曲柄星轮式爬楼梯轮椅爬升机构设计.pdf

收稿日期 2011 02 28 基金项目 国家 863 计划基金资助项目 2008AA040205 作者简介 王占礼 1961 男 汉族 吉林吉林人 长春工业大学教授 博士 主要从事 CAD CAM 机械制造自动化方向研究 E mail wangzl mail ccut edu cn 第 32 卷 第 2期 长 春 工 业 大 学 学 报 自然科学版 Vol 32 No 2 2011 年 04月 Journal of Changchun University of Technology Natural Science Edition Apr 2011 曲柄星轮式爬楼梯轮椅爬升机构设计 王占礼 赵德超 陈延伟 孟祥雨 长春工业大学 机电工程学院 吉林 长春 130012 摘 要 对爬升机构的结构进行了设计 通过性能对比 设计的爬楼梯轮椅爬升机构满足要 求 关键词 爬楼梯轮椅 爬升机构 曲柄星轮 中图分类号 TH122 文献标志码 A 文章编号 1674 1374 2011 02 0105 04 Structural design of the crank star stair climbing device WANG Zhan li ZHAO De chao CHEN Yan wei MENG Xiang yu School of Mechatronic Engineering Changchun University of T echnology Changchun 130012 China Abstract T he climbing structure is designed in the paper T hrough comparison the crank star stair climbing device can meet the requirements Key words wheelchair climb structure crank star turn 0 引 言 根据 2008 年开展的第二次残疾人抽样推算 我国各类残疾人口总数为 8 296 万人 残疾人占 全国总人口的 6 34 其中 60 岁及以上的老年 残疾人口为4 416 万 占残疾总人口的 53 2 与 1987 年相比 60 岁及以上的残疾老年人增加了 2 365万 占到总增加人数的 75 5 随着年龄 的增长 残疾人口的比例在不断上升 尤其进入老 年后 上升非常迅速 1 不断增加的残疾人口对 医疗和保健有着巨大的需求 成为我国面对的重 大社会服务问题 服务机器人的出现可以有效地 缓解医务人员不足的现状 提高残疾人的生活质 量 为我国社会的稳定发展起到积极作用 近年来 国内外许多公司 大学和研究机构 都对攀爬楼梯的助行系统进行了深入研究 也提 出了各自的产品或解决方案 美国著名发明家迪 恩卡门发明的 独立机动系统 iBOT 是目前星 型轮机构助行系统中较独特 性能指标最高的产 品 日本的 Freedom 轮椅很好地解决了上 下 楼梯时的姿态平衡 问题 2 英国的 BARON MEAD 轮椅车可在平地自由运行 还可拆卸为两 部分 便于装运 3 目前 爬楼梯轮椅操作复杂 体积和重量大 价格昂贵 所以在现实生活中没有得到广泛应用 例如 iBOT 成本较高 售价昂贵 近 29 000 美 元 对于普通的残疾人家庭来说只能望而却 步 4 Jianjun Yuan 和 Shigeo Hirose 设计的Zero Carrier I 型轮椅对传统的腿足式进行改进 但由 于脚轮尺寸太小 并不适于作为普通轮椅使用 而 且因为结构复杂 目前仍处于实验样机状态 5 曲柄星轮式爬升机构突破了传统的爬楼梯全自动 的概念 采取他人辅助上楼方式 在很大程度上降 低了爬楼梯轮椅的成本和难度 6 1 爬升机构工作原理 曲柄星轮爬楼梯轮椅的爬升机构由两套曲柄 星轮及链传动构成 其工作原理如图 1 所示 1 星轮1 2 曲柄 1 3 支撑体 4 星轮 2 5 曲柄 2 6 链传动 图 1 爬升机构工作原理图 两套曲柄星轮通过链条进行动力传动 通过 曲柄星轮的交替运动来完成爬升动作 以上工作 原理的具体实施方式如图 2 所示 a b c d 图 2 爬楼梯过程图 在 a 状态时 星轮 1 在下 星轮 2 在上 处在 准备爬升状态 此时曲柄 2 与星轮 2 绕曲柄轴顺 时针旋转 同时 由于链传动作用 曲柄 1 与星轮 1绕曲柄轴顺时针旋转直到 b 状态 在 b 状态 下继续以上运动即可达到 c 状态 在 c 状态下 星轮 1 与星轮 2 重合 此时已完成一次爬升运动 在 c 状态下继续运动至 d 状态 为下一次爬升 运动做准备 至此 一次爬升循环结束 下楼运 动与爬升运动相反即可实现 2 爬升机构结构设计 位于轮椅后侧的 