（车辆工程专业论文）星型轮式多功能电动轮椅车的设计与研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 主席： 委员： 幸刽审 砂寥鹦 饥乡也砍莓私砖 铅彤毒易住 囝彬阉专五 导师：呷专缸最 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金目巴e 些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：荟坦签字日期：扫f 陆伽f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金月巴王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者槐套越 签字e t 期：扣l f 年q 月门日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：7 季碌 签字日期：知，年月77 日 电话： 邮编： 星型轮式多功能电动轮椅车的设计与研究 摘要 轮椅在大部分年老体弱者和肢体伤残人士的生活中扮演着重要的角色，尤 其是随着人口老龄化和残疾人数量的增加，轮椅将为改善这一特殊人群的生活 起到不可替代的作用。然而，普通的手动、电动轮椅不具备爬楼和跨越路障的 功能，从而限制了使用者的活动范围。 为了解决上述问题，给老年人和残疾人提供性能优越的助行装置，改善他 们的生活质量，本文通过对四种常见爬楼梯轮椅优缺点分析与对比，设计了一 种既可在平地使用、又能爬楼梯的星型轮式多功能电动轮椅车。 本文首先给出了多功能电动轮椅车的总体设计方案及其各组成部分原理 与结构，计算星型轮机构的结构尺寸并分析其越障机理，确定了驱动电机、电 磁离合器等关键部件的参数。 其次，提出并分析轮椅车的运动学模型，仿真了轮椅车的爬楼过程；同时， 从侧倾角、极限越障高度、爬坡能力、轮椅车的稳定性等四个方面分析了轮椅 车的行驶性能。 然后，分别建立轮椅车的平地行走和越障时的1 2 轮椅车力学模型，并根 据静力学方法列出其越障力学方程，推导轮椅车最大越障高度的影响因素；运 用虚功原理，建立轮椅车星型轮越障的动力学方程，得出其越障高度数学模型， 并在m a t l a b 中进行其越障高度影响因素分析。 最后，基于a d a m s 建立轮椅车的虚拟样机模型，模拟轮椅车的爬楼工况， 验证爬楼机理的正确性，对轮椅车在特定楼梯和三种典型楼梯下爬楼过程中的 重心波动、轮椅车倾角、功率等进行仿真分析与对比，验证设计的正确性和可 靠性。 关键字：星型轮多功能电动轮椅车运动学动力学a d a m s 仿真 t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fam u l t i f u n c t i o n a l e l e c t r i cw h e e l c h a i r sw i t hs t a r - s h a p ew h e e l s a bs t r a c t w h e e l c h a i rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h el i f eo ft h em a jo r i t yo ft h ee l d e r l y a n dh a n d i c a p p e dp e o p l e e s p e c i a l l yw i t ht h ea r i s i n gp r o b l e m so ft h ea g i n g p o p u l a t i o na n dt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fd i s a b i l i t i e s ，t h ew h e e l c h a i rw i l lp l a ya n i r r e p l a c e a b l er o l ei nt h el i v e so ft h i ss p e c i a lg r o u p h o w e v e r ，b o t ht r a d i t i o n a l m a n u a lw h e e l c h a i r sa n de l e c t r i cw h e e l c h a i r sd on o th a v et h ec a p a b i l i t yt oc l i m b s