輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì),輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì),輪式,樓梯,輪椅車,設(shè)計(jì) 大大連大大學(xué)學(xué)2018屆屆學(xué)學(xué)生生畢業(yè)論文文(設(shè)計(jì))中中期期檢查表表題目輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師張立職稱副教授學(xué)生姓名傅洪濤閱讀文獻(xiàn)數(shù)18初稿完成時(shí)間2018-04-11工 作 量較少 適中較多 出勤情況較好 一般較差 工作進(jìn)度快 按進(jìn)度進(jìn)行慢 任 務(wù) 書有開題報(bào)告有中期工作結(jié)論良調(diào)整情況無教研室主任意見同意教研室主任(簽名)：王建維日期：2018-04-15學(xué)院意見同意教學(xué)院長(簽名)：吳蒙華日期：2018-04-18 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )開題報(bào)告 論 文 題 目： 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級： 機(jī)英 141 學(xué) 生 姓 名： 傅洪濤 指導(dǎo)教師（職稱）： 張立（副教授） 2017 年 12 月 27 日填 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告要求 開題報(bào)告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)）的有效保證。為 了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題； 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）； 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。 四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通 過 分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開題報(bào)告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過； 3.開題報(bào)告不合格或沒有做開題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報(bào)告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5.開題報(bào)告的內(nèi)容，要求打印 并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打印）。 一、選題依據(jù) 1 論文（設(shè)計(jì)）題目 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì) 2 研究領(lǐng)域 機(jī)械設(shè)計(jì) 3 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)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(shè)備， 由于我國無障礙設(shè)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(guān)鍵。研究這類問題具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。 應(yīng)用價(jià)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(gè)潛力巨大的市場。從全球范圍來看爬樓梯 輪椅的研究已經(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(jì)價(jià)值，可行性都具有很高的應(yīng)用價(jià)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(nèi)，國外起步比較早， 1982 年美國科學(xué)家 Bray 發(fā)明了第 一個(gè)爬樓梯輪椅，此后各個(gè)國家紛紛推出了各自的產(chǎn) 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(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在國外一些 爬樓機(jī)器人中也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。 （ 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(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。 （ 4） 其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種。第一種是在已有的普通輪椅 的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實(shí)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(shí)現(xiàn)普通輪椅實(shí)現(xiàn)上樓和下樓 。 未來的研究將向以下幾個(gè)方面發(fā)展。 ( 1) 質(zhì)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(jī)載電源，所 以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長續(xù)航時(shí)間。同時(shí)，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時(shí) 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(shè)計(jì)應(yīng)從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計(jì)安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，爬樓梯過程中應(yīng)保證重心 波動小，安全保證措施響應(yīng)及時(shí)。 ( 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅在功能設(shè)計(jì)上 應(yīng)最大程度的滿足人性化要求，構(gòu)建良好 的人機(jī)交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活的各個(gè)方面。 ( 4) 價(jià)格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個(gè)重要因素是價(jià)格因素，爬樓梯 輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時(shí)，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價(jià)比。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題 （ 1） 行星輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) （ 2） 萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 3） 座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)。 （ 4） 利用 Solidworks軟件 繪制零件圖及裝配圖。 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （ 1）輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 2）底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 （ 3）行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 （ 4）萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 5）座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)校核 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 在初步準(zhǔn)確完成所需要設(shè)計(jì)的項(xiàng)目并完善工程圖的情況下。使 輪式可爬樓梯輪椅 可以實(shí)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(yīng)能力，并且座椅 可具有可調(diào)姿態(tài)機(jī)構(gòu)，使人坐起來更加舒適，推輪椅的人也更加省力。 