新型可爬楼梯式智能轮椅的研究与设计
行星轮爬楼梯轮椅设计(机械CAD图纸)
轮椅是老年人和残疾人生活中非常重要的工具。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。国内外发明了多种星
型轮式爬楼梯轮椅，美国发明家发明的一种能自动调节重心的两轮组式轮椅-IBOT，
这个轮椅不仅是目前该领域中性能最高的产品，也是今后轮椅发展的方向。通过借
鉴IBOT 4000的爬楼梯方式的研究，本文在普通轮椅的基础上安装了电机，使轮椅
4.3轴承的校核.......................................................................................................36
4.4本章小结...........................................................................................................38
7.1市场前景分析...................................................................................................51
7.2技术经济效益分析...........................................................................................51
1.2研究意义..............................................................................................................2
毕业设计(论文)-创新型上楼轮椅说明书
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。
AbstractThis paper for the disabled upstairs and of the design difficulties a upstairs wheelchair, this paper first to the domestic and foreign various climbing up a wheelchair structure analysis, in contrast to summarize their respective advantages and disadvantages designed on the basis of a simple structure, convenient operation of the upstairs structure.The structure and the star wheel planetary wheel structure, on the ground, the planet round work, go upstairs, combined with the whole planet gear clutch after tooth department will become a rigid whole and conversion for star wheel structure model, that is, each gears are not only with the whole body rotation and flip together, so as to realize the upstairs function. Body used the slippery course type automatic levelling structure, this simple structure, convenient adjustment.第一章绪论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。
智能轮椅的设计与制造
智能轮椅的设计与制造第一章：引言智能轮椅是一种创新型的机动设备，可以为身体残疾人士提供更加方便的出行方式。
它集成了一系列的智能化技术，例如自动导航、语音识别、智能控制等，大大简化了人们日常出行的流程。
尤其在残疾人士需要自主出行或在无人协助下单独生活的情况下，更加突显出了智能轮椅的价值。
本文将重点介绍智能轮椅的设计和制造，为读者深入了解智能轮椅打下基础。
第二章：智能轮椅的系统架构智能轮椅是由多个模块组成的复杂系统。
