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輪式爬樓梯輪椅設(shè)計(jì) 一、本課題的研究目的和意義： 高齡人群以及下肢殘障者的最大障礙是步行能力的減弱甚至缺失，他們不僅喪失行動(dòng)力，更需要有勞動(dòng)能力的人來(lái)加以護(hù)理。目前，大多數(shù)老體弱者及肌體傷殘者都選擇輪椅作為他們的代步工具，而且使用范圍越來(lái)越廣。輪椅也由手動(dòng)輪椅、電動(dòng)輪椅趨向智能輪椅的方向發(fā)展，但由于他們一般采用傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，一般僅適合在平地上使用，很少具備爬樓和翻越障礙的能力。樓梯和路障使輪椅的使用受到了很大的限制，很多場(chǎng)合尤其是室外，比如銀行、購(gòu)物中心門(mén)前等或多或少有幾級(jí)臺(tái)階，室內(nèi)也有很多地方?jīng)]有電梯，這也給輪椅用戶造成很多不便。當(dāng)然，國(guó)家也花費(fèi)了大量的人力和財(cái)力在某些場(chǎng)所修建了相應(yīng)的輪椅坡道和其他公用設(shè)施以方便殘疾人活動(dòng)。但由于各種因素的影響，這些措施的作用也非常有限。 為了給老年人和殘疾人提供高性能的代步工具，解決樓梯或路障對(duì)他們使用輪椅造成的不便，幫助他們提高行動(dòng)自由度，重新更好的融入社會(huì)，并考慮到我國(guó)的基本國(guó)情，研究一種價(jià)格適宜、小巧輕便的輪式爬樓梯輪椅裝置具有重大的意義和實(shí)用價(jià)值。 2、 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）： 輪椅是康復(fù)的重要工具，它不僅是肢體傷殘者的代步工具，更重要的是使他們借助于輪椅進(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì)活動(dòng)。目前，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，隨著老人的數(shù)量不斷增加，由于行動(dòng)不便對(duì)輪椅的需求數(shù)量增加，普通的輪椅很難適應(yīng)我國(guó)老人上下樓的需要，因?yàn)槲覈?guó)大部分樓房建筑是以六層以下建筑為主，該類建筑中沒(méi)有安裝電梯，對(duì)于使用輪椅的人來(lái)說(shuō)，上下樓及其不方便，或重心易下滑，單人難上樓，需另建專用車(chē)道。因此迫切需要開(kāi)發(fā)能夠簡(jiǎn)便、輕巧的上下樓輪椅。 在我國(guó)，每年約有數(shù)十萬(wàn)老人、殘疾人等需坐輪椅車(chē)行走。過(guò)去舊式輪椅車(chē)存在不能自行上、下樓等問(wèn)題，使病人的活動(dòng)空間大為縮小。并使監(jiān)護(hù)人看護(hù)病人也很困難。為了給千百萬(wàn)殘疾人一個(gè)自由、舒適的空間，再加上該產(chǎn)品有著很大實(shí)用性，存在著非常廣闊的市場(chǎng)。于是人們不斷進(jìn)行著艱苦的研究，一代又一代可上樓的輪椅應(yīng)運(yùn)而生?？勺陨舷聵堑妮喴文芨玫臐M足殘疾病人的生活需求，使其可以自己穿梭于沒(méi)有助殘?jiān)O(shè)施的高樓大廈內(nèi)。 在我國(guó)殘疾人的數(shù)量是可觀的，越來(lái)越多的人關(guān)注起他們的日常生活和精神生活。他們渴望能像正常人一樣的生活，渴望能夠獨(dú)立完成一些事情，而不用求助于正常人。這樣殘疾人才會(huì)更有信心的面對(duì)生活，不被歧視，不成為別人的負(fù)擔(dān)。為了滿足殘疾人的需求，也是為了更好的建設(shè)和諧社會(huì)，上樓輪椅成為一個(gè)不可或缺的工具。 爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了較長(zhǎng)的歷史，早在19世紀(jì)90年代就已經(jīng)有了此類專利的出現(xiàn)。特別是美、英、日德等發(fā)達(dá)國(guó)家早就開(kāi)始向此領(lǐng)域沖擊，經(jīng)過(guò)不斷努力開(kāi)發(fā)，也出現(xiàn)了一些成果。由于起步較早，它們?cè)谶@方面的技術(shù)也相對(duì)成熟，已經(jīng)推出多種此類產(chǎn)品。但現(xiàn)存產(chǎn)品都還存在各種瑕疵，還沒(méi)有一種能做到盡善盡美。我國(guó)對(duì)此類裝置的研究起步較晚，在近幾年也有一些成果產(chǎn)生，但距離形成成熟產(chǎn)品還有很長(zhǎng)的路要走。 目前已經(jīng)存在的爬樓梯裝置也是各種各樣，可以按照爬樓方式分為履帶式、星輪式、腿足式以及復(fù)合式爬樓梯裝置。各種裝置都有自己的優(yōu)點(diǎn)，但也都存在一定不足。 （1）履帶式 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車(chē)或坦克，其原理簡(jiǎn)單，技術(shù)也比較成熟。如英國(guó)Baronmead公司開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車(chē)，底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為35度，上下樓梯速度為每分鐘15~20個(gè)臺(tái)階，如圖1所示。