星轮式电动爬楼轮椅的结构设计与稳定性分析

王 涛，申 燚，陈一鸣，文俊伟，袁明新

(江苏科技大学机电与动力工程学院，江苏 张家港 215600)

基金项目：张家港市香樟树众创空间项目(2018XZS05)；江苏科技大学大学生本科创新项目(2019JUSTZJG001)

作者简介：王涛(1997—)，男，本科生，主要研究方向为机械电子工程，wttzy02@163.com.

通讯作者：申燚，女，副教授，451628683@qq.com.

摘要：为了解决老人以及下肢残疾患者爬楼困难的问题，设计了一种星轮式电动爬楼轮椅。首先，采用可升降三星轮翻转机构实现轮椅爬楼功能，机构的升降实现了轮椅平地驱动与爬楼的切换，轮椅通过座椅调平机构可增加爬楼时轮椅的稳定性；然后，对轮椅爬楼过程进行力学分析，验证了轮椅爬楼时不会出现打滑现象；最后，结合能量法对轮椅爬楼时的前后向稳定性进行分析。数值分析表明，轮椅具有充足驱动力用以爬楼，能够在爬楼时不发生倾翻，具有乘坐安全和爬楼稳定的优点。

关键词：爬楼轮椅；三星轮；结构设计；力学分析；稳定性分析

中图分类号：TH113   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0025-05

随着我国经济的不断发展，高层建筑数量快速增加，老人以及残疾患者爬楼愈发不便。我国目前已进入老龄化社会，截至2017年底，中国60岁及以上老年人口已超过2.41亿，到2050年预计将达到4.87亿^［1］。因此，爬楼轮椅成为助老助残热点产品之一。王占礼等^［2］通过单轮毂电机驱动三星轮组进行爬楼翻转，爬楼机构结构紧凑，动作灵活，但动力有所欠缺，且对翻转过程中的平衡性考虑较少；李育文等^［3］设计了履带式爬楼轮椅，虽稳定性及其对各种路况的适应能力有所提高，但也加剧了楼梯的磨损；Quaglia等^［4］将三星轮与履带相结合，实现自动爬楼，但履带造成楼梯磨损的不足仍存在；周秋雨等^［5］通过在驱动轮上安装杆件翻转实现轮椅爬楼，但杆件前端橡胶套与台阶接触面积小，受力集中，易损坏。针对已有设计的不足，本文设计了基于三星轮翻转机构的爬楼轮椅，轮椅可分平地和爬楼两种工况进行结构自适应调整，前后两组星轮翻转机构以及座椅调平机构可保证轮椅的动力和稳定性。

1 爬楼轮椅总体设计

1.1 爬楼轮椅总体设计

爬楼轮椅结构如图1(a)所示，包括星轮翻转机构、底座升降机构、座椅调平机构和普通轮等。当在平地运动时，底座升降机构降低，靠4个普通轮支撑；爬楼时，底座升降机构升起，星轮翻转机构着地，调平机构同时调整以保证人体水平。星轮翻转机构如图1(b)所示，星轮架中心装有齿式离合器^［6］，当离合器吸合时，轮架与中心齿轮轴联接成整体，电机驱动三星轮组旋转，轮椅实现爬楼功能；当离合器分离，中心齿轮轴传动，分布在中心齿轮周边的齿轮带动3个星轮转动，实现三星轮平地驱动。