本發(fā)明屬于機械設計與電子控制
技術領域：
，涉及一種基于無線通信控制技術的自動助力爬樓椅裝置。
背景技術：
：目前，對于大部分年老體弱者以及下肢傷殘者來說，上下樓是一個不小的難題，尤其國內(nèi)城市的多層公寓式住房以及農(nóng)村的獨棟式住宅，大部分樓房都沒有配備電梯。另外，大部分城鎮(zhèn)中的設施、公園一些道路都使用多個臺階相連，居民樓梯以及公共場所的臺階給腿腳不便的殘障者和高齡人群出行帶來極大不便。目前，雖然政府加大城市建設與改造，很多公共場所出現(xiàn)無障礙設施，同時不同類型的助行器出現(xiàn)在市場，這些都在一定程度擴大了高齡人群和殘障者活動范圍，但是居民樓梯限制輪椅的使用，無法解決居家殘障人士和高齡人群的上下樓問題。特別在一些養(yǎng)老機構(gòu)，護理人員采用背負方式上下樓梯，基于此，研發(fā)并設計一款價格適中，性能穩(wěn)定的自動助力爬樓椅尤為重要。目前，市面上輔助老年人和下肢殘障者上下樓梯的爬樓椅主要有3種：(1)軌道固定(2)自由移動(3)輔助加載三大類。但是存在一些不足：1.固定軌道爬樓椅成本高，普通家庭難以承擔高額的費用，需要安裝固定的軌道升降裝置。2.自由移動和輔助加載裝置成本略低，但目前安全性低，必須有護理人員在旁輔助使用，人為因素占主導地位，存在嚴重的安全隱患。鑒于此，為了幫助弱勢群體，緩解國家社會經(jīng)濟、醫(yī)療護理各方面的巨大壓力，更好的關懷老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質(zhì)量，設計并完成一套基于無線通信控制技術的自動助力爬樓椅裝置，用來幫助殘疾人、老人、孕婦、小孩安全快捷的上下樓梯。整個裝置采用直流渦輪蝸桿電動機做原動力；采用齒輪、齒條做傳動機構(gòu)；采用平面導軌、滾珠滑塊配合做為承重運載機構(gòu)；自主設計齒條支撐架，把整個機構(gòu)安全的固定在樓梯上；為了滿足人體力學要求，通過ug建模、受力校核之后，選用6061鋁作為爬樓椅的骨架結(jié)構(gòu)材料；底板與座椅之間自主設計了弧形塊機構(gòu)，用來調(diào)節(jié)座椅平面的斜度，使爬樓椅適應各種斜度的樓梯；座椅底板自主設計了加固機構(gòu)，保障了爬樓椅的安全性；滑軌的兩端自主設計了安全擋塊，進一步保障了爬樓椅的安全性。外包材料采用鍍鋅鐵皮，使用鉗工工藝加工出符合尺寸的外包零件。為了滿足乘坐的舒適性，用海綿和真皮包裝了爬樓椅外表面。自動助力爬樓椅的控制部分采用stc89c52單片機作為主控制器，選用無線收/發(fā)模塊pt2272和pt2262作為信號無線通信處理單元，可以無線控制電機停止和運行；為了防止爬樓椅運行到樓梯起始節(jié)點溢出，采用超聲波測距器hc-sr04計算發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，進而計算出超聲波發(fā)生器與障礙物之間的距離，一旦檢測到爬樓椅運動到滑軌起始和終點擋塊的距離小于10cm停止運行，保障使用者安全；爬樓椅的運動依靠半橋芯片驅(qū)動大功率mos管帶動直流渦輪蝸桿電機轉(zhuǎn)動，完成爬樓椅運動功能。該裝置幫助老年人和殘疾人上下樓，是一款性能優(yōu)越的代步工具，豐富了特殊群體生活的出行方式，裝置性能優(yōu)越，造價低廉，應用場合廣泛，該裝置對機械制造技術和無線通信控制技術在城市智慧生活建設中的應用推廣具有重要的現(xiàn)實意義。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，面向殘疾人、老人、孕婦、小孩群體提供一種基于無線通信控制技術的自動助力爬樓椅裝置。