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1、第一章序言爬樓梯輪椅的研究現(xiàn)狀根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)爬樓梯輪椅主要有三種類型：履帶式，步行式和滾輪式。履帶式爬樓梯輪椅對(duì)樓梯不僅損壞大，而且體積大，質(zhì)量重，不適合家庭使用。步行式爬樓梯輪椅體積大，靈活性差并且不容易控制，技術(shù)要求高。滾輪式爬樓梯裝置雖然體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，但其穩(wěn)定性控制比較復(fù)雜且價(jià)格昂貴。對(duì)中國(guó)人來(lái)說(shuō)，普通家庭承擔(dān)不起這樣高的價(jià)格。國(guó)外爬樓梯裝置的研究開始的較早，最早的專利是1892年美國(guó)的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛開始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)，英國(guó)，德國(guó)和法國(guó)占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟。且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。 圖1-1英國(guó)BARONMEAD產(chǎn)品 德國(guó)
2、PERFEKTA產(chǎn)品目前美國(guó)，德國(guó)，英國(guó)及中國(guó)等國(guó)家對(duì)智能輪椅進(jìn)行了研究，使智能輪椅具有記憶地圖，壁障，自動(dòng)行走等功能。智能輪椅是將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅，融合多種領(lǐng)域的研究，包括機(jī)器視覺，機(jī)器人導(dǎo)航和定位，模式識(shí)別等，涉及機(jī)械，控制，傳感器，人工智能等技術(shù)。但是，隨著障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍越來(lái)越大，但是樓梯卻使輪椅受到很大的限制，因此研發(fā)價(jià)格低廉，簡(jiǎn)單易用的爬樓梯輪椅是面臨的一項(xiàng)急需解決的問(wèn)題。1.2智能輪椅的發(fā)展趨勢(shì)爬樓梯輪椅研究屬于機(jī)器人研究范圍之內(nèi)，因此應(yīng)用型智能機(jī)器人技術(shù)是爬樓梯輪椅及其智能輪椅理所當(dāng)然是其發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究了很多面向殘疾人及行動(dòng)不方便人
3、群的輔助行走機(jī)器人，這其中就包括智能輪椅，其功能多樣化，基本上滿足行動(dòng)不方便人群和殘疾人的要求。但是，大部分還停留在試驗(yàn)階段或者少數(shù)定做，并沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化，市場(chǎng)化。所以，在研究上其發(fā)展空間很大，未來(lái)的研究將會(huì)朝以下幾個(gè)方向發(fā)展。1.2.1智能化智能輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用，必須綜合應(yīng)用智能技術(shù)，優(yōu)化控制算法，增強(qiáng)自動(dòng)規(guī)劃和基于傳感智能，如實(shí)現(xiàn)自然語(yǔ)言控制，視覺平滑控制，以及在惡劣環(huán)境下自如行走等。也可以結(jié)合一些新科技如計(jì)算機(jī)通訊，網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)適應(yīng)遠(yuǎn)程通訊的需要。1.2.2人性化智能化輪椅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分考慮到行動(dòng)不方便人士的要求，從實(shí)際情況著手考慮，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，安全舒適，合理的智能輪椅。例如增加
