CN107296694A - 一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置。本发明包括机械机构、电子控制电路和外观包装结构；机械机构包括承重运载机构、动力机构、传动机构、安全机构、角度调节机构；安全机构包括防侧翻机构、限位机构；电子控制电路包括处理器控制模块、避障检测模块、电机驱动模块和无线通信模块；外观包装结构包括一张铁皮外包、两块泡沫板、若干海绵和真皮.本发明通过无线通信控制以及对壁障模块进行超声波测距，利用控制器对信号处理，实现爬楼椅自动上下楼的运动功能。本发明实现了爬楼机的安全性、便捷性、舒适性、广泛性、实惠性，特别适合在七层以下的住宅楼中长期使用。

Description

一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置

技术领域

本发明属于机械设计与电子控制技术领域，涉及一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置。

背景技术

目前，对于大部分年老体弱者以及下肢伤残者来说，上下楼是一个不小的难 题，尤其国内城市的多层公寓式住房以及农村的独栋式住宅，大部分楼房都没 有配备电梯。另外，大部分城镇中的设施、公园一些道路都使用多个台阶相连， 居民楼梯以及公共场所的台阶给腿脚不便的残障者和高龄人群出行带来极大不 便。目前，虽然政府加大城市建设与改造，很多公共场所出现无障碍设施，同 时不同类型的助行器出现在市场，这些都在一定程度扩大了高龄人群和残障者 活动范围，但是居民楼梯限制轮椅的使用，无法解决居家残障人士和高龄人群 的上下楼问题。特别在一些养老机构，护理人员采用背负方式上下楼梯，基于 此，研发并设计一款价格适中，性能稳定的自动助力爬楼椅尤为重要。

目前，市面上辅助老年人和下肢残障者上下楼梯的爬楼椅主要有3种：(1) 轨道固定(2)自由移动(3)辅助加载三大类。但是存在一些不足：

1.固定轨道爬楼椅成本高，普通家庭难以承担高额的费用，需要安装固定的轨道升降装置。

2.自由移动和辅助加载装置成本略低，但目前安全性低，必须有护理人员在旁辅助使用，人为因素占主导地位，存在严重的安全隐患。

鉴于此，为了帮助弱势群体，缓解国家社会经济、医疗护理各方面的巨大压力，更好的关怀老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，设计并完成一套基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置，用来帮助残疾人、老人、孕妇、小孩安全快捷的上下楼梯。整个装置采用直流涡轮蜗杆电动机做原动力；采用齿轮、齿条做传动机构；采用平面导轨、滚珠滑块配合做为承重运载机构；自主设计齿条支撑架，把整个机构安全的固定在楼梯上；为了满足人体力学要求，通过UG建模、受力校核之后，选用6061铝作为爬楼椅的骨架结构材料；底板与座椅之间自主设计了弧形块机构，用来调节座椅平面的斜度，使爬楼椅适应各种斜度的楼梯；座椅底板自主设计了加固机构，保障了爬楼椅的安全性；滑轨的两端自主设计了安全挡块，进一步保障了爬楼椅的安全性。外包材料采用镀锌铁皮，使用钳工工艺加工出符合尺寸的外包零件。为了满足乘坐的舒适性，用海绵和真皮包装了爬楼椅外表面。自动助力爬楼椅的控制部分采用 STC89C52单片机作为主控制器，选用无线收/发模块PT2272和PT2262作为信号无线通信处理单元，可以无线控制电机停止和运行；为了防止爬楼椅运行到楼梯起始节点溢出，采用超声波测距器HC-SR04计算发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，进而计算出超声波发生器与障碍物之间的距离，一旦检测到爬楼椅运动到滑轨起始和终点挡块的距离小于10cm停止运行，保障使用者安全；爬楼椅的运动依靠半桥芯片驱动大功率MOS管带动直流涡轮蜗杆电机转动，完成爬楼椅运动功能。该装置帮助老年人和残疾人上下楼，是一款性能优越的代步工具，丰富了特殊群体生活的出行方式，装置性能优越，造价低廉，应用场合广泛，该装置对机械制造技术和无线通信控制技术在城市智慧生活建设中的应用推广具有重要的现实意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，面向残疾人、老人、孕妇、小孩群体提供一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置,其特征在于包括机械机构、电子控制电路和外观包装结构；机械机构包括承重运载机构、动力机构、传动机构、安全机构、角度调节机构；

