CN111706018B - 一种模块化上下楼梯辅助装置、楼梯结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化上下楼梯辅助装置、楼梯结构及方法，包括台阶板，所述台阶板两端分别与弹性件的一端连接，弹性件的另一端与用于调节弹簧预紧力的调节机构连接，预紧力调节机构安装在支撑架上，所述台阶板与支撑架滑动连接，支撑架的底部设置有锁紧件，锁紧件能够与台阶板锁紧固定，本发明的楼梯辅助装置结构简单，成本低，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及楼梯技术领域，具体涉及一种模块化上下楼梯辅助装置、楼梯结构及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
生活中大多数人上下楼梯时会感到疲惫，而对于关节活动能力较差的老年人，上下楼梯更是一种生活负担和安全隐患。现有上下楼辅助装置，多为安装在栏杆上依靠电能带动使用者上下楼的装置，但发明人发现，这种装置极其耗费电能；而且这种装置由于上楼过程多为一个整体连续过程，只能单人使用，不能很好满足多人同时上下楼的情况；此外，这种装置需建立专门运动轨道，成本较高，适用场合较为局限。而目前现有的楼梯辅助装置较少，智能程度均不高，无法根据具体工况进行调整。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种模块化上下楼梯辅助装置，耗费电能少，制作成本低，应用场合广。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供了一种模块化上下楼梯辅助装置，包括台阶板，所述台阶板两端分别与弹性件的一端连接，弹性件的另一端与用于调节弹性件预紧力的调节机构连接，调节机构安装在支撑架上，所述台阶板与支撑架滑动连接，支撑架的底部设置有锁紧件，锁紧件能够与台阶板锁紧固定。
第二方面，本发明的实施例提供了一种楼梯结构，包括多个台阶，每个台阶的台阶面上安装有所述的楼梯辅助装置。
第三方面，本发明的实施例提供了一种楼梯结构的工作方法：使用人员下楼梯时，台阶板在使用人员重力的作用下向下运动，运动至与锁紧件固定，弹性件拉伸进行能量存储，使用人员上楼时，锁紧件松开台阶板，弹性件存储的能量释放，为使用人员上楼提供动能。
本发明的有益效果：
本发明的上下楼梯辅助装置，台阶板与弹性件连接，能够利用弹性件存储能量，使用人员上楼时，释放能量为使用人员提供动能，方便使用人员上楼梯，使用人员下楼梯时，能够利用弹性件起到缓冲作用，缓冲使用人员在下楼梯时膝盖和脚踝部位所受到的冲击力，起到保护关节、缓冲减压的作用，整个装置设置的耗电元件少，耗电小，无需建立专门的运动导轨，制作方便，成本较低，应用场合广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图；
图2为本发明实施例1支撑架结构示意图；
图3为本发明实施例1台阶板与弹簧连接示意图；
图4为本发明实施例1调节机构结构示意图；
图5为本发明实施例1电磁锁与底部框架安装示意图；
图6为本发明实施例2整体结构示意图；
其中，1.底部框架，2.侧部框架，3.台阶板，3-1.台阶框架，3-2.台阶面板，4.第一固定板，5.第二滑块，6.第二导向柱，7.第一横梁，8.丝杠，9.第二横梁，10.步进电机，11.联轴器，12.电机座，13.竖向支撑梁，14.丝杠螺母，15.螺母座，16.第二固定板，17.导向块，18.第一导向柱，19.弹簧，20.第一吊环，21.第二吊环，22.电磁锁，23.电磁锁固定板，24.锁紧板，25.限位板，26.台阶。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有上下楼辅助装置耗电大，成本高，适用场合较为局限，针对上述问题，本申请提出了一种模块化上下楼梯辅助装置。