本發(fā)明所采用的技術方案如下：一種基于無線通信控制技術的自動助力爬樓椅裝置,其特征在于包括機械機構(gòu)、電子控制電路和外觀包裝結(jié)構(gòu)；機械機構(gòu)包括承重運載機構(gòu)、動力機構(gòu)、傳動機構(gòu)、安全機構(gòu)、角度調(diào)節(jié)機構(gòu)；承重運載機構(gòu)包括三個支架、一根直齒條、一個平面滑軌、兩個平面滑塊、一個底板、兩個調(diào)節(jié)塊、一個豎桿、兩個調(diào)節(jié)螺母、一個坐板墊塊、一個座板、三個直角塊、一個靠腿板、兩個直角支撐、一根鋁條、兩對踏板轉(zhuǎn)塊組、一個踏板、一個背靠支撐板、一個背靠板、兩個扶手支架、兩個扶手和多個螺栓螺帽；直齒條底面的上端、下端和中間部位分別與支架的上支撐面焊接；支架的底端面對應樓梯臺階上表面打有通孔，支架和木板通過螺栓連接；平面滑軌底面平行貼合焊接在直齒條上表面，兩個安全擋塊采用螺紋連接貼合固定在直齒條的兩端平面上；兩個平面滑塊間隙配合在平面滑軌上；底板對應平面滑塊上螺紋孔的位置打通孔，底板與平面滑塊通過螺栓連接；調(diào)節(jié)塊與底板螺紋連接，豎桿兩端攻外螺紋，豎桿與調(diào)節(jié)塊螺紋連接，座板墊塊與豎桿螺紋連接，豎桿與調(diào)節(jié)塊和座板墊塊之間分別裝有調(diào)節(jié)螺母；調(diào)節(jié)塊與調(diào)節(jié)塊用螺紋連接，調(diào)節(jié)塊和調(diào)節(jié)塊共同構(gòu)成調(diào)節(jié)機構(gòu)，用來保障座板在不同斜度的樓梯上保持與地面平行；座板與座板墊塊螺紋連接，用三個直角塊把座板和靠腿板通過螺栓連接，兩個直角支撐通過螺栓連接把靠腿板固定在底板上，兩對踏板轉(zhuǎn)塊通過螺栓連接把踏板固定在靠腿板上，鋁條通過螺栓連接固定在靠腿板的背面的底部，鋁條提供支撐踏板放下去的限位面；靠背支撐板用四顆螺栓連接的方式固定在座板上；靠背板用螺栓連接的方式固定在靠背支撐板上；兩個扶手支架的同一端用螺紋連接的方式固定在靠背支撐板的兩邊，扶手支架另一端打有通孔，兩個扶手的同一端與扶手支架打通孔，扶手通過螺栓連接的方式配合在扶手支架上；動力機構(gòu)和傳動機構(gòu)包括一個齒輪、一根直齒條、一個直流蝸輪蝸桿電動機，直流蝸輪蝸桿電動機與底板螺紋連接，電機輸出軸銑削出一個小平面，電機輸出軸通過過盈配合在軸套上，把齒輪過盈配合在軸套上，齒輪齒輪放置在直齒條側(cè)面，與直齒條齒輪齒條配合；安全機構(gòu)包括防側(cè)翻機構(gòu)、限位機構(gòu)，防側(cè)翻機構(gòu)包括一個滑輪組、一個滑輪支架、兩根滑輪軸、兩根支架連接桿；滑輪組通過螺紋連接固定在滑輪軸上，兩根滑輪軸通過螺紋連接固定在滑輪支架上，滑輪支架上打有兩個通孔，兩根螺桿組成的支架連接桿把滑輪支架通過螺柱連接的方式固定連接在底板底面，使得滑輪與直齒條是平面的那一個側(cè)面貼合接觸，從而使得滑輪既能夠在側(cè)面上滑動又防止了爬樓椅的側(cè)翻；限位機構(gòu)包括兩個擋塊，兩個擋塊用螺紋連接的方式分別貼合固定在直齒條的兩端面上；角度調(diào)節(jié)機構(gòu)包括兩個調(diào)節(jié)塊、一個圓柱銷和一個螺釘，兩個調(diào)節(jié)塊是兩個相互配合的弧形塊，將兩個調(diào)節(jié)塊調(diào)到所需要的角度并用螺釘將調(diào)節(jié)塊柄牢，柄牢的調(diào)節(jié)塊不會相對運動，從而保證了椅面的水平。電子控制電路包括包括處理器控制模塊、避障檢測模塊、電機驅(qū)動模塊和無線通信模塊；處理器控制模塊包含處理器u1、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、晶振y1、第一按鍵s1、第一電阻r1；所述的第一電容c1的一端與第一按鍵s1及供電電源5v連接，另一端與第一按鍵s1的另一端及u1第9引腳rst及第一電阻r1的一端連接；所述的第二電容r2一端與u1的第18引腳xtal2及晶振y1的一端連接，另一端與第三電容c3的一端及地線連接；所述的第三電容c3的一端與第二電容c2的一端及地線連接，另一端與晶振y1的一端及u1的第19引腳xtal1連接；所述的晶振y1的一端與第二電容c2的一端及u1的第18引腳xtal2連接，另一端與第三電容c3的一端及u1的第19引腳xtal1連接；所述的第一按鍵s1的一端與第一電容c1的一端及供電電源5v連接，另一端與第一電容c1的另一端及u1的第9引腳rst連接；所述的第一電阻r1的一端與第一電容c1的一端及u1的第9引腳rst連接，另一端與地線連接；u1的p1.0引腳與d1的d1連接；u