畢業(yè)論文：爬樓梯輪椅的設計

第一章序言爬樓梯輪椅的研究現(xiàn)狀根據(jù)市場調(diào)查，目前國內(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，技術要求高。滾輪式爬樓梯裝置雖然體積小，轉動靈活等特點，但其穩(wěn)定性控制比較復雜且價格昂貴。對中國人來說，普通家庭承擔不起這樣高的價格。國外爬樓梯裝置的研究開始的較早，最早的專利是1892年美國的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國，英國，德國和法國占主導地位，技術相對比較成熟。且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。 圖1-1英國BARONMEAD產(chǎn)品 德國PERFEKTA產(chǎn)品目前美國，德國，英國及中國等國家對智能輪椅進行了研究，使智能輪椅具有記憶地圖，壁障，自動行走等功能。智能輪椅是將智能機器人技術應用于電動輪椅，融合多種領域的研究，包括機器視覺，機器人導航和定位，模式識別等，涉及機械，控制，傳感器，人工智能等技術。但是，隨著障礙設施的增多，輪椅使用者的活動范圍越來越大，但是樓梯卻使輪椅受到很大的限制，因此研發(fā)價格低廉，簡單易用的爬樓梯輪椅是面臨的一項急需解決的問題。1.2智能輪椅的發(fā)展趨勢爬樓梯輪椅研究屬于機器人研究范圍之內(nèi)，因此應用型智能機器人技術是爬樓梯輪椅及其智能輪椅理所當然是其發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)外已經(jīng)研究了很多面向殘疾人及行動不方便人群的輔助行走機器人，這其中就包括智能輪椅，其功能多樣化，基本上滿足行動不方便人群和殘疾人的要求。但是，大部分還停留在試驗階段或者少數(shù)定做，并沒有產(chǎn)業(yè)化，市場化。所以，在研究上其發(fā)展空間很大，未來的研究將會朝以下幾個方向發(fā)展。1.2.1智能化智能輪椅要走向?qū)嶋H應用，必須綜合應用智能技術，優(yōu)化控制算法，增強自動規(guī)劃和基于傳感智能，如實現(xiàn)自然語言控制，視覺平滑控制，以及在惡劣環(huán)境下自如行走等。也可以結合一些新科技如計算機通訊，網(wǎng)絡等技術開發(fā)適應遠程通訊的需要。1.2.2人性化智能化輪椅系統(tǒng)的設計者應該充分考慮到行動不方便人士的要求，從實際情況著手考慮，設計穩(wěn)定性好，安全舒適，合理的智能輪椅。例如增加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話，以及進行簡單的力所能及的活動。選擇透氣性好舒適的坐墊，安裝報警裝置，還可以安裝剎車系統(tǒng)，使輪椅操作方式盡可能簡單化。1.2.3模塊化智能輪椅要實現(xiàn)大批量生產(chǎn)以及市場化，就必須得實現(xiàn)模塊化，整個系統(tǒng)應有基本模塊和各個功能模塊組成，每個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，與此同時模塊化也可以降低生產(chǎn)成本，提高了智能輪椅的性價比。隨著人工智能，模式識別，圖像處理，計算機技術和傳感器技術的發(fā)展，智能輪椅的功能將更為完善豐富，也將真正進入老年人和殘疾人的生活。綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史了，研究出來的種類多，有一些已經(jīng)實現(xiàn)可市場化，取得了很大的成果。但是，他們研究出來的產(chǎn)品大多是結構復雜，價格昂貴，有許多產(chǎn)品價格在十幾萬元以上，這對于中國的普通老百姓來書是可望而不可即的。國內(nèi)的研究相對來說比較晚，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，還沒有產(chǎn)品真正的投入使用。從國內(nèi)外爬樓梯裝置的特點可以看出，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)助下實現(xiàn)上下樓梯運動。而且存在很多問題值得深入研究。由此可見，為了解決輪椅使用受限的難題，同時還要考慮我國的國情，考慮到使用者的經(jīng)濟承受能力，研究一種價格低廉，功能多樣的爬樓梯輪椅勢在必行。目前，市場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，實用，價格低廉的爬樓梯輪椅卻是少之又少。