【正文】 技術 也比較成熟。如圖 a 所示是英國 Baronmead 公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底 圖 國外爬樓梯輪椅 部是履帶式的傳動結構，可爬樓梯的最大坡度為 35 度，上下樓梯速度為每分鐘 15 一 20 個臺階。圖 b 是法國 Topchair 公司生產(chǎn)的電動爬樓梯輪椅，它的底 部有四個車輪供正常情況下平地運行 使用，當遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過 適當操作將兩側的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個車輪收起，依靠履帶 無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能。日本長崎大學更在普通單履帶輪椅的基 礎上，研究了一種雙履帶式的爬樓梯裝置，如圖 c ，即左右兩側各有兩組履 帶相互連接在一起，解決了在水平狀態(tài)與樓梯傾角切換時，座椅傾角過大而影響 2 履帶－輪式爬樓梯電動輪 椅設計 使用安全的問題。圖中履帶式爬樓梯裝置履帶式結構傳動效率比較高，行走時重 心波動很小，運動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能 使用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動輪椅使用。 早期的爬樓梯輪椅一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機構由鉸鏈桿件機構組 成。上樓時先將輪椅抬高，再水平向前移動，如此重復這兩個過程直至爬完一段 樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作，外觀可視為足式機器人，采用多 條機械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。 圖 步行式爬樓梯裝置 日本早稻田大學理工學術院高西淳夫教授的研究室以及日本機器人開發(fā)風 險企業(yè) Tmsuk 聯(lián)合開發(fā)的雙足行走機器人“ WL16RIII ”，如圖 a 所示，它由 兩條機械腿支撐一個座椅構成，每條機械腿有 6 個自由度，可向前、后、側面移 動，座椅底部裝有陀螺儀，每條腿上裝有壓力傳感器，通過傳感器采集信息，控 制其實時調(diào)整姿態(tài)保持重心平穩(wěn)。 WL 一 16RIII 兩腿前后伸展距離最長為 米，左右最長 米，每條腿上下運動幅度最大 米。日本長崎大學機械工 程系研究了一種高階爬樓梯裝置如圖 b ，它由一系列液壓操作桿和前后兩組 星型輪構成，集步行式與輪組式設計理念于一體。裝置通過星型輪的翻轉(zhuǎn)上下樓 梯，座椅底部的傳感器檢測裝置的平衡情況，控制操作桿自動調(diào)節(jié)使裝置在爬樓 過程中始終位于穩(wěn)定裕度內(nèi)。在平地使用時，操作桿可以折疊于座椅底部，節(jié)省 了使用空間。它的最大優(yōu)點是爬樓幅度較高，甚至能自行上下貨車。 步行式爬樓梯裝置爬樓 時運動平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯 。但它對控制的要 求很高，操作比較復雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩慢 :此外，座椅距 3 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 地面的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實際應用還有很大的距離。 國外比較具有代表意義的是德國 Alber 公司開發(fā)的 scalamohile 爬樓梯輔助裝 置，如圖 a 所示。它是獨立于 輪椅的一種輔助裝置，左右兩側各有兩組爬樓 梯輪。它可以方便地和輪椅結合，依靠這兩組輪子的輪流翻轉(zhuǎn)上下樓梯。同時， 每個輪子上都設有自動剎車裝置，防止在樓梯邊緣打滑。