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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 輪式爬樓梯輪椅設計 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，他們不僅喪失行動力，更需要有勞動能力的人來加以護理。目前，大多數老體弱者及肌體傷殘者都選擇輪椅作為他們的代步工具，而且使用范圍越來越廣。輪椅也由手動輪椅、電動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)的輪式結構，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，很多場合尤其是室外，比如銀行、購物中心門前等或多或少有幾級臺階，室內也有很多地方沒有電梯，這也給輪椅用戶造成很多不便。當然，國家也

2、花費了大量的人力和財力在某些場所修建了相應的輪椅坡道和其他公用設施以方便殘疾人活動。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，解決樓梯或路障對他們使用輪椅造成的不便，幫助他們提高行動自由度，重新更好的融入社會，并考慮到我國的基本國情，研究一種價格適宜、小巧輕便的輪式爬樓梯輪椅裝置具有重大的意義和實用價值。 2、 文獻綜述（國內外研究情況及其發(fā)展）： 輪椅是康復的重要工具，它是肢體傷殘者的代步，更重要的是使他們借助于輪椅進行身體鍛煉和參與社會活動。目前，我國已經進入老齡化社會，隨著老人的數量不斷增加，由于行動不便對輪椅的需求數量增加，普

3、通的輪椅很難適應我國老人上下樓的需要，因為我國大部分樓房建筑是以六層以下建筑為主，該類建筑中沒有安裝電梯，對于使用輪椅的人來說，上下樓及其不方便，或重心易下滑，單人難上樓，需另建專用車道。因此迫切需要開發(fā)能夠簡便、輕巧的上下樓輪椅。 在我國，每年約有數十萬老人、殘疾人等需坐輪椅車行走。過去舊式輪椅車存在不能自行上、下樓等問題，使病人的活動空間大為縮小。并使監(jiān)護人看護病人也很困難。為了給千百萬殘疾人一個自由、舒適的空間，再加上該產品有著很大實用性，存在著非常廣闊的市場。于是人們不斷進行著艱苦的研究，一代又一代可上樓的輪椅應運而生?？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

4、于沒有助殘設施的高樓大廈內。 在我國殘疾人的數量是可觀的，越來越多的人關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，渴望能夠獨立完成一些事情，而不用求助于正常人。這樣殘疾人才會更有信心的面對生活，不被歧視，不成為別人的負擔。為了滿足殘疾人的需求，也是為了更好的建設和諧社會，上樓輪椅成為一個不可或缺的工具。 爬樓梯裝置的研究已經有了較長的歷史，早在19世紀90年代就已經有了此類專利的出現(xiàn)。特別是美、英、日德等發(fā)達國家早就開始向此領域沖擊，經過不斷努力開發(fā)，也出現(xiàn)了一些成果。由于起步較早，它們在這方面的技術也相對成熟，已經推出多種此類產品。但現(xiàn)存產品都還存在各種瑕疵，還沒

5、有一種能做到盡善盡美。我國對此類裝置的研究起步較晚，在近幾年也有一些成果產生，但距離形成成熟產品還有很長的路要走。 目前已經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、腿足式以及復合式爬樓梯裝置。各種裝置都有自己的優(yōu)點，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兵車或坦克，其原理簡單，技術也比較成熟。如英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結構，可爬樓梯的最大坡度為35度，上下樓梯速度為每分鐘15~20個臺階，如圖1所示。法國Topchair公司生產的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個車輪供正常情況

6、下平地運行使用，當遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當操作將兩側的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能，如圖2所示。日本長崎大學更在普通單履帶輪椅的基礎上，研究了一種代號為“Sakadankun”的雙履帶式的爬樓梯裝置，即左右兩側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，座椅傾角過大而影響使用安全的問題。 圖1 Baronmead公司(英國) 圖2 Topchair公司(法國) 履帶式結構傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運動非常平穩(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