同時(shí) 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(diào)姿態(tài)功能。 最終使得產(chǎn)品能夠得到社會廣泛認(rèn)可，能夠投入市場進(jìn)行批量生產(chǎn)。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)） 主要是搜集文獻(xiàn)，查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊和書籍，進(jìn)行市場調(diào)研并參觀現(xiàn)有研究成 果，在老師指導(dǎo)下開展設(shè)計(jì)研究工作，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，力學(xué)計(jì)算，三維軟件 等進(jìn)行仿真模擬。 設(shè)計(jì)參數(shù)： （ 1）要求自行輪椅的運(yùn)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(jī)械結(jié)構(gòu)合理，傳動效率高。 （ 3）臺階髙度為 180 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(gè)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(nèi)。 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1周：了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價(jià)值，查閱有關(guān)文獻(xiàn)。 第 2周：查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)，了解研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線 第 3周：撰寫文獻(xiàn)綜述并完成開題報(bào)告 第 4周：修改開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述準(zhǔn)備開題答辯。 第 5周：輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制設(shè)計(jì)草圖 第 6周：底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算，行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算，繪制草圖 第 7周：萬向輪機(jī) 構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制草圖。 第 8周：底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。 第 9周：座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)校核 第 10周：繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖 第 11周：繪制旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)說明書 第 14周：提交論文、圖紙、查重報(bào)告，準(zhǔn)備答辯 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) 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 北京大學(xué)校報(bào)， 2008 4 劉靜 自動爬樓梯輪椅的虛擬設(shè)計(jì)與運(yùn)動仿真 J 機(jī)械研究與應(yīng)用， 2012 ( 6) : 133 5 隋春平，吳鎮(zhèn)偉 一種基于差動機(jī)構(gòu)的履腿復(fù)合式移動機(jī)器人 :CN， 201010563 622 7 P 2010 11 29 6 傅曉錦，朱世奇 雙履帶輪越障輪椅 : CN， 201210205979 7 P . 7 Axel lankenau， Thomas rofer A versatile and safe mobility assistant J IEEE Robotics and Automation， 2001( 8) : 29 37 8 Lawn M J Study of Stairs Climbing Assistive Mechanisms for the Disabled D Nagasaki: University of Nagasaki， 2002 9 蘇和平，王人成爬樓梯輪椅的研究進(jìn)展 J中國康 復(fù)醫(yī)學(xué)雜志， 2005， 20( 5) : 366 368 10 何清華，黃素平，黃志雄 智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2013, 23(1):68-70. 18 Zhang Li,Wu Bo,Jin Ai-min,et al.A Star-Wheel Stair-Climbing Wheelchair J.Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing， 2014.9 附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告 1 引言 在經(jīng)濟(jì)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(nèi)，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(gè)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(dá)到 6.06 億，而且正在以比總?cè)丝诳斓乃俣冗f增，據(jù)聯(lián)合國估計(jì)， 2020 年將達(dá)到 10 億 這些人群在出行的時(shí)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(hù)理，社會服務(wù)方面的需求帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，加重了社會和 個(gè)人的家庭的負(fù)擔(dān)，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(yīng)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(dú)立生活的渴望，促使輪椅 的性能和質(zhì)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(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成 熟的產(chǎn)品。隨著社 會生產(chǎn)力的發(fā)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(shí)意義。 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi)，國外起步比較早， 1982 年美國科學(xué)家 Bray 發(fā)明了第 一個(gè)爬樓梯輪椅 16，此后各個(gè)國家紛紛推出了各自的產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)量產(chǎn)，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空 間。 圖 1 國內(nèi)外專利申請量的分布對比 圖 爬樓輪椅專利申請的時(shí)間分布及分析 15。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻(xiàn)出現(xiàn)較 早，最早的有關(guān)爬樓輪椅的專利出現(xiàn)在 1912年。國內(nèi)關(guān)于這一主題的申請最早出現(xiàn) 在 1991 年，比發(fā)達(dá)國家晚了近 80 年，在進(jìn)入 21 世紀(jì)以后才逐漸發(fā)展起來。圖 1 是 1960 年至 2016 年國內(nèi)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(jì)社會的發(fā)展，人們對老齡群體和殘疾人士 的關(guān)注度大大提高。 總體而言，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同，通常采用三種結(jié)構(gòu)原理 5，一種結(jié)構(gòu)是采用行 星輪機(jī)構(gòu) ; 一 種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬樓梯輪椅 ; 一種結(jié)構(gòu)是腿足式結(jié)構(gòu)。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(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在國外一些爬樓機(jī)器人中 也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。