1的p1.1引腳與d1的d2連接；u1的p1.2引腳與d1的d3連接；u1的p0.0引腳與a1的pwm引腳連接；u1的p0.1引腳與a1的in1引腳連接；u1的p0.2引腳與a1的in2引腳連接；所述的處理器u1采用的是stc89c52；所述的晶振y1采用的晶振是12mhz；避障檢測模塊包括超聲波模塊p1、超聲波模塊p2；所述的p1的第一引腳vcc與供電電源5v連接；所述的p1的第二引腳trig腳與u1的p1.6腳連接；所述的p1的第三引腳echo腳與u1的p1.7腳連接；所述的p1的第四引腳gnd與地線連接；所述的p2的第一引腳vcc與供電電源5v連接；所述的p2的第二引腳trig腳與u1的p0.6腳連接；所述的p2的第三引腳echo腳與u1的p0.7腳連接；所述的p2的第四引腳gnd與地線連接；所述的超聲波模塊p1、超聲波模塊p2的型號為均為hc-sr04；電機驅(qū)動模塊包括15a大功率直流電機驅(qū)動模塊a1、jm-038永磁直流電動機m；所述的a1的第一引腳gnd與地線連接；所述的a1的第二引腳pwm與u1的p0.0腳連接；所述的a1的第三引腳in1與u1的p0.1腳連接；所述的a1的第四引腳in2與u1的p0.2腳連接；所述的a1的第五引腳com與供電電源5v連接；所述的a1的第六引腳out1與m的一端連接；所述的a1的第七引腳out2與m的另一端連接；所述的a1的第八引腳+12v與供電電源12v連接；所述的a1的第九引腳gnd與地線連接；所述的m一端與a1的第六引腳out1連接，另一端與a1的第七引腳out2連接；無線通信模塊包括無線發(fā)送模塊和無線接收模塊，其中無線發(fā)送模塊選擇yk200-4，無線接收模塊采用型號為pt2272的無線接收模塊d1，d1的第一引腳與u1的p1.0腳連接；所述的d1的第二引腳d2與u1的p1.1腳連接；所述的d1的第三引腳d3與u1的p1.3引腳連接；所述的d1的vcc腳與供電電源的5v連接；所述的d1的gnd腳與地線連接。外觀包裝結(jié)構(gòu)包括一張鐵皮外包、兩塊泡沫板、若干海綿和真皮；用鉗工把鍍鋅鐵皮做成配合整體機械結(jié)構(gòu)的外包裝，并在鐵皮后面預留一個空間，用于電子控制模塊的拆裝和后期維修；鍍鋅鐵皮和底板、靠腿板通過螺紋連接在一起，鐵皮外包把支撐桿和電子控制電路包裹在里面，一方面保護電子設備不受人為損壞，另一方面起到對靠腿板的支撐固定作用；兩塊泡沫板用雙面膠固定在鍍鋅鐵皮外包頂部，起到封裝包裝作用；根據(jù)背靠板、背靠支撐板、座板、靠腿板、踏板的大小來裁剪相配合的海綿，將海綿覆蓋在與人體接觸的正面；用真皮包裹海綿，真皮包裹的背面用皮筋箍緊。本發(fā)明通過無線通信控制以及對壁障模塊進行超聲波測距，利用控制器對信號處理，實現(xiàn)爬樓椅自動上下樓的運動功能。本發(fā)明實現(xiàn)了爬樓機的安全性、便捷性、舒適性、廣泛性、實惠性，特別適合在七層以下的住宅樓中長期使用。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果：(1)實現(xiàn)了助力爬樓的安全性：6061鋁作為爬樓椅的骨架結(jié)構(gòu)材料，兩個直角支撐和一根25mm的鋁棒作為支撐機構(gòu)，保障了爬樓椅結(jié)構(gòu)上優(yōu)良的穩(wěn)定性能。在滑軌兩端裝上安全裝置，在電子反饋控制安全的基礎上，還有物理制動安全防護，電子物理雙重防護保障了爬樓椅行走以及運行的安全性；(2)實現(xiàn)了助力爬樓的便捷性：一鍵上下樓，起點和終點均有自主檢測安全?？垦b置，為殘障人士上下樓提供便利性和易操控性；(3)實現(xiàn)了助力爬樓的舒適性：本爬樓椅采用海綿包裹骨架，真皮覆蓋海綿的外觀包裝設計，給用戶提供了極為舒適的乘坐體驗；(4)實現(xiàn)了助力爬樓的廣泛性：本爬樓椅適用于七層以下住宅樓任何類型的樓梯(斜度不同、階梯寬度高度不同)，彌補了市面上七層以下住宅樓無助力爬樓的技術空白；(5)實現(xiàn)了助力爬樓的實惠性：本爬樓椅結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，性能優(yōu)越，具有很好的研究意義和市場價值。