t a i r sa n dc r o s st h eb a r r i c a d e ，w h i c hr e s t r i c tt h er a n g eo ft h eu s e r s c o n s e q u e n t l y ，p r o v i d i n gt h ee l d e r l ya n dt h ed i s a b l e dw i t hw h e e l c h a i r sw h i c h h a v es u p e r i o rp e r f o r m a n c ea n di m p r o v i n gt h e i rq u a l i t yo fl i f ea n do nt h eb a s i so f c o m p a r i s o n o ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ff o u rc o m m o nt y p e so f s t a i r c l i m b i n gw h e e l c h a i r s ，am u l t i f u n c t i o n a le l e c t r i cw h e e l c h a i rw i t hs t a r - s h a p e w h e e l si sd e s i g n e di nt h i sp a p e rw h i c hi sd e d i c a t e dt ob ea v a i l a b l ef o rb o t hu s i n g0 1 1 t h eg r o u n da n ds t a i r s f i r s to fa l l ，t h eo v e r a l lp r o j e c td e s i g n so ft h em u l t i f u n c t i o n a le l e c t r i c w h e e l c h a i r sa n dt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fi t sv a r i o u sc o m p o n e n t si sg i v e nt h e s t r u c t u r es i z ea n do b s t a c l em e c h a n i s mo ft h es t a r s h a p ew h e e l sa r ed e t e r m i n e d ，a n d t h ek e yc o m p o n e n t s p a r a m e t e r so ft h ed r i v em o t o ra n de l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h e s a r ec a l c u l a t e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , p r o p o s i n ga n da n a l y z i n gt h ek i n e m a t i c sm o d e lo f t h ew h e e l c h a i ra n d s i m u l a t i n gi t st h es t a i r c l i m b i n gp r o c e s s i n g ；m e a n w h i l e ，t h ew h e e l c h a i r sd r i v i n g p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e df r o mt h ef o u ra s p e c t s ：t h er o l la n g l e ，t h eb i g g e s to b s t a c l e h e i g h t ，t h ec l i m b i n ga b i l i t ya n dt h ew h e e l c h a i rs t a b i l i t y t h i r d l y , 11 2m e c h a n i c a lm o d e l so ft h ew h e e l c h a i rw i t ht h ef l a tw a l k i n ga n d t h e b a