多功能輪椅機器人的結構設計及其性能分析*

□袁磊

南昌航空大學 航空制造工程學院 南昌 330063

隨著人們生活水平的提高，人類的壽命在逐漸延長,伴隨而來的是人口老年化問題越來越成為社會關注的焦點；同時隨著工業化進度越來越快，汽車的數量也在逐年增加，因交通事故導致癱瘓和肢體殘疾的人也越來越多［1］［2］，這些人群都離不開輪椅的幫助。 普通的輪椅由于智能化程度較低、功能單一，已經不能滿足這類人群的需要，迫切需要運用現代高新技術的輪椅機器人來改善他們的生活質量和生活自由度［3］［4］。

筆者在分析用戶需求的基礎上，設計了一種基于輪式移動小車底盤的可升降多功能的輪椅機器人［5］，并進行結構建模和性能分析，得出可行性方案。

1 總體結構設計

1.1 功能設計

▲圖1 機器人車體結構圖

本輪椅機器人的主要功能包括：獨立后輪驅動控制，全方位轉動；輪椅升降可上下調節，縱向可擺動任意角度，直到水平姿態，下肢可聯動擺動；輪椅上附有折疊小桌和拐杖機構，滿足不同人群的使用需求［6］。

1.2 輪椅總體結構

本輪椅機器人主要分為上下兩部分，下部底盤是一個攜帶超聲波傳感器的四輪小車，上部是一個多功能座椅，兩者之間靠一個帶自鎖功能的可伸縮氣彈簧支撐，座椅的升降靠2個電機帶動齒輪齒條傳動完成，圖1給出了輪椅機器人的結構簡圖，輪椅機器人的主要尺寸數據如表1。

表1 輪椅機器人的主要尺寸數據/mm

2 輪椅各部分的工作原理

2.1 上下升降機構

升降機構主要靠一對齒輪和齒條的嚙合來實現，齒條焊接在一個帶有T型槽的導軌上，導軌與小車底盤相連。齒輪與電機軸相連，齒條與T型槽組成移動副，實現座椅的升降。升降機構在上升過程中，按下控制器上升按鈕，電源接通，電機轉動，經齒輪齒條副傳動，齒輪帶動氣彈簧伸長并自鎖，座椅上升，上升后的狀態如圖2(b)；下降過程，按下控制器下降開關，氣彈簧泄壓，在重力和氣彈簧緩沖作用下，座椅緩慢下降至初始位置,如圖2(a)所示。

▲圖2 升降過程示意圖

2.2 平躺機構

平躺機構的驅動是采用自鎖型的氣彈簧提供動力，靠背在氣彈簧的作用下可以從水平姿態恢復到正常姿態，利用氣彈簧的自鎖性使靠背在平放過程中的任意角度都可以停住。連桿機構的主要作用是使靠背和靠腳實現聯動，即在靠背放平的同時，靠腳也能上升，直至靠背、座椅、靠腳處于同一平面，其結構模型如圖3所示。

▲圖3 平躺機構結構模型

平躺機構的擺角機構采用一組雙搖桿機構，連桿1和靠腳固定在一起，連桿3與靠背固定在一起。當需要平躺時，打開氣彈簧開關，人體后仰，靠背就向后運動，靠重力壓縮氣彈簧，帶動連桿3繞關節旋轉，通過雙搖桿機構中的連桿2和連桿1，帶動靠腳向上擺動，直至水平姿態。當需要恢復座椅狀態時，只要人體坐起，打開氣彈簧開關，氣彈簧自動伸長從而恢復到初始狀態。

2.3 行走機構

考慮到本輪椅機器人的工作環境主要是室內和路況較好的室外環境，因此本輪椅的底部小車采用四輪式結構。這種結構優點在于動作平穩、移動速度可調、結構簡單和控制操縱方便等，圖4為筆者所設計的行走機構。

