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1、 摘 要本篇论文针对残疾人上楼困难而设计的一款上楼轮椅，文中首先对国内外各种爬楼轮椅结构进行分析，在对比总结各自优缺点的基础上设计出一款结构简单，操作方便的上楼结构。该结构采用星轮行星轮结构，在平地时，行星轮工作，上楼时，齿式离合器结合后整个行星齿系将变成一个刚性的整体而转换为星轮结构模式，即各个齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，从而实现上楼功能。车身则采用滑轨式自动调平结构，该结构简单，调节方便。AbstractThis paper for the disabled upstairs and of the design difficulties a upstairs wheelchai
2、r, this paper first to the domestic and foreign various climbing up a wheelchair structure analysis, in contrast to summarize their respective advantages and disadvantages designed on the basis of a simple structure, convenient operation of the upstairs structure.The structure and the star wheel pla
3、netary wheel structure, on the ground, the planet round work, go upstairs, combined with the whole planet gear clutch after tooth department will become a rigid whole and conversion for star wheel structure model, that is, each gears are not only with the whole body rotation and flip together, so as
4、 to realize the upstairs function. Body used the slippery course type automatic levelling structure, this simple structure, convenient adjustment.第一章 绪论1.1 引言目前市场上的轮椅存在一个很大的不足：由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。很多场合尤其是室外比如银行门前，购物中心门前等都或多或少有几级台阶，而对于室内仍有很多地方没有电梯，对于那些乘坐轮椅的残疾人，他们仍然有很多不便。当然，国
5、家也花费了大量的人力和财力在某些场所修建了相应的轮椅坡道和其它公用设施以方便残疾人活动。但由于受各种因素的影响，这些措施起到的作用仍然非常有限。解决这一问题的最好方法就是改进残疾人使用的行走设备，也就是说通过改进残疾人轮椅的机械结构，使其能够适应日常生活中所碰到大多数的地形。对于残疾人轮椅车的改进，已有不少人提出各种解决方案：有的使用履带式的辅助爬升设备帮助轮椅上下楼梯，有的采用步进式的结构一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺仪控制两轮结构的翻转，立起来上下楼梯，但这些方案都有一些不尽如人意的地方，比如：结构复杂，造价高，使用不便，不能很好的适应平地行驶等，因而都未能得到较广泛的应用。正是基于此
6、背景，一款结构简单，操作方便，价格合适的上楼机器既能为残疾人带来方便，同时也具有巨大的市场容量。在毕业之际，于是选择了残疾人上楼为主题设计了星轮行星轮转换式可爬楼梯轮椅：该结构采用星轮行星轮结构，在平地时，行星轮工作，上楼时，齿式离合器结合后整个行星齿系将变成一个刚性的整体而转换为星轮结构模式，即各个齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，从而实现上楼功能。车身则采用滑轨式自动调平结构，该结构简单，调节方便,这也正是此设计的创新的地方。1.2 上下楼梯轮椅发展历史上下楼梯机构轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆
7、机 构式等。机器人作为一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难 越障机器人的研究对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境减轻劳动强度，提高劳动生
8、产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。其中，移动机器人从事各项事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。 。国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，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、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。上下楼梯机构轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机 构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四
