小转弯半径的爬楼康复电液轮椅的设计

Design of an Electro-Hydraulic Wheelchair for Stair Climbing Rehabilitation with a Small Turning Radius

摘要: 背景：我国进入老龄化社会，2030年预估老年人3.4亿，占总人口1/4；人民对医疗水平要求不断提高，因此对轮椅的需求越来越大，但是市面产品存在很多问题，让使用者十分不方便。目的：1) 降低轮椅转弯半径，提升轮椅操控性和舒适性。2) 能够快速、平稳地、安全地爬楼。3) 能够帮助使用者进行康复训练，可以实现站、坐、躺、行走转换。方法：使用UG12.0进行3D建模，计算、选择符合参数的标准件中体积最小的产品，设计非标件；使用Automation Studio P7.0 Professional设计液压回路、进行液压仿真。结果：1) 低速行驶时，全车转弯半径360 mm，是市面无动力室内轮椅的1/2，室外电动轮椅的1/3。2) 高速行驶时，轮椅旋转角度明显减小，操控性明显提升。3) 爬楼速度明显优于市面产品。4) 可以帮助使用者进行站、坐、躺、行走康复训练。结论：该轮椅设计用简单可行、故障率低的结构解决了用户痛点，应该大力推广。

Abstract: Background: Our country has entered an aging society. It is estimated that there will be 340 million elderly people in 2030, accounting for 1/4 of the total population. People’s requirements for medical level are constantly improving, so the demand for wheelchairs is increasing. However, there are many problems with the products on the market, which makes it very inconvenient for users. Objective: This paper aims to 1) reduce the turning radius of wheelchairs and improve the controllability and comfort of wheelchairs; 2) be able to climb stairs quickly, smoothly and safely; 3) be able to help users with rehabilitation training and realize the conversion between standing, sitting, lying and walking. Methods: UG12.0 was used for 3D modeling, and the smallest product among the standard parts that met the parameters was calculated and selected, and non-standard parts were designed; Automation Studio P7.0 Professional was used to design hydraulic circuits and perform hydraulic simulation. Results: 1) When driving at low speed, the turning radius of the whole vehicle is 360 mm, which is 1/2 of the non-powered indoor wheelchairs on the market and 1/3 of the outdoor electric wheelchairs. 2) When driving at high speed, the rotation angle of the wheelchair is significantly reduced, and the controllability is significantly improved. 3) The climbing speed is significantly better than the products on the market. 4) It can help users to perform rehabilitation training of standing, sitting, lying and walking. Conclusion: The wheelchair design solves the user’s pain points with a simple, feasible and low-failure structure and should be vigorously promoted.

1. 引言

中国已经进入老龄化社会，2030年预计有3.4亿60岁以上的老年人，占总人口1/4；残疾人八千余万人；还有一些术后无法独立行走，需要在医院恢复、接受康复训练、使用轮椅出行的患者–轮椅具有广阔的市场前景。一款性能好、功能全面的轮椅能够极大地改善他们的出行，提升他们的生活满意度，让他们能够自理，减少护工、家属的经济支出、人力成本、精神牵挂。现有户外轮椅主要有转弯半径大、操控差、复杂路面行驶颠簸、爬坡慢、爬楼梯慢，需要改进。转弯半径过大，使用者无法方便地使用无障碍设施，如无障碍卫生间；而且爬楼轮椅无法在狭小的老旧小区楼梯内转弯、市面爬楼轮椅爬楼速度太慢，现有国内外爬楼轮椅实验样机爬楼速度慢、控制和结构复杂、安全系数差，这使住在无法加装电梯的老旧小区2层以上的使用者出行困难。

为了在保证功能、传动精确性的前提下减小轮椅体积，轮椅尽可能采用电控液压传动方案。

2. 转向架方案

2.1. 转向架方案解决的问题

如图1所示，由于市面轮椅没有采用转向架控制车轮转向，车轮存在随意旋转方向、轴向滑动，因此转弯半径大，国际标准化组织(ISO)规定轮椅回转半径应为1100 mm~1500 mm，美国轮椅制造商协会(RESNA)