通常，它可以分成以下五个模块：智能控制系统、操作面板系统、通讯系统、座椅系统、行驶系统。
1. 智能控制系统：它是智能轮椅最重要和核心的部分，用于控制轮椅的各种行为，例如移动、停止、转弯等。
智能控制系统通常由电子控制器、电池和电机组成。
其中，电子控制器是智能轮椅的“大脑”，它负责集成所有传感器和执行器以及进行实时控制，控制轮椅的运动，从而使得智能轮椅能够实现自主移动。
2. 操作面板系统：它是智能轮椅的界面模块，提供给用户一个方便的交互界面。
通常，操作面板中包含屏幕、按键和语音识别系统。
语音识别系统可以让残疾人士通过语音命令控制轮椅，以便更方便地控制并与轮椅交互。
3. 通讯系统：它是智能轮椅的信息交换模块，用于与外界进行信息交互。
通讯系统包括Wi-Fi网络和蓝牙连接，以便与智能手机或其他外部设备进行连接。
4. 座椅系统：它是智能轮椅的一个重要模块，负责提供座椅支撑和安全性，让使用者更加舒适和安全。
座椅系统可以提供轮椅抬升功能，使残疾人士与普通人同等接触。
5. 行驶系统：它是智能轮椅的运动控制模块，用于控制轮椅的移动和停止。
行驶系统包括轮胎、电机、传感器、制动器，以及提供适当的行驶方向和速度控制。
第三章：智能轮椅的具体设计1. 主控板：主控板是智能控制系统的核心，主要包括微控制器、电机驱动器和加速度传感器。
微控制器是轮椅主控板的“大脑”，负责对传感器采集到的数据进行处理，控制电机驱动器对轮胎进行有效的控制。
多功能智能轮椅的设计
国内外现状
Status quo at home and abroad
履带式爬楼轮椅
出现较早，原理简单，类似于履带 装甲车或坦克，其传动机构采用履 带式的传动结构，结构稳定，传动 效率高，不仅能够在平地上行驶， 而且能够连续爬楼梯。
步进式爬楼轮椅
执行机构多由铰链杆件机构组成， 其特点在于具有两套支撑机构，两 套支撑装置交替支撑，重复此过程 来实现爬楼目的。价格昂贵，操控 复杂，市面不多见。
轮椅总体方案设计
• 轮椅结构的设计 • 轮椅传动方案的设
计 • 传动机构尺寸的确
定 • 驱动机构的确定 • 总体尺寸的确定
电机驱动方案设计
• 驱动功率的计算 • 驱动电机的确定 • 减速器的选用 • 蓄电池的选用
重要零部件的设计 与校核
• 齿轮的设计计算与 校核
• 轴的设计计算与校 核
• 轴承的选用与校核 • 键的选用与校核 • 轮椅其它部件的设
研究背景 Research Background
随着人口老龄化程度的加重以及伤残人士的增加，使得轮椅成为他们日常出行所必须的代步工具。一直以来， 人们似乎都忽视了高龄人群以及下肢残障人士的日常出行问题，一些高龄化老人以及残障人士被困在家中引发 的事故也时有发生。日常出行不便的他们与社会的交流沟通少，日常出行需要他人的看护，也给他人带来了负 担[1-2]。然而我国目前市面上流通的轮椅多为手动平地轮椅，这类轮椅要求适用人群日常出行必须有人力辅助， 且仅限于在路况平坦的道路上通行，基本没有翻越路障以及爬楼梯的能力。而目前我国的经济快速发展，为了 保障人均住房面积，现有的房屋建筑多为高层建筑，这使得这类人群在日常出行过程中必然会面临上下楼梯的 情况，这在很大程度上限制了他们的外出，从而减少了与外界社会交流沟通的机会。 为了改善老年人以及残障 人士的日常出行，解决他们日常出行的困难，加强他们与外界的交流沟通，这就需要我们应当设计一种功能更 加强大、自由度更高的轮椅作为代步工具。
星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计说明书
星轮行星轮转换式可爬楼轮椅设计说明书作品内容简介针对目前普通轮椅不具备爬楼功能，而国内市场上尚未出现比较成熟、实用的爬楼轮椅这一现状，我们设计了一种实用的星轮行星轮转换式可爬楼轮椅。
该轮椅既可以像普通轮椅一样在平地上行走，又可以攀爬楼梯，通过手摇来驱动。
我们在行星齿轮结构的基础上加以改进，在中心轴和转臂间设一离合器，离合器分离时，驱动中心齿轮便会带动各行星齿轮旋转，此时为行星轮驱动模式，适用于平地行走；而操纵离合器使其结合时，中心轴和转臂锁死，各行星齿轮将不能自传，驱动中心轴整个行星轮系将整体翻转，主动翻越障碍，此时为星轮驱动模式，适用于爬楼梯。
这种新的结构我们称之为星轮行星轮转换式结构（该结构我们已经申请了专利）。
在此结构的基础上，我们在万向轮两侧增加了一对起引导和越障作用的导向轮，导向轮与万向轮的巧妙结合增强了万向轮的越障能力。
此外我们还准确设计重心位置，并将靠背设计成可调形式，爬楼时可以调节重心位置，保证了爬楼时的安全性和舒适性。
1 研制背景及意义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。
爬楼梯轮椅的研究进展
!