承重运载机构包括三个支架、一根直齿条、一个平面滑轨、两个平面滑块、一个底板、两个调节块、一个竖杆、两个调节螺母、一个坐板垫块、一个座板、三个直角块、一个靠腿板、两个直角支撑、一根铝条、两对踏板转块组、一个踏板、一个背靠支撑板、一个背靠板、两个扶手支架、两个扶手和多个螺栓螺帽；直齿条底面的上端、下端和中间部位分别与支架的上支撑面焊接；支架的底端面对应楼梯台阶上表面打有通孔，支架和木板通过螺栓连接；平面滑轨底面平行贴合焊接在直齿条上表面，两个安全挡块采用螺纹连接贴合固定在直齿条的两端平面上；两个平面滑块间隙配合在平面滑轨上；底板对应平面滑块上螺纹孔的位置打通孔，底板与平面滑块通过螺栓连接；调节块与底板螺纹连接，竖杆两端攻外螺纹，竖杆与调节块螺纹连接，座板垫块与竖杆螺纹连接，竖杆与调节块和座板垫块之间分别装有调节螺母；调节块与调节块用螺纹连接，调节块和调节块共同构成调节机构，用来保障座板在不同斜度的楼梯上保持与地面平行；座板与座板垫块螺纹连接，用三个直角块把座板和靠腿板通过螺栓连接，两个直角支撑通过螺栓连接把靠腿板固定在底板上，两对踏板转块通过螺栓连接把踏板固定在靠腿板上，铝条通过螺栓连接固定在靠腿板的背面的底部，铝条提供支撑踏板放下去的限位面；靠背支撑板用四颗螺栓连接的方式固定在座板上；靠背板用螺栓连接的方式固定在靠背支撑板上；两个扶手支架的同一端用螺纹连接的方式固定在靠背支撑板的两边，扶手支架另一端打有通孔，两个扶手的同一端与扶手支架打通孔，扶手通过螺栓连接的方式配合在扶手支架上；

动力机构和传动机构包括一个齿轮、一根直齿条、一个直流蜗轮蜗杆电动机，直流蜗轮蜗杆电动机与底板螺纹连接，电机输出轴铣削出一个小平面，电机输出轴通过过盈配合在轴套上，把齿轮过盈配合在轴套上，齿轮齿轮放置在直齿条侧面，与直齿条齿轮齿条配合；

安全机构包括防侧翻机构、限位机构，防侧翻机构包括一个滑轮组、一个滑轮支架、两根滑轮轴、两根支架连接杆；滑轮组通过螺纹连接固定在滑轮轴上，两根滑轮轴通过螺纹连接固定在滑轮支架上，滑轮支架上打有两个通孔，两根螺杆组成的支架连接杆把滑轮支架通过螺柱连接的方式固定连接在底板底面，使得滑轮与直齿条是平面的那一个侧面贴合接触，从而使得滑轮既能够在侧面上滑动又防止了爬楼椅的侧翻；限位机构包括两个挡块，两个挡块用螺纹连接的方式分别贴合固定在直齿条的两端面上；

角度调节机构包括两个调节块、一个圆柱销和一个螺钉，两个调节块是两个相互配合的弧形块，将两个调节块调到所需要的角度并用螺钉将调节块柄牢，柄牢的调节块不会相对运动，从而保证了椅面的水平。

电子控制电路包括包括处理器控制模块、避障检测模块、电机驱动模块和无线通信模块；

处理器控制模块包含处理器U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、晶振Y1、第一按键S1、第一电阻R1；所述的第一电容C1的一端与第一按键S1 及供电电源5V连接，另一端与第一按键S1的另一端及U1第9引脚RST及第一电阻R1的一端连接；所述的第二电容R2一端与U1的第18引脚XTAL2及晶振 Y1的一端连接，另一端与第三电容C3的一端及地线连接；所述的第三电容C3 的一端与第二电容C2的一端及地线连接，另一端与晶振Y1的一端及U1的第19 引脚XTAL1连接；所述的晶振Y1的一端与第二电容C2的一端及U1的第18引脚 XTAL2连接，另一端与第三电容C3的一端及U1的第19引脚XTAL1连接；所述的第一按键S1的一端与第一电容C1的一端及供电电源5V连接，另一端与第一电容C1的另一端及U1的第9引脚RST连接；所述的第一电阻R1的一端与第一电容C1的一端及U1的第9引脚RST连接，另一端与地线连接；U1的P1.0引脚与D1的D1连接；U1的P1.1引脚与D1的D2连接；U1的P1.2引脚与D1的D3连接；U1的P0.0引脚与A1的PWM引脚连接；U1的P0.1引脚与A1的IN1引脚连接；U1的P0.2引脚与A1的IN2引脚连接；

所述的处理器U1采用的是STC89C52；所述的晶振Y1采用的晶振是12MHZ；

避障检测模块包括超声波模块P1、超声波模块P2；所述的P1的第一引脚 VCC与供电电源5V连接；所述的P1的第二引脚TRIG脚与U1的P1.6脚连接；所述的P1的第三引脚ECHO脚与U1的P1.7脚连接；所述的P1的第四引脚GND 与地线连接；所述的P2的第一引脚VCC与供电电源5V连接；所述的P2的第二引脚TRIG脚与U1的P0.6脚连接；所述的P2的第三引脚ECHO脚与U1的P0.7 脚连接；所述的P2的第四引脚GND与地线连接；