Figure 1. WEILL unpowered wheelchair

图1. WEILL无动力轮椅

规定轮椅回转半径应为1219 mm，市面室内轮椅产品使用直径10 cm小轮，转弯半径大都大于800 mm，外轮椅转弯半径大于1000 mmm。建筑国标规定轮椅回转半径750 mm [1]-[3]。即使新建建筑空间满足国家规范要求，但使用无障碍设施、爬楼轮椅在楼道内转弯时，也会有局促，不便，受限等感受，需要多次调整才有可能使用，不能一步到位，针对以上问题，设计一款低速时转弯半径小的轮椅迫在眉睫[4]-[6]。还需要解决市面轮椅拐急弯时，容易出现“推头”现象，车轮打滑，降低操控性、安全性。

2.2. 国内外相关研究

2.2.1. 前轮转向

Figure 2. Front bogie wheelchair

图2. 前转向架轮椅

如图2所示，这是一个轴距1 m，轮距0.5 m的轮椅，采用前轮转向架，最小转弯半径2 m，此时内侧、外侧前轮转角分别为0.68、0.52 rad，对应39.0˚、29.8˚。如图3所示，由于轮椅体积过大，导致转弯半径过大，不满足户外轮椅转弯半径1.2 m的国标要求[7]。

Figure 3. Turning radius front wheel inclination curve

图3. 转弯半径–前轮倾角曲线

2.2.2. 带摇臂转向架悬挂系统的全方位移动平台

Figure 4. Bogie schematic diagram

图4. 转向架原理图

Figure 5. Prototype turning

图5. 样机转向

Figure 6. Steering module

图6. 转向模块

如图4~6，该移动平台用于智能轮椅的行走地盘模块，使用了前后两个转向单元，这两个转向单元能相对于地盘有三个自由度：水平面上旋转、矢状面的屈伸、冠状面的侧屈，其中水平面的旋转负责平台的转向，矢状面的屈伸、冠状面的侧屈能够让平台在不平的路面行走时保持操控性。由于轮胎过小，直径约10 cm，承载力差，所以车和使用者总重67 kg；车轮过小还导致无法使用轮毂电机，只能把电机放置在转向单元中，再通过多级齿轮减速，这套传动方案占用过多体积。两个转向单元分别使用两个电机和两个齿轮减速器传动，也占用过多空间，不太合理[8]。

2.3. 双转向架设计

设阿克曼角、内轮转角、外轮转角分别为γ、α、β，因为轮胎宽15 mm，小于胎距、轴距的1/10，影响不大，所以忽略不计。其中内侧车轮最大转角α = 45˚。

$\alpha =\beta +\gamma$ (1)

$\cot \beta -\cot \alpha =胎距/轴距=582/400=1.45$ (2)

解得阿克曼角γ = 22.38˚，外侧车轮最大转角β = 22.62˚。

2.4. 转向架转向模式

Figure 7. Dual bogies and swing cylinders

图7. 双转向架及其摆动缸

Figure 8. Calculation of wheelchair turning radius

图8. 轮椅转动半径计算

如图7、图8所示，转向架与整体式车架刚性连接，通过减震器间接连接车轮。转向架采用四连杆机构，四连杆机构结构简单、成本低、技术成熟、运动精确、摩擦小、寿命长、使用可靠，其中四连杆两腰的夹角为阿克曼角。

其中，双转向架旋转角度相同，旋转方向有同向转向、反向转向两种模式，分别实现不同的功能。

2.4.1. 反向转向

目的是在不打滑的前提下，尽量降低轮椅在低速时的转弯半径，这样能让使用者能够使用公共场所的无障碍设施，如无障碍卫生间等；在老旧小区爬楼时能在狭小的楼道内转弯。

如图8所示，如当轮椅向前行驶时左转，前转向架向左转，后转向架向右转，后退时，如果车尾左转，后转向架向左转，前转向架向右转。A、B、C、D分别为四个车轮中点，F、E分别是前、后转向架的转动中心，前、后转向架的转动半径分别是EA、FC，因此分别以A、C为圆心、EA、FC为半径作圆，交于G点，G点为轮椅的转弯中心，G点到轮椅的水平距离即轮椅的转弯半径，测量得360 mm，是市面无动力室内轮椅的1/2，室外电动轮椅的1/3。

2.4.2. 同向转向

如当轮椅向前行驶时左转，前、后转向架都向左转，后退时，如果车尾左转，前后转向架都向左转。

轮椅转向角小于等于45˚时，车身不会相对地面旋转，轮椅只是相对地面斜向平移；大于45˚，车身转向角 = 目标转向角−45˚。行驶时减少车身相对于地面的旋转角度，能够提高舒适性；也能防止拐急弯时出现推头，增大操控性。

