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1、一、選題依據(jù) 1．論文（設計）題目 輪式可爬樓梯輪椅車設計 2．研究領域機械設計 3．論文（設計）工作的理論意義和應用價值 理論意義：對于年老體弱者以及下肢傷殘者，輪椅是其必不可少的行走輔助設備， 由于我國無障礙設施的滯后，這類人群的出行問題十分突出。鑒于目前的輪椅、電動 輪椅能在坡度小于 12 度平坦的路面上行駛，但遇到樓梯臺階、溝槽、坎就無法跨越， 使輪椅具有爬樓梯能力是解決這類問題的關鍵。研究這類問題具有現(xiàn)實的理論意義。 應用價值：從市場的角度看，輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要的代步工具，隨 著人們生活水平的提高，輪椅被看作是一個潛力巨大的市場。從全球范圍來看爬樓梯 輪

2、椅的研究已經(jīng)有近百年的歷史，提出了各種輪椅爬樓梯的解決方案。在這些方案中， 行星輪式爬樓梯輪椅可以兼顧平地行走和爬樓梯，是比較理想的爬樓梯解決方案。所 以，研究輪式可爬樓梯輪椅車無論從經(jīng)濟價值，可行性都具有很高的應用價值。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 在爬樓輪椅的研究范圍內，國外起步比較早，1982 年美國科學家 Bray 發(fā)明了第一個爬樓梯輪椅，此后各個國家紛紛推出了各自的產品，取得了很多成果，很多已經(jīng) 上市，我國在這方面研究比較晚。按照爬樓輪椅的原理，大致可以分為： （1）行星輪式 行星輪式是交通運輸工具中應用廣泛的一種運動機構，在國外一些 爬樓機器人中也廣泛采用了輪式結構。

3、 （2）履帶式 第二種是履帶式，履帶式原理比較簡單，和履帶式坦克裝甲車類似。 （3）腿足式 早期的爬樓輪椅一般都采用腿足式，其爬樓機構由鉸鏈桿件機構組成。 （4）其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機構基本可以分為兩種。第一種是在已有的普通輪椅的基礎上附加可以實現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實現(xiàn)爬樓的目的。第二種是軌道式爬樓 梯裝置，通過在普通樓梯上安裝軌道實現(xiàn)普通輪椅實現(xiàn)上樓和下樓。 未來的研究將向以下幾個方面發(fā)展。 ( 1) 質量輕 作為代步工具，爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長續(xù)航時間。同時，減輕重量也可相應提高上下樓梯時 的靈活性，降低控制的難度。 ( 2

4、) 可靠性 高爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士，爬樓梯輪椅的設計應從細微處出發(fā)，設計安全、舒適、性能穩(wěn)定的產品，爬樓梯過程中應保證重心 波動小，安全保證措施響應及時。 ( 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅在功能設計上應最大程度的滿足人性化要求，構建良好的人機交互界面，使產品真正意義上融入到使用者生活的各個方面。 ( 4) 價格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個重要因素是價格因素，爬樓梯輪椅要實現(xiàn)批量生產，必須采用模塊化的設計思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時，也可降低生產成本，縮短研發(fā)周期，提高性價比。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題

5、（1）行星輪機構的設計 （2）萬向輪機構設計 （3）座椅調節(jié)系統(tǒng)的設計，旋轉機構和平移機構。 （4）利用 Solidworks 軟件繪制零件圖及裝配圖。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1）輪式可爬樓梯輪椅車總體結構設計 （2）底盤系統(tǒng)設計計算 （3）行星輪機構設計及計算 （4）萬向輪機構設計 （5）座椅系統(tǒng)可調機構設計計算機校核 3.本論文（設計）預期取得的成果 在初步準確完成所需要設計的項目并完善工程圖的情況下。使輪式可爬樓梯輪椅 可以實現(xiàn)平地行走和越障爬樓的功能，對崎嶇的路面具有較好的適應能力，并且座椅 可具有可調姿態(tài)機構，使人坐起來更加

6、舒適，推輪椅的人也更加省力。同時底盤小車 具有平地行走和爬樓梯和越障礙物的功能，座椅系統(tǒng)主要有多自由度可調姿態(tài)功能。 最終使得產品能夠得到社會廣泛認可，能夠投入市場進行批量生產。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)） 主要是搜集文獻，查閱相關設計手冊和書籍，進行市場調研并參觀現(xiàn)有研究成 果，在老師指導下開展設計研究工作，利用計算機輔助設計，力學計算，三維軟件 等進行仿真模擬。 設計參數(shù)： （1）要求自行輪椅的運動平順性，平地行走速度不大于 15km/h。 （2）要求可靠的上下樓梯能力，機械結構合理，傳動效率高。 （3）臺階髙度為 180

