輪椅機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析與仿真測試

摘 要： 針對老年人、殘疾人失動(dòng)、失能問題，結(jié)合普通輪椅的成熟實(shí)用性，設(shè)計(jì)一款輔助輪椅移動(dòng)越障的裝置。基于平面三角型原理，對輪椅機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證；通過三維建模、數(shù)值計(jì)算對輪椅爬樓角度、跨越臺階活動(dòng)范圍進(jìn)行分析；仿真驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、履帶足傳動(dòng)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明輔助裝置與輪椅的結(jié)合可使爬樓角度達(dá)77°，最大活動(dòng)角度達(dá)54.36°，使整體重心始終處于三角形中心位置，可實(shí)現(xiàn)普通輪椅和輔助傳動(dòng)裝置的結(jié)合。在研究中提出共享分離方案，采用共享分離模式使輪椅的操作性更強(qiáng)、攜帶更方便、有效提高了輪椅出行效率，有效解決了老年人、殘疾人在復(fù)雜路況使用時(shí)的難題。

關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 輪椅機(jī)器人; 運(yùn)動(dòng)分析; 仿真測試

中圖分類號： TB9; TB472; TH789 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0120–07

0 引 言

社會(huì)大環(huán)境下，隨著人們生活質(zhì)量提高、壽命延長，伴隨而來的是老年人活動(dòng)能力下降、身體機(jī)能衰弱，并發(fā)癥如影隨形。普通輪椅在市面上已經(jīng)非常普遍，但隨著社會(huì)發(fā)展普通輪椅已無法滿足老年人的活動(dòng)范圍和功能的需求。

目前市面上的輪椅已具備越障功能，國外研制的越障輪椅造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受眾面小，很難符合國內(nèi)的實(shí)際情況。在國外研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)眾多科研人員也一直結(jié)合現(xiàn)狀更改結(jié)構(gòu)和增添豐富的功能。我國對于輪椅的研究和發(fā)展從2000 年才真正開始，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制出的國內(nèi)第一臺可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的智能輪椅開啟了我國智能輪椅的新時(shí)代。2007 年，姚玉峰、孫立寧等采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，將輪椅整體分為臥立模塊、爬梯模塊和助行模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，講述了輪椅的發(fā)展[1]。2015 年，朱花、汪舟設(shè)計(jì)了一種新型腿式爬樓輪椅，提高了爬樓效率[2]。2016 年，張迪、朱增寶等人設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)平地行駛和爬樓操作互相切換的新型輪椅，豐富了輪椅的功能[3]。2019 年，北京交通大學(xué)的翟羽佳研發(fā)出了一種輪腿復(fù)合式的新型輪椅，同時(shí)具備輪式控制簡單、效率高和腿式環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。2020 年，北京交通大學(xué)的韓進(jìn)偉首次利用繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)與履帶式爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出新式輪椅。通過前人的研究發(fā)現(xiàn)隨著智能輪椅迭代升級，推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展[5]。目前國內(nèi)外輪椅主要可分為以下三種：履帶式、輪腿式、復(fù)合式。市面上的輪椅過于注重表面功能的使用，例如坐姿臥姿變換、識別加熱、多功能面板調(diào)節(jié)等，這些不光造價(jià)昂貴并且受眾面很少考慮到普通群眾。前人研究注重整體化，超智能化，一款輪椅的使用不光是結(jié)構(gòu)上的更新升級，更是實(shí)用性與受眾面的結(jié)合。針對上述的問題，設(shè)計(jì)了一款普通輪椅輔助裝置，定位于智能輪椅與普通輪椅之間，既不需要智能輪椅昂貴的價(jià)格又擁有普通輪椅的受眾面。