法國(guó)Topchair公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車(chē)輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí)，用戶通過(guò)適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個(gè)車(chē)輪收起，依靠履帶無(wú)需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能，如圖2所示。日本長(zhǎng)崎大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基礎(chǔ)上，研究了一種代號(hào)為“Sakadankun”的雙履帶式的爬樓梯裝置，即左右兩側(cè)各有兩組履帶相互連接在一起，解決了在水平狀態(tài)與樓梯傾角切換 時(shí)，座椅傾角過(guò)大而影響使用安全的問(wèn)題。 圖1 Baronmead公司(英國(guó)) 圖2 Topchair公司(法國(guó)) 履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動(dòng)輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處：如重量大、運(yùn)動(dòng)不夠靈活、爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對(duì)樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問(wèn)題限制了其在日常生活中的推廣使用。 （2） 星輪式 星輪式爬樓梯輪椅的特點(diǎn)是：每個(gè)星輪以及星輪架可以繞星輪架主軸公轉(zhuǎn)，同時(shí)每個(gè)星輪也可以繞自身星輪軸自轉(zhuǎn)。在爬樓時(shí)，各星輪自身鎖死不轉(zhuǎn)，連同星輪架一起繞星輪架主軸公轉(zhuǎn)，來(lái)完成爬樓動(dòng)作。在平地行駛時(shí)，星輪架相對(duì)主軸鎖死不轉(zhuǎn)，每個(gè)星輪可以繞自身星輪軸自由旋轉(zhuǎn)，這時(shí)通過(guò)接地星輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)平地行駛功能。同為星輪式爬樓梯輪椅，有根據(jù)兩個(gè)、三個(gè)、多個(gè)星輪…不同的星輪個(gè)數(shù)分為兩星輪式、三星輪式、四星輪式等形式。另外星輪式還有另一種分類方式：因?yàn)橛幸粚?duì)星輪架、兩對(duì)星輪架，星輪架(即輪組)個(gè)數(shù)不同分為單組星輪式和雙組星輪式兩種形式。行星輪個(gè)數(shù)不同對(duì)于爬樓梯輪椅的性能是有影響的，行星輪個(gè)數(shù)越多爬樓梯輪椅在爬樓過(guò)程中運(yùn)動(dòng)也越穩(wěn)定，重心波動(dòng)也越小。但與此同時(shí)帶來(lái)的缺點(diǎn)是星輪裝置的體積會(huì)變大質(zhì)量也會(huì)更重。單組星輪式和雙組星輪式也是具有雙組星輪式穩(wěn)定性好，重心波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)也是雙組星輪式體積大質(zhì)量大。并且單組星輪式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不是很好，在爬樓過(guò)程中需要有人輔助。而雙組星輪式則可以自主完成爬樓梯功能。幾種星輪式爬樓梯輪椅的具體形式如圖3所示。 圖3 星輪式爬樓梯輪椅 國(guó)內(nèi)外提出了多種星輪式爬樓梯輪椅的方案并且涌現(xiàn)出多項(xiàng)關(guān)于星輪式爬樓梯輪椅的專利。但能夠形成產(chǎn)品推廣使用的還為數(shù)不多。其中做的最好的就數(shù)美國(guó)Independence公司發(fā)明研制的IBOT爬樓梯輪椅，它能自行完成爬樓梯動(dòng)作，是單組星輪式爬樓梯輪椅中的一個(gè)代表，其具體形式如圖4所示。IBOT幾乎能適用于所有室內(nèi)外樓梯，此外它也能在斜坡、沙灘和崎嫗的路面上行駛，并且后面輪組可以直立行走，能幫助使用者達(dá)到正常人的高度，為他們提供了更多方便。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，操作容易等特點(diǎn)，其中最大的優(yōu)點(diǎn)就是安裝了內(nèi)置陀螺儀系統(tǒng)，陀螺儀通過(guò)高速度轉(zhuǎn)動(dòng)原理來(lái)確定重心位置，并將中心位置信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)接到的信號(hào)控制輪椅平衡。經(jīng)過(guò)多年的努力研發(fā)，經(jīng)過(guò)對(duì)IBOT3000的產(chǎn)品進(jìn)一步改進(jìn)，已經(jīng)成功發(fā)展到了IBOT4000，性能也越來(lái)越好，但3萬(wàn)美元左右售價(jià)，也讓大多數(shù)人望而卻步。 圖4 IBOT3000 （3）腿足式 腿足式爬樓輪椅的主要特點(diǎn)是爬樓動(dòng)作是一個(gè)由腿足完成的不連續(xù)過(guò)程。早期的爬樓梯裝置多數(shù)都采用這種不連續(xù)方式。18世紀(jì)90年代Bray發(fā)明制造的爬樓梯輪椅 采用的方式就是不連續(xù)方式。