7、mm±5 mm,最小樓梯坡度為 35°,容許誤差為 1°。所有樓梯的梯級突邊都在由兩個相距 10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的區(qū)域內。 2.論文（設計）進度計劃 第 1 周：了解題目研究的主要內容和理論意義及應用價值，查閱有關文獻。 第 2 周：查閱文獻、閱讀文獻，了解研究的內容及實現(xiàn)的技術路線 第 3 周：撰寫文獻綜述并完成開題報告 第 4 周：修改開題報告及文獻綜述準備開題答辯。 第 5 周：輪式可爬樓梯輪椅車總體結構設計，繪制設計草圖 第 6 周：底盤系統(tǒng)設計計算，行星輪機構設計及計算，繪制草圖 第 7 周：萬向輪機構設計，繪制草圖。 第 8 周：底盤

8、系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。 第 9 周：座椅系統(tǒng)可調機構設計計算機校核 第 10 周：繪制可調節(jié)系統(tǒng)三維工作圖 第 11 周：繪制旋轉系統(tǒng)三維工程圖 第 12 周：修改并完成總體裝配圖并生成 avi 爆炸視圖的視頻文件第 13 周：撰寫設計說明書 第 14 周：提交論文、圖紙、查重報告，準備答辯 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 房立新等.行星輪式爬樓梯電動輪椅[P].中國專利號：CN102125488A，2011 年 7 月. [2] 趙樹明.爬樓梯智能輪椅[P].中國專利號：CN201564701U，2010. [3] 鄭曉瑛． 中國殘疾人口現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢［J］．

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13、2014.9 附：文獻綜述或報告 1 引言 在經(jīng)濟飛速發(fā)展、人口密度越來越大的現(xiàn)代社會里，樓梯的誕生緩解了建筑用地 日益緊張的壓力，提高了人們對空間的利用率。但是大部分人住在公寓式樓房內，而 一般的 7 層以下的樓房都沒有安裝電梯，這給老年人或者腿部殘疾人士帶來了很多的不便。在這種情況下，樓梯對于他們往往意味著一個巨大的障礙需要去克服，給他們 的出行帶來了很多不便，影響他們與外界的溝通交流。 另外這一問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多[3]日益突出。2002 年，全世界 80 歲以上老年人口達到 6.06 億，而且正在以比總人口快的速度遞增，據(jù)聯(lián)合國估計， 2020 年將

14、達到 10 億 這些人群在出行的時候多數(shù)是需要輪椅的，老年人和殘疾人比例的顯著增加給醫(yī)療，護理，社會服務方面的需求帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，加重了社會和 個人的家庭的負擔，而且也影響到了他們的正常生活。 輪椅對于年老體弱者及肢體傷殘者而言是他們必不可少的代步工具，其應用需求 越來越大。但是，它們一般僅適合在平地上使用，很少具備爬樓梯和翻越路障的能力， 這給輪椅使用者帶來諸多不便。由于傷殘者對回歸社會和獨立生活的渴望，促使輪椅 的性能和質量不斷完善和提高[4]。為此，目前也有很多人致力于爬樓梯輪椅的研究。 我國的輪椅產業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內尚無成熟的產品。隨著社 會生產力的發(fā)

15、展，人們生活水平的不斷提高，考慮老年人及殘疾人對出行的方便性的 需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大的現(xiàn)實意義。 2 國內外研究現(xiàn)狀 在爬樓輪椅的研究范圍內，國外起步比較早，1982 年美國科學家 Bray 發(fā)明了第一個爬樓梯輪椅[16]，此后各個國家紛紛推出了各自的產品，取得了很多成果，很多已 經(jīng)上市。我國在這方面研究比較晚，針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成 效，但主要還停留在實驗室或是少數(shù)量產，并沒有真正產業(yè)化，在研究上仍有很多空 間。 圖 1 國內外專利申請量的分布對比圖 爬樓輪椅專利申請的時間分布及分析[15]。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻出現(xiàn)較