9、杆机构式等。行星轮式的典型代表为美国强生公司下属的独立技术公司研制出的爬楼梯轮椅 IBOT。IBOTR 的轮椅开发历时 8 年，耗资超过 1.5 亿，是迄今为止推出的最尖端的产品。它配有感知人一轮椅重心位置的陀螺仪和复杂的计算机系统，可以随时调整重心位置以保证轮椅的平衡。IBOT 结构紧凑，运动灵活，操作简便，可靠性、安全性等各方面指标都很高，它不仅可以爬 21 厘米以下高度的楼梯和不超过厘米高的“马路牙子，也能够在沙滩、斜坡和崎岖的路面和小山坡上前进，而且能够两轮着地“站起来”直立行走，以使乘坐者可以升高到普通人的高度，也便于取放高处的物体。IBOT 如此先进，价格也不菲12.9 万美元的高
10、价可能使很多人望而却步。除此之外，国内外还发明了其它多种行星轮式爬楼梯机构。由于存在这样或那样的问题，尽管发明专利很多，真正推广使用的却很少。 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35，上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶。法国Topchair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。履带式结构传动
11、效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。腿足式爬楼梯轮椅的主要特点是具有两套支撑装置，这两套装置交替支撑实现上下楼梯功能。由于这种爬楼梯方式类似于人类上下楼梯的过程，故也常称之为步行式爬楼梯轮椅。早期的爬楼梯轮椅大多采用这种方式，例如 1892年 bray 发明的第一台爬楼梯轮椅就采用了这种方式。在爬楼梯
12、时，先由其中一套支撑装置支撑并抬高轮椅及另一套支撑系统，然后另一套支撑系统前移到台阶上；在台 阶上停稳后，整个轮椅重心移到该支撑装置上，先前那套支撑装置则收回，如此循环，直到爬完整段楼梯为止。 腿足式爬楼梯机构的主要特点是：爬行速度较慢，对重心设计要求较高但如果加装有传感装置则对不同尺寸的楼梯具有较高的适应能力。为了解决腿足式爬楼梯机构爬行速度较慢的缺点，有学者提出了平行四杆式爬楼梯机构，就是在普通轮椅的两侧各加设一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构，它用四条“腿”托送轮椅上台阶。平行四杆式爬楼梯机构结构简单、价格低廉，但由于仅仅由四个点支撑整车，其平稳度不高，安全性也不太好。综上所述，为
13、了较好地解决老弱病残人员外出活动问题，其关键是提出一种比较完善的上下楼梯方案，且整个轮椅尺寸合适、质量适中、安全性好、使用方便，最好能够适应不同的阶梯尺寸，其价格也能为普通老百姓接受。此外，应考虑爬楼梯过程往往只是整个外出活动过程中的很少一部分，必须兼顾平地行驶情况。可以看出，虽然经过多年的不懈努力，老弱病残人员出行问题已经得到了可喜的改善，但距离完美解决尚有不小的路径要走。第二章 设计方案2.1 上下楼梯机构的比较一台轮椅要实现上楼功能，其关键是如何选择合适的运动机构。在目前的研究中，能实现该功能的机构主要有步进式，脚足式结构，履带式，轮式机构,辅助式机构等，下面通过对这几种机构的特点进行对
14、比和分析，为选择本次设计要打好基础。2.1.1 步进式受火车的曲柄连杆机构的启发，经过思考，开始想到一种连杆机构，如图 1 所示，通过驱动三个互成 120 度的曲柄带动三个踏板交替与楼梯接触前行。在平路的时候和普通的轮椅车是一样的，靠轮子行走，在爬楼梯的时候，驱动轮则切换成上述步进机构，较平稳的沿着楼梯的棱边往上爬，如同爬一个斜坡一样。 图 1 经过分析发现步进式结构强度要求较高，而装配精度难以保证，从而使得整体性能会受很大影响。另外，这种步进式结构上第一级楼梯会比较困难，平地行走时其连杆机构是一个累赘，甚至会影响其平地行走功能。2.1.2 脚足式机构 从理论上来讲，脚足式机构是最灵活的运动机
15、构，地形适应能力强，可以解决大多数环境的行走问题，但是，其机械结构，控制复杂，效率低，要实稳定的高速行走，还有诸多问题需解决。它的典型代表是美国的 CMU 的 Ambler移动机器人等，但仍在移动速度慢，控制复杂，承载能力不足等诸多缺点，普及比较困难。2.1.3 履带式机构履带式机构的研究和应用相对来说是比较成熟的，在可以爬楼梯机器人等类似装置中应用比较广泛，履带型机构的爬楼梯轮椅应用也较多。其主要特点是：越障能力强，且可以适应不同的楼梯；行走比较连续，在上下楼梯过程中重心波动小，运动相当平稳；履带支撑面上有履齿，不易打滑 ，牵引附着性能好。但相比于轮式结构，它存在机构体积大，笨重，能量效率低
16、；对台阶损坏大；转弯不方便，由于履带与地面的接触面积大而且摩擦系数较大，所以对地面及履带磨损都比较严重。2.1.4 轮式机构轮式机构轮椅广泛地应用于国外的一些爬楼机器人，其体积小，结构简单，控制方便，能够实现平衡，快速移动，能量效率高，采用差动传动时转向半径小，转向灵活，在平地行走时有绝对的优势，但遇到台阶，楼梯等障碍物是就显得力不从心。普通轮椅要想跨过台阶等障障物，其中一个必要条件是它的车轮半径至少要大于台阶高度，而且跨越台阶时需要的能量很大，过程不稳定，冲击较大；而且楼梯宽度有限，如果一味的增加车轮半径会导致轮椅在台阶上失去支撑点，这也是目前常规轮椅采用大的后车轮而无法实现爬楼功能的主要原因。下面介绍几种现有的典型上下楼梯轮椅，为进一步了解以上各种机构的使用情况，为本次设计的机构选型提供参考。2.1.5 辅助式机构辅助式机构主要是指通过给普通轮椅加装辅助机构使其具有爬楼功能。目前此方面的主