4个轮子是爬升装置的运动 机构 爬升机结构如图 3 所示 106 长 春 工 业 大 学 学 报 自然科学版 第 32 卷 图 3 爬升机结构 在轮椅的内 外两侧框架上分别装有一对车 轮 每对车轮均由内 外轮构成 在下文中以位于 左边的爬楼梯轮子说明详细的机构组成 爬楼梯 的轮子在平地行走时是收起的 平地行走由前面 的轮毂电机轮驱动 左侧爬楼梯轮子由内外两个 轮子及两个传动轴组成 在此爬升装置中装有一 个轮组 轮组中的两个轮子相对偏心轴都是可旋 转的 并且两个轮轴有一定相对距离且联合驱动 驱动轴和轮子心轴相连接 其目的是使轮子心轴 上安装一个曲臂圆盘 其中曲臂圆盘成为轮缘 可以绕心轴同心旋转 其中轮组中两个轮子的驱 动轴之间的距离是轮子半径的 2 倍 至少应保证 约为 2 倍关系 当此装置在台阶上运行时 由于 轮组中轮子的偏心旋转 其中一个轮子向上翻转 落在台阶上 随之第二个轮子也向上翻转落在同 一台阶上 此时该装置已经完成一次爬升 接下 来第一个轮子继续向下一台阶翻转 由于第一个 轮子在向上翻转时第二个轮子作为支撑轮 所以 该装置不用再加额外支撑 由一个可逆电机输入动力 有链传动同时串 联地传递给两个驱动轴即可 其中把两个驱动轴 联合驱动的目的是 当两个轮子都相对于驱动轴 旋转 180 的时候 轮组中的两个偏心轮将同心 在这个爬升装置中 其轮组中的每个轮缘在心轴 部分轴向通过轴承挡圈定位 并安装轴承定向锁 因而轮缘可固定方向运动 即在爬楼梯时反向旋 转 因而即使在爬升时有轮缘刹车 爬升装置相 对楼梯的方向运动也是有可能的 因此可以加一 个刹车装置解决 例如自动控制电磁刹车装置 它可以阻止轮子继续移动而不用打断旋转运动或 行程运动 在爬升过程中 一个轮对可通过这个 刹车装置固定在楼梯边缘 另一组偏心轮对通过 旋转运动着陆在另一台阶上 这个轮缘可通过轴 承套安装在轮心轴上 在心轴上安装链轮 同时 在驱动轴上安装一个相同的链轮 两个链轮通过 链传动 传动比为 1 1 这个电磁刹车装置可安 装在心轴上或者轮缘上 在没有刹车动作时 刹车装置中的刹车盘和 轮子以相同速度转动 在刹车位置 通过刹车盘 轮缘锁死 爬升轮的行程运动由于偏心安装而不 受影响 由于链传动轮缘处于锁死状态 所以刹 车装置轴承定向锁的运动方向是可以被限制的 3 爬升机构稳定性分析 至今 iBOT 仍是世界上较为先进的爬楼梯 轮椅 它的工作原理源于基本的行星轮运动系 统 7 车轮能够围绕各自轴线转动 也能够随着系 杆作绕中心轴的转动 iBOT 轮椅驱动轮的直径 为 305 cm 运动轨迹的半径与车轮的半径是相等 的 其运动轨迹如图 4 所示 图 4 iBOT 的运动轨迹图 文中爬升装置轮子半径为 105 cm 其轨迹如 图 5 所示 图 5 曲柄星轮机构的运动轨迹图 107 第 2 期 王占礼 等 曲柄星轮式爬楼梯轮椅爬升机构设计 运动轨迹半径为中心至驱动轴的距离 二者 对比 iBOT 的运动速度很快 但是它的起伏很 大 文中所设计的虽然速度相对较慢 但是运动的 轨迹很平滑 使用时减少颠簸 提高了舒适度 4 结 语 文中主要完成爬楼梯轮椅的爬升机构设计 为今后进一步研究设计奠定一定基础 本设计的 优点在于爬升动作简单 控制容易 结构小巧 制 造成本较低 爬升效率较高 对于各种尺寸的楼梯 有较强的适应能力 可以适应一定范围内任意尺 寸的楼梯 爬升过程中重心变化小 运行平稳 参考文献 1 丁志宏 我国残疾老年人口 现状与特征 J 人口研 究 2008 4 3 4 2 Hashino Satoshi Development of crawl type stair lift for wheelchair users J Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Proceedings 1996 2 533 534 3 Hashino Satoshi Development of new type stair lift for wheelchair users J Proceedings of the Ja pa USA Symposium on Flexible Automation 1996 1 233 236 4 Lawn M J Ishimatsu T Modeling of a stair climb ing wheelchair mechanism with high single step ca pability J IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 2003 11 3 323 32 5 Victor Paquet David Feathers An anthropometric study of manual and powered