爬樓梯輪椅發展及關鍵技術的研究

程昱博 王碩 王源 劉政克 郝一江

摘 要 近年來，我國社會經濟飛速發展，同時住房人口密度也越發龐大，在這種建筑用地情況愈發緊張的背景之下，樓梯應用頻率也越來越高，增強了人們對于建筑空間的利用效率。然而也為殘障人士帶來了不便，爬樓梯輪椅的出現有效解決了殘障人士上下樓問題，本文主要探究了國內外爬樓梯輪椅的發展歷程，對其相關機械構造以及控制系統設計兩部分進行了綜合性的關鍵技術性問題闡述，同時也對未來的發展趨勢做出了展望。

關鍵詞 爬樓梯輪椅 機構設計 控制系統

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0073-03

1 研究背景

現階段最為普遍的建筑物在設計過程中沒有對殘障人士或是行動不便的老年人做出應有的照顧，或是規劃特殊通道。在這種背景下，建筑樓梯反而成為了殘障人士或是老年用戶的一個巨大障礙，在極大程度上妨礙了他們的日常出行，并且這一情況受到老年人以及殘障人士總量的影響，在日益惡化。

對于年老體弱的居民或是肢體傷殘的居民而言，輪椅屬于極為重要的代步工具，并在近幾年市場需求愈發龐大。然而，市面上普遍運用的輪椅僅僅能夠使用在平地之上，只有很少一部分擁有爬樓梯以及翻過路障的性能，從而就在極大程度上妨礙了輪椅使用的方便。再加上傷殘人士以及獨立生活的老年人渴望資深獨立生活，如此就致使輪椅的性能以及質量要實現持續性的優化完善。對此，現階段，眾多研究人員逐步加強了關于爬樓梯輪椅的研究力度。

近幾年，我國輪椅領域進展較慢，具有爬樓梯功能的輪椅在國內還沒有相應的成熟產品，社會生產力的進一步增強，帶動著人們生活質量的大幅度提升，如此老年人以及殘障人士的出行工作，逐步走進了大眾的視野，可見，研發出擁有爬樓梯的輪椅，擁有著極為重要的現實價值。在當前已有的爬樓梯器械之中，爬樓梯輪椅包含輪式、履帶式、多履帶式以及輪腿復合式、和輪履復合式等一系列，上述涉及工作的主要目的就是確保輪椅能夠適用于多種地形，并增強和接觸面的觸摸面積，從而提升牽引力以及輪椅的穩定性。除此以外，就是確保越過障礙時具有連續性，能夠增強綜合性的越障性能。

2 國內外研究現狀

近幾年，國內外諸多大學、企業和公司都加強了對于爬樓梯輪椅的研發力度，同時也提出了不同的最終產品以及應對方案。總體上看，依據不同的爬升結構，一般狀況下會應用到三種結構原理：第一種就是借助行星輪結構，這種結構在環繞自身軸旋轉的基礎之上，還設計出一個共有軸;第二種就是履帶輪型爬樓梯輪椅（如圖1所示）;第三種就是腿足式結構[1]。

現階段，國外為了確保乘坐輪椅人員能夠有效跨越樓梯，就會運用到建筑的緊急疏散運輸設施，也就是爬樓車，這種設備會將輪椅固定在爬樓車之上，隨后協助人員進行上下樓，使用過后再拆卸還原，整體流程較為繁瑣復雜，即便輪椅乘坐人員的上下樓問題得到了解決，然而，在缺乏爬樓車的情況下，仍然無法進行上下樓。

國內買爬樓輪椅的主要結構就是行星輪結構（如圖2所示），這種結構的爬樓輪椅結構簡單，再加上自身的自鎖機構能夠確保上下樓梯時不會出現傾斜的情況。然而，這種爬樓輪椅缺乏針對樓梯的適應性，從而，相關使用人員的舒適性以及可靠性就無法得到有效滿足。

對于履帶輪行爬樓梯輪椅而言，主要借助履帶輪結構，從而確保上下樓存在連貫性。然而，這種履帶輪型的爬樓梯已不能實現斜面與平面之間的平衡性轉換，并且整體結構厚重繁瑣，會在極大程度上損害樓梯邊緣，再加上運動時阻力過大，轉向工作困難以及能源損耗較高，從而在極大程度上妨礙了這種爬樓梯輪椅的運用以及普及[2]。

對于腿足式結構爬樓梯輪椅而言，主要原理就是仿照人體上下樓的肢體動作，借助一組或是多組退組交替升降，從而實現爬樓的效果，并且能夠有效適用于多種樓梯結構。然而，這種方式所具有的承載重心位置過高，側翻的可能性過大，再加上控制較為困難且結構過于復雜，因此，還需要長時間的優化以及完善才可進行大范圍運用。