16、早，最早的有關爬樓輪椅的專利出現(xiàn)在 1912 年。國內關于這一主題的申請最早出現(xiàn) 在 1991 年，比發(fā)達國家晚了近 80 年，在進入 21 世紀以后才逐漸發(fā)展起來。圖 1 是 1960 年至 2016 年國內外專利申請量的分布對比圖?？梢钥闯?，2008 年后該主題的專利申請量明顯上漲，反映出隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們對老齡群體和殘疾人士 的關注度大大提高。 總體而言，根據(jù)爬升結構的不同，通常采用三種結構原理[5]，一種結構是采用行 星輪機構; 一種結構是履帶輪型爬樓梯輪椅; 一種結構是腿足式結構。另外還有很多種的輔助裝置。 (1)行星輪式 行星輪式是交通運輸工具中應用廣泛的一種運

17、動機構，在國外一些爬樓機器人中 也廣泛采用了輪式結構。輪椅應用方面，普通輪椅以及電動輪椅都是采用的這種輪式 結構，其體積小，結構簡單，控制簡便，能夠實現(xiàn)平衡快速地移動，能量利用效率高， 采用差動傳動時轉向半徑小，轉向靈活[6-9]。對于行星輪型爬樓輪椅，結構簡單，并利 用自鎖機構保證上下樓梯時不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應性較差，不能滿足使 用者對舒適性和可靠性的需求。 (2）履帶式 第二種是履帶式，履帶式原理比較簡單，和履帶式坦克裝甲車類似，技術也比較 成熟，它的行走方式比行星輪式爬樓輪椅更為連續(xù)，具有很高的傳動效率，在上下樓 梯的時候，輪椅的重心始終和樓梯臺階沿的連線保持

18、平行，輪椅的重心波動很小，比 較平穩(wěn)。履帶式機構支撐面積大，通過性能好，下陷度小，具有較強的地形適應能力， 爬坡，越溝等性能相對于輪式機構有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時采用履帶輪的方式， 保證了上下樓梯過程的連續(xù)性[8-9]。但是，所述履帶輪型爬樓輪椅無法實現(xiàn)從斜面到平 面的姿態(tài)平穩(wěn)轉換，且結構笨重，對樓梯邊沿的損害程度很大，運動過程的阻力矩較 大，換向過程實現(xiàn)困難，能源利用效率低，這些問題在很大程度上限制了該型輪椅在 上下樓梯中的使用。 （3）腿足式 對于腿足式結構爬樓梯輪椅，該結構模仿人上下樓梯的動作，采用一組或幾組腿 交替升降、支撐爬樓的原理，對樓梯的適應性很強，上樓時，先將整

19、個輪椅升高，再 水平向前移動，如此重復這兩個過程就直至爬完一段樓梯。腿足式爬樓梯裝置模仿了 人類爬樓的動作，外觀其實可以視為機器人，采用多條機械臂交替升降，支撐輪椅爬 樓的原理[8-9]。但是，其承載重心偏高，傾翻危險性大，對穩(wěn)定性要求極高，控制難度 很大，機構結構復雜，還有諸多問題需要解決。 （4）其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機構基本可以分為兩種[16]。 第一種是在已有的普通輪椅的基礎上附加可以實現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實現(xiàn) 爬樓的目的，它們是獨立的裝置，可以輔助普通的輪椅實現(xiàn)爬樓梯的功能。 第二種是軌道式爬樓梯裝置，通過在普通樓梯上安裝軌道實現(xiàn)普通輪椅或者 其他交通裝置實現(xiàn)上樓和下

20、樓。 總結國內外各類爬樓梯輪椅的特點可以看出，發(fā)展至今大多數(shù)爬樓梯裝置的自主 性不高，仍需在旁人協(xié)助的條件下實現(xiàn)上下樓梯，而且在穩(wěn)定性和安全性等可靠性方 面存在的很多問題也值得深入研究。如何在保障爬樓梯輪椅整體體積小、重量輕的前 提下，結合先進的傳感手段和控制技術實現(xiàn)其可靠、平穩(wěn)的上下樓梯將是今后“老人 /殘障者上下樓梯助行系統(tǒng)”研究領域的發(fā)展方向。 3 爬樓梯輪椅系統(tǒng)關鍵技術 爬樓梯輪椅系統(tǒng)研究內容主要由機械結構設計、控制系統(tǒng)設計兩大部分組成[10]。 其中機械機構設計主要完成爬升機構設計、輔助支撐機構設計兩方面內容; 控制系統(tǒng)設計包括控制系統(tǒng)結構設計和控制系統(tǒng)算法兩部分，