4、輪椅可以上升的功能，iBOT就具備這樣的功能，以便使用者和正常人對(duì)話，以及進(jìn)行簡(jiǎn)單的力所能及的活動(dòng)。選擇透氣性好舒適的坐墊，安裝報(bào)警裝置，還可以安裝剎車系統(tǒng)，使輪椅操作方式盡可能簡(jiǎn)單化。1.2.3模塊化智能輪椅要實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)以及市場(chǎng)化，就必須得實(shí)現(xiàn)模塊化，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有基本模塊和各個(gè)功能模塊組成，每個(gè)功能模塊控制一種功能，以便用于可以根據(jù)需求選擇，配置最適合自己的輪椅，與此同時(shí)模塊化也可以降低生產(chǎn)成本，提高了智能輪椅的性價(jià)比。隨著人工智能，模式識(shí)別，圖像處理，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能輪椅的功能將更為完善豐富，也將真正進(jìn)入老年人和殘疾人的生活。綜上所述，國(guó)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有
5、一百多年的歷史了，研究出來(lái)的種類多，有一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)可市場(chǎng)化，取得了很大的成果。但是，他們研究出來(lái)的產(chǎn)品大多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，有許多產(chǎn)品價(jià)格在十幾萬(wàn)元以上，這對(duì)于中國(guó)的普通老百姓來(lái)書是可望而不可即的。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)比較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積，重量，穩(wěn)定性以及安全性的限制，還沒(méi)有產(chǎn)品真正的投入使用。從國(guó)內(nèi)外爬樓梯裝置的特點(diǎn)可以看出，爬樓梯輪椅裝置發(fā)展至今除了軌道式爬樓梯裝置外，大多數(shù)爬樓梯輪椅裝置的自主性都不高，仍然需要在旁人的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)上下樓梯運(yùn)動(dòng)。而且存在很多問(wèn)題值得深入研究。由此可見，為了解決輪椅使用受限的難題，同時(shí)還要考慮我國(guó)的國(guó)情，考慮到使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，研
6、究一種價(jià)格低廉，功能多樣的爬樓梯輪椅勢(shì)在必行。目前，市場(chǎng)上的爬樓梯輪椅多種多樣，種類繁多，其功能也是多樣化。但是比較優(yōu)秀，實(shí)用，價(jià)格低廉的爬樓梯輪椅卻是少之又少。在目前的市場(chǎng)上比較有代表性的有兩種，第一種是英國(guó)Baronmead的產(chǎn)品，如圖1-1所示：下面對(duì)該產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹：圖1-1左圖是英國(guó)Baronmead公司在國(guó)內(nèi)正在營(yíng)銷的助推式上下樓電動(dòng)輪椅，Baronmead公司生產(chǎn)的上下樓電動(dòng)輪椅車自身重達(dá)50千克，最大載重量是100千克，上下樓運(yùn)動(dòng)速度每分鐘15-20個(gè)臺(tái)階，充足電后可以連續(xù)上下樓梯1000臺(tái)階，臺(tái)階的限制高度是27cm。該公司生產(chǎn)的這種上下樓輪椅可在平地上自由行使，還可以
7、拆卸為兩部分，便于裝運(yùn)。這種輪椅解決了單純靠人力搬運(yùn)的問(wèn)題，但是車體較小，重心位置距離車的兩端較近，當(dāng)傾斜角度變大或者是乘坐者晃動(dòng)的時(shí)候，輪椅很容易發(fā)生反轉(zhuǎn)。另外，由于車身小導(dǎo)致了輪椅的座位面積較小，使用者的腿彎曲程度較大，使用過(guò)程中，是很不舒適的。另一種是德國(guó)Perfekta公司的產(chǎn)品如圖1-1圖。下面對(duì)該產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹：Perfekta爬樓梯電動(dòng)輪椅車：采用的是履帶式傳動(dòng)，選用的是12v-15Ah的蓄電池，12v/170w的直流電動(dòng)機(jī)，自重達(dá)到60千克，最大載重量是120千克，可爬樓梯的最大坡度是35度。這種輪椅車除了可以單獨(dú)使用外，還可以作為普通輪椅的搬運(yùn)工具，直接把輪椅放在上面上