在目前的市場上比較有代表性的有兩種，第一種是英國Baronmead的產(chǎn)品，如圖1-1所示：下面對該產(chǎn)品做一個簡單的介紹：圖1-1左圖是英國Baronmead公司在國內(nèi)正在營銷的助推式上下樓電動輪椅，Baronmead公司生產(chǎn)的上下樓電動輪椅車自身重達50千克，最大載重量是100千克，上下樓運動速度每分鐘15-20個臺階，充足電后可以連續(xù)上下樓梯1000臺階，臺階的限制高度是27cm。該公司生產(chǎn)的這種上下樓輪椅可在平地上自由行使，還可以拆卸為兩部分，便于裝運。這種輪椅解決了單純靠人力搬運的問題，但是車體較小，重心位置距離車的兩端較近，當傾斜角度變大或者是乘坐者晃動的時候，輪椅很容易發(fā)生反轉。另外，由于車身小導致了輪椅的座位面積較小，使用者的腿彎曲程度較大，使用過程中，是很不舒適的。另一種是德國Perfekta公司的產(chǎn)品如圖1-1圖。下面對該產(chǎn)品做一個簡單的介紹：Perfekta爬樓梯電動輪椅車：采用的是履帶式傳動，選用的是12v-15Ah的蓄電池，12v/170w的直流電動機，自重達到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使用外，還可以作為普通輪椅的搬運工具，直接把輪椅放在上面上下樓梯。因此，作為車站，機場等處移動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，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)點設計的。但是由于履帶式與樓梯接觸時，只是與樓梯的前棱接觸，又由于人們對美學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)過多年的磨損，前棱也會被磨禿，這樣一來，對于這種輪椅就很容易打滑，而且很容易發(fā)生翻轉，及不安全。第三種是美國發(fā)明的iBoT3000獨立機動系統(tǒng)輪椅如圖2-2。下面對該產(chǎn)品做一個簡單的介紹：這種輪椅的全稱是iBoT3000獨立機動系統(tǒng)（以下簡稱iBoT），他是由美國著名發(fā)明家迪恩.卡門發(fā)明的。10年前，卡門洗澡時差點兒在浴室跌倒，站穩(wěn)后他突發(fā)靈感，為什么不能設計一種可以防止傾倒顛覆的由電腦控制的輪椅呢？經(jīng)過幾年的不懈努力，他終于設計出iBoT。從外表看上去，iBoT與普通輪椅大不一樣：他有六個輪子，前面一對為直徑10厘米的實心腳輪，后面兩對為直徑30厘米的充氣輪胎。iBoT通過復雜的陀螺儀系統(tǒng)來保持平衡，當輪椅上分布的傳感器受到重心變化時，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“奔騰III”處理器和預先設計好的程序，這些程序會“命令”輪椅的機械系統(tǒng)進行自我調(diào)整，保持平衡。圖1-2iBOT30000獨立機構系統(tǒng)iBoT共有三種運動模式，一是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上行走，6只輪子同時著地。如果遇到崎嶇的路面，沙土地或斜坡，他就進入四輪驅(qū)動狀態(tài)，靠四個后輪行走。第二種是直立模式，只靠一對后輪接觸地面，和中國武術中的“金雞獨立”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，兩隊后輪交替爬到上一級臺階上。iBoT的動力由兩個充電電池提供，充一次電需要4小時，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9.6公里。作為世界上第一種會爬樓梯的輪椅，iBoT可以輕松的在高度為21厘米以下的樓梯上爬上爬下，還能跨過最高不超過20厘米的馬路牙子。此外，他還可以在沙灘，斜坡和崎嶇的路面上前進，并能爬上小坡度的小山坡。據(jù)調(diào)查iBoT的市場價格在30000美元第二章設計方案對于行動不便的老年人和殘疾人來說，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范圍，使其參與社會的深度和廣泛度深受影響。目前，國內(nèi)外的市場上已有許多爬樓梯輪椅的發(fā)明專利問世。但是，這些大多說都是結構復雜，體積質(zhì)量大，價格昂貴。普通家庭承擔不起這么高的價格。設計發(fā)明一種簡單實用，價格低廉的爬樓梯輪椅勢在必行。于是，我便想設計出一款設和中國消費水平，經(jīng)濟又使用的爬樓梯輪椅來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的資料，令人失望的是關于這方面的資料太少了。之后，我就開始到網(wǎng)上搜索這些關于爬樓梯輪椅的材料，最后結果同樣是令人失望。