r r i c a d ec r o s s i n ga r eb u l i tr e s p e c t i v e l y , t h eo b s t a c l ed y n a m i c se q u a t i o ni sl i s t e d a c c o r d i n gt os t a t i c m e t h o d sa n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eb i g g e s to b s t a c l e h e i g h ta r ed e r i v e d t h ek i n e t i ce q u a t i o no f t h eo b s t a c l eo fs t a r - s h a p ew h e e l si sb u i l tu s i n g t h ep r i n c i p l eo fv i r t u a lw o r k ，t h em o d e lo ft h eo b s t a c l eh e i g h ti so b t a i n e da n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ec a r r i e do u ti nm a t l a b f i n a l l y , i no r d e rt os i m u l a t et h ew h e e l c h a i r ss t a i r c l i m b i n gc o n d i t i o n s ，a n d v e r i f yi t ss t a i r c l i m b i n gm e c h a n i s m ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo ft h ew h e e l c h a i r i se s t a b l i s h e db a s e do na d a m s v e r i l y i n gt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e d e s i g n ，t h ef l u c t u a t i o no fg r a v i t yc e n t e r ，t i l ta n g l ea n dp o w e ro ft h ew h e e l c h a i ra r e a n a l y z e da n dc o m p a r e du n d e rt h es p e c i f i cs t a i ra n dt h et h r e et y p i c a ls t a i r so ft h e s t a i r - c l i m b i n gp r o c e s s e s k e y w o r d s ：s t a r - s h a p ew h e e l s ； m u l t i f u n c t i o n a le l e c t r i cw h e e l c h a i r s ；k i n e m a t i c s ； d y n a m i c s ；a d a m s s i m u l a t i o n 致谢 本文是在我尊敬的导师陈无畏教授的悉心指导下完成的，在此论文完成之 际，向陈老师在我研究生学习阶段给予我学习和生活上的关心和帮助表示最衷 心的感谢! 陈老师深厚的理论知识和丰富的实践经验，严谨求实的治学态度， 朴素平和的生活心态，使我受益匪浅，再次向他表示诚挚的感谢，祝福陈老师 幸福、健康、快乐! 感谢课题组王其东教授、胡延平副教授、姜武华老师等各位老师对我学习 和工作上的关心和照顾。同时，还要向培养我七年的机械与汽车工程学院及各 位老师表示衷心的感谢! 感谢我的父母，正是他们无声的大力支持及殷切期望，使我能够全身心地 投入到学业和科研中，顺利完成学业及本课题的研究! 感谢实验室祝辉、王檀彬、赵林峰、刘翔宇、秦炜华、朱茂飞、夏光、杨 军、黄鹤、王家恩、陈晓新、王磊、李健、肖灵芝、郝芳芳、王洪成、韦端利、 王海波、罗凯杰、梁源源、赵甲运、钱海青及室友屠得新、郑与波等兄弟姐妹 们在生活和学习上给予我的关心和帮助。在此，祝愿他们生活快乐、事业有成! 最后，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们表达我最真诚的祝愿， 愿他们永远幸福、快乐。 