爬樓梯機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、項(xiàng)目設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目爬樓梯輪椅設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)專(zhuān) 業(yè)過(guò)程裝備與控制工程學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師完成日期2014.01.15爬樓梯輪椅設(shè)計(jì)說(shuō)明一、概述高齡人群以及下肢殘障者的最大障礙是步行能力的減弱甚至缺失， 他們不僅喪 失行動(dòng)力， 更需要有勞動(dòng)能力的人來(lái)加以護(hù)理。 目前，大部分年老體弱者及肢體 傷殘者都會(huì)選擇輪椅作為他們的代步工具， 并且大都需要家人或護(hù)理人員伴隨協(xié) 助輪椅的使用。 然而，普通輪椅無(wú)法攀登樓梯， 從而限制了輪椅使用者的活動(dòng)范 圍，影響其參與社會(huì)生活。 尤其是國(guó)內(nèi)城市以多層公寓式樓房居多， 電梯并沒(méi)有 普及到所有的居民住宅，這給輪椅乘坐者造成諸多不便。為了緩解上述弱勢(shì)群體因?yàn)楸壤@著增加

2、而給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、 醫(yī)療護(hù)理各方面帶來(lái) 的巨大壓力，更好的關(guān)懷老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質(zhì)量，除了增 加房屋和各種公共建筑設(shè)施的無(wú)障礙設(shè)計(jì)， 擴(kuò)大輪椅的使用范圍之外， 改進(jìn)現(xiàn)有 的普通輪椅，使其兼?zhèn)淦降匦旭傄约芭涝綐翘菡系K兩種功能，成為更行之有效、 立竿見(jiàn)影的措施。 因此，為了解決上述需求，給老年人和殘疾人提供性能優(yōu)越 的代步工具，解決樓梯對(duì)他們生活造成的不便， 同時(shí)考慮使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力， 研究一種價(jià)格適宜、平穩(wěn)安全的爬樓梯裝置具有重大的意義和實(shí)用價(jià)值。二、本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和維護(hù)現(xiàn)狀連續(xù)型爬樓梯輪椅工作效率高， 爬樓梯的速度較快， 間歇型的爬樓梯輪椅因兩 套支承裝置

3、交替支承，爬樓梯的速度一般較慢。星型輪式爬樓梯輪椅的活動(dòng)范圍廣， 運(yùn)動(dòng)靈活，但是上下樓梯時(shí)平穩(wěn)性不高； 履帶型爬樓梯輪椅的技術(shù)比較成熟， 傳動(dòng)效率比較高， 行走重心波動(dòng)很小， 運(yùn)動(dòng) 非常平穩(wěn)， 但是運(yùn)動(dòng)不夠靈活， 對(duì)樓梯有一定的損壞， 這限制了其在日常生活中 的推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有體積小巧、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，適用于居民樓梯和廣大殘疾 人及老年人的爬樓梯輪椅。盡管 iBOT3000 那種多功能高智能的輪椅是發(fā)展方向，我國(guó)“ 863”等國(guó)家計(jì) 劃也支持一些單位研發(fā)了具有視覺(jué)、 聲音及語(yǔ)音控制等功能的智能輪椅。 但是從 我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和需求人群的經(jīng)濟(jì)條件來(lái)看，結(jié)構(gòu)緊湊、小巧輕便，如 iBOT3

4、000 大小，功能單一的低價(jià)格爬樓梯輪椅，以及在現(xiàn)有輪椅上加裝簡(jiǎn)單的 輔助裝置就可以爬樓梯的輪椅將會(huì)比多功能高價(jià)格的智能輪椅更具有市場(chǎng)潛力 和社會(huì)價(jià)值。按照爬樓梯裝置爬樓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型 , 主要可歸結(jié)為復(fù)輪試、 杠桿式、和履帶 式三類(lèi)。爬樓輪椅的研究已經(jīng)有幾百年的歷史， 目前已經(jīng)發(fā)明了復(fù)輪式、 杠桿式、 履 帶式爬樓梯輪椅，但其都是采用全自動(dòng)爬樓梯方法。（1）復(fù)輪試（如圖1）的爬樓梯機(jī)構(gòu)最顯著的提點(diǎn)是由均勻分布在 “丫”型或“十” 字型系桿上的若干個(gè)小輪構(gòu)成。各個(gè)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(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)；而爬樓梯時(shí)，各小輪一起 公轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)爬樓

