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輪式爬樓梯輪椅設(shè)計(jì)
一、本課題的研究目的和意義:
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)能力的人來加以護(hù)理。目前,大多數(shù)老體弱者及肌體傷殘者都選擇輪椅作為他們的代步工具,而且使用范圍越來越廣。輪椅也由手動(dòng)輪椅、電動(dòng)輪椅趨向智能輪椅的方向發(fā)展,但由于他們一般采用傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu),一般僅適合在平地上使用,很少具備爬樓和翻越障礙的能力。樓梯和路障使輪椅的使用受到了很大的限制,很多場合尤其是室外,比如銀行、購物中心門前等或多或少有幾級(jí)臺(tái)階,室內(nèi)也有很多地方?jīng)]有電梯,這也給輪椅用戶造成很多不便。當(dāng)然,國家也花費(fèi)了大量的人力和財(cái)力在某些場所修建了相應(yīng)的輪椅坡道和其他公用設(shè)施以方便殘疾人活動(dòng)。但由于各種因素的影響,這些措施的作用也非常有限。
為了給老年人和殘疾人提供高性能的代步工具,解決樓梯或路障對(duì)他們使用輪椅造成的不便,幫助他們提高行動(dòng)自由度,重新更好的融入社會(huì),并考慮到我國的基本國情,研究一種價(jià)格適宜、小巧輕便的輪式爬樓梯輪椅裝置具有重大的意義和實(shí)用價(jià)值。
2、 文獻(xiàn)綜述(國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展):
輪椅是康復(fù)的重要工具,它不僅是肢體傷殘者的代步工具,更重要的是使他們借助于輪椅進(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì)活動(dòng)。目前,我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì),隨著老人的數(shù)量不斷增加,由于行動(dòng)不便對(duì)輪椅的需求數(shù)量增加,普通的輪椅很難適應(yīng)我國老人上下樓的需要,因?yàn)槲覈蟛糠謽欠拷ㄖ且粤鶎右韵陆ㄖ橹鳎擃惤ㄖ袥]有安裝電梯,對(duì)于使用輪椅的人來說,上下樓及其不方便,或重心易下滑,單人難上樓,需另建專用車道。因此迫切需要開發(fā)能夠簡便、輕巧的上下樓輪椅。
在我國,每年約有數(shù)十萬老人、殘疾人等需坐輪椅車行走。過去舊式輪椅車存在不能自行上、下樓等問題,使病人的活動(dòng)空間大為縮小。并使監(jiān)護(hù)人看護(hù)病人也很困難。為了給千百萬殘疾人一個(gè)自由、舒適的空間,再加上該產(chǎn)品有著很大實(shí)用性,存在著非常廣闊的市場。于是人們不斷進(jìn)行著艱苦的研究,一代又一代可上樓的輪椅應(yīng)運(yùn)而生。可自上下樓的輪椅能更好的滿足殘疾病人的生活需求,使其可以自己穿梭于沒有助殘?jiān)O(shè)施的高樓大廈內(nèi)。
在我國殘疾人的數(shù)量是可觀的,越來越多的人關(guān)注起他們的日常生活和精神生活。他們渴望能像正常人一樣的生活,渴望能夠獨(dú)立完成一些事情,而不用求助于正常人。這樣殘疾人才會(huì)更有信心的面對(duì)生活,不被歧視,不成為別人的負(fù)擔(dān)。為了滿足殘疾人的需求,也是為了更好的建設(shè)和諧社會(huì),上樓輪椅成為一個(gè)不可或缺的工具。
爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了較長的歷史,早在19世紀(jì)90年代就已經(jīng)有了此類專利的出現(xiàn)。特別是美、英、日德等發(fā)達(dá)國家早就開始向此領(lǐng)域沖擊,經(jīng)過不斷努力開發(fā),也出現(xiàn)了一些成果。由于起步較早,它們?cè)谶@方面的技術(shù)也相對(duì)成熟,已經(jīng)推出多種此類產(chǎn)品。但現(xiàn)存產(chǎn)品都還存在各種瑕疵,還沒有一種能做到盡善盡美。我國對(duì)此類裝置的研究起步較晚,在近幾年也有一些成果產(chǎn)生,但距離形成成熟產(chǎn)品還有很長的路要走。
目前已經(jīng)存在的爬樓梯裝置也是各種各樣,可以按照爬樓方式分為履帶式、星輪式、腿足式以及復(fù)合式爬樓梯裝置。各種裝置都有自己的優(yōu)點(diǎn),但也都存在一定不足。
(1)履帶式
履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克,其原理簡單,技術(shù)也比較成熟。如英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車,底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu),可爬樓梯的最大坡度為35度,上下樓梯速度為每分鐘15~20個(gè)臺(tái)階,如圖1所示。