8、下樓梯。因此，作為車站，機(jī)場(chǎng)等處移動(dòng)輪椅乘客的專用工具比較方便。而且，熟練操縱者能夠自行乘坐輪椅上下樓梯。在平地可以自由移動(dòng)，也可以折疊存放。這種輪椅的形式，采用的是履帶式，是利用履帶式的附著力好，容易爬坡的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的。但是由于履帶式與樓梯接觸時(shí)，只是與樓梯的前棱接觸，又由于人們對(duì)美學(xué)的要求好多樓梯的前棱做成了弧形，即使是傳統(tǒng)的樓梯，如果經(jīng)過(guò)多年的磨損，前棱也會(huì)被磨禿，這樣一來(lái)，對(duì)于這種輪椅就很容易打滑，而且很容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，及不安全。第三種是美國(guó)發(fā)明的iBoT3000獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)輪椅如圖2-2。下面對(duì)該產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹：這種輪椅的全稱是iBoT3000獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱iBoT），他是
9、由美國(guó)著名發(fā)明家迪恩.卡門發(fā)明的。10年前，卡門洗澡時(shí)差點(diǎn)兒在浴室跌倒，站穩(wěn)后他突發(fā)靈感，為什么不能設(shè)計(jì)一種可以防止傾倒顛覆的由電腦控制的輪椅呢？經(jīng)過(guò)幾年的不懈努力，他終于設(shè)計(jì)出iBoT。從外表看上去，iBoT與普通輪椅大不一樣：他有六個(gè)輪子，前面一對(duì)為直徑10厘米的實(shí)心腳輪，后面兩對(duì)為直徑30厘米的充氣輪胎。iBoT通過(guò)復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)來(lái)保持平衡，當(dāng)輪椅上分布的傳感器受到重心變化時(shí)，他們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谝巫旅娴目刂坪兄?。控制盒里有幾個(gè)“奔騰III”處理器和預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，這些程序會(huì)“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整，保持平衡。圖1-2iBOT30000獨(dú)立機(jī)構(gòu)系統(tǒng)iBoT共有三種
10、運(yùn)動(dòng)模式，一是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上行走，6只輪子同時(shí)著地。如果遇到崎嶇的路面，沙土地或斜坡，他就進(jìn)入四輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，靠四個(gè)后輪行走。第二種是直立模式，只靠一對(duì)后輪接觸地面，和中國(guó)武術(shù)中的“金雞獨(dú)立”十分相似，iBoT可以保持這種站立姿態(tài)，也能直立行走。第三種是爬樓梯模式，兩隊(duì)后輪交替爬到上一級(jí)臺(tái)階上。iBoT的動(dòng)力由兩個(gè)充電電池提供，充一次電需要4小時(shí)，充電后可以走15-24公里，它在平地上的最大行駛速度為每小時(shí)9.6公里。作為世界上第一種會(huì)爬樓梯的輪椅，iBoT可以輕松的在高度為21厘米以下的樓梯上爬上爬下，還能跨過(guò)最高不超過(guò)20厘米的馬路牙子。此外，他還可以在沙灘，斜坡和崎嶇的路
11、面上前進(jìn)，并能爬上小坡度的小山坡。據(jù)調(diào)查iBoT的市場(chǎng)價(jià)格在30000美元第二章設(shè)計(jì)方案對(duì)于行動(dòng)不便的老年人和殘疾人來(lái)說(shuō)，輪椅是他們必不可少的代步工具。但是，由于普通的輪椅不具有爬樓梯的功能，從而大大的限制了使用者的活動(dòng)范圍，使其參與社會(huì)的深度和廣泛度深受影響。目前，國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)上已有許多爬樓梯輪椅的發(fā)明專利問(wèn)世。但是，這些大多說(shuō)都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積質(zhì)量大，價(jià)格昂貴。普通家庭承擔(dān)不起這么高的價(jià)格。設(shè)計(jì)發(fā)明一種簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格低廉的爬樓梯輪椅勢(shì)在必行。于是，我便想設(shè)計(jì)出一款設(shè)和中國(guó)消費(fèi)水平，經(jīng)濟(jì)又使用的爬樓梯輪椅來(lái)滿足老年人和殘疾人的需求。于是，我首先就去圖書館查閱有關(guān)的資料，令人失望的是關(guān)于這方面
