多功能爬楼轮椅

摘要

    轮椅是年老体弱这以及下肢残疾这必不可少的代步工具，但障碍物却使轮椅受到很大限度。现代由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。而多功能轮椅设计是履带其高通过性就像战地霸主坦克一样应对各种复杂地形，正常行驶时轮式工作。同时多功能轮椅在普通轮椅的基础上做了很多改进，主要结构包括;座椅.前后轮.履带及液压装置的配合可实现上下楼梯，可拆卸脚踏板可以让家人与病人有更多的互动，同时轮椅的折叠性能更方便收纳与携带，病人单独出行时可以通过扶手上的控制器遥控轮椅前进转向，让病人更加的自由省力。

关键词：轮椅.履带.液压装置

绪论

    轮椅是年老体弱这以及下肢残疾这必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大。但障碍物却使轮椅行动受到很大限制，因此研发价格低廉.简单易用的可翻越障碍物的轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任务。现代由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶.楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。解决这一问题的最好方法就是改进残疾人轮椅的机械结构，使其能够适应日常生活中所碰到大多数的地形。

国内外发展现状

    国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国.英国.德国和日本占据主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步比较晚，但近年来也涌进了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。

   日本千叶工业大学开发出了一款全新的轮椅，这个轮椅的独特之处就是能够轻易地在不平整的地面使用。这款轮椅配有一排感应器来探测障碍和地面变化，并能够自动进行调整。借助于四轮驱动和五轴的结构设计，该款智能机器人轮椅能够完成多种难度动作。

    平常，它箱普通的轮椅一样通过滚动前行，但是如果碰到台阶或者沟道的话，它的轮子就可以变成像腿一样通过障碍。使用者需要做的仅仅是通过操纵杆告诉它往什么方向移动，这个智能机器人轮椅会自动评估周围的地形然后做出正确动作。当然如果路面不平的话，它会自动控制座椅确保它保持水平。

常见设计方案

轮组式

轮组式的特点是每个·轮组依照星形轮的方式进行运动：平地行驶时，各小轮绕各自轴线自转;爬楼梯时，各小轮一起绕中心轴公转。

内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼梯时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。   

 上图为双联星形爬楼梯轮椅图

履带式

履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，技术较成熟，操作简单，行走时重心波动很小，对楼梯的形状.尺寸适应性强。英国Baronmead公司开发的一种电动轮骑车，底部是履带式传动机构，可爬楼梯的最大坡度为35度，上下楼的速度为每分钟15-20个台阶。法国Topchalr公司生产电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。

腿式

早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构主城。上楼时先将负重抬高，在水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式轮椅爬楼的原理。

复合式

    现今，爬楼装置一个研究创新点是将上述的轮组.腿式.履带机构相互组合，吸取各自的优点。比较广泛的组合思路有以下两种：一种是轮履.另一种是脚履。比如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系研制的一种小型全自动多种移动方式相融合的复合式越障轮椅。下图为轮履复合。

目前研究中所存在的问题

履带式的缺点就是对路面施加的强压力，不可避免的对障碍有一定的损坏，不适合绝大多数室内障碍。自重较大，平地行走时阻力较大，相对于其他结构，履带式转弯需要更大的动力，使用过程只能够噪音很大。这些都限制了它在日常生活中的推广，被接受程度低。

腿式爬楼装置有最好的地形适应力，但承载重量较小，具有较大危险性，且重心偏高。运动相对比较平衡，颠簸感轻微，但同时运动速度较缓。此外，该类型装置对控制的要求较高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。

复合式爬楼梯装置各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性.如何适应不同尺寸的楼梯.如何实现手动操作省力于省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。

方案选择

本次设计满足的性能;平地.越障两用；平地行驶效率高，操作方便简单；越障是重心波动缓和，稳定性好；不平坦地形下对系统的重心作适时调节，避免车体倾斜给使用者带来恐惧；轮椅结尽量简单，造价低廉。

为了满足上述要求，考虑到复合式具有良好的越障能力，所以本次设计采用轮履式复合机器人结构，正常行驶时轮式工作，采用四轮驱动；遇到障碍时履带工作，从而适应大多数地形；车身则采用自动导轨式调平结构，该结构简单，调节方便。

具体方案

多功能爬楼轮椅的轮履设计不同于常规的轮履式轮椅，改轮椅采用液压将座椅和车轮抬离地面使座椅下的履带与台阶接触，在爬楼的同时重心会前倾所以靠背位置采用可折叠设计，向后折叠使重心后移，从而实现爬楼梯。同时附加可拆卸脚踏车的设计。在轮椅没有电量的时候，或在不需要用到电动的情况下方便安装，让病人家属和病人一同出行更加舒适便捷，脚踏车座椅可伸缩性能更方便于不同身高的使用者。而且为了更方便粗糙和携带，在不使用的情况下节省空间，轮椅的多个节点均采用可折叠设计，包括座椅于靠背.靠背与头靠.遮阳伞.脚踏板等。可以让病人与家人出游时更加轻松。

致谢