方便輪椅通行的液壓臺階的設(shè)計

德州學院機電工程學院 胡財榮 王志坤

1 引言

1.1 選題的背景

隨著社會發(fā)展，我國社會開始步入老齡化階段，許多老年人無法自主地外出活動，并且由于科技的發(fā)展和交通的進步，各種意外事故也頻頻發(fā)生，這也造成下肢殘障人士的數(shù)量也急劇增加。這些老年人和殘障人士必須借助輪椅才可以進行日常出行，但是實際生活中的很多公共場所及建筑由于自身設(shè)計的要求會有許多臺階的存在，這些臺階對于乘坐輪椅出行的老年人及殘障人士是很大障礙，在沒有外力的幫助下很難通過，嚴重降低了乘坐輪椅人士的出行體驗。

1.2 選題的目的和意義

現(xiàn)在國內(nèi)外很多高校都投入很多資金研究智能爬樓輪椅，其基本功能已經(jīng)實現(xiàn)但技術(shù)并沒有很成熟，實際爬樓過程具有很多不確定因素甚至導致危險，且價格昂貴普通家庭無法承受，在日常的生活中并沒有普及。當然許多有臺階的公共場所也都設(shè)有斜坡式的無障礙通道，許多老年人因身體因素，上坡也是極為消耗體力的事情，并且對于體弱或者患有心臟疾病的老年人有可能引發(fā)意外事故。本設(shè)計就是設(shè)計出一種針對公共場所不太高的臺階，通過簡易的控制操作來實現(xiàn)輪椅無障礙通行的智能液壓臺階，此智能液壓臺階的設(shè)計可以解決乘坐輪椅出行人士遇到臺階無法通過的問題，極大地便利了乘坐輪椅出行的人士。

2 液壓臺階的工作原理及功能

本智能液壓臺階由整體框架、液壓推桿、PLC 控制系統(tǒng)、距離傳感器、壓力傳感器以及控制面板組成。其特點在于可以方便輪椅通過臺階。該智能液壓臺階工作時，當有人乘輪椅需要上臺階，按下設(shè)立于臺階底部控制柱上控制面板的上行按鍵后，智能液壓臺階進入工作模式，PLC 控制器接收到控制面板發(fā)出的上行信息。PLC 控制器經(jīng)過信息處理后，對液壓推桿發(fā)出指令信號，在距離感應(yīng)系統(tǒng)的反饋下，臺階下所有的液壓推桿進行收回，臺階平面降至與地面平齊以達到輪椅駛?cè)氲臈l件，然后輪椅駛?cè)搿］喴务側(cè)牒笈_階下壓力傳感器產(chǎn)生壓力信號證明輪椅已經(jīng)駛?cè)?，?shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC 控制器進行處理，待數(shù)據(jù)值穩(wěn)定之后PLC 控制器向液壓推桿發(fā)出上行指令，液壓推桿接收指令后同時推出，由距離感應(yīng)系統(tǒng)感應(yīng)行程并由PLC 控制器進行數(shù)據(jù)處理以達到所有臺階面同步上升的效果，到達臺階頂部后輪椅駛出，壓力傳感器數(shù)據(jù)信號值恢復正常，經(jīng)PLC 控制器數(shù)據(jù)處理后，給液壓推桿發(fā)出收回指令，在距離感應(yīng)系統(tǒng)的輔助下，液壓臺階恢復臺階狀，進入休眠模式從而不影響正常行人通行。若需要下行，則過程與之相反。

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作過程

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

以三臺階式智能液壓臺階為例，整體內(nèi)部設(shè)計如圖1 所示。智能液壓臺階由多個升降模組以及一個PLC 控制器組成，圖1固定板上包括六個升降模組以及一個PLC 控制器。每個升降模組又包括液壓推桿、距離感應(yīng)器及壓力傳感器；液壓推桿用于升降臺階的動作，距離傳感器用來反饋升降的位置數(shù)據(jù)，壓力傳感器用來感應(yīng)臺階上是否有輪椅存在，其中左右兩個升降模組為一組，控制一個液壓臺階的上下運動，左右雙升降模組的設(shè)計可以提高其推力并保障其運行的穩(wěn)定性。

距離傳感器是通過發(fā)射能量波束并被被測物體反射，通過計算波束發(fā)射到被物體反射回來的時間來計算與物體之間的距離。常用的能量波束有超聲波、激光、紅外光等。本設(shè)計采用紅外測距傳感器，該傳感器有同步輸入端，外形小便于安裝，易于操作，且可以多傳感器同步測量能實現(xiàn)每個臺階升降位置的準確。

壓力傳感器位于液壓推桿的頂部，采用壓電式壓力傳感器，該傳感器體積小、動態(tài)特性比較好。

推桿采用電動液壓推桿，該推桿不需要任何附屬設(shè)施便可以帶負荷啟動，適用于推拉直線運動且具有負荷保護能力相同推力速度情況下，消耗電能僅有電動推桿的一半。其帶負荷啟動且節(jié)能的特性可有效適用于本設(shè)計工作環(huán)境。選型安裝完畢后，我們將傳感器與電動液壓推桿與PLC 控制器建立連接從而成為一個完整的系統(tǒng)。

圖1

3.2 工作過程示意圖

以有人需要上行為例，其工作過程示意圖如圖2 所示。在休眠狀態(tài)下，為臺階的模式，行人正常通行，當有人按下控制柱的上行按鍵后，進入工作模式，臺階所有的液壓推桿收回，在距離感應(yīng)器的數(shù)據(jù)反饋下，臺階平面降至與地面平齊，然后輪椅駛?cè)耄笏幸簤和茥U同時工作推出，由距離感應(yīng)系統(tǒng)感應(yīng)行程，到達頂部后輪椅駛出，壓力傳感器數(shù)值恢復正常，控制器給出指令液壓臺階恢復臺階狀。

圖2

4 結(jié)語

該智能液壓升降臺階有效解決了老年人及殘障人士乘坐輪椅出行，遇到臺階不方便通過的問題，為乘坐輪椅出行的人士提供了便利，未來可以在公共場所進行廣泛推廣，有廣闊的市場前景。