行走機構除了能實現直行、后退、轉向和避障之外，同時也是整個輪椅機器人的核心支架，升降機構控制驅動系統都裝在這個支架上。

2.4 輔助機構

本輪椅機器人針對經常閱讀和寫作的用戶設計了可收放的小桌，主要由兩塊活動塑料板構成，如圖5（a）、（b）所示。

▲圖4 行走機構

▲圖5 收放小桌

▲圖6 多功能拐杖用途

▲圖7 小車轉向模型

考慮到老年人和傷殘人士的使用需要，設計了兩根多功能拐杖，與輪椅靠背整合在一起，既可當輪椅平躺時的支撐，又可以取出當拐杖使用，如圖6所示。

3 輪椅轉向和升降性能分析

3.1 轉向性能分析

本輪椅的轉向是靠轉向電機、雙梯轉向傳動機構、齒輪齒條轉向器和行星齒輪差速器共同完成的，輪椅的轉向動力學模型如圖7所示。

根據阿克曼定理［7］中車輛轉向時各車輪純滾動的要求，對于后輪驅動的4×2輪式輪椅，轉向時必須滿足以下3個條件。

（1）通過前輪偏轉實現轉向，車輪偏轉的程度決定了輪椅轉彎半徑的大小。

（2）兩前輪作純滾動，要求內側前輪偏轉角α比外側前輪偏轉角β要大，內、外側前輪偏轉角α和β的關系為：

式中：K為兩轉向節立軸與前輪軸心線交點之間距離，K為500 mm；L為車輛前后軸距，L為450mm。

（3）轉向時，兩個驅動輪在同一時間內走過的路程是不相等的，外側驅動輪轉得要快，而內側驅動輪轉得慢，即：

式中：n1、n2分別為慢、快速側驅動輪轉速；R為轉彎半徑；B為后軸輪距。

▲圖8 雙梯形轉向傳動機構結構圖

本輪椅選用的雙梯形轉向機構［8］，結構如圖8所示，其中橫拉桿AD=BC的長l2＝90 mm；梯形臂O1A=OB的長l3＝150 mm；E為齒條滑塊，主銷后傾角φ＝2.5°。

本輪椅選定的轉向器是齒輪齒條轉向器，其齒條兩端球鉸中心距M＝250 mm，齒條軸線到梯形底邊的安全距離h＝50 mm。則梯形底角與K、M以及l2、l3的關系為：

當輪椅需要轉向時，只要使轉向電機正轉或反轉，則經過齒輪齒條轉向器后，齒條便會向左或向右移動一個距離s，如圖9所示。以右轉彎為例，齒條向右移動一段行程s后，通過左橫連桿拉動左梯形臂，使之轉過β角，同時右橫連桿向右推動右梯形臂，使之轉過α角。

▲圖9 雙梯形傳動機構的幾何關系

取梯形的右角定點O為坐標原點，可得出齒條行程s與內側輪轉角α的關系：

由式（1）得本輪椅機器人的轉向阿克曼角A為：

所以本輪椅機器人能有效轉向且不會發生漂移。由于本輪椅采用的是后兩輪獨立驅動，所以內外側驅動輪的轉速能夠滿足式（2）。加上本輪椅的速度要求不高，因此可以不用考慮由于加速度過大造成的轉向時側翻的問題。說明輪椅機器人的行走機構能滿足阿克曼轉向定理的3個條件。

3.2 升降性能分析

在SolidWorks三維軟件下建立齒輪齒條傳動三維模型，在轉換成.X_T格式導入Admas下進行座椅升降動力學仿真。齒輪齒條的模數是2 mm，齒輪的齒數是38，齒條長500 mm。如圖10所示，賦予材料屬性，建立好各項運動副后，給出初始約束。

座椅的質量G1取98 N，人體的質量G2取980 N，則齒條承受座椅和人體給予的向下壓力為：

▲圖10 Admas環境下各約束的建立

齒條的線速度v＝100 mm/s，齒輪的節圓直徑d＝84 mm，則升降電機的轉速為：

又升降電機功率P≈2 kW，所以齒輪受到的扭矩T為：

將計算結果輸入到模型中進行動力學仿真，可得到圖11、圖12、圖13所示的運動曲線。

▲圖11 齒輪的角位移隨時間變化圖

▲圖12 齒條質心線位移隨時間變化圖

▲圖13 齒輪副受力在XY軸的投影（其中實線是X軸上的投影）

根據圖 11、圖 12的運動曲線，可以認為電機功率、齒輪齒條副、運動參數的選擇和結構布置都能夠實現100 kg人體的升降。根據圖13的受力曲線，可得到所選碳鋼材料的齒輪齒條，以及焊接模型強度都能夠滿足。也可以認為該升降結構方案理論上亦是可行的。

4 結論

本文設計了一種多功能可升降的輪椅機器人，根據各組成機構的工作原理進行結構設計，包括獨立后兩輪驅動的行走機構、齒輪齒條傳動的升降機構、聯動的平躺機構、以及提供書寫小桌和支撐拐杖功能的輔助機構。著重分析了其轉向和升降性能，為輪椅機器人的設計的后續研究制作奠定了基礎。

［1］ 魯濤，原魁.智能輪椅研究現狀和發展趨勢［J］.機器人技術及應用，2008（2）:1-5.

［2］ 姚玉峰，孫立寧，杜之江，等.智能輪椅的研究與發展［J］.中國康復醫學雜志，2007，22(6):540-542.

［3］ 何清華，黃素平.智能輪椅的研究現狀和發展趨勢［J］.機器人技術及應用，2003（2）：12-16.

［4］ 廖曉輝，沈大中.智能輪椅的研究現狀與關鍵技術分析［J］.制造業自動化，2008（4）：1-6.

［5］ 全國 3D大賽優秀作品---多功能輪椅［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/42e3633e5727a5e9856a61b5.html.

［6］ Gregory Dudek，Michael Jenkin.Computational Principles of Mobile Robotics［M］.Cambridge:Cambridge University Press，2000.

［7］ 姜明國，陸波.阿克曼原理與矩形化轉向梯形設計［J］.汽車技術，1994（5）：17-19.

［8］ 張敏中.齒輪齒條式轉向器雙梯形轉向機構的優化設計［J］.江蘇理工大學學報，1994（2）：1-7.