這種裝置體積小、重量 輕 ， 便 于 存 放 和 攜 帶 ， 幾 乎 適 用 于 所 有 樓 梯 。 Scalamobile 的不足之處是必須在 旁人輔助下使用。 除了在輪椅上安裝輔助設備外，還出現(xiàn)了一批承載輪椅上下的平臺裝置，這 些裝置大多基于樓梯軌道運行，原理簡單，易于實現(xiàn)。圖 b 是加拿 大 GaraventaLift 公司生產(chǎn)的軌道式爬樓梯裝置“ GSLArtira ”，它需要在樓梯上安裝 軌道，將輪椅直接置于平臺裝置上沿軌道實現(xiàn)上下樓的運動。這類裝置在歐美國 a b 圖 家比較具有使用潛力，因為歐美以獨立別墅居多，以獨門獨戶為單位，使這種平 臺裝置與住房的結合易于實現(xiàn) 。而國內(nèi)城市以多 層公寓式樓房居多，統(tǒng)一鋪設軌 道需要很大的代價，不切實際。此外，戶外樓梯各式各樣，針對不同形式的樓梯， 需要設計不同的軌道，代價過高，不易推廣。 [1] 國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況 我國對此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專 利，然而投入實際使用的還很少。 我國在上世紀八十年代對輪組式爬樓梯裝置已有研究， 1987 年專利號為 86210653 的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運行多用輪椅，前滾輪和后滾輪 都用多個星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾 輪軸公轉(zhuǎn)而實現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學 4 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 物理與機電學院的蘇和平等人借鑒了 iBOT 的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓 梯機構，設計了一種雙聯(lián)星形機構電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時需要人工輔助 圖 或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬 樓。東南大學機械學 院設計的爬樓輪椅采用了四組星形輪，每三個一組，共十二個輪子，除能爬樓梯 外還具有遙控的功能。國內(nèi)研究的比較多的是手動爬樓梯的輪椅，清華大學精密 儀器及機械學系康復工程研究中心已經(jīng)取得了手動爬樓梯輪椅的專利，如圖 所示。它是在普通輪椅上加設一套爬樓梯執(zhí)行機構和驅(qū)動系統(tǒng)，既可以在平地行 駛，又可以僅憑借使用者雙臂的力量使輪椅上、下樓梯。它結構簡單、造價低廉， 符合我國的國情 :但是設計中仍存在一些問題，如輪椅在爬樓過程中的穩(wěn)定性、 如何適應不同尺寸的樓梯、如何 實現(xiàn)手動操作省力與省時的問題以及反向自鎖問 題等，其研究也僅停留在理論水平的基礎上，并未投入實際應用。 本項目的設計目的與主要研究內(nèi)容 課題設計目的 履帶輪式輪椅具有適應性強、機動靈活、活動范圍大等特點，在我國國民經(jīng) 濟的發(fā)展中，殘疾人對爬樓車的需求量逐年增加，市場發(fā)展?jié)摿薮螅罉翘葺? 椅行業(yè)具有廣闊的發(fā)展機遇和良好的投產(chǎn)前景。爬樓輪椅是目前殘疾人廣泛采用 的爬樓梯的工具，因其比固定上樓裝置具有靈活性大、使用輕便、成本低廉，所 以市場廣闊設計開發(fā)電動 爬樓車，實現(xiàn)減輕殘疾人要求、提高適應人群、滿足市 場的需求為目的。 5 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 課題研究內(nèi)容 步行式爬樓梯裝置體積龐大，缺乏靈活性且控制復雜，技術要求較高 。其它 附加的輔助裝置雖然穩(wěn)定性相對較好，然而由于其不能和輪椅融為一體，限制了 它的使用范圍。輪式爬樓梯裝置技術要求很高。