21、爬樓梯輪椅系統(tǒng)的基本控制結構 如圖 2 所示。這兩部分內容緊密聯(lián)系、相輔相成共同作用實現(xiàn)理想的運動路徑和運動狀態(tài)。 圖 2 爬樓梯輪椅系統(tǒng)基本控制結構 3． 1 機械結構設計 機械結構設計的目的應滿足爬樓梯助行系統(tǒng)機械結構緊湊、整體重量小，具有合 理的路徑規(guī)劃能實現(xiàn)連貫爬升運動。機械結構設計的優(yōu)劣程度很大范圍內決定了系統(tǒng) 的適應能力及控制過程的難易程度，是系統(tǒng)設計的核心所在。 3． 1． 1 爬升機構設計 爬樓梯輪椅系統(tǒng)機械結構設計的核心是爬升機構，能夠實現(xiàn)爬越樓梯這種越障運 動的主要有星輪式、履帶式、腿足式 3 種。在這 3 種爬升機構的基礎上，吸取各自的優(yōu)點，發(fā)展組合式的爬樓梯裝

22、置將是今后研究的創(chuàng)新方向。 結合爬樓梯運動路徑的特點，采用可將獨立運動分解為兩個有差異運動，或將兩 個有差異的運動合成為一個運動的差動機構、組合型機構、新型變形機構，可實現(xiàn)輪 椅從平地運動—爬升運動—平地運動過程的姿態(tài)平穩(wěn)轉化。綜合考慮輪、腿、履帶機 構的優(yōu)勢，把三者復合起來使用，可有效克服各自的不足，保障爬樓梯輪椅能夠安全、 可靠、高效地實現(xiàn)上下樓梯的過程。 3． 1． 2 輔助支撐機構設計 電動爬樓梯輪椅的使用群體是老年人以及殘障者，因此對輪椅的使用安全性要求 極高。同時，在上下樓梯運行過程中，質心位置、支撐條件的不斷變化對系統(tǒng)安全、 可靠的實現(xiàn)合理的運動軌跡提出了很高的要

23、求。 為保證爬升過程的安全性，爬升裝置和輪椅以及使用者的總重心必須始終位于支 撐裝置與樓梯臺階支撐點之間。系統(tǒng)由平地狀態(tài)突然啟動時，由于自身的慣性作用會 發(fā)生后傾的現(xiàn)象，為了解決這一問題通常在系統(tǒng)的后部增加了一個防止后傾的裝置; 為了避免爬升過程前傾的危險，考慮擴大支撐邊界，來增加前傾穩(wěn)定裕量是有效的解 決辦法; 為保證上下樓梯操作的安全性，需有相應的鎖定裝置，一旦輪椅傾斜角度超出傾翻穩(wěn)定性要求范圍之外，鎖定裝置鎖定，支撐裝置支撐在樓梯臺階上。 從乘坐著舒適性角度出發(fā)，輪椅椅面要始終保持水平，如果輪椅椅面前傾乘坐者 就會有種向前栽的感覺，假如輪椅椅面后傾，乘坐者的后背就會緊緊的依靠在輪

24、椅架 上從而輪椅有后傾的趨勢。為了使輪椅椅面保持水平，通常采用三點高副球鉸接機構 的椅面平衡調節(jié)機構，其中，一點高副球鉸接固定，兩點高副球鉸接可調，用于調節(jié) 椅面的平衡。 3． 2 控制系統(tǒng)設計 為保證爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實現(xiàn)上下樓梯的過程，并可同時作為 電動輪椅使用，爬樓梯輪椅的控制器必須具有很強的功能; 除根據(jù)電動輪椅控制器所具有的速度調節(jié)、運動控制、故障檢測等功能之外，還必須具有可以實時檢測使用者 的坐姿和位置、爬樓梯輪椅與樓梯的相對位置、爬樓梯輪椅的運動狀態(tài)等功能，并可 以根據(jù)傳感器信息對爬樓梯輪椅的驅動系統(tǒng)進行正確的控制或給出報警信號。 3． 2． 1 控制系統(tǒng)結

25、構設計 爬樓梯輪椅系統(tǒng)除了完成普通輪椅功能要求之外還需運行在電動輪椅和上下樓 梯輪椅兩種模式下，其控制功能應分別由兩套相互獨立的開環(huán)控制系統(tǒng)來完成，以實 現(xiàn)平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度寬度的樓梯功能要求，這也就導 致電動爬樓梯輪椅的運動形式十分復雜，應針對不同環(huán)境下輪椅需要實現(xiàn)的動作設計 爬樓梯的控制系統(tǒng)。 隨著機器人技術的發(fā)展，移動機器人控制技術大量應用于爬樓梯輪椅的控制系統(tǒng) 中，使得爬樓梯輪椅具有更好的交互性，適應性和自主性。采用嵌入式控制系統(tǒng)可有 效解決信息集中處理使得上位機信心處理量大，負擔重，實時性差無法滿足實際使用 的缺點，為爬樓梯輪椅控制系統(tǒng)的研究提供了新的