5、梯的功能。但其有比較嚴(yán)重的顛簸、沖擊現(xiàn)象，穩(wěn)定性較差， 不能適應(yīng)不同尺寸臺(tái)階，而且轉(zhuǎn)彎也存在困難。（2）杠桿式（如圖2）的主要特點(diǎn)是具有兩套支撐裝置，兩套支撐裝置交替支撐，以實(shí)現(xiàn)上下樓梯的功能。這種機(jī)構(gòu)的爬樓梯過(guò)程近似于人上下樓梯的過(guò)程， 也有人稱(chēng)之為步行式爬樓梯輪椅。 杠桿式上下樓的過(guò)程中有明顯的停頓時(shí)間， 同 時(shí)顛簸、沖擊現(xiàn)象嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差，操作不當(dāng)是容易出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。：3：（3）履帶式（如圖3）的主要特點(diǎn)是在上下樓梯過(guò)程中，輪椅的中心總是沿著 與樓梯臺(tái)階沿的連線相平行的直線運(yùn)動(dòng)， 去重心的波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)。但 履帶與樓梯接觸時(shí)壓力很大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)樓梯和履帶都有很大程度的磨損；

6、同 時(shí)履帶需要的長(zhǎng)度至少為三個(gè)階梯長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)彎。圖2履帶式爬樓梯輪椅機(jī)構(gòu)示意圖圖3杠桿式爬樓梯輪椅示意圖三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)的方案論證考慮到機(jī)構(gòu)體積和爬樓效率問(wèn)題，爬樓結(jié)構(gòu)基本單元選用了十字形的輪架式結(jié)構(gòu) 十字輪的基本尺寸依靠280*160mn左右的普通居民樓樓梯尺寸確定。方案1摩擦型爬樓機(jī)構(gòu)©2-1摩搏型磋樓機(jī)構(gòu)如圖2.1,十字輪采用帶傳動(dòng)，動(dòng)力源于對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的輪子內(nèi)的電機(jī)，爬樓時(shí)依靠輪子和樓梯壁的摩擦力實(shí)現(xiàn)。但是摩擦力很可能無(wú)法大到能夠帶動(dòng)整車(chē)的程度。方案2前翻后推式機(jī)構(gòu)圈2二前觀后推式機(jī)構(gòu)如圖2.3,十字輪中心有電機(jī)形成主動(dòng)力，在爬樓過(guò)程中提供動(dòng)力，后輪采用伸縮式結(jié)構(gòu)，爬樓時(shí)進(jìn)行輔助

7、推動(dòng)。缺點(diǎn)是后輪難以控制，車(chē)身難以保持穩(wěn)定。方案3前后雙十字輪機(jī)構(gòu)圏£4報(bào)+享輪機(jī)枸如圖2.4,采用兩個(gè)十字輪結(jié)構(gòu)，前輪為主動(dòng)力源，后輪從動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的過(guò)程為A、B、C、D點(diǎn)形成的可變平行四邊形的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，權(quán)衡利弊，最終選定方案三作為爬樓結(jié)構(gòu)的最終方案。四、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的可行性論證以我們選定的基本結(jié)構(gòu)方案3要實(shí)現(xiàn)爬樓功能，必須使得主軸的動(dòng)力傳給整個(gè)十 字輪使得十字輪翻轉(zhuǎn)從而一級(jí)一級(jí)爬上樓梯。此時(shí)，如果四周的滾輪無(wú)法和十字 輪架保持相對(duì)靜止，則可能在翻樓時(shí)出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象。因此，必須保證在爬樓 狀態(tài)中滾輪和十字輪架桿保持鎖定即相對(duì)靜止，使得滾輪和十字輪架成為一個(gè)整 體進(jìn)行爬

8、樓。設(shè)計(jì)使用同步轉(zhuǎn)動(dòng)式自鎖制動(dòng)。當(dāng)進(jìn)入爬樓狀態(tài)時(shí)，主軸帶動(dòng)中心太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，但同時(shí)主軸和十字輪架也是同步 轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此在十字輪架上的行星輪和太陽(yáng)輪之間是相對(duì)靜止的，因此也就不存在齒輪嚙合傳動(dòng)，這樣一來(lái)行星輪也就不會(huì)帶動(dòng)帶輪從而不會(huì)使?jié)L輪相對(duì)十字輪 架轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣一來(lái)便實(shí)現(xiàn)了滾輪在爬樓狀態(tài)中的自鎖效果， 爬樓時(shí)滾輪與十字輪 架形成一體，爬樓時(shí)不會(huì)出現(xiàn)“打滑”。同步轉(zhuǎn)動(dòng)式自鎖制動(dòng)對(duì)于我們采用的十字輪結(jié)構(gòu)車(chē)架而言， 越障的實(shí)現(xiàn)很方便。只要在平地行進(jìn)時(shí) 切換到爬樓狀態(tài)，使用十字輪整體進(jìn)行翻越，就可以越過(guò)障礙物。具體原理和爬 樓原理基本一致。如圖越障過(guò)程在實(shí)施該項(xiàng)目的時(shí)候，大體上與一般的輪椅無(wú)太大差別，基于