所述的超声波模块P1、超声波模块P2的型号为均为HC-SR04；

电机驱动模块包括15A大功率直流电机驱动模块A1、JM-038永磁直流电动机M；所述的A1的第一引脚GND与地线连接；所述的A1的第二引脚PWM与U1 的P0.0脚连接；所述的A1的第三引脚IN1与U1的P0.1脚连接；所述的A1的第四引脚IN2与U1的P0.2脚连接；所述的A1的第五引脚COM与供电电源5V连接；所述的A1的第六引脚OUT1与M的一端连接；所述的A1的第七引脚OUT2与 M的另一端连接；所述的A1的第八引脚+12V与供电电源12V连接；所述的A1的第九引脚GND与地线连接；所述的M一端与A1的第六引脚OUT1连接，另一端与 A1的第七引脚OUT2连接；

无线通信模块包括无线发送模块和无线接收模块，其中无线发送模块选择YK200-4，无线接收模块采用型号为PT2272的无线接收模块D1，D1的第一引脚与U1的P1.0脚连接；所述的D1的第二引脚D2与U1的P1.1脚连接；所述的 D1的第三引脚D3与U1的P1.3引脚连接；所述的D1的VCC脚与供电电源的5V 连接；所述的D1的GND脚与地线连接。

外观包装结构包括一张铁皮外包、两块泡沫板、若干海绵和真皮；用钳工把镀锌铁皮做成配合整体机械结构的外包装，并在铁皮后面预留一个空间，用于电子控制模块的拆装和后期维修；镀锌铁皮和底板、靠腿板通过螺纹连接在一起，铁皮外包把支撑杆和电子控制电路包裹在里面，一方面保护电子设备不受人为损坏，另一方面起到对靠腿板的支撑固定作用；两块泡沫板用双面胶固定在镀锌铁皮外包顶部，起到封装包装作用；根据背靠板、背靠支撑板、座板、靠腿板、踏板的大小来裁剪相配合的海绵，将海绵覆盖在与人体接触的正面；用真皮包裹海绵，真皮包裹的背面用皮筋箍紧。

本发明通过无线通信控制以及对壁障模块进行超声波测距，利用控制器对信号处理，实现爬楼椅自动上下楼的运动功能。本发明实现了爬楼机的安全性、便捷性、舒适性、广泛性、实惠性，特别适合在七层以下的住宅楼中长期使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)实现了助力爬楼的安全性：6061铝作为爬楼椅的骨架结构材料，两个直角支撑和一根25mm的铝棒作为支撑机构，保障了爬楼椅结构上优良的稳定性能。在滑轨两端装上安全装置，在电子反馈控制安全的基础上，还有物理制动安全防护，电子物理双重防护保障了爬楼椅行走以及运行的安全性；

(2)实现了助力爬楼的便捷性：一键上下楼，起点和终点均有自主检测安全停靠装置，为残障人士上下楼提供便利性和易操控性；

(3)实现了助力爬楼的舒适性：本爬楼椅采用海绵包裹骨架，真皮覆盖海绵的外观包装设计，给用户提供了极为舒适的乘坐体验；

(4)实现了助力爬楼的广泛性：本爬楼椅适用于七层以下住宅楼任何类型的楼梯(斜度不同、阶梯宽度高度不同)，弥补了市面上七层以下住宅楼无助力爬楼的技术空白；

(5)实现了助力爬楼的实惠性：本爬楼椅结构简单，造价低廉，性能优越，具有很好的研究意义和市场价值。

本发明已在多层住宅楼中成功应用。

附图说明

图1为本发明中***机械结构正面示意图；

图2为本发明中***机械结构侧面示意图；

图3为本发明中***机械结构俯视示意图；

图4为本发明中***机械结构齿轮齿条机构局部放大图；

图5为本发明中***机械结构直角块局部放大图；

图6为本发明中***电子控制电路示意图；

图7为本发明中***电子控制工作示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施过程进一步阐明本发明，但不构成对本发明的限制。

