爬楼梯轮椅设计说明

清华大学综合实践报告辅助老年人和残障者上下楼梯的装置设计系别机械系专业机械工程及自动化姓名***（机14，20110104**）***（机15，20110105**）***（机15，20110105**）老师肖丽英2014年7月24日摘要中国正逐渐步入老龄化社会。

缺少电梯设施、住层较高的老年人和残疾人，由于身体原因不能独自上下楼梯。

爬楼轮椅主要可分为轮组式、履带式和步行式三类。

履带式运动平稳，但对台阶的破坏严重；步进式可适应复杂路况，但控制复杂，造价偏高；轮组式的移动速度快，机构相对简单，但越障能力差。

目前的轮组式爬楼轮椅普遍采用背对楼梯的方式，视野小，操作复杂。

本次设计面向老年人和残障群体，选择面向台阶的上楼方式，并采用电动以减少体力消耗。

本组在老师指导下，分别对轮组形式、转向机构、座椅垂位调节机构、传动系统、刹车装置进行了设计，对轮组结构进行尺寸优化。

小组成员分工协作，目前已完成了运动方案和结构设计，绘制了装配图、部分零件图和主要装配件的三维动画。

关键词：爬楼梯轮椅；垂位调节；行星轮组；电动轮椅目录第1章引言 (5)1.1机械设计综合实践任务书 (5)1.1.1设计背景 (5)1.1.2设计目标 (5)1.1.3设计任务 (5)1.2研究背景及意义 (6)1.2.1 残疾人与老年人统计数据 (6)1.2.2 轮椅的需求数据 (6)1.2.3 普通轮椅的不足 (7)1.3文献综述 (7)1.3.1 斜坡转换楼梯 (7)1.3.2 楼梯扶手架 (8)1.3.3 轨道式爬楼装置 (11)1.3.3.1 轨道式爬楼装置的传动方式 (11)1.3.3.2 轨道式爬楼装置的特点 (11)1.3.3.3 轨道式爬楼装置的发展研究现状 (12)1.3.4旧楼加装电梯 (17)1.3.5爬楼轮椅 (23)1.3.5.1 轮组式爬楼轮椅 (23)1.3.5.2 履带式爬楼轮椅 (27)1.3.5.3 步行式爬楼轮椅 (31)1.3.5.4 爬楼轮椅不同执行机构的对比 (34)1.4 现有技术存在的问题 (35)1.5设计规划 (36)1.5.1 设计目标 (36)1.5.2 相关设计参数 (37)1.5.3 具体设计指标 (37)1.5.4初步方案 (38)第2章机械系统运动方案设计 (38)2.1机构设计 (38)2.1.1 爬楼方式的选择 (38)2.1.2 上楼朝向的选择 (38)2.1.3 子轮个数的选择 (39)2.1.4 轮组的传动方式 (40)2.1.5 转向机构 (43)2.1.6 传动机构 (45)2.1.7 座椅垂位调节机构 (47)2.2爬楼过程运动分析 (52)2.2.1子轮与支架的连接方式 (52)2.2.2 r与R的选择 (53)2.2.3主动轮（即星轮）爬升过程分析&力矩、功率的计算 (58)2.2.4从动轮（单轮）在爬楼时的问题 (60)2.3设计计算及原动机选择 (63)2.3.1 上楼过程及前轮电机选择 (63)2.3.2 平地过程及后轮电机选择 (65)2.3.3 蓄电池选择 (66)2.3.3.1 蓄电池类型的选择 (66)2.3.3.2 行驶里程计算 (67)2.3.4 座椅重心偏距的计算 (68)第3章机械系统结构设计 (69)3.1 前轮组强度计算 (69)3.1.1传动系统计算 (69)3.1.2关键零部件工作能力设计与标准件选择 (71)3.2后轮组强度计算 (80)3.2.1传动系统设计 (80)3.2.2关键零部件工作能力设计与标准件选择 (83)第4章设计总结 (90)第5章团队分工 (90)参考文献 (91)声明 (94)第1章引言1.1机械设计综合实践任务书1.1.1设计背景北京、上海等城市已经步入老龄化社会，很多老年人由于年老体衰，不能独自上下楼梯，而这些城市的老年人多住在6层高无电梯的楼房。

