畢業(yè)論文：爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)

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1、第一章 序言 1.1 爬樓梯輪椅的研究現(xiàn)狀 根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)爬樓梯輪椅主要有三種類(lèi)型：履帶式，步行式和滾輪式。履帶式爬樓梯輪椅對(duì)樓梯不僅損壞大，而且體積大，質(zhì)量重，不適合家庭使用。步行式爬樓梯輪椅體積大，靈活性差并且不容易控制，技術(shù)要求高。滾輪式爬樓梯裝置雖然體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，但其穩(wěn)定性控制比較復(fù)雜且價(jià)格昂貴。對(duì)中國(guó)人來(lái)說(shuō)，普通家庭承擔(dān)不起這樣高的價(jià)格。 國(guó)外爬樓梯裝置的研究開(kāi)始的較早，最早的專(zhuān)利是1892年美國(guó)的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛開(kāi)始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)，英國(guó)，德國(guó)和法國(guó)占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟。且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。

2、 圖1-1 英國(guó)BARONMEAD產(chǎn)品 德國(guó)PERFEKTA產(chǎn)品 目前美國(guó)，德國(guó)，英國(guó)及中國(guó)等國(guó)家對(duì)智能輪椅進(jìn)行了研究，使智能輪椅具有記憶地圖，壁障，自動(dòng)行走等功能。智能輪椅是將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅，融合多種領(lǐng)域的研究，包括機(jī)器視覺(jué)，機(jī)器人導(dǎo)航和定位，模式識(shí)別等，涉及機(jī)械，控制，傳感器，人工智能等技術(shù)。 但是，隨著障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍越來(lái)越大，但是樓梯卻使輪椅受到很大的限制，因此研發(fā)價(jià)格低廉，簡(jiǎn)單易用的爬樓梯輪椅是面臨的一項(xiàng)急需解決的問(wèn)題。 1.2 智能輪椅的發(fā)展趨勢(shì) 爬樓梯輪椅研究屬于機(jī)器人研究范圍之內(nèi)，因此應(yīng)用型智能機(jī)器人技

3、術(shù)是爬樓梯輪椅及其智能輪椅理所當(dāng)然是其發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究了很多面向殘疾人及行動(dòng)不方便人群的輔助行走機(jī)器人，這其中就包括智能輪椅，其功能多樣化，基本上滿(mǎn)足行動(dòng)不方便人群和殘疾人的要求。但是，大部分還停留在試驗(yàn)階段或者少數(shù)定做，并沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化，市場(chǎng)化。所以，在研究上其發(fā)展空間很大，未來(lái)的研究將會(huì)朝以下幾個(gè)方向發(fā)展。 1.2.1 智能化 智能輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用，必須綜合應(yīng)用智能技術(shù)，優(yōu)化控制算法，增強(qiáng)自動(dòng)規(guī)劃和基于傳感智能，如實(shí)現(xiàn)自然語(yǔ)言控制，視覺(jué)平滑控制，以及在惡劣環(huán)境下自如行走等。也可以結(jié)合一些新科技如計(jì)算機(jī)通訊，網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開(kāi)發(fā)適應(yīng)遠(yuǎn)程通訊的需要。 1.2.2 人性化 智能化輪

4、椅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分考慮到行動(dòng)不方便人士的要求，從實(shí)際情況著手考慮，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，安全舒適，合理的智能輪椅。例如增加輪椅可以上升的功能，iBOT就具備這樣的功能，以便使用者和正常人對(duì)話(huà)，以及進(jìn)行簡(jiǎn)單的力所能及的活動(dòng)。選擇透氣性好舒適的坐墊，安裝報(bào)警裝置，還可以安裝剎車(chē)系統(tǒng)，使輪椅操作方式盡可能簡(jiǎn)單化。 1.2.3 模塊化 智能輪椅要實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)以及市場(chǎng)化，就必須得實(shí)現(xiàn)模塊化，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有基本模塊和各個(gè)功能模塊組成，每個(gè)功能模塊控制一種功能，以便用于可以根據(jù)需求選擇，配置最適合自己的輪椅，與此同時(shí)模塊化也可以降低生產(chǎn)成本，提高了智能輪椅的性?xún)r(jià)比。 隨著人工智能，模式識(shí)別，圖像處理，計(jì)

