创新设计与实践

机械创新设计与实践爬楼梯轮椅摘要本文所研究的是爬楼梯轮椅。爬楼梯轮椅的出现，大大地方便了残疾人与老年人的出行。现实生活中,轮椅已成为老年人及肢体伤残者的代步工具,借助于轮椅他们能够参与社会活动和进行身体锻炼,针对目前市场上的轮椅大多为只能平地行走的普通轮椅或者价格昂贵的智能轮椅的现状,设计出了爬楼梯轮椅。本文分析了爬楼梯轮椅的历史，目前的产品状况及其原理，并对其发展趋势进行了展望。通过结构分析，表明该轮椅有较强的越障能力和路面适应性。关键词：爬楼梯轮椅产品原理分析越障能力一．引言在经济飞速发展、人口密度越来越大的现代社会里，楼梯的诞生缓解了建筑用地日益紧张的压力，提高了人们对空间的利用率。但是，目前常见的建筑物既没有设计也没有建造一个方便残障人士及行动不便的老年人士出人的通道。在这种情况下，楼梯对于他们往往意味着一个巨大的障碍需要去克服，给他们的出行带来了很多不便，影响他们与外界的沟通交流。而且，这一问题随着老年人和残疾人数量的增多日益突出。轮椅对于年老体弱者及肢体伤残者而言是他们必不可少的代步工具，其应用需求越来越大。但是，它们一般仅适合在平地上使用，很少具备爬楼梯和翻越路障的能力，这给轮椅使用者带来诸多不便。由于伤残者对回归社会和独立生活的渴望，促使轮椅的性能和质量不断完善和提高。为此，目前也有很多人致力于爬楼梯轮椅的研究。爬楼轮椅为这一人群的生活提供了巨大的帮助,扩大了他们的生活空间,提高了他们独立生活的能力,借助于电动爬楼轮椅他们甚至可以从事适当的工作如料理家务等。二．爬楼梯轮椅历史中国最古老的轮椅记载，考古学者在一处约公元前1600年石棺的刻画上，发现有轮椅的图案。欧洲最早的记载是在中世纪时期的独轮推车需他人推进，比较接近当代护理型的轮椅。世界公认的轮椅历史中，最早的记录是中国南北朝（元525年）石棺上带轮子椅子的雕刻也是现代轮椅的前身。公元16世纪，文艺复兴时期，西班牙国王因为患中风，而乘坐一部木质的轮椅【1】。近代对爬楼梯轮椅的研究有着近百年的历史。这种可以爬楼梯、翻越障碍物、跨越沟壑,同时价格又与使用者的经济能力相匹配的电动爬楼轮椅就具有现实意义。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。其实对于爬楼梯轮椅的研究在世界上已经有了近百年的历史，爬楼梯轮椅的越障机构经历了轮式、履带式、多履带式、轮腿复合式、轮履复合式等的发展历程。三．爬楼梯现状及原理目前市场上的爬楼梯轮椅按照爬楼梯装置爬楼执行机构的类型,主要可归结为轮组式、履带式、和多足式三类。总体而言，根据爬升结构的不同，通常采用三种结构原理，一种结构是采用行星轮机构，它们不仅绕自身的轴旋转还绕一个所有轮的共同轴线旋转；一种结构是履带轮型爬楼梯轮椅；一种结构是腿足式结构。关于爬楼梯轮椅原理的讨论，主要以轮组式和履带式为例。轮组式爬楼装置，在平地行走和爬楼梯时其各小轮的运动方式是不同的：前者时各小轮绕各自的轴线自转,后者时各小轮一起绕中心轴公转。爬楼梯装置依据轮组对数不同可以分为单轮组式和双轮组式；依据轮组中所采用小轮数量又可以分为两轮组式、三轮组式和四轮组式。爬楼装置由于使用一对轮组故称为单轮组式；爬楼装置，由于前后均使用一对轮组故称为双轮组式。单轮组与双轮组各有其特点,前者机构稳定性差,爬楼时为了保证重心的稳定需有外人的协助，后者虽能自主爬楼，但其应用范围受到其重量偏大、体积偏大的影响。与其他类型的爬楼装置相比，轮组式装置具有质量轻便，运动灵活，在无障碍环境下行动性能好等优点；其缺点是上下楼梯时重心起伏较大，为提高其安全性及舒适度，需要设计一种自适应座椅调平机构。美国著名发明家DeanKamen发明了一种能自动调节重心的两轮组式轮椅一IB0T。IBOT之所以能够自动调整重心,是因为其上安装了陀螺仪,陀螺仪会随时向主控制器反馈轮椅的姿态变化,以便主控制器能及时发出姿态调整信号,以保证轮椅在不同的工作状态下都保持平衡。IBOT前面有一对实心脚轮,后面有两对行星结构的充气轮。轮椅的爬楼越障是通过两后轮的交替翻转实现的,当在平地行走时6个轮子均着地。IBOT的独特爬楼越障装置使其几乎能够在所有的楼梯上运行,除此之外还能在斜坡、沙滩及崎岖的道路上行驶。IBOT的独特爬楼越障装置还使后轮能够直立行走,改变座椅距地面的高度。通过多年的开发研究,它已从最初的IBOT3000发展到IB0T4000功能也日趋完善和强大,成为该领域的佼佼者。