感谢所有关心、帮助、支持我的人! 作者：李超 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论”1 1 1 课题的研究背景及意义“1 1 2 国内外发展现状2 1 2 1 轮组式2 1 2 2 履带式一4 2 1 3 步行式5 1 2 4 其他辅助爬楼装置6 1 3 本文研究内容与安排7 第二章轮椅车的总体设计一9 2 1 轮椅车的总体方案“9 2 1 1 概述”9 2 1 2 轮椅车的总体设计9 2 2 星型轮机构设计1 2 2 3 动力系统参数设计1 6 2 3 1 驱动电机参数设计”1 7 2 3 2 电磁离合器参数设计“1 9 2 3 3 电池选择2 0 2 4 本章小结”2 0 第三章轮椅车运动特性分析2 2 3 1 轮椅车的平面运动分析2 2 3 1 1 前提与假设“2 2 3 1 2 轮椅车运动平面运动模型的简化及分析2 2 3 2 轮椅车爬楼过程分析2 4 3 3 轮椅车的主要行驶性能分析2 5 3 3 1 侧倾角2 5 3 3 2 极限越障高度2 6 3 3 3 爬坡能力2 7 3 3 4 轮椅车的稳定性分析”2 8 3 4 本章小结2 9 第四章轮椅车越障力学分析3 1 4 1 轮椅车力学模型及分析3 1 4 1 1 平地行走分析3 1 4 1 2 星型轮爬过垂直障碍能力分析3 2 4 2 基于虚功原理的星型轮系越障力学分析3 4 4 2 1 基于虚功原理的星型轮系越障力学模型3 4 4 2 2 越障高度影响因素分析“3 8 4 3 本章小结4 1 第五章基于a d a m s 的轮椅车爬楼性能仿真分析4 2 5 1 轮椅车虚拟样机模型的建立4 2 5 1 1 创建三维模型4 2 5 1 2 模型转换4 3 5 1 3 样机仿真设置4 5 5 1 4 模型验证4 6 5 2 特定楼梯下的轮椅车爬楼性能仿真与分析4 7 5 2 1 质心轨迹仿真与分析一4 7 5 2 2 倾角仿真与分析：4 8 5 2 3 功率需求仿真与分析”4 9 5 2 4 不同载重时的功率需求仿真与分析5 1 5 3 不同规格楼梯下的轮椅车爬楼性能仿真对比分析5 2 5 3 1 质心轨迹对比5 2 5 3 2 爬楼倾角变化对比5 3 5 3 3 功率需求对比5 3 5 4 ，j 、结5 4 第六章总结与展望”5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 l 插图清单 图1 1 轮组式爬楼梯轮椅2 图1 2i b o t4 0 0 0 ”3 图1 3 国内部分轮组式爬楼梯轮椅4 图1 4 履带式爬楼梯轮椅5 图1 5 步行式爬楼梯轮椅6 图1 6 辅助爬楼梯装置7 图2 1 多功能轮椅车总体设计图”1 0 图2 2 滚道滑轨式座椅调平机构原理图11 图2 3 轮椅车驱动机构原理图1 1 图2 4 星型轮传动简图一1 3 图2 5 星型轮架半径最大值计算示意图”1 4 图2 6 星型轮架半径最小值计算示意图1 4 图2 7 小轮半径最大值计算示意图15 图2 8 小轮半径最小值计算示意图1 5 图3 1 轮椅车平路行驶简化模型2 2 图3 2 轮椅车转向示意图2 3 图3 3 轮椅车越障运动模型2 4 图3 4 轮椅爬楼梯运动过程2 5 图3 5 轮椅车侧倾行驶示意图2 6 图3 6 星型轮极限越障高度图2 7 图3 7 轮椅车爬坡示意图2 8 图3 8 重心对轮椅车侧翻稳定性影响示意图2 9 图4 1 轮椅车平地行走力学模型3 1 图4 2 两个前星型轮同时翻越台阶力学模型3 2 图4 3 星型轮越障时的受力分析图3 4 图4 4 星型轮系翻转图3 5 图4 5 车轮直径与越障高度关系图3 8 图4 6 相邻两小轮间轮距与越障高度关系图3 9 图4 7 路面附着系数与越障高度关系图”3 9 图4 8 滚阻系数与越障高度关系图4 0 图4 9 星型轮角加速度与越障高度关系图4 0 图5 1 轮椅车虚拟样机三维模型4 2 图5 2p a r a s o l i d 文件名称及格式定义对话框4 4 图5 3 导入模型对话框“4 4 图5 4 通过p a r a s o l i d 导入a d a m s 的轮椅车模型4 5 图5 5 轮椅车质心轨迹图”4 7 图5 6 轮椅车上楼倾角示意图4 8 图5 7 轮椅车上楼倾角变化图4 9 图5 8 轮椅车爬楼过程功率变化图5 0 图5 9 轮椅车前1 0 s 功率变化分析图5l 图5 1o 轮椅车轮组翻转状态”5l 图5 1 1 不同载重下的功率变化图5 