法國Topchair公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅,它的底部有四個(gè)車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用,當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí),用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面,然后把這四個(gè)車輪收起,依靠履帶無需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能,如圖2所示。日本長崎大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基礎(chǔ)上,研究了一種代號(hào)為“Sakadankun”的雙履帶式的爬樓梯裝置,即左右兩側(cè)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(shí),座椅傾角過大而影響使用安全的問題。
圖1 Baronmead公司(英國)
圖2 Topchair公司(法國)
履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高,行走時(shí)重心波動(dòng)很小,運(yùn)動(dòng)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(dòng)輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處:如重量大、運(yùn)動(dòng)不夠靈活、爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力,對(duì)樓梯有一定的損壞;且平地使用所受阻力較大,而且轉(zhuǎn)彎不方便,這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。
(2) 星輪式
星輪式爬樓梯輪椅的特點(diǎn)是:每個(gè)星輪以及星輪架可以繞星輪架主軸公轉(zhuǎn),同時(shí)每個(gè)星輪也可以繞自身星輪軸自轉(zhuǎn)。在爬樓時(shí),各星輪自身鎖死不轉(zhuǎn),連同星輪架一起繞星輪架主軸公轉(zhuǎn),來完成爬樓動(dòng)作。在平地行駛時(shí),星輪架相對(duì)主軸鎖死不轉(zhuǎn),每個(gè)星輪可以繞自身星輪軸自由旋轉(zhuǎn),這時(shí)通過接地星輪的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)平地行駛功能。同為星輪式爬樓梯輪椅,有根據(jù)兩個(gè)、三個(gè)、多個(gè)星輪…不同的星輪個(gè)數(shù)分為兩星輪式、三星輪式、四星輪式等形式。另外星輪式還有另一種分類方式:因?yàn)橛幸粚?duì)星輪架、兩對(duì)星輪架,星輪架(即輪組)個(gè)數(shù)不同分為單組星輪式和雙組星輪式兩種形式。行星輪個(gè)數(shù)不同對(duì)于爬樓梯輪椅的性能是有影響的,行星輪個(gè)數(shù)越多爬樓梯輪椅在爬樓過程中運(yùn)動(dòng)也越穩(wěn)定,重心波動(dòng)也越小。但與此同時(shí)帶來的缺點(diǎn)是星輪裝置的體積會(huì)變大質(zhì)量也會(huì)更重。單組星輪式和雙組星輪式也是具有雙組星輪式穩(wěn)定性好,重心波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)也是雙組星輪式體積大質(zhì)量大。并且單組星輪式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不是很好,在爬樓過程中需要有人輔助。而雙組星輪式則可以自主完成爬樓梯功能。幾種星輪式爬樓梯輪椅的具體形式如圖3所示。
圖3 星輪式爬樓梯輪椅
國內(nèi)外提出了多種星輪式爬樓梯輪椅的方案并且涌現(xiàn)出多項(xiàng)關(guān)于星輪式爬樓梯輪椅的專利。但能夠形成產(chǎn)品推廣使用的還為數(shù)不多。其中做的最好的就數(shù)美國Independence公司發(fā)明研制的IBOT爬樓梯輪椅,它能自行完成爬樓梯動(dòng)作,是單組星輪式爬樓梯輪椅中的一個(gè)代表,其具體形式如圖4所示。IBOT幾乎能適用于所有室內(nèi)外樓梯,此外它也能在斜坡、沙灘和崎嫗的路面上行駛,并且后面輪組可以直立行走,能幫助使用者達(dá)到正常人的高度,為他們提供了更多方便。它具有結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)動(dòng)靈活,操作容易等特點(diǎn),其中最大的優(yōu)點(diǎn)就是安裝了內(nèi)置陀螺儀系統(tǒng),陀螺儀通過高速度轉(zhuǎn)動(dòng)原理來確定重心位置,并將中心位置信號(hào)反饋給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)接到的信號(hào)控制輪椅平衡。經(jīng)過多年的努力研發(fā),經(jīng)過對(duì)IBOT3000的產(chǎn)品進(jìn)一步改進(jìn),已經(jīng)成功發(fā)展到了IBOT4000,性能也越來越好,但3萬美元左右售價(jià),也讓大多數(shù)人望而卻步。
圖4 IBOT3000
(3)腿足式
腿足式爬樓輪椅的主要特點(diǎn)是爬樓動(dòng)作是一個(gè)由腿足完成的不連續(xù)過程。早期的爬樓梯裝置多數(shù)都采用這種不連續(xù)方式。18世紀(jì)90年代Bray發(fā)明制造的爬樓梯輪椅
