1　手动爬楼梯轮椅爬行原理及存在的问题

普通轮椅不具备攀登楼梯和跨越路障的功能，这大大限制了以轮椅为代步工具的下肢截瘫患者及年老体弱者的活动范围。为了解决这一问题，也考虑到我国多数轮椅使用者目前的经济承受能力，爬行装置不应过分复杂。清华大学精仪系康复研究中心首先开发了手动爬楼梯轮椅〔2〕。它是在普通轮椅上加设一套爬楼梯执行机构和驱动系统而成,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。该爬楼梯轮椅的结构简图见图1，其主要特点是在普通轮椅的两侧各加设一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构。每套机构中的两等长连架杆（曲柄3、8）各与一个相同齿数的齿轮（4、10）相固接，用链条7来驱动。两侧的四个曲柄以相同的相位安装，连杆（即爬楼梯杆9）的两端各有一条“腿”，四条“腿”与轮椅原有的四个轮形成两套支承系统。当摇动手把1，经过一套传动机构，使四个曲柄同步转动时，两套支承系统轮番着地，并将另一套支承系统托起送到上（或下）一个台阶，直到登完一段楼梯。轮椅的座位及靠背可调整其倾斜度，以使爬楼梯时座位总处于水平位置。为了降低爬楼梯过程中轮椅的重心高度，增加稳定性和安全性，无论上楼梯或下楼梯，均采用“面向楼下”的方式，即上楼梯时采用后退方式（见图2）。

图1　手动爬楼梯轮椅结构原理图

图2　爬楼梯动作示意图

此轮椅在平地行驶时，只需将辅助爬楼梯杆9的四条“腿”抬离地面锁定即可。工况转移极为简便。由此轮椅的爬楼梯工作原理可知，在爬楼梯的中间工作段时，轮椅质心的理论位移曲线为纯圆弧状。由于本爬楼梯执行机构的尺寸是按楼梯台阶尺寸的统计平均值设计的，为了适应爬不同尺寸的楼梯台阶需要，乘员在爬楼梯操作时，需不时地调整轮椅相对楼梯的位置，如使每爬上（下）一级台阶前，都使大轮紧靠在本级台阶的立壁上。但是这样频繁地调整，无疑增加了操作的复杂性。如果使爬楼梯执行机构的规格成为可调的，来适应楼梯尺寸的变化，又会使机构结构复杂起来，这个矛盾需要解决，否则影响爬楼梯轮椅的实用价值。作者通过改变爬杆9的型式，使手动爬楼梯轮椅对不同的楼梯尺寸具有良好的适应性。

2　对爬行部件的改进及效果

在原爬楼梯轮椅爬楼梯时，爬楼梯杆9的四条“腿”着地的位置，会因为台阶的尺寸不同和乘员操作的不确定性而变化，这种着地位置的变化，在每爬上（下）一级台阶后，都要及时调整轮椅相对台阶的位置，如使每爬上（下）一级台阶前，都使大轮紧靠在本级台阶的立壁上，这种作法成为爬下一级台阶的标准起步要求。否则，连续几步的爬行误差积累，会使接下来的爬行失败，甚至导致轮椅翻倒。这样频繁地调整位置，乘员会很辛苦，特别是对年老体弱和下肢截瘫患者，影响了爬楼梯轮椅的实用价值。

为了改善这种状况，作者试验改变爬楼梯杆9的形状和尺寸如图3所示，此时爬楼梯杆9形状呈弓形，弓弦部贴有带牙齿的软橡胶，这样在爬行中段时，爬楼梯杆9不再用四个端头（两侧）与台阶平面接触，而是带橡胶牙齿的“弓弦”与6个台阶（两侧）尖端接触（见图4），6点接触很稳固，橡胶的牙齿啃在台阶尖端，又具有很强的摩擦力。这样，在爬楼梯时，就不用频繁地调整轮椅，简化了操作。在爬行其它段落时，也能够正常操作。

图3　新爬楼梯杆9的形状

图4　安装新爬楼梯杆时爬楼梯动作示意图

弓弦杆的材料可选取与爬楼梯杆9相同的不锈钢管,直径40mm,二者以焊接方式相连。带牙齿的橡胶，其材质可选用天然橡胶，做成内径与弓弦杆外径相同且同长的开口管状，牙型为锯齿状，牙高为10mm，当弓弦杆焊好后，再套上去，然后将开口用胶粘合。轮椅供应商