目录1 绪论 (1)1.1楼梯爬升降机在国内外的发展现状 (1)1.2楼梯爬升降机开发的趋势 (3)2本课题要研究的问题和采用的研究手段及途径 (3)2.1本课题研究的问题 (4)2.2采用的研究手段及途径 (5)3 楼梯爬升降机的总体设计 (6)4 楼梯爬升降机的车身设计 (7)4.1车身形状的设计 (7)4.1.1车身尺寸 (7)4.1.2车身形状 (8)5 楼梯升降机的爬升机构设计 (9)5.1 爬升机构的尺寸设计 (10)5.1.1 爬升杆的尺寸设计 (10)5.1.2导轨的设计 (11)5.2 爬升机构液压缸的设计 (12)5.3 爬升机构的连接方式 (12)6 爬升降机的动力系统和能源系统 (14)6.1 电动机的选型 (14)6.1.1液压缸电机的选型 (14)6.1.2 轴电机的选型 (15)6.2 电池的选型 (16)7 楼梯爬升降机的传动系统 (17)7.1 传动方式的选择 (17)7.1.1齿轮传动的选择 (17)7.1.2同步带传动的选择 (18)7.2 传动系统的校核 (18)7.2.1轴的校核 (18)8 控制系统的设计 (21)本科毕业设计第II 页共II 页8.1 控制器的选择 (21)8.2控制流程图 (22)8.3控制程序编写 (23)结论 (27)致谢 (29)参考文献 (30)1 引言随着社会的快速发展，人们的生活水平也得到了大幅度提高。

高楼大厦如雨后春笋，拔地而起。

人们都高兴地搬进了象征着幸福的“洋楼”。

然而，新的问题也随之出现。

在老龄化日益加剧的现代，楼梯对于他们来说，已经成为了一种生活负担。

近年来相关的报告也指出，世界老龄化进程逐步加快，在今后的几十年里，七十岁以上的老人所占人口的比例预计会翻一番。

由于自然灾害和疾病造成的残障人士也逐年增加。

针对这两个特殊人群的医疗和照顾，成为社会和经济发展的巨大压力[1]。

我国还处于发展阶段且人口数目巨大，综合考虑经济条件等多方面因素，多层楼成为既能解决人口住房问题而又能让大众买的起的唯一办法。

由于这些楼房中没有电梯，货物搬运成为主要问题。

因此，研究多层楼中楼梯爬升问题，成为一种趋势。

1.1 楼梯爬升降机在国内外的发展现状近年来，随着大众对老年人和残疾人的关注度的提高，国内外的许多公司、大学和研究机构都对楼梯攀爬机构进行了深入研究，并获得了一些成果[2]。

但他们研究的问题是如何帮助老人和残疾人解决本身上下楼梯的问题，也就是说他们是在轮椅的基础上进行动力改造，使这些轮椅能够在面对楼梯这样的障碍时能够轻松翻越。

目前的爬楼梯的装置主要有：腿足式、履带式、星轮式、复合式和其他方式。

他们有各自的优点，当然也存在这一些不足[3]。

（1）腿足式这种方式完全是借鉴人类爬楼梯的方式研究出来的。

该方式的主要特点是爬楼动作是一个由腿足完成的不连续过程。

在楼梯爬升机的初始设计阶段，Bray 发明制造的爬楼梯轮椅采用的方式就是这种不连续方式。

在爬楼过程中，两套支撑装置就像两个腿一样，交替着向上前进。

运动轨迹为上升、平移和着陆[3]。

随后，日本经过十几年的研究，掌握了较为熟练的技术。

如日本本田公司研制的“iFoot”和“iUnit”以及日本早稻田大学的高西淳夫教授和Tmsuk公司共同研究的出的WL-16，就能像人一样随意行走[3][4]。

但这些成果仍存在着不少的缺点：由于两个支撑装置交替与地接触，所以承载物的重心时刻都在变化，也就导致了它们的移动速度很慢，控制和机构很复杂，造价相对要高，最终无法达到大面积使用的效果[5]。

