河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告
河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告
毕业设计（论文）题目：基于UG 的自动上下楼轮椅结构设计与动态仿真 专业：机械设计制造及其自动化
学生信息：学号：
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指导教师信息：姓名：江屏、职称：讲师 报告提交日期：
（一）文献综述
一、上下楼梯轮椅概述
轮椅是康复的重要工具，它不仅是肢体伤残者的代步工具，更重要的是使他们借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。目前，我国已经进入老龄化社会，随着老人的数量不断增加，由于行动不便对轮椅的需求数量增加，普通的轮椅很难适应我国老人上下楼的需要，因为我国大部分楼房建筑是以六层以下建筑为主，该类建筑中没有安装电梯，对于使用轮椅的人来说，上下楼及其不方便，或重心易下滑，单人难上楼，需另建专用车道。因此迫切需要开发能够简便、轻巧的上下楼轮椅。
在我国，每年约有数十万老人、残疾人等需坐轮椅车行走。过去旧式轮椅车存在不能自行上、下楼等问题，使病人的活动空间大为缩小。并使监护人看护病人也很困难。为了给千百万残疾人一个自由、舒适的空间，再加上该产品有着很大实用性，存在着非常广阔的市场。于是人们不断进行着艰苦的研究，一代又一代可上楼的轮椅应运而生。可自上下楼的轮椅能更好的满足残疾病人的生活需求，使其可以自己穿梭于没有助残设施的高楼大厦内。
在我国残疾人的数量是可观的，越来越多的人关注起他们的日常生活和精神生活。他们渴望能像正常人一样的生活，渴望能够独立完成一些事情，而不用求助于正常人。这样残疾人才会更有信心的面对生活，不被歧视，不成为别人的负担。为了满足残疾人的需求，也是为了更好的建设和谐社会，上楼轮椅成为一个不可或缺的工具。
二、分类特点
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。［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， 1 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告
严重影响了转弯。［4］
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、工作原理
可上下楼轮椅通常是在一台标准轮椅的基础上增加一些上楼机构，以及电脑和一些传感器， 来协助乘坐者来完成上下楼的任务。
复轮式上下楼轮椅座椅下的能源事主动轮旋转，当轮椅位于平地时，因两轮着地，星形架翻转阻力大于脚轮自转，驱动轮椅前进；当遇到楼梯等障碍时，脚轮自转受到较大阻力，
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当该阻力大于星形架翻转阻力时，星形架翻转，从而越过障碍物或爬上楼梯台阶。如此反复即可实现爬楼。
履带式上下楼轮椅采用履带式结构适于各种台阶，设有自平衡器，当轮椅前后倾斜时，自动平衡器可自动接通电机，使电机齿轮带动齿条上提或下降并保持座椅水平；在后承重轮设有张紧轮，能使履带上翘，适于上台阶。［6］
杠杆式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
［7］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。
四、发展趋势
当今世界各大城市都面临老龄化问题，根据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。与其他国家相比，中国社会人口老龄化程度高，已逐步进入老龄化社会。许多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近20%。与此同时还有肢体残疾人的人口近6000万。在他们当中，有相当多的人因行走不便不得不依靠轮椅才能够正常生活。当那些老年病人肢残病人出现关节僵硬行动不便的时候最需要的是有人搀护，帮助，关爱，这是现实。如何帮助他们实现行动自由的愿望和想法，除了需要社会各方面努力和关心，最理想的代步工具就是电动轮椅车，在欧美经济发达国家，老年人、残疾人专用的手动轮椅和普通电动轮椅已出现被逐步淘汰的趋势，取而代之的是性能优越、操作简便、行驶更安全可靠、的智能型电动轮椅。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，我国对高档电动轮椅也将有十分旺盛的需求。但我国目前这方面的产品市场无法普及，广泛使用有很多原因。其中很重要的因素有以下几点：
