轮式爬楼梯轮椅设计.docx

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轮式爬楼梯轮椅设计

轮式爬楼梯轮椅设计

一、本课题的研究目的和意义：

高龄人群以及下肢残障者的最大障碍是步行能力的减弱甚至缺失，他们不仅丧失行动力，更需要有劳动能力的人来加以护理。

目前，大多数老体弱者及肌体伤残者都选择轮椅作为他们的代步工具，而且使用范围越来越广。

轮椅也由手动轮椅、电动轮椅趋向智能轮椅的方向发展，但由于他们一般采用传统的轮式结构，一般仅适合在平地上使用，很少具备爬楼和翻越障碍的能力。

楼梯和路障使轮椅的使用受到了很大的限制，很多场合尤其是室外，比如银行、购物中心门前等或多或少有几级台阶，室内也有很多地方没有电梯，这也给轮椅用户造成很多不便。

当然，国家也花费了大量的人力和财力在某些场所修建了相应的轮椅坡道和其他公用设施以方便残疾人活动。

但由于各种因素的影响，这些措施的作用也非常有限。

为了给老年人和残疾人提供高性能的代步工具，解决楼梯或路障对他们使用轮椅造成的不便，帮助他们提高行动自由度，重新更好的融入社会，并考虑到我国的基本国情，研究一种价格适宜、小巧轻便的轮式爬楼梯轮椅装置具有重大的意义和实用价值。

二、文献综述（国内外研究情况及其发展）：

轮椅是康复的重要工具，它不仅是肢体伤残者的代步工具，更重要的是使他们借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。

目前，我国已经进入老龄化社会，随着老人的数量不断增加，由于行动不便对轮椅的需求数量增加，普通的轮椅很难适应我国老人上下楼的需要，因为我国大部分楼房建筑是以六层以下建筑为主，该类建筑中没有安装电梯，对于使用轮椅的人来说，上下楼及其不方便，或重心易下滑，单人难上楼，需另建专用车道。

因此迫切需要开发能够简便、轻巧的上下楼轮椅。

在我国，每年约有数十万老人、残疾人等需坐轮椅车行走。

过去旧式轮椅车存在不能自行上、下楼等问题，使病人的活动空间大为缩小。

并使监护人看护病人也很困难。

为了给千百万残疾人一个自由、舒适的空间，再加上该产品有着很大实用性，存在着非常广阔的市场。

于是人们不断进行着艰苦的研究，一代又一代可上楼的轮椅应运而生。

可自上下楼的轮椅能更好的满足残疾病人的生活需求，使其可以自己穿梭于没有助残设施的高楼大厦内。

在我国残疾人的数量是可观的，越来越多的人关注起他们的日常生活和精神生活。

他们渴望能像正常人一样的生活，渴望能够独立完成一些事情，而不用求助于正常人。

这样残疾人才会更有信心的面对生活，不被歧视，不成为别人的负担。

为了满足残疾人的需求，也是为了更好的建设和谐社会，上楼轮椅成为一个不可或缺的工具。

爬楼梯装置的研究已经有了较长的历史，早在19世纪90年代就已经有了此类专利的出现。

特别是美、英、日德等发达国家早就开始向此领域冲击，经过不断努力开发，也出现了一些成果。

由于起步较早，它们在这方面的技术也相对成熟，已经推出多种此类产品。

但现存产品都还存在各种瑕疵，还没有一种能做到尽善尽美。

我国对此类装置的研究起步较晚，在近几年也有一些成果产生，但距离形成成熟产品还有很长的路要走。

目前已经存在的爬楼梯装置也是各种各样，可以按照爬楼方式分为履带式、星轮式、腿足式以及复合式爬楼梯装置。

各种装置都有自己的优点，但也都存在一定不足。

（1）履带式

履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。

如英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35度，上下楼梯速度为每分钟15~20个台阶，如图1所示。

法国Topchair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能，如图2所示。

日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基础上，研究了一种代号为“Sakadankun”的双履带式的爬楼梯装置，即左右两侧各有两组履带相互连接在一起，解决了在水平状态与楼梯倾角切换

