毕业论文：爬楼梯轮椅的设计.doc

第一章序言1.1爬楼梯轮椅的研究现状根据市场调查，目前国内爬楼梯轮椅主要有三种类型：履带式，步行式和滚轮式。履带式爬楼梯轮椅对楼梯不仅损坏大，而且体积大，质量重，不适合家庭使用。步行式爬楼梯轮椅体积大，灵活性差并且不容易控制，技术要求高。滚轮式爬楼梯装置虽然体积小，转动灵活等特点，但其稳定性控制比较复杂且价格昂贵。对中国人来说，普通家庭承担不起这样高的价格。国外爬楼梯装置的研究开始的较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国，英国，德国和法国占主导地位，技术相对比较成熟。且有一些产品已经投入市场使用。 图1-1英国BARONMEAD产品 德国PERFEKTA产品目前美国，德国，英国及中国等国家对智能轮椅进行了研究，使智能轮椅具有记忆地图，壁障，自动行走等功能。智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器视觉，机器人导航和定位，模式识别等，涉及机械，控制，传感器，人工智能等技术。但是，随着障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围越来越大，但是楼梯却使轮椅受到很大的限制，因此研发价格低廉，简单易用的爬楼梯轮椅是面临的一项急需解决的问题。1.2智能轮椅的发展趋势爬楼梯轮椅研究属于机器人研究范围之内，因此应用型智能机器人技术是爬楼梯轮椅及其智能轮椅理所当然是其发展趋势。目前国内外已经研究了很多面向残疾人及行动不方便人群的辅助行走机器人，这其中就包括智能轮椅，其功能多样化，基本上满足行动不方便人群和残疾人的要求。但是，大部分还停留在试验阶段或者少数定做，并没有产业化，市场化。所以，在研究上其发展空间很大，未来的研究将会朝以下几个方向发展。1.2.1智能化智能轮椅要走向实际应用，必须综合应用智能技术，优化控制算法，增强自动规划和基于传感智能，如实现自然语言控制，视觉平滑控制，以及在恶劣环境下自如行走等。也可以结合一些新科技如计算机通讯，网络等技术开发适应远程通讯的需要。1.2.2人性化智能化轮椅系统的设计者应该充分考虑到行动不方便人士的要求，从实际情况着手考虑，设计稳定性好，安全舒适，合理的智能轮椅。例如增加轮椅可以上升的功能，iBOT就具备这样的功能，以便使用者和正常人对话，以及进行简单的力所能及的活动。选择透气性好舒适的坐垫，安装报警装置，还可以安装刹车系统，使轮椅操作方式尽可能简单化。1.2.3模块化智能轮椅要实现大批量生产以及市场化，就必须得实现模块化，整个系统应有基本模块和各个功能模块组成，每个功能模块控制一种功能，以便用于可以根据需求选择，配置最适合自己的轮椅，与此同时模块化也可以降低生产成本，提高了智能轮椅的性价比。随着人工智能，模式识别，图像处理，计算机技术和传感器技术的发展，智能轮椅的功能将更为完善丰富，也将真正进入老年人和残疾人的生活。综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史了，研究出来的种类多，有一些已经实现可市场化，取得了很大的成果。但是，他们研究出来的产品大多是结构复杂，价格昂贵，有许多产品价格在十几万元以上，这对于中国的普通老百姓来书是可望而不可即的。国内的研究相对来说比较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积，重量，稳定性以及安全性的限制，还没有产品真正的投入使用。从国内外爬楼梯装置的特点可以看出，爬楼梯轮椅装置发展至今除了轨道式爬楼梯装置外，大多数爬楼梯轮椅装置的自主性都不高，仍然需要在旁人的协助下实现上下楼梯运动。而且存在很多问题值得深入研究。由此可见，为了解决轮椅使用受限的难题，同时还要考虑我国的国情，考虑到使用者的经济承受能力，研究一种价格低廉，功能多样的爬楼梯轮椅势在必行。目前，市场上的爬楼梯轮椅多种多样，种类繁多，其功能也是多样化。