關于這方面的問題該怎么來解決呢？這個問題困惑的我好久。直到有一天，我偶然之間發(fā)現(xiàn)了一種搬運工人在搬運貨物上下樓梯時所用的手拉車的時候，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的星狀輪盤和四個可以旋轉的小輪爾構成。這兩種結構，用起來非常方便，給勞動者帶來了非常大的方便。在拉動手拉車上下樓梯的時候，不會因為樓梯而卡住不動。當小輪被卡住的時候，星狀的輪盤就開始旋轉，從而克服了被卡住的問題。我設想能不能將這種結構應用在輪椅上呢？于是就有了最初的設計方案。以下兩圖是初步構想出來的模型：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：設計方案一：圖2-5設計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的主要驅(qū)動裝置。前面有一個十字架和一個獨腳輪，后面是一個四腳行星輪。當上樓或下樓的時候，爬升角可以根據(jù)不同的實際情況，作出調(diào)整伸長或縮短。爾后面的星盤結構不施加任何的驅(qū)動力，完全是一種從動裝置。中間的驅(qū)動輪是用來在平地行走時或者轉彎時使用的，起到一個轉向和驅(qū)動的效果。爬升腳（圖2-5中綠色部分）轉向輪（圖2-5中黑色部分）星盤（圖2-5中紅色部分）小輪（圖2-5中灰色部分）動力裝置（圖2-5中金色部分）在座位的設計上采用了是一種可以升降的鏈接機構，在上下樓梯的時候，可以調(diào)整升降機構，可以根據(jù)爬升樓梯角度的不同而調(diào)整座位的角度，使行動不便的老年人和殘疾人始終保持一種很舒服的姿勢。圖2-6自鎖機構這種轉盤形式的行星輪結構，當爬樓梯的時候，電機帶動轉盤轉動，但是這個時候和樓梯接觸的小輪也會發(fā)生轉動，這樣就使的輪椅在原地打滑而不會爬上樓梯。這是一個很棘手的問題。為了解決以上難題，通過查資料以及向老師請教，構想出了以下解決方案如圖4-2自鎖裝置。抬升圓臺（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，在轉盤的四腳的小輪上各有一個小齒輪，轉盤的中心有一個抬升圓臺，通過四根支桿與四個小齒輪上的齒鏈接。當爬樓梯輪椅上樓時，中心的圓臺會在一根軸的拖動下抬升，從而帶動四個枝干向齒輪靠近，在四個枝桿的頂端有兩一個輪齒，圓臺抬升帶動枝干慢慢向齒輪靠近，當枝干上的輪齒與小輪上的輪齒嚙合時，輪椅完成自鎖。中心圓臺是根據(jù)千分尺的設計原理設計，當千分尺先前加緊的時候，擰動后面的螺栓，當它接觸到被測物件時，會發(fā)生打滑，使其不再進給。但當反方向旋轉螺栓時，側頭會向后移動，并不打滑。這里利用的是同樣的原理，當上樓時，電機帶動軸正向旋轉，使圓臺抬抬起，并使四個枝干向齒輪靠近，當枝干與齒輪嚙合后，圓臺不再抬升，而會發(fā)生打滑。當上樓運動完成后，電機反向旋轉，使圓臺下降，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，經(jīng)過研究發(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，再加上行動不便的老年人或殘疾人的重量，使車的重心在爬樓梯的時候集中在車的后端，而上樓時輪椅的主要驅(qū)動力都是由前端的爬升角提供，因為動力不足，所以使上樓運動很難完成。設計方案二：為了解決上面的問題，我又制定了第二套方案如下圖2-7所示在這一套方案中，對上一種方案做出了適當?shù)男薷?。將?qū)動裝置放在后輪位置，前后均采用十字輪盤的機構，只是前輪盤不作為驅(qū)動裝置，內(nèi)部可設置為空心的。后輪因為要作為驅(qū)動輪，設置有驅(qū)動的鏈輪和鏈條。本次方案去掉了中間部分的轉向輪，在前端安裝的一個方向盤，采用車身轉向，將整個車身分為兩部分，前面為從動機構后面為主動機構，在兩部分連接處，安裝了方向盤，用方向盤的轉動控制輪椅的轉向。圖2-7設計方案二該方案具體的傳動機構如圖3-7所示在該方案中采用了鏈傳動，該機構上安裝了兩個電動機，分別控制上下樓梯運動和平地行走運動。在圖形2-8圓柱形電機（電機1）控制輪椅的上下樓梯運動，長方形（電機2）的電機控制平地行走運動。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。當輪椅爬樓梯時，電機1工作，電機2停止，通過鏈條傳動給外軸，從而帶動整個輪盤轉動。當上樓結束或是在平地行走時，電機1停止，電機2開始工作，帶動軸中軸的內(nèi)軸轉動，內(nèi)軸與星盤內(nèi)的兩個鏈輪鏈接，通過鏈條帶動兩個小輪的轉動，從而實現(xiàn)在平地上行走。圖2-8傳動機構如需要完整的圖紙和材料，請聯(lián)系QQ：1366766833