12、的資料太少了。之后，我就開始到網(wǎng)上搜索這些關(guān)于爬樓梯輪椅的材料，最后結(jié)果同樣是令人失望。關(guān)于這方面的問(wèn)題該怎么來(lái)解決呢？這個(gè)問(wèn)題困惑的我好久。直到有一天，我偶然之間發(fā)現(xiàn)了一種搬運(yùn)工人在搬運(yùn)貨物上下樓梯時(shí)所用的手拉車的時(shí)候，讓我恍然大悟，如圖2-1,2-2圖2-1四輪手拉車圖2-2三輪手拉車上面兩圖中，是兩種攜帶貨物上下樓梯的手拉車。這兩種小車的后輪都是采用的可以旋轉(zhuǎn)的星狀輪盤和四個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的小輪爾構(gòu)成。這兩種結(jié)構(gòu)，用起來(lái)非常方便，給勞動(dòng)者帶來(lái)了非常大的方便。在拉動(dòng)手拉車上下樓梯的時(shí)候，不會(huì)因?yàn)闃翘荻ㄗ〔粍?dòng)。當(dāng)小輪被卡住的時(shí)候，星狀的輪盤就開始旋轉(zhuǎn)，從而克服了被卡住的問(wèn)題。我設(shè)想能不能將這種結(jié)
13、構(gòu)應(yīng)用在輪椅上呢？于是就有了最初的設(shè)計(jì)方案。以下兩圖是初步構(gòu)想出來(lái)的模型：圖2-3模型一圖2-4模型二從生活中受到的啟發(fā)，我想出了以下幾種方案：設(shè)計(jì)方案一：圖2-5設(shè)計(jì)方案一本方案采用的是利用的前面十字形四腳行星輪爬升角作為上下樓時(shí)的主要驅(qū)動(dòng)裝置。前面有一個(gè)十字架和一個(gè)獨(dú)腳輪，后面是一個(gè)四腳行星輪。當(dāng)上樓或下樓的時(shí)候，爬升角可以根據(jù)不同的實(shí)際情況，作出調(diào)整伸長(zhǎng)或縮短。爾后面的星盤結(jié)構(gòu)不施加任何的驅(qū)動(dòng)力，完全是一種從動(dòng)裝置。中間的驅(qū)動(dòng)輪是用來(lái)在平地行走時(shí)或者轉(zhuǎn)彎時(shí)使用的，起到一個(gè)轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)的效果。爬升腳（圖2-5中綠色部分）轉(zhuǎn)向輪（圖2-5中黑色部分）星盤（圖2-5中紅色部分）小輪（圖2-5中灰
14、色部分）動(dòng)力裝置（圖2-5中金色部分）在座位的設(shè)計(jì)上采用了是一種可以升降的鏈接機(jī)構(gòu)，在上下樓梯的時(shí)候，可以調(diào)整升降機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)爬升樓梯角度的不同而調(diào)整座位的角度，使行動(dòng)不便的老年人和殘疾人始終保持一種很舒服的姿勢(shì)。圖2-6自鎖機(jī)構(gòu)這種轉(zhuǎn)盤形式的行星輪結(jié)構(gòu)，當(dāng)爬樓梯的時(shí)候，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，但是這個(gè)時(shí)候和樓梯接觸的小輪也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就使的輪椅在原地打滑而不會(huì)爬上樓梯。這是一個(gè)很棘手的問(wèn)題。為了解決以上難題，通過(guò)查資料以及向老師請(qǐng)教，構(gòu)想出了以下解決方案如圖4-2自鎖裝置。抬升圓臺(tái)（圖2-6綠色）枝干（圖2-6紅色）小齒輪（圖2-6黃色）從圖2-6可以看出，在轉(zhuǎn)盤的四腳的小輪上各有一個(gè)小齒輪