本發(fā)明已在多層住宅樓中成功應用。附圖說明圖1為本發(fā)明中系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)正面示意圖；圖2為本發(fā)明中系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖；圖3為本發(fā)明中系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)俯視示意圖；圖4為本發(fā)明中系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)齒輪齒條機構(gòu)局部放大圖；圖5為本發(fā)明中系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)直角塊局部放大圖；圖6為本發(fā)明中系統(tǒng)電子控制電路示意圖；圖7為本發(fā)明中系統(tǒng)電子控制工作示意圖；具體實施方式以下結(jié)合附圖和具體實施過程進一步闡明本發(fā)明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。如本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖正視圖圖1、側(cè)視圖圖2、俯視圖圖3、齒輪齒條機構(gòu)局部放大圖4、直角塊局部放大圖5所示，本發(fā)明的主體細化結(jié)構(gòu)如下：座板墊塊23上有四個螺紋孔，座板40上有對應的沉頭孔，兩者通過螺栓固定在一起。座板40與靠腿板10上各自有三個對稱的沉頭孔，通過三個直角塊21-1、21-2、21-3邊上的孔與兩個部件用螺栓進行連接。再通過直角支撐32、35將靠腿板10和底板28連接以保持靠腿板10和底板28之間的垂直度。靠腿板轉(zhuǎn)塊11、13和踏板轉(zhuǎn)塊12、14相互組合，依靠該組件完成靠腿板10和腳踏板41之間的連接。鋁條33用螺栓連接固定在靠腿板10的背面。座板40上端有四個沉頭孔與靠背支撐板9對應并用螺栓連接固定?？勘嘲?下端有四個通孔與靠背支撐板9上端對應并用螺栓連接固定?？勘嘲?兩側(cè)有兩個通孔，兩個扶手支架37、38一端攻有螺紋孔，扶手支架37、38用螺栓固定在靠背板8兩側(cè)。扶手支架37、38另一端打有通孔，扶手36、39一端有同心的通孔，兩者通過螺栓連接在一起。直流蝸輪蝸桿電動機26為主要的動力輸出裝置，電動機26上有三個螺紋孔和一個電機輸出軸，利用電動機26上的螺紋孔用螺栓把電動機固定在底板28上。齒輪43與軸套42通過過盈配合連接，電動機26的輸出軸與軸套42通過間隙配合連接，軸套42側(cè)面有一個螺紋孔，用螺栓頂緊電動機26輸出軸上的小平面實現(xiàn)電動機輸出軸和軸套42兩組件的配合。實現(xiàn)電動機輸出軸功率的輸出，齒輪43放置在直齒條4側(cè)面，與直齒條4齒輪齒條配合，實現(xiàn)爬樓椅的爬樓動作。防側(cè)滑裝置的主要機構(gòu)為滑輪組20?；喗M20上有兩個螺紋通孔，用兩根雙頭螺栓連接滑輪組和連接塊上端面(上端面與側(cè)面各有兩個中心對稱螺紋孔的小塊)。再用兩根雙頭螺栓用來連接連接塊與底板28。保證滑輪組的位置貼合直齒條的平滑面。擋塊2、16作為主要的限位機構(gòu)，用小螺栓固定在直齒條4兩個斷面的螺紋孔位。承重裝置主要由基層的承重機構(gòu)通過直齒條4上的若干個通孔與三個支架4通過螺栓連接的方式連接在一起，三個支架1、5、19通過側(cè)面的兩個孔位與木板3用螺栓固定。平面滑軌6上有若干個沉頭孔，分別對應直齒條4上的若干個螺紋孔，兩者除了通過螺栓連接外，在平面滑軌6側(cè)面與直齒條表面用點焊方式固定。平面滑塊17、18內(nèi)裝有滾珠，通過小間隙與平面滑軌6配合。平面滑塊17、18上有四個螺紋孔，底板28上有對應的通孔，兩者通過螺栓固定在一起。調(diào)節(jié)塊30、31底面有四個螺紋孔，與底板28中心四個通孔對應，兩者通過螺栓連接固定。調(diào)節(jié)塊30與調(diào)節(jié)塊31通過長螺栓連接。