爬楼梯轮椅设计说明

人力式平稳爬楼轮椅设计说明书

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指导教师：职称：

申请时间：2010年12月27日

目录

一、设计的目的和意义 (3)

二、问题提出 (4)

三、设计方案选择 (5)

四、机构尺寸设计 (7)

五、构件三维造型 (9)

六、运动仿真分析集成 (11)

七、设计总结 (12)

八、参考文献 (12)

人力式平稳爬楼轮椅

一、设计的背景和意义

高龄人群以及下肢残障者的最大障碍是步行能力的减弱甚至缺失，他们不仅丧失行动力，更需要有劳动能力的人来加以护理。目前，

大部分年老体弱者及肢体伤残者都会选择轮椅作为他们的代步工具，并且大都需要家人或护理人员伴随协助轮椅的使用。然而，普通轮椅无法攀登楼梯，从而限制了轮椅使用者的活动范围，影响其参与社会生活。尤其是国内城市以多层公寓式楼房居多，电梯并没有普及到所有的居民住宅，这给轮椅乘坐者造成诸多不便。

为了缓解上述弱势群体因为比例显著增加而给社会经济、医疗护理各方面带来的巨大压力，更好的关怀老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，除了增加房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，扩大轮椅的使用范围之外，改进现有的普通轮椅，使其兼备平地行驶以及爬越楼梯障碍两种功能，成为更行之有效、立竿见影的措施。

因此，为了解决上述需求，给老年人和残疾人提供性能优越的代步工具，解决楼梯对他们生活造成的不便，同时考虑使用者的经济承受能力，研究一种价格适宜、平稳安全的爬楼梯装置具有重大的意义和实用价值。

二、现有产品分析及产品简介

目前市场上的爬楼轮椅采用的主要是两种爬楼方式——履带式和轮组式爬楼轮椅。

（图1）轮组式爬楼轮椅

如上图1，轮组式的轮椅则大都采用三叶轮式和四叶轮式，机构精巧，但无法克服爬楼时两台阶间的震荡，上下楼梯时该类型装置重心起伏较大，会使乘坐者感到不适而且难以实现在平地上的独立行走，需要其他人的时刻陪护和推拉。

（图2）履带式爬楼轮椅

（图2）为履带式爬楼轮椅，履带式爬楼装置技术较成熟，操作简单，行走时重心波动很小，对楼梯的形状、尺寸适应性强。但履带式的多为电力机构系统，需要大功率的电机和笨重的履带，同时对于履带的精确控制，对于重心的平衡都使得机构过于笨重庞大而且造价高昂。

在对现有的产品进行详细了解和分析的基础上我们设计了履带式和传统式相结合的设计，使得轮椅在爬楼时能像履带式爬楼轮椅一样的平稳，不需要他人陪护，在平地上更可以独立自由行走，转向自如，同时简化了机构，不需要外加大功率电机、复杂控制系统及笨重的履带，大大减轻了重量，降低了制造成本。

三、产品机构简介

四、产品设计原理

此人力式可爬楼轮椅利用杠杆省力、螺旋传动等原理进行人力驱动，同时自主设计的离合器实现平地与爬楼之间不同工况的转换，利用螺杆自锁原理保证机构的安全性和可靠性，四连杆机构的设计则保证了后轮的可靠到位和简单精巧的控制。在机构设计时利用Solidworks，Ansys，ADAMS等软件对运动、受力及机构合理性进行分析优化，提高设计效率和机构的合理性。下面为其工作原理：

平地行走：当在平地行走时，履带处于收起状态，其工作原理等同于普通型轮椅，在后面可变向小轮的支撑下通过转动前面大轮可以实现自由行走。

下楼过程：当走到楼梯口要下楼梯时，用户需要旋转大轮外侧的另一个轮子，在锥齿和螺杆的作用下使履带绕后部铰点旋转，直至履带抵触到台阶面将大轮脱离地面，同时在旋转此小轮的过程中会使特殊设计的离合器啮合，构成大轮与内置齿轮之间的传动关系，进而通过旋转大轮带动履带主动轮的转动，而后部的小轮则在四连杆机构作用下收起，旋转大轮实现下楼运动。当到达地面时，再次反转外侧小轮，将履带收起，离合器断开，后部小轮着地支撑，进行平地行走。

上楼过程：当上楼时，则采用背部先上，同样先旋转外侧小轮，将履带放下，离合器啮合，后部小轮收起，通过大轮和啮合齿的直径比可以起到明显的增距减力，实现平稳安全上楼。

五、产品的技术要点

（1）传统的普通轮椅与笨重的履带式结构的互补结合，实现爬楼时的平稳性。

（2）整个系统采用人力驱动，并利用杠杆增距减力原理使上楼过程简单省力，同时避免使用复杂昂贵笨重的电动设备，性价比高。（3）独特设计的离合器机构，和后部四连杆机构实现一个动力源的目的，简化人的操作，通过简单的旋转外侧小轮即可同时实现履带的起落、后部小轮的收缩、离合器的控制，操作简单

（4）利用螺杆传动中的自锁，避免上下楼时履带的位置变化带来的危险。

（5）模仿变速自行车的机构，采用传动链条张紧轮机构，并合理布置在上楼时的松边

（6）后部小轮起落架连杆机构各杆长的精确设计，保证小轮的可靠到位和小轮最合理的承重方向

参考文献

[1]江红，杨勇，乔兰东.SolidWorks实例解析—曲线、曲面、仿真、渲染.北京：机械工业出版社.2004.10

[2]曹岩.SolidWorks2007机械设计实例精解.北京：化学工业出版社.2007.9

[3]谢进，万朝燕，杜立杰.机械原理.高等教育出版社.2004.1