轮式可爬楼梯轮椅车设计开题报告及文献综述

一、选题依据1论文（设计）题目轮式可爬楼梯轮椅车设计2研究领域机械设计3论文（设计）工作的理论意义和应用价值理论意义：对于年老体弱者以及下肢伤残者，轮椅是其必不可少的行走辅助设备， 由于我国无障碍设施的滞后，这类人群的出行问题十分突出。鉴于目前的轮椅、电动 轮椅能在坡度小于 12 度平坦的路面上行驶，但遇到楼梯台阶、沟槽、坎就无法跨越， 使轮椅具有爬楼梯能力是解决这类问题的关键。研究这类问题具有现实的理论意义。应用价值：从市场的角度看，轮椅是肢体残疾人和老年人的重要的代步工具，随 着人们生活水平的提高，轮椅被看作是一个潜力巨大的市场。从全球范围来看爬楼梯 轮椅的研究已经有近百年的历史，提出了各种轮椅爬楼梯的解决方案。在这些方案中， 行星轮式爬楼梯轮椅可以兼顾平地行走和爬楼梯，是比较理想的爬楼梯解决方案。所 以，研究轮式可爬楼梯轮椅车无论从经济价值，可行性都具有很高的应用价值。4目前研究的概况和发展趋势在爬楼轮椅的研究范围内，国外起步比较早，1982 年美国科学家 Bray 发明了第一个爬楼梯轮椅，此后各个国家纷纷推出了各自的产品，取得了很多成果，很多已经 上市，我国在这方面研究比较晚。按照爬楼轮椅的原理，大致可以分为：（1）行星轮式 行星轮式是交通运输工具中应用广泛的一种运动机构，在国外一些爬楼机器人中也广泛采用了轮式结构。（2）履带式 第二种是履带式，履带式原理比较简单，和履带式坦克装甲车类似。（3）腿足式 早期的爬楼轮椅一般都采用腿足式，其爬楼机构由铰链杆件机构组成。（4）其他装置 现有的辅助式机构基本可以分为两种。第一种是在已有的普通轮椅的基础上附加可以实现爬楼功能的辅助装置来实现爬楼的目的。第二种是轨道式爬楼 梯装置，通过在普通楼梯上安装轨道实现普通轮椅实现上楼和下楼。未来的研究将向以下几个方面发展。( 1) 质量轻 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入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。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题（1）行星轮机构的设计（2）万向轮机构设计（3）座椅调节系统的设计，旋转机构和平移机构。（4）利用 Solidworks 软件绘制零件图及装配图。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）轮式可爬楼梯轮椅车总体结构设计（2）底盘系统设计计算（3）行星轮机构设计及计算（4）万向轮机构设计（5）座椅系统可调机构设计计算机校核3.本论文（设计）预期取得的成果在初步准确完成所需要设计的项目并完善工程图的情况下。使轮式可爬楼梯轮椅 可以实现平地行走和越障爬楼的功能，对崎岖的路面具有较好的适应能力，并且座椅 可具有可调姿态机构，使人坐起来更加舒适，推轮椅的人也更加省力。同时底盘小车 具有平地行走和爬楼梯和越障碍物的功能，座椅系统主要有多自由度可调姿态功能。 最终使得产品能够得到社会广泛认可，能够投入市场进行批量生产。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）主要是搜集文献，查阅相关设计手册和书籍，进行市场调研并参观现有研究成 果，在老师指导下开展设计研究工作，利用计算机辅助设计，力学计算，三维软件 等进行仿真模拟。设计参数：（1）要求自行轮椅的运动平顺性，平地行走速度不大于 15km/h。（2）要求可靠的上下楼梯能力，机械结构合理，传动效率高。（3）台阶髙度为 180 mm5 mm,最小楼梯坡度为 35,容许误差为 1。