

2 爬楼梯轮椅机构运动学分析

通过对机构进行运动学建模，计算出各运动副的运动规律。爬楼梯过程中后腿机构简图如图2 所示。

图2 中，H1，H2，H3分别为各状态下椅面到地面的距离；a0为后腿转动副到其前面第一个台阶的水平距离；lh为后腿长度；r为行星轮半径；ls1为图2 （a）到图2 （b）过程中移动副移动距离；ls2为图2 （b）到图2 （c）过程中移动副移动距离；θ1为图2 （a）到图2 （b）过程中后行星轮转动角度；θ2为图2 （b）到图2 （c）过程中后行星轮转动角度，且令θ＝θ1＋θ2。

图2 爬楼梯过程中后腿机构简图

在图2 （a）中有：

当行星轮刚接触楼梯台阶时，行星轮绕前轮圆心做圆周运动（图2 （b）），此时行星轮转动半径与垂直方向夹角为：30°＋θ1－90°＝θ1－60°。因此图2 （b）中有：

图2 （a）到图2 （b）过程中移动副移动距离ls1为 ：

图2 （c）运动过程中，最下面的小轮开始沿台阶向上移动，前面的小轮开始水平向前移动，直到该行星轮爬上第一个台阶。图2 （c）中有：

其中：H为楼梯台阶高度。图2 （b）到图2 （c）过程中移动副移动距离ls2为：

图3 为爬楼梯过程中前腿机构简图。此过程中后腿回复到初始垂直状态，即做图2 过程的逆动作，前腿lq通过绕E0摆动来维持椅面水平。图3 中，β3，β4分别为前腿摆动前、后与垂直方向的夹角，E0E′1＝lh。

图3 爬楼梯过程中前腿机构简图

之后，后腿及后行星轮重复图2 的各个动作，前腿及前行星轮不动。

图4 为爬楼梯过程腿结构简图。此过程中后行星轮位置不变，前腿摆动直到与地面垂直，后腿通过摆动及移动维持椅面水平。图4 中，β5，β6为后腿摆动前、后与水平方向的夹角。

在图4 中有：

当后行星轮转过一个周期时（θ＝120°），且sinβ5＝则前腿摆角为：

后腿移动副移动距离为：

后腿摆角为：

图4 爬楼梯过程腿机构简图

3 对爬楼梯轮椅运动学建模的验证

在数学建模过程中，对机构的运动过程进行了分析，下面对该过程进行验证。设lq＝750，lh＝500，r＝120，H＝150。

从图2 （a）到图2 （c）过程为后行星轮爬越第一个台阶，当爬完第一个台阶时，行星轮转过一个周期（即（θ＝120°）），且β1＝0。将数值代入式（9）、式（11）得：cosα2＝0.8，H′＝150，即一个台阶的高度。所以当行星轮转过120°时，后行星轮中心高度增加一个台阶高度。

在图3 到图4 过程中，前腿摆动维持椅面平衡，当前腿由β3摆动到β4时，将数值代入式（15）得前腿摆动调整高度为：hbh＝150，即一个台阶高度。即后轮爬上一个台阶，前腿调整一个台阶的高度。

图4 中，后行星轮又爬上一个台阶，将数值代入式（21）得：H″＝300，即两个台阶高度。即此时两个行星轮之间相差两个台阶高度。

之后，前后行星轮做相同的运动，椅面始终保持水平，验证略。

4 结论

本文中提出了一种新型爬楼梯轮椅机构，该机构通过其腿部的运动使其在爬楼梯过程中椅面始终保持水平，此外该机构可通过简单的变形成为担架，提高病人的抢救效率。

［1］王占礼，赵德超，陈延伟，等.曲柄星轮式爬楼梯轮椅爬升机构设计［J］.长春工业大学学报（自然科学版）2011，32（2）：105-108.

［2］苏和平，王人成.一种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计［J］.中国临床康复，2005（26）：144-145.

［3］金强，吴昌林，刘香香.行星轮式爬楼梯轮椅的应用研究［J］.中国康复医学杂志，2011，26（1）：65-68.

［4］李超，胡延平，韦端利.一种轮组结构的爬楼梯轮椅的设计［J］.现代机械，2010（6）：42-44.

［5］Lawn M J，Ishimatsu T.Modeling of a stair-climbing wheelchair mechanism with high single step capability［J］.Neural Systems and Rehabilitation Engineering，IEEE Transactions on，2003，11（3）：323-332.