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爬楼梯轮椅现状与展望

 轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具,随着无障碍设施的增多,轮椅使用者的活动范围逐步加大,但楼梯却使轮椅受到很大限制,因此研发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫任务。因此本文按照爬楼梯的运动方式将轮椅分成连续型和间歇型两种,分别介绍了其技术特点和研究进展,并且对爬楼梯轮椅的发展趋势进行了展望。 
     一、连续型爬楼梯轮椅
    连续型爬楼梯轮椅的主要特点是在爬楼梯过程中,只有一套支承装置,依靠这套支承装置的连续运动从而实现轮椅上下楼梯的功能。按其运动执行机构可以分为星型轮机构和履带轮机构两种,其中履带轮机构相对比较成熟,在可以爬楼梯防暴机器人等类似装置中应用的比较广泛。 
     1星型轮机构爬楼梯轮椅
    星型轮式爬楼梯轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在“Y”形或“+”字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线自转,又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时,各小轮自转,而爬楼梯时,各小轮一起公转,从而实现爬楼梯的功能。 目前星型轮机构爬楼梯轮椅中性能指标最高的产品,它结构非常紧凑、运动灵活、操作方便.目前的iBOT3000型不仅能爬21厘米以下高度的楼梯和不超过15厘米高的马路牙子,在沙滩、斜坡和崎岖的路面和小山坡上前进,而且后轮能站起来直立行走,使坐在上面的人升高,可以取放位于高处的物体。iBOT3000已经获得FDA批准在欧美上市,售价相当于中高档轿车的价格。 iBOT前面有一对直径10厘米的实心脚轮,后面有两对直径30厘米的充气轮。 iBOT3种运动模式:在平地上前进时,6只轮子同时着地,当遇到崎岖路面、沙土地或斜坡时,由4个后轮驱动行走;只靠一对后轮接触地面的直立模式,如图1所示,iBOT可以保持这种站立姿势,也能直立行走;由两对后轮交替爬台阶的爬楼梯模式,如图2所示。iBOT不仅采用了比普通轮椅复杂的驱动结构,而且安装了多个感知人-轮椅重心位置的陀螺仪,控制器根据陀螺仪的信号时时调整重心的位置,使轮椅能够在不同路面和直立状态下保持平衡。 
       国内外发明了多种星型轮式爬楼梯轮椅,除了iBOT3000外,大多数都采用3个或者3个以上星型轮,星型轮多的优点是轮椅爬楼梯时的稳定性好,缺点是体积较大,很难在普通住宅楼梯上使用,这也是星型轮式爬楼梯轮椅尽管发明专利很多,真正实施和推广的却很少的主要原因。
      2 履带型机构爬楼梯轮椅
    履带型机构的爬楼梯轮椅应用较多,它采用比星型轮机构更为连续的行走方式,传动效率比较高。在上下楼梯过程中,轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动的,其重心的波动很小,运动非常平稳。履带式爬楼梯轮椅最大不足是平地行走时阻力较大,运动不灵活,在爬楼梯时履带容易损坏楼梯沿。为克服这一缺点,国内外提出过各种各样的改进机构,一种改进的轮-履带混合机构的爬楼梯轮椅,它在平地行走时利用轮式机构,爬楼梯时放下履带机构进行工作。 
     3 其它形式的连续型爬楼梯轮椅
    除了星型轮机构和履带轮机构爬楼梯轮椅外,还有一些其他形式的连续型爬楼梯轮椅。有的爬行机构是由三组带有滑道的轮组构成的,当车轮抵住台阶之后,台阶自然会对轮组中的一个产生阻力。当继续施加动力时,则滑轮将向滑道的后方滑动,滑轮中心提高,从而将车轮抬起。如此反复进行,从而达到上台阶的目的,这种轮椅的不足是结构过于复杂。 
   二、 间歇型爬楼梯轮椅
    间歇型爬楼梯轮椅的主要特点是具有两套支承装置,两套支承装置交替支承,以实现上下楼梯的功能。这种机构的爬楼梯过程类似于人上下楼梯的过程,也有人称之为步行式爬楼梯轮椅。早期的爬楼梯轮椅多采用这种方式,1892Bray发明的第一台爬楼梯轮椅就采用了这种方式。在爬楼梯时,先由其中一套支承装置支承,抬高轮椅及另一套支承系统,再水平向前移动,上一级台阶。然后,由另一套支承装置支承,将前面那套支承装置收回,如此循环,直到爬完整段楼梯为止,其爬楼梯过程不连续。

一种典型的间歇式的爬楼梯轮椅,这种轮椅的四个轮子由蜗杆和车身相连,平地行驶的时候,四根蜗杆伸出的长度相同,保证车辆平稳行走。当轮椅需要上下台阶的时候,首先通过蜗杆的上升,抬起其所连的轮子,前移至台阶上。再将蜗杆抬起,移至台阶上,整个动作都模仿人上楼梯的动作,运动相对比较平稳,但是对控制的要求比较高,操作比较复杂。 
      在普通轮椅的基础上加装一套爬楼梯执机构和驱动系统。它即可以在平地行驶,又可以仅凭借使用者双臂的力量使轮椅上、下楼梯。这种爬楼梯轮椅的主要特点是在普通轮椅的将爬楼梯杆改成弓型,弓弦部装有带橡胶的牙齿,这样在爬行楼梯时,带橡胶牙齿的弓弦也与台阶边沿接触,增加了爬行的稳定性。 
      结论与展望
     连续型爬楼梯轮椅工作效率高,爬楼梯的速度较快,间歇型的爬楼梯轮椅因两套支承装置交替支承,爬楼梯的速度一般较慢。
      星型轮式爬楼梯轮椅的活动范围广,运动灵活,但是上下楼梯时平稳性不高;履带型爬楼梯轮椅的技术比较成熟,传动效率比较高,行走重心波动很小,运动非常平稳,但是运动不够灵活,对楼梯有一定的损坏,这限制了其在日常生活中的推广应用。
      国内外尚没有体积小巧、操作简单、价格低廉,适用于居民楼梯和广大残疾人及老年人的爬楼梯轮椅。
     尽管美国著名发明家迪恩卡门发明的爬山的轮椅iBOT3000那种多功能高智能的轮椅是发展方向,我国“863”等国家计划也支持一些单位研发了具有视觉、声音及语音控制等功能的智能轮椅。但是从我国经济发展水平和需求人群的经济条件来看,结构紧凑、小巧轻便,如iBOT3000大小,功能单一的低价格爬楼梯轮椅,以及在现有轮椅上加装简单的辅助装置就可以爬楼梯的轮椅将会比多功能高价格的智能轮椅更具有市场潜力和社会价值。

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