5、算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能輪椅的功能將更為完善豐富，也將真正進(jìn)入老年人和殘疾人的生活。 綜上所述，國(guó)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史了，研究出來(lái)的種類(lèi)多，有一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)可市場(chǎng)化，取得了很大的成果。但是，他們研究出來(lái)的產(chǎn)品大多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，有許多產(chǎn)品價(jià)格在十幾萬(wàn)元以上，這對(duì)于中國(guó)的普通老百姓來(lái)書(shū)是可望而不可即的。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)比較晚，雖然也誕生了很多專(zhuān)利，但由于受到體積，重量，穩(wěn)定性以及安全性的限制，還沒(méi)有產(chǎn)品真正的投入使用。從國(guó)內(nèi)外爬樓梯裝置的特點(diǎn)可以看出，爬樓梯輪椅裝置發(fā)展至今除了軌道式爬樓梯裝置外，大多數(shù)爬樓梯輪椅裝置的自主性都不高，仍然需要在旁人的協(xié)助下

6、實(shí)現(xiàn)上下樓梯運(yùn)動(dòng)。而且存在很多問(wèn)題值得深入研究。由此可見(jiàn)，為了解決輪椅使用受限的難題，同時(shí)還要考慮我國(guó)的國(guó)情，考慮到使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，研究一種價(jià)格低廉，功能多樣的爬樓梯輪椅勢(shì)在必行。 目前，市場(chǎng)上的爬樓梯輪椅多種多樣，種類(lèi)繁多，其功能也是多樣化。但是比較優(yōu)秀，實(shí)用，價(jià)格低廉的爬樓梯輪椅卻是少之又少。在目前的市場(chǎng)上比較有代表性的有兩種，第一種是英國(guó)Baronmead的產(chǎn)品，如圖1-1所示： 下面對(duì)該產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹： 圖1-1左圖是英國(guó)Baronmead公司在國(guó)內(nèi)正在營(yíng)銷(xiāo)的助推式上下樓電動(dòng)輪椅，Baronmead公司生產(chǎn)的上下樓電動(dòng)輪椅車(chē)自身重達(dá)50千克，最大載重量是100千

7、克，上下樓運(yùn)動(dòng)速度每分鐘15-20個(gè)臺(tái)階，充足電后可以連續(xù)上下樓梯1000臺(tái)階，臺(tái)階的限制高度是27cm。該公司生產(chǎn)的這種上下樓輪椅可在平地上自由行使，還可以拆卸為兩部分，便于裝運(yùn)。 這種輪椅解決了單純靠人力搬運(yùn)的問(wèn)題，但是車(chē)體較小，重心位置距離車(chē)的兩端較近，當(dāng)傾斜角度變大或者是乘坐者晃動(dòng)的時(shí)候，輪椅很容易發(fā)生反轉(zhuǎn)。另外，由于車(chē)身小導(dǎo)致了輪椅的座位面積較小，使用者的腿彎曲程度較大，使用過(guò)程中，是很不舒適的。 另一種是德國(guó)Perfekta公司的產(chǎn)品如圖1-1圖。 下面對(duì)該產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹： Perfekta爬樓梯電動(dòng)輪椅車(chē)：采用的是履帶式傳動(dòng)，選用的是12v-15Ah的蓄電池

8、，12v/170w的直流電動(dòng)機(jī)，自重達(dá)到60千克，最大載重量是120千克，可爬樓梯的最大坡度是35度。這種輪椅車(chē)除了可以單獨(dú)使用外，還可以作為普通輪椅的搬運(yùn)工具，直接把輪椅放在上面上下樓梯。因此，作為車(chē)站，機(jī)場(chǎng)等處移動(dòng)輪椅乘客的專(zhuān)用工具比較方便。而且，熟練操縱者能夠自行乘坐輪椅上下樓梯。在平地可以自由移動(dòng)，也可以折疊存放。 這種輪椅的形式，采用的是履帶式，是利用履帶式的附著力好，容易爬坡的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的。但是由于履帶式與樓梯接觸時(shí)，只是與樓梯的前棱接觸，又由于人們對(duì)美學(xué)的要求好多樓梯的前棱做成了弧形，即使是傳統(tǒng)的樓梯，如果經(jīng)過(guò)多年的磨損，前棱也會(huì)被磨禿，這樣一來(lái)，對(duì)于這種輪椅就很容易打滑，而且