（2）履带式该运动方式为：车轮转动带动履带转动，通过履带和地面的摩擦力前进。

由于履带越障能力强，运动过程中重心的波动小，控制简单，因此，在坦克和装甲车中得到了广泛应用[6]。

各国也看到了这种优势，于是都争相进行研究。

其中比较有代表性的是：日本SunwaeCDM-2公司研制的爬楼梯电动轮椅，它在上世纪九十年代中期得到了日本大众的认可。

另一个是英国Baronmead公司研制的履带式爬楼梯轮椅。

这种轮椅将履带安装在轮椅的底部，爬升速度快，可达15-20阶/min；爬升能力强，最大爬越坡度为35。

法国Topchair公司生产的爬楼梯电动轮椅也是一个典型例子。

它是将履带式爬楼梯装置和电动轮椅巧妙的结合在一起。

当在平地上行驶时，轮椅底部的轮子接触地面使之前进；当爬楼梯时，轮子收回且履带接触楼梯爬升[3]。

但履带式爬升装置有其共有的缺点：体积大且质量大，会在与台阶接触时因压力过大导致台阶损坏。

在平地上行进时，由于摩擦力过大，导致运动不灵活，转弯困难等[3][4][5]。

（3）星轮式这种运动方式主要是：每个行星轮和行星架绕着主轴公转，同时每个行星轮绕着自身星轮轴转动。

在爬楼的过程中，星轮被锁死，只绕着行星架轴公转[3]。

其主要代表就是美国Independence的iBot，这是一种典型的星轮式轮椅，且科技含量最高，安全性和智能性最好。

它最大的优点就是安装了内置陀螺仪系统，通过高速度转动原理确定其重心位置，然后将其反馈给控制系统，从而使轮椅时刻保持平衡。

但也因为这些原因，使得费用大大超出了大众的能力范围，也就减小了适用面[3][4][5]。

还有一种是由意大利都灵理工大学教授研制出4个三星轮机构的轮椅爬升机[2]。

我国在星轮式方面也有所研究，在长春工业大学教授王占礼的指导下，两个研究生分别做出了自己的成果。

一种是研究生赵德超研制出的曲柄星轮式爬楼梯装置，它是由两个行星轮组成，星轮之间是用曲柄链接，使用电源提供动力[5][7]。

另一种是由孟祥雨研制的三星轮爬升机构。

与iBot的运动方式有所相同。

（4）复合式复合式主要是将轮腿两种运动方式结合起来。

这种运动方式结合了轮式和腿式运动的优点，不仅可以在平地上运行更加平稳，还解决了攀越障碍的问题，使用起来更加方便。

如英国研制的Stairmatic，这种轮椅不仅理论成熟且已经通过了实际应用实验。

另外，还有NASA的SojourerRobot，EPFL的ShrimpRobot，它们都有攀越障碍的本领。

但由于这种结合方式使得结构更加的复杂，控制和分析也比较困难，增加了故障率。

价格也相对要高[3]。

（5）其他方式除了上述方式，另外还有几种方式比较受关注。

一种是平行三轮式，这种方式广泛应用在星球探测器上。

在地盘下面分有两列轮子，每列三个，这三个由连杆链接。

当遇到障碍物时，第一排轮在后轮的推力作用下，向上爬行，直到爬越障碍，然后第一排和第三排轮子作为动力，推动第二排轮子爬越障碍，通过这样的方式，第三排轮子也翻越障碍。

这种运动方式，运动比较平稳，适合于各种路面。

但其速度相对要慢[8][9]。

另一种也是借鉴星球探测器结构。

利用的是弹力产生的惯性，它主要由三部分组成，上面是一个具有一定质量的框架，下面是带有车轮的地盘，两部分直接通过弹簧链接。

当遇到障碍时，弹簧压缩后释放，利用上面框架的重量将其整个车声抬起，因为车子向前有一定的速度，在两个方向的惯性作用下，车子顺利跳上或跳过障碍[10]。

但这种车子存在的危险比较大，一个是弹跳的高度不能随实际改变，另一个就是在弹跳的过程中重心容易发生移动导致侧翻。

1.2 楼梯爬升降机开发的趋势一个文明的社会是应该能够保证包括残疾人在内的所有成员拥有公平的生活条件。

在过去的几年里，对弱势群体态度的改变使得社会对这个问题更加敏感。

另一个重要原因就是，包括中国在内的很多国家人口老龄化加剧，使得人们对楼梯爬升降机的需要更加迫切。

正是由于现阶段的设计目的是针对上述两种人群，因此，研究方向是基于轮椅的改造上，即：如何给轮椅提供动力，如何能让乘客自行操作，如何能使轮椅避开或翻越障碍物，如何使轮椅自行攀爬楼梯等。

