对数螺线轮爬楼梯轮椅的设计与研究

发布时间：2020-08-13 04:18

【摘要】：随着我国老龄化进程的加快及残障人口的日益增长,仅具有地面行走功能的普通轮椅无法满足老年人和残障人士自由上下楼梯的需求。为方便以上人群的日常出行,提高他们的生活质量,本文在总结现有爬楼梯轮椅产品和研究成果的基础之上,提出了一种新型的楼梯攀爬机构——对数螺线轮,并设计了一款功能多样、性能优越、价格低廉的对数螺线轮爬楼梯轮椅。首先,介绍了对数螺线轮的工作原理,并建立了对数螺线轮的运动模型,具体分为对数螺线轮在楼梯台阶平面上运动和攀爬楼梯台阶时的运动模型,在此基础上得到了对数螺线轮能够连续攀爬楼梯台阶的条件,进而依据台阶的高度和宽度求解符合条件的对数螺线参数,通过仿真比较不同参数建立的对数螺线轮攀爬楼梯台阶时的运动轨迹,最终确定了爬楼梯轮椅的对数螺线轮参数。其次,分析了爬楼梯轮椅在实际使用过程中的功能需求,根据设计要求将轮椅划分为楼梯攀爬、地面行驶、座椅调平三个部分,分别对每个部分进行了具体的方案设计,并且使用SolidWorks创建出了各个部分的三维模型和轮椅的整体模型,进而演示了轮椅攀爬楼梯的过程和各个爬楼阶段的工作流程。再次,利用ADAMS虚拟样机技术对轮椅攀爬楼梯的过程进行了动力学仿真分析,将对数螺线轮爬楼梯轮椅的乘坐人员质心运动轨迹和电机瞬时输出功率与三星轮式爬楼梯轮椅作了对比,并且探讨了对数螺线轮爬楼梯轮椅的变角速度驱动控制策略,通过仿真比较了不同驱动控制策略下的乘坐人员质心运动速度。最后,分析轮椅攀爬楼梯过程中对数螺线轮上的受力状态,设计对数螺线轮的结构并用ANSYS进行静力分析,根据分析结果对对数螺线轮的结构进行了优化,并在ADAMS中将采用最终结构的对数螺线轮柔性化后,进行了对数螺线轮爬楼梯轮椅的刚柔耦合爬楼梯仿真,验证了对数螺线轮最终结构的可行性。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH789
【图文】：

老年人口,比重,人口

1 绪论1 Introduction1.1 研究背景及意义(Background and Research Significance)《联合国世界人口老龄化报告（1950-2050）》将 60 岁及以上人口占比达 10%或 65 岁及以上人口占比达 7%作为国家或地区进入老龄社会的标准[1]。根据中华人民共和国民政部发布的《2000 年民政事业发展统计报告》，截至 2000 年底，我国 65 岁及以上人口 8811 万，占总人口的 6.96%，人口年龄结构已开始进入老龄化阶段[2]。2000 年以来，国内 60 岁以上老年人人口占总人口的比例呈逐年上升趋势。截至 2016 年底，我国 60 岁及以上老年人口 23086 万人，占总人口的16.7%，其中 65 岁及以上人口 15003 万人，占总人口的 10.8%，如图 1-1 所示[3]。人口老龄化己经成为我国乃至世界的一个不可忽视的问题，预计至 2020 年，我国 60 岁及以上人口将达到 25000 万人，2025 年将达到 30000 万人[4]。

饼状图,残疾人,人口

爬楼梯轮椅,迈步式

1 绪论人的每只脚上带有一个用来测量力矩的 3 轴力矩传感器，还有一个测量倾斜的感应器。国内的上海交通大学对步行机器人的研究较早，2003 年底就获得了科技际合作重点项目“人机一体化两足步行假肢研究”资助，此后在国家自然科金支持下，设计开发了一种 12 自由度的载人两足步行椅机器人 JWCR，并基础上进行了一系列的研究工作[15-19]。如图 1-3(c)所示，该机器人能够载人复杂环境下的稳定行走，帮助残疾人或行动不便的老年人完成行走、上下台斜坡、避障等运动。

【参考文献】