爬楼梯机器人项目设计说明书

项目设计说明书题目：爬楼梯轮椅设计说明书
专业过程装备与控制工程
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期2014.01.15
《爬楼梯轮椅设计说明》
一、概述
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、本项目设计的国内外研究、开发、应用和维护现状
连续型爬楼梯轮椅工作效率高，爬楼梯的速度较快，间歇型的爬楼梯轮椅因两套支承装置交替支承，爬楼梯的速度一般较慢。

星型轮式爬楼梯轮椅的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高；履带型爬楼梯轮椅的技术比较成熟，传动效率比较高，行走重心波动很小，运动非常平稳，但是运动不够灵活，对楼梯有一定的损坏，这限制了其在日常生活中的推广应用。

国内外尚没有体积小巧、操作简单、价格低廉，适用于居民楼梯和广大残疾人及老年人的爬楼梯轮椅。

尽管iBOT3000那种多功能高智能的轮椅是发展方向，我国“863”等国家计划也支持一些单位研发了具有视觉、声音及语音控制等功能的智能轮椅。

但是从我国经济发展水平和需求人群的经济条件来看，结构紧凑、小巧轻便，如iBOT3000大小，功能单一的低价格爬楼梯轮椅，以及在现有轮椅上加装简单的辅助装置就可以爬楼梯的轮椅将会比多功能高价格的智能轮椅更具有市场潜力和社会价值。

按照爬楼梯装置爬楼执行机构的类型,主要可归结为复轮试、杠杆式、和履带式三类。

爬楼轮椅的研究已经有几百年的历史，目前已经发明了复轮式、杠杆式、履带式爬楼梯轮椅，但其都是采用全自动爬楼梯方法。

（1）复轮试（如图1）的爬楼梯机构最显著的提点是由均匀分布在“Y”型或“十”字型系杆上的若干个小轮构成。

各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。

在平地行走时，各小轮自转；而爬楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。

但其有比较严重的颠簸、冲击现象，稳定性较差，不能适应不同尺寸台阶，而且转弯也存在困难。

（2）杠杆式（如图2）的主要特点是具有两套支撑装置，两套支撑装置交替支撑，以实现上下楼梯的功能。

这种机构的爬楼梯过程近似于人上下楼梯的过程，也有人称之为步行式爬楼梯轮椅。

杠杆式上下楼的过程中有明显的停顿时间，同时颠簸、冲击现象严重，稳定性较差，操作不当是容易出现翻转现象。

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（3）履带式（如图3）的主要特点是在上下楼梯过程中，轮椅的中心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动，去重心的波动很小，运动非常平稳。

但履带与楼梯接触时压力很大，运动过程中对楼梯和履带都有很大程度的磨损；同时履带需要的长度至少为三个阶梯长，严重影响了转弯。

图1 复轮试爬楼梯机构示意图
图2 履带式爬楼梯轮椅机构示意图
图3 杠杆式爬楼梯轮椅示意图
三、项目设计的方案论证
考虑到机构体积和爬楼效率问题，爬楼结构基本单元选用了十字形的轮架式结构。