輪椅應(yīng)用方面，普通輪椅以及電動輪椅都是采用的這種輪式 結(jié)構(gòu)，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)平衡快速地移動，能量利用效率高， 采用差動傳動時(shí)轉(zhuǎn)向半徑小，轉(zhuǎn)向靈活 6-9。對于行星輪型爬樓輪椅，結(jié)構(gòu)簡單，并利 用自鎖機(jī)構(gòu)保證上下樓梯時(shí)不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應(yīng)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(shù)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(shí)候，輪椅的重心始終和樓梯臺階沿的連線保持平行，輪椅的重心波動很小，比 較平穩(wěn)。履帶式機(jī)構(gòu)支撐面積大，通過性能好，下陷度小，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力， 爬坡，越溝等性能相對于輪式機(jī)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時(shí)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(shí)現(xiàn)從斜面到平 面的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，且結(jié)構(gòu)笨重，對樓梯邊沿的損害程度很 大，運(yùn)動過程的阻力矩較 大，換向過程實(shí)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(jié)構(gòu)爬樓梯輪椅，該結(jié)構(gòu)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(yīng)性很強(qiáng)，上樓時(shí)，先將整個(gè)輪椅升高，再 水平向前移動，如此重復(fù)這兩個(gè)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(shí)可以視為機(jī)器人，采用多條機(jī)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(xiǎn)性大，對穩(wěn)定性要求極高，控制難度 很大，機(jī) 構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有諸多問題需要解決。 （ 4）其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種 16。 第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實(shí)現(xiàn) 爬樓的目的，它們是獨(dú)立的裝置，可以輔助普通的輪椅實(shí)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(shí)現(xiàn)普通輪椅或者 其他交通裝置實(shí)現(xiàn)上樓和下樓 。 總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點(diǎn)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(shí)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(jié)合先進(jìn)的傳感手段和控制技術(shù)實(shí)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(lǐng)域的發(fā)展方向。 3 爬樓梯輪椅系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 爬樓梯輪椅系統(tǒng)研究內(nèi)容主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分組成 10。 其中機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要完成爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容 ; 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法兩部分，爬樓梯輪椅系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu) 如圖 2所示。這兩部分內(nèi)容緊密聯(lián)系、相輔相成共同作用實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動路徑和運(yùn)動 狀態(tài)。 圖 2 爬樓梯輪椅 系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu) 3 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的應(yīng)滿足爬樓梯助行系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、整體重量小，具有合 理的路徑規(guī)劃能實(shí)現(xiàn)連貫爬升運(yùn)動。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣程度很大范圍內(nèi)決定了系統(tǒng) 的適應(yīng)能力及控制過程的難易程度，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心所在。 3 1 1 爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 爬樓梯輪椅系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是爬升機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬越樓梯這種越障運(yùn) 動的主要有星輪式、履帶式、腿足式 3 種。在這 3 種爬升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸取各自 的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展組合式的爬樓梯裝置將是今后研究的創(chuàng)新方向。 結(jié)合爬樓梯運(yùn)動路徑的特點(diǎn)，采用可將獨(dú)立 運(yùn)動分解為兩個(gè)有差異運(yùn)動，或?qū)?個(gè)有差異的運(yùn)動合成為一個(gè)運(yùn)動的差動機(jī)構(gòu)、組合型機(jī)構(gòu)、新型變形機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)輪 椅從平地運(yùn)動 爬升運(yùn)動 平地運(yùn)動過程的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化。綜合考慮輪、腿、履帶機(jī) 構(gòu)的優(yōu)勢，把三者復(fù)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(shí)現(xiàn)上下樓梯的過程。 3 1 2 輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(shí)，在上下樓梯運(yùn)行過程中，質(zhì)心位置、支撐條件的不斷變化對系統(tǒng)安全、 可靠的實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)動軌跡提出了很高的要求。 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(diǎn)之間。系統(tǒng)由平地狀態(tài)突然啟動時(shí)，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(gè)防止后傾的裝置 ; 為了避免爬升過程前傾的危險(xiǎn)，考慮擴(kuò)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(yīng)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(diǎn)高副球鉸接機(jī)構(gòu) 的椅面平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中，一點(diǎn)高副球鉸接固定，兩點(diǎn)高副球鉸接可調(diào)，用于調(diào)節(jié) 椅面的平衡。 