能爬樓梯的輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

能爬樓梯的輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檀小龍 210992350福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化摘要：本篇論文針對(duì)殘疾人上樓困難而設(shè)計(jì)的一款上樓輪椅，文中首先對(duì)國(guó)內(nèi)外各種爬樓輪椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在對(duì)比總結(jié)各自優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便的上樓結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用星輪行星輪結(jié)構(gòu)，在平地時(shí)，行星輪工作，上樓時(shí)，齒式離合器結(jié)合后整個(gè)行星齒系將變成一個(gè)剛性的整體而轉(zhuǎn)換為星輪結(jié)構(gòu)模式，即各個(gè)齒輪均不能自轉(zhuǎn)而只能隨整個(gè)箱體一起翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)上樓功能。車身則采用滑軌式自動(dòng)調(diào)平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。關(guān)鍵字：輪椅 星輪 滑軌式自動(dòng)調(diào)平結(jié)構(gòu) 履帶式 1.1 引言 目前市場(chǎng)上的輪椅存在一個(gè)很大的不足：由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜的地形卻顯得無(wú)能為力。很多場(chǎng)合尤其是室外比如銀行門前，購(gòu)物中心門前等都或多或少有幾級(jí)臺(tái)階，而對(duì)于室內(nèi)仍有很多地方?jīng)]有電梯，對(duì)于那些乘坐輪椅的殘疾人，他們?nèi)匀挥泻芏嗖槐?。?dāng)然，國(guó)家也花費(fèi)了大量的人力和財(cái)力在某些場(chǎng)所修建了相應(yīng)的輪椅坡道和其它公用設(shè)施以方便殘疾人活動(dòng)。但由于受各種因素的影響，這些措施起到的作用仍然非常有限。解決這一問(wèn)題的最好方法就是改進(jìn)殘疾人使用的行走設(shè)備，也就是說(shuō)通過(guò)改進(jìn)殘疾人輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)日常生活中所碰到大多數(shù)的地形。對(duì)于殘疾人輪椅車的改進(jìn)，已有不少人提出各種解決方案：有的使用履帶式的輔助爬升設(shè)備幫助輪椅上下樓梯，有的采用步進(jìn)式的結(jié)構(gòu)一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺儀控制兩輪結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，立起來(lái)上下樓梯，但這些方案都有一些不盡如人意的地方，比如：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，使用不便，不能很好的適應(yīng)平地行駛等，因而都未能得到較廣泛的應(yīng)用。正是基于此背景，一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格合適的上樓機(jī)器既能為殘疾人帶來(lái)方便，同時(shí)也具有巨大的市場(chǎng)容量。在畢業(yè)之際，于是選擇了殘疾人上樓為主題設(shè)計(jì)了星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓梯輪椅：該結(jié)構(gòu)采用星輪行星輪結(jié)構(gòu)，在平地時(shí)，行星輪工作，上樓時(shí)，齒式離合器結(jié)合后整個(gè)行星齒系將變成一個(gè)剛性的整體而轉(zhuǎn)換為星輪結(jié)構(gòu)模式，即各個(gè)齒輪均不能自轉(zhuǎn)而只能隨整個(gè)箱體一起翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)上樓功能。車身則采用滑軌式自動(dòng)調(diào)平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便,這也正是此設(shè)計(jì)的創(chuàng)新的地方。 1.2 上下樓梯輪椅發(fā)展歷史 上下樓梯機(jī)構(gòu)輪椅的研究已經(jīng)有比較長(zhǎng)的歷史，先后提出了各種各樣的機(jī)構(gòu)，如果按照機(jī)構(gòu)形式分類，可以分為行星輪式、履帶式、腿足式和平行四桿機(jī) 構(gòu)式等。