电动爬楼轮椅综述

电动爬楼轮椅综述

李林

河北科技师范学院机械设计制造及其自动化专业

指导教师：郑玉才

摘要：上下楼梯是普通日常生活中很平常的一种，在那些大量不设电梯的七层以下的住宅楼房居住的居民，尤其是那些老年人和残疾人，上下爬楼在生活上会有诸多的不便。目前无论乡镇还是城市无一不在飞速发展，其中阶梯更是基本的设施之一。如上下汽车、地铁火车有阶梯；登越人行天桥和地下通道需要穿越楼梯；大型商场更是免不了要爬楼下梯。这些在我们看来异常简单的阶梯对那些腿脚不方便的残疾人来说想要通过是很艰难费力的。

关键词：楼梯;爬楼；老年人残疾人;

基于以上种种因素的考虑，我们设想能不能设计个可以实现上下楼梯的电动轮椅，我们通过在路面电动轮椅的设计基础上进行改装，解决人们在生活中遇到的上下楼梯难题。该电动轮椅的设计，方便了人们的生活。因此，这种电动爬楼轮椅的设计，无论是从实际应用方面还是理论研究方面，都是具有很高价值的。

1残疾人增长率

中国第二次全国残疾人抽样调查领导小组、国家统计局1日公布最新调查数据说，现在的全国残疾人口数量比1987年第一次全国残疾人抽样调查时增加了3132万，占全国总人口比例也提高了1．44个百分点。

公布的调查数据说，截至2006年4月1日，中国各类残疾人总数达8296万人，残疾人占全国总人口的比例为6．34％。同时公布的相关调查数据公报还显示，全国残疾类别结构也发生了变动，其中，肢体残疾和精神残疾分别达到2412万人和614万人，增长幅度比较大。公报说，本次调查数据丰富、真实、可信，将为中国经济社会和残疾人事业的发展提供可靠依据。

2国内外爬楼轮椅技术及发展趋势

国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。

总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。下面分别对国外、国内各种类型装置的发展作简要介绍，并分析其各自优缺点。

2.1履带式

履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动

结构，可爬楼梯的最大坡度为35°，上下楼梯速度为每分钟15--20个台阶。法国Topchair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。履带型机构的爬楼梯轮椅应用较多，它采用比星型轮机构更为连续的行走方式，传动效率比较高。在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动的，其重心的波动很小，运动非常平稳。履带式爬楼梯轮椅最大不足是平地行走时阻力较大，运动不灵活，在爬楼梯时履带容易损坏楼梯沿。为克服这一缺点，国内外提出过各种各样的改进机构，一种改进的轮－履带混合机构的爬楼梯轮椅，它在平地行走时利用轮式机构，爬楼梯时放下履带机构进行工作。

履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。

2.2轮组式

轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。轮组式爬楼梯轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在“Y”形或“+”字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转，而爬楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定；而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。

美国著名发明家Dean Kamen发明的了一种能自动调节重心的两轮组式轮椅iBOT。它有6个轮子，前面有一对实心脚轮，后面有两对行星结构的充气轮胎，通过两后轮交替翻转可以上下楼梯。iBOT几乎能适用于所有楼梯，此外它也能在沙滩、斜坡和崎岖的路面上行驶，而且后轮可以直立行走，为使用者提供了更多方便之处，帮助他们能达到正常人的高度。目前星型轮机构爬楼梯轮椅中性能指标最高的产品，它结构非常紧凑、运动灵活、操作方便.目前的iBOT3000型不仅能爬21厘米以下高度的楼梯和不超过15厘米高的“马路牙子”，在沙滩、斜坡和崎岖的路面和小山坡上前进，而且后轮能“站起来”直立行走，使坐在上面的人升高，可以取放位于高处的物体。iBOT3000已经获得FDA批准在欧美上市，售价相当于中高档轿车的价格。iBOT前面有一对直径10厘米的实心脚轮，后面有两对直径30厘米的充气轮。iBOT有3种运动模式：在平地上前进时，6只轮子同时着地，当遇到崎岖路面、沙土地或斜坡时，由4个后轮驱动行走；只靠

一对后轮接触地面的直立模式，iBOT可以保持这种站立姿势，也能直立行走；由两对后轮交替爬台阶的爬楼梯模式。iBOT不仅采用了比普通轮椅复杂的驱动结构，而且安装了多个感知人－轮椅重心位置的陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号时时调整重心的位置，使轮椅能够在不同路面和直立状态下保持平衡。国内外发明了多种星型轮式爬楼梯轮椅，除了iBOT3000外，大多数都采用3个或者3个以上星型轮，星型轮多的优点是轮椅爬楼梯时的稳定性好，缺点是体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用，这也是星型轮式爬楼梯轮椅尽管发明专利很多，真正实施和推广的却很少的主要原因。它最大的优点就是在轮椅重心安装了陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号调整重心的位置，使轮椅能在不同状态下保持平衡。经过数十年的研究开发，它己经由iBOT3000发展到了iBOT400O，功能也越来越强大，是目前该领域中性能最高的产品，它的售价在3万美元左右，相当于一辆中档桥车的价格，难以被普通使用者接受。

我国在上世纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究，1987年专利号为86210653的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。

轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。

2.3步行式

早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。

步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。

3结论

综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动机器人使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。