豎桿24兩端攻有螺紋，一端與調(diào)節(jié)塊31連接，一端與座板墊塊22連接。豎桿24與調(diào)節(jié)塊31和座板墊塊22之間裝有調(diào)節(jié)螺母23、25。本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖側(cè)視圖圖2所示，電子控制模塊放在尺寸為200x80x80(mm)的塑料無蓋盒子34里，無蓋盒子34底面用雙面膠粘在底板28上，無蓋盒子34側(cè)面較寬的那一側(cè)面用雙面膠黏在鋁條33的內(nèi)側(cè)面。超聲波探頭7、15間隙配合放置在鐵皮包裝中的通孔里。鋰電池27放置在底板28上表面右下側(cè)處，鋰電池27一面黏上雙面膠黏在底板28上表面右下側(cè)處。直流電機驅(qū)動輸出端電線接在電機26的電源線上，給直流電機供電。電動機26上有三個螺紋孔和一個電機輸出軸，利用電動機26上的螺紋孔用螺栓把電動機固定在底板28上。齒輪43與軸套通過過盈配合連接，電動機26的輸出軸與軸套42通過間隙配合連接，軸套42側(cè)面有一個螺紋孔，用螺栓頂緊電動機26輸出軸上的小平面實現(xiàn)兩組件的配合。實現(xiàn)電動機輸出軸功率的輸出，齒輪43放置在直齒條4側(cè)面，與直齒條4齒輪齒條配合，實現(xiàn)爬樓椅的爬樓動作。如圖6所示電子控制電路包括處理器控制模塊u1、避障檢測模塊p1和p2、電機驅(qū)動模塊a1和無線通信模塊，無線通信模塊包括無線接收模塊d1和無線發(fā)送模塊，無線發(fā)送模塊選擇yk200-4(200米桃木撥碼四鍵遙控器)。所述的第一電容c1的一端與第一按鍵s1及供電電源5v連接，另一端與第一按鍵s1的另一端及u1第9引腳rst及第一電阻r1的一端連接。所述的第二電容r2一端與u1的第18引腳xtal2及晶振y1的一端連接，另一端與第三電容c3的一端及地線連接。所述的第三電容c3的一端與第二電容c2的一端及地線連接，另一端與晶振y1的一端及u1的第19引腳xtal1連接。所述的晶振y1的一端與第二電容c2的一端及u1的第18引腳xtal2連接，另一端與第三電容c3的一端及u1的第19引腳xtal1連接。所述的第一按鍵s1的一端與第一電容c1的一端及供電電源5v連接，另一端與第一電容c1的另一端及u1的第9引腳rst連接。所述的第一電阻r1的一端與第一電容c1的一端及u1的第9引腳rst連接，另一端與地線連接。所述的u1采用的是stc89c52,所述的y1采用的晶振是12mhz。所述的p1的第一引腳vcc與供電電源5v連接。所述的p1的第二引腳trig腳與u1的p1.6腳連接。所述的p1的第三引腳echo腳與u1的p1.7腳連接。所述的p1的第四引腳gnd與地線連接。所述的p2的第一引腳vcc與供電電源5v連接。所述的p2的第二引腳trig腳與u1的p0.6腳連接。所述的p2的第三引腳echo腳與u1的p0.7腳連接。所述的p2的第四引腳gnd與地線連接。所述的a1的第一引腳gnd與地線連接。所述的a1的第二引腳pwm與u1的p0.0腳連接。所述的a1的第三引腳in1與u1的p0.1腳連接。所述的a1的第四引腳in2與u1的p0.2腳連接。所述的a1的第五引腳com與供電電源5v連接。所述的a1的第六引腳out1與m的一端連接。所述的a1的第七引腳out2與m的另一端連接。所述的a1的第八引腳+12v與供電電源12v連接。所述的a1的第九引腳gnd與地線連接。所述的m一端與a1的第六引腳out1連接，另一端與a1的第七引腳out2連接。所述的u1采用的是51單片機芯片。所述的pt2272無線接收模塊d1的第一引腳與u1的p1.0腳連接。所述的d1的第二引腳d2與u1的p1.1腳連接。所述的d1的第三引腳d3與u1的p1.3引腳連接。所述的d1的vcc腳與供電電源的5v連接。所述的d1的gnd腳與地線連接。機械機構(gòu)包括承重運載機構(gòu)、動力機構(gòu)、傳動機構(gòu)、防側(cè)翻機構(gòu)、限位機構(gòu)、角度調(diào)節(jié)機構(gòu)。1.承重運載機構(gòu)選取平面滑軌滑塊作為爬樓椅的運載機構(gòu)，經(jīng)過力學校核選用egw-25sa規(guī)格平面滑軌滑塊。