爬樓梯輪椅發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)的研究*

王占禮，郭化超，陳延偉

(長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130012)

1 引言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口密度越來越大的現(xiàn)代社會里，樓梯的誕生緩解了建筑用地日益緊張的壓力，提高了人們對空間的利用率。但是，目前常見的建筑物既沒有設(shè)計(jì)也沒有建造一個(gè)方便殘障人士及行動不便的老年人士出入的通道。在這種情況下，樓梯對于他們往往意味著一個(gè)巨大的障礙需要去克服，給他們的出行帶來了很多不便，影響他們與外界的溝通交流。而且，這一問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多［1］日益突出。

輪椅對于年老體弱者及肢體傷殘者而言是他們必不可少的代步工具，其應(yīng)用需求越來越大。但是，它們一般僅適合在平地上使用，很少具備爬樓梯和翻越路障的能力，這給輪椅使用者帶來諸多不便。由于傷殘者對回歸社會和獨(dú)立生活的渴望，促使輪椅的性能和質(zhì)量不斷完善和提高［2］。為此，目前也有很多人致力于爬樓梯輪椅的研究。

我國的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，考慮老年人及殘疾人對出行的方便性的需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。在目前已有的爬樓梯機(jī)構(gòu)中，爬樓梯輪椅的越障機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了輪式、履帶式、多履帶式、輪腿復(fù)合式、輪履復(fù)合式等的發(fā)展歷程［3］。這些越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的:一方面是為更好地適應(yīng)地形，增加移動機(jī)構(gòu)與接觸面的接觸面積，提高牽引力和車體的穩(wěn)定性;另一方面是為保障越障過程的連續(xù)性，提高越障能力和能源的利用效率［4］。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近幾十年，國內(nèi)外的許多大學(xué)、公司和研究機(jī)構(gòu)都對爬樓梯的裝置進(jìn)行了深入的研究，提出了各種各樣的產(chǎn)品或解決方案。總體而言，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同，通常采用三種結(jié)構(gòu)原理［4］，一種結(jié)構(gòu)是采用行星輪機(jī)構(gòu)，它們不僅繞自身的軸旋轉(zhuǎn)還繞一個(gè)所有輪的共同軸線旋轉(zhuǎn);一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬樓梯輪椅;一種結(jié)構(gòu)是腿足式結(jié)構(gòu)。

目前，國外為解決乘坐輪椅者跨越樓梯的方式是借助樓宇的緊急疏散的運(yùn)輸設(shè)備—爬樓車，即將輪椅臨時(shí)固定在爬樓車上，藉以上下樓梯，使用完畢后再放回原處，操作程序繁瑣。雖然能解決乘坐輪椅者上下樓梯，但在沒有配備爬樓車的樓宇就無法上下樓梯［5-7］。

國內(nèi)外爬樓輪椅通常運(yùn)用行星輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)上下樓梯［6-8］。對于行星輪型爬樓輪椅，結(jié)構(gòu)簡單，并利用自鎖機(jī)構(gòu)保證上下樓梯時(shí)不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應(yīng)性較差，不能滿足使用者對舒適性和可靠性的需求。

對于履帶輪型爬樓輪椅，在上下樓梯時(shí)采用履帶輪的方式，保證了上下樓梯過程的連續(xù)性［7-8］。但是，所述履帶輪型爬樓輪椅無法實(shí)現(xiàn)從斜面到平面的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，且結(jié)構(gòu)笨重，對樓梯邊沿的損害程度很大，運(yùn)動過程的阻力矩較大，換向過程實(shí)現(xiàn)困難，能源利用效率低，這些問題在很大程度上限制了該型輪椅在上下樓梯中的使用。

對于輪-履組合型爬樓輪椅，該輪椅運(yùn)用四桿結(jié)構(gòu)，通過升降輪子以實(shí)現(xiàn)輪子與履帶輪的轉(zhuǎn)換［3-8］。但是，所述爬樓輪椅采用四桿結(jié)構(gòu)，僅有一個(gè)自由度，故不能實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)行輸出或完成更復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律。

對于腿足式結(jié)構(gòu)爬樓梯輪椅，該結(jié)構(gòu)模仿人上下樓梯的動作，采用一組或幾組腿交替升降、支撐爬樓的原理［7-10］，對樓梯的適應(yīng)性很強(qiáng)，但是，其承載重心偏高，傾翻危險(xiǎn)性大，對穩(wěn)定性要求極高，控制難度很大，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有諸多問題需要解決［9］。