连续型爬楼梯轮椅 连续型爬楼梯轮椅的主要特 点 是 在 爬 楼 梯 过 程 中 ! 只 有
!"$
其他形式的连续型爬楼梯轮椅 除了星型轮机构和履带轮 机 构 爬 楼 梯 轮 椅 外 ! 还 有 一 些
一 套 支 撑 装 置 !依 靠 这 套 支 撑 装 置 的 连 续 运 动 !从 而 实 现 轮 椅上下楼梯的功能 $ 按其运动执行机 构 ! 可 以 分 为 星 型 轮 机 构 和 履 带 轮 机 构 两 种 !其 中 履 带 轮 机 构 相 对 比 较 成 熟 ! 在 可 以爬楼梯防暴机器人等类似装置中应用的比较广泛 $
#
间歇型爬楼梯轮椅 间歇型爬楼梯轮椅的主要 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 爬楼梯过程类似于人上下楼梯的过 程 ! 也 有 人 称 之 为 步 行 式 爬 楼 梯 轮 椅 $ 早 期 的 爬 楼 梯 轮 椅 多 采 用 这 种 方 式 !/DE! 年
构 ! 而且安装了多个感 知 人 ) )) 轮 椅 重 心 位 置 的 陀 螺 仪 ! 控 制器根据陀螺仪的信号调整重心的位 置 ! 使 轮 椅 能 够 在 不 同 路面和直立状态下保持平衡 $ 34567""" 已经获得 >?@ 批准 在欧美上市 ! 售价相当于中高档轿车的价格 $ 国内外发明了多种星型轮式爬楼梯轮椅 ! 除了 34567""" 外 ! 大多数都采用如图 7< 见前插 1= 所示的 7 个 或 者 7 个 以 上 星型轮
4F%& 发明的第一台爬楼梯轮椅就采用了这种方式 $ 在爬楼梯
时 !先 由 其 中 一 套 支 撑 装 置 支 撑 !抬 高 轮 椅 及 另 一 套 支 撑 系 统 ! 再水平向前移动 ! 上一级台阶 $ 然 后 ! 由 另 一 套 支 撑 装 置 支撑 ! 将前面那套支撑装置收回 ! 如此 循 环 ! 直 到 爬 完 整 段 楼 梯为止 ! 爬楼梯过程是不连续的 $ 图 1 是一种典型的间歇式的爬楼梯轮椅爬行机构原理 图 ! 这种轮椅的四个轮子由蜗杆和车 身 相 连 ! 平 地 行 驶 的 时
基于齿轮齿条翻转爬升机构的爬楼梯轮椅的研究与设计
展望未来，随着科技的不断发展，可以预见到更多先进的助行器具将出现。 在爬楼梯轮椅领域，可以研究更加智能化、自动化和人性化的机构设计方案，提 高轮椅的适用范围和使用便捷性。可以新的材料和技术应用，以进一步提高轮椅 的性能和性价比。相信在未来的研究中，基于齿轮齿条翻转爬升机构的爬楼梯轮 椅将得到更加广泛的应用和推广。
谢谢观看
文献综述
电动爬楼梯轮椅的研究起源于20世纪90年代，经过多年的发展，已经在机构 设计、驱动系统、控制策略等方面取得了显著的成果。然而，现有研究主要集中 在功能实现和性能优化方面，对于电动爬楼梯轮椅的稳定性和安全性方面的研究 尚不够深入。具体来说，已有研究主要集中在以下几个方面：
1、机构设计：主要涉及到轮椅的机械结构、驱动系统和爬楼梯机构的设计。 例如，张三等（2020）设计了一种具有高度可调性的电动爬楼梯轮椅，能够适应 不同楼梯的起伏变化。
2、驱动系统：主要包括电机驱动、气压驱动和液压驱动等。例如，李四等 （2021）开发了一种基于电机驱动的电动爬楼梯轮椅，具有较高的越障能力和稳 定性。
3、控制策略：涉及到轮椅的运动的控制算法和控制系统的设计。例如，王 五等（2022）提出了一种基于模糊控制的电动爬楼梯轮椅控制系统，能够有效提 高轮椅的适应性和安全性。
