爬楼轮椅的前腿机构动力学分析与优化设计

屈茹恒，曹东兴

（300130 天津市 河北工业大学 机械工程学院）

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我国已经逐步进入老龄化社会，老龄产业成为社会的主要动力产业之一，其中智能轮椅的研发是国家鼓励引导高校、企业产学研相结合的适老科技项目的代表，也是学者们研究的热点[1-2]。相关研究中，史康[3]等设计了一款新型载人爬楼轮椅，它采用应用最广的六杆机构作为主爬升机构，具有结构简单、爬楼稳定等特点，但它倒向上楼模式为用户带来很多不适；程伟[4]等研制了一款星轮式爬楼轮椅，该轮椅通过行星轮组进行爬楼，具有成本低、质量轻、外表美观等特点；Hongbo Wang[5]等研究了一款腿式爬楼轮椅，它采用轮腿复合式结构，腿结构和轮结构都能单独爬楼，两者相互配合爬楼，增强了轮椅的爬楼性能。

然而国内外爬楼轮椅的研究仅仅注重爬楼机构的研究，忽略了对前部支撑部件的研究，导致它们大多都具有爬楼不稳定、续航能力差的缺陷。轮椅前腿在轮椅爬楼过程中起到支撑、提供动力、调整位姿的重要作用[6]，因此,对前腿的研究成为当前智能轮椅研究的关键点。

轮腿混合式爬楼轮椅，质量轻、续航能力强、爬楼过程稳定且对楼梯伤害小，是一种新型综合性爬楼轮椅。本文以轮腿混合式爬楼轮椅的前腿机构为研究对象，首先对前腿机构进行位置分析、速度分析和加速度分析，再利用达朗贝尔原理和等效力原理导出其动力学方程，对前腿机构的工作空间进行分析，并对其优化，最后基于优化后数据，利用MATLAB 进行数值仿真，并利用ADAMS 仿真验证了前腿机构动力学模型的正确性。……