本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-图5所示，一种模块化上下楼梯辅助装置，包括支撑架、台阶板、弹性件、调节机构及锁紧件等元件，所述台阶板两端分别与弹性件的一端连接，弹性件的另一端与用于调节弹性件预紧力的调节机构连接，调节机构安装在支撑架上，所述台阶板与支撑架滑动连接，支撑架的底部设置有锁紧件，锁紧件能够与台阶板锁紧固定。
所述支撑架采用U型结构，包括底部框架1和固定在底部框架两端的侧部框架2，所述底部框架采用由30mmX30mm的欧标铝合金型材拼接构成的矩形框架，相邻的铝合金型材采用直角连接件或角槽连接件连接，所述侧部框架采用由30mmX30mm的欧标铝合金型材拼接构成的矩形框架，相邻的铝合金型材采用直角连接件或角槽连接件连接。
所述台阶板3包括台阶框架3-1和固定在台阶框架的台阶面板3-2，所述台阶面板采用亚克力板，厚度为3mm，尺寸为430mmX290mm。
所述台阶板两端分别与两个L型的第一固定板4通过螺栓固定连接，第一固定板与两个第二滑块5固定连接，第二滑块穿过有第二导向柱6，所述第二导向柱的轴线竖向设置，所述第二导向柱的底端与底部框架固定连接，顶端与固定在侧部框架的第一横梁7固定连接。台阶板能够沿第二导向柱的轴线方向进行运动，第二导向柱用于对台阶板的运动进行导向。
所述调节机构包括轴线竖向设置的丝杠8，所述丝杠采用滚珠丝杠，所述丝杠的底端通过轴承在于第一横梁转动连接，丝杠的顶端通过轴承与固定在侧部框架且与第一横梁相平行的第二横梁9转动连接，所述丝杠的顶端与驱动件连接，所述驱动件采用步进电机10，具体的采用42BYGH39步进电机，能够输出0.4N·m的力矩，所述步进电机的输出轴通过联轴器11与丝杠连接，所述步进电机通过L型的电机座12固定在竖向支撑梁13上，所述竖向支撑梁的顶端与侧部框架最顶部的铝合金型材固定连接，其底端与第二横梁固定连接，所述电机座固定在竖向支撑梁上。
所述丝杠上连接有第一滑块，所述第一滑块包括连接在丝杠上的丝杠螺母14，所述丝杠螺母与螺母座15固定连接，螺母座与L型的第二固定板16固定连接，螺母座的两侧还设置有导向块17，所述导向块与第二固定板固定连接，所述导向块中穿过有轴线竖向设置的第一导向柱18，所述第一导向柱的底端与第一横梁固定连接，第一导向柱的顶端与第二横梁固定连接。
丝杠在步进电机的作用下转动，能够带动丝杠螺母、螺母座、导向块及第二固定板沿丝杠的轴线方向运动，所述第二导向柱能够对丝杠螺母、螺母座、导向块的运动进行导向。
所述弹性件采用弹簧19，弹簧的材质为SUS304-WPB，长度为312.5mm，平均螺旋直径D为23.5mm，线材直径d为2.5mm，弹簧总圈数为100，弹簧劲度系数K为26.34g/mm，横弹性系数G为7000Kg/mm2。
所述弹簧的一端与固定在第二固定板的第一吊环20连接，实现弹簧一端与调节机构连接，所述弹簧的另一端与固定在第一固定板的第二吊环21连接，实现弹簧的另一端与台阶板的连接。
步进电机能够带动丝杠转动，丝杠带动第二固定板沿其轴线方向运动，从而能够调节弹簧的预紧力。
所述底部框架固定有锁紧件，所述锁紧件能够与台阶板锁紧固定，本实施例中，所述锁紧件采用两个电磁锁22，所述电磁锁通过电磁锁固定板23与底部框架的铝合金型材固定连接，所述电磁锁通过继电器与控制系统连接，控制系统能够通过继电器对电磁锁进行通电或断电操作，本实施例中，所述电磁锁采用现有的电磁锁，具有能够伸出和缩回的锁舌，其具体结构在此不进行详细叙述。
