汉口学院机电工程学院 湖北省 武汉市 430212
摘要：现时代，人口老龄化愈发严重。从国家统计局的数据得知，在2016年时，我国65岁老年人高达1.5亿人。随着年龄的增长，人的身体功能就会有不同层度的退化。而老年人爬楼这件事已经成为一个重要的社会问题。且肢体残障人士的日常生活问题也是社会关注的一个重大问题，为了改善这两类人群的社会参与感，现给出一种可以爬楼装置的机械部分设计。首先根据国内外现有的研究成果进行分析，然后再制定一套可行性较大的方案进行设计，然后用creo4.0进行三维图的绘制，最后用Workbench进行结构分析。
关键词：爬楼机；轮椅；Creo；Workbench
1绪论
1.1爬楼机国内外研究现状
爬楼机的研究与发明已经有很多年了，早在1892年美国人Bray就发明了爬楼机的专利了。而随着现在科学技术的发展，以前想到做不到的事情，慢慢变为可能。就在近几年里，美国、日本及欧洲一些国家的公司推出了很多爬楼产品。但是这些价格高昂，无法普及到一般群众的生活里去。而我国起步晚，研究的时间也有限，目前为止还没有比较成熟的产品推广到市场里，大多数还停留在研究阶段。在采用合适的转换支撑系统的同时，控制机械运动的按钮操作杆的设计要在符合人体工程学的基础上，使相应机械的操作杆能通过实践实现载人爬楼的基本需求满足。
因载人爬楼机的机械装置形式多种多样，这之中主要涵盖有轨道式爬楼机械装置、悬挂房顶轨道的上楼装置、上下楼道的电梯间形式、承载轮椅平台形式、多功能上楼装置的形式。
1.2爬楼机的发展趋势
经上所述，爬楼机的日后发展趋势可以从技术方向与市场方向分析得出大体发展趋势。
(1)市场方向：从市场的角度来看，一款产品最好是价格实惠，方便安全，外形美观等优点集于一身的产品。从市场方向出发，研发一款新的爬楼机必须要能方便加工，不能复杂化，不然就会像iFOOT这类爬楼轮椅一样，无法普及市场。所以大胆预测以后的爬楼机的大体发展趋势多为步进支撑式爬楼机。它有这便捷的“身体”，独立于轮椅，自成一个模块，能完成单独的一个功能。这样可以减少生产成本，价格也能实惠便于大众消费。
(2)技术方向：从技术方向来看，爬楼机的发展趋势必然是向结构简单，功能强大的方向进行，而星轮式爬楼轮椅与履带式爬楼轮椅的结构多为统一格式，很难再开发下去，所以这种的爬楼轮椅可能会没有竞争力了。相比之下步进式爬楼轮椅还有多种形态可供开发，在这个方向继续走下去可能会出现一种满足以上提到的爬楼轮椅，结构简单功能强大的爬楼轮椅，但是这种爬楼轮椅不易连续上楼，所以在原来的步进式爬楼轮椅基础上需要做出相应的改进，使其在在技术上满足能爬楼的功能，且结构简单，安全。
2爬楼机的机械部分的设计
2.1三维设计软件的选择
三维设计软件有多种，如UG，SOLIDWORKS，CATIA，CREO等，他们各有突出点，如UG，SOLIDWORKS，这两款是在Windows系统环境下诞生的，所以对我们习惯用Windows操作系统的人而言他的操作界面是非常友好的，CATIA在汽车领域用的比较多。Creo是整合了PTC公司的三个软件Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件包，是PTC公司闪电计划所推出的第一个产品。它的易用性高，界面人性化，绘制三维模型图时参数化较高，便于设计师们设计出与自己想产品相近的模型。且它的功能强大，里面有制图，装配，运动分析，受力分析等优点。故本次设计将在CREO4.0环境下设计出模型图。
2.2整体设计方向分析
拟定的整体方向为设计一款独立的，可以和轮椅搭配的装置，能够完成上楼功能。主要适用人群为腿脚不便的老年人与肢体残障人士。使他们的社会参与感增加，且为他们的生活带来改善。装置主要是运行环境设定为居民楼道。
在确认了运行环境的前提下，设计目标确定为以下几点：
装置应能与多种轮椅进行组装，且要稳定，安全。
尽量是结构简单，操作简单。
人性化设计，让适用人群不感到适用困难。
2.3爬楼原理解析
本爬楼装置共有两个关键齿轮，与四条“腿”及两个前轮组合而成，在攀爬楼梯时主要以微机系统来巧妙的控制齿轮的转动，控制精度必须达到1mm，不然产生的轮椅抖动很容易造成重心不稳，从而造成安全隐患。平地行走装置为两个驱动后轮与前实心轮组成。在平地行走时以驱动后轮提供驱动力，推动整个轮椅行走。用前实心轮控制单边停止转动来控制专项问题。
3爬楼机结构分析
3．1软件选择
结构分析有多种软件可供选择，其中有PRO/E,UG,CATIA,ANSYS等，其中PRO/E,UG,CATIA这三种多为在绘制三维图的时候用处比较多，在结构分析这一快，它的功能就薄弱一点。而ANSYS这款软件，就是以有限元为核心而编写的一款程序，它的功能十分强大。
ANSYS最常用的是APDL界面，它能直接通过编程来模拟要分析的问题，如此效率就大大提高，但是界面不怎么友好，而本文选用Workbench 15.0它也是ANSYS软件，但是它对比与APDL界面就显得非常友好，界面简单方便操作，而且里面有很多东西已经被设置好。
3.2软件的参数设置
典型的ANSYS分析过程可分为三个步骤，前处理，求解，后处理。一般的打开Workbench之后，首先将静力学模块拉入空白处，然后将绘制好的三维示意图导出.stp格式的文件，加入到文件里面，然后就进入到Mechanical界面开始调整一些参数。进入里面之后，首先开始对要分析的产品进行材料选择，选择完材料之后，就需要开始划分单元格，如果没有特殊要求，一般用系统自动划分的算法就可以了。
单元格划分完毕之后，就需要开始添加条件了，比如添加一些约束，力，应力等，针对爬楼轮椅在爬楼过程中的受力，我将其底部添加支撑力，这无需填写大小，程序会自动计算出应该有的支撑力，如图3.5。后根据爬楼过程中，使用者会随坡度而不同程度的对着轮椅产生压力，现假设使用者的体重为200KG，重力加速度为9.8N/ KG那么他对座位的压力为：
根据计算得出的数据将其在ANSYS里建立数据.
预处理完了之后，就可以进行求解，我将整体形变加入到了最后的求解问题，还将等效应力也加入到了形变里。现在可以直接点击求解。
3.3数据的处理
经过以上步骤，我们可以得到装置在搭载使用人时，整个装置的形变量，图3.7。从图中我们可以看到整个装置形变最严重的是靠背部分，且其余地方形变不是那么明显。且这云图充分说明了，若是采用结构钢材来制作这个装置的话它完全可以承受200公斤的使用者。但靠背部分仍需改进结构方面，以便达到靠背变形不要很大且可以满足普通人的受力要求。
该装置在上述的压力情况下的应力变化图，大多数应力集中在两只“脚”的底部，靠背的下方与座椅的连接处，还有一些连接处。由这求解数据知道，应力主要分布于产品的连接处，且截面面积小的地方受到的应力较到。
参考文献:
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论文作者:宛佳林
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/3
标签：轮椅论文; 装置论文; 结构论文; 方向论文; 应力论文; 步进论文; 发展趋势论文; 《防护工程》2018年第28期论文;