在爬樓過(guò)程中，兩套支撐裝置中的一套作為支撐，另一套爬升，運(yùn)動(dòng)軌跡為上升、平移、著陸，類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實(shí)際上就是模仿人類爬樓的動(dòng)作。腿足式爬樓輪椅的研究日本的技術(shù)比較成熟，經(jīng)過(guò)數(shù)十年研究，出了很多專利甚至產(chǎn)品。 在日本的豐田公司，“iFoot”和“iUnit”可以讓輪椅使用者能夠像正常人一樣隨心所欲地到處運(yùn)動(dòng)?！癷Foot”外觀猶如一個(gè)長(zhǎng)著機(jī)器腿的大椅子，或者說(shuō)是一個(gè)從日本卡通片中逃出來(lái)的機(jī)器人，如圖5所示，它能夠像人一樣兩條腿走路。如果你覺(jué)得太慢，那么還有“iUnit”可供選擇，這種設(shè)計(jì)有四個(gè)輪子，使用者坐在距離地面較低的輪椅里面。但是這種裝置還處在概念階段，沒(méi)有到可以上市的程度。另一個(gè)正在研制中的輪椅和“iFoot”比較像，盡管外觀上不像“iFoot”那樣漂亮，但它更實(shí)用。這是日本研發(fā)的又一腿足式爬樓裝置，名字叫“WL-16Rir”。也是有兩條腿的椅子，座椅底安裝了陀螺儀系統(tǒng)，每條腿上也都裝有壓力傳感器，通過(guò)信息釆集以及陀螺儀聯(lián)合控制處理來(lái)保持平衡，可以上下樓梯，并且可以調(diào)高或者調(diào)低，可為老年人和殘疾人提供新的行動(dòng)能力。不過(guò)，這種輪椅目前也沒(méi)能上市。 圖5 豐田公司生產(chǎn)的腿形間歇型爬樓行走設(shè)備ifoot （4）復(fù)合式 鑒于履帶式、星輪式、腿足式等裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，在研究過(guò)程中，產(chǎn)生了一些其它的爬升裝置。例如由英國(guó)的Stairmatic，它是此類型爬樓梯輪椅的一個(gè)典型例子，如圖6所示，它不僅理論成熟并且已經(jīng)通過(guò)了實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)。但是，僅能上下樓梯，對(duì)平地自主適應(yīng)性差，使其距完美還有一定距離。另外約8萬(wàn)余元人民幣的價(jià)格也讓多數(shù)人難以承受。輪腿復(fù)合可以說(shuō)是復(fù)合式中常用的結(jié)構(gòu)了，設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來(lái)完成爬樓、越障，輪式機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)平地行走功能。其中NASA的Sojourer Robot，EPFL的Shrimp Robot是具有代表性的，如圖7所示，Shrimp Robot擺臂在一定范圍可上下擺動(dòng)，能夠輔助跨越障礙、攀爬樓梯，具有非常好的越障、攀爬性能、平地行駛和上下樓梯能力。但是復(fù)合式的復(fù)雜機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)，致使設(shè)計(jì)、控制、分析等工作都非常復(fù)雜。而且隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度提高就增大了故障率，降低了設(shè)備的可靠性，這樣也會(huì)使安全性不能得到保障。 除了以上問(wèn)題，還需要面對(duì)適應(yīng)不同尺寸的樓梯，爬升過(guò)程中反向自鎖等問(wèn)題，總之復(fù)合式爬樓梯輪椅雖說(shuō)有著自身的優(yōu)點(diǎn)，但是還有很多問(wèn)題需要解決，距離完美還是有很長(zhǎng)的路需要探索。 圖6 英國(guó)的Stairmatic 圖7 Shrimp Robot 綜上所述，國(guó)內(nèi)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史，成果也較多，誕生了很多的專利以及產(chǎn)品，但是它們或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、或者造價(jià)昂貴，總是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動(dòng)問(wèn)題,提出一種整體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量適中、安全性好、操作方便、價(jià)格適宜的爬樓梯輪椅方案是十分必要的。此外，考慮到輪椅的主要作用是平地行駛，故在做好爬升裝置的前提下更應(yīng)將平地行駛功能做到最好?？梢钥闯?，雖然爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了一定的成果，但距離完美的產(chǎn)品的誕生還是有很長(zhǎng)一段路需要走的。