采用的方式就是不連續(xù)方式。在爬樓過程中,兩套支撐裝置中的一套作為支撐,另一套爬升,運(yùn)動(dòng)軌跡為上升、平移、著陸,類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實(shí)際上就是模仿人類爬樓的動(dòng)作。腿足式爬樓輪椅的研究日本的技術(shù)比較成熟,經(jīng)過數(shù)十年研究,出了很多專利甚至產(chǎn)品。
在日本的豐田公司,“iFoot”和“iUnit”可以讓輪椅使用者能夠像正常人一樣隨心所欲地到處運(yùn)動(dòng)?!癷Foot”外觀猶如一個(gè)長著機(jī)器腿的大椅子,或者說是一個(gè)從日本卡通片中逃出來的機(jī)器人,如圖5所示,它能夠像人一樣兩條腿走路。如果你覺得太慢,那么還有“iUnit”可供選擇,這種設(shè)計(jì)有四個(gè)輪子,使用者坐在距離地面較低的輪椅里面。但是這種裝置還處在概念階段,沒有到可以上市的程度。另一個(gè)正在研制中的輪椅和“iFoot”比較像,盡管外觀上不像“iFoot”那樣漂亮,但它更實(shí)用。這是日本研發(fā)的又一腿足式爬樓裝置,名字叫“WL-16Rir”。也是有兩條腿的椅子,座椅底安裝了陀螺儀系統(tǒng),每條腿上也都裝有壓力傳感器,通過信息釆集以及陀螺儀聯(lián)合控制處理來保持平衡,可以上下樓梯,并且可以調(diào)高或者調(diào)低,可為老年人和殘疾人提供新的行動(dòng)能力。不過,這種輪椅目前也沒能上市。
圖5 豐田公司生產(chǎn)的腿形間歇型爬樓行走設(shè)備ifoot
(4)復(fù)合式
鑒于履帶式、星輪式、腿足式等裝置的優(yōu)缺點(diǎn),在研究過程中,產(chǎn)生了一些其它的爬升裝置。例如由英國的Stairmatic,它是此類型爬樓梯輪椅的一個(gè)典型例子,如圖6所示,它不僅理論成熟并且已經(jīng)通過了實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)。但是,僅能上下樓梯,對(duì)平地自主適應(yīng)性差,使其距完美還有一定距離。另外約8萬余元人民幣的價(jià)格也讓多數(shù)人難以承受。輪腿復(fù)合可以說是復(fù)合式中常用的結(jié)構(gòu)了,設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來完成爬樓、越障,輪式機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)平地行走功能。其中NASA的Sojourer Robot,EPFL的Shrimp Robot是具有代表性的,如圖7所示,Shrimp Robot擺臂在一定范圍可上下擺動(dòng),能夠輔助跨越障礙、攀爬樓梯,具有非常好的越障、攀爬性能、平地行駛和上下樓梯能力。但是復(fù)合式的復(fù)雜機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu),致使設(shè)計(jì)、控制、分析等工作都非常復(fù)雜。而且隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度提高就增大了故障率,降低了設(shè)備的可靠性,這樣也會(huì)使安全性不能得到保障。
除了以上問題,還需要面對(duì)適應(yīng)不同尺寸的樓梯,爬升過程中反向自鎖等問題,總之復(fù)合式爬樓梯輪椅雖說有著自身的優(yōu)點(diǎn),但是還有很多問題需要解決,距離完美還是有很長的路需要探索。
圖6 英國的Stairmatic
圖7 Shrimp Robot
綜上所述,國內(nèi)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有較長的歷史,成果也較多,誕生了很多的專利以及產(chǎn)品,但是它們或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、或者造價(jià)昂貴,總是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動(dòng)問題,提出一種整體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量適中、安全性好、操作方便、價(jià)格適宜的爬樓梯輪椅方案是十分必要的。此外,考慮到輪椅的主要作用是平地行駛,故在做好爬升裝置的前提下更應(yīng)將平地行駛功能做到最好??梢钥闯?,雖然爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了一定的成果,但距離完美的產(chǎn)品的誕生還是有很長一段路需要走的。
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
本科 2009 級(jí)
機(jī)械 系(部) 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè) 班
設(shè)計(jì)(論文)題目
輪式爬樓梯輪椅設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)
起訖日期 2012年12月31日~2013年5月31日
設(shè)計(jì)地點(diǎn)
指導(dǎo)教師 職稱 講師