機(jī)器人作為一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的多功能全自主的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)多年來(lái)一直是機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一但是非結(jié)構(gòu)環(huán)境給移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難 越障機(jī)器人的研究對(duì)擴(kuò)展機(jī)器人的作業(yè)空間，在人不能到達(dá)或不便到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，具有重要的意義。越障機(jī)器人還可用于工業(yè)中的一些險(xiǎn)難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。其中，移動(dòng)機(jī)器人從事各項(xiàng)事務(wù)響應(yīng)任務(wù)時(shí)，樓梯是人造環(huán)境中的最常見(jiàn)的障礙，也是最難跨越的障礙之一。國(guó)外對(duì)爬樓梯裝置的研究開(kāi)始得相對(duì)較早，最早的專利是1892年美國(guó)的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛開(kāi)始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。我國(guó)對(duì)此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來(lái)也涌現(xiàn)了很多這方面的專利，然而投入實(shí)際使用的還很少。上下樓梯機(jī)構(gòu)輪椅的研究已經(jīng)有比較長(zhǎng)的歷史，先后提出了各種各樣的機(jī) 構(gòu)，如果按照機(jī)構(gòu)形式分類，可以分為行星輪式、履帶式、腿足式和平行四桿機(jī)構(gòu)式等。行星輪式的典型代表為美國(guó)強(qiáng)生公司下屬的獨(dú)立技術(shù)公司研制出的爬樓梯輪椅IBOT。IBOTR的輪椅開(kāi)發(fā)歷時(shí)8年，耗資超過(guò) 1.5億，是迄今為止推出的最尖端的產(chǎn)品。它配有感知人一輪椅重心位置的陀螺儀和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以隨時(shí)調(diào)整重心位置以保證輪椅的平衡。IBOT結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，操作簡(jiǎn)便，可靠性、安全性等各方面指標(biāo)都很高，它不僅可以爬21厘米以下高度的樓梯和不超過(guò)厘米高的“馬路牙子，也能夠在沙灘、斜坡和崎嶇的路面和小山坡上前進(jìn)，而且能夠兩輪著地“站起來(lái)”直立行走，以使乘坐者可以升高到普通人的高度，也便于取放高處的物體。IBOT如此先進(jìn)，價(jià)格也不菲12.9萬(wàn)美元的高價(jià)可能使很多人望而卻步。除此之外，國(guó)內(nèi)外還發(fā)明了其它多種行星輪式爬樓梯機(jī)構(gòu)。由于存在這樣或那樣的問(wèn)題，盡管發(fā)明專利很多，真正推廣使用的卻很少。 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，其原理簡(jiǎn)單，技術(shù)也比較成熟。英國(guó)Baronmead公司開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車，底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為35°，上下樓梯速度為每分鐘15-20個(gè)臺(tái)階。法國(guó)Topchair公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí)，用戶通過(guò)適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個(gè)車輪收起，依靠履帶無(wú)需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能。履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動(dòng)輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處:重量大、運(yùn)動(dòng)不夠靈活、爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對(duì)樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問(wèn)題限制了其在日常生活中的推廣使用。 