1前言轮椅是康复的重要工具，它的发明可以说为腿部行动不便群体提供了极大的便利。

但是它在部分使用场景下以及部分功能上是存在一定的局限性的。

例如，其在上下楼梯时就不能使用人群的需求。

为了解决上述需求，给相关人群提供性能优越的代步工具，研究一种价格适宜、平稳安全的爬楼梯装置是十分必要的。

本设计可以解决传统的星轮式轮椅行走波动较大、在针对楼梯倾角调节轮椅时的困难等问题。

本设计采用剪切式的连杆机构，其既可使前部伸出而上楼梯，也可使后部缩短而方便下楼梯，故可以使座椅保持相应的平衡而使上下楼梯的功能得以实现。

2爬楼梯轮椅的设计2.1总体设计该轮椅主要由车架、座椅、多连杆机构、行星轮机构、驱动机构等组成。

该轮椅高度为0.8m，前后宽度为0.7m，左右宽度为0.7m，重量约为20kg。

通过多连杆机构可调整轮椅上楼梯的角度，在行星轮的配合之下即可实现上楼梯的功能。

2.2行星轮设计现行楼梯台阶的尺寸为：阶高应在140-170mm，阶面宽度为220-270mm，以此为依据，预设三星轮子轮直径为180mm，在此尺寸下，利用三星轮的转动功能，爬台阶功能很容易实现。

2.3多连杆机构设计四连杆机构设计如下：四连杆的一端铰链连接三星轮，对角端的铰链连接在轮椅箱体中伸出的螺杆上，且四连杆中与箱体连接的其中一杆是固定。

箱体内通过蜗轮蜗杆机构驱动轴的转动，以此来控制四连杆整体的转动，并且由于有一杆是固定的，就可以控制四连杆的收缩。

再将在三星轮主轴上连接四连杆机构，借用四连杆机构的伸缩来实现轮椅角度的改变，使之保持水平。

2.4爬楼梯功能可行性分析在下楼梯过程中，经软件模拟，多连杆机构的极限位置如下左图所示，通过如下的计算可知，此过程是可以实现的（下方几个运动简图中，从固定杆开始顺时针方向，各杆长度依次为180mm、400mm、380mm、230mm）。

此时后轮轴到行星轮与阶梯面接触点的距离为：⨯︒︒+︒⨯230=+⨯+210sin3042sin1013573380cos后轮杆到后轮与阶梯面的距离即大轮的半径为280mm，二者相差293约为两个台阶之高。

新型可爬楼梯式智能轮椅的研究与设计摘要：随着人口老龄化的加快以及残障人数的增长，为提高他们行动的自主性，构造了一种新型可爬楼梯式智能轮椅。

对爬楼梯轮椅进行了总体设计，主要包括爬楼梯轮椅的需求分析、设计要求以及机械结构设计，利用CAD软件完成了爬楼梯轮椅的二维设计。

研究表明该新型轮椅功能完善、移动灵活、操作简便、安全度与舒适度高，具有一定的应用前景。

关键词：辅助工具；爬楼梯轮椅；履带式结构中图分类号：TH 7891引言随着人口老龄化进程的加快以及残障人数的增长，人们对于医疗辅助工具的需求越来越大。

轮椅因其灵活方便、操作简单和价格低廉等优点受到普遍欢迎，并且逐渐向电动智能化轮椅的方向发展，然而目前的轮椅一般只能在平地上运动，并不具备爬楼梯和越障等功能[1]。