3 2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為保證爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過程，并可同時(shí)作為 電動輪椅使用，爬樓梯輪椅的控制器必須具有很強(qiáng)的功能 ; 除根據(jù)電動輪椅控制器所 具有的速度調(diào)節(jié)、運(yùn)動控制、故障檢測等功能之外，還必須具有可以實(shí)時(shí)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(yùn)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(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行正確的控制或給出報(bào)警信號。 3 2 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(yùn)行在電動輪椅和上下樓 梯輪椅兩種模式下，其控制功能應(yīng)分別由兩套相互獨(dú)立的開環(huán)控制系統(tǒng)來完成，以實(shí) 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(dǎo) 致電動爬樓梯輪椅的運(yùn)動形式十分復(fù)雜，應(yīng)針對不同環(huán)境下輪椅需要實(shí)現(xiàn)的動作設(shè)計(jì) 爬樓梯的控制系統(tǒng)。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人控制技術(shù)大量應(yīng)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(yīng)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(jī)信心處理量大，負(fù)擔(dān)重，實(shí)時(shí)性差無法滿足實(shí)際使用 的缺點(diǎn)，為爬樓梯輪椅控制系統(tǒng)的研究提供了新的方向。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(jìn)行了嘗試，采用 ARM + DSP + FPGA 的方式來構(gòu)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(yùn)動控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)系統(tǒng) 運(yùn)行穩(wěn)定，具有實(shí)時(shí)性高、功耗低，續(xù)航時(shí)間長的特點(diǎn)，為爬樓梯輪椅向產(chǎn)業(yè)化方向 發(fā)展邁進(jìn)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(jìn)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(yùn)動控制提供精確的數(shù)據(jù)信息。爬樓梯輪椅在行駛時(shí)必 須不斷地感知周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息，所以要求控制系統(tǒng)算法能夠?qū)?shí)時(shí)提供的各 種信息進(jìn)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是僅對于可建 立精確數(shù)學(xué)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)而 言，被控對象復(fù)雜，具有 非線性、強(qiáng)耦合以及時(shí)變性的特點(diǎn)，很難達(dá)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能較好的適應(yīng)輪椅運(yùn)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(fù)合算法可以使控制器有較強(qiáng)的魯棒性和較小的靜態(tài)誤差，但復(fù)雜的算法本身就是控 制器實(shí)現(xiàn)的障礙。模糊 PID 控制器結(jié)合了模糊控制和 PID 控制器兩者的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID 控制器精度高的特點(diǎn)，對爬樓梯輪椅運(yùn)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(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)定做，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空間。 未來的研究將向以下幾個(gè)方面發(fā)展 11。 ( 1) 質(zhì)量輕 爬樓梯輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用，必須考慮其應(yīng)用的情況。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(jī)載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長 續(xù)航時(shí)間。同時(shí)，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時(shí)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(shè)計(jì)應(yīng)從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計(jì)安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，爬樓梯過程中應(yīng)保證重心 波動小，安全保證措施響應(yīng)及時(shí)。 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(shè)計(jì)上應(yīng)最大程度 的滿足人性化要求，構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活 的各個(gè)方面。 ( 4) 價(jià)格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個(gè)重要因素是價(jià)格因素，爬樓梯 輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，這樣用戶不 僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時(shí)，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價(jià)比。 隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等技術(shù)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(jī)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(zhì)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(jié)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(jié)出了各種不同方案的 優(yōu)缺點(diǎn)，分析了國內(nèi)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(shè)計(jì)方案的研究內(nèi)容和安排，敘述了爬樓梯輪椅的 關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)研究工作的展開奠定了基礎(chǔ)。 摘 要 輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要代步工具。在發(fā)展中國家，很多老式的居民樓里沒有電梯，肢體殘疾人士和老年人上下樓不方便。國外發(fā)達(dá)國家研制的爬樓輪椅大多價(jià)格昂貴，且操作復(fù)雜，發(fā)展中國家普通用戶難以承擔(dān)。國內(nèi)開發(fā)的產(chǎn)品與國外產(chǎn)品的差距較大，尤其是在輪椅爬樓穩(wěn)定性和安全性方面做得還不夠好。本課題在借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)之上，提出了一種新型爬樓輪椅的方案，以期更好地解決輪椅爬樓的穩(wěn)定性和安全性問題。本文對爬樓輪椅的總體方案及關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，研究內(nèi)容及結(jié)果包括： （1）進(jìn)行了爬樓輪椅的總體設(shè)計(jì)。采用綜合評分法對現(xiàn)有爬樓機(jī)構(gòu)的工作原理及各種不同機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，確定了以三星輪式機(jī)構(gòu)作為爬樓機(jī)構(gòu)；對可爬樓梯輪椅車的傳動系統(tǒng)，尾架系統(tǒng)，底盤小車，座椅系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。 （2）對動力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過計(jì)算分析選擇了底盤小車動力系統(tǒng)的電機(jī)，電池和減速器；通過分析列出翻越臺階約束，轉(zhuǎn)速約束，其他約束三大約束條件，并選擇出最優(yōu)的行星架零件參數(shù)。 （3）使用SolidWorks軟件對爬樓輪椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行中心軸，外圈軸和車輪的應(yīng)力應(yīng)變分析。 關(guān)鍵詞: 爬樓輪椅 輪式機(jī)構(gòu) 調(diào)平機(jī)構(gòu) SolidWorks III ABSTRACT Wheelchair is an important transport of physically disabled and elderly people.In some developing countries, many of the old buildings are not equipped with elevators, so physically disabled and elderly people up and down the stairs harder. The stair-climbing wheelchair which manufactured in developed countries is expensive and complicated to operate, so ordinary users in developing countries is difficult to bear. The gap between the domestic products and foreign products is a little large,especially in climb stability and security, and we are not doing well enough. This topic proposed a new kind of stair-climbing wheelchair solution which based on the relevant research at home and abroad, in order to better solve the stability and security of the wheelchair when climb the stair. In this paper, the overall scheme and the key problems of the stair-climbing wheelchair is studied, and the research contents and results include: (1) This paper has designed the overall of the stair-climbing wheelchair. In this paper, the comprehensive evaluation method is used to analyze the working principle of the stair-climbing mechanisms and the advantages and disadvantages of the different mechanisms, and determined the three wheeled wheel mechanism as a stair-climbing mechanisms;This paper has designed The transmission system, tailstock system, chassis trolley and seat system of the stair climbing wheelchair. (2) the power system is designed, and the motor, battery and reducer of the chassis power system are selected by calculation and analysis. By analyzing and listing the step constraints, the speed constraints, the other constraints, and selecting the optimal parameters of the three constraints of the planet frame. (3) The structure of the climbing wheelchair was designed by SolidWorks software, make the stress and strain analysis of the center shaft, outer ring shaft and wheel . Key words: stair-climbing wheelchair wheel mechanism leveling mechanism SolidWorks 目錄 摘 要 I ABSTRACT II 1. 緒論 1 1.1引言 1 1.2本文研究的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 1 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.4本文研究的主要內(nèi)容 3 1.5本文創(chuàng)新點(diǎn) 4 2. 可爬樓梯輪椅車的總體設(shè)計(jì) 5 2.1底盤小車的設(shè)計(jì)方案 5 2.2座椅的總體設(shè)計(jì) 10 3. 動力系統(tǒng)分析選型 12 3.1電機(jī)類型的確定 12 3.2電機(jī)參數(shù)的選擇 12 3.3電池選擇 14 4. 底盤小車系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì) 15 4.1行星輪組的相關(guān)參數(shù) 15 4.2翻越臺階的幾何約束關(guān)系 16 4.3其他約束關(guān)系 17 4.4 行星輪組零件參數(shù)的確定 19 5. 傳動系統(tǒng)在電機(jī)箱體內(nèi)部分的設(shè)計(jì) 20 5.1傳動系統(tǒng)整體布局圖 20 5.2 爬樓模式的參數(shù)設(shè)計(jì) 20 5.3 平地行走模式的參數(shù)設(shè)計(jì) 23 6. 座椅的設(shè)計(jì) 26 6.1座椅中關(guān)鍵部件的人機(jī)工程設(shè)計(jì)原理 26 6.2 座椅調(diào)平機(jī)構(gòu) 26 7. 應(yīng)力應(yīng)變分析 28 8. 結(jié)論與展望 31 8.1 結(jié)論 31 8.2 展望 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 1. 緒論 1.1引言 在經(jīng)濟(jì)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(nèi)，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(gè)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)量的增多日益突出。2002 年，全世界80 歲以上老年人口達(dá)到6.06 億，而且正在以比總?cè)丝诳斓乃俣冗f增，據(jù)聯(lián)合國估計(jì)，2020 年將達(dá)到10 億 這些人群在出行的時(shí)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(hù)理，社會服務(wù)方面的需求帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，加重了社會和個(gè)人的家庭的負(fù)擔(dān)，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(yīng)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(dú)立生活的渴望，促使輪椅的性能和質(zhì)量不斷完善和提高。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(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)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(shí)意義。 1.2本文研究的理論意義和應(yīng)用價(jià)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(shè)備，由于我國無障礙設(shè)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(guān)鍵。研究這類問題具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。 應(yīng)用價(jià)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(gè)潛力巨大的市場。