15、，轉(zhuǎn)盤的中心有一個(gè)抬升圓臺(tái)，通過(guò)四根支桿與四個(gè)小齒輪上的齒鏈接。當(dāng)爬樓梯輪椅上樓時(shí)，中心的圓臺(tái)會(huì)在一根軸的拖動(dòng)下抬升，從而帶動(dòng)四個(gè)枝干向齒輪靠近，在四個(gè)枝桿的頂端有兩一個(gè)輪齒，圓臺(tái)抬升帶動(dòng)枝干慢慢向齒輪靠近，當(dāng)枝干上的輪齒與小輪上的輪齒嚙合時(shí)，輪椅完成自鎖。中心圓臺(tái)是根據(jù)千分尺的設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)，當(dāng)千分尺先前加緊的時(shí)候，擰動(dòng)后面的螺栓，當(dāng)它接觸到被測(cè)物件時(shí)，會(huì)發(fā)生打滑，使其不再進(jìn)給。但當(dāng)反方向旋轉(zhuǎn)螺栓時(shí)，側(cè)頭會(huì)向后移動(dòng)，并不打滑。這里利用的是同樣的原理，當(dāng)上樓時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)軸正向旋轉(zhuǎn)，使圓臺(tái)抬抬起，并使四個(gè)枝干向齒輪靠近，當(dāng)枝干與齒輪嚙合后，圓臺(tái)不再抬升，而會(huì)發(fā)生打滑。當(dāng)上樓運(yùn)動(dòng)完成后，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)
16、，使圓臺(tái)下降，促使枝干縮回，解除枝干輪齒與小齒輪的嚙合，從而自鎖解除。但是后來(lái)，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這種方案存在著不足之處。由于車身的主要重量集中在車的后端，再加上行動(dòng)不便的老年人或殘疾人的重量，使車的重心在爬樓梯的時(shí)候集中在車的后端，而上樓時(shí)輪椅的主要驅(qū)動(dòng)力都是由前端的爬升角提供，因?yàn)閯?dòng)力不足，所以使上樓運(yùn)動(dòng)很難完成。設(shè)計(jì)方案二：為了解決上面的問(wèn)題，我又制定了第二套方案如下圖2-7所示在這一套方案中，對(duì)上一種方案做出了適當(dāng)?shù)男薷?。將?qū)動(dòng)裝置放在后輪位置，前后均采用十字輪盤的機(jī)構(gòu)，只是前輪盤不作為驅(qū)動(dòng)裝置，內(nèi)部可設(shè)置為空心的。后輪因?yàn)橐鳛轵?qū)動(dòng)輪，設(shè)置有驅(qū)動(dòng)的鏈輪和鏈條。本次方案去掉了中間部分的轉(zhuǎn)向
17、輪，在前端安裝的一個(gè)方向盤，采用車身轉(zhuǎn)向，將整個(gè)車身分為兩部分，前面為從動(dòng)機(jī)構(gòu)后面為主動(dòng)機(jī)構(gòu)，在兩部分連接處，安裝了方向盤，用方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)控制輪椅的轉(zhuǎn)向。圖2-7設(shè)計(jì)方案二該方案具體的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3-7所示在該方案中采用了鏈傳動(dòng)，該機(jī)構(gòu)上安裝了兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，分別控制上下樓梯運(yùn)動(dòng)和平地行走運(yùn)動(dòng)。在圖形2-8圓柱形電機(jī)（電機(jī)1）控制輪椅的上下樓梯運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)方形（電機(jī)2）的電機(jī)控制平地行走運(yùn)動(dòng)。后面的軸是采用的軸中軸的形式。外軸與輪盤相連，內(nèi)軸與輪盤內(nèi)的鏈輪相連。當(dāng)輪椅爬樓梯時(shí)，電機(jī)1工作，電機(jī)2停止，通過(guò)鏈條傳動(dòng)給外軸，從而帶動(dòng)整個(gè)輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)上樓結(jié)束或是在平地行走時(shí)，電機(jī)1停止，電機(jī)2開始工作，帶動(dòng)軸中軸的內(nèi)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)軸與星盤內(nèi)的兩個(gè)鏈輪鏈接，通過(guò)鏈條帶動(dòng)兩個(gè)小輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在平地上行走。圖2-8傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如需要完整的圖紙和材料，請(qǐng)聯(lián)系QQ：1366766833
畢業(yè)論文：爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)