總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點(diǎn)可以看出，發(fā)展至今大多數(shù)爬樓梯裝置的自主性不高，仍需在旁人協(xié)助的條件下實(shí)現(xiàn)上下樓梯，而且在穩(wěn)定性和安全性等可靠性方面存在的很多問題也值得深入研究。如何在保障爬樓梯輪椅整體體積小、重量輕的前提下，結(jié)合先進(jìn)的傳感手段和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其可靠、平穩(wěn)的上下樓梯將是今后“老人/殘障者上下樓梯助行系統(tǒng)”研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。

3 爬樓梯輪椅系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

爬樓梯輪椅系統(tǒng)研究內(nèi)容主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分組成［11］。其中機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要完成爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容;控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法兩部分，爬樓梯輪椅系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。這兩部分內(nèi)容緊密聯(lián)系、相輔相成共同作用實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動路徑和運(yùn)動狀態(tài)。

圖1 爬樓梯輪椅系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的應(yīng)滿足爬樓梯助行系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、整體重量小，具有合理的路徑規(guī)劃能實(shí)現(xiàn)連貫爬升運(yùn)動。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣程度很大范圍內(nèi)決定了系統(tǒng)的適應(yīng)能力及控制過程的難易程度，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心所在。

3.1.1 爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬樓梯輪椅系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是爬升機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬越樓梯這種越障運(yùn)動的主要有星輪式、履帶式、腿足式3種。在這3種爬升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸取各自的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展組合式的爬樓梯裝置將是今后研究的創(chuàng)新方向。

結(jié)合爬樓梯運(yùn)動路徑的特點(diǎn)，采用可將獨(dú)立運(yùn)動分解為兩個(gè)有差異運(yùn)動，或?qū)蓚€(gè)有差異的運(yùn)動合成為一個(gè)運(yùn)動的差動機(jī)構(gòu)、組合型機(jī)構(gòu)、新型變形機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)輪椅從平地運(yùn)動—爬升運(yùn)動—平地運(yùn)動過程的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化。綜合考慮輪、腿、履帶機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢，把三者復(fù)合起來使用，可有效克服各自的不足，保障爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過程。不同爬升機(jī)構(gòu)的對比參見表1。

表1 不同爬升機(jī)構(gòu)的對比

3.1.2 輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動爬樓梯輪椅的使用群體是老年人以及殘障者，因此對輪椅的使用安全性要求極高。同時(shí)，在上下樓梯運(yùn)行過程中，質(zhì)心位置、支撐條件的不斷變化對系統(tǒng)安全、可靠的實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)動軌跡提出了很高的要求。

為保證爬升過程的安全性，爬升裝置和輪椅以及使用者的總重心必須始終位于支撐裝置與樓梯臺階支撐點(diǎn)之間。系統(tǒng)由平地狀態(tài)突然啟動時(shí)，由于自身的慣性作用會發(fā)生后傾的現(xiàn)象，為了解決這一問題通常在系統(tǒng)的后部增加了一個(gè)防止后傾的裝置;為了避免爬升過程前傾的危險(xiǎn)，考慮擴(kuò)大支撐邊界，來增加前傾穩(wěn)定裕量是有效的解決辦法;為保證上下樓梯操作的安全性，需有相應(yīng)的鎖定裝置，一旦輪椅傾斜角度超出傾翻穩(wěn)定性要求范圍之外，鎖定裝置鎖定，支撐裝置支撐在樓梯臺階上。

從乘坐著舒適性角度出發(fā)，輪椅椅面要始終保持水平，如果輪椅椅面前傾乘坐者就會有種向前栽的感覺，假如輪椅椅面后傾，乘坐者的后背就會緊緊的依靠在輪椅架上從而輪椅有后傾的趨勢。為了使輪椅椅面保持水平，通常采用三點(diǎn)高副球鉸接機(jī)構(gòu)的椅面平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中，一點(diǎn)高副球鉸接固定，兩點(diǎn)高副球鉸接可調(diào)，用于調(diào)節(jié)椅面的平衡。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過程，并可同時(shí)作為電動輪椅使用，爬樓梯輪椅的控制器必須具有很強(qiáng)的功能;除根據(jù)電動輪椅控制器所具有的速度調(diào)節(jié)、運(yùn)動控制、故障檢測等功能之外，還必須具有可以實(shí)時(shí)檢測使用者的坐姿和位置、爬樓梯輪椅與樓梯的相對位置、爬樓梯輪椅的運(yùn)動狀態(tài)等功能，并可以根據(jù)傳感器信息對爬樓梯輪椅的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行正確的控制或給出報(bào)警信號。