如本发明***结构示意图正视图图1、侧视图图2、俯视图图3、齿轮齿条机构局部放大图4、直角块局部放大图5所示，本发明的主体细化结构如下：座板垫块23上有四个螺纹孔，座板40上有对应的沉头孔，两者通过螺栓固定在一起。座板40与靠腿板10上各自有三个对称的沉头孔，通过三个直角块21-1、 21-2、21-3边上的孔与两个部件用螺栓进行连接。再通过直角支撑32、35将靠腿板10和底板28连接以保持靠腿板10和底板28之间的垂直度。靠腿板转块 11、13和踏板转块12、14相互组合，依靠该组件完成靠腿板10和脚踏板 41之间的连接。铝条33用螺栓连接固定在靠腿板10的背面。座板40上端有四个沉头孔与靠背支撑板9对应并用螺栓连接固定。靠背板8下端有四个通孔与靠背支撑板9上端对应并用螺栓连接固定。靠背板8两侧有两个通孔，两个扶手支架37、38一端攻有螺纹孔，扶手支架37、38用螺栓固定在靠背板8两侧。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，两者通过螺栓连接在一起。直流蜗轮蜗杆电动机26为主要的动力输出装置，电动机26上有三个螺纹孔和一个电机输出轴，利用电动机26上的螺纹孔用螺栓把电动机固定在底板28上。齿轮43与轴套42通过过盈配合连接，电动机26的输出轴与轴套42 通过间隙配合连接，轴套42侧面有一个螺纹孔，用螺栓顶紧电动机26输出轴上的小平面实现电动机输出轴和轴套42两组件的配合。实现电动机输出轴功率的输出，齿轮43放置在直齿条4侧面，与直齿条4齿轮齿条配合，实现爬楼椅的爬楼动作。防侧滑装置的主要机构为滑轮组20。滑轮组20上有两个螺纹通孔，用两根双头螺栓连接滑轮组和连接块上端面(上端面与侧面各有两个中心对称螺纹孔的小块)。再用两根双头螺栓用来连接连接块与底板28。保证滑轮组的位置贴合直齿条的平滑面。挡块2、16作为主要的限位机构，用小螺栓固定在直齿条4两个断面的螺纹孔位。承重装置主要由基层的承重机构通过直齿条4上的若干个通孔与三个支架4通过螺栓连接的方式连接在一起，三个支架1、5、19通过侧面的两个孔位与木板3用螺栓固定。平面滑轨6上有若干个沉头孔，分别对应直齿条4上的若干个螺纹孔，两者除了通过螺栓连接外，在平面滑轨6侧面与直齿条表面用点焊方式固定。平面滑块17、18内装有滚珠，通过小间隙与平面滑轨6配合。平面滑块17、18上有四个螺纹孔，底板28上有对应的通孔，两者通过螺栓固定在一起。调节块30、31底面有四个螺纹孔，与底板28中心四个通孔对应，两者通过螺栓连接固定。调节块30与调节块31通过长螺栓连接。竖杆 24两端攻有螺纹，一端与调节块31连接，一端与座板垫块22连接。竖杆24与调节块31和座板垫块22之间装有调节螺母23、25。

本发明整体结构示意图侧视图图2所示，电子控制模块放在尺寸为 200x80x80(mm)的塑料无盖盒子34里，无盖盒子34底面用双面胶粘在底板28 上，无盖盒子34侧面较宽的那一侧面用双面胶黏在铝条33的内侧面。超声波探头7、15间隙配合放置在铁皮包装中的通孔里。锂电池27放置在底板28上表面右下侧处，锂电池27一面黏上双面胶黏在底板28上表面右下侧处。直流电机驱动输出端电线接在电机26的电源线上，给直流电机供电。电动机26上有三个螺纹孔和一个电机输出轴，利用电动机26上的螺纹孔用螺栓把电动机固定在底板 28上。齿轮43与轴套通过过盈配合连接，电动机26的输出轴与轴套42通过间隙配合连接，轴套42侧面有一个螺纹孔，用螺栓顶紧电动机26输出轴上的小平面实现两组件的配合。实现电动机输出轴功率的输出，齿轮43放置在直齿条4 侧面，与直齿条4齿轮齿条配合，实现爬楼椅的爬楼动作。

如图6所示电子控制电路包括处理器控制模块U1、避障检测模块P1和P2、电机驱动模块A1和无线通信模块，无线通信模块包括无线接收模块D1和无线发送模块，无线发送模块选择YK200-4(200米桃木拨码四键遥控器)。所述的第一电容C1的一端与第一按键S1及供电电源5V连接，另一端与第一按键S1的另一端及U1第9引脚RST及第一电阻R1的一端连接。所述的第二电容R2一端与 U1的第18引脚XTAL2及晶振Y1的一端连接，另一端与第三电容C3的一端及地线连接。所述的第三电容C3的一端与第二电容C2的一端及地线连接，另一端与晶振Y1的一端及U1的第19引脚XTAL1连接。所述的晶振Y1的一端与第二电容 C2的一端及U1的第18引脚XTAL2连接，另一端与第三电容C3的一端及U1的第19引脚XTAL1连接。所述的第一按键S1的一端与第一电容C1的一端及供电电源5V连接，另一端与第一电容C1的另一端及U1的第9引脚RST连接。所述的第一电阻R1的一端与第一电容C1的一端及U1的第9引脚RST连接，另一端与地线连接。所述的U1采用的是STC89C52,所述的Y1采用的晶振是12MHZ。所述的P1的第一引脚VCC与供电电源5V连接。所述的P1的第二引脚TRIG脚与 U1的P1.6脚连接。所述的P1的第三引脚ECHO脚与U1的P1.7脚连接。所述的 P1的第四引脚GND与地线连接。所述的P2的第一引脚VCC与供电电源5V连接。所述的P2的第二引脚TRIG脚与U1的P0.6脚连接。所述的P2的第三引脚ECHO 脚与U1的P0.7脚连接。所述的P2的第四引脚GND与地线连接。所述的A1的第一引脚GND与地线连接。所述的A1的第二引脚PWM与U1的P0.0脚连接。所述的A1的第三引脚IN1与U1的P0.1脚连接。所述的A1的第四引脚IN2与U1的 P0.2脚连接。所述的A1的第五引脚COM与供电电源5V连接。所述的A1的第六引脚OUT1与M的一端连接。所述的A1的第七引脚OUT2与M的另一端连接。所述的A1的第八引脚+12V与供电电源12V连接。所述的A1的第九引脚GND与地线连接。所述的M一端与A1的第六引脚OUT1连接，另一端与A1的第七引脚OUT2 连接。所述的U1采用的是51单片机芯片。所述的PT2272无线接收模块D1的第一引脚与U1的P1.0脚连接。所述的D1的第二引脚D2与U1的P1.1脚连接。所述的D1的第三引脚D3与U1的P1.3引脚连接。所述的D1的VCC脚与供电电源的5V连接。所述的D1的GND脚与地线连接。

