一種輪-履復(fù)合式爬樓梯輪椅設(shè)計與分析

蔡敬宇，馮立艷，李德勝

(1.華北理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所，河北 唐山 063210)

0 引言

我國現(xiàn)有老舊居民小區(qū)的樓房以樓梯為主，老年人和腿部殘疾人爬樓梯能力差，給生活帶來諸多困難。為解決此問題，本文通過對比及分析現(xiàn)有爬樓裝置的優(yōu)缺點，設(shè)計了一種輪-履復(fù)合式爬樓梯輪椅。

1 輪-履復(fù)合式爬樓梯輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計

輪-履復(fù)合式爬樓梯輪椅包括座椅單元、平地行走單元、樓梯行走單元和控制單元，如圖1所示。樓梯行走單元包括前履帶單元和后履帶單元，前履帶單元布置在輪椅下方，由電機一10驅(qū)動，通過電動伸縮桿13與前履帶單元主體15鉸接；后履帶單元布置在椅背后方，由電機二17驅(qū)動，通過支撐架18固定后履帶單元主體19。輪椅在樓梯上行走時打開前履帶單元和后履帶單元并使其共線，適應(yīng)樓梯20的斜度，進而使人體保持平穩(wěn)坐姿。控制單元通過控制電動伸縮桿13實現(xiàn)操控前履帶單元的功能，通過控制電機一10和電機二17實現(xiàn)上下樓梯的功能。

2 爬樓梯輪椅穩(wěn)定性分析

在設(shè)計爬樓梯輪椅時，其安全性和穩(wěn)定性是權(quán)衡設(shè)計的重要指標(biāo)。在現(xiàn)有的文獻中，用于爬樓輪椅穩(wěn)定性的判斷方法包括靜態(tài)穩(wěn)定裕度法(Static Stability Margin，SSM)、重心投影法(CG Projection Method)以及動態(tài)穩(wěn)定裕度法(Dynamic Stability Margin，DSM)等[1-4]。為使輪椅能夠安全、穩(wěn)定地爬上樓梯，對其爬樓梯過程的安全性和穩(wěn)定性進行分析非常必要。

2.1 爬樓越障能力分析

圖2為爬樓梯輪椅爬樓梯模型。前、后雙履帶打開時從B點到C點長為L1，L1=1 000 mm,前履帶單元長度為CD，后履帶單元長度為BE，單級樓梯寬度為M、高為H，輪椅整體重心在A點，爬樓梯時履帶與地面夾角為θ1。按GBJ101—87規(guī)定：樓梯踏步高度為140 mm≤H≤210 mm，樓梯踏步寬度為220 mm≤M≤320 mm，樓梯踏步高與寬的關(guān)系為:2H+M≤600 mm,本設(shè)計取H=150 mm、M=300 mm。

1-可折疊把手一;2-控制面板;3-伸縮桿;4-背靠板;5-可折疊把手二;6-座椅;7-可折疊把手三;8-腳踏板;9-萬向輪;10-電機一;11-電池箱;12-后輪;13-電動伸縮桿;14-鉸接桿;15-前履帶單元主體;16-固定板;17-電機二;18-支撐架;19-后履帶單元主體;20-樓梯;21-腳剎圖1 輪-履復(fù)合式爬樓梯輪椅整體模型

圖2 爬樓梯輪椅爬樓梯模型

當(dāng)輪-履復(fù)合式輪椅爬樓梯時，前、后雙履帶位姿保持直線平行狀態(tài)，為使其成功完成爬樓動作必須滿足前、后雙履帶打開時的距離L1大于2個相鄰樓梯級的寬度，即：

(1)

由式(1)可知，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以完成越障任務(wù)。

2.2 動態(tài)穩(wěn)定裕度法

判定爬樓梯輪椅穩(wěn)定性的問題，主要集中在輪椅爬樓梯過程中的穩(wěn)定性。通過定量計算，得出輪椅在爬樓運動中發(fā)生傾倒所需要的勢能，并對勢能進行定量化描述，運用穩(wěn)定度Ds[5]的概念可以得到爬樓輪椅的穩(wěn)定性。穩(wěn)定度Ds的表達式為:

(2)

其中：E0為輪椅在平地行駛時發(fā)生傾覆所需要的重力勢能；Et為輪椅在爬樓時發(fā)生傾覆所需要的重力勢能。

穩(wěn)定度Ds的區(qū)間取值為[-1,1]，當(dāng)Ds在0～1之間時，不會發(fā)生傾覆。輪椅在樓梯上發(fā)生傾倒和在平地上發(fā)生傾倒示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 輪椅在樓梯上發(fā)生傾倒示意圖

圖4 輪椅在平地上發(fā)生傾倒示意圖

圖3中，G1為輪椅爬樓時的重心,G2為輪椅爬樓傾覆時的重心。圖4中，G3為輪椅在平地時的重心，G4為輪椅在平地傾覆時的重心。有：

E0=mg(yG2-yG1).

(3)

Et=mg(yG4-yG3).

(4)

其中：yG1、yG2、yG3、yG4為各重心的Y方向坐標(biāo)。

本輪椅爬樓時相對于其在平地行走時的重心高度為0.48 m，其穩(wěn)定度如圖5所示。

圖5 輪椅的穩(wěn)定度

輪椅在時間t1以前為平地行走狀態(tài)，穩(wěn)定度為1；在t1～t2時間內(nèi)，輪椅為爬樓狀態(tài)，穩(wěn)定裕度為0.48，從t2點開始完成爬樓動作。輪椅在整個行駛過程中的穩(wěn)定度均在零以上，并且留有一定的富裕量。通過以上的定量計算和定性分析，采用合適的手段降低重心，并使輪椅重心后移，可以大幅提高輪椅的安全性和平穩(wěn)性。

3 ADAMS運動仿真

對爬梯輪椅進行ADAMS仿真，先設(shè)定好約束條件，進而設(shè)定好運動學(xué)及動力學(xué)系統(tǒng)相對應(yīng)的運動條件，之后通過軟件自帶的功能仿真輪椅在樓梯上攀爬的全過程。

首先給爬樓梯輪椅的各個部件以及樓梯添加材料屬性，樓梯設(shè)置為巖石，車輪設(shè)置為橡膠，金屬構(gòu)件設(shè)置為45鋼。創(chuàng)造履帶輪及履帶模塊，通過給履帶輪施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動帶動輪椅爬樓。將ADAMS軟件中的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動添加到爬樓梯虛擬樣機中，對履帶部分和臺階施加約束。設(shè)定的仿真參數(shù)如圖6所示。

圖6 仿真參數(shù)設(shè)定

通過觀察仿真結(jié)果得到輪椅質(zhì)心的位移、速度和加速度的變化情況，如圖7～圖9所示。

圖7 輪椅質(zhì)心的位移曲線

由圖7可知：輪椅在爬梯運動過程中，運動軌跡呈周期性波動上升，波動的幅度并不太大。

由圖8可知：X、Y、Z三個方向的速度都呈周期變化，由于摩擦力和車輪與地面彈性碰撞的存在，速度變化出現(xiàn)了抖動。

圖8 輪椅質(zhì)心X、Y、Z方向的速度變化曲線

4 結(jié)論

在臺階寬度有限的情況下，對輪椅越障能力進行了分析，結(jié)果表明，輪椅具有較強的越障能力，可以在樓梯上行走。

圖9 輪椅質(zhì)心X、Y、Z方向的加速度變化曲線

結(jié)合動態(tài)穩(wěn)定裕度法，分析了輪椅的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，輪椅在爬樓過程中不會翻倒，具有較強的穩(wěn)定性。

通過ADAMS軟件進行輪椅的運動學(xué)仿真分析，得到了輪椅的位移、速度和加速度曲線，可為其后續(xù)優(yōu)化提供依據(jù)。