为了解决老人以及下肢残疾患者爬楼困难的问题,设计了一种星轮式电动爬楼轮椅。首先,采用可升降三星轮翻转机构实现轮椅爬楼功能,机构的升降实现了轮椅平地驱动与爬楼的切换,轮椅通过座椅调平机构可增加爬楼时轮椅的稳定性;然后,对轮椅爬楼过程进行力学分析,验证了轮椅爬楼时不会出现打滑现象;最后,结合能量法对轮椅爬楼时的前后向稳定性进行分析。数值分析表明,轮椅具有充足驱动力用以爬楼,能够在爬楼时不发生倾翻,具有乘坐安全和爬楼稳定的优点。

针对老龄化现象的不断加剧和肢体残疾率的不断升高,通过参考共享单车的设计灵感,创新性地提出了一种半共享式的爬楼轮椅。采用模块化的设计方式,将爬楼轮椅分为折叠体和爬楼体两部分分别进行设计,对爬楼轮椅的传动系统和运动系统进行了研究。通过Adams建立动力学仿真模型,验证了爬楼轮椅的可行性。

为了实现爬楼轮椅座椅机构的功能要求,在上位机做算法设计了一套模糊PID座椅机构位姿调节控制系统,可以实时地监控座椅完成预设定的动作。根据爬楼轮椅的功能需求,制定出了座椅机构的动作要求;确定了传感器的安装位置;搭建了控制系统的硬件结构并且设计了人机交互界面;基于VC++6.0进行了软件开发并建立了模糊PID控制系统模型,制定控制规则,并对该控制系统进行了试验。实验结果表明该控制器算法简单、稳定精度高,解决了系统响应快速平稳性和高稳定精度之间的矛盾。

对一种基于大轮摆动的履带变构式轮履复合爬楼轮椅的爬楼平稳性进行分析。针对均匀楼梯上的爬楼过程进行数学建模,分析在爬楼过程中爬楼轮椅和人体整体的重心相对支撑台阶沿的位置关系,得出了满足平稳性要求的参数关系式,并给出了平稳性裕度的概念和计算方法,计算出常见楼梯范围内前平稳性裕度以及后平稳性裕度的最小值。针对某一台阶突高、突低、突宽或突窄四种形式的不均匀楼梯上的爬楼过程分别进行建模分析,得出了满足非均匀楼梯爬楼最平稳的平稳性要求的参数关系式,给出了验证某一楼梯参数能否满足非均匀楼梯平稳性要求的方法。进行了样机试验,进一步验证了该爬楼轮椅在常见台阶尺寸楼梯上的平稳性和非均匀楼梯上平稳性的预判方法可行。

爬楼轮椅后腿机构是典型的平面二自由度五杆机构,为了提高轮椅的运动性能,在对轮椅后腿运动学分析及对其关键点受力分析的基础上,以五杆机构中2连架杆和1连杆的杆长为设计变量,以并联机构的雅可比条件数均值为目标函数,给出约束条件,采用非线性遗传算法对轮椅后腿机构进行优化设计。之后在MATLAB中对五杆机构优化前后的运动轨迹及关键点的受力情况进行仿真分析,通过对比发现,优化后的雅可比条件数明显减小,五杆机构的活动空间更加紧凑,有效避免了机构的奇异位形,使轮椅后腿的位姿调节更加灵活;后腿机构关键点处受力明显减小,有效减少了工作过程中噪声的产生,使轮椅运行更加平稳。总之,优化设计使轮椅的各项性能得到了明显提升。