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 本科 2009 級(jí) 機(jī)械 系（部） 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè) 班 設(shè)計(jì)（論文）題目 輪式爬樓梯輪椅設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 起訖日期 2012年12月31日~2013年5月31日 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 指導(dǎo)教師 職稱 講師 2012 年 12 月 31 日 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的目的： 畢業(yè)設(shè)計(jì)是工科院校的最后一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的基本理 論、基本知識(shí)與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問(wèn)題而進(jìn)行的一次綜合訓(xùn)練，這對(duì)學(xué)生即 將從事的相關(guān)技術(shù)工作和未來(lái)事業(yè)的開(kāi)拓都具有重要意義。 2.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)的內(nèi)容和要求： 內(nèi)容：要求根據(jù)目前收集的參考文獻(xiàn)獲得的爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀，分析已產(chǎn)生的各種典 型機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在充分考慮結(jié)構(gòu)、造價(jià)、安全性等重要因素的基礎(chǔ)上，擬研究設(shè)計(jì)一種輪式爬 樓梯輪椅。該設(shè)計(jì)在滿足爬樓梯輪椅的基本要求的前提下，盡量到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格適宜，對(duì)臺(tái)階 適應(yīng)性強(qiáng)，安全性高等方面。 要求：1.完成爬樓梯輪椅的總體設(shè)計(jì)； 2.畫(huà)出輪椅裝配圖以及零件圖（2.5張A0圖紙以上）； 3.撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)； 4.翻譯相關(guān)的英文資料（不少于5000漢字） 3.主要參考文獻(xiàn)： [1] 孟祥雨.一種星輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2012. [2] 王麗娟.行星滾輪轉(zhuǎn)換步行式驅(qū)動(dòng)爬樓梯輪椅設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010. [4] 陸豐勤.多功能爬樓梯裝置的研究及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2008. [6] 王晶主編.第二屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽決賽作品集[M].北京：高等教育出版社，200.7 [10] 侯樂(lè)平，邵玉林. 一種能上下樓梯的輪椅 申請(qǐng)?zhí)枺?0244147.0 中華人民共和國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 2000-07-25. [9] 曹巖. SolidWorks2007機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例精解.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007.9. [8] 江紅，楊勇，喬蘭東. SolidWorks實(shí)例解析—曲線、曲面、仿真、渲染.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2004.10. 4.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃： 起訖日期 工作內(nèi)容 2012．12．31 ~2013．1．15 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)，查詢相關(guān)技術(shù)資料。 2013．1．15 ~2013．3．1 英文文獻(xiàn)翻譯。 2013．3．1 ~2013．3．15 進(jìn)行方案構(gòu)思、比較、分析，并提交開(kāi)題報(bào)告，進(jìn)行開(kāi)題答辯。 2013．3．15 ~2013．3．29 進(jìn)行爬樓梯輪椅的功能原理設(shè)計(jì)方案，通過(guò)方案對(duì)比確定最佳方案。 2013．3．29 ~2013．4．12 進(jìn)行受力分析及電機(jī)選取 2013．4．12 ~2013．4．26 進(jìn)行爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制裝配草圖、三維建模、裝 配圖和部分零件圖。 2013．4．26 ~2013．5．10 進(jìn)行爬樓梯輪椅的虛擬裝配和運(yùn)行仿真，并對(duì)輪椅的結(jié)構(gòu)進(jìn) 行優(yōu)化； 2013．5．10 ~2013．5．24 設(shè)計(jì)資料整理、裝訂、提交論文初稿。 2013．5．24 ~2013．5．31 總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)、論文修改、完善。制作答辯PPT。 2013．5．31 ~2013．6．14 論文答辯。 需要整套畢業(yè)設(shè)計(jì)，請(qǐng)聯(lián)系qq:583408401