9、輪組結(jié)構(gòu)的爬樓 輪椅由幾組輪胎和齒輪連桿組成，操作起來(lái)安全可靠，而且通用性好，價(jià)格適中。 在經(jīng)濟(jì)上和實(shí)施的技術(shù)上都是可行的。獨(dú)特設(shè)計(jì)的離合器機(jī)構(gòu)，和后部四連桿機(jī) 構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)力源的目的，簡(jiǎn)化人的操作，通過(guò)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)外側(cè)小輪即可同時(shí)實(shí) 現(xiàn)履帶的起落、后部小輪的收縮、離合器的控制，操作簡(jiǎn)單。利用螺桿傳動(dòng)中的自鎖，避免上下樓時(shí)履帶的位置變化帶來(lái)的危險(xiǎn)。 模仿變 速自行車(chē)的機(jī)構(gòu)，采用傳動(dòng)鏈條張緊輪機(jī)構(gòu)，并合理布置在上樓時(shí)的松邊。后部 小輪起落架連桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)的精確設(shè)計(jì)，保證小輪的可靠到位和小輪最合理的承 重方向。在這些裝置中，一方面具有優(yōu)點(diǎn)的是，僅僅裝上橡膠的輪與樓梯、尤其是樓梯 邊緣接觸， 因此損害

10、大大避免。 另一方面很危險(xiǎn)的是， 小輪的僅僅有限的深度可 作用到臺(tái)階上。 這種裝置的使用也因此需要格外小心和謹(jǐn)慎， 尤其攜帶人時(shí)。 實(shí) 際中樓梯是多種多樣的， 從相對(duì)較平的， 完全直向延伸的樓梯道狹窄且陡的盤(pán)旋 樓梯。利用基于多輪原理的樓梯爬升裝置爬升樓梯不是不危險(xiǎn)的， 因?yàn)樵撗b置可 以?xún)A翻。樓梯爬升裝置、輪椅和人因此必須有一個(gè)力氣很大的人把住。第二種非常流行的機(jī)構(gòu)是采用兩個(gè)平行的履帶長(zhǎng)度足可以同時(shí)抓住至少三級(jí) 樓梯臺(tái)階。 由此使輪椅和人的非有意的傾倒不再可能， 并因此排除造成受傷、 甚 至死亡的傾覆。 基于履帶的長(zhǎng)度和寬度， 這種樓梯爬升裝置對(duì)于狹窄和盤(pán)旋的流 體存在問(wèn)題。五、結(jié)論及項(xiàng)目方案

11、實(shí)施的展望由于目前的智能輪椅基本上采用與移動(dòng)機(jī)器人相同的技術(shù)方案， 因而成本很高， 只有一些特殊人群才能夠使用而難以進(jìn)入普通家庭。但是，隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展， 基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅控制器將能很 好解決現(xiàn)有控制器所存在的成本高、 功耗大、 續(xù)航能力差等問(wèn)題。 中科院自動(dòng)化 所的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅控制與傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了比較 深入的研究， 完成了多種專(zhuān)用模塊的開(kāi)發(fā)， 并已研制開(kāi)發(fā)了一種新的智能輪椅控 制器。因?yàn)橥耆捎米灾骷夹g(shù)， 這種新型智能輪椅控制器與電動(dòng)輪椅控制器相比， 成本增加不多，采用這種控制器的智能輪椅也將與目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的電動(dòng)輪椅售 價(jià)相差不多，這就向智能輪椅的產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)了一大步。因此，我們完全可以相信， 在不遠(yuǎn)的將來(lái)， 不同類(lèi)型的智能輪椅將進(jìn)入普通家 庭，智能輪椅將不是少數(shù)人才能用得起的奢侈品。 通過(guò)應(yīng)用效果證明，本作品目前還存在一些不足，具體改進(jìn)的方向如下： 1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)更加緊湊，部分零件材料采用合金或者 減小角鋼厚度，盡可能減小整車(chē)的重量，減小電機(jī)功率，節(jié)省能源。2 增強(qiáng)自動(dòng)化程度 增加自動(dòng)控制功能設(shè)計(jì)， 如如何根據(jù)人體重量和所坐位置確 定重心，防止側(cè)外和后仰。初定設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：1、增加機(jī)構(gòu)克服復(fù)輪試存在的比較