9、很容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，及不安全。 第三種是美國(guó)發(fā)明的iBoT3000獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)輪椅如圖2-2。 下面對(duì)該產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹： 這種輪椅的全稱(chēng)是iBoT3000獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)iBoT），他是由美國(guó)著名發(fā)明家迪恩.卡門(mén)發(fā)明的。10年前，卡門(mén)洗澡時(shí)差點(diǎn)兒在浴室跌倒，站穩(wěn)后他突發(fā)靈感，為什么不能設(shè)計(jì)一種可以防止傾倒顛覆的由電腦控制的輪椅呢？經(jīng)過(guò)幾年的不懈努力，他終于設(shè)計(jì)出iBoT。 從外表看上去，iBoT與普通輪椅大不一樣：他有六個(gè)輪子，前面一對(duì)為直徑10厘米的實(shí)心腳輪，后面兩對(duì)為直徑30厘米的充氣輪胎。iBoT通過(guò)復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)來(lái)保持平衡，當(dāng)輪椅上分布的傳感器受到重心變化時(shí)，

10、他們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谝巫旅娴目刂坪兄??？刂坪欣镉袔讉€(gè)“奔騰III”處理器和預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，這些程序會(huì)“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整，保持平衡。 圖1-2 iBOT30000獨(dú)立機(jī)構(gòu)系統(tǒng) iBoT共有三種運(yùn)動(dòng)模式，一是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上行走，6只輪子同時(shí)著地。如果遇到崎嶇的路面，沙土地或斜坡，他就進(jìn)入四輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，靠四個(gè)后輪行走。第二種是直立模式，只靠一對(duì)后輪接觸地面，和中國(guó)武術(shù)中的“金雞獨(dú)立”十分相似，iBoT可以保持這種站立姿態(tài)，也能直立行走。第三種是爬樓梯模式，兩隊(duì)后輪交替爬到上一級(jí)臺(tái)階上。 iBoT的動(dòng)力由兩個(gè)充電電池提供，充一次電需要4小時(shí)

11、，充電后可以走15-24公里，它在平地上的最大行駛速度為每小時(shí)9.6公里。作為世界上第一種會(huì)爬樓梯的輪椅，iBoT可以輕松的在高度為21厘米以下的樓梯上爬上爬下，還能跨過(guò)最高不超過(guò)20厘米的馬路牙子。此外，他還可以在沙灘，斜坡和崎嶇的路面上前進(jìn)，并能爬上小坡度的小山坡。 據(jù)調(diào)查iBoT的市場(chǎng)價(jià)格在30000美元 第二章 設(shè)計(jì)方案 對(duì)于行動(dòng)不便的老年人和殘疾人來(lái)說(shuō)，輪椅是他們必不可少的代步工具。但是，由于普通的輪椅不具有爬樓梯的功能，從而大大的限制了使用者的活動(dòng)范圍，使其參與社會(huì)的深度和廣泛度深受影響。目前，國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)上已有許多爬樓梯

12、輪椅的發(fā)明專(zhuān)利問(wèn)世。但是，這些大多說(shuō)都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積質(zhì)量大，價(jià)格昂貴。普通家庭承擔(dān)不起這么高的價(jià)格。設(shè)計(jì)發(fā)明一種簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格低廉的爬樓梯輪椅勢(shì)在必行。于是，我便想設(shè)計(jì)出一款設(shè)和中國(guó)消費(fèi)水平，經(jīng)濟(jì)又使用的爬樓梯輪椅來(lái)滿(mǎn)足老年人和殘疾人的需求。 于是，我首先就去圖書(shū)館查閱有關(guān)的資料，令人失望的是關(guān)于這方面的資料太少了。之后，我就開(kāi)始到網(wǎng)上搜索這些關(guān)于爬樓梯輪椅的材料，最后結(jié)果同樣是令人失望。關(guān)于這方面的問(wèn)題該怎么來(lái)解決呢？這個(gè)問(wèn)題困惑的我好久。直到有一天，我偶然之間發(fā)現(xiàn)了一種搬運(yùn)工人在搬運(yùn)貨物上下樓梯時(shí)所用的手拉車(chē)的時(shí)候，讓我恍然大悟，如圖2-1,2-2 圖2-1 四輪手拉車(chē)

