一种新型的轮椅 —— 工程力学期末论文 2002 年 6 月

1. 一种新型的轮椅 ——工程力学期末论文 2002年6月

2. 小组成员 环03班 杜 娟 000419 环03班 赵 岩 000414 环03班 曲力力 000415 环01班 樊朝宇 000362

3. 主菜单 问 题 背 景 设 计 过 程 工 作 原 理 几 个 问 题 理 论 分 析 收 获 总 结

4. 一、问题背景 对于年老体弱者和下肢伤残者来说，轮椅是他们必不可少的代步工具。但是，由于普通轮椅不具有爬楼梯的功能，从而大大的限制了其使用者的活动范围，使其参与社会的深度和广度深受影响。为此，人们从以下几个方面解决这一问题：房屋和各种公共建筑的设施的无障碍设计；在公共场所设置轮椅上、下楼梯固定搬运装置；便携式轮椅搬运小车；爬楼梯轮椅…… 目前国内外已有许多种爬楼梯轮椅的发明专利问世，但它们多数结构复杂，价格昂贵，不完全适合于发展中国家使用者的经济承受能力。为此，我们在原有普通轮椅结构的基础上，设计了这种爬楼梯轮椅。

5. 二、设计过程 1、爬楼梯轮椅应满足的基本要求 在爬楼梯过程中稳定性好，安全可靠 适用性广，应能攀登多种尺寸的楼梯 乘坐者能独立操作，无需他人帮助 具有一定的灵活性，轮椅外形尺寸不能过大 操作过程尽量简单，平地行驶与上下楼梯两种工况的转换简单易行 乘坐要平稳舒适，爬楼梯时座位应基本保持水平状态 轮椅结构尽量简单，造价低廉

6. 2、设计思路与草图 在普通轮椅基础上，加设一套爬楼梯执行机构和驱动系统 。

7. 3、尺寸设计 外观尺寸与普通轮椅没有区别。 对于该轮椅的特殊部分——爬楼梯杆的尺寸及形状如图所示。 截面直径d=30 单位：mm

8. 三、工作原理 这种爬楼梯轮椅的结构简图见图（1）所示，其主要特点是在普通轮椅两侧各加设一套平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构。每套机构中的两等长连接杆（曲柄3，8）各与一齿轮数相同的链轮（4、10）相固接，用链条（7）来驱动。两侧的四个曲柄以相同的相位安装，爬楼梯杆（9）的两端各有一条“腿”，四条“腿”与轮椅原有的四个轮子形成两套支承系统，当摇动手把（1），经过一套传动机构，使四个曲柄同步转动时，两套支承系统轮番着地，并将另一套支承系统托起送到上（或下）一个台阶，直到登完一段楼梯。 轮椅的座位及靠背可调整其倾斜度，以使爬楼梯时座位总处于水平位置。

9. 为了降低爬楼梯过程中轮椅的重心高度，增加稳定性和安全性，无论上楼梯还是下楼梯，均采用“面向楼下”方式，即上楼梯采用后退方式。轮椅在爬楼梯时的示意图如图所示。为了降低爬楼梯过程中轮椅的重心高度，增加稳定性和安全性，无论上楼梯还是下楼梯，均采用“面向楼下”方式，即上楼梯采用后退方式。轮椅在爬楼梯时的示意图如图所示。

10. 四、设计中的几个问题 1 稳定性问题 确保轮椅在爬楼梯过程中的稳定安全、使其不要前倾，是轮椅设计中的首要问题。无论在上或下楼梯过程中，轮椅均存在稳定性问题。但是，由于楼梯的倾斜，当轮椅处于上楼梯过程时，由于惯性力所引起的倾翻趋势是沿台阶向上的，它对于防止轮椅发生向下倾翻是有利的；而当轮椅处于下楼梯过程时，由于惯性力所引起的倾翻趋势是沿台阶向下的，它加重了轮椅发生向下倾翻的可能性。因此，轮椅在下楼梯过程中发生向下倾翻的可能性更甚于上楼梯过程，即稳定性更差。所以，以下我们主要讨论下楼梯过程中轮椅的稳定性问题。

11. 2 如何适应不同尺寸的楼梯 在上（或下）楼梯过程中，轮椅和爬楼梯杆每次被送上一个台阶时均做严格的周期性运动。它们的有效步幅（相邻两台阶上同一个轮子着地点间的直线距离）为一个常数，通常，认为它正好等于台阶的阶距（相邻两台阶上对应点间的直线距离）。因此，爬楼梯执行机构中曲柄的长度和曲柄与机架铰接点的位置均应根据楼梯的尺寸来确定。在设计中，选用中等型号的楼梯（台阶宽*高为310*155mm）作为标准值，以此来确定曲柄长度和曲柄与机架与铰接点的位置。