腿足式爬樓梯輪椅的主要特點(diǎn)是具有兩套支撐裝置，這兩套裝置交替支撐實(shí)現(xiàn)上下樓梯功能。由于這種爬樓梯方式類似于人類上下樓梯的過(guò)程，故也常稱之為步行式爬樓梯輪椅。早期的爬樓梯輪椅大多采用這種方式，例如1892年bray發(fā)明的第一臺(tái)爬樓梯輪椅就采用了這種方式。在爬樓梯時(shí)，先由其中一套支撐裝置支撐并抬高輪椅及另一套支撐系統(tǒng)，然后另一套支撐系統(tǒng)前移到臺(tái)階上；在臺(tái) 階上停穩(wěn)后，整個(gè)輪椅重心移到該支撐裝置上，先前那套支撐裝置則收回，如此循環(huán)，直到爬完整段樓梯為止。 腿足式爬樓梯機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：爬行速度較慢，對(duì)重心設(shè)計(jì)要求較高但如果加裝有傳感裝置則對(duì)不同尺寸的樓梯具有較高的適應(yīng)能力。為了解決腿足式爬樓梯機(jī)構(gòu)爬行速度較慢的缺點(diǎn)，有學(xué)者提出了平行四桿式爬樓梯機(jī)構(gòu)，就是在普通輪椅的兩側(cè)各加設(shè)一套由平行四邊形機(jī)構(gòu)組成的爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它用四條“腿”托送輪椅上臺(tái)階。平行四桿式爬樓梯機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但由于僅僅由四個(gè)點(diǎn)支撐整車，其平穩(wěn)度不高，安全性也不太好。綜上所述，為了較好地解決老弱病殘人員外出活動(dòng)問(wèn)題，其關(guān)鍵是提出一種比較完善的上下樓梯方案，且整個(gè)輪椅尺寸合適、質(zhì)量適中、安全性好、使用方便，最好能夠適應(yīng)不同的階梯尺寸，其價(jià)格也能為普通老百姓接受。此外，應(yīng)考慮爬樓梯過(guò)程往往只是整個(gè)外出活動(dòng)過(guò)程中的很少一部分，必須兼顧平地行駛情況?？梢钥闯?，雖然經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，老弱病殘人員出行問(wèn)題已經(jīng)得到了可喜的改善，但距離完美解決尚有不小的路徑要走。2.設(shè)計(jì)方案2.1 上下樓梯機(jī)構(gòu)的比較一臺(tái)輪椅要實(shí)現(xiàn)上樓功能，其關(guān)鍵是如何選擇合適的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在目前的研究中，能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)主要有步進(jìn)式，腳足式結(jié)構(gòu)，履帶式，輪式機(jī)構(gòu),輔助式機(jī)構(gòu)等，下面通過(guò)對(duì)這幾種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比和分析，為選擇本次設(shè)計(jì)要打好基礎(chǔ)。2.1.1步進(jìn)式 受火車的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的啟發(fā)，經(jīng)過(guò)思考，開(kāi)始想到一種連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)三個(gè)互成120度的曲柄帶動(dòng)三個(gè)踏板交替與樓梯接觸前行。在平路的時(shí)候和普通的輪椅車是一樣的，靠輪子行走，在爬樓梯的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)輪則切換成上述步進(jìn)機(jī)構(gòu)，較平穩(wěn)的沿著樓梯的棱邊往上爬，如同爬一個(gè)斜坡一樣。 圖1 經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)步進(jìn)式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，而裝配精度難以保證，從而使得整體性能會(huì)受很大影響。另外，這種步進(jìn)式結(jié)構(gòu)上第一級(jí)樓梯會(huì)比較困難，平地行走時(shí)其連桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)累贅，甚至?xí)绊懫淦降匦凶吖δ堋?.1.2 腳足式機(jī)構(gòu)從理論上來(lái)講，腳足式機(jī)構(gòu)是最靈活的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，可以解決大多數(shù)環(huán)境的行走問(wèn)題，但是，其機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制復(fù)雜，效率低，要實(shí)穩(wěn)定的高速行走，還有諸多問(wèn)題需解決。