13、 圖2-2 三輪手拉車(chē) 上面兩圖中，是兩種攜帶貨物上下樓梯的手拉車(chē)。這兩種小車(chē)的后輪都是采用的可以旋轉(zhuǎn)的星狀輪盤(pán)和四個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的小輪爾構(gòu)成。這兩種結(jié)構(gòu)，用起來(lái)非常方便，給勞動(dòng)者帶來(lái)了非常大的方便。在拉動(dòng)手拉車(chē)上下樓梯的時(shí)候，不會(huì)因?yàn)闃翘荻ㄗ〔粍?dòng)。當(dāng)小輪被卡住的時(shí)候，星狀的輪盤(pán)就開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，從而克服了被卡住的問(wèn)題。我設(shè)想能不能將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在輪椅上呢？于是就有了最初的設(shè)計(jì)方案。 以下兩圖是初步構(gòu)想出來(lái)的模型： 圖2-3 模型一 圖2-4 模型二 從生活中受到的啟發(fā)，我想出了以下幾種方案： 2.1設(shè)計(jì)方案一： 圖2-5 設(shè)計(jì)方

14、案一 本方案采用的是利用的前面十字形四腳行星輪爬升角作為上下樓時(shí)的主要驅(qū)動(dòng)裝置。前面有一個(gè)十字架和一個(gè)獨(dú)腳輪，后面是一個(gè)四腳行星輪。當(dāng)上樓或下樓的時(shí)候，爬升角可以根據(jù)不同的實(shí)際情況，作出調(diào)整伸長(zhǎng)或縮短。爾后面的星盤(pán)結(jié)構(gòu)不施加任何的驅(qū)動(dòng)力，完全是一種從動(dòng)裝置。中間的驅(qū)動(dòng)輪是用來(lái)在平地行走時(shí)或者轉(zhuǎn)彎時(shí)使用的，起到一個(gè)轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)的效果。 爬升腳（圖2-5中綠色部分） 轉(zhuǎn)向輪（圖2-5中黑色部分） 星盤(pán)（圖2-5中紅色部分） 小輪（圖2-5中灰色部分） 動(dòng)力裝置（圖2-5中金色部分） 在座位的設(shè)計(jì)上采用了是一種可以升降的鏈接機(jī)構(gòu)，在上下樓梯的時(shí)候，可以調(diào)整升降機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)

15、爬升樓梯角度的不同而調(diào)整座位的角度，使行動(dòng)不便的老年人和殘疾人始終保持一種很舒服的姿勢(shì)。 圖2-6 自鎖機(jī)構(gòu) 這種轉(zhuǎn)盤(pán)形式的行星輪結(jié)構(gòu)，當(dāng)爬樓梯的時(shí)候，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是這個(gè)時(shí)候和樓梯接觸的小輪也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就使的輪椅在原地打滑而不會(huì)爬上樓梯。這是一個(gè)很棘手的問(wèn)題。為了解決以上難題，通過(guò)查資料以及向老師請(qǐng)教，構(gòu)想出了以下解決方案如圖4-2自鎖裝置。 抬升圓臺(tái)（圖2-6綠色） 枝干（圖2-6紅色） 小齒輪（圖2-6黃色） 從圖2-6可以看出，在轉(zhuǎn)盤(pán)的四腳的小輪上各有一個(gè)小齒輪，轉(zhuǎn)盤(pán)的中心有一個(gè)抬升圓臺(tái)，通過(guò)四根支桿與四個(gè)小齒輪上的齒鏈接。當(dāng)爬樓梯輪椅上樓時(shí)，中

