方便輪椅通行的液壓臺階的設計

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，并且由于科技的發展和交通的進步，各種意外事故也頻頻發生，這也造成下肢殘障人士的數量也急劇增加。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

現在國內外很多高校都投入很多資金研究智能爬樓輪椅，其基本功能已經實現但技術并沒有很成熟，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意外事故。本設計就是設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輪椅無障礙通行的智能液壓臺階，此智能液壓臺階的設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、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出的上行信息。PLC 控制器經過信息處理后，對液壓推桿發出指令信號，在距離感應系統的反饋下，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入的條件，然后輪椅駛入。輪椅駛入后臺階下壓力傳感器產生壓力信號證明輪椅已經駛入，數據傳輸到PLC 控制器進行處理，待數據值穩定之后PLC 控制器向液壓推桿發出上行指令，液壓推桿接收指令后同時推出，由距離感應系統感應行程并由PLC 控制器進行數據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，壓力傳感器數據信號值恢復正常，經PLC 控制器數據處理后，給液壓推桿發出收回指令，在距離感應系統的輔助下，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 硬件結構設計及工作過程

3.1 硬件結構設計

以三臺階式智能液壓臺階為例，整體內部設計如圖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據，壓力傳感器用來感應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計可以提高其推力并保障其運行的穩定性。

距離傳感器是通過發射能量波束并被被測物體反射，通過計算波束發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。其帶負荷啟動且節能的特性可有效適用于本設計工作環境。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。

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，在距離感應器的數據反饋下，臺階平面降至與地面平齊，然后輪椅駛入，之后所有液壓推桿同時工作推出，由距離感應系統感應行程，到達頂部后輪椅駛出，壓力傳感器數值恢復正常，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。