2 图5 1 2 三种规格楼梯轮椅车质心轨迹对比图5 3 图5 13 三种规格楼梯轮椅车倾角变化对比图”5 3 图5 1 4 三种规格楼梯轮椅车功率变化对比图“5 4 表格清单 表2 1 典型越障机构的性能对比表9 表2 2 轮椅车部分设计参数1 2 表2 3 电动轮椅国家标准1 6 表2 4 电机主要性能参数1 9 表2 5 电磁离合器主要性能参数2 0 表5 1 所用部分材料属性值4 6 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 文明的进步，科技的发展，给人类带来了巨大的发展空间，但是也随之带 来一些显著的社会问题。比如，因为年龄、疾病和意外事故等原因使一部分残 疾人和老年人丧失了自由活动的能力，给本人及其家人都带来了巨大的苦恼和 负担。伴随城市化水平不断提高，楼梯是建筑物不可缺少的结构形式，给我们 生活带来便利的同时，也给部分老年人和下肢残障人士的出行造成了不便，影 响了他们与外界的沟通和交流，对其身心健康产生了不利影响。如何解决老年 人和下肢残疾人士的出行问题，给予他们更多的社会关爱和帮助，成为现代社 会的一个热门话题，越来越受到大家的关注。 目前，高龄人群和下肢残疾者占我国总人口的比重越来越大。根据我国 2 0 0 5 年1 人口抽样调查数据，全国6 0 岁及以上人e l 总数达到1 4 4 0 8 万人， 占人口总数的1 1 0 3 ，其中6 5 岁以上的人口比例占到了7 6 9 。全国老年型 地区已经达到2 1 个省( 市、自治区) ，已占到全国的三分之二。同时根据全国 老龄工作委员会办公室的预测，到2 0 2 0 年我国大于6 0 岁的老年人口比例将占 总人口的17 17 ，达到2 4 8 亿，随后的三十年，即到2 0 5 0 年，老年人口比例 将达到3 0 以上，总人数将超过4 亿。而且我国残疾人的数量也在大幅增加。 根据2 0 0 6 年我国第二次残疾人抽样调查显示【2 1 ，全国各类残疾人总数己达8 2 9 6 万人，占全国总人口的6 3 4 ，较1 9 8 7 年增加了2 1 3 2 万人。特别值得注意的 是，由于工伤和交通事故、体育运动伤和自然灾害等原因造成的肢体残障者的 数量大幅上升，约占所有残疾人数量的3 0 。 老年人和残疾人比例的显著增加给医疗、护理、社会服务等方面的需求提 供了巨大的社会压力，加重了社会和家庭的负担，而且也影响了他们的正常生 活。为此，如何改善他们的生活质量，为他们提供方便的出行工具，越来越受 到专家学者的关注。 目前，轮椅是大多数年老体弱者及肢体伤残者必不可少的代步工具。但是， 普通轮椅的活动范围较小，特别是面对路障和楼梯时，就显得无能无力，严重 限制了轮椅使用者的活动范围1 3 】。 为了解决上述问题，给年老体弱者以及下肢伤残者提供性能安全可靠的出 行工具，使其可以顺利通过路障和楼梯等常见障碍物，同时考虑其经济状况， 开发一种结构紧凑、经济实用，既可在平路行驶、又具有爬楼梯和通过恶劣路 面的多功能助力轮椅就显得越来越重要。这不仅能极大地改善年老体弱者以及 下肢伤残者的生活质量，最大程度地满足他们在生活和工作中的需要，而且具 有巨大的现实意义和社会价值。 1 2 国内外发展现状 本文主要研究具有爬楼梯功能的多功能轮椅车。在爬楼梯轮椅的研究领域 内，国外起步很早，1 9 8 2 年美国科学家b r a y 就发明了第一个爬楼梯轮椅，并 取得了专利【3 1 ( 美国专利号为n o 4 6 8 3 2 2 ) ，此后各国相继开始爬楼梯轮椅的研 究，取得了很多成果，也申请了大量的专利，甚至部分产品已经研制成功，已 经面向消费者出售。我国在这方面的研究起步相对较晚，近年来也申请了不少 专利，然而真正投入市场的成熟产品鲜有见到，大多都停留在实验室阶段。 根据爬楼梯原理的不同，可将国内外现有的爬楼梯轮椅分为四种类型：轮 组式、履带式、步行式和其他辅助爬楼装置。下面分别结合其各自特点对国内 外爬楼梯轮椅的研究现状作简要介绍。 1 2 1 轮组式 轮组式爬楼梯轮椅每个轮组采用星型系杆结构，各小轮呈均匀分布。平地 行驶时，任意两个小轮着地，轮组不翻转，依靠小轮自转驱动轮椅前进；而爬 楼梯时，轮组翻转，依次攀登楼梯，从而实现轮椅爬楼梯的功能【4 】。根据轮椅 车单个轮组中所使用小轮的个数可将其分为两轮式、三轮式以及四轮式，如图 1 1 ( a ) 所示；按照轮椅车所使用的轮组的对数不同可将其分为单轮组式和双轮组 式。