2012 年 12 月 31 日
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目的:
畢業(yè)設(shè)計(jì)是工科院校的最后一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),是使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過的基本理
論、基本知識(shí)與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問題而進(jìn)行的一次綜合訓(xùn)練,這對(duì)學(xué)生即
將從事的相關(guān)技術(shù)工作和未來事業(yè)的開拓都具有重要意義。
2.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)的內(nèi)容和要求:
內(nèi)容:要求根據(jù)目前收集的參考文獻(xiàn)獲得的爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀,分析已產(chǎn)生的各種典
型機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),在充分考慮結(jié)構(gòu)、造價(jià)、安全性等重要因素的基礎(chǔ)上,擬研究設(shè)計(jì)一種輪式爬
樓梯輪椅。該設(shè)計(jì)在滿足爬樓梯輪椅的基本要求的前提下,盡量到結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格適宜,對(duì)臺(tái)階
適應(yīng)性強(qiáng),安全性高等方面。
要求:1.完成爬樓梯輪椅的總體設(shè)計(jì);
2.畫出輪椅裝配圖以及零件圖(2.5張A0圖紙以上);
3.撰寫設(shè)計(jì)說明書;
4.翻譯相關(guān)的英文資料(不少于5000漢字)
3.主要參考文獻(xiàn):
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[4] 陸豐勤.多功能爬樓梯裝置的研究及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué),2008.
[6] 王晶主編.第二屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽決賽作品集[M].北京:高等教育出版社,200.7
[10] 侯樂平,邵玉林. 一種能上下樓梯的輪椅 申請(qǐng)?zhí)枺?0244147.0 中華人民共和國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 2000-07-25.
[9] 曹巖. SolidWorks2007機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例精解.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2007.9.
[8] 江紅,楊勇,喬蘭東. SolidWorks實(shí)例解析—曲線、曲面、仿真、渲染.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2004.10.
4.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃:
起訖日期
工作內(nèi)容
2012.12.31
~2013.1.15
根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書,查詢相關(guān)技術(shù)資料。
2013.1.15
~2013.3.1
英文文獻(xiàn)翻譯。
2013.3.1
~2013.3.15
進(jìn)行方案構(gòu)思、比較、分析,并提交開題報(bào)告,進(jìn)行開題答辯。
2013.3.15
~2013.3.29
進(jìn)行爬樓梯輪椅的功能原理設(shè)計(jì)方案,通過方案對(duì)比確定最佳方案。
2013.3.29
~2013.4.12
進(jìn)行受力分析及電機(jī)選取
2013.4.12
~2013.4.26
進(jìn)行爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),繪制裝配草圖、三維建模、裝
配圖和部分零件圖。
2013.4.26
~2013.5.10
進(jìn)行爬樓梯輪椅的虛擬裝配和運(yùn)行仿真,并對(duì)輪椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)
行優(yōu)化;
2013.5.10
~2013.5.24
設(shè)計(jì)資料整理、裝訂、提交論文初稿。
2013.5.24
~2013.5.31
總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)、論文修改、完善。制作答辯PPT。
2013.5.31
~2013.6.14
論文答辯。
需要整套畢業(yè)設(shè)計(jì),請(qǐng)聯(lián)系qq:583408401
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