机械机构包括承重运载机构、动力机构、传动机构、防侧翻机构、限位机构、角度调节机构。

1.承重运载机构

选取平面滑轨滑块作为爬楼椅的运载机构，经过力学校核选用EGW-25SA规格平面滑轨滑块。为了保障乘坐爬楼椅人员的安全，采用6061铝作为承重运载机构骨架结构，其中底板是整个机械结构的主要承载机构，经过对底板承载所有零部件合理布局，选用300×250×5(mm)尺寸的6061铝板作为底板。其中角度调节机构是基于对座板始终保证与地面平行的考虑，为支撑杆与底板提供间接连接。调节块上设计一个座板支撑结构，给人提供乘坐的高度空间，选取竖杆作为座板支撑结构，竖杆的长度选取以大多数人体坐姿时小腿部的长度为基准，竖杆的直径通过力学校核计算，选用尺寸为铝棒。为了把座板衔接在铝棒上，设计了深度为15mm、规格为M25的内螺纹，将座板垫块与竖杆连接，铝棒上端设计长度为25mm、规格为M25的外螺纹，实现铝棒和座板垫块连接。垫块上表面设计四个深度为25mm、规格为M5的螺纹孔，采用螺纹连接的方式把座板固定在座板垫块上，选定70×50×25(mm)的铝块作为座板垫块。为了提供人乘坐的平面，设计了座板，基于对人坐下所占面积的标准和结构安全性考虑，确定尺寸为350×300×5(mm)座板。为了乘坐人的安全性和舒适性，设计了背靠板以提供人的背部支撑，设计尺寸为350×170×3(mm)的靠背板。为了把靠背板安装到合适的高度，设计了靠背支撑板，采用尺寸100×300×3(mm) 的铝板，用钳工制作出合适的靠背支撑板。为了进一步保障乘坐人的安全和舒适性，用尺寸为150×75×2(mm)的铝板，采用钳工加工出尺寸合适的扶手，限制了乘坐人身体左右的自由度，提供了手臂抓持爬楼椅的力臂，保障了乘坐人的安全。为了提供乘坐人小腿部可以依靠的力面，设计了尺寸为400×350×3(mm) 的靠腿板，采用小角质螺纹连接把靠腿板和座板连接在一起。为了提供乘坐人脚的放置位置，设计了尺寸为350×200×3(mm)的脚踏板。为了提供支撑靠腿板的力，采用直角支撑块用螺栓连接的方式一端连接在靠腿板上，一端连接在底板上，进一步加强爬楼椅结构的稳定性。