2.5. 爬楼装置结构和传动设计

经计算后实际参数如图9所示，转向架采用电液传动驱动，相比电机 + 减速器方案转向力更大、占用更小的空间。选择L10液压缸，总长115 mm，总直径77.2 mm，驱动扭矩最大为340 NM，最大保持扭矩1200 NM。最大转角360度，工作压力21 MPa。采用电磁换向阀控制摆动缸的左旋、右旋、停车。

Figure 9. Hydraulic transmission diagram of the swing cylinder of the bogie

图9. 转向架的摆动缸的液压传动图

3. 爬楼装置设计

3.1. 爬楼装置总体设计

Figure 10. Track 3D diagram

图10. 履带3D图

如果图10所示，采用履带式爬楼对不同楼梯的适应性最好、结构最简单、功能最可靠。爬楼装置主要包含了履带及其传动装置、旋转和平移履带的装置，翻车液压缸三部分[9] [10]。

履带及其传动装置：使用电液传动，电机通过联轴器带动变量泵，采用变量泵–变量马达调速回路，油液从变量泵流出后，经过背压阀回到油箱。背压阀防止空气进入油路内，产生喘振、气蚀，使得运动不平稳、大大损伤液压元件寿命。

变量泵–变量马达调速回路占用空间最小，在不改变电机转速的前提下，通过电控改变变量泵、变量马达的排量，分别能恒转矩调速，也能恒功率调速，改变变量泵的压力角，可以实现恒转速调转矩，调速为无级变速，无冲击，调速范围大、可以用简单的电控实现；液压传动动载荷小，更平稳，使用者更舒适[10]-[12]。

旋转和平移履带的装置：为了使后置履带与姿势总成变成平躺位发生干涉，后置履带结构要能向后平移，向地面旋转，可以选择两个液压缸，或者一个液压缸和一个摆动缸实现。两个液压缸同时伸长，能实现向后平移；一个液压缸伸长，能旋转履带，如姿势总成转换为平躺时，需要把履带向后倾斜，留出空间，只要上面的液压缸伸长，下面的液压缸不动，就能实现履带向后倾斜；在爬楼时，为了让使用者有更好的视野，为了让坐垫角度旋转到接近水平，可以让上面的液压缸多伸长足够的距离。同时，上面的液压缸伸出足够的距离，避免把手磕到台阶。

翻车液压缸位于轮椅前部，在爬楼前向下顶，把轮椅向后放倒，使履带与楼梯接触。

车后面的扶手可以起到助行器的作用，辅助使用者进行行走训练。

使用换向阀切换所有的运动机构的运动方向、停车[13] [14]。

3.2. 计算履带参数

初选履带承重轮轮直径100 mm，履带轮轴直径20 mm，驱动轮直径50 mm。

所以功率仅计算考虑室内楼梯即可，根据国标规定室内楼梯坡度范围15:30到17.5:26，求得倾斜角22.9˚~33.9˚，速度为国标轮椅限速15 km/s的转速为

$n_2=60v_2/\left(2\text{π}{d}_2\right)=60\ast 3/\left(2\ast 3.14\ast 0.05\right)=573.14\text{ rpm}$ (3)

爬22.9˚坡道起步时，取sin22.9˚ = 0.39，cos22.9˚ = 0.92，则双侧功率：

$P4=\left(mg\ast r\ast \sin {22.9}^{\circ }+\text{umgcos}{22.9}^{\circ }\right)v_2=\left(0.39+0.05\ast 0.92\right)\ast 160\ast 9.8\ast 3/2=1.03\text{ KW}$ (4)

单侧驱动轮最大转矩：

$T_4=9550P_4/2n_2=9550\ast 1.03/\left(2*573.25\right)=8.93\text{ NM}$ (5)

爬33.9˚坡道起步时sin33.9˚ = 0.56、cos33.9˚ = 0.83，则双侧功率：

$P_4\max =\left(\text{mgsin}{33.9}^{\circ }\ast r+\text{umgcos}{33.9}^{\circ }\right)\ast v_2=\left(0.56+0.05*0.83\right)\ast 160*9.8*3=2.83\text{ KW}$ (6)

单侧驱动轮最大转矩：

$T_4\max =9550P_4\max /2n_2=9550\ast 2.831\left(2\ast 573.25\right)=24.56\text{ NM}$ (7)

根据机械设计手册，履带传动系数K = 1.2，再电机、机械传动、液压传动的损耗，电机功率总共多估算40%。

$T_5\max =T_4\ast 140\%=24.56\ast 1.4=34.38\text{ NM}$ (8)

