新型可爬楼梯式智能轮椅的研究与设计

新型可爬楼梯式智能轮椅的研究与设计
摘要：随着人口老龄化的加快以及残障人数的增长，为提高他们行动的自主性，构造了一种新型可爬楼梯式智能轮椅。

对爬楼梯轮椅进行了总体设计，主要
包括爬楼梯轮椅的需求分析、设计要求以及机械结构设计，利用CAD软件完成了
爬楼梯轮椅的二维设计。

研究表明该新型轮椅功能完善、移动灵活、操作简便、
安全度与舒适度高，具有一定的应用前景。

关键词：辅助工具；爬楼梯轮椅；履带式结构
中图分类号：TH 789
1引言
随着人口老龄化进程的加快以及残障人数的增长，人们对于医疗辅助工具的
需求越来越大。

轮椅因其灵活方便、操作简单和价格低廉等优点受到普遍欢迎，
并且逐渐向电动智能化轮椅的方向发展，然而目前的轮椅一般只能在平地上运动，并不具备爬楼梯和越障等功能[1]。

因此，为了缓解楼梯或路障对老年人和残障人
士生活上造成的不便，帮助其提高行动的自主性，研究一种具有爬楼梯功能的轮
椅有重大的现实意义和实用价值。

目前，国内外机构研制的可爬楼梯式轮椅按照不同的爬楼梯原理可分为轮组
式爬楼梯轮椅、履带式爬楼梯轮椅、腿足式爬楼梯轮椅和复合式爬楼梯轮椅[2]。

双轮组式爬楼梯轮椅能够实现自主爬楼梯的功能，但由于其体积庞大、驱动系统
复杂，限制了它的使用范围；腿足式爬楼梯轮椅爬楼梯过程平稳，但其对控制要
求较高且移动速度缓慢、能量利用率低；复合式爬楼梯轮椅是目前性能最为完善
的爬楼梯轮椅，但其价格高昂，普通家庭难以承受；履带式爬楼梯轮椅构造简单，不易打滑，运动平稳，并且能够适应各种形状不规则的楼梯。

因此，在综合分析
目前已有的各种爬楼梯轮椅优缺点的基础上，所设计的可爬楼梯式轮椅选择履带
式结构。

2可爬楼梯式轮椅的结构设计
针对目前国内外机构研制的的各种爬楼梯轮椅，分析比较其各自的优缺点并
结合我国的基本国情以及使用条件，在保证结构紧凑和操作简便的前提下，设计
一种安全性好且造价经济的爬楼梯轮椅，基本设计要求如下所示[3-4]：
(1)既可以在无障碍的平地上快速灵活行驶，同时兼具爬楼梯和越障的功能；
(2)能够适应《建筑楼梯模数协调标准》中规定的台阶尺寸；
(3)上下楼梯过程中能够确保乘坐者的安全性和舒适性；
(4)结构紧凑、体积适当、性价比高，易于投入实际生产；
(5)操作简单方便，易于控制。

本文所设计的新型可爬楼梯式智能轮椅不仅具备爬楼梯功能，同时还具备作
为普通座椅的功能，并且放置该轮椅时仅需较小的占地面积。

该轮椅结构紧凑，
经过折叠后体积更小，适合出行并且随时可折叠收纳。

该新型智能轮椅具有无线
遥控和手动控制两种模式，当轮椅距离乘坐者较远时，此时可通过遥控器将其
“召唤”至乘坐者身边；当乘坐者坐上轮椅后，此时可通过控制安装于轮椅扶手
上的按钮调节轮椅至最佳乘坐状态，所设计的新型智能轮椅二维结构如图1所示。

图1 轮椅结构图
为了使得所设计的新型智能轮椅具备爬楼梯功能，轮椅的履带需要由特殊材
料加工而成。

所选择的特殊材料应当具备适中的摩擦力，使得轮椅在爬楼梯时受
到较小的摩擦阻力，同时具有较高的稳定性使得轮椅能够平稳地停靠在楼梯上。

为了保证乘坐者在使用新型智能轮椅爬楼梯时具有较高的安全性，所设计的轮椅
扶手、座板与靠背为半包裹状态，同时还加装了安全带进一步保证乘坐者的安全。

所设计的新型智能轮椅采用四轮驱动结构，即在轮椅底部框架两侧处各安装
有两个电机，在保证能够稳定输出驱动力的同时也提高了轮椅的安全性能，且采
用四轮驱动结构便于减小电机尺寸，使得轮椅结构更加紧凑。