26、方向。中科院自動化所研制的嵌入 式多功能輪椅系統(tǒng)在該方面進行了嘗試，采用 ARM + DSP + FPGA 的方式來構建多功能輪椅的中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)系統(tǒng) 運行穩(wěn)定，具有實時性高、功耗低，續(xù)航時間長的特點，為爬樓梯輪椅向產業(yè)化方向 發(fā)展邁進了一大步。 3． 2． 2 控制系統(tǒng)算法 在未知和不確定的環(huán)境下，爬樓梯輪椅需要通過多種傳感器收集數(shù)據(jù)，用以界定 周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息，需要用一定算法對數(shù)據(jù)進行分析、融合，比較完整地反映 環(huán)境特征和自身狀態(tài)，為系統(tǒng)運動控制提供精確的數(shù)據(jù)信息。爬樓梯輪椅在行駛時必 須不斷地感知周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息，所以要

27、求控制系統(tǒng)算法能夠對實時提供的各 種信息進行快速有效處理，并能保證信息的完整性。 常規(guī)的 PID 控制雖然具有算法簡單、精度高、可靠性強的優(yōu)點，但是僅對于可建立精確數(shù)學模型的控制系統(tǒng)具有很好的控制作用。對于爬樓梯輪椅電機調速系統(tǒng)而 言，被控對象復雜，具有非線性、強耦合以及時變性的特點，很難達到控制系統(tǒng)的精 確魯棒性和抗干擾性能。模糊控制具有魯棒性強的優(yōu)點，能較好的適應輪椅運行過程 中路況突變等干擾條件，但單純的模糊控制不能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[11]。使用 復合算法可以使控制器有較強的魯棒性和較小的靜態(tài)誤差，但復雜的算法本身就是控 制器實現(xiàn)的障礙。模糊 PID 控制器結合了模糊控制和

28、 PID 控制器兩者的優(yōu)點，可根據(jù)不同的偏差和偏差變化率選擇不同的比例、微分、積分參數(shù)，從而即具有模糊控制 靈活、適應性強的優(yōu)點，又具有 PID 控制器精度高的特點，對爬樓梯輪椅運動控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。模糊控制系統(tǒng)的工作原理如圖 3 所示。 圖 3 模糊控制系統(tǒng)工作原理 4 發(fā)展趨勢與展望 綜上所述，針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成效，但也要看到目前 階段主要還停留在實驗室或是少數(shù)定做，并沒有真正產業(yè)化，在研究上仍有很多空間。 未來的研究將向以下幾個方面發(fā)展[11]。 ( 1) 質量輕 爬樓梯輪椅要走向實際應用，必須考慮其應用的情況。作為代步工具，

29、爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長 續(xù)航時間。同時，減輕重量也可相應提高上下樓梯時的靈活性，降低控制的難度。 ( 2) 可靠性高 爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士，爬樓梯輪椅的 設計應從細微處出發(fā)，設計安全、舒適、性能穩(wěn)定的產品，爬樓梯過程中應保證重心 波動小，安全保證措施響應及時。 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅作為使用者生活中重要的部分，在功能設計上應最大程度的滿足人性化要求，構建良好的人機交互界面，使產品真正意義上融入到使用者生活 的各個方面。 ( 4) 價格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個重要因素是價格因素，爬樓梯輪椅

30、要實現(xiàn)批量生產，必須采用模塊化的設計思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時，也可降低生產成本，縮短研發(fā)周期，提高性價比。 隨著人工智能技術、計算機技術、多傳感器信息融合技術等技術的不斷發(fā)展，爬 樓梯輪椅的研究也呈現(xiàn)出全新的局面，朝著人機一體化的方向不斷發(fā)展。相信在不久 的將來，電動爬樓梯輪椅將真正融入到老年人和殘障人士的生活中，大大改善他們的 生活質量，使他們的出行更為方便，樓梯和路障將不再是他們出行的障礙，幫助他們 重新融入到社會中去。 5 結語 本次闡述了爬樓輪椅研究的背景，研究目的和意義，分析了爬樓輪椅的幾種常見 爬樓方案，總結出了各種不同方案的優(yōu)缺點，分析了國內外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了爬樓輪 椅未來的發(fā)展趨勢，由此確定了本設計方案的研究內容和安排，敘述了爬樓梯輪椅的 關鍵技術，為后續(xù)研究工作的展開奠定了基礎。