它的典型代表是美國(guó)的CMU的Ambler移動(dòng)機(jī)器人等，但仍在移動(dòng)速度慢，控制復(fù)雜，承載能力不足等諸多缺點(diǎn)，普及比較困難。2.1.3履帶式機(jī)構(gòu)履帶式機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較成熟的，在可以爬樓梯機(jī)器人等類似裝置中應(yīng)用比較廣泛，履帶型機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅應(yīng)用也較多。其主要特點(diǎn)是：越障能力強(qiáng)，且可以適應(yīng)不同的樓梯；行走比較連續(xù)，在上下樓梯過(guò)程中重心波動(dòng)小，運(yùn)動(dòng)相當(dāng)平穩(wěn)；履帶支撐面上有履齒，不易打滑 ，牽引附著性能好。但相比于輪式結(jié)構(gòu)，它存在機(jī)構(gòu)體積大，笨重，能量效率低；對(duì)臺(tái)階損壞大；轉(zhuǎn)彎不方便，由于履帶與地面的接觸面積大而且摩擦系數(shù)較大，所以對(duì)地面及履帶磨損都比較嚴(yán)重。2.1.4 輪式機(jī)構(gòu)輪式機(jī)構(gòu)輪椅廣泛地應(yīng)用于國(guó)外的一些爬樓機(jī)器人，其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，快速移動(dòng)，能量效率高，采用差動(dòng)傳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向半徑小，轉(zhuǎn)向靈活，在平地行走時(shí)有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但遇到臺(tái)階，樓梯等障礙物是就顯得力不從心。普通輪椅要想跨過(guò)臺(tái)階等障障物，其中一個(gè)必要條件是它的車輪半徑至少要大于臺(tái)階高度，而且跨越臺(tái)階時(shí)需要的能量很大，過(guò)程不穩(wěn)定，沖擊較大；而且樓梯寬度有限，如果一味的增加車輪半徑會(huì)導(dǎo)致輪椅在臺(tái)階上失去支撐點(diǎn)，這也是目前常規(guī)輪椅采用大的后車輪而無(wú)法實(shí)現(xiàn)爬樓功能的主要原因。 下面介紹幾種現(xiàn)有的典型上下樓梯輪椅，為進(jìn)一步了解以上各種機(jī)構(gòu)的使用情況，為本次設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)選型提供參考。2.1.5輔助式機(jī)構(gòu)輔助式機(jī)構(gòu)主要是指通過(guò)給普通輪椅加裝輔助機(jī)構(gòu)使其具有爬樓 功能。目前此方面的主要研究成果為在普通輪椅的兩側(cè)各加一套由平行四邊形機(jī)構(gòu)組成的爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)，四腿與輪椅原有的四個(gè)輪形成兩套支撐系統(tǒng)，通過(guò)四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，兩套支撐系統(tǒng)輪番著地，并將另一套支撐系統(tǒng)支撐托起送到上（或下）一個(gè)臺(tái)階。由于這種輪椅是以普通輪椅為基礎(chǔ)改造而成的，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，但是當(dāng)這種輪椅用四條腿托起輪椅上臺(tái)階時(shí)，是四個(gè)點(diǎn)支撐整車，因?yàn)槊總€(gè)樓梯的尺寸是不同的，這四個(gè)點(diǎn)如果落在臺(tái)階邊沿上，是很危險(xiǎn)的。1. DEKA IBOT（如圖2） 圖2DEKA IBOT共有三種運(yùn)運(yùn)模式，一種是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上前進(jìn)；如果遇到崎嶇的路面，沙土或斜坡，它就進(jìn)入四輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，靠四個(gè)輪子行走；第二個(gè)狀態(tài)是直立模式，只靠一地后輪接觸地面，就像中國(guó)武術(shù)里的“金雞獨(dú)立”；第三種是爬樓梯模式，兩對(duì)后輪交替爬到上一級(jí)臺(tái)階上。配備了一套計(jì)算機(jī)傳感器和陀螺儀，具備較強(qiáng)的自我平衡功能，使用智能手柄操作，最大爬坡能力30度，最大臺(tái)階高度21CM。