從全球范圍來看爬樓梯輪椅的研究已經(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(jì)價(jià)值，可行性都具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi)，國外起步比較早，1982 年美國科學(xué)家Bray 發(fā)明了第一個(gè)爬樓梯輪椅，此后各個(gè)國家紛紛推出了各自的產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)量產(chǎn)，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空間。 圖1.1 國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖 爬樓輪椅專利申請的時(shí)間分布及分析。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻(xiàn)出現(xiàn)較早，最早的有關(guān)爬樓輪椅的專利出現(xiàn)在1912年。國內(nèi)關(guān)于這一主題的申請最早出現(xiàn)在1991 年，比發(fā)達(dá)國家晚了近80 年，在進(jìn)入21 世紀(jì)以后才逐漸發(fā)展起來。圖1 是1960 年至2016 年國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖。可以看出，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(jì)社會的發(fā)展，人們對老齡群體和殘疾人士的關(guān)注度大大提高。 總體而言，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同，通常采用三種結(jié)構(gòu)原理，一種結(jié)構(gòu)是采用行星輪機(jī)構(gòu); 一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬樓梯輪椅; 一種結(jié)構(gòu)是腿足式結(jié)構(gòu)。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(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在國外一些爬樓機(jī)器人中 也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。輪椅應(yīng)用方面，普通輪椅以及電動輪椅都是采用的這種輪式結(jié)構(gòu)，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)平衡快速地移動，能量利用效率高， 采用差動傳動時(shí)轉(zhuǎn)向半徑小，轉(zhuǎn)向靈活。對于行星輪型爬樓輪椅，結(jié)構(gòu)簡單，并利用自鎖機(jī)構(gòu)保證上下樓梯時(shí)不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應(yīng)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(shù)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(shí)候，輪椅的重心始終和樓梯臺階沿的連線保持平行，輪椅的重心波動很小，比較平穩(wěn)。履帶式機(jī)構(gòu)支撐面積大，通過性能好，下陷度小，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，爬坡，越溝等性能相對于輪式機(jī)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時(shí)采用履帶輪的方式，保證了上下樓梯過程的連續(xù)性。但是，所述履帶輪型爬樓輪椅無法實(shí)現(xiàn)從斜面到平面的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，且結(jié)構(gòu)笨重，對樓梯邊沿的損害程度很大，運(yùn)動過程的阻力矩較大，換向過程實(shí)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(jié)構(gòu)爬樓梯輪椅，該結(jié)構(gòu)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(yīng)性很強(qiáng)，上樓時(shí)，先將整個(gè)輪椅升高，再水平向前移動，如此重復(fù)這兩個(gè)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(shí)可以視為機(jī)器人，采用多條機(jī)械臂交替升降，支撐輪椅爬樓的原理。但是，其承載重心偏高，傾翻危險(xiǎn)性大，對穩(wěn)定性要求極高，控制難度很大，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有諸多問題需要解決。 （4）其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種。 第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實(shí)現(xiàn)爬樓的目的，它們是獨(dú)立的裝置，可以輔助普通的輪椅實(shí)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(shí)現(xiàn)普通輪椅或者其他交通裝置實(shí)現(xiàn)上樓和下樓。 總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點(diǎn)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(shí)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(jié)合先進(jìn)的傳感手段和控制技術(shù)實(shí)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(lǐng)域的發(fā)展方向。 1.4本文研究的主要內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是設(shè)計(jì)出一款體積不大、操作較為簡單、價(jià)格適中、適合于廣大老弱病殘人士使用的可爬樓梯輪椅車。主要完成上下樓梯機(jī)構(gòu)（底盤小車）和座椅系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。 本文預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下： （1）要求自行輪椅的運(yùn)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(jī)械結(jié)構(gòu)合理，傳動效率高。 　　 （3）臺階髙度為180 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(gè)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(nèi)。 （4）連續(xù)臺階的爬行速度不大于3km/h。 （5）有效負(fù)重為85kg。 1.5本文創(chuàng)新點(diǎn) （1） 對爬樓原理進(jìn)行研究，針對爬樓方案中爬樓過程存在打滑、重心不穩(wěn)的問題。本文在車尾設(shè)計(jì)了一個(gè)引導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，可以使爬樓梯輪椅車在爬樓過程中平穩(wěn)，安全的上升。 （2） 在上下樓時(shí)爬樓梯輪椅整體是傾斜的, 坐在傾斜的輪椅會使乘坐者感到不適。所以本文設(shè)計(jì)了一種滾道滑軌式的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)，能依靠輪椅和乘坐者自身的重力進(jìn)行調(diào)平，使乘坐者更加舒適。 2. 可爬樓梯輪椅車的總體設(shè)計(jì) 本章是本文設(shè)計(jì)之始，后續(xù)的一系列設(shè)計(jì)均以本章的成果為核心開展。具體有兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，底盤小車的總體設(shè)計(jì)和輪椅座椅部分的設(shè)計(jì)。底盤小車需要具備平地行走和爬樓梯或是越障礙這兩種功能。設(shè)計(jì)主要包括主體機(jī)構(gòu)的分析選型，傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，底盤小車尾部的設(shè)計(jì)以及整體機(jī)構(gòu)的展示。座椅部分要具有可調(diào)姿態(tài)機(jī)構(gòu)，使人坐起來更加舒適，推輪椅的人也更加省力的特點(diǎn)，并圍繞這些展開設(shè)計(jì)。要求結(jié)構(gòu)合理，美觀實(shí)用，經(jīng)濟(jì)適中。 2.1底盤小車的設(shè)計(jì)方案 2.2.1不同種類越障機(jī)構(gòu)比較分析 翻越障礙的機(jī)械種類頗多，并都有其自己的特色，本文將會從下邊6個(gè)角度來分析對比從而找出最優(yōu)的一款： （1）越障能力 指小車跨越障礙物前行的本領(lǐng)。