刘竞一＊ 许 伟 姚山鸽 刘金伟
（重庆电子工程职业学院 智能制造与汽车学院，重庆 401331）
随着电动轮椅在控制和安全方面的技术进步, 电动轮椅已普遍成为老年人或残障人士的代步工具。通常，一般的电动轮椅只具备在平地上运动的能力,而不具备越障、爬梯等功能。基于此，设计了一种新型轮-履复合电动爬梯轮椅，利用虚拟现实技术验证其爬梯的运动过程及安全性能。虚拟现实技术简称VR 技术，将VR 技术应用于机械设计，使用VR 软件构建虚拟现实的环境，采用三维的、动态的形式模拟产品的各构件，分析其运动模式，使观看者可以更加深入和全面地了解并体验产品。
1 爬梯轮椅模型设计
文章使用CATIA 软件对爬梯轮椅进行三维实体建模，对各个机构进行装配。
1.1 轮椅爬梯运动轨迹分析
履带式电动爬楼梯轮椅为曲线的运动轨迹，且由不同斜度的直线、不同方向的圆弧互相拟合而成的轨迹。对轮椅的轨迹规划方法做出如下假设，以简化运动过程的分析。
1.1.1 根据我国《建筑楼梯模数协调标准》标准，设置楼梯模型高度为150mm，宽度为320mm。
1.1.2 将轮椅上、下梯过程看成在二维平面上运动。由于轮椅基本上是一个左右对称的结构，因此轮椅上、下梯时不会出现侧向滑动，假设轮椅不转向爬梯，而只沿楼梯坡度方向运动。
1.1.3 在假设轮胎、楼梯、地面为刚体的前提下，履带与楼梯接触时，处于纯滑动状态。驱动轮与地面接触时，没有滑移，仅发生滚动。
1.1.4 履带三角形模型的建立。三角形履带上有三个旋转轮，其中前部顶端的旋转轮是主驱动轮。因此，对此驱动轮进行运动分析。但轮椅的升降机构以及调平机构、履带等对其重心有所影响，因此，将驱动轮的位置假设在轮椅重心处进行运动学分析。同时，由于是履带接触，驱动轮通过履带与楼梯接触，因此，在运动过程中，将运动状态定义为滑动状态进行受力分析。
1.2 轮椅结构设计
1.2.1 座椅调平机构结构设计。调平机构是我们设计的旋转滚动蜗杆装置。旋转滚动蜗杆装置与座椅通过三角定位销连接，可以根据用户需要进行拆卸。蜗杆被固定在基座上，蜗杆绕着蜗轮轴线旋转并同时在蜗轮上滚动，蜗杆旋转带着基座一起旋转，基座与座椅相连，从而调整座椅保持水平。
1.2.2 升降机构结构设计。升降机构采用了电动千斤顶。电动千斤顶在需要工作时，电机启动经过减速齿轮的减速增扭带动轴承旋转，轴承旋转来使千斤顶升高或降低。千斤顶还有过顶保护装置，达到限制高度就会自动停止，保护千斤顶超出轴承范围。
1.2.3 履带机构结构设计。履带是设计的三角履带。履带前部高于一节楼梯，方便履带爬楼梯。履带的环形链环采用橡胶材质，上下楼梯是避免了对楼梯造成损坏，也使履带具有一定的缓冲作用。履带机构拆卸后还可以装上储物箱用来搬运物品。
1.2.4 电动爬楼梯轮椅的整体装配结构。采用CATIA 软件进行三维模型设计。多功能电动爬梯轮椅分为两部分。轮椅部分，可以在地面自由行驶。含有调平机构、升降机构和履带机构的功能结构部分。两部分可以根据用户需要进行拆卸。多功能电动爬梯轮椅的三维模型如图1 所示。
图1 多功能电动轮椅的整体结构三维模型
2 工作原理
2.1 平地行走
当轮椅在平地行走时，履带收起，等同于普通的电动轮椅地面上行驶。
2.2 轮椅爬梯
轮椅采用前向爬梯方式，升降机构将座椅整体稍微上顶，履带前部三角边接触梯棱，爬梯开始；陀螺仪传感器检测座椅俯仰角的变化，并将数据发给主控板，控制板控制电机进行角度补偿，此时旋转滚动蜗杆调平机构逐步调节座椅角度，使座椅保持水平使轮椅实现平稳安全上楼。爬梯过程中履带正向旋转，克服重力。
2.3 轮椅下梯
轮椅下梯时，采用前向下梯方式，千斤顶将座椅整体稍微上顶，使后轮离地即可；陀螺仪传感器检测座椅俯仰角的变化，并将数据发给主控板，控制板控制电机进行角度补偿，电动旋转滚动蜗杆机构使人体保持水平。下梯过程中履带逆向旋转，克服部分重力产生的下滑力，轮椅缓慢下梯。