所述台阶框架的底面固定有两个锁紧板24，所述锁紧板上设置有与所述电磁锁的锁舌相匹配的锁紧孔，所述电磁锁的锁舌能够伸入锁紧孔中，将电磁锁与台阶板锁紧固定，进而将台阶板与底部框架锁紧固定。
所述侧部框架的竖向设置的铝合金型材上还固定有限位件，所述限位件采用L型的限位板25，弹簧通过拉力带动台阶板向上运动时，台阶板能够与限位板接触，限位板能够限制台阶板继续上升，对台阶板朝向支撑架顶部方向的最大运动距离进行限制。
所述台阶板上安装有压力传感器，用于检测使用人员是否踩踏在台阶板上，能够将检测得到的信息传输给控制系统，本实施例中，所述压力传感器采用薄膜式压力传感器。
所述控制系统采用STM32单片机，所述STM32单片机与薄膜式压力传感器连接，能够接收薄膜式压力传感器采集的体重信息，并与步进电机连接，能够根据采集的压力信息控制步进电机的工作，调节第二固定板的位置，以调节弹簧的预紧力，实现根据使用人员的体重进行智能化调节。
所述STM32单片机还通过继电器与电磁锁连接，STM32单片机能够控制继电器断开，对电磁锁断电，锁舌伸入锁紧孔，完成电磁锁与锁紧板的锁紧固定，STM32单片机能够控制继电器吸合，电磁铁通电，锁舌伸出锁紧孔，完成电磁锁与锁紧板锁紧状态的解除。
本实施例的楼梯辅助装置，耗费电能的元件少，有效减少了电能的消耗，整个装置结构简单，无需设置专门的轨道，加工方便，成本低，当使用人员下楼梯时，使用人员踩在台阶板上，在重力作用下，弹簧拉伸，直至台阶板运动至底部，STM32单片机控制电磁锁通电，锁舌伸出，将台阶板与支撑架锁紧固定，由于弹簧的缓冲作用，能够缓冲使用人员在下楼梯时膝盖和脚踝部位所受到的冲击力，起到保护关节、缓冲减压的作用，弹簧拉伸，能够存储能量。当使用人员上楼梯时，使用人员踏到台阶板后，电磁铁断电，弹簧对台阶板提供向上的拉力，将存储的能量释放，为使用人员提供动能，使得上楼梯更加轻松，减少了使用人员上楼梯时的自身用力，提高了能量的利用效率，总效率在90％左右。
实施例2：
本实施例公开了一种楼梯结构，如图6所示，包括多个台阶26，所述台阶的台阶面上通过膨胀螺栓安装有实施例1所述的模块化上下楼梯辅助装置，本实施例的楼梯结构，无需对现有的楼梯进行改造，制作成本低。所述的首端的楼梯辅助装置前方安装有压力传感器，尾端的楼梯辅助装置的后方安装有压力传感器，第一压力传感器及第二压力传感器与控制系统连接。
实施例3：
本实施例2公开了一种楼梯结构的工作方法：
将多个实施例1所述楼梯辅助装置摆放在各级台阶的台阶面上，并通过膨胀螺栓进行紧固。
在楼梯结构首端的楼梯辅助装置前方安装第一压力传感器，在楼梯结构末端的楼梯辅助装置后方安装第二压力传感器。
当使用人员上楼时：
第一压力传感器能够检测得到使用人员的体重参数，并传输给STM32单片机，STM32单片机根据使用人员的体重参数控制步进电机工作，调节弹簧的预紧力。
台阶板被踩下且台阶板处于下极限位置，说明使用人员正在上楼，当使用人员前脚踏至上一层的台阶板时，上一层的台阶板上的压力传感器将信号传递至STM32单片机，STM32单片机控制当下一层的辅助装置的电磁锁解除与锁紧板的锁紧状态，弹簧释放能量，对台阶板施加向上的拉力，为使用人员提供助力。
当使用人员下楼时：
第二压力传感器能够检测得到使用人员的体重参数，并传输给STM32单片机，STM32单片机根据使用人员的体重参数控制步进电机工作，调节弹簧的预紧力。
相邻两层楼梯辅助装置中，若上一层台阶板被踩下且该台阶板处于上极限位置，则说明使用人员正在下楼，使用人员踩到台阶板后，台阶板在使用人员的作用下向下移动，弹簧拉伸存储能量，台阶板运动至最下方后，STM32单片机控制电磁锁的锁舌工作，将台阶板与底部框架锁紧。