為了保障乘坐爬樓椅人員的安全，采用6061鋁作為承重運載機構(gòu)骨架結(jié)構(gòu)，其中底板是整個機械結(jié)構(gòu)的主要承載機構(gòu)，經(jīng)過對底板承載所有零部件合理布局，選用300×250×5(mm)尺寸的6061鋁板作為底板。其中角度調(diào)節(jié)機構(gòu)是基于對座板始終保證與地面平行的考慮，為支撐桿與底板提供間接連接。調(diào)節(jié)塊上設計一個座板支撐結(jié)構(gòu)，給人提供乘坐的高度空間，選取豎桿作為座板支撐結(jié)構(gòu)，豎桿的長度選取以大多數(shù)人體坐姿時小腿部的長度為基準，豎桿的直徑通過力學校核計算，選用尺寸為鋁棒。為了把座板銜接在鋁棒上，設計了深度為15mm、規(guī)格為m25的內(nèi)螺紋，將座板墊塊與豎桿連接，鋁棒上端設計長度為25mm、規(guī)格為m25的外螺紋，實現(xiàn)鋁棒和座板墊塊連接。墊塊上表面設計四個深度為25mm、規(guī)格為m5的螺紋孔，采用螺紋連接的方式把座板固定在座板墊塊上，選定70×50×25(mm)的鋁塊作為座板墊塊。為了提供人乘坐的平面，設計了座板，基于對人坐下所占面積的標準和結(jié)構(gòu)安全性考慮，確定尺寸為350×300×5(mm)座板。為了乘坐人的安全性和舒適性，設計了背靠板以提供人的背部支撐，設計尺寸為350×170×3(mm)的靠背板。為了把靠背板安裝到合適的高度，設計了靠背支撐板，采用尺寸100×300×3(mm)的鋁板，用鉗工制作出合適的靠背支撐板。為了進一步保障乘坐人的安全和舒適性，用尺寸為150×75×2(mm)的鋁板，采用鉗工加工出尺寸合適的扶手，限制了乘坐人身體左右的自由度，提供了手臂抓持爬樓椅的力臂，保障了乘坐人的安全。為了提供乘坐人小腿部可以依靠的力面，設計了尺寸為400×350×3(mm)的靠腿板，采用小角質(zhì)螺紋連接把靠腿板和座板連接在一起。為了提供乘坐人腳的放置位置，設計了尺寸為350×200×3(mm)的腳踏板。為了提供支撐靠腿板的力，采用直角支撐塊用螺栓連接的方式一端連接在靠腿板上，一端連接在底板上，進一步加強爬樓椅結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2.動力機構(gòu)動力機構(gòu)的選取考慮到爬樓椅負載爬樓所需功率，經(jīng)過計算校核，選取規(guī)格為12v/80w的直流蝸輪蝸桿電動機作為動力機構(gòu)。計算校核過程如下：所需拉力f1＝g×sinα＝80×9.8×sin26.5°＝350n電動機的輸出功率p1＝f1×v＝350n×0.2m/s＝70w電動機的額定功率pη1--電動機效率η2--齒輪齒條傳動效率查閱機械設計手冊得到：電動機η1＝0.93齒輪齒條η2＝0.95電動機額定功率p＝p1/(η1*η2)＝70w/(0.93×0.95)＝79w考慮到經(jīng)濟學和實用性，現(xiàn)選取功率為80w的直流渦輪蝸桿電動機，參數(shù)如下：表1電機性能表功率額定電壓轉(zhuǎn)速r/min自重80w12v503kg3.傳動機構(gòu)的設計理念為了實現(xiàn)爬樓椅上下樓的動作，經(jīng)過力學計算校核，確定選用最為合適的三模齒輪齒條作為傳動機構(gòu)，其中齒輪選用三模25齒的齒輪。計算校核過程如下：考慮到運載負重的特點，選用模數(shù)為3模的齒輪齒條為爬樓椅的傳力機構(gòu)。由運行速度v＝0.2m/s＝12×10-2m/min；v＝nπd齒輪分度圓直徑查閱機械設計手冊，三模齒輪參數(shù)如下表：表2齒輪參數(shù)表故選用3模25齒的國標標準直齒輪。4.防側(cè)翻裝置設計理念為了保障爬樓椅運動的平穩(wěn)性，在底板底部設計了防側(cè)滑機構(gòu)。防側(cè)翻機構(gòu)包括一個滑輪組、一個滑輪支架、兩根滑輪軸、兩根支架連接桿。滑輪組通過螺紋連接固定在滑輪軸上，兩根滑輪軸通過螺紋連接固定在滑輪支架上，滑輪支架上打有兩個通孔，兩根螺桿組成的支架連接桿把滑輪支架通過螺柱連接的方式固定連接在底板底面，使得滑輪與直齒條是平面的那一個側(cè)面貼合接觸，把底板上承載的力分散到齒條上?