2.4 辅助起身或坐下
升降机构会将轮椅抬升高度，调平机构会使座椅向前倾斜。让用户的双脚直接站立在地面上，用户不用再像做传统轮椅那样，起身的时候还需要腿部用力来使自己站立起来。更加方便省力，由电动升降机构（千斤顶）与电动旋转滚动蜗杆机构（如20 所示）共同实现；升降范围：120～420cm；座椅角度调节范围：- 60°～60°；辅助老人起身或坐下时身体前倾。
2.5 轮椅折叠
“履带+千斤顶+旋转滚动蜗杆”可整体便捷拆卸，从轮椅后部拉出，轮椅可折叠。
3 基于VR 技术的电动爬梯轮椅运动仿真分析
根据电动爬梯轮椅的功能设计和结构特点。主要分为四个运动过程分析其稳定性：一是履带脱离地面前，二是轮椅整体脱离地面的这一过程，三是轮椅沿阶梯斜向上运动的过程，四是轮椅由阶梯斜面向顶部平台的一个过渡过程。在上、下楼时，电动爬楼梯轮椅的速度是保持恒定的，且相对较低，没有考虑惯性力的影响。将CATIA 建立的轮椅模型分解为零部件，导入VR 软件EVRC 对其运动过程及稳定性做出仿真和分析。轮椅爬梯的场景模型在3DMAX 中建立并进行了渲染。
3.1 脱离地面之前
在电动爬楼梯轮椅没有离开地面之前有三个阶段：在第一个阶段时，轮椅的履带机构爬上了第一阶，如图2（a）所示。第二阶段，轮椅继续行驶，从第一阶爬向第二阶，如图2（b）所示，这一过程中爬楼梯轮椅不易发生翻倒问题，因为此时轮椅的翻转中心相对位置是固定不变的，在履带的上前部。第三阶段，轮椅跃上了第二阶，开始逐渐倾斜，其稳定性渐渐降低，如图2（c）所示。
图2 电动爬梯轮椅脱离地面前VR 运动仿真
3.2 脱离地面过程
当爬楼梯轮椅即将脱离地面时，其翻转中心发生了转移，从履带的驱动轮转移到了第一阶与履带的交点上，如图3 所示。突变的翻转中心将使得梯轮椅向前发生翻倒的危险性增加，轮椅爬梯过程的安全性和稳定性降低。
根据分析，图3 为轮椅稳定性最差的阶段。这时，轮椅的翻转中心处于第一级台阶与履带的交点处，此时由于翻转中心发生突变，轮椅最容易向后发生翻倒。要提升此刻轮椅行驶的安全性，需要增加履带运动的速度，即增加动力，以克服翻转中心的突然移动而带来的危险，此刻需要的动力应为最大。
图3 电动爬梯轮椅脱离地面过程VR 运动仿真
3.3 沿楼梯斜面向上运动。
此时，轮椅已经完全脱离了地面，沿着阶梯斜面向上运动。轮椅的翻转中心在此过程中相对保持稳定，一直处于履带与较低支撑台阶的交点处。图3 是一个临界点，之前轮椅还由地面支撑，之后轮椅完全脱离地面斜向上行驶。
接下来是一个较为稳定的爬梯过程。但此时轮椅的机械机构设计十分关键。履带机构接地部分的长度须两倍于阶梯斜面的长度，且设计有支撑杆，其座椅调节结构——千斤顶和旋转蜗杆机构可微调节座椅位置，尽可能使轮椅的重心较为后置，以保证轮椅在上、下梯过程中翻转中心位于重心之前，尽可能避免发生翻倒的问题。
3.4 由楼梯斜面向顶部平台过渡。
当履带机构的驱动轮越过最后一级台阶后，轮椅的翻转中心又发生了突变，转移到了最后一阶与履带的交点处，如图4（a）所示。此时，轮椅的稳定性又有所下降。这也是一个临界阶段。
此时，轮椅已经运动到阶梯斜面顶端，开始向最后一级阶梯的平台过渡，轮椅的重心已经移动至平台上。轮椅在辅助支撑杆的作用下，平稳降落到顶部平台，如图4（b）所示。在这一个阶段，轮椅的安全性和稳定性逐步增强，直至平地运动状态。
图4 轮椅由楼梯斜面向顶部平台过渡VR 运动仿真
3.5 下梯过程
在下楼梯过程中，履带机构较易出现向前翻倒的问题。由于轮椅前部具有辅助支撑杆，实现了轮椅由顶部平台向阶梯斜面的平稳过渡。轮椅在离开顶部平台沿阶梯斜面向下运动回至地面的这一过程，翻转中心和稳定性变化与上梯过程类似。