轮椅中仅使用了一对轮组的称为单轮组式，见图1 1 ( a ) ，其结构稳定性较 差，一般需要有人协助才能保证爬楼过程中轮椅重心的稳定；而双轮组式是指 在轮椅的前后各使用了一对轮组，见图1 1 ( b ) ，是日本发明的一款双轮组式电 动爬楼轮椅，稳定性好，但是因体积过大，难以在住宅楼梯上应用，影响了其 推广和使用。 i 两轮式i i 三轮式i i i 四轮式 ( b ) 双轮组式 ( a ) 单轮组式 图1 1 轮组式爬楼梯轮椅 i b o t 是美国著名发明家d e a nk a m e n 发明的一种两轮式爬楼梯轮椅，具有 2 重心自动调节功能，可以始终保持座椅水平，其最新产品为i b o t4 0 0 0 ，见图 1 2 ，是目前轮组式爬楼轮椅中性能指标最高的产品，并且已经投放市场，其售 价相当于一款小轿车的价格。它前面是一对直径1 0 厘米的实心脚轮，后面有两 对直径3 0 厘米的充气轮，并通过特殊的旋转式双轮设计帮助使用者轻松的爬上 楼梯。双轮的设计可以使它“直立 起来，其内置有陀螺仪和传感器，可以自 动保持轮椅的平衡。i b o t 可以6 个轮子同时着地，由4 个后轮驱动行走；也 可直立起来，由一对后轮着地；还可两对后轮交替爬楼梯，共三种运动模式可 供选择。i b o t 的驱动机构比普通轮椅复杂，并且安装了多个陀螺仪，可以时时 调整重心的位置，使座椅保持水平。 图1 2 i b o t4 0 0 0 我国对轮组式爬楼梯轮椅的研究始于上世纪八十年代，1 9 8 7 年诞生了我国 第一个平地、楼梯多用轮椅的专利，其专利号为8 6 2 1 0 6 5 3 ，该轮椅前后轮都由 星形轮做成，依靠轮组的公转实现上下楼【5 】。内蒙古民族大学物理与机电学院 的苏和平等人设计了一种电动爬楼梯轮椅【6 】，其主要借鉴i b o t 的设计，采用 了一种双联星形轮机构，如图1 - 3 ( a ) 所示，但是其不能独立完成爬楼梯动作， 需要人工辅助才能调节重心，但是这却使得轮椅结构更紧凑，体积小巧，实用 性强。中南大学机电工程学院刘云等人采用模块化设计思想，提出了一种新型 可卧立爬楼梯的多功能电动轮椅【_ 7 1 ，见图1 - 3 ( b ) ，其爬楼梯模块采用星型轮式 爬梯机构与蜗轮蜗杆相结合的方案，很好的实现了爬梯功能。华中科技大学机 械学院学生赵青等人设计了一种星轮行星轮转换式可爬楼轮椅，见图1 - 3 ( c ) ， 通过手摇来驱动，既可平地上行走，又可以攀爬楼梯。国内还有一些相似的设 计与专利，大多采用3 个或者3 个以上星形轮。 3 一弘缈 艺；洌 透一 蝴篓瓣隧* 赣鹞糖一移“l 一 ( a ) 双联星形轮式轮椅( b ) 新型模块化可卧立电动轮椅( c ) 星轮行星轮转换式 囊 。蘧 鎏 图l - 3 国内部分轮组式爬楼梯轮椅 轮组式爬楼梯轮椅的活动范围广、运动灵活、操作方便、成本也相对较低， 在无障碍环境下具有较好的行动性能；但在上下楼梯过程中，各个小轮依次与 楼梯台阶相接触，难免发生冲击振动，而且重心有较大的起伏，使使用者感到 心里恐慌，降低其舒适性。此外，较大的体积也是轮组式爬楼梯轮椅的弊病， 影响其在普通住宅上的使用。 1 2 2 履带式 履带式爬楼梯轮椅的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，技术较成熟，它 的行走方式比轮组式爬楼梯轮椅更为连续，具有更高的传动效率。在上下楼梯 过程中，轮椅的重心始终与楼梯台阶沿的连线保持平行，重心波动很小，运动 平稳可靠”j 。英国b a r o n m e a d 公司开发的一种履带式电动轮椅车，如图1 4 ( a ) 所示，最大爬楼坡度为3 5 0 ，每分钟上下楼梯1 5 2 0 个台阶，但平地行走不灵活， 转向时阻力较大，在爬楼梯时履带对楼梯沿有破坏作用。日本长崎大学研究了 一种轮履带混合机构的爬楼梯轮椅，平地行走时依靠轮式机构运动，爬楼梯时 放下履带机构，驱动轮椅爬楼梯，如图1 - 4 ( b ) 所示，其代号为“s a k a d a n k u n 。 法国t o p c h a i r 公司生产的电动爬楼梯轮椅见图1 - 4 ( e ) ，其原理与“s a k a d a n k u n 类似，也是依靠轮组与履带的转化来实现平地运动与爬楼梯动作。 履带式爬楼梯轮椅现已全面推向市场，很多医院、酒店等公共服务机构都 可见到其成熟产品。但是因其平地行走不灵活，自重较大，转弯比较费力，使 用过程中噪声较大，限制了其在日常生活中的推广与使用。 4 ( a ) b a r o n m e a d ( 英国) ( b ) s a k a d a n k u n ( 日本)( c ) t o p c h a i r ( 法国) 图1 4 履带式爬楼梯轮椅 2 1 3 步行式 步行式爬楼梯轮椅的爬楼梯过程类似于人上下楼梯的过程，爬楼梯时先将 轮椅抬高一定高度，再水平向前移动一定距离，如此便可爬上一阶台阶，反复 这两个动作，就可爬完整段楼梯【3 】。