；喖瓤梢栽趥?cè)面上滑動、又防止了爬樓椅的側(cè)翻。5.限位機構(gòu)設計理念為了爬樓椅爬到滑軌頂端和底端時能夠安全停靠，給超聲波測距器提供檢測反饋的對象，采用尺寸為4x30x80(mm)的鋼板作為限位機構(gòu)，用螺紋連接的方式把兩塊鋼板分別固定在齒條的頂端和底端。這樣爬樓椅爬到齒條的底端或頂端時，超聲波測距器會在安全距離內(nèi)檢測到限位機構(gòu)并向處理器發(fā)送檢測信號，處理器處理檢測信號后控制電動機停止轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了爬樓梯的安全?？?。6.角度調(diào)節(jié)機構(gòu)設計理念為了使乘坐者的舒適性得到保障，爬樓椅的座椅平面必須一直與地面保持平行，因此設計了角度調(diào)節(jié)機構(gòu)。設計出可以相對轉(zhuǎn)動，用來調(diào)節(jié)角度的兩個相同結(jié)構(gòu)的弧形塊?；⌒螇K設計以40x58x60(mm)的鋁塊為原料，在40x58(mm)的平面上加工出r20mm、寬度為20mm的外凸弧形面，在40x58(mm)的平面上加工出20x58x30(mm)的凹槽，在凹槽平面上加工出r20mm的內(nèi)凹弧形面。兩個弧形塊通過兩個弧形面間隙配合，兩個弧形塊可以相對轉(zhuǎn)動?？紤]到弧形塊組之間可能產(chǎn)生的滾動，弧形塊組加工出規(guī)格為φ14深度為58的螺紋孔，把規(guī)格為φ14、長度為60的長螺釘全部擰進φ14的螺紋孔里，長螺釘擰緊后弧形塊組角度被固定。當弧形塊組配合并調(diào)節(jié)到需要的角度后，再加工出φ4的通孔，把規(guī)格為φ14、長度為60的長螺桿擰緊并把規(guī)格為φ4長度為60的銷釘插進φ4的通孔中，用來固定角度調(diào)節(jié)機構(gòu)。電子控制部分電路所述的處理器型號stc89c52；壁障檢測模塊hc-sr04；電機驅(qū)動模塊gr6953；無線接收模塊pt2272；無線發(fā)送模塊pt2262；無線發(fā)送模塊選擇yk200-4(200米桃木撥碼四鍵遙控器)。如圖6所示，無線發(fā)射模塊選擇yk200-4(200米桃木撥碼四鍵遙控器)pt2262。解碼接收器pt2272輸出端d0-d2均為低電平，其中d0接單片機p1.0引腳，d1接單片機的p1.1引腳，d2接單片機的p1.2引腳，當pt2272接收模塊接收到pt2262發(fā)射的315mhz信號時，經(jīng)放大、變頻、濾波等處理后輸出信號，送到第14腳進行解碼。只有接收端pt2272地址端電平狀態(tài)與發(fā)射端pt2262地址端一致，對應的輸出端d0-d2才有高電平輸出。考慮對樓梯起始和終點兩端軌道擋塊的監(jiān)測，采用兩塊超聲波測距電路，選擇hc-sr04做為爬樓椅到擋塊距離監(jiān)測的超聲波裝置，采用io觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號，超聲波自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，一旦有信號返回，通過i/o輸出高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。其中2個hc-sr04中2腳產(chǎn)生脈沖信號與單片機p1.6腳、p0.6腳相連，3腳是接收回波用來測時間2個hc-sr04中3腳與單片機的p1.7腳和p0.7腳相連。電機驅(qū)動模塊采用半橋驅(qū)動模塊gr6953。單片機的電源地接驅(qū)動模塊的com；pwm腳接單片機的p0.0，用于調(diào)速；in1和in2與單片機的p0.1和p0.2相連，控制電機正反轉(zhuǎn)及剎車。由單片機stc89c52rc編程產(chǎn)生40khz的8個脈沖信號加到超聲波傳感器上，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。