7、具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處：如重量大、運動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大，而且轉彎不方便，這些問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是：每個星輪以及星輪架可以繞星輪架主軸公轉，同時每個星輪也可以繞自身星輪軸自轉。在爬樓時，各星輪自身鎖死不轉，連同星輪架一起繞星輪架主軸公轉，來完成爬樓動作。在平地行駛時，星輪架相對主軸鎖死不轉，每個星輪可以繞自身星輪軸自由旋轉，這時通過接地星輪的旋轉來實現(xiàn)平地行駛功能。同為星輪式爬樓梯輪椅，有根據兩個、三個、多個

8、星輪…不同的星輪個數分為兩星輪式、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：因為有一對星輪架、兩對星輪架，星輪架(即輪組)個數不同分為單組星輪式和雙組星輪式兩種形式。行星輪個數不同對于爬樓梯輪椅的性能是有影響的，行星輪個數越多爬樓梯輪椅在爬樓過程中運動也越穩(wěn)定，重心波動也越小。但與此同時帶來的缺點是星輪裝置的體積會變大質量也會更重。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，重心波動小的優(yōu)點;缺點也是雙組星輪式體積大質量大。并且單組星輪式結構穩(wěn)定性不是很好，在爬樓過程中需要有人輔助。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。

9、 圖3 星輪式爬樓梯輪椅 國內外提出了多種星輪式爬樓梯輪椅的方案并且涌現(xiàn)出多項關于星輪式爬樓梯輪椅的專利。但能夠形成產品推廣使用的還為數不多。其中做的最好的就數美國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作，是單組星輪式爬樓梯輪椅中的一個代表，其具體形式如圖4所示。IBOT幾乎能適用于所有室內外樓梯，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，能幫助使用者達到正常人的高度，為他們提供了更多方便。它具有結構緊湊，運動靈活，操作容易等特點，其中最大的優(yōu)點就是安裝了內置陀螺儀系統(tǒng)，陀螺儀通過高速度轉動原理來確定重心位置，并將中心

10、位置信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據接到的信號控制輪椅平衡。經過多年的努力研發(fā)，經過對IBOT3000的產品進一步改進，已經成功發(fā)展到了IBOT4000，性能也越來越好，但3萬美元左右售價，也讓大多數人望而卻步。 圖4 IBOT3000 （3）腿足式 腿足式爬樓輪椅的主要特點是爬樓動作是一個由腿足完成的不連續(xù)過程。早期的爬樓梯裝置多數都采用這種不連續(xù)方式。18世紀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。在爬樓過程中，兩套支撐裝置中的一套作為支撐，另一套爬升，運動軌跡為上升、平移、著陸，類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實際上就是模仿人類爬樓

11、的動作。腿足式爬樓輪椅的研究日本的技術比較成熟，經過數十年研究，出了很多專利甚至產品。 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動?！癷Foot”外觀猶如一個長著機器腿的大椅子，或者說是一個從日本卡通片中逃出來的機器人，如圖5所示，它能夠像人一樣兩條腿走路。如果你覺得太慢，那么還有“iUnit”可供選擇，這種設計有四個輪子，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，沒有到可以上市的程度。另一個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，但它更實用。這是日本研發(fā)的又一腿足式爬樓裝置，名

12、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，通過信息釆集以及陀螺儀聯(lián)合控制處理來保持平衡，可以上下樓梯，并且可以調高或者調低，可為老年人和殘疾人提供新的行動能力。不過，這種輪椅目前也沒能上市。 圖5 豐田公司生產的腿形間歇型爬樓行走設備ifoot （4）復合式 鑒于履帶式、星輪式、腿足式等裝置的優(yōu)缺點，在研究過程中，產生了一些其它的爬升裝置。例如由英國的Stairmatic，它是此類型爬樓梯輪椅的一個典型例子，如圖6所示，它不僅理論成熟并且已經通過了實際應用試驗。但是，僅能上下樓梯，對平地自主適應性差，使其距完美還有一定距離。另

13、外約8萬余元人民幣的價格也讓多數人難以承受。輪腿復合可以說是復合式中常用的結構了，設計主要是依靠腿式機構來完成爬樓、越障，輪式機構來實現(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，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。但是復合式的復雜機構與結構，致使設計、控制、分析等工作都非常復雜。而且隨著結構的復雜程度提高就增大了故障率，降低了設備的可靠性，這樣也會使安全性不能得到保障。 除了以上問題，還需要面對適應不同尺寸的樓梯，爬