3 爬樓梯輪椅系統關鍵技術

3.1 機械結構設計

3.1.1 爬升機構設計

爬升結構是爬樓梯輪椅系統整體結構設計工作的中心以及核心，星輪式、腿足式以及履帶式三種結構都可實現爬升樓梯工作。上述三種爬升結構之中，優點各不相同，在近幾年的爬樓梯裝置研發工作中，復合式爬樓梯設施仍是主要的研究方向。

3.1.2 輔助支撐機構設計

行動不便的老年人以及殘障人士是電動爬樓梯輪椅的主要受用群體，因此，對相關輪椅就有了較高水平的安全性要求。與此同時，在進行上下樓梯時，輪椅的質心位置、支撐狀況都會出現持續性的變化，從而對系統安全以及運動軌跡設計提出了更高水平的標準[3]。

要想確保爬升工作的安全性得到有效保障，就要確保爬升設施輪椅以及使用人員的整體重心持續保持在支撐裝置和樓梯支撐點的中間。相關爬升系統是在平地情況下開始運用，因此，會受到自身慣性的影響而產生后傾的情況，要想上述問題得到有效解決，就要在系統結構后端安置防后傾設施。要想確保上下樓梯過程的整體安全性得到有效保障，就要設置相關的鎖定設施，如果輪椅的傾斜角度超出了有關穩定性，所規劃的范圍就要立即鎖定裝置，使支撐設施及時停止在樓梯臺階之上。

站在乘坐人員舒適性的角度之上，輪椅要盡可能長時間維持水平，如果輪椅出現過度前傾或是后仰，就會威脅到乘坐人員的人身安全，如果輪椅出現后傾，乘坐人員的后背就會將重力集中在輪椅支架上，甚至還會加速輪椅后傾的情況出現。要想輪椅的椅面始終維持水平狀態，就要借助三點高副球鉸接結構，以此來作為輪椅的平衡調節結構[4]。

3.2 控制系統設計

3.2.1 控制系統結構設計

爬樓梯輪椅系統不但要擁有普通輪椅所普遍擁有的功能以及性能，在此基礎之上，還要確保電動輪椅擁有上下樓梯兩種運行方式，從而在控制功能方面，還要分別設置兩種互相獨立的控制系統，如此就可使得平地行走以及斜坡攀爬工作得到有效落實，從而在一定程度上加大了電動爬樓梯輪椅的設計難度，使之運動形式愈發復雜。對此，就要依據在不同環境下使用的輪椅，進行相應的動作結構設計控制系統規劃[5]。

3.2.2 控制系統算法

如果在環境不明朗的情況之下，應用爬樓梯輪椅，就要及時借助多種傳感器系統進行數據信息的收集工作，以此來確定周邊環境信息以及自身狀態，同時，還要借助相關的算法方式來實現數據信息的分析以及整合，從而更為完善的明確自身狀態以及周邊環境特點，最終，確保運動系統得到更加精確的數據信息。爬樓梯輪椅在使用過程中務必要實時性探究周邊環境情況以及自身狀態情況，因此，相關控制系統算法就要進行實時性的信息處理以及整合，并且還要確保相關信息數據的完整性以及科學性。

4 結語

目前，我國的人工智能技術、傳感器信息融合技術以及計算機技術等諸多先進技術，實現了飛速發展并取得了不錯的成果，從而也致使爬樓梯輪椅的研發工作取得了全新的成就，并逐步轉向為人機一體化。綜上所述，在未來幾年，電動爬樓梯輪椅必將大范圍運用于行動不便的老年人以及殘障人士的日常生活之中，從而顯著提高相關人群的生活質量水平，使其日常出行更加方便快捷，并使得樓梯以及路面障礙不會再妨礙到相關人群的出行體驗效果，確保有關人群更加高效地融入到社會生活之中。

參考文獻：

[1] 王宇飛，張慶.爬樓梯輪椅升降輪機構尺寸優化設計[J].機械設計與制造工程，2021（05）：1-5.

[2] 王燕燕，徐西凡，王長乾，等.一種輪椅爬樓梯輔助裝置的設計[J].陜西理工大學學報（自然科學版），2021 （02）：18-22.

[3] 張富強，張宇.國內爬樓輪椅車的設計研究現狀及發展趨勢[J].現代工業經濟和信息化，2019，09（08）：2.

[4] 章瑋濱，唐煒.行星輪式爬樓梯輪椅的設計與分析[J].機械傳動，2019，43（08）：5.

[5] 張林，黃亞宇.基于TRIZ理論的爬樓輪椅行走機構創新分析與設計[J].新技術新工藝，2014（10）：62-64.