时，座椅倾角过大而影响使用安全的问题。

图1Baronmead公司（英国）

图2Topchair公司（法国）

履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。

它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。

但是这类装置仍存在很多不足之处：

如重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。

（2）星轮式

星轮式爬楼梯轮椅的特点是：

每个星轮以及星轮架可以绕星轮架主轴公转，同时每个星轮也可以绕自身星轮轴自转。

在爬楼时，各星轮自身锁死不转，连同星轮架一起绕星轮架主轴公转，来完成爬楼动作。

在平地行驶时，星轮架相对主轴锁死不转，每个星轮可以绕自身星轮轴自由旋转，这时通过接地星轮的旋转来实现平地行驶功能。

同为星轮式爬楼梯轮椅，有根据两个、三个、多个星轮…不同的星轮个数分为两星轮式、三星轮式、四星轮式等形式。

另外星轮式还有另一种分类方式：

因为有一对星轮架、两对星轮架，星轮架（即轮组）个数不同分为单组星轮式和双组星轮式两种形式。

行星轮个数不同对于爬楼梯轮椅的性能是有影响的，行星轮个数越多爬楼梯轮椅在爬楼过程中运动也越稳定，重心波动也越小。

但与此同时带来的缺点是星轮装置的体积会变大质量也会更重。

单组星轮式和双组星轮式也是具有双组星轮式稳定性好，重心波动小的优点;缺点也是双组星轮式体积大质量大。

并且单组星轮式结构稳定性不是很好，在爬楼过程中需要有人辅助。

而双组星轮式则可以自主完成爬楼梯功能。

几种星轮式爬楼梯轮椅的具体形式如图3所示。

图3星轮式爬楼梯轮椅

国内外提出了多种星轮式爬楼梯轮椅的方案并且涌现出多项关于星轮式爬楼梯轮椅的专利。

但能够形成产品推广使用的还为数不多。

其中做的最好的就数美国Independence公司发明研制的IBOT爬楼梯轮椅，它能自行完成爬楼梯动作，是单组星轮式爬楼梯轮椅中的一个代表，其具体形式如图4所示。

IBOT几乎能适用于所有室内外楼梯，此外它也能在斜坡、沙滩和崎妪的路面上行驶，并且后面轮组可以直立行走，能帮助使用者达到正常人的高度，为他们提供了更多方便。

它具有结构紧凑，运动灵活，操作容易等特点，其中最大的优点就是安装了内置陀螺仪系统，陀螺仪通过高速度转动原理来确定重心位置，并将中心位置信号反馈给控制系统，控制系统根据接到的信号控制轮椅平衡。

经过多年的努力研发，经过对IBOT3000的产品进一步改进，已经成功发展到了IBOT4000，性能也越来越好，但3万美元左右售价，也让大多数人望而却步。

图4IBOT3000

（3）腿足式

腿足式爬楼轮椅的主要特点是爬楼动作是一个由腿足完成的不连续过程。

早期的爬楼梯装置多数都采用这种不连续方式。

18世纪90年代Bray发明制造的爬楼梯轮椅

采用的方式就是不连续方式。

在爬楼过程中，两套支撑装置中的一套作为支撑，另一套爬升，运动轨迹为上升、平移、着陆，类似人的两条腿一样爬楼。

腿足式爬楼梯装置实际上就是模仿人类爬楼的动作。

腿足式爬楼轮椅的研究日本的技术比较成熟，经过数十年研究，出了很多专利甚至产品。

在日本的丰田公司，“iFoot”和“iUnit”可以让轮椅使用者能够像正常人一样随心所欲地到处运动。

“iFoot”外观犹如一个长着机器腿的大椅子，或者说是一个从日本卡通片中逃出来的机器人，如图5所示，它能够像人一样两条腿走路。

如果你觉得太慢，那么还有“iUnit”可供选择，这种设计有四个轮子，使用者坐在距离地面较低的轮椅里面。

但是这种装置还处在概念阶段，没有到可以上市的程度。

另一个正在研制中的轮椅和“iFoot”比较像，尽管外观上不像“iFoot”那样漂亮，但它更实用。

这是日本研发的又一腿足式爬楼装置，名字叫“WL-16Rir”。

也是有两条腿的椅子，座椅底安装了陀螺仪系统，每条腿上也都装有压力传感器，通过信息釆集以及陀螺仪联合控制处理来保持平衡，可以上下楼梯，并且可以调高或者调低，可为老年人和残疾人提供新的行动能力。

不过，这种轮椅目前也没能上市。

图5丰田公司生产的腿形间歇型爬楼行走设备ifoot

（4）复合式

鉴于履带式、星轮式、腿足式等装置的优缺点，在研究过程中，产生了一些其它的爬升装置。

例如由英国的Stairmatic，它是此类型爬楼梯轮椅的一个典型例子，如图6所示，它不仅理论成熟并且已经通过了实际应用试验。

但是，仅能上下楼梯，对平地自主适应性差，使其距完美还有一定距离。

另外约8万余元人民币的价格也让多数人难以承受。

轮腿复合可以说是复合式中常用的结构了，设计主要是依靠腿式机构来完成爬楼、越障，轮式机构来实现平地行走功能。

其中NASA的SojourerRobot，EPFL的ShrimpRobot是具有代表性的，如图7所示，ShrimpRobot摆臂在一定范围可上下摆动，能够辅助跨越障碍、攀爬楼梯，具有非常好的越障、攀爬性能、平地行驶和上下楼梯能力。