所有楼梯的梯级突边都在由两个相距 10 mm、倾斜角度与楼梯坡度相同的平行平面所形成的区域内。2.论文（设计）进度计划第 1 周：了解题目研究的主要内容和理论意义及应用价值，查阅有关文献。第 2 周：查阅文献、阅读文献，了解研究的内容及实现的技术路线第 3 周：撰写文献综述并完成开题报告第 4 周：修改开题报告及文献综述准备开题答辩。第 5 周：轮式可爬楼梯轮椅车总体结构设计，绘制设计草图第 6 周：底盘系统设计计算，行星轮机构设计及计算，绘制草图第 7 周：万向轮机构设计，绘制草图。第 8 周：底盘系统的三维工程图建模及装配。第 9 周：座椅系统可调机构设计计算机校核第 10 周：绘制可调节系统三维工作图第 11 周：绘制旋转系统三维工程图第 12 周：修改并完成总体装配图并生成 avi 爆炸视图的视频文件第 13 周：撰写设计说明书第 14 周：提交论文、图纸、查重报告，准备答辩四、需要阅读的参考文献1 房立新等.行星轮式爬楼梯电动轮椅P.中国专利号：CN102125488A，2011 年 7 月.2 赵树明.爬楼梯智能轮椅P.中国专利号：CN201564701U，2010.3 郑晓瑛 中国残疾人口现状与未来发展趋势J 北京大学校报， 20084 刘静 自动爬楼梯轮椅的虚拟设计与运动仿真J 机械研究与应用，2012 ( 6) : 1335 隋春平，吴镇伟 一种基于差动机构的履腿复合式移动机器人:CN，201010563 6227P 201011296 傅晓锦，朱世奇 双履带轮越障轮椅: CN，2012102059797P.7 Axel lankenau，Thomas rofer A versatile and safe mobility assistantJ IEEE Robotics and Automation，2001( 8) : 29 378 Lawn M J Study of Stairs Climbing Assistive Mechanisms for the DisabledD Nagasaki: University of Nagasaki，20029 苏和平，王人成爬楼梯轮椅的研究进展J中国康复医学杂志，2005，20( 5) : 366 36810 何清华，黄素平，黄志雄 智能轮椅的研究现状和发展趋势J机器人技术与应用，2002( 2):121611 王占礼,郭化超,陈延伟. 爬楼梯轮椅发展及关键技术的研究J.长春工业大学,201312 苏和平，王人成 爬楼梯轮椅的研究进展J中国康复医学杂志，2005， 20( 5) : 366 36813 吴昌林，金强，赵青.行星轮式爬楼轮椅的越障能力分析J，机械设 计,2010,27(1):48-49.14 金强，吴昌林，刘香香.行星轮式爬楼轮椅的应用研究J,中国康复医学杂 志,2011,26(1):65-68.15 焦梦锦.爬楼轮椅专利技术综述J.国家知识产权局专利局专利审查协作天津 中心.2017.716 范星光.爬楼轮椅的总体设计及关键问题研究D.贵州大学.2016.617 Li Xiaoman, Wang Zhengxing, Zhang Shuai, et al. The design ofmulti-function nursing wheelchair J. Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2013, 23(1):68-70.18 Zhang Li,Wu Bo,Jin Ai-min,et al.A Star-Wheel Stair-Climbing Wheelchair J.Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing，2014.9附：文献综述或报告1 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。但是大部分人住在公寓式楼房内，而 一般的 7 层以下的楼房都没有安装电梯，这给老年人或者腿部残疾人士带来了很多的不便。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。另外这一问题随着老年人和残疾人数量的增多3日益突出。2002 年，全世界 80岁以上老年人口达到 6.06 亿，而且正在以比总人口快的速度递增，据联合国估计，2020 年将达到 10 亿 这些人群在出行的时候多数是需要轮椅的，老年人和残疾人比例的显著增加给医疗，护理，社会服务方面的需求带来了严峻的挑战，加重了社会和 个人的家庭的负担，而且也影响到了他们的正常生活。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4。为此，目前也有很多人致力于爬楼梯轮椅的研究。 我国的轮椅产业发展较缓慢，能爬楼梯的多功能轮椅在国内尚无成熟的产品。随着社 会生产力的发展，人们生活水平的不断提高，考虑老年人及残疾人对出行的方便性的 需求，研制具有爬楼梯功能的轮椅具有重大的现实意义。2 国内外研究现状在爬楼轮椅的研究范围内，国外起步比较早，1982 年美国科学家 Bray 发明了第一个爬楼梯轮椅16，此后各个国家纷纷推出了各自的产品，取得了很多成果，很多已 经上市。我国在这方面研究比较晚，针对电动爬楼梯轮椅的研究已经取得了一定的成 效，但主要还停留在实验室或是少数量产，并没有真正产业化，在研究上仍有很多空 间。图 1 国内外专利申请量的分布对比图爬楼轮椅专利申请的时间分布及分析15。国外在爬楼轮椅方面的专利文献出现较 早，最早的有关爬楼轮椅的专利出现在 1912 年。国内关于这一主题的申请最早出现在 1991 年，比发达国家晚了近 80 年，在进入 21 世纪以后才逐渐发展起来。图 1 是1960 年至 2016 年国内外专利申请量的分布对比图。可以看出，2008 年后该主题的专利申请量明显上涨，反映出随着我国经济社会的发展，人们对老龄群体和残疾人士 的关注度大大提高。总体而言，根据爬升结构的不同，通常采用三种结构原理5，一种结构是采用行 星轮机构; 一种结构是履带轮型爬楼梯轮椅; 一种结构是腿足式结构。另外还有很多种的辅助装置。(1)行星轮式行星轮式是交通运输工具中应用广泛的一种运动机构，在国外一些爬楼机器人中 也广泛采用了轮式结构。轮椅应用方面，普通轮椅以及电动轮椅都是采用的这种轮式 结构，其体积小，结构简单，控制简便，能够实现平衡快速地移动，能量利用效率高， 采用差动传动时转向半径小，转向灵活6-9。对于行星轮型爬楼轮椅，结构简单，并利 用自锁机构保证上下楼梯时不倾倒。但该爬楼轮椅对楼梯的适应性较差，不能满足使 用者对舒适性和可靠性的需求。(2）履带式第二种是履带式，履带式原理比较简单，和履带式坦克装甲车类似，技术也比较 成熟，它的行走方式比行星轮式爬楼轮椅更为连续，具有很高的传动效率，在上下楼 梯的时候，轮椅的重心始终和楼梯台阶沿的连线保持平行，轮椅的重心波动很小，比 较平稳。履带式机构支撑面积大，通过性能好，下陷度小，具有较强的地形适应能力， 爬坡，越沟等性能相对于轮式机构有明显的优势。在上下楼梯时采用履带轮的方式， 保证了上下楼梯过程的连续性8-9。但是，所述履带轮型爬楼轮椅无法实现从斜面到平 面的姿态平稳转换，且结构笨重，对楼梯边沿的损害程度很大，运动过程的阻力矩较 大，换向过程实现困难，能源利用效率低，这些问题在很大程度上限制了该型轮椅在 上下楼梯中的使用。