16、心的圓臺(tái)會(huì)在一根軸的拖動(dòng)下抬升，從而帶動(dòng)四個(gè)枝干向齒輪靠近，在四個(gè)枝桿的頂端有兩一個(gè)輪齒，圓臺(tái)抬升帶動(dòng)枝干慢慢向齒輪靠近，當(dāng)枝干上的輪齒與小輪上的輪齒嚙合時(shí)，輪椅完成自鎖。 中心圓臺(tái)是根據(jù)千分尺的設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)，當(dāng)千分尺先前加緊的時(shí)候，擰動(dòng)后面的螺栓，當(dāng)它接觸到被測(cè)物件時(shí)，會(huì)發(fā)生打滑，使其不再進(jìn)給。但當(dāng)反方向旋轉(zhuǎn)螺栓時(shí)，側(cè)頭會(huì)向后移動(dòng)，并不打滑。這里利用的是同樣的原理，當(dāng)上樓時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)軸正向旋轉(zhuǎn)，使圓臺(tái)抬抬起，并使四個(gè)枝干向齒輪靠近，當(dāng)枝干與齒輪嚙合后，圓臺(tái)不再抬升，而會(huì)發(fā)生打滑。當(dāng)上樓運(yùn)動(dòng)完成后，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，使圓臺(tái)下降，促使枝干縮回，解除枝干輪齒與小齒輪的嚙合，從而自鎖解除。 但是

17、后來(lái)，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這種方案存在著不足之處。由于車(chē)身的主要重量集中在車(chē)的后端，再加上行動(dòng)不便的老年人或殘疾人的重量，使車(chē)的重心在爬樓梯的時(shí)候集中在車(chē)的后端，而上樓時(shí)輪椅的主要驅(qū)動(dòng)力都是由前端的爬升角提供，因?yàn)閯?dòng)力不足，所以使上樓運(yùn)動(dòng)很難完成。 2.2設(shè)計(jì)方案二： 為了解決上面的問(wèn)題，我又制定了第二套方案 如下圖2-7所示 在這一套方案中，對(duì)上一種方案做出了適當(dāng)?shù)男薷?。將?qū)動(dòng)裝置放在后輪位置，前后均采用十字輪盤(pán)的機(jī)構(gòu)，只是前輪盤(pán)不作為驅(qū)動(dòng)裝置，內(nèi)部可設(shè)置為空心的。后輪因?yàn)橐鳛轵?qū)動(dòng)輪，設(shè)置有驅(qū)動(dòng)的鏈輪和鏈條。 本次方案去掉了中間部分的轉(zhuǎn)向輪，在前端安裝的一個(gè)方向盤(pán)，采用車(chē)身轉(zhuǎn)向

18、，將整個(gè)車(chē)身分為兩部分，前面為從動(dòng)機(jī)構(gòu)后面為主動(dòng)機(jī)構(gòu)，在兩部分連接處，安裝了方向盤(pán)，用方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制輪椅的轉(zhuǎn)向。 圖2-7 設(shè)計(jì)方案二 該方案具體的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3-7所示 在該方案中采用了鏈傳動(dòng)，該機(jī)構(gòu)上安裝了兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，分別控制上下樓梯運(yùn)動(dòng)和平地行走運(yùn)動(dòng)。在圖形2-8圓柱形電機(jī)（電機(jī)1）控制輪椅的上下樓梯運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)方形（電機(jī)2）的電機(jī)控制平地行走運(yùn)動(dòng)。后面的軸是采用的軸中軸的形式。外軸與輪盤(pán)相連，內(nèi)軸與輪盤(pán)內(nèi)的鏈輪相連。 當(dāng)輪椅爬樓梯時(shí)，電機(jī)1工作，電機(jī)2停止，通過(guò)鏈條傳動(dòng)給外軸，從而帶動(dòng)整個(gè)輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)上樓結(jié)束或是在平地行走時(shí)，電機(jī)1停止，電機(jī)2開(kāi)始工作，帶動(dòng)軸中軸的內(nèi)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)軸與星盤(pán)內(nèi)的兩個(gè)鏈輪鏈接，通過(guò)鏈條帶動(dòng)兩個(gè)小輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在平地上行走。 圖2-8 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 如需要完整的圖紙和材料，請(qǐng)聯(lián)系QQ：1366766833