一味的追求全自動(dòng)化的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念使得售價(jià)高達(dá)20萬(wàn)RMB，高達(dá)的費(fèi)使得它的推廣變得十分困難。 2 雙聯(lián)行星輪電動(dòng)爬樓輪椅此電動(dòng)爬樓梯輪椅是內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平教授與清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系的王人成教授共同設(shè)計(jì)的，它借鑒了IBOT的爬樓梯方式，采用了雙聯(lián)行星輪機(jī)構(gòu)（如圖3）。行星輪式爬樓梯輪椅的爬樓梯機(jī)構(gòu)由均勻分布在 “”形或“字形系桿上的若干個(gè)小輪構(gòu)成。各個(gè)小輪既可以繞各自的軸線 自轉(zhuǎn)，又可以隨著系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。在平地行走時(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)，而在爬 樓梯時(shí)，各小輪一起公轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。 圖3在平地行走時(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)，而在爬 樓梯時(shí)，各小輪一起公轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。整體結(jié)構(gòu)如圖所示，前面的小輪是導(dǎo)向輪，其轉(zhuǎn)向原理與汽車的轉(zhuǎn)向 梯形相同,個(gè)行走輪2，3尺寸相同，同側(cè)的兩個(gè)后輪軸是相聯(lián)的，左右兩側(cè) 也是相連的。個(gè)行走輪的連接示意圖和行星輪系工作原理見(jiàn)圖，其中一對(duì)行走輪中裝有電動(dòng)輪轂，平地行走時(shí)，由這對(duì)電動(dòng)輪轂驅(qū)動(dòng)后輪自轉(zhuǎn)；爬樓梯時(shí)，后輪自轉(zhuǎn)停止并自鎖，所有后輪由中軸上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，隨中軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，兩對(duì)輪交替進(jìn)行翻爬樓梯。 該雙聯(lián)行星輪機(jī)構(gòu)爬樓梯輪椅采用了效率高體積小的行星輪系作為爬樓梯 機(jī)構(gòu)，能夠較為輕松地實(shí)現(xiàn)上下樓梯功能，并選用了電動(dòng)自行車輪轂為行走提供動(dòng)力，使得整個(gè)輪椅結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，整個(gè)外形尺寸相當(dāng)于普通的輪椅，并省去了復(fù)雜的陀螺重心平衡系統(tǒng)，明顯降低了制造成本。但該機(jī)構(gòu)前后輪軸是相連的，左右兩側(cè)也是相連的，這樣將導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎困難，運(yùn)動(dòng)靈活性降低。而且車輪直徑較大，不適合在普通居民住宅樓梯上使用。這種爬樓梯輪椅也沒(méi)有得到實(shí)際生產(chǎn)和推廣使用。雙聯(lián)乃至三聯(lián)，四聯(lián)行星輪系在越障機(jī)器人上也有很廣泛的應(yīng)用。3 其它可以上下樓的輪椅介紹兩種國(guó)外的產(chǎn)品，一種是英國(guó)的BARONMEAD公司正在國(guó)內(nèi)經(jīng)銷的助推式上下樓電動(dòng)輪椅車，一種是德國(guó)PERFEKTA公司已經(jīng)發(fā)布的橡校履帶式電動(dòng)輪椅車。使用這種輪椅車時(shí)，一般由護(hù)理人員操縱更為安全。BARONMEAD上下樓梯輪椅車，自重34KG，最大載重130KG，上下樓梯速度每分鐘15個(gè)臺(tái)階左右，充足電后可連續(xù)上下樓梯800級(jí)。臺(tái)階限高25CM。 這種輪椅車可在平地自由運(yùn)行，可拆卸為兩部分，便于裝運(yùn)。PERFEKTA為履帶式傳動(dòng)，采用12V-15AH的蓄電池，12V/150W的直流電機(jī)，自重42KG，可爬坡樓梯的最大坡度32度。這種輪椅車除了可以單獨(dú)使用外，還可以作為普通的輪椅搬運(yùn)工具，直接把輪椅放在上面上下樓梯，因此作為車站，機(jī)場(chǎng)等移動(dòng)輪椅乘客的專用工具比較方便。而且，熟練操作可自行乘坐輪椅上下樓梯。