因此，为了缓解楼梯或路障对老年人和残障人士生活上造成的不便，帮助其提高行动的自主性，研究一种具有爬楼梯功能的轮椅有重大的现实意义和实用价值。

目前，国内外机构研制的可爬楼梯式轮椅按照不同的爬楼梯原理可分为轮组式爬楼梯轮椅、履带式爬楼梯轮椅、腿足式爬楼梯轮椅和复合式爬楼梯轮椅[2]。

双轮组式爬楼梯轮椅能够实现自主爬楼梯的功能，但由于其体积庞大、驱动系统复杂，限制了它的使用范围；腿足式爬楼梯轮椅爬楼梯过程平稳，但其对控制要求较高且移动速度缓慢、能量利用率低；复合式爬楼梯轮椅是目前性能最为完善的爬楼梯轮椅，但其价格高昂，普通家庭难以承受；履带式爬楼梯轮椅构造简单，不易打滑，运动平稳，并且能够适应各种形状不规则的楼梯。

因此，在综合分析目前已有的各种爬楼梯轮椅优缺点的基础上，所设计的可爬楼梯式轮椅选择履带式结构。

2可爬楼梯式轮椅的结构设计针对目前国内外机构研制的的各种爬楼梯轮椅，分析比较其各自的优缺点并结合我国的基本国情以及使用条件，在保证结构紧凑和操作简便的前提下，设计一种安全性好且造价经济的爬楼梯轮椅，基本设计要求如下所示[3-4]：(1)既可以在无障碍的平地上快速灵活行驶，同时兼具爬楼梯和越障的功能；(2)能够适应《建筑楼梯模数协调标准》中规定的台阶尺寸；(3)上下楼梯过程中能够确保乘坐者的安全性和舒适性；(4)结构紧凑、体积适当、性价比高，易于投入实际生产；(5)操作简单方便，易于控制。

毕业设计说明书（论文）论文题目：爬楼轮椅设计系部：机械制造系专业：机械设计与制造班级：11级机械一班学生姓名：学号：指导教师：2013年12月26日目录摘要 (I)Abstract (II)绪论.......................................................................................................错误！未定义书签。

第1章原理图分析...............................................................................错误！未定义书签。

第2章轮椅简介...................................................................................错误！未定义书签。

第3章传动机构的设计.......................................................................错误！未定义书签。

3.1拟定传动方案的任务.........................................................................错误！未定义书签。

3.2选择传动机构类型............................................................................错误！未定义书签。

3.3选择电动机.....................................................................................错误！未定义书签。

3.4传动装置总传动比和分配各级传动比............................................错误！未定义书签。

摘要随着社会的发展和人类文明程度的进步，老年人与残障人员愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量，而爬楼梯对于老年人和残疾人行动不方便的，非常困难，所以要增加轮椅自动化程度，于是我们在原轮椅的基础上进行改进和加装爬楼机构，本文设计的电动轮椅具有爬楼功能，爬楼时用履带驱动，平地时可像普通轮椅用轮驱动也可轮椅稍后仰用履带驱动。

此车在轮椅的基础上安装履带装置、升降机构、电机、以及控制电路、控制设备，以降低劳动强度、提高效率，减少他们的困难、提高生活质量、满足市场需求为目的。

爬楼梯车具有适应性强、机动灵活、活动范围大等特点，在我国国民经济的发展中，爬楼梯电动轮椅的需求量逐年增加，市场发展潜力巨大，爬楼梯电动轮椅行业具有广阔的发展机遇和良好的投产前景。