当轮椅同侧电机同
步运转时，另一侧电机可以同向等速运转，也可以同向异速运转或同步反向运转，从而使得轮椅能够自主行走或转弯。

为了使乘坐者的双脚能够摆放的更舒适，所设计的轮椅踏板为伸缩式结构，
通过控制轮椅上的按钮即可调节踏板的伸缩。

当踏板处于缩回状态时，此时踏板
放置于座板下端，控制调整按钮对踏板伸出长度进行微调。

处于缩回状态时的踏
板虽然放置于底座下端，但固定连接于座板底部，即保证了踏板与座板为同步旋转。

所设计的轮椅座板通过翻转铰链与底座相连，在中间部位连接有液压伸缩杆，采用此种结构的轮椅无论在爬楼梯还是越障时，其伸缩杆顶部的水平仪通过感知
轮椅的倾斜程度，将自动启动液压伸缩杆，此时座板根据液压伸缩杆的伸缩状态
围绕翻转铰链旋转，从而保证座板和踏板始终保持水平位置。

座板前端与底座相
连处设计有支撑弹簧，使得座板与轮椅框架连接更加可靠，还可减小轮椅越障时
产生的颠簸感进而提高乘坐舒适度。

为了使得新型智能轮椅在出行时方便收纳和减小占地面积，所设计的轮椅靠
背和扶手为可折叠结构。

在轮椅底座后端处安装有具有自锁功能的连杆结构，靠
背与连杆采用固定连接，扶手与靠背、扶手与座板、扶手拐弯处为铰链连接。

所
设计的可折叠式轮椅采用电机驱动。

当靠背处于直立状态时，可作为普通轮椅使用；当靠背处于后倾或平躺状态时，可作为躺椅或床使用，轮椅扶手使得乘坐者
在休息时更具安全感；当靠背处于折叠状态时，此时轮椅扶手也一同折叠，使得轮椅结构处于紧凑状态，方便收纳。

3可爬楼梯式轮椅的工作原理
所设计的新型智能轮椅采用四轮驱动结构，通过齿轮减速将扭矩传递至履带驱动轮，进而将电机输出的驱动力传递至履带，带动履带运动，进而带动轮椅整体运动。

轮椅采用四个电机分别控制四个驱动轮的驱动方式，当四个电机同步正转或反转时可控制轮椅前进或后退；当两侧电机同向异速转动或反向转动时可控制轮椅转弯或转向。

且轮椅采用四个电机驱动可以有效避免轮椅打滑，提高轮椅的安全性和稳定性。

4结论
(1)分析总结了国内外爬楼梯轮椅的研究现状和不同类型爬楼梯轮椅的优缺点，构造了一种新型可爬楼梯式智能轮椅。

(2)基于爬楼梯轮椅的设计准则，利用履带机构的越障能力，运用模型、CAD 辅助工具等，完成了可爬楼梯式轮椅的机械结构设计。

(3)根据爬楼梯轮椅的机械结构设计，通过电机驱动控制履带的运动，以提高运动平稳性。

(4)本轮椅的控制方式多种多样，可以手动按钮控制，也可以远程遥控，实现智能化操作，符合社会进步的要求。

参考文献
1.
王淑坤，陈辉，黄玉德，等. 一种多功能智能轮椅结构设计与仿真分析[J]. 机械传动，2019，43(1)：40-43.
2.
张建卓，刘佳. 可上下楼梯轮椅机器人的现状研究概述[J]. 现代制造工程，2016(1)：44-48.
3.
陈伟荣. 新型爬楼梯轮椅的结构设计与研究[D]. 南昌：南昌大学，2018.
4.
贾永祥. 新型轮—履复合式爬楼梯轮椅设计与实现[D]. 南京：南京理工大学，2016.
5.
谭庆昌，赵洪志. 机械设计[M]. 北京：高等教育出版社，2008：113-152．
2。