（3）腿足式对于腿足式结构爬楼梯轮椅，该结构模仿人上下楼梯的动作，采用一组或几组腿 交替升降、支撑爬楼的原理，对楼梯的适应性很强，上楼时，先将整个轮椅升高，再 水平向前移动，如此重复这两个过程就直至爬完一段楼梯。腿足式爬楼梯装置模仿了 人类爬楼的动作，外观其实可以视为机器人，采用多条机械臂交替升降，支撑轮椅爬 楼的原理8-9。但是，其承载重心偏高，倾翻危险性大，对稳定性要求极高，控制难度 很大，机构结构复杂，还有诸多问题需要解决。（4）其他装置现有的辅助式机构基本可以分为两种16。第一种是在已有的普通轮椅的基础上附加可以实现爬楼功能的辅助装置来实现爬楼的目的，它们是独立的装置，可以辅助普通的轮椅实现爬楼梯的功能。第二种是轨道式爬楼梯装置，通过在普通楼梯上安装轨道实现普通轮椅或者 其他交通装置实现上楼和下楼。总结国内外各类爬楼梯轮椅的特点可以看出，发展至今大多数爬楼梯装置的自主 性不高，仍需在旁人协助的条件下实现上下楼梯，而且在稳定性和安全性等可靠性方 面存在的很多问题也值得深入研究。如何在保障爬楼梯轮椅整体体积小、重量轻的前 提下，结合先进的传感手段和控制技术实现其可靠、平稳的上下楼梯将是今后“老人/残障者上下楼梯助行系统”研究领域的发展方向。3 爬楼梯轮椅系统关键技术爬楼梯轮椅系统研究内容主要由机械结构设计、控制系统设计两大部分组成10。 其中机械机构设计主要完成爬升机构设计、辅助支撑机构设计两方面内容; 控制系统设计包括控制系统结构设计和控制系统算法两部分，爬楼梯轮椅系统的基本控制结构 如图 2 所示。这两部分内容紧密联系、相辅相成共同作用实现理想的运动路径和运动状态。图 2 爬楼梯轮椅系统基本控制结构3 1 机械结构设计机械结构设计的目的应满足爬楼梯助行系统机械结构紧凑、整体重量小，具有合 理的路径规划能实现连贯爬升运动。机械结构设计的优劣程度很大范围内决定了系统 的适应能力及控制过程的难易程度，是系统设计的核心所在。3 1 1 爬升机构设计爬楼梯轮椅系统机械结构设计的核心是爬升机构，能够实现爬越楼梯这种越障运 动的主要有星轮式、履带式、腿足式 3 种。在这 3 种爬升机构的基础上，吸取各自的优点，发展组合式的爬楼梯装置将是今后研究的创新方向。结合爬楼梯运动路径的特点，采用可将独立运动分解为两个有差异运动，或将两 个有差异的运动合成为一个运动的差动机构、组合型机构、新型变形机构，可实现轮 椅从平地运动爬升运动平地运动过程的姿态平稳转化。综合考虑轮、腿、履带机 构的优势，把三者复合起来使用，可有效克服各自的不足，保障爬楼梯轮椅能够安全、 可靠、高效地实现上下楼梯的过程。3 1 2 辅助支撑机构设计电动爬楼梯轮椅的使用群体是老年人以及残障者，因此对轮椅的使用安全性要求 极高。同时，在上下楼梯运行过程中，质心位置、支撑条件的不断变化对系统安全、 可靠的实现合理的运动轨迹提出了很高的要求。为保证爬升过程的安全性，爬升装置和轮椅以及使用者的总重心必须始终位于支 撑装置与楼梯台阶支撑点之间。系统由平地状态突然启动时，由于自身的惯性作用会 发生后倾的现象，为了解决这一问题通常在系统的后部增加了一个防止后倾的装置; 为了避免爬升过程前倾的危险，考虑扩大支撑边界，来增加前倾稳定裕量是有效的解 决办法; 为保证上下楼梯操作的安全性，需有相应的锁定装置，一旦轮椅倾斜角度超出倾翻稳定性要求范围之外，锁定装置锁定，支撑装置支撑在楼梯台阶上。从乘坐着舒适性角度出发，轮椅椅面要始终保持水平，如果轮椅椅面前倾乘坐者 就会有种向前栽的感觉，假如轮椅椅面后倾，乘坐者的后背就会紧紧的依靠在轮椅架 上从而轮椅有后倾的趋势。为了使轮椅椅面保持水平，通常采用三点高副球铰接机构 的椅面平衡调节机构，其中，一点高副球铰接固定，两点高副球铰接可调，用于调节 椅面的平衡。