2.动力机构

动力机构的选取考虑到爬楼椅负载爬楼所需功率，经过计算校核，选取规格为12V/80W的直流蜗轮蜗杆电动机作为动力机构。

计算校核过程如下：

所需拉力F1＝G×sinα＝80×9.8×sin26.5°＝350N

电动机的输出功率P1＝F1×V＝350N×0.2m/s＝70W

电动机的额定功率P

η1--电动机效率

η2--齿轮齿条传动效率

查阅机械设计手册得到：

电动机η1＝0.93

齿轮齿条η2＝0.95

电动机额定功率P＝P1/(η1*η2)＝70W/(0.93×0.95)＝79W

考虑到经济学和实用性，现选取功率为80W的直流涡轮蜗杆电动机，参数如下：

表1电机性能表

功率	额定电压	转速r/min	自重
				80w	12v	50	3kg

3.传动机构的设计理念

为了实现爬楼椅上下楼的动作，经过力学计算校核，确定选用最为合适的三模齿轮齿条作为传动机构，其中齿轮选用三模25齿的齿轮。

计算校核过程如下：

考虑到运载负重的特点，选用模数为3模的齿轮齿条为爬楼椅的传力机构。

由运行速度v＝0.2m/s＝12×10^-2m/min；v＝nπd

齿轮分度圆直径

查阅机械设计手册，三模齿轮参数如下表：

表2齿轮参数表

故选用3模25齿的国标标准直齿轮。

4.防侧翻装置设计理念

为了保障爬楼椅运动的平稳性，在底板底部设计了防侧滑机构。防侧翻机构包括一个滑轮组、一个滑轮支架、两根滑轮轴、两根支架连接杆。滑轮组通过螺纹连接固定在滑轮轴上，两根滑轮轴通过螺纹连接固定在滑轮支架上，滑轮支架上打有两个通孔，两根螺杆组成的支架连接杆把滑轮支架通过螺柱连接的方式固定连接在底板底面，使得滑轮与直齿条是平面的那一个侧面贴合接触，把底板上承载的力分散到齿条上。滑轮既可以在侧面上滑动、又防止了爬楼椅的侧翻。

5.限位机构设计理念

为了爬楼椅爬到滑轨顶端和底端时能够安全停靠，给超声波测距器提供检测反馈的对象，采用尺寸为4x30x80(mm)的钢板作为限位机构，用螺纹连接的方式把两块钢板分别固定在齿条的顶端和底端。这样爬楼椅爬到齿条的底端或顶端时，超声波测距器会在安全距离内检测到限位机构并向处理器发送检测信号，处理器处理检测信号后控制电动机停止转动，实现了爬楼梯的安全停靠。

6.角度调节机构设计理念

为了使乘坐者的舒适性得到保障，爬楼椅的座椅平面必须一直与地面保持平行，因此设计了角度调节机构。设计出可以相对转动，用来调节角度的两个相同结构的弧形块。弧形块设计以40x58x60(mm)的铝块为原料，在40x58(mm)的平面上加工出R20mm、宽度为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的内凹弧形面。两个弧形块通过两个弧形面间隙配合，两个弧形块可以相对转动。考虑到弧形块组之间可能产生的滚动，弧形块组加工出规格为Φ14深度为58的螺纹孔，把规格为Φ 14、长度为60的长螺钉全部拧进Φ14的螺纹孔里，长螺钉拧紧后弧形块组角度被固定。当弧形块组配合并调节到需要的角度后，再加工出Φ4的通孔，把规格为Φ14、长度为60的长螺杆拧紧并把规格为Φ4长度为60的销钉插进Φ4的通孔中，用来固定角度调节机构。

电子控制部分电路所述的处理器型号STC89C52；壁障检测模块HC-SR04；电机驱动模块GR6953；无线接收模块PT2272；无线发送模块PT2262；无线发送模块选择YK200-4(200米桃木拨码四键遥控器)。

如图6所示，无线发射模块选择YK200-4(200米桃木拨码四键遥控器)PT2262。解码接收器PT2272输出端D0-D2均为低电平，其中D0接单片机P1.0引脚，D1 接单片机的P1.1引脚，D2接单片机的P1.2引脚，当PT2272接收模块接收到 PT2262发射的315MHz信号时，经放大、变频、滤波等处理后输出信号，送到第 14脚进行解码。只有接收端PT2272地址端电平状态与发射端PT2262地址端一致，对应的输出端D0-D2才有高电平输出。考虑对楼梯起始和终点两端轨道挡块的监测，采用两块超声波测距电路，选择HC-SR04做为爬楼椅到挡块距离监测的超声波装置，采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号，超声波自动发送8 个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，一旦有信号返回，通过I/O输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。其中2个HC-SR04中 2脚产生脉冲信号与单片机P1.6脚、P0.6脚相连，3脚是接收回波用来测时间2 个HC-SR04中3脚与单片机的P1.7脚和P0.7脚相连。电机驱动模块采用半桥驱动模块GR6953。单片机的电源地接驱动模块的COM；PWM脚接单片机的P0.0，用于调速；IN1和IN2与单片机的P0.1和P0.2相连，控制电机正反转及刹车。由单片机STC89C52RC编程产生40Khz的8个脉冲信号加到超声波传感器上，驱动超声波发射探头发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机内计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差Δt；根据公式S＝v*Δt/2计算出被测距离送至单片机。单片机利用回传回来的数据判断物体的实际距离是否到达设置的限制10cm，一旦到达就会自动停止运动。

图7给出本发明中***电子控制部分工作示意图

设备开机初始化端口及超声波模块，***开始正常工作，此时***不断地扫描是否有按键按下致使相应的引脚置高电平。用户手持无线发送模块，通过按下按键A，按键B，按键C来驱动电机处于不同工作状态。一旦检测到按键A按下，处理器驱动电机正转，当超声波模块P1监测到前方障碍物距离不到10cm时，处理器驱动电机制动；一旦检测到按键B按下，处理器会驱动电机反转，当超声波模块Ⅱ监测到前方障碍物距离不到10cm时，处理器驱动电机制动；一旦检测到按键C按下，单片机驱动电机停止。