2.2 上樓輪椅及其主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)比各種機(jī)構(gòu)及現(xiàn)有的上下樓梯輪椅，分析其各自的優(yōu)勢(shì)和不足，主要考慮控制的難易，使用的安全性，操作的方便性，最終選擇輪式結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)上下樓梯的功能，采用行星輪結(jié)構(gòu)。該方案是基于一種新結(jié)構(gòu)星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，如圖4和圖5所示。其基本結(jié)構(gòu)是具有三個(gè)行星齒輪的行星齒輪系，在中心齒輪外依次均布三惰輪和三行星齒輪，中心齒輪和惰輪、惰輪和行星齒輪間均為外嚙合，左右兩半箱體相聯(lián)接作為轉(zhuǎn)臂，由此構(gòu)成具有三個(gè)行星齒輪的行星齒輪系。在各行星齒輪軸系箱體外伸端分別固定一個(gè)車輪，箱體中心固定有齒式離合器固定端，齒式離合器活動(dòng)端與中心軸通過(guò)花鍵滑動(dòng)聯(lián)接，當(dāng)齒式離合器活動(dòng)端與固定端沒(méi)有嚙合時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)便處于行星輪結(jié)構(gòu)模式，此時(shí)驅(qū)動(dòng)中心軸便會(huì)驅(qū)動(dòng)三個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)，便可以在平地上行走。當(dāng)撥動(dòng)齒式離合器活動(dòng)端使其與齒式離合器固定端結(jié)合時(shí)，中心齒輪和箱體（轉(zhuǎn)臂）鎖死，從而各齒輪均不能自轉(zhuǎn)而只能隨整個(gè)箱體一起翻轉(zhuǎn)，整個(gè)行星齒輪系將變成一個(gè)剛性的整體而轉(zhuǎn)變?yōu)樾禽喗Y(jié)構(gòu)模式，此時(shí)驅(qū)動(dòng)中心軸便會(huì)驅(qū)動(dòng)包括行星輪系在內(nèi)的整個(gè)箱體翻轉(zhuǎn)，此種結(jié)構(gòu)模式可用于攀爬樓梯。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于，同一結(jié)構(gòu)通過(guò)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換得到兩種驅(qū)動(dòng)模式，分別適應(yīng)爬樓和平地行走，各自適應(yīng)性良好，并且結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便。 圖4 圖52.2.1 座椅調(diào)平結(jié)構(gòu)在上下時(shí)爬樓輪椅整體是傾斜的，坐在傾斜的輪椅上要使乘坐者感到不適，為了克服這一弊端和輪椅爬樓過(guò)程中重心的起伏，我們專門設(shè)計(jì)了一種滾道式的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)（圖6）。其主要由圓弧形軌道及滾軸組成?；壓附釉诘准苌?，滾軸通過(guò)螺紋連接固定的座椅底部的支架上，其軸端安裝有軸承可以在滑軌里滑動(dòng)，從而實(shí)座椅的調(diào)平。 圖六 2.2.2 星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)離合器的選用(1)牙嵌式離合器牙嵌式離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，承載力較大，從功能上講基本上可以滿足使用要求。但是牙嵌式離合器牙數(shù)較少，滿足我們使用要求的矩形牙嵌離合器只有7個(gè)牙，離合器的活動(dòng)端與固定端自然對(duì)正的幾率非常小，操縱時(shí)需要反復(fù)調(diào)整，很不方便。(2)電磁離合器電磁離合器在通電后依靠電磁力使活動(dòng)端與固定端結(jié)合，其操縱方便，只需按下開(kāi)關(guān)接通電源。電磁離合器有多種型號(hào)，有摩擦式的、牙嵌式的，有干式的、濕式的。摩擦式的重量都很重，不符合我們的使用要求。根據(jù)使用條件，只有牙嵌式電磁離合器DLY0系列符合要求。使用電磁離合器最大的優(yōu)點(diǎn)就是操縱方便，但是也有很多弊端，首先是重量問(wèn)題，電磁離合器本身就有1.5kg重，還需要專門配備蓄電池，勢(shì)必增加整車的重量。其次是可靠性問(wèn)題，電磁式的沒(méi)有機(jī)械式的可靠，爬樓時(shí)如果出現(xiàn)電磁離合器線圈突然燒壞或是蓄電池電量耗完的問(wèn)題，將會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。另外，蓄電池需要經(jīng)常充電很不方便，電磁離合器安裝精度要求很高，尤其是活動(dòng)端和固定端同軸度要求非常高，對(duì)加工和裝配都提出了很高的要求。