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能爬楼梯的轮椅的结构设计 檀小龙 210992350 福州大学至诚学院机械设计制造及其自动化 摘要：本篇论文针对残疾人上楼困难而设计的一款上楼轮椅，文中首先对国内外各种爬楼轮椅结构进行分析，在对比总结各自优缺点的基础上设计出一款结构简单，操作方便的上楼结构。 该结构采用星轮行星轮结构，在平地时，行星轮工作，上楼时，齿式离合器结合后整个行星齿系将变成一个刚性的整体而转换为星轮结构模式，即各个齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，从而实现上楼功能。车身则采用滑轨式自动调平结构，该结构简单，调节方便。 关键字：轮椅 星轮 滑轨式自动调平结构 履带式 1.1 引言 目前市场上的轮椅存在一个很大的不足：由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。很多场合尤其是室外比如银行门前，购物中心门前等都或多或少有几级台阶，而对于室内仍有很多地方没有电梯，对于那些乘坐轮椅的残疾人，他们仍然有很多不便。当然，国家也花费了大量的人力和财力在某些场所修建了相应的轮椅坡道和其它公用设施以方便残疾人活动。但由于受各种因素的影响，这些措施起到的作用仍然非常有限。 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。对于残疾人轮椅车的改进，已有不少人提出各种解决方案：有的使用履带式的辅助爬升设备帮助轮椅上下楼梯，有的采用步进式的结构一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺仪控制两轮结构的翻转，立起来上下楼梯，但这些方案都有一些不尽如人意的地方，比如：结构复杂，造价高，使用不便，不能很好的适应平地行驶等，因而都未能得到较广泛的应用。 正是基于此背景，一款结构简单，操作方便，价格合适的上楼机器既能为残疾人带来方便，同时也具有巨大的市场容量。在毕业之际，于是选择了残疾人上楼为主题设计了星轮行星轮转换式可爬楼梯轮椅：该结构采用星轮行星轮结构，在平地时，行星轮工作，上楼时，齿式离合器结合后整个行星齿系将变成一个刚性的整体而转换为星轮结构模式，即各个齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，从而实现上楼功能。车身则采用滑轨式自动调平结构，该结构简单，调节方便,这也正是此设计的创新的地方。 1.2 上下楼梯轮椅发展历史 上下楼梯机构／轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机 构式等。机器人作为一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一．但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难． 越障机器人的研究．对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境．减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。其中，移动机器人从事各项事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。。 国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。上下楼梯机构／轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机 构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机构式等。 行星轮式的典型代表为美国强生公司下属的独立技术公司研制出的爬楼梯轮椅IBOT。IBOTR的轮椅开发历时8年，耗资超过 1.5亿，是迄今为止推出的最尖端的产品。它配有感知人一轮椅重心位置的陀螺仪和复杂的计算机系统，可以随时调整重心位置以保证轮椅的平衡。IBOT结构紧凑，运动灵活，操作简便，可靠性、安全性等各方面指标都很高，它不仅可以爬21厘米以下高度的楼梯和不超过１５厘米高的“马路牙子＂，也能够在沙滩、斜坡和崎岖的路面和小山坡上前进，而且能够两轮着地“站起来”直立行走，以使乘坐者可以升高到普通人的高度，也便于取放高处的物体。IBOT如此先进，价格也不菲12.9万美元的高价可能使很多人望而却步。 除此之外，国内外还发明了其它多种行星轮式爬楼梯机构。由于存在这样或那样的问题，尽管发明专利很多，真正