3.2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬樓梯輪椅系統(tǒng)除了完成普通輪椅功能要求之外還需運(yùn)行在電動輪椅和上下樓梯輪椅兩種模式下，其控制功能應(yīng)分別由兩套相互獨(dú)立的開環(huán)控制系統(tǒng)來完成，以實(shí)現(xiàn)平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度寬度的樓梯功能要求，這也就導(dǎo)致電動爬樓梯輪椅的運(yùn)動形式十分復(fù)雜，應(yīng)針對不同環(huán)境下輪椅需要實(shí)現(xiàn)的動作設(shè)計(jì)爬樓梯的控制系統(tǒng)。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人控制技術(shù)大量應(yīng)用于爬樓梯輪椅的控制系統(tǒng)中，使得爬樓梯輪椅具有更好的交互性，適應(yīng)性和自主性。采用嵌入式控制系統(tǒng)可有效解決信息集中處理使得上位機(jī)信心處理量大，負(fù)擔(dān)重，實(shí)時(shí)性差無法滿足實(shí)際使用的缺點(diǎn)［12］，為爬樓梯輪椅控制系統(tǒng)的研究提供了新的方向。中科院自動化所研制的嵌入式多功能輪椅系統(tǒng)在該方面進(jìn)行了嘗試，采用ARM+DSP+FPGA的方式來構(gòu)建多功能輪椅的中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有實(shí)時(shí)性高、功耗低，續(xù)航時(shí)間長的特點(diǎn)，為爬樓梯輪椅向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展邁進(jìn)了一大步［13］。

3.2.2 控制系統(tǒng)算法

在未知和不確定的環(huán)境下，爬樓梯輪椅需要通過多種傳感器收集數(shù)據(jù)，用以界定周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息，需要用一定算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合，比較完整地反映環(huán)境特征和自身狀態(tài)，為系統(tǒng)運(yùn)動控制提供精確的數(shù)據(jù)信息。爬樓梯輪椅在行駛時(shí)必須不斷地感知周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息［14］，所以要求控制系統(tǒng)算法能夠?qū)?shí)時(shí)提供的各種信息進(jìn)行快速有效處理，并能保證信息的完整性。

常規(guī)的PID控制雖然具有算法簡單、精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是僅對于可建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)具有很好的控制作用。對于爬樓梯輪椅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言，被控對象復(fù)雜，具有非線性、強(qiáng)耦合以及時(shí)變性的特點(diǎn)，很難達(dá)到控制系統(tǒng)的精確魯棒性和抗干擾性能［12］。模糊控制具有魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能較好的適應(yīng)輪椅運(yùn)行過程中路況突變等干擾條件，但單純的模糊控制不能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差［15］。使用復(fù)合算法可以使控制器有較強(qiáng)的魯棒性和較小的靜態(tài)誤差，但復(fù)雜的算法本身就是控制器實(shí)現(xiàn)的障礙。模糊PID控制器結(jié)合了模糊控制和PID控制器兩者的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同的偏差和偏差變化率選擇不同的比例、微分、積分參數(shù)，從而即具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制器精度高的特點(diǎn)，對爬樓梯輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。模糊控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)工作原理

4 發(fā)展趨勢與展望

綜上所述，針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成效，但也要看到目前階段主要還停留在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)定做，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空間［11］。未來的研究將向以下幾個(gè)方面發(fā)展。

(1)質(zhì)量輕 爬樓梯輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用，必須考慮其應(yīng)用的情況。作為代步工具，爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機(jī)載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長續(xù)航時(shí)間。同時(shí)，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時(shí)的靈活性，降低控制的難度。

(2)可靠性高 爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士，爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)應(yīng)從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計(jì)安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，爬樓梯過程中應(yīng)保證重心波動小，安全保證措施響應(yīng)及時(shí)。

(3)功能齊全 爬樓梯輪椅作為使用者生活中重要的部分，在功能設(shè)計(jì)上應(yīng)最大程度的滿足人性化要求，構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活的各個(gè)方面。

(4)價(jià)格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個(gè)重要因素是價(jià)格因素，爬樓梯輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置合適的輪椅，同時(shí)，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價(jià)比。

隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，爬樓梯輪椅的研究也呈現(xiàn)出全新的局面，朝著人機(jī)一體化的方向不斷發(fā)展。相信在不久的將來，電動爬樓梯輪椅將真正融入到老年人和殘障人士的生活中，大大改善他們的生活質(zhì)量，使他們的出行更為方便，樓梯和路障將不再是他們出行的障礙，幫助他們重新融入到社會中去。

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