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1、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，國家也花費了大量的人力和財力在某些場所修建了

2、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。 二、 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，普通的輪椅很難適應我國老人上下樓

3、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，使其可以自己穿梭于沒有助殘設施的高樓大廈內。

4、 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，還沒有一種能做到盡善盡美。我國對此

5、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下平地運行使用，當遇到樓梯等特

6、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。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通

7、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、多個星輪…不同的星輪個數分為兩星輪

8、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。 圖3 星輪式爬樓梯輪椅

9、 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，并將中心位置信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系

10、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的動作。腿足式爬樓輪椅的研究日

11、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。“iFoot”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，名字叫“WL-16Rir”。也是

12、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。另外約8萬余元人民幣的價格也讓多

13、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，爬升過程中反向自鎖等問題，總之復

14、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?？梢钥闯觯m然爬樓梯裝置的研究已經有了一定的成

15、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 職稱

16、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爬 樓梯輪椅。該設計在滿足爬

17、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.多功能爬樓梯裝置的研究及控制系統(tǒng)的設計[D]

18、.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?0244147.0 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 2012．12．31

19、 ~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:583408401