轮组式爬楼梯原理[2]：行驶机构采用轮组结构。轮组结构一般由二个以上的小轮组成。小轮数为2时,结构最简单,但爬楼时轮架所需的翻转力矩最大,轮组支架中心的起伏也最大。随着小轮个数的增加,轮组支架所需的翻转力矩减小,组轮架中心的起伏减小,但结构也随之复杂,例子选用由三个小轮构成的轮组结构,即星型轮结构。图为星型轮机构传动简图。其工作过程为:动力输入端带动中心链轮5转动,中心链轮通过链条3带动小轮链轮2转动,从而实现3个车轮的转动。平地行驶时,轮系为定轴轮系,任意两个小轮着地,实现前行;遇到障碍或楼梯时,利用一个离合器将支架4与动力输入轴连成一个整体,定轴轮系演变为行星轮系,带动支架翻转,从而实现越障和爬楼梯。与星型轮装置相比,履带式爬楼装置的工作原理比较简单,其原理与坦克类似所以技术也较成熟。由于履带式爬楼装置[3]的行走方式与星型轮装置相比更加连续,所以其传动效率较前者高。履带装置在爬楼过程中,轮椅重心的波动较小，因为它一直沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动，所以其运动相当平稳并且对地形的适应能力较强,能行驶于非结构化环境下。.但与坦克车类似,履带式爬楼装置同样存在着运动灵活性差、平地行走阻力大、转弯不灵活、重量大及易损伤楼梯沿等缺点,所以限制了其在日常生活中的大范围应用。我国在履带爬楼轮椅方面所取得的成果,比较有代表性的是浙江圣普电梯有限公司的LT-60系列电动爬楼轮椅。该轮椅拥有一套灵活的姿态变换机构,能在不同工况下实现姿态的自动变换与调整以及改变履带的形状。该轮椅的技术参数如下:最大楼梯倾角:35°;攀爬的楼梯台阶高度:15—20cni;攀爬的楼梯台阶宽度:25—30cni;越障高度:100mm;越沟宽度:300nm。履带式爬楼梯轮椅原理：其主要是运用坦克的履带，原理与坦克相同。主要介绍其履带组件。橡胶履带组件如图所示,包括驱动轮、导向轮、承重轮、拖带轮、履带、履带架、行走架,其中承重轮、拖带轮、导向轮均与履带架连接,履带架与行走架为整体结构采用揮接连接。多足式爬楼装置的执行机构多为铰链杆机构,是早期的爬楼轮椅常釆用的方式。步行式爬楼装置工作原理是多条机械腿交替升降,支撑装置爬楼,该原理是模仿人的爬楼动作,可称为多足机器人。日本机器人开发风险企业Tmsuk和早稻田大学理工学术院高西淳夫教授的研究室联合开发出名为“WL-161^111”的双足行走机器人。它由两条机械腿支撑一个座椅组成,座椅底部装有陀螺仪,每条机械腿拥有6个自由度,可以向前、后和侧面移动,每条腿上都装有压力传感器,通过传感器采集信息,控制其随时调整姿态保持重心平稳。四．对爬楼梯轮椅发展的展望综上所述，针对电动爬楼梯轮椅的研究已经取得了一定的成效，但也要看到目前阶段主要还停留在实验室或是少数定做，并没有真正产业化，在研究上仍有很多空间，未来的研究将向以下几个方面发展。(1)质量轻爬楼梯轮椅要走向实际应用，必须考虑其应用的情况。作为代步工具，爬楼梯轮椅车的能源系统一般采用的是机载电源，所以要求系统整体重量轻，以延长续航时间。同时，减轻重量也可相应提高上下楼梯时的灵活性，降低控制的难度。(2)可靠性高爬楼梯轮椅面向的对象是老年人以及肢体残疾人士，爬楼梯轮椅的设计应从细微处出发，设计安全、舒适、性能稳定的产品，爬楼梯过程中应保证重心波动小，安全保证措施响应及时。(3)功能齐全爬楼梯轮椅作为使用者生活中重要的部分，在功能设计上应最大程度的满足人性化要求，构建良好的人机交互界面，使产品真正意义上融人到使用者生活的各个方面。(4)价格低爬楼梯轮椅投入市场被用户接受的一个重要因素是价格因素，爬楼梯轮椅要实现批量生产，必须采用模块化的设计思想，这样用户不仅可以自主选择配置合适的轮椅，同时，也可降低生产成本，缩短研发周期，提高性价比。随着人工智能技术、计算机技术、多传感器信息融合技术等技术的不断发展，爬楼梯轮椅的研究也呈现出全新的局面，朝着人机一体化的方向不断发展。相信在不久的将来，电动爬楼梯轮椅将真正融入到老年人和残障人士的生活中，大大改善他们的生活质量，使他们的出行更为方便，楼梯和路障将不再是他们出行的障碍，帮助他们重新融人到社会中去。参考文献[1]百度百科关于轮椅的历史由来[2]苏和平,王人成.一种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计[3]唐陶鑫.智能电动越障爬楼轮椅驱动及控制系统研究