未来人们还是会将重点放在轮椅的改造上，改变的只是爬升装置的的爬升方式，或者是将现有的爬升机构进行组合和简化。

这样无论从体积上还是重量上，特别是价格上，才能被大众所接收。

只注重轮椅的改造，也就导致了研究方向受限。

人类在朝着“懒”的方向发展，各种设备的研制开发，均是为了代替人类工作，实现自动化[11]。

仅是为了照顾需要坐轮椅的老人和残疾人，也就让爬升装置的使用场所受到限制。

毕竟这些人群所占的比例还是有限的。

因此，为使这种机构服务于更多的人，爬升机构应朝着简单，质量轻且廉价的方向发展。

2 本课题要研究的问题和采用的研究手段及途径正如上述所述，轮椅式爬升降机的开发是为了服务于需要坐轮椅上下楼的老年人和残疾人。

根据我国现阶段的国情来看，我国的经济还不够发达，多层楼是一种既可以解决人口住房问题又经济的办法。

况且，目前在大多数的城镇中，也出现了楼房，也属于多层楼行列，且数目庞大。

上述爬升机构的共同特点是解决人上下楼梯的问题，都是在轮椅的基础上进行改造，和本项目的设计方向不同。

该项目的设计目的是帮助人们解决楼梯间货物的搬运问题，帮助人们完成货物在楼梯间的搬运过程。

同时，相比于使用轮椅上下楼梯的人口数目，使用爬升降机构搬运货物的人群更加庞大，且使用场合更多。

该项目设计的楼梯爬升降机的主要优势表现在：（1）通用性强。

上述中的爬升机主要是如何代替人爬楼梯。

而该项目设计的爬升机是为了搬运日常的生活物品（如行李箱），是一种搬运物品的工具。

由于多层楼居民每天往楼上楼下拎的东西不同，所以这种通用的搬用工具更方便。

（2）采用拨麦机构作为爬升机构，机构简单。

上述中的爬升机构使用到了导轨、履带和旋转轮。

该项目的爬升机构类似于收割机的拨麦机构，是由液压缸组成的一个旋转杆。

并且相比较而言，这种结构简单，。

（3）承载质量大。

该设计中使用了液压系统，具有较大的支撑功能。

根据日常生活的需要，设计车身时，考虑到了货物的体积，因此，车筐的设计足够大。

动力系统的设计和电池能量的选择都比较大。

2.1 本课题研究的问题由于设计目的不同，本课题所研究的楼梯爬升降机构有区别与以上所介绍的轮椅式爬升降装置。

该项目主要解决的问题主要有以下两个方面：主要技术关键：1．楼梯爬升降机的机械结构设计。

2. 控制系统的设计与编程实现，进行编程调试，在一定程度上实现自动化。

其中，升降机的机构设计主要包括：（1）爬升方式的选择与设计。

（2）转弯机构的设计。

（3）载物台的机构设计。

（4）传动方式的选择与设计。

控制系统的设计主要包括：（1）动力源的选择。

（2）控制方式的选择和设计。

（3）传感器的选择和控制。

2.2 采用的研究手段及途径针对上述机械结构和控制系统的设计问题，给出了以下解决方案：机械机构设计解决方案：（1）采用拨麦机构作为爬升机构。

在载物台的四个角处各安装一个。

这种机构在爬楼梯过程中运动比较稳定，重心波动也小。

与其他的爬升机构相比较，这种机构更加简单。

（2）转弯机构采用万向轮机构。

在车架的四个角上各安装有一个万向轮，且安装位置在爬升机构的后方，这是为了防止在爬楼梯的过程中，车轮与楼梯碰撞。