此过程中需要解决两个问题：

问题一：编码芯片PT2262的编码与解码芯片PT2272的解码匹配

当按下按键时，编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字。PT2262每次发射时至少发射4组码字，因为无线发射特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262通电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控(ASK 调制)相当于调制度为100％的调幅。

一旦PT2262有按键按下，此时与处理器相连的解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。PT2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。

问题二：超声波模块如何测距

根据超声波模块的工作原理，在TRIG端输出一个高电平维持10us以上，同时在超声波模块ECHO端输出一个高电平作为接收到返回信号的依据，一旦传感器接收到反射回来的超声波，ECHO就会发生电平跳转，跳转为低电平。因此，利用处理器中的定时器计算ECHO端在高电平状态维持的时间，再利用此高电平的维持时间来计算阻碍物的距离。由于超声波传播速度大约为340米/秒，由此可以算出与阻碍物之间的距离，计算公式是：距离＝高电平维持时间x超声波传播速度/2。

Claims (3)

1.一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置,其特征在于包括机械机构、电子控制电路和外观包装结构；机械机构包括承重运载机构、动力机构、传动机构、安全机构、角度调节机构；

承重运载机构包括三个支架(1、5、19)、一根直齿条(4)、一个平面滑轨(6)、两个平面滑块(17、18)、一个底板(28)、两个调节块(30、31)、一个竖杆(24)、两个调节螺母(23、25)、一个坐板垫块(22)、一个座板(40)、三个直角块(21-1、21-2、21-3)、一个靠腿板(10)、两个直角支撑(32、35)、一根铝条(33)、两对踏板转块组(11、12和13、14)、一个踏板(41)、一个背靠支撑板(9)、一个背靠板(8)、两个扶手支架(37、38)、两个扶手(36、39)和多个螺栓螺帽；直齿条(4)底面的上端、下端和中间部位分别与支架(1、5、19)的上支撑面焊接；支架(1、5、19)的底端面对应楼梯台阶上表面打有通孔，支架(1、5、19)和木板(3)通过螺栓连接；平面滑轨(6)底面平行贴合焊接在直齿条(4)上表面，两个安全挡块(2、16)采用螺纹连接贴合固定在直齿条(4)的两端平面上；两个平面滑块(17、18)间隙配合在平面滑轨(6)上；底板(28)对应平面滑块(17、18)上螺纹孔的位置打通孔，底板(28)与平面滑块(17、18)通过螺栓连接；调节块(30)与底板(28)螺纹连接，竖杆(24)两端攻外螺纹，竖杆(24)与调节块(31)螺纹连接，座板垫块(22)与竖杆(24)螺纹连接，竖杆(24)与调节块(31)和座板垫块(22)之间分别装有调节螺母(25、23)；调节块(30)与调节块(31)用螺纹连接，调节块(30)和调节块(31)共同构成调节机构，用来保障座板(28)在不同斜度的楼梯上保持与地面平行；座板(28)与座板垫块(22)螺纹连接，用三个直角块(21-1、21-2、21-3)把座板(28)和靠腿板(10)通过螺栓连接，两个直角支撑(32、35)通过螺栓连接把靠腿板(10)固定在底板(28)上，两对踏板转块(11、12和13、14)通过螺栓连接把踏板(41)固定在靠腿板(10)上，铝条(33)通过螺栓连接固定在靠腿板(10)的背面的底部，铝条(33)提供支撑踏板(41)放下去的限位面；靠背支撑板(9)用四颗螺栓连接的方式固定在座板(40)上；靠背板(8)用螺栓连接的方式固定在靠背支撑板(9)上；两个扶手支架(37、38)的同一端用螺纹连接的方式固定在靠背支撑板(9)的两边，扶手支架(37、38)另一端打有通孔，两个扶手(36、39)的同一端与扶手支架(37、38)打通孔，扶手(36、39)通过螺栓连接的方式配合在扶手支架(37、38)上；

动力机构和传动机构包括一个齿轮(43)、一根直齿条(4)、一个直流蜗轮蜗杆电动机(26)，直流蜗轮蜗杆电动机(26)与底板(28)螺纹连接，电机输出轴铣削出一个小平面，电机输出轴通过过盈配合在轴套(42)上，把齿轮(43)过盈配合在轴套(42)上，齿轮齿轮(43)放置在直齿条(4)侧面，与直齿条(4)齿轮齿条配合；

安全机构包括防侧翻机构、限位机构，防侧翻机构(20)包括一个滑轮组、一个滑轮支架、两根滑轮轴、两根支架连接杆；滑轮组通过螺纹连接固定在滑轮轴上，两根滑轮轴通过螺纹连接固定在滑轮支架上，滑轮支架上打有两个通孔，两根螺杆组成的支架连接杆把滑轮支架通过螺柱连接的方式固定连接在底板(28)底面，使得滑轮与直齿条(4)是平面的那一个侧面贴合接触，从而使得滑轮既能够在侧面上滑动、又防止了爬楼椅的侧翻；限位机构包括两个挡块(1、16)，两个挡块(1、16)用螺纹连接的方式分别贴合固定在直齿条的两端面上；