早期的爬楼梯轮椅一般都采用这种方式， 1 8 9 2 年b r a y 发明的第一台爬楼梯轮椅即为步行式。 图1 5 ( a ) 是一种双足行走机器人，代号为“w l 1 6 r i i i ”，由日本早稻田大 学理工学院与日本机器人开发风险企业t m s u k 联合开发。它由四条机械腿构成 其行走机构，每条机械腿都可向前、后、侧面移动，其相关位置都装有陀螺仪 和压力传感器，可以随时调整机器人的状态，保证机器人的可靠性和使用者的 安全性，但是其操作非常复杂，对使用者有一定要求。 日本长崎大学机械工程系集步行式与轮组式设计理念于一体，开发了一种 高阶爬楼梯装置【9 】，如图1 5 ( b ) ，其依靠星形轮的翻转完成上下楼梯动作，通 过传感器检测信号，控制液压机构保持装置在爬楼过程中的稳定。它的最大优 点是爬楼幅度较高，甚至能自行上下货车。 步行式爬楼梯轮椅爬楼时运动平稳，可以适应各种楼梯的使用；但其需要 一个良好的控制器，并且操作复杂，平地行走缓慢；座椅位置较高，使用者容 易造成心理恐惧，距离实际应用还有很大的距离。 5 ( a ) w l 一1 6 r i i i ( 日本)( b ) 高阶爬楼梯装置( 日本) 图1 - 5 步行式爬楼梯轮椅 1 2 4 其他辅助爬楼装置 现有的辅助爬楼装置基本可分为两种：第一种是在现有的轮椅上附加辅助 装置即可实现爬楼梯的轮椅。如德国a l b c r 公司开发的s c a l a m o b i l c 爬楼梯辅助 装置是其比较有代表性的一款产品，见图1 - 6 ( a ) 所示。它左右两侧各有两组独 立于轮椅的爬楼梯轮，与轮椅结合后，依靠两组轮子的翻转实现爬楼梯功能； 同时安装自动刹车装置，防止爬楼过程中车轮的打滑。s c a l a m o b i l c 几乎适用于 所有楼梯，而且体积小、重量轻，可以方便的存放和携带；其不足之处是需要 在辅助人员帮助下才能使用。图1 - 6 ( c ) 是一种手动爬楼梯轮椅，由清华大学精 密仪器及机械系康复工程研究中心研发而成。它通过对普通轮椅的改造，在普 通轮椅两侧加装一套平行四杆机构，通过人力来驱动轮椅平地行驶和爬楼梯【3 1 。 它结构简单、造价低廉，操作简单；为了解决轮椅在爬楼过程中的稳定性，在 其进一步研究的基础上，对其进行了一些改进【1 0 】，见图1 6 ( d ) ，主要是将爬楼 梯杆改成带有橡胶的牙齿弓形，爬楼梯时弓弦可以和与台阶边沿紧密接触，具 有一定的卡位作用，增加了轮椅爬行过程中的稳定性。 第二种是轨道式爬楼梯装置，通过在楼梯上安装轨道来实现轮椅等机械装 置的上、下楼运动l l 引。加拿大g a r a v e n t al i f t 公司生产了一种名为“g s la r t i r a 的轨道式爬楼梯装置，如图1 6 ( b ) 所示。它通过在楼梯上安装一轨道，设计一 沿轨道运动的平台装置，通过平台装置搭载轮椅上下楼梯。这类装置适用于别 墅、地铁站、商场等场所，但是普通公寓中铺设的代价过大，不切实际【1 2 j ，而 且楼梯形式各异，需要对轨道进行单独设计，代价过高，也不易推广【1 3 】。 6 择 j ( a ) s c a l a m o b i l e ( 德国) ( b ) g a r a v e n t a ( 加拿大) ( c ) 手动爬楼轮椅( 清华大学)( d ) 改进的手动爬楼轮椅( 清华大学) 图l - 6 辅助爬楼梯装置 综上所述，欧美等国对爬楼梯轮椅的研究已经有一百多年的历史，已有多 款成熟产品在市场上销售，但是大多价格昂贵，操作也较复杂，发展中国家的 普通人群难以接受。我国对爬楼梯轮椅的研究开始的较晚，也开发了一些样机， 并且申请了相关专利。但是由于多方面原因，特别是稳定性及安全性的隐患， 基本都还停留在实验室阶段，市场上还很难见到我国研发的成熟的爬楼梯轮椅。 纵观国内外各类爬楼梯轮椅的研究现状，除了轨道式爬楼梯装置外，大多数爬 楼梯轮椅都缺乏自主性，都存在一定的缺陷，还有很多问题值得我们深入的研 究。由此可见，开发一种价格低廉、功能多样的爬楼梯轮椅不仅可以解决部分 老年人和下肢残疾人士的出行问题，而且具有重大的社会意义和经济价值。 1 3 本文研究内容与安排 结合发展中国家国情，对比现有爬楼梯轮椅的优缺点，考虑其攀爬能力、 行驶性能、机构的紧凑型等方面的特点，设计了一种结构紧凑、经济实用，既 可在平路行驶、又具有爬楼梯和通过恶劣路面的多功能助力轮椅车。 