在比較了各類爬樓梯裝置的優(yōu)缺 點后參考模 塊化可重組履帶結構原理，將爬樓功能與普通輪椅相結合設計了一種 爬樓梯裝置。它在平地行走時利用輪式機構，爬樓梯時放下履帶機構進行工作。 （ 1）分析爬樓梯時各部分元件以及樓梯的受力根據(jù)傳統(tǒng)履帶方式爬樓梯的力學 分析用 AutoCAD 繪制履帶傳動機構裝配圖。 （ 2）根據(jù)重量尺寸，選擇電機。設計控制系統(tǒng)控制電機驅(qū)動履帶完成爬樓梯的 功能。 設計后應能夠?qū)崿F(xiàn)的功能： ，應能攀登多種尺寸的樓梯 。 ，平地行駛與上下樓梯兩種工況的轉(zhuǎn)換簡單易行 。 ，爬樓梯時坐位應基本保持水平狀態(tài) ，造價低廉。 擬解決的主要問題： 。 。 ，電池的選擇。 。 設計進程安排 根據(jù)上述的設計方案，本項目的主要設計工作分為以下四個階段： 1. 調(diào)研階段 包括調(diào)查國內(nèi)外電動爬樓車的發(fā)展狀況，調(diào)研國內(nèi)外相關技術、研究分析現(xiàn) 有爬樓車的結構性能、并進行設計方案論證等，在此階段 我主要對我國所生產(chǎn)的 手動爬樓車進行了分析研究，初步明確了設計思路，并初步定下了設計方案。 2. 各個模塊的研究分析階段 本設計課題主要包括三個方面的內(nèi)容：電機的設計選擇；履帶裝置的設計計 算；升降裝置的選擇。此階段是本次畢業(yè)設計的基礎定型階段，在此階段，我通 過不斷對比手動輪椅和電動輪椅的各種優(yōu)缺點，進行比較和改進。以及在電機的 選用上，分析比較了在這種場合中使用交流電機還是使用直流電機，使用交流電 6 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 機就不用在輪椅上安裝電池，這會給使用帶來很大的不便，那樣要移動多少距離 就得要多長的電線，而且還有安全危險。所以選用了直流電機安裝電池的方法。 在傳動方面，比較了各種傳動方式的優(yōu)缺點，最后選用了橡膠履帶傳動，因為在 爬樓車方面，要求安全系數(shù)比較高，摩擦力大不容出現(xiàn)打滑事故。而傳統(tǒng)履帶重 量大且易磨損樓梯并且需要齒面彎曲疲勞強度設計。 3. 設計階段 在該階段，主要工作就 是對已經(jīng)確定下來的各個模塊進行適用性分析，主要 考慮各個模塊的力學，運動學性能，進行剛度和強度校核，并確定各個機械結構 的具體尺寸和具體裝配方法，繪制機械機構裝配圖、電路控制圖等。 4. 總結階段 在設計的最后，要對自己所做過的材料進行整理，對自己所做過的研究進行 分析，完成畢業(yè)論文設計說明書的撰寫，修改整理機械設計圖和電路控制圖，對 設計的產(chǎn)品進行經(jīng)濟分析及適用性分析。 7 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 第二章 履帶爬樓裝置機械系統(tǒng)結構設計 爬樓機構的比較 爬樓機構按其運動執(zhí)行機構可以分為星型輪機構和履帶輪機構兩種，其中履 帶輪機構相對比較成熟在可以爬樓梯防暴機器人等類似裝置中應用的比較廣泛。 星型輪式爬樓梯輪椅的爬樓梯機構由均勻分布在“ Y”形或“ +”字形系桿上 的若干個小輪構成。各個小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著系桿一起繞 中心軸公轉(zhuǎn)。在平地行 走時，各小輪自轉(zhuǎn)；而爬樓梯時，各小輪一起公轉(zhuǎn)。從而 實現(xiàn)爬樓梯的功能。星型輪多的優(yōu)點是輪椅爬樓梯時的穩(wěn)定性好，缺點是體積較 大，很難在普通住宅樓梯上使用。這也是星型輪式爬樓梯輪椅盡管發(fā)明專利很多， 真正實施和推廣很少的主要原因。 還有一種爬行機構是由三組帶有滑道的輪組構成的。當車輪抵住臺階之后， 臺階自然會對輪組中的一個產(chǎn)生阻力，當繼續(xù)施加動力時，則滑輪將向滑道的后 方滑動。滑輪中心提高，從而將車輪抬起。如此反復進行，從而達到上臺階的目 的。這種輪椅的不足是結構過于復雜 。 履帶型機構的爬樓梯輪椅應用較多，它采用比星型輪機構更為連續(xù)的行走方 式，傳動效率比較高。在上下樓梯過程中，輪椅的重心總是沿著與樓梯臺階沿的 連線相平行的直線運