3 2 控制系统设计为保证爬楼梯轮椅能够安全、可靠、高效地实现上下楼梯的过程，并可同时作为 电动轮椅使用，爬楼梯轮椅的控制器必须具有很强的功能; 除根据电动轮椅控制器所具有的速度调节、运动控制、故障检测等功能之外，还必须具有可以实时检测使用者 的坐姿和位置、爬楼梯轮椅与楼梯的相对位置、爬楼梯轮椅的运动状态等功能，并可 以根据传感器信息对爬楼梯轮椅的驱动系统进行正确的控制或给出报警信号。3 2 1 控制系统结构设计爬楼梯轮椅系统除了完成普通轮椅功能要求之外还需运行在电动轮椅和上下楼 梯轮椅两种模式下，其控制功能应分别由两套相互独立的开环控制系统来完成，以实 现平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度宽度的楼梯功能要求，这也就导 致电动爬楼梯轮椅的运动形式十分复杂，应针对不同环境下轮椅需要实现的动作设计 爬楼梯的控制系统。随着机器人技术的发展，移动机器人控制技术大量应用于爬楼梯轮椅的控制系统 中，使得爬楼梯轮椅具有更好的交互性，适应性和自主性。采用嵌入式控制系统可有 效解决信息集中处理使得上位机信心处理量大，负担重，实时性差无法满足实际使用 的缺点，为爬楼梯轮椅控制系统的研究提供了新的方向。中科院自动化所研制的嵌入 式多功能轮椅系统在该方面进行了尝试，采用 ARM + DSP + FPGA 的方式来构建多功能轮椅的中央控制系统、传感器系统、视觉系统和运动控制系统，整个控制系统系统 运行稳定，具有实时性高、功耗低，续航时间长的特点，为爬楼梯轮椅向产业化方向 发展迈进了一大步。3 2 2 控制系统算法在未知和不确定的环境下，爬楼梯轮椅需要通过多种传感器收集数据，用以界定 周围环境及自身状态信息，需要用一定算法对数据进行分析、融合，比较完整地反映 环境特征和自身状态，为系统运动控制提供精确的数据信息。爬楼梯轮椅在行驶时必 须不断地感知周围环境及自身状态信息，所以要求控制系统算法能够对实时提供的各 种信息进行快速有效处理，并能保证信息的完整性。常规的 PID 控制虽然具有算法简单、精度高、可靠性强的优点，但是仅对于可建立精确数学模型的控制系统具有很好的控制作用。对于爬楼梯轮椅电机调速系统而 言，被控对象复杂，具有非线性、强耦合以及时变性的特点，很难达到控制系统的精 确鲁棒性和抗干扰性能。模糊控制具有鲁棒性强的优点，能较好的适应轮椅运行过程 中路况突变等干扰条件，但单纯的模糊控制不能很好的消除系统的稳态误差11。使用 复合算法可以使控制器有较强的鲁棒性和较小的静态误差，但复杂的算法本身就是控 制器实现的障碍。模糊 PID 控制器结合了模糊控制和 PID 控制器两者的优点，可根据不同的偏差和偏差变化率选择不同的比例、微分、积分参数，从而即具有模糊控制 灵活、适应性强的优点，又具有 PID 控制器精度高的特点，对爬楼梯轮椅运动控制系统具有良好的控制效果。模糊控制系统的工作原理如图 3 所示。图 3 模糊控制系统工作原理4 发展趋势与展望综上所述，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11。( 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入到使用者生活 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 重新融入到社会中去。5 结语本次阐述了爬楼轮椅研究的背景，研究目的和意义，分析了爬楼轮椅的几种常见 爬楼方案，总结出了各种不同方案的优缺点，分析了国内外发展现状，阐述了爬楼轮 椅未来的发展趋势，由此确定了本设计方案的研究内容和安排，叙述了爬楼梯轮椅的 关键技术，为后续研究工作的展开奠定了基础。