但是复合式的复杂机构与结构，致使设计、控制、分析等工作都非常复杂。

而且随着结构的复杂程度提高就增大了故障率，降低了设备的可靠性，这样也会使安全性不能得到保障。

除了以上问题，还需要面对适应不同尺寸的楼梯，爬升过程中反向自锁等问题，总之复合式爬楼梯轮椅虽说有着自身的优点，但是还有很多问题需要解决，距离完美还是有很长的路需要探索。

图6英国的Stairmatic

图7ShrimpRobot

综上所述，国内外在爬楼梯装置方面的研究已经有较长的历史，成果也较多，诞生了很多的专利以及产品，但是它们或者结构复杂、或者造价昂贵，总是存在这样或那样的缺陷。

为了更好地解决老年人、残疾人活动问题,提出一种整体结构紧凑、质量适中、安全性好、操作方便、价格适宜的爬楼梯轮椅方案是十分必要的。

此外，考虑到轮椅的主要作用是平地行驶，故在做好爬升装置的前提下更应将平地行驶功能做到最好。

可以看出，虽然爬楼梯装置的研究已经有了一定的成果，但距离完美的产品的诞生还是有很长一段路需要走的。

毕业设计（论文）任务书

本科2009级

机械系（部）机械工程及自动化专业班

设计（论文）题目

轮式爬楼梯轮椅设计

学生姓名学号

起讫日期2012年12月31日~2013年5月31日

设计地点

指导教师职称讲师

2012年12月31日

1.毕业设计（论文）的目的：

毕业设计是工科院校的最后一个重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理

论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次综合训练，这对学生即

将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有重要意义。

2.毕业设计（论文）任务的内容和要求：

内容：

要求根据目前收集的参考文献获得的爬楼梯装置的研究现状，分析已产生的各种典

型机构的优缺点，在充分考虑结构、造价、安全性等重要因素的基础上，拟研究设计一种轮式爬

楼梯轮椅。

该设计在满足爬楼梯轮椅的基本要求的前提下，尽量到结构简单，价格适宜，对台阶

适应性强，安全性高等方面。

要求：

1.完成爬楼梯轮椅的总体设计；

2.画出轮椅装配图以及零件图（张A0图纸以上）；

3.撰写设计说明书；

4.翻译相关的英文资料（不少于5000汉字）

3.主要参考文献：

[1]孟祥雨.一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计与研究[D].长春：

长春工业大学，2012.

[2]王丽娟.行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯轮椅设计[D].苏州：

苏州大学，2010.

[4]陆丰勤.多功能爬楼梯装置的研究及控制系统的设计[D].南京：

南京理工大学，2008.

[6]王晶主编.第二届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品集[M].北京：

高等教育出版社，

[10]侯乐平，邵玉林.一种能上下楼梯的轮椅申请号：

中华人民共和国知识产权局2000-07-25.

[9]曹岩.SolidWorks2007机械设计实例精解.北京：

化学工业出版社..

[8]江红，杨勇，乔兰东.SolidWorks实例解析—曲线、曲面、仿真、渲染.北京：

机械工业出版社..

4.毕业设计（论文）进度计划：

起讫日期

工作内容

2012．12．31

~2013．1．15

根据毕业设计（论文）任务书，查询相关技术资料。

2013．1．15

~2013．3．1

英文文献翻译。

2013．3．1

~2013．3．15

进行方案构思、比较、分析，并提交开题报告，进行开题答辩。

2013．3．15

~2013．3．29

进行爬楼梯轮椅的功能原理设计方案，通过方案对比确定最佳方案。

2013．3．29

~2013．4．12

进行受力分析及电机选取

2013．4．12

~2013．4．26

进行爬楼梯轮椅的结构设计，绘制装配草图、三维建模、装

配图和部分零件图。

2013．4．26

~2013．5．10

进行爬楼梯轮椅的虚拟装配和运行仿真，并对轮椅的结构进

行优化；

2013．5．10

~2013．5．24

设计资料整理、装订、提交论文初稿。

2013．5．24

~2013．5．31

总结毕业设计、论文修改、完善。

制作答辩PPT。

2013．5．31

~2013．6．14

论文答辩。

需要整套毕业设计，请联系qq:

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