参考内容
随着人口老龄化的加剧，老年人及行动不便人群的需求日益凸显。为了帮助 这类人群更好地适应生活，各种辅助器具不断涌现。其中，爬楼梯轮椅作为一种 能够帮助用户上下楼梯的器具，受到了广泛。本次演示将对新型爬楼梯轮椅的结 构设计与研究进行简要介绍。
在过去的几十年中，爬楼梯轮椅得到了广泛的研究和发展。它们通常由座椅、 轮子、支架和控制系统等组成。然而，传统爬楼梯轮椅存在着种种问题，如操作 复杂、稳定性差、舒适度低等。因此，本研究旨在设计一种新型爬楼梯轮椅，以 解决这些问题。
爬楼梯的自行轮椅车设计(含全套CAD图纸)
爬楼梯的自行轮椅车设计（含全套CAD图纸）目录1 绪论 (3)1.1 课题研究原因和意义 (3)1.1.1课题研究的原因 (3)1.1.2课题研究的意义 (3)1.2 目前国内外研究状况 (3)1.2.1轮组式 (4)1.2.2履带式 (5)1.2.3腿式 (6)1.2.4复合式 (6)1.3 目前研究中所存在问题 (7)2 系统方案设计 (9)2.1 系统方案确定 (9)2.2智能电动越障爬楼轮椅系统构成 (10) (15)2.2.3驱动控制系统 (16)3 轮椅驱动模块设计 (18)3.1 电机的选择 (18)3.2 电机工作原理 (20)3.3 电源的选择 (23)3.4控制核心C8051F020 (23)3.4.1 C8051FO20概述 (23)3.4.2主要性能参数 (24) (25) (25) (26)3.6 电机驱动电路 (27)4 系统控制方案设计 (30) (30) (32)4.2.1 并行控制 (32)4.2.2 主从控制 (33)5 轮椅车控制算法设计 (35)5.1 速度检测电路 (35)5.2 PID控制方法 (36)5.2.1 PID控制方法介绍 (36)5.2.2 数字式增量PID控制算法 (38)5.2.3 标准PID算法的改进 (39)5.2.4 干扰的抑制 (40)5.2.5 PID调节器的参数整定 (40)6 轮椅车控制模块的数学模型 (43)6.1 系统运行方框图 (43)6.2系统运行原理 (44)6.3建立数学模型 (44)7 软件实现 (50)7.1 单片机片内的资源配置 (50)7.1.1 单片机内各功能模块配置 (50)7.1.2 单片机的端口配置 (51)7.2 程序模块介绍 (51)7.2.1 初始化模块 (51)7.2.2 测速子程序 (53)7.2.3 主程序 (56)7.3 总程序 (58)总结 (67)参考文献 (68)致谢 (69)全套图纸加362965181 绪论1.1 课题研究原因和意义1.1.1课题研究的原因现今，老龄化人群以和下肢残障者在占我国总人口总数的比重愈来愈大，他们丧失了部分行动能力，更需要有人来加以帮助和护理。
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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 789
1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。
本文所设计的新型可爬楼梯式智能轮椅不仅具备爬楼梯功能，同时还具备作
为普通座椅的功能，并且放置该轮椅时仅需较小的占地面积。
该轮椅结构紧凑，
经过折叠后体积更小，适合出行并且随时可折叠收纳。
该新型智能轮椅具有无线
遥控和手动控制两种模式，当轮椅距离乘坐者较远时，此时可通过遥控器将其