当多名使用人员依次下楼时，前方的使用人员的使用过程如上述的下楼过程，在此不进行重复叙述，后续的一名使用人员下楼时，当使用人员踩到上一层台阶板后，下一层台阶板的电磁锁工作，解除电磁锁与锁紧板的锁紧状态，台阶板恢复至上极限位置，后续的台阶板踩下后，下一层的电磁锁工作，使得下一层的台阶板恢复至上极限位置。
当多名人员依次上楼时，第一名的使用者上楼过程如上述所述的过程，在此不进行重复叙述，后续的使用人员上楼时，楼梯辅助装置的台阶板处于上极限位置，在后续的使用人员处于起始位置时，STM32单片机控制前两层的步进电机运转，利用弹簧将台阶板下压至下极限位置，利用电磁锁进行锁紧，步进电机带动第一滑块向上运动，弹簧快速恢复至拉伸状态，当后续的使用人员踩上第二层的台阶板时，第一层的台阶板控制电磁锁工作，解除锁紧状态，释放弹簧存储的能力，同时STM32单片机控制第三层和第四层的辅助装置的步进电机工作，将台阶板下压至下极限位置，然后拉簧快速恢复到拉伸状态，依次类推，后续使用人员进行上楼。
采用本实施例的楼梯结构，能够同时满足多人上下楼的辅助工作，应用场合更加广泛。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种模块化上下楼梯辅助装置，其特征在于，包括台阶板，所述台阶板两端分别与弹性件的一端连接，弹性件的另一端与用于调节弹性件预紧力的调节机构连接，调节机构安装在支撑架上，所述台阶板与支撑架滑动连接，支撑架的底部设置有锁紧件，锁紧件能够与台阶板锁紧固定；所述弹性件的端部与第二滑块连接，第二滑块与台阶板固定连接，第二滑块穿过有固定在支撑架的第二导向柱；调节机构包括轴线竖向设置的丝杠，丝杠的底端通过轴承在于第一横梁转动连接，丝杠的顶端通过轴承与固定在侧部框架且与第一横梁相平行的第二横梁转动连接，丝杠的顶端与驱动件连接；
所述支撑架上固定有限位件，台阶板能够在弹性件的拉力作用下向支撑架顶部方向运动，并与限位件接触，限位件用于限制台阶板向支撑架顶部方向运动的最大距离。
2.如权利要求1所述的一种模块化上下楼梯辅助装置，其特征在于，所述调节机构包括固定在支撑架的驱动件，所述驱动件与丝杠连接，丝杠连接有第一滑块，第一滑块穿过有固定在支撑架的第一导向柱，所述第一滑块与弹性件的一端连接。
3.如权利要求1所述的一种模块化上下楼梯辅助装置，其特征在于，所述台阶板上安装有压力传感器，所述压力传感器与控制系统连接。
4.如权利要求1所述的一种模块化上下楼梯辅助装置，其特征在于，所述锁紧件采用电磁锁，所述台阶板的底面设置锁紧板，所述锁紧板上设置有与所述电磁锁的锁舌相匹配的锁紧孔，所述电磁锁的锁舌能够伸入锁紧孔中。
5.如权利要求1所述的一种模块化上下楼梯辅助装置，其特征在于，所述弹性件采用弹簧，所述弹簧的一端通过设置在调节机构的第一吊环与调节机构连接，另一端通过第二吊环与台阶板连接。
6.如权利要求1所述的一种模块化上下楼梯辅助装置，其特征在于，所述支撑架采用U型结构，包括底部框架和固定在底部框架两端且平行设置的侧部框架，台阶板设置在两个侧部框架之间，台阶板与弹性件的一端连接，弹性件的了另一端与安装在侧部框架的调节机构连接。
7.一种楼梯结构，其特征在于，包括多个台阶，每个台阶的台阶面上安装有权利要求1-6任一项所述的模块化上下楼梯辅助装置。
8.一种权利要求7所述的楼梯结构的工作方法，其特征在于，使用人员下楼梯时，台阶板在使用人员重力的作用下向下运动，运动至与锁紧件固定，弹性件拉伸进行能量存储，使用人员上楼时，锁紧件松开台阶板，弹性件存储的能量释放，为使用人员上楼提供动能。
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Granted publication date: 20211203 |