本课题的主要研究内容安排如下： 1 、阐述多功能轮椅设计的社会背景与重要意义，归纳现有爬楼梯轮椅的国 内外研究现状，总结常见四种爬楼梯轮椅的结构特点与不足。 2 、分析比较各种爬楼梯轮椅优缺点，提出多功能轮椅车的总体设计方案， 并设计轮椅车各部分结构，计算越障机构( 星型轮机构) 的结构尺寸，说明其越 障机理，对驱动电机、电磁离合器等部件的参数进行设计。 3 、通过适当的假设，提出轮椅车的运动学模型，分析了轮椅车的爬楼过程， 并对其进行分析；同时，从侧倾角、极限越障高度、爬坡能力、轮椅的稳定性 等四个方面分析轮椅车的行驶性能。 4 、分别建立轮椅车的平地行走和越障的1 2 力学模型，并根据静力学求其 越障力学方程，推导轮椅车最大越障高度的影响因素；运用虚功原理，建立轮 椅车星型轮系越障的动力方程，求出其越障高度数学模型，在m a t l a b 中进 行越障高度影响因素分析。 5 、对轮椅车的虚拟样机模型进行动力学仿真，模拟轮椅车的爬楼工况，验 证爬楼机理的正确性，对轮椅车在特定楼梯和三种典型楼梯下爬楼过程中的重 心波动、轮椅车倾角、功率等进行分析与对比，验证设计的正确性和可靠性。 6 、在总结本文工作的基础上，对以后的研究进行展望。 8 第二章轮椅车的总体设计 2 1 轮椅车的总体方案 2 1 1 概述 针对轮椅车的使用群体年老体弱者以及下肢伤残者，其设计必须满足 以下要求： ( 1 ) 平地、楼梯两用，并且保证轮椅车平地行驶模式和爬楼梯模式之间的 切换平滑； ( 2 ) 平地行驶效率高，操作方便简单； ( 3 ) 爬楼时重心波动较小，具有良好的稳定性和可靠性； ( 4 ) 越障时，轮椅车车体会发生倾斜，使用者可能会产生心理恐慌，因此 必须设计重心调节功能； ( 5 ) 轮椅车上下楼应与我们日常习惯一致，避免反向上楼给使用者带来的 不便，同时确保上下楼过程中的安全性。 分析现有的三种典型爬楼梯机构，综合比较其优缺点，见表2 1 ： 表2 1 典型爬楼梯机构的性能对比表 爬楼梯机构形式轮组式履带式步行式 机构复杂程度简单一般复杂 越障能力差一般 好 移动速度快较快慢 能耗量小较小大 机构控制难易程度易一般复杂 可以看出，星型轮式越障机构优势突出，结构简单，成本低，而且传动机 构容易布置，因此本课题采用三轮组式的星型轮式越障机构。 综合考虑我国国情和普通消费者的购买能力，在常用的三种爬楼梯机构的 的性能对比分析，同时满足轮椅车的设计要求的基础上，开发了一种既可满足 爬楼梯功能，又安全可靠，操作方便，通用性好而且价格适中的星型轮式多功 能电动爬楼梯轮椅车，下文中均简称其为轮椅车。 2 1 2 轮椅车的总体设计 轮椅车的总体设计如图2 1 所示，主要由越障机构( 星型轮机构) 、车架、 座椅和座椅调平机构、驱动机构和转向机构等组成。 9 图2 - l 多功能轮椅车总体设计图 ( 1 ) 越障机构。本课题采用四对三轮组式星型轮机构，前后左右分别对称 安装，通过星型轮的公转和自转实现平地行驶与越障的转换，以便顺利通过各 种路况；星型轮小轮之间通过链连接，具体结构尺寸与原理详见第2 2 节；每 组星型轮一侧安装一对电磁离合器，通过电磁离合器的通与断控制星型轮支架 的翻转。 ( 2 ) 车架。车架是整个轮椅车的基体，应结合轮椅车总布置的要求来设计， 还应具有足够的强度和刚度，保证轮椅车可以顺利通过各种复杂路况；质量要 尽可能小，应布置的离地面近一些，使轮椅车重心降低，有利于提高轮椅车的 行驶稳定性。 ( 3 ) 座椅和座椅调平机构。座椅起着支承人体，使轮椅车操纵方便和乘坐 舒适的作用，因此在设计时要充分考虑使用者的要求。座椅调平机构采用了一 种滚道滑轨式结构，其原理如图2 2 所示。该结构主要由滚轴和一个圆弧形轨 道组成，圆弧轨道固结在车架上，滚轴一端连接座椅，一端安装有轴承，通过 轴承在圆弧轨道中的滚动，实现座椅调平的目的。 l o 变絮 图2 2 滚道滑轨式座椅调平机构原理图 ( 4 ) 驱动机构。原理图如图2 3 所示，采用电机中置，齿轮传动与蜗轮蜗 杆相结合的传动方式，以使电机的动力可以有效的传递给星型轮结构，驱动轮 椅车运动。 电磁 图2 3 轮椅车驱动机构原理图 ( 5 ) 转向机构。鉴于设计的轮椅车车轮数目较多，如果直接采用前轮转向 或后轮转向，则同时有8 轮着地，并且需要同时转到4 个车轮才能实现转向， 所需的转向力将很大，造成转向困难。为了解决这一矛盾，我们单独在轮椅车 前部设计一转向轮，并采用机械式蜗轮蜗杆传动，平地行驶时使用者可以方便 的通过控制转向盘的转动实现轮椅车的转向，越障时依靠电机带动转向轮升高， 防止转向轮影响轮椅越障。 本