关键词：爬楼梯，电动，轮椅，履带轮式AbstractWith the social development and improvement in the level of human civilization,oldmen and physically disabled members of society more and more need to usemodern high-tech to improve their quality of life,but the elderly and handicapped areunable to climb the stairs, so we had to increase the automatic level of the electricwheelchair to reduce their difficulty. So we have the original on the basis o f awheelchair to improve and the installatio n of Climbing stairs institutions, the paperdesign with the electric wheelchair has Climbing stairs function, when Climbing stairsit use track-driven, the ground can be used like an ordinarywheelchair-wheel-drivecan also be track-driven,when the chair be tilted.we have fit in the new equipmentsinclude the tracked device,the body movements, the electromotor, control circuit andcontrol equipment, etc, to reduce the labor intensity and difficulty, and to improve theefficiency and living quantity, so that can satisfy the requirements of the market. Theautomatic electric wheelchair has new characteristics of high adaptability, mobilityand orbit, etc. As the development of the national economy, the requirementofautomatic electric wheelchair will be increased year by year. So the developingpotential of the automatic electric wheelchair in the market is vast, it has a gooddeveloping opportunity and well invested prospect.Key words：Climbing the stairs,electricity, wheelchair, Track-Wheel目录第一章综述 (1)1.1 爬楼梯轮椅的意义 (1)1.2国内外爬楼梯轮椅的发展状况 (2)1.2.1国外爬楼梯轮椅的发展状况 (2)1.2.2国内爬楼梯轮椅的发展状况 (4)1.3本项目的设计目的与主要研究内容 (5)1.3.1课程设计目的 (5)1.3.2课题研究内容 (6)1.4设计进程安排 (6)第二章履带爬楼装置机械系统结构设计 (8)2.1爬楼机构的比较 (8)2.2设计思路 (9)2.3履带轮式轮椅爬楼原理 (10)2.4履带爬楼过程分析 (11)2.5爬楼性能参数 (13)2.6履带爬楼机构的结构设计 (13)2.7 升降机构的设计 (16)2.8 本章小结 (18)第三章电气系统设计 (19)3.1 履带爬楼梯装置执行电机选择 (19)3.2 电池选择 (20)3.3 电动车电机转速控制 (21)3.3.1 驱动方式对电动车性能影响 (21)3.3.2 现有电动车电机存在主要问题及探索 (21)3.4 直流电机机械特性 (22)3.5 控制系统的设计 (23)3.6 本章小结 (28)第四章典型零部件设计及校核计算 (29)4.1 传动系统动力参数计算 (29)4.2 轴的计算 (30)第五章技术经济分析报告 (39)5.1 履带轮式轮椅技术分析 (39)5.2 履带轮式轮椅经济分析 (39)5.3 履带轮式轮椅结论和展望 (40)参考文献 (41)致谢 (42)第一章综述1.1 爬楼梯轮椅的意义轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任务。

摘要上下楼梯是普通日常生活中很平常的一种行为，在那些大量不设电梯的七层以下的住宅楼房居住的居民，尤其是那些老年人和残疾人，上下爬楼在生活上会有诸多的不便。

目前无论乡镇还是城市无一不在飞速发展，其中阶梯更是基本的设施之一。

如上下汽车、地铁火车有阶梯；登越人行天桥和地下通道需要穿越楼梯；大型商场更是免不了要爬楼下梯。

这些在我们看来异常简单的阶梯对那些腿脚不方便的残疾人来说想要通过是很艰难费力的。

基于以上种种因素的考虑，我们设想能不能设计个可以实现上下楼梯的电动轮椅，我们通过在路面电动轮椅的设计基础上进行改装，解决人们在生活中遇到的上下楼梯难题。

该电动轮椅的设计，方便了人们的生活。

因此，这种电动爬楼轮椅的设计，无论是从实际应用方面还是理论研究方面，都是具有很高价值的。

设计创新之处：一、对现有此类产品外观进行改进，造型独特、设计感强；二、充分考虑产品的使用目的，设计出人性化，安全舒适，操作简便的产品；三、对上下楼梯机的功能进行重新定义，使其功能多元化：上下楼梯、爬越障碍以及物品储存等多功能集合于一身的设计更符合消费者的心理，市场前景无限；四、充分组合现国内现有比较成熟的生产技术、材料的运用，使产品的成本降低，以求降低残疾人和老年人这些弱势群体生活负担；五、充分考虑人机关系，设计出具有可调节功能的产品，造型创新、大胆。