在這兒所要翻越的物體是指普通的七層居民樓樓梯，主要技術(shù)參數(shù)見上文。 （2) 穩(wěn)定性 一般有兩個(gè)方向的意思，其中一個(gè)意思是指小車在翻越物體時(shí)小車車身的擺動幅度；另一個(gè)是指該設(shè)備在受到外部環(huán)境干擾時(shí)，小車保持其原有狀態(tài)的本領(lǐng)。 （3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度 是指在具有相同的攀爬能力及各種其他條件的狀況下，機(jī)構(gòu)的零件數(shù)量，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。 （4）控制難易度 指用預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序去控制小車來促成其達(dá)到原先目的的困難程度。 （5）經(jīng)濟(jì)性 指在攀爬能力，穩(wěn)定性等一切條件都相似的情況下，并都能達(dá)到預(yù)計(jì)的目標(biāo)，小車造價(jià)的高低。 （6）移動速度 指越障機(jī)構(gòu)在道路良好，其它條件如風(fēng)阻，地面摩擦系數(shù)等都確定的情況下的行駛速率。 各種越障機(jī)構(gòu)的性能對比如表2.1所示： 表2.1 越障機(jī)構(gòu)的比較分析 由表可知，后兩種越障輪椅車的相似缺陷是：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，難以控制，成本高；而履帶式平地移動速度慢；此外，履帶式的運(yùn)行效率很低。綜上所述，本文將選用行星輪式的越障機(jī)構(gòu)。 2.2.2行星輪個(gè)數(shù)的確定 外嚙合的定軸行星輪系根據(jù)行星輪數(shù)量的多少，可分成兩輪式、三輪式、四輪式行星輪系，以此類推。圖2.2為不同數(shù)量行星輪小車在翻越障礙時(shí)的過程圖。 a 兩輪式 c 三輪式 d 四輪式 圖2.2 三種不同數(shù)目行星輪 按照現(xiàn)實(shí)中的經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)小車行駛到臺階前時(shí)，小車的兩個(gè)前輪碰到了臺階面，受力后的小車行星架會繞著前輪中心軸旋轉(zhuǎn)，接下來當(dāng)行星架中心和車輪中心的那條旋臂和地面成90。時(shí)，輪椅車的重心達(dá)到越障過程中的最高處。 在行星架翻轉(zhuǎn)過程中，第一個(gè)車輪和臺階前表面相觸時(shí)和前輪的中心距離定為臺階高度，現(xiàn)定義行星架半徑為R，則如上圖的三種情況下的臺階高度為2Ra，Rb，Rc。 假設(shè)臺階的高度為 H，即： 2Ra=Rb=Rc=H （2.1） 一目了然地可以從上圖看出三種樣式的變化分別為： （2.2） Δhb=Rb=H=0.289H （2.3） Δhc=Rc=×H=0.207H （2.4） 分析上式不難得出，就減小行起伏而言，星輪的個(gè)數(shù)自然是越多越好。另外，H降低了0.211H，而，H僅0.082H降低了0.082H，這時(shí)如果繪制一幅重心隨星輪數(shù)量的變化圖，想必曲線一定是逐漸降低并漸漸趨于平緩的。 可見這里可以分成兩種情況來討論，在小車行星輪個(gè)數(shù)多的狀態(tài)下，由上一段里分析道小車的重心隨著行星架旋轉(zhuǎn)的，有著的優(yōu)勢。但是也存在零件數(shù)目增多導(dǎo)致的造價(jià)變高，小車體積變大妨礙運(yùn)動，爬樓高度下降等一系列的問題。然而，二輪式的行星輪組小車則體現(xiàn)出相反的性能。 綜上所訴，本文選擇性價(jià)比最高的三星輪。 2.2.3傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 為了更好地滿足設(shè)計(jì)要求，輪椅車必須具備直線行走，平地轉(zhuǎn)彎和翻越障礙的功能。實(shí)現(xiàn)平地直線行走功能只需保證控制行走輪子的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向相同即可；要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，只需控制兩個(gè)電機(jī)存在轉(zhuǎn)速差，使外側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于內(nèi)側(cè)電機(jī)，或者使兩電機(jī)轉(zhuǎn)向相反；翻越障礙時(shí)，使控制行星，從而讓三個(gè)輪子繞著中心軸轉(zhuǎn)動。為了滿足上訴各功能，本文設(shè)計(jì)了以下的機(jī)構(gòu)，2.3所示。 圖2.3 機(jī)構(gòu)傳動簡圖 電動機(jī)1經(jīng)過減速器后將力傳遞到主傳動軸，之后經(jīng)過若干齒輪分配到三個(gè)車輪上。行星架的爬樓模式同理可以實(shí)現(xiàn)。 整個(gè)機(jī)構(gòu)需具有結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理的特點(diǎn)，于是本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)外軸的結(jié)構(gòu)形式：通過內(nèi)軸(中心軸）驅(qū)動輪轂翻轉(zhuǎn)，通過外軸（外圈軸）驅(qū)動行星架翻轉(zhuǎn)。 輪椅車的輪轂系采用Q235。兩側(cè)的行星架通過一個(gè)電機(jī)箱相連，電機(jī)箱能夠使底盤系統(tǒng)更加穩(wěn)定。電機(jī)箱兩側(cè)連接一個(gè)尾架，延伸到小車后部，尾架兩端各有一個(gè)萬向輪。行星架一側(cè)的三個(gè)輪轂由相聯(lián)，由電機(jī)2通過齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)使，同時(shí)著地的兩個(gè)車輪輪轂轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速均相同，另一個(gè)車輪懸空空轉(zhuǎn)。 這樣設(shè)計(jì)的好處是三個(gè)輪轂在電機(jī)的驅(qū)動下，能夠?qū)崿F(xiàn)相同速度，相同轉(zhuǎn)向，雖然就結(jié)構(gòu)上而言，雙輪會比單輪（即只有一個(gè)驅(qū)動輪）的要復(fù)雜一些。但是雙輪也同時(shí)具有一些無與倫比的好處，1其在翻轉(zhuǎn)時(shí)因?yàn)樗妮喿邮菍ΨQ分布的會表現(xiàn)得更加自由和和諧；2小車在使用過程中，小車和乘坐者的重量幾乎都壓在后輪上，而后輪為驅(qū)動輪，應(yīng)此這會比單輪的小車擁有更大的驅(qū)動力。 圖2.4 齒輪及車輪轉(zhuǎn)向 下圖2.5是本文設(shè)計(jì)的行星架外形圖。 圖2.5 行星架外形示意圖 2.2.4小車尾架和萬向輪 小車尾架的作用是使底盤小車能夠平穩(wěn)的在平地上行駛，分擔(dān)一部分輪椅車的重量。并且在爬樓輪椅車上樓時(shí)，尾架上的引導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)能夠減小攀爬時(shí)小車的震動。尾架末端兩側(cè)分別有一個(gè)萬向輪，擁有自由轉(zhuǎn)向和卡死小車防止移動的功能。圖2.6，圖2.7分別為小車尾架和萬向輪的結(jié)構(gòu)： 圖2.6 小車尾架示意簡圖 圖2.7 萬向輪 由下圖的各項(xiàng)參數(shù)再根據(jù)底盤小車的大概高度，載重等一系列參數(shù)，選擇GU-JB150型號的萬向輪。 圖2.8 萬向輪參數(shù)截圖 2.2.5底盤小車的總體圖及爬樓梯演示圖 圖2.9 爬樓演示圖 2.2座椅的總體設(shè)計(jì) 座椅外形不做特殊設(shè)計(jì)，簡潔美觀即可。為了使設(shè)計(jì)的可爬樓梯更加舒適安全，在座椅底部加上一個(gè)新穎的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)。座椅外形和調(diào)平機(jī)構(gòu)如下圖所示。 圖2.10 調(diào)平概念圖 圖2.11 座椅外形圖 3. 動力系統(tǒng)分析選型 本章將要進(jìn)行底盤小車動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要工作有根據(jù)已有的要求計(jì)算小車所需的動力系統(tǒng)參數(shù)，再按照計(jì)算所得的參數(shù)對電機(jī)選型，最后是對確定能源設(shè)備。 3.1電機(jī)類型的確定 無疑電機(jī)對于爬樓輪椅車來說至關(guān)重要，它是小車的核心動力系統(tǒng)，將為小車提供驅(qū)動力。接下來將從下列三種電機(jī)中選出一款最符合本文條件的電機(jī)。 （1） 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)有很多優(yōu)秀特點(diǎn)，比如電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候，優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。