角度调节机构包括两个调节块(30、31)、一个圆柱销(29)和一个螺钉，两个调节块(30、31)是两个相互配合的弧形块，将两个调节块(30、31)调到所需要的角度并用螺钉将调节块(30、31)柄牢，柄牢的调节块(30、31)不会相对运动，从而保证了椅面的水平。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置,其特征在于电子控制电路包括包括处理器控制模块、避障检测模块、电机驱动模块和无线通信模块；

处理器控制模块包含处理器U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、晶振Y1、第一按键S1、第一电阻R1；所述的第一电容C1的一端与第一按键S1及供电电源5V连接，另一端与第一按键S1的另一端及U1第9引脚RST及第一电阻R1的一端连接；所述的第二电容R2一端与U1的第18引脚XTAL2及晶振Y1的一端连接，另一端与第三电容C3的一端及地线连接；所述的第三电容C3的一端与第二电容C2的一端及地线连接，另一端与晶振Y1的一端及U1的第19引脚XTAL1连接；所述的晶振Y1的一端与第二电容C2的一端及U1的第18引脚XTAL2连接，另一端与第三电容C3的一端及U1的第19引脚XTAL1连接；所述的第一按键S1的一端与第一电容C1的一端及供电电源5V连接，另一端与第一电容C1的另一端及U1的第9引脚RST连接；所述的第一电阻R1的一端与第一电容C1的一端及U1的第9引脚RST连接，另一端与地线连接；U1的P1.0引脚与D1的D1连接；U1的P1.1引脚与D1的D2连接；U1的P1.2引脚与D1的D3连接；U1的P0.0引脚与A1的PWM引脚连接；U1的P0.1引脚与A1的IN1引脚连接；U1的P0.2引脚与A1的IN2引脚连接；

所述的处理器U1采用的是STC89C52；所述的晶振Y1采用的晶振是12MHZ；

避障检测模块包括超声波模块P1、超声波模块P2；所述的P1的第一引脚VCC与供电电源5V连接；所述的P1的第二引脚TRIG脚与U1的P1.6脚连接；所述的P1的第三引脚ECHO脚与U1的P1.7脚连接；所述的P1的第四引脚GND与地线连接；所述的P2的第一引脚VCC与供电电源5V连接；所述的P2的第二引脚TRIG脚与U1的P0.6脚连接；所述的P2的第三引脚ECHO脚与U1的P0.7脚连接；所述的P2的第四引脚GND与地线连接；

所述的超声波模块P1、超声波模块P2的型号为均为HC-SR04；

电机驱动模块包括15A大功率直流电机驱动模块A1、JM-038永磁直流电动机M；所述的A1的第一引脚GND与地线连接；所述的A1的第二引脚PWM与U1的P0.0脚连接；所述的A1的第三引脚IN1与U1的P0.1脚连接；所述的A1的第四引脚IN2与U1的P0.2脚连接；所述的A1的第五引脚COM与供电电源5V连接；所述的A1的第六引脚OUT1与M的一端连接；所述的A1的第七引脚OUT2与M的另一端连接；所述的A1的第八引脚+12V与供电电源12V连接；所述的A1的第九引脚GND与地线连接；所述的M一端与A1的第六引脚OUT1连接，另一端与A1的第七引脚OUT2连接；

无线通信模块包括无线发送模块和无线接收模块，其中无线发送模块选择YK200-4，无线接收模块采用型号为PT2272的无线接收模块D1，D1的第一引脚与U1的P1.0脚连接；所述的D1的第二引脚D2与U1的P1.1脚连接；所述的D1的第三引脚D3与U1的P1.3引脚连接；所述的D1的VCC脚与供电电源的5V连接；所述的D1的GND脚与地线连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线通信控制技术的自动助力爬楼椅装置,其特征在于外观包装结构包括一张铁皮外包、两块泡沫板、若干海绵和真皮；用钳工把镀锌铁皮做成配合整体机械结构的外包装，并在铁皮后面预留一个空间，用于电子控制模块的拆装和后期维修；镀锌铁皮和底板、靠腿板通过螺纹连接在一起，铁皮外包把支撑杆和电子控制电路包裹在里面，一方面保护电子设备不受人为损坏，另一方面起到对靠腿板的支撑固定作用；两块泡沫板用双面胶固定在镀锌铁皮外包顶部，起到封装包装作用；根据背靠板、背靠支撑板、座板、靠腿板、踏板的大小来裁剪相配合的海绵，将海绵覆盖在与人体接触的正面；用真皮包裹海绵，真皮包裹的背面用皮筋箍紧。