十字轮的基本尺寸依靠280*160mm左右的普通居民楼楼梯尺寸确定。

方案1——摩擦型爬楼机构
如图2.1,十字轮采用带传动，动力源于对称点的轮子内的电机，爬楼时依靠轮子和楼梯壁的摩擦力实现。

但是摩擦力很可能无法大到能够带动整车的程度。

方案2——前翻后推式机构
如图2.3,十字轮中心有电机形成主动力，在爬楼过程中提供动力，后轮采用伸缩式结构，爬楼时进行辅助推动。

缺点是后轮难以控制，车身难以保持稳定。

方案3——前后双十字轮机构
如图2.4,采用两个十字轮结构，前轮为主动力源，后轮从动。

运动的过程为A、B、C、D点形成的可变平行四边形的运动。

根据各方案的优缺点，权衡利弊，最终选定方案三作为爬楼结构的最终方案。

四、项目设计方案的可行性论证
以我们选定的基本结构方案3要实现爬楼功能，必须使得主轴的动力传给整个十字轮使得十字轮翻转从而一级一级爬上楼梯。

此时，如果四周的滚轮无法和十字轮架保持相对静止，则可能在翻楼时出现“打滑”现象。

因此，必须保证在爬楼状态中滚轮和十字轮架杆保持锁定即相对静止，使得滚轮和十字轮架成为一个整体进行爬楼。

设计使用同步转动式自锁制动。

当进入爬楼状态时，主轴带动中心太阳轮转动，但同时主轴和十字轮架也是同步转动的，因此在十字轮架上的行星轮和太阳轮之间是相对静止的，因此也就不存
在齿轮啮合传动，这样一来行星轮也就不会带动带轮从而不会使滚轮相对十字轮架转动，这样一来便实现了滚轮在爬楼状态中的自锁效果，爬楼时滚轮与十字轮架形成一体，爬楼时不会出现“打滑”。

同步转动式自锁制动
对于我们采用的十字轮结构车架而言，越障的实现很方便。

只要在平地行进时切换到爬楼状态，使用十字轮整体进行翻越，就可以越过障碍物。

具体原理和爬楼原理基本一致。

如图
越障过程
在实施该项目的时候，大体上与一般的轮椅无太大差别，基于轮组结构的爬楼轮椅由几组轮胎和齿轮连杆组成，操作起来安全可靠，而且通用性好，价格适中。

在经济上和实施的技术上都是可行的。

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。

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。

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。

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。

在这些装置中，一方面具有优点的是，仅仅装上橡胶的轮与楼梯、尤其是楼梯
边缘接触，因此损害大大避免。

另一方面很危险的是，小轮的仅仅有限的深度可作用到台阶上。

这种装置的使用也因此需要格外小心和谨慎，尤其携带人时。

实际中楼梯是多种多样的，从相对较平的，完全直向延伸的楼梯道狭窄且陡的盘旋楼梯。

利用基于多轮原理的楼梯爬升装置爬升楼梯不是不危险的，因为该装置可以倾翻。

楼梯爬升装置、轮椅和人因此必须有一个力气很大的人把住。

第二种非常流行的机构是采用两个平行的履带长度足可以同时抓住至少三级楼梯台阶。

由此使轮椅和人的非有意的倾倒不再可能，并因此排除造成受伤、甚至死亡的倾覆。

基于履带的长度和宽度，这种楼梯爬升装置对于狭窄和盘旋的流体存在问题。

五、结论及项目方案实施的展望
由于目前的智能轮椅基本上采用与移动机器人相同的技术方案，因而成本很高，只有一些特殊人群才能够使用而难以进入普通家庭。

但是，随着嵌入式技术的飞速发展，基于嵌入式系统的智能轮椅控制器将能很好解决现有控制器所存在的成本高、功耗大、续航能力差等问题。

中科院自动化所的研究团队已经对基于嵌入式系统的智能轮椅控制与传感器系统进行了比较深入的研究，完成了多种专用模块的开发，并已研制开发了一种新的智能轮椅控制器。

因为完全采用自主技术，这种新型智能轮椅控制器与电动轮椅控制器相比，成本增加不多，采用这种控制器的智能轮椅也将与目前市场上销售的电动轮椅售价相差不多，这就向智能轮椅的产业化方向迈进了一大步。

因此，我们完全可以相信，在不远的将来，不同类型的智能轮椅将进入普通家庭，智能轮椅将不是少数人才能用得起的奢侈品。

通过应用效果证明，本作品目前还存在一些不足，具体改进的方向如下：
1结构优化通过结构优化设计，是结构更加紧凑，部分零件材料采用合金或者减小角钢厚度，尽可能减小整车的重量，减小电机功率，节省能源。

2增强自动化程度增加自动控制功能设计，如如何根据人体重量和所坐位置确定重心，防止侧外和后仰。

初定设计目标如下：
1、增加机构克服复轮试存在的比较严重的颠簸、冲击现象，稳定性较差，不能适应不同尺寸台阶，而且转弯也存在困难的现象；
2、使杠杆式轮椅上下楼的过程中不再颠簸、减少冲击现象严重，增加稳定性，和克服操作不当出现的翻转现象；
3、履带式履带与楼梯接触时压力很大，运动过程中对楼梯和履带都有很大程度的磨损；同时履带需要的长度至少为三个阶梯长，严重影响了转弯。

这些都需要去改善；
4、自己设计精巧机构实现上楼。