并且如果取用開環(huán)控制，電機(jī)會因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單而節(jié)省大量輪椅車的開支。缺點(diǎn)是能源消耗較大，會破壞同步，高速工作時(shí)有較大的振動和噪聲， 穩(wěn)定性能不佳。 （2）直流電機(jī) 直流電機(jī)本身的控制性能絕佳，能夠在受到強(qiáng)烈的外界干擾時(shí)作出迅速快捷、的反應(yīng)。此外，直流電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大、能夠加載較大的負(fù)重，這使得小車在爬樓過程中更加穩(wěn)定。然而，傳統(tǒng)直流電機(jī)為，因此容易產(chǎn)生，直接導(dǎo)致直流電機(jī)只有幾千小時(shí)的壽命[4]。 （3）無刷直流電機(jī) 該電機(jī)比之上文的直流電機(jī)不但秉承了它的一些優(yōu)秀特征，并且還有加強(qiáng)。比如在換向過程中沒有火花產(chǎn)生，安全，安靜。而且它壽命悠長，有上萬個(gè)小時(shí)，更兼有維修方便的優(yōu)點(diǎn)。 綜上所述，選擇無刷直流電機(jī)作為輪式可爬樓梯輪椅車的動力裝置。 3.2電機(jī)參數(shù)的選擇 本文設(shè)計(jì)的輪椅車具有在平坦地面行駛和攀登樓梯的功能，因?yàn)榕罉翘輹r(shí)要克服重力做功，其所需的功率一般比平地行走所需的功率要大，所以在這先計(jì)算爬樓模式下的電機(jī)各參數(shù)選出電機(jī)，再根據(jù)這些選出的參數(shù)來驗(yàn)算平地行走模式下的功率轉(zhuǎn)矩，車速等要求。 假設(shè)輪椅車的重量為，乘坐者的重量為。車輪半徑為0.11m。選擇減速器減速比為32。 3.2.1選取電機(jī)參數(shù) 小車在爬樓梯的過程中遇到的轉(zhuǎn)矩最大的情況是當(dāng)?shù)肿翘莸那拜唽⒁x開地面的時(shí)候，此時(shí)小車重心離行星架旋轉(zhuǎn)中心的距離為L，。 輪椅車要抵抗的力矩為： （3.1） 假設(shè)輪椅車在前進(jìn)過程中行星架的角速度 于是轉(zhuǎn)速 （3.2） （3.3） 由于翻轉(zhuǎn)電機(jī)采用左右兩個(gè)來驅(qū)動行星架，而電機(jī)需經(jīng)過一對齒輪和一對軸承才能將轉(zhuǎn)矩傳遞到行星架那兒，所以效率為 （3.4） 電機(jī)功率 （3.5）假設(shè)爬樓總傳動比為120。 （3.6） 電機(jī)轉(zhuǎn)速 （3.7） 綜上所述，電機(jī)應(yīng)選取功率大于0.33kw，轉(zhuǎn)矩大于1.96，轉(zhuǎn)速在3152.4rpm左右的電機(jī)。最終本文選取了富興86系列無刷電機(jī)，型號為FBLM86-660,下表為該電機(jī)的部分參數(shù)： 表3.1 電機(jī)參數(shù)表 電機(jī)型號 額定功率（kw） 額定扭矩（） 額定轉(zhuǎn)速（rpm） 額定電壓（V） FBLM86-660 0.66 2.1 3000 48 3.2.2驗(yàn)算平地行駛模式下的參數(shù) 假設(shè)輪椅車和乘坐者的總重量由前后輪一起承擔(dān)，前輪承受40%的重量，后輪承受60%的重量。地面的滑動摩擦系數(shù)為0.02。 前輪受到的壓力 （3.8） 后輪受到的壓力 （3.9） 滑動摩擦力 （3.10） （3.11） 假設(shè)行走模式下的總傳動比為： （3.12） 又因?yàn)橐兴膫€(gè)輪子分擔(dān)， （3.13） 單個(gè)輪子的驅(qū)動力為： （3.14） 驅(qū)動力校核正確。 3.3電池選擇 本文使用 48V 的蓄電池作。進(jìn)入選擇池的有以下 4 種蓄電池：鎳氫電池，鋰電池，。前三種電池均具有良好的性能和悠長的使用壽命。與壽命相當(dāng)?shù)倪€有其昂貴的價(jià)格，無疑這不符合設(shè)計(jì)的初衷。最終我們選擇性價(jià)比較高的鉛蓄電池作為驅(qū)動電機(jī)的電源，因其身兼壽命長，價(jià)格低廉，維修簡單等優(yōu)點(diǎn)。 4. 底盤小車系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì) 本章的工作是根據(jù)底盤小車在爬樓梯的過程中出現(xiàn)的若干問題列出約束條件，然后再約束范圍內(nèi)精選零件。 4.1行星輪組的相關(guān)參數(shù) 底盤小車的中包含了輪轂、行星架、齒輪、軸承、銷、墊圈等眾多零件。其中的很多零部件可以直接選擇國標(biāo)的零件，也有很多零件可以在一定范圍內(nèi)任意取值，這部分零件設(shè)計(jì)相對輕松自由。而在一定范圍內(nèi)取值的零件需要滿足符合要求的約束條件。 本章具體闡述了精選約束后定軸輪系中各零件關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)。表4.2為各個(gè)零件的參數(shù)表，圖4.1為其相關(guān)尺寸。 圖4.1 齒輪車輪相關(guān)尺寸示意圖 表4.2 各個(gè)零件的相關(guān)尺寸及其參數(shù) 4.2翻越臺階的幾何約束關(guān)系 4.2.1臺階突起不碰行星架 為了防止行星輪組與臺階接觸摩擦而引起損壞，只需保證在爬樓過程中的任何時(shí)間段臺階均不與行星架觸碰。當(dāng)臺階尖角的中心軸線與行星架的任意兩條手臂的凹陷處中心軸線想重合時(shí)，圖4.3即為最相近的極限狀態(tài)。 圖4.3中各尺寸的含義分別是： 臺階突起D到AB的距離d1； 行星架的外殼厚度d2，按照一般情況定為7mm； 以及齒輪齒頂與外殼內(nèi)壁的間隙d3=3mm； 外殼距突起頂部的距離d4最小值為1.5mm。 圖中可看出: （4.1） 通過求解四邊形ODEB可求得 （4.2） 需滿足的約束條件為： （4.3） 圖4.3 臺階突起與行星架外殼最接近的位置 4.2.2 能夠跨到上一級臺階 如果小車要能夠順利地上到下一個(gè)臺階，則必須滿足隨著行星架旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)輪轂?zāi)軌虼蟀氲乜缟纤脚_階面，也就是下圖中的A輪的中心軸線能夠超過臺階的垂直面。如圖4.4中的幾何關(guān)系，列出約束條件為： （4.4） 圖4.4 星輪跨到下一臺階面時(shí)的極限位置 4.2.3 不能觸碰下一臺階的垂直面 本文設(shè)計(jì)的底盤小車爬樓的理想狀態(tài)是前輪抵住臺階后其余兩輪會繞著行星架中心旋轉(zhuǎn)，所以若是行星架半徑或輪轂半徑太大導(dǎo)致下圖4.5中的A輪撞到下一個(gè)臺階的垂直面上就不是本文設(shè)計(jì)的初衷。況且這種情況下整個(gè)輪椅車會因?yàn)樽矒魧?dǎo)致劇烈晃動，不利于老年人及殘障人士的安全和舒適。這里假定臺階面的寬度也為H，當(dāng)然實(shí)際上會比H大。如下圖中的幾何關(guān)系，列出約束條件： （4.5） 圖4.5 跨到下一級臺階的輪轂剛好碰到垂直面的極限狀態(tài) 車輪輪轂的半徑要小于H的，所以聯(lián)立4.4，4.5兩式可得： （4.6） 4.3其他約束關(guān)系 4.3.1齒輪間的齒數(shù)關(guān)系 本文設(shè)計(jì)的定軸齒輪系統(tǒng)有三條支系，因?yàn)檫@三條都是一樣的，所以下面只討論其中一條。定軸齒輪系中的全部齒輪均選擇。為了使行星架外形美觀，其內(nèi)空間合理，各零件結(jié)構(gòu)緊湊，體積適中。一級齒輪到三級齒輪的半徑大小應(yīng)該承遞減樣式。即： （4.7） 這樣設(shè)計(jì)的好處還能讓各個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩不至于相差過大，便于設(shè)計(jì)。 為了使得小齒輪的每個(gè)齒都能和大齒輪的每個(gè)齒循環(huán)嚙合，延長壽命，需確保齒數(shù)之間互為質(zhì)數(shù)，即互質(zhì)，互質(zhì)。 4.3.2三個(gè)齒輪的齒頂圓外公切線關(guān)系 圖4.6 三個(gè)齒輪的齒頂圓幾何關(guān)系示意圖 當(dāng)一級齒輪與三級和二級齒輪與三級齒輪的外公切線處于圖4.6所示幾何關(guān)系時(shí)，有利于節(jié)約空間，優(yōu)化外形。因此，三個(gè)齒輪的半徑參數(shù)也應(yīng)滿足： （4.8） 其中： （4.9） （4.10） 4.3.3 三個(gè)車輪輪轂不相撞 如圖4.7所示的幾何關(guān)系，輪A和輪B之間的距離必須要大于輪A和輪B的半徑和。而取決于行星架的半徑R，需滿足： （4.11） 圖4.7 車輪之間的幾何關(guān)系示意圖 4.4 行星輪組零件參數(shù)的確定 4.4.1范圍初選 車輪輪轂的半徑必須小于臺階的高度和寬度，又必須大于三級齒輪的半徑。而臺階寬度一般大于其高度，由此可得r<180mm。當(dāng)、時(shí)標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪，為 17[5]。查《機(jī)械原理》，表10-1標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列，選用第一系列。原則上用于動力傳動的模數(shù)應(yīng)大于1.5，因?yàn)榇颂幍呢?fù)載更大，故模數(shù)選 m=2。則三級齒輪的最小直徑為，則。行星架的壁厚選定為7mm， r 的取值范圍縮小到26mm

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