但是比较优秀，实用，价格低廉的爬楼梯轮椅却是少之又少。在目前的市场上比较有代表性的有两种，第一种是英国Baronmead的产品，如图1-1所示：下面对该产品做一个简单的介绍：图1-1左图是英国Baronmead公司在国内正在营销的助推式上下楼电动轮椅，Baronmead公司生产的上下楼电动轮椅车自身重达50千克，最大载重量是100千克，上下楼运动速度每分钟15-20个台阶，充足电后可以连续上下楼梯1000台阶，台阶的限制高度是27cm。该公司生产的这种上下楼轮椅可在平地上自由行使，还可以拆卸为两部分，便于装运。这种轮椅解决了单纯靠人力搬运的问题，但是车体较小，重心位置距离车的两端较近，当倾斜角度变大或者是乘坐者晃动的时候，轮椅很容易发生反转。另外，由于车身小导致了轮椅的座位面积较小，使用者的腿弯曲程度较大，使用过程中，是很不舒适的。另一种是德国Perfekta公司的产品如图1-1图。下面对该产品做一个简单的介绍：Perfekta爬楼梯电动轮椅车：采用的是履带式传动，选用的是12v-15Ah的蓄电池，12v/170w的直流电动机，自重达到60千克，最大载重量是120千克，可爬楼梯的最大坡度是35度。这种轮椅车除了可以单独使用外，还可以作为普通轮椅的搬运工具，直接把轮椅放在上面上下楼梯。因此，作为车站，机场等处移动轮椅乘客的专用工具比较方便。而且，熟练操纵者能够自行乘坐轮椅上下楼梯。在平地可以自由移动，也可以折叠存放。这种轮椅的形式，采用的是履带式，是利用履带式的附着力好，容易爬坡的优点设计的。但是由于履带式与楼梯接触时，只是与楼梯的前棱接触，又由于人们对美学的要求好多楼梯的前棱做成了弧形，即使是传统的楼梯，如果经过多年的磨损，前棱也会被磨秃，这样一来，对于这种轮椅就很容易打滑，而且很容易发生翻转，及不安全。第三种是美国发明的iBoT3000独立机动系统轮椅如图2-2。下面对该产品做一个简单的介绍：这种轮椅的全称是iBoT3000独立机动系统（以下简称iBoT），他是由美国著名发明家迪恩.卡门发明的。10年前，卡门洗澡时差点儿在浴室跌倒，站稳后他突发灵感，为什么不能设计一种可以防止倾倒颠覆的由电脑控制的轮椅呢？经过几年的不懈努力，他终于设计出iBoT。从外表看上去，iBoT与普通轮椅大不一样：他有六个轮子，前面一对为直径10厘米的实心脚轮，后面两对为直径30厘米的充气轮胎。iBoT通过复杂的陀螺仪系统来保持平衡，当轮椅上分布的传感器受到重心变化时，他们马上把这些信息传输到位于椅座下面的控制盒中。控制盒里有几个“奔腾III”处理器和预先设计好的程序，这些程序会“命令”轮椅的机械系统进行自我调整，保持平衡。图1-2iBOT30000独立机构系统iBoT共有三种运动模式，一是正常模式，像普通轮椅一样在平地上行走，6只轮子同时着地。如果遇到崎岖的路面，沙土地或斜坡，他就进入四轮驱动状态，靠四个后轮行走。第二种是直立模式，只靠一对后轮接触地面，和中国武术中的“金鸡独立”十分相似，iBoT可以保持这种站立姿态，也能直立行走。第三种是爬楼梯模式，两队后轮交替爬到上一级台阶上。iBoT的动力由两个充电电池提供，充一次电需要4小时，充电后可以走15-24公里，它在平地上的最大行驶速度为每小时9.6公里。作为世界上第一种会爬楼梯的轮椅，iBoT可以轻松的在高度为21厘米以下的楼梯上爬上爬下，还能跨过最高不超过20厘米的马路牙子。此外，他还可以在沙滩，斜坡和崎岖的路面上前进，并能爬上小坡度的小山坡。据调查iBoT的市场价格在30000美元第二章设计方案对于行动不便的老年人和残疾人来说，轮椅是他们必不可少的代步工具。但是，由于普通的轮椅不具有爬楼梯的功能，从而大大的限制了使用者的活动范围，使其参与社会的深度和广泛度深受影响。目前，国内外的市场上已有许多爬楼梯轮椅的发明专利问世。但是，这些大多说都是结构复杂，体积质量大，价格昂贵。普通家庭承担不起这么高的价格。设计发明一种简单实用，价格低廉的爬楼梯轮椅势在必行。