对市场进行了细致的调查，经过设计定位，绘制草图、效果图，绘制出产品外观尺寸图，并设计了效果图展示，完成了对爬楼梯轮椅的设计。

关键词：楼梯，人性化，老年人残疾人，人机关系ABSTRACTWalking up and down stairs is very common in our daily life, in those residents living apartment building which do not set the elevator of the seven layers below, especially those elderly and disabled persons, climbing building up and down in life will have a lot of inconveniences. Currently, both rural and urban areas are all in the rapid development. And among this development tendency the ladder become one of the basic facilities. The ladder help us to fluctuation car ,take the train and underground; climb the passenger foot-bridge and pass through the souterrain; The large shopping centers is inevitable to use the ladder to help climbing stairs.The exception in our view, a simple ladder legs and feet of those who want to inconvenience people with disabilities is very difficult through the laborious.Based on the above considerations, we can design a vision can be achieved down the stairs of the electric wheelchairs, electric wheelchairs on the road we passed on the basis of modified design to address the people down stairs in life had challenges. The design of the electric wheelchair to facilitate people's lives，Thus, the design of electric wheelchairs climbing stairs, either from theoretical or practical application of research, both with high value.Design innovation:First, the appearance of such products to improve the existing, unique, design sense;Second, give full consideration to the intended use of products designed user-friendly, safe and comfortable, easy to operate products;Third, on the up and down stairs to redefine the functions of machines, making it functional diversification: up and down stairs, climbing over obstacles and multi-functional storage items in a set of design more in line with consumer psychology, market prospects are promising;Fourth, the full portfolio is now relatively mature domestic production of existing technologies, materials use, reduce the cost of the product in order to reduce the disabled and elderly people the burden of these vulnerable groups;Fifth, take full account of human relations, designed with adjustable features of products, innovative style and bold.Conducted a detailed market survey, after a design orientation, drawing sketches, renderings, three-dimensional computer model of the construction and assembly of animation, drawing out the appearance of the product dimensions, and design renderings show, completed the design of the machine and down the stairs .KEY WORDS：stairs, human；elderly and disable people；Relationship between man and machine目录前言 (1)第1章绪论 (1)国内外上下楼梯机的研究现状 (1)设计依据和意义 (4)第2章设计调查与分析 (5)市场调查与用户调查 (5)调研分析与设计定位 (8)上下楼梯机设计原则 (9)第3章草图构思与方案确定 (10)设计构思 (10)草图分析比较 (11)设计深入 (12)设计方案的优化 (15)第4章定稿方案优选 (17)功能定案 (17)色彩定案 (18)第5章电脑制作效果图及后续设计 (19)尺寸设定 (19)计算机三维建模和效果图制作 (19)第6章结论 (20)心得体会 (20)设计中的缺点及遇到的问题和解决方案 (20)参考文献 (22)致谢 (23)前言爬楼梯对于普通人而言是非常轻松的事情，但是腿脚不灵便的人可就没那么幸运了。

轮式爬楼梯轮椅设计一、本课题的研究目的和意义：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，大多数老体弱者及肌体伤残者都选择轮椅作为他们的代步工具，而且使用范围越来越广。

轮椅也由手动轮椅、电动轮椅趋向智能轮椅的方向发展，但由于他们一般采用传统的轮式结构，一般仅适合在平地上使用，很少具备爬楼和翻越障碍的能力。

楼梯和路障使轮椅的使用受到了很大的限制，很多场合尤其是室外，比如银行、购物中心门前等或多或少有几级台阶，室内也有很多地方没有电梯，这也给轮椅用户造成很多不便。

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他公用设施以方便残疾人活动。

但由于各种因素的影响，这些措施的作用也非常有限。

为了给老年人和残疾人提供高性能的代步工具，解决楼梯或路障对他们使用轮椅造成的不便，帮助他们提高行动自由度，重新更好的融入社会，并考虑到我国的基本国情，研究一种价格适宜、小巧轻便的轮式爬楼梯轮椅装置具有重大的意义和实用价值。

二、文献综述（国内外研究情况及其发展）：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。