14、升過程中反向自鎖等問題，總之復合式爬樓梯輪椅雖說有著自身的優(yōu)點，但是還有很多問題需要解決，距離完美還是有很長的路需要探索。 圖6 英國的Stairmatic 圖7 Shrimp Robot 綜上所述，國內外在爬樓梯裝置方面的研究已經有較長的歷史，成果也較多，誕生了很多的專利以及產品，但是它們或者結構復雜、或者造價昂貴，總是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動問題,提出一種整體結構緊湊、質量適中、安全性好、操作方便、價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將平地行駛功能做到最好。可以看出，雖然爬

15、樓梯裝置的研究已經有了一定的成果，但距離完美的產品的誕生還是有很長一段路需要走的。 畢業(yè)設計（論文）任務書 本科 2009 級 機械 系（部） 機械工程及自動化 專業(yè) 班 設計（論文）題目 輪式爬樓梯輪椅設計 學生姓名 學號 起訖日期 2012年12月31日~2013年5月31日 設計地點 指導教師

16、 職稱 講師 2012 年 12 月 31 日 1.畢業(yè)設計（論文）的目的： 畢業(yè)設計是工科院校的最后一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是使學生綜合運用所學過的基本理 論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內的工程技術問題而進行的一次綜合訓練，這對學生即 將從事的相關技術工作和未來事業(yè)的開拓都具有重要意義。 2.畢業(yè)設計（論文）任務的內容和要求： 內容：要求根據目前收集的參考文獻獲得的爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀，分析已產生的各種典 型機構的優(yōu)缺點，在充分考慮結構、造價、安全性等重要因素的基礎上，擬研究設計一種輪式

17、爬 樓梯輪椅。該設計在滿足爬樓梯輪椅的基本要求的前提下，盡量到結構簡單，價格適宜，對臺階 適應性強，安全性高等方面。 要求：1.完成爬樓梯輪椅的總體設計； 2.畫出輪椅裝配圖以及零件圖（2.5張A0圖紙以上）； 3.撰寫設計說明書； 4.翻譯相關的英文資料（不少于5000漢字） 3.主要參考文獻： [1] 孟祥雨.一種星輪式爬樓梯電動輪椅設計與研究[D].長春：長春工業(yè)大學，2012. [2] 王麗娟.行星滾輪轉換步行式驅動爬樓梯輪椅設計[D].蘇州：蘇州大學，2010. [4] 陸豐勤.多功能爬樓梯裝

18、置的研究及控制系統(tǒng)的設計[D].南京：南京理工大學，2008. [6] 王晶主編.第二屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽決賽作品集[M].北京：高等教育出版社，200.7 [10] 侯樂平，邵玉林. 一種能上下樓梯的輪椅 申請?zhí)枺?0 中華人民共和國知識產權局 2000-07-25. [9] 曹巖. SolidWorks2007機械設計實例精解.北京：化學工業(yè)出版社.2007.9. [8] 江紅，楊勇，喬蘭東. SolidWorks實例解析—曲線、曲面、仿真、渲染.北京：機械工業(yè)出版社.2004.10. 4.畢業(yè)設計（論文）進度計劃： 起訖日期 工作內容 2012

19、．12．31 ~2013．1．15 根據畢業(yè)設計(論文)任務書，查詢相關技術資料。 2013．1．15 ~2013．3．1 英文文獻翻譯。 2013．3．1 ~2013．3．15 進行方案構思、比較、分析，并提交開題報告，進行開題答辯。 2013．3．15 ~2013．3．29 進行爬樓梯輪椅的功能原理設計方案，通過方案對比確定最佳方案。 2013．3．29 ~2013．4．12 進行受力分析及電機選取 2013．4．12 ~2013．4．26 進行爬樓梯輪椅的結構設計，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 進行爬樓梯輪椅的虛擬裝配和運行仿真，并對輪椅的結構進 行優(yōu)化； 2013．5．10 ~2013．5．24 設計資料整理、裝訂、提交論文初稿。 2013．5．24 ~2013．5．31 總結畢業(yè)設計、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)設計，請聯(lián)系qq: 專心---專注---專業(yè)