12. 3 关于省时与省力的问题 这是手动式轮椅普遍存在的问题。问题源于双手所能施加的操纵力与所要求的力不适应，为此，必须增大手摇把与曲柄之间的传动比（降速比）。降速比过小，操作者势必过于费力；若要省力，只得加大降速比，则势必导致每上一台阶手摇把需摇的转数过多，过于费时。这就是省力与省时的矛盾。

13. 五、理论分析 1 手把驱动力的计算 在将轮椅抬起的过程中，因左右对称性，可合并考虑，只考虑前后两曲柄上的受力关系，如图所示。

14. 为作用于两曲柄的总重量 分别为作用于前后曲柄上的重量 分别为前后曲柄上需施加的驱动力矩 为曲柄长度 为曲柄与水平方向的夹角 为每个手把需加的切向力 为手把到曲柄轴的降速比 为总传动效率为 则有： 手把上需施加的力矩为: 手把上需施加的切向力： 其最大值：

15. 2 爬楼梯杆支承轮椅时，杆件的内力分析 由于爬楼梯杆仅靠曲柄与轮椅相连接，则曲柄可视为二力杆，且轮椅具有左右对称结构。为了简化分析，将轮椅受力图化简如下（方便起见，此时仅考虑 的情况）：

16. 此时爬楼梯杆及曲柄的重量忽略不计，加在曲柄上的总重量：此时爬楼梯杆及曲柄的重量忽略不计，加在曲柄上的总重量： 不妨认为： 然后确定控制面，除集中力 作用处的截面A,B,D,E外，刚节点C,F处也是控制面。

17. 以下分析控制面的内力 A面： B面： C面：（左） （右） D面：（左） （右）

18. E面：（左） （右） F面：（左） （右） 爬楼梯杆的内力图如图所示

20. 以下进行强度分析（取安全因数 =3） 确定控制面： AC段：C面（左） 危险点： 边缘上的点（正应力最大） 形心（切应力最大）

21. CF段：D面(左) 危险点： 边缘上的点（正应力最大） 形心（切应力最大）

22. E面（右） 危险点： 边缘上的点（正应力最大） 形心（切应力最大）

23. FB段： 由以上分析可知，爬楼梯杆是符合强度要求的。

24. 3 轮椅的动力学分析 正常运动的动力学过程 为了分析轮椅的翻转特性，定义其翻转力矩为 轮椅正常运动 轮椅开始翻转

25. 翻转的动力学过程 当翻转力矩 时，则轮椅开始翻转。选择 和 为广义坐标，利用 方程，可得爬楼梯轮椅翻转状态的动力学方程

26. 4 稳定性分析 当轮椅达到翻倒前的临界状态时，其质心位置在 轴上的投影 ，此时，其势能达到最大值，为： 当轮椅处于正常运动状态时，其势能为： 为了表征爬楼梯轮椅的翻转特性，定义轮椅的最大可变势能 为轮椅处于静态翻到临界状态时的势能 与其处于正常运动状态时的势能 之差。 显然，如果爬楼梯轮椅绕前支撑点 转动的动能大于这个势能之差，即轮椅的最大可变势能时，轮椅就会翻到。

27. 六、收获总结 本文在原有轮椅的基础上设计了一种新型的、可以爬楼梯的轮椅。并从理论上对它进行了驱动力及操作力分析、静力学内力分析、动力学分析和稳定性分析。根据分析结果，我们的设计是符合要求的，是具有实用价值的。 在完成此次论文的过程之中，我们获益匪浅。我们不再仅限于会解决书本上的问题，而是去发现并分析和解决身边的问题。当然其中我们会遇到很多困难，比如所学知识不足以解决遇到的问题，这样我们就要去查阅相关的参考书。学习的过程，本应如此！而且，实际中的问题相当复杂，要想用我们的知识去解决它，只有对模型进行简化。分析的过程，本应如此！ 我们在完成论文的过程中，大家互相合作，各自发挥自己的所能。这种团队精神也是我们今后学习工作中必不可少的。

28. 文稿演示结束 谢谢观看！ 感谢施惠基老师的精彩授课和耐心帮助！ 感谢全组成员的不懈努力和团结协作！ 祝大家假期愉快！