$P_5\max =P_4\max \ast 1.4=2.83\ast 1.4=3=3.96\text{ KW}$ (9)

3.3. 电机选型

选择直流无刷异步电机，HY112/B3-72v4.0-1500，额定功率4 KW，额定转速n₁ = 1500 RPM，额定扭矩T₆ = 25 NM。当负载大时，异步电机能够恒功率调速，增加转矩，降低转速。

3.4. 变量泵 + 变量马达调速回路

初定液压马达额定压力p₁ = 31 Mpa，背压阀压力p₂ = 0.5 Mpa，则液压马达压差

$p_{马达}=p_1-p_2=30.5\text{ Mpa}$ (10)

液压马达阻力转矩

$M=T_5\max =34.38\text{ NM}$ (11)

变量马达所需最小排量

$V_{马达}=2\text{π}M/p_{马达}=2\ast 3.14\ast 34.38/30.5=3.54\text{ml}/\text{r}$ (12)

Figure 11. Main oil circuit simulation

图11. 主油路仿真

如图11所示，根据计算、仿真结果，选择液压泵。

3.4.1. 变量马达

Figure 12. Variable piston motor rotation direction and displacement adjustment mechanism

图12. 变量柱塞马达旋向、排量调节机构

如图12所示，选择Av5e28变量柱塞马达，排量V马达 = 28 ml/r，最大压力40 Mpa，最大转速2600 rpm，最大流量104l/min，最大扭矩223 NM。

3.4.2. 变量泵

Figure 13. 2D engineering drawing of variable piston pump

图13. 变量柱塞泵2D工程图

Figure 14. Variable displacement pump and pressure regulating mechanism

图14. 变量泵排量、压力调节机构

如图13、图14所示，变量泵选择了A10VSO71单向变量柱塞泵，最大排量71 ml/r，最大转矩100 NM。

3.5. 履带旋转、平移装置

3.5.1. 摆动缸 + 液压缸方案

初步估计，阻力臂导向轮和摆动缸轴心距l₁ = 770 mm，估算动力臂摆动缸和变量马达的轴心距l₂ = 80 mm，则摆动缸动力：

$F\ge l_1\ast mg/l_2=0.77\ast 160\ast 9.8/0.008=15092\text{ NM}$ (13)

所以选择BLDA-H180摆动缸，直径，缸体长392 − 392 + 40˚ * 0.96 = 392 − 449.6 mm，轴长210 mm。21 Mpa输出15570 NM，每度耗油量0.0178 L，最大偏转角度40˚。

根据摆动缸直径验算，摆动缸和变量泵边缘留10mm间隔，则

$l_2=40+10+149=199\text{ nmm}$ (14)

Figure 15. H140 swinging cylinder

图15. H140摆动缸

如图15所示，尺寸太大，舍弃。

3.5.2. 两个摆动缸方案

Figure 16. 3D diagram of two swinging cylinders

图16. 两个摆动缸3D图

如图16所示，根据整个轮椅质量m2，选择2个MOB-CA-φ30u液压缸，总长184 mm，总边长52 mm，活塞行程5~1000 mm。

3.6. 翻车液压缸

在爬楼之前，一个翻车液压缸向下顶，让车向后翻到的液压缸。选择MOB-B-φ32u液压缸，行程可调5~1000 mm，油缸内径直径32 mm，最大推力495 kg。液压缸总长153 mm + 行程，总边长52 cm。

3.7. 履带结构设计

如图16所示，最下方为驱动轮，与变量马达同轴相连；最上方为导向轮，仅起到改变履带运动方向的作用；其余为承重轮。驱动轮直径小于承重轮，增大驱动轮包角，有利于传输更大的转矩[14]-[16]。

4. 姿势转换总成结构和传动设计

姿势转换总成主要用于辅助使用者康复训练，使用者可以进行站、坐、躺、行走康复训练，可以定制液压回路实现静力关节牵引、主动关节牵引、被动关节牵引、抗阻训练。

4.1. 姿势转换总成结构方案

如图17、图18所示，姿势转换总成能够实现使用者坐位、辅助站位、平躺三种姿势的转换。姿势转换结构包括靠背、坐垫和固定小腿、踝足的踝足矫形器，以及改变他们相对角度的摆动缸。其中，前部的两个摆动缸，其中一个改变小腿矫形器和坐垫的角度，一个摆动缸使坐垫竖直或水平；后面的摆动缸改变坐垫和靠背的夹角；使用换向阀切换摆动缸正反转、停车——最终，有三种方案可以选择：