(3)齒式離合器齒式離合器與牙簽式離合器比較相似，不同的是齒式離合器的齒數(shù)可以根據(jù)情況自己設(shè)計(jì)，可以取較多齒數(shù)。齒式離合器承載能力很大，根據(jù)我們的使用要求，可以取較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)，齒端面倒成尖角，這樣以來(lái)結(jié)合起來(lái)非常容易，操縱時(shí)不需要太多的調(diào)整。綜合分析比較，最終選擇了齒式離合器，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，操縱方便，安全可靠。（圖七） 圖七3 工作原理及性能分析3.1平地行走平地行走時(shí)采用行星輪驅(qū)動(dòng)模式，雙邊手搖驅(qū)動(dòng)，利用差動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)向。由于速度比較慢，人完全可以控制其速度，因而也不需要?jiǎng)x車。3.2翻越一級(jí)臺(tái)階等簡(jiǎn)單障礙如圖13，對(duì)于簡(jiǎn)單障礙可以正著直接上去，導(dǎo)向輪可以將萬(wàn)向輪懸起，如果障礙比較矮，可直接用行星輪狀態(tài)爬上去，如果障礙較高，可以撥動(dòng)離合器轉(zhuǎn)換為星輪狀態(tài)，翻越障礙。 圖 1 翻閱簡(jiǎn)單障礙 圖 2 上樓3.3上樓如圖14，將離合器結(jié)合，采用星輪驅(qū)動(dòng)模式，正著上樓梯，導(dǎo)向輪與樓梯外沿相貼，使得前輪不會(huì)被樓梯擋死，而且不會(huì)有太大的波動(dòng)。后驅(qū)動(dòng)輪每轉(zhuǎn)120度上一個(gè)臺(tái)階，并且具有一定的節(jié)奏性，中途可停留，安全省力。對(duì)于一般的樓梯后面不需要人扶，精確的重心設(shè)計(jì)保證了其不會(huì)后翻，對(duì)于特別的樓梯，為保證絕對(duì)的安全，可在后面增加一名輔助者防止后翻。圖 3 下樓3.3下樓如圖15，下樓時(shí)采用行星輪驅(qū)動(dòng)模式倒著下樓，由于下樓時(shí)震動(dòng)較大，速度控制難度大，容易后翻，因而下樓時(shí)需要一輔助者在后面扶持以防止傾翻。完成制作后，作品實(shí)物照片見(jiàn)圖16圖 4 產(chǎn)品實(shí)物照片5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用.(1)星輪行星輪可轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，通過(guò)在傳統(tǒng)行星輪結(jié)構(gòu)上增設(shè)一個(gè)離合器，使系統(tǒng)具有星輪和行星輪兩種驅(qū)動(dòng)模式；(2)平地上使用行星輪驅(qū)動(dòng)模式，爬樓時(shí)使用星輪驅(qū)動(dòng)模式，適應(yīng)性好；(3)導(dǎo)向輪與萬(wàn)向輪的巧妙結(jié)合增強(qiáng)了萬(wàn)向輪的越障能力；(4)同一傳動(dòng)鏈上設(shè)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，滿足了平地行走和爬樓時(shí)不同的傳動(dòng)比要求。本產(chǎn)品可廣泛用于社區(qū)，養(yǎng)老院，醫(yī)院等場(chǎng)合，適用于腿腳不便的殘疾人或老年人。相對(duì)于現(xiàn)有的可爬樓輪椅，我們的產(chǎn)品適應(yīng)性好、性價(jià)比高。在批量生產(chǎn)時(shí)成本可降至2000元左右，而據(jù)我們調(diào)查，武漢市唯一一個(gè)輔助爬樓裝置價(jià)格高達(dá)6萬(wàn)元，而國(guó)外具有相似功能的IBOT3000輪椅更是高達(dá)3萬(wàn)美元，相比之下我們的輪椅具有很好的市場(chǎng)前景。參考文獻(xiàn)1機(jī)械原理基礎(chǔ)篇/楊家軍 主編 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005年3月2機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)篇/吳昌林 姜柳林 主編 武漢：華中科技大學(xué)出版社 2005年3月3機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）/東北大學(xué) 編 北京：冶金工業(yè)出版社 1994年4月4楊家軍. 機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì). 華中科技大學(xué)出版社, 20005機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)/唐增寶 何永然 劉安俊 主編 武漢：華中科技大學(xué)出版社 1999年3月- 14 -