當?shù)谝粋€超聲波脈沖群發(fā)射結(jié)束后，單片機內(nèi)計數(shù)器開始計數(shù)，在檢測到第一個回波脈沖的瞬間，計數(shù)器停止計數(shù)，這樣就得到了從發(fā)射到接收的時間差δt；根據(jù)公式s＝v*δt/2計算出被測距離送至單片機。單片機利用回傳回來的數(shù)據(jù)判斷物體的實際距離是否到達設置的限制10cm，一旦到達就會自動停止運動。圖7給出本發(fā)明中系統(tǒng)電子控制部分工作示意圖設備開機初始化端口及超聲波模塊，系統(tǒng)開始正常工作，此時系統(tǒng)不斷地掃描是否有按鍵按下致使相應的引腳置高電平。用戶手持無線發(fā)送模塊，通過按下按鍵a，按鍵b，按鍵c來驅(qū)動電機處于不同工作狀態(tài)。一旦檢測到按鍵a按下，處理器驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)，當超聲波模塊p1監(jiān)測到前方障礙物距離不到10cm時，處理器驅(qū)動電機制動；一旦檢測到按鍵b按下，處理器會驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，當超聲波模塊ⅱ監(jiān)測到前方障礙物距離不到10cm時，處理器驅(qū)動電機制動；一旦檢測到按鍵c按下，單片機驅(qū)動電機停止。此過程中需要解決兩個問題：問題一：編碼芯片pt2262的編碼與解碼芯片pt2272的解碼匹配當按下按鍵時，編碼芯片pt2262發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字。pt2262每次發(fā)射時至少發(fā)射4組碼字，因為無線發(fā)射特點，第一組字碼非常容易受零電平干擾，往往會產(chǎn)生誤碼。當發(fā)射機沒有按鍵按下時，pt2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315mhz的高頻發(fā)射電路不工作，當有按鍵按下時，pt2262通電工作，其第17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號，當17腳為高電平期間315mhz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號，當17腳為低平期間315mhz的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全受控于pt2262的17腳輸出的數(shù)字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控(ask調(diào)制)相當于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。一旦pt2262有按鍵按下，此時與處理器相連的解碼芯片pt2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，vt腳才輸出高電平，與此同時相應的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。pt2272只有在連續(xù)兩次檢測到相同的地址碼加數(shù)據(jù)碼才會把數(shù)據(jù)碼中的“1”驅(qū)動相應的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動vt端同步為高電平。問題二：超聲波模塊如何測距根據(jù)超聲波模塊的工作原理，在trig端輸出一個高電平維持10us以上，同時在超聲波模塊echo端輸出一個高電平作為接收到返回信號的依據(jù)，一旦傳感器接收到反射回來的超聲波，echo就會發(fā)生電平跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)為低電平。因此，利用處理器中的定時器計算echo端在高電平狀態(tài)維持的時間，再利用此高電平的維持時間來計算阻礙物的距離。由于超聲波傳播速度大約為340米/秒，由此可以算出與阻礙物之間的距離，計算公式是：距離＝高電平維持時間x超聲波傳播速度/2。當前第1頁12