于是，我便想设计出一款设和中国消费水平，经济又使用的爬楼梯轮椅来满足老年人和残疾人的需求。于是，我首先就去图书馆查阅有关的资料，令人失望的是关于这方面的资料太少了。之后，我就开始到网上搜索这些关于爬楼梯轮椅的材料，最后结果同样是令人失望。关于这方面的问题该怎么来解决呢？这个问题困惑的我好久。直到有一天，我偶然之间发现了一种搬运工人在搬运货物上下楼梯时所用的手拉车的时候，让我恍然大悟，如图2-1,2-2图2-1四轮手拉车图2-2三轮手拉车上面两图中，是两种携带货物上下楼梯的手拉车。这两种小车的后轮都是采用的可以旋转的星状轮盘和四个可以旋转的小轮尔构成。这两种结构，用起来非常方便，给劳动者带来了非常大的方便。在拉动手拉车上下楼梯的时候，不会因为楼梯而卡住不动。当小轮被卡住的时候，星状的轮盘就开始旋转，从而克服了被卡住的问题。我设想能不能将这种结构应用在轮椅上呢？于是就有了最初的设计方案。以下两图是初步构想出来的模型：图2-3模型一图2-4模型二从生活中受到的启发，我想出了以下几种方案：2.1设计方案一：图2-5设计方案一本方案采用的是利用的前面十字形四脚行星轮爬升角作为上下楼时的主要驱动装置。前面有一个十字架和一个独脚轮，后面是一个四脚行星轮。当上楼或下楼的时候，爬升角可以根据不同的实际情况，作出调整伸长或缩短。尔后面的星盘结构不施加任何的驱动力，完全是一种从动装置。中间的驱动轮是用来在平地行走时或者转弯时使用的，起到一个转向和驱动的效果。爬升脚（图2-5中绿色部分）转向轮（图2-5中黑色部分）星盘（图2-5中红色部分）小轮（图2-5中灰色部分）动力装置（图2-5中金色部分）在座位的设计上采用了是一种可以升降的链接机构，在上下楼梯的时候，可以调整升降机构，可以根据爬升楼梯角度的不同而调整座位的角度，使行动不便的老年人和残疾人始终保持一种很舒服的姿势。图2-6自锁机构这种转盘形式的行星轮结构，当爬楼梯的时候，电机带动转盘转动，但是这个时候和楼梯接触的小轮也会发生转动，这样就使的轮椅在原地打滑而不会爬上楼梯。这是一个很棘手的问题。为了解决以上难题，通过查资料以及向老师请教，构想出了以下解决方案如图4-2自锁装置。抬升圆台（图2-6绿色）枝干（图2-6红色）小齿轮（图2-6黄色）从图2-6可以看出，在转盘的四脚的小轮上各有一个小齿轮，转盘的中心有一个抬升圆台，通过四根支杆与四个小齿轮上的齿链接。当爬楼梯轮椅上楼时，中心的圆台会在一根轴的拖动下抬升，从而带动四个枝干向齿轮靠近，在四个枝杆的顶端有两一个轮齿，圆台抬升带动枝干慢慢向齿轮靠近，当枝干上的轮齿与小轮上的轮齿啮合时，轮椅完成自锁。中心圆台是根据千分尺的设计原理设计，当千分尺先前加紧的时候，拧动后面的螺栓，当它接触到被测物件时，会发生打滑，使其不再进给。但当反方向旋转螺栓时，侧头会向后移动，并不打滑。这里利用的是同样的原理，当上楼时，电机带动轴正向旋转，使圆台抬抬起，并使四个枝干向齿轮靠近，当枝干与齿轮啮合后，圆台不再抬升，而会发生打滑。当上楼运动完成后，电机反向旋转，使圆台下降，促使枝干缩回，解除枝干轮齿与小齿轮的啮合，从而自锁解除。但是后来，经过研究发现，这种方案存在着不足之处。由于车身的主要重量集中在车的后端，再加上行动不便的老年人或残疾人的重量，使车的重心在爬楼梯的时候集中在车的后端，而上楼时轮椅的主要驱动力都是由前端的爬升角提供，因为动力不足，所以使上楼运动很难完成。2.2设计方案二：为了解决上面的问题，我又制定了第二套方案如下图2-7所示在这一套方案中，对上一种方案做出了适当的修改。将驱动装置放在后轮位置，前后均采用十字轮盘的机构，只是前轮盘不作为驱动装置，内部可设置为空心的。后轮因为要作为驱动轮，设置有驱动的链轮和链条。本次方案去掉了中间部分的转向轮，在前端安装的一个方向盘，采用车身转向，将整个车身分为两部分，前面为从动机构后面为主动机构，在两部分连接处，安装了方向盘，用方向盘的转动控制轮椅的转向。图2-7设计方案二该方案具体的传动机构如图3-7所示在该方案中采用了链传动，该机构上安装了两个电