1.电动轮椅车使用环境因素影响：在我国大多数城市道路，小区街坊的路面设计建设不如欧美、日本等发达国家的要求标准。坑洼、缺陷、各种小障碍处处可见，另外我国民众大多数居住在火柴盒式的楼房内，起居室一般只有十几～二十几平米。除了家俱外空间不多，这就要求一种新车型既能适合室内灵活操控转弯，安放能折叠，少占面积。又能适合室外道路使用的功能。价格因素：目前这类产品在我国市场上不能普及也与这个因素有关，据了解一般国内产品约6～8千左右，台资、外商产品约8千～2万左右。然而我国广大残疾人、老年人的收入普遍偏低，这样的价格超出了他们的消费能力，阻碍了购买欲望。
2.电动轮椅车技术因素影响：现在消费群体虽庞大，却是低收入人群偏多，而且这些群体平时很少出现在人们的视线中。企业看不到投资后的回报希望，大多不愿投入有限资金搞项目，搞研究，怕承担风险，造成企业研制开发高性能电动轮椅那里和国外有差距，国内的生产企业的电动轮椅产品基本上都采用了国外的电动轮椅控制器，甚至部分企业的电动驱动总成也采用了外购方式。
3.电动轮椅车市场环境影响：中国轮椅车的生产和销售市场目前处于无序状态，存在产品质量较差、档次低、品种少、企业生产规模小等问题。目前中国约有30家企业，主要集中在东部发达地区，年产量在10万辆左右。国内轮椅生产商主要靠同质化低端产品来获得市场，中国轮椅从品种到质量与国外相比都存在着较大差距。
五、存在的问题
对于在楼梯上运送携有无行走能力的人而言，流行的有几种结构原理，一种是采用许多小轮，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［5］ 3 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告
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。
（二）开题报告
一、目前解决的问题
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。［9］
二、确定问题方向
基于现在人们生活水平以及城市住房特点，一种轻型、灵巧、实用的上楼轮椅更加符合人们的需要。我将从机构入手寻找更为合适的可上楼装置，将其运用到轮椅上面。设计一种结构简单、制作方便、小巧玲珑、进退自如、乘员活动范围大、自主能力强、操纵方便、乘员重心低、稳定程度高的一种爬楼梯轮椅。
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。
（三）工作进度
1-2 周：进行前期调研工作，查阅相关的国内外资料，写出前期报告，对所查资料进行 文献综述；
3 周：进行自动上下楼轮椅的功能原理设计方案，通过方案对比确定最佳方案； 4 周：进行自动上下楼轮椅的结构设计，绘制装配草图；
5-7 周：进行自动上下楼轮椅的三维建模；提交毕业设计中期报告，要求提交阶段设计 成果；
8-10 周：进行自动上下楼轮椅的虚拟装配和运行仿真，并对自动上下楼轮椅的结构进
［8］
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行优化；
11-12 周：绘制自动上下楼轮椅的装配图和部分零件图； 13 周：撰写设计说明书； 14 周：准备答辩；
（四）参考文献
［1］浙江大学 半自动爬楼梯小车 申请号：200610053578.9中华人民共和国知识产权局2006-09-25 ［2］谢良喜 单转轴爬楼轮椅 专利号：200610124712.X 中华人民共和国知识产权局 2006-10-29 ［3］侯乐平邵玉林 一种能上下楼梯的轮椅 申请号：00244147.0 中华人民共和国知识产权局 2000-07-25 ［4］郭永利 一种爬楼梯的轮椅 申请号：01211658.0中华人民共和国知识产权局2001-02-16 ［5］谢良喜 单转轴爬楼轮椅 专利号：200610124712.X 中华人民共和国知识产权局 2006-10-29 ［6］侯乐平邵玉林 一种能上下楼梯的轮椅 申请号：00244147.0 中华人民共和国知识产权局 2000-07-25
［7］郭永利 一种爬楼梯的轮椅 申请号：01211658.0中华人民共和国知识产权局2001-02-16 ［8］浙江大学 半自动爬楼梯小车 申请号：200610053578.9中华人民共和国知识产权局2006-09-25 ［9］赵德民
电动轮椅的组装和发展因素
新技术新工艺
2009年08月