Figure 17. 3D diagram of posture transition structure (side view)

图17. 姿势转换结构3D图(侧视图)

Figure 18. 3D diagram of posture transition structure (back view)

图18. 姿势转换结构3D图(背视图)

电机 + 减速器的方案，因为减速比比较大，所以减速器的尺寸很大，占用过多空间，使用者舒适度和主观感觉差，舍弃。

电动缸的方案，因为电动缸不能直接实现旋转，因此结构比较复杂、旋转角度小，由于需要给电动缸留出足够多的运动空间，占用过多空间；电动缸易磨损，寿命短，噪音大，舍弃。

摆动缸可以利用最小的空间实现大传动比的旋转；液压传动平稳、噪音小，因此使用者舒适度和主观感觉最好，搭配液压阀可以用更简单的结构实现电控，所以选用该方案。用摆动缸实现使用者坐位、辅助站位、平躺三种姿势的转换。由于摆动缸转动角最大、螺旋摆动缸效率高，因此该方案效率最高，利于保证续航[17]-[19]。

使用者髋、膝、踝等下肢主要关节的屈肌和伸肌都达到3级以上之后，可以把躯干、下肢固定在轮椅上，轮椅支撑患者做站立的康复训练，这样不仅对使用者运动功能康复有很大的作用，而且对使用者全身的康复也有极大的作用，如防止骨质疏松、肌肉废用性萎缩、促进体液循环。对于有关节挛缩，没有痉挛的使用者，为了长期牵引使用者的关节，改善关节挛缩，可以定制由蓄能器组成的保压回路来控制摆动缸，这样可以在长时间静力牵引关节时，液压泵能够定时卸荷，减少不必要的能耗，保证轮椅续航。定制电液伺服阀，可以通过调节液压油压力调节摆动缸力矩大小，从而进行主动牵引、被动牵引、抗阻训练。

使用者髋、膝、踝等下肢主要关节的屈肌和伸肌都达到4级以上之后，可以推着轮椅进行行走康复训练，为使用者节省购买助行器的费用。

4.2. 力矩、作用力计算

$M_1=L_1\ast m_3\ast g=0.43\text{ m}\ast 65\text{ kg}\ast 9.8=273.91\text{ NM}$ (15)

$F_1=m_3\ast g=65\text{ kg}\ast 98=637\text{ NM}$ (16)

Figure 19. Swinging cylinder for changing the angle of backrest and seat cushion

图19. 改变靠背和坐垫角度的摆动缸

Figure 20. Two swing cylinders at the front

图20. 前部两个摆动缸

Figure 21. 2D diagram of H40 spiral swing cylinder

图21. H40螺旋摆动缸2D图

Figure 22. Hydraulic transmission diagram 1 of swing cylinder

图22. 摆动缸液压传动图1

Figure 23. Hydraulic transmission diagram 2 of swing cylinder

图23. 摆动缸液压传动图2

如图19~23所示，前、后转向架选择BLDA-H40-180-FA-F摆动液压缸，这是一种螺旋式摆动缸，缸体长100 mm，总直径98 mm，21 Mpa时输出扭矩162 NM，旋转角度180˚。

5. 总结

针对室内、室外轮椅转动半径大的问题，计算、三维设计了四连杆双转向架 + 两个摆动缸，同向转向降低低速时转动半径，使用者可以顺利使用公共场所的无障碍设施，轮椅能够在老旧小区狭小楼道内转弯、爬楼。降低了轮椅在高速时的旋转角度，增大舒适性、操控性，避免“推头”现象。

对于需要在没有楼梯的建筑上下楼的使用者，使用爬楼慢轮椅很不方便的问题，改善了爬楼速度，设计了电液传动并进行了3D模型设计，液压回路图的设计、电机和液压元件的选型、液压仿真，其中液压传动更平稳、占用体积最小，变量泵-变量马达调速回路调速范围最大，履带旋转、平移装置避免履带与姿势总成发生干涉。

姿势转换总成主要用于实现使用者的康复训练，使用者可以进行站、坐、躺、行走康复训练，可以定制液压回路实现静力关节牵引、主动关节牵引、被动关节牵引、抗阻训练，使用摆动缸改变踝足矫形器、坐垫、靠背的角度，占用体积最小、机械效率最高、运动最平稳，使用者的体验最好。

NOTES

^*通讯作者。