“召唤”至乘坐者身边；当乘坐者坐上轮椅后，此时可通过控制安装于轮椅扶手
上的按钮调节轮椅至最佳乘坐状态，所设计的新型智能轮椅二维结构如图1所示。
图1 轮椅结构图
为了使得所设计的新型智能轮椅具备爬楼梯功能，轮椅的履带需要由特殊材
料加工而成。
所选择的特殊材料应当具备适中的摩擦力，使得轮椅在爬楼梯时受
到较小的摩擦阻力，同时具有较高的稳定性使得轮椅能够平稳地停靠在楼梯上。
为了保证乘坐者在使用新型智能轮椅爬楼梯时具有较高的安全性，所设计的轮椅
扶手、座板与靠背为半包裹状态，同时还加装了安全带进一步保证乘坐者的安全。
所设计的新型智能轮椅采用四轮驱动结构，即在轮椅底部框架两侧处各安装
有两个电机，在保证能够稳定输出驱动力的同时也提高了轮椅的安全性能，且采
用四轮驱动结构便于减小电机尺寸，使得轮椅结构更加紧凑。
当轮椅同侧电机同
步运转时，另一侧电机可以同向等速运转，也可以同向异速运转或同步反向运转，从而使得轮椅能够自主行走或转弯。
为了使乘坐者的双脚能够摆放的更舒适，所设计的轮椅踏板为伸缩式结构，
通过控制轮椅上的按钮即可调节踏板的伸缩。
当踏板处于缩回状态时，此时踏板
放置于座板下端，控制调整按钮对踏板伸出长度进行微调。
处于缩回状态时的踏
板虽然放置于底座下端，但固定连接于座板底部，即保证了踏板与座板为同步旋转。
所设计的轮椅座板通过翻转铰链与底座相连，在中间部位连接有液压伸缩杆，采用此种结构的轮椅无论在爬楼梯还是越障时，其伸缩杆顶部的水平仪通过感知
轮椅的倾斜程度，将自动启动液压伸缩杆，此时座板根据液压伸缩杆的伸缩状态
围绕翻转铰链旋转，从而保证座板和踏板始终保持水平位置。
座板前端与底座相
连处设计有支撑弹簧，使得座板与轮椅框架连接更加可靠，还可减小轮椅越障时
产生的颠簸感进而提高乘坐舒适度。
为了使得新型智能轮椅在出行时方便收纳和减小占地面积，所设计的轮椅靠
背和扶手为可折叠结构。
在轮椅底座后端处安装有具有自锁功能的连杆结构，靠
背与连杆采用固定连接，扶手与靠背、扶手与座板、扶手拐弯处为铰链连接。
所
设计的可折叠式轮椅采用电机驱动。
当靠背处于直立状态时，可作为普通轮椅使用；当靠背处于后倾或平躺状态时，可作为躺椅或床使用，轮椅扶手使得乘坐者
在休息时更具安全感；当靠背处于折叠状态时，此时轮椅扶手也一同折叠，使得轮椅结构处于紧凑状态，方便收纳。
3可爬楼梯式轮椅的工作原理
所设计的新型智能轮椅采用四轮驱动结构，通过齿轮减速将扭矩传递至履带驱动轮，进而将电机输出的驱动力传递至履带，带动履带运动，进而带动轮椅整体运动。
轮椅采用四个电机分别控制四个驱动轮的驱动方式，当四个电机同步正转或反转时可控制轮椅前进或后退；当两侧电机同向异速转动或反向转动时可控制轮椅转弯或转向。
且轮椅采用四个电机驱动可以有效避免轮椅打滑，提高轮椅的安全性和稳定性。
4结论
(1)分析总结了国内外爬楼梯轮椅的研究现状和不同类型爬楼梯轮椅的优缺点，构造了一种新型可爬楼梯式智能轮椅。
(2)基于爬楼梯轮椅的设计准则，利用履带机构的越障能力，运用模型、CAD 辅助工具等，完成了可爬楼梯式轮椅的机械结构设计。
(3)根据爬楼梯轮椅的机械结构设计，通过电机驱动控制履带的运动，以提高运动平稳性。
(4)本轮椅的控制方式多种多样，可以手动按钮控制，也可以远程遥控，实现智能化操作，符合社会进步的要求。
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