重力势能自动转储式上下楼梯助力方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，属于老年、孕妇、膝部关节运动障碍的人家居生活运动辅助技术和设备领域。
【背景技术】
[0002]随着人们家居生活条件的不断改善，别墅、跃层楼房的逐渐增多和人口老龄化的逐步发展，孕妇、老人特别是膝关节运动障碍的人上下楼梯的痛苦困扰着相当一部分家庭。虽然小型的家用电梯早已有之，但电梯的空间占用、安装使用维护成本，特别是电器设备的运行安全问题，都是要慎重考虑的。除了家用电梯，目前孕妇、老人上下室内楼梯还没有比较好的助力办法。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种重力势能自动转储式上下楼梯助力方法及设备，抓住人平时下楼时重力势能白白消耗掉做无用功这一主要矛盾，利用能量守恒定理和滑轮组原理，研制出滑轮组储能器，把人下楼时减少的重力势能自动转储成上楼时拉动人向上的力而做功，基本能达到人只要能在平地上正常行走就能上下楼梯的目的。本发明不需要外在动力，不消耗能源，不存在任何使用安全问题。
[0004]解决上述问题所采取的技术方案如下:
[0005]本发明涉及一种重力势能自动转储式上下楼梯助力方法和设备，其设计有滑轮组储能器，能把人下楼时减少的重力势能转储起来待人上楼时助力做功。滑轮组储能器的功能，一是动滑轮及储能配重块的升降变换使转储重力势能成为可能，二是能解决房间净高空间内动滑轮有限的行程限制和较长的楼梯要求承力索较大的行程之间的矛盾，三是储能定位挂钩能使承力索保持长期受力而使转储的势能得于维持。滑轮组储能器包括滑轮组，储能配重块，空气阻尼缓冲器，支撑架，承力索，助力腰肩带，储能定位挂钩组成。滑轮组储能器安装在楼上楼梯口旁边适当位置，初始时储能配重块落在底部位置，人下楼时通过助力腰肩带、承力索、滑轮组拉动储能配重块上升，使得人体重力势能减少而储能配重块重力势能增加，下到底层时将承力索助力腰肩带端挂在储能定位挂钩上保持储能配重块势能不变，上楼时储能配重块下降重力势能减少转换为拉动人向上的力而做功。本发明还涉及一种重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，其包括滑轮组储能器，滑轮组储能器的功能，一是动滑轮及储能配重块的升降变换使转储重力势能成为可能，二是能解决房间净高空间内动滑轮有限的行程限制和较长的楼梯要求承力索较大的行程之间的矛盾，三是储能定位挂钩能使承力索保持长期受力而使转储的势能得于维持。滑轮组储能器包括滑轮组，储能配重块，空气阻尼缓冲器，支撑架，承力索，助力腰肩带，储能定位挂钩组成。滑轮组储能器安装在楼上楼梯口旁边适当位置，初始时储能配重块落在底部位置，人下楼时通过助力腰肩带、承力索、滑轮组拉动储能配重块上升，使得人体重力势能减少而储能配重块重力势能增加，下到底层时将承力索助力腰肩带端挂在储能定位挂钩上保持储能配重块势能不变，上楼时储能配重块下降重力势能减少转换为拉动人向上的力而做功。
[0006]滑轮组储能器安装在楼上楼梯旁边的适当位置，支撑架底部与底板或周边构件可靠固定，支撑架形状可根据现场地形条件和业主要求采用柱形、L形、梯形、塔形、树形。
[0007]滑轮组的数量和储能配重块的大小可根据实际情况和用户需要进行设计和调整。
[0008]在储能配重块的底部联接空气阻尼缓冲器，其是一个具有可调流量进排气阀的密封袋状装置，可随储能配重块的升降而伸缩和改变容积。空气阻尼缓冲器的作用是防止助力腰肩带滑脱时储能配重块突然下降对地板造成较大冲击，空气阻尼缓冲器上的进排气阻尼阀可进行精密调节，在动滑轮组正常升降时，空气阻尼缓冲器可随之几乎无阻尼正常升降，而当储能配重块下降超过允许速度时，可调流量进排气阀限制袋内空气排出，自动阻碍缓冲配重块下降速度。
[0009]本发明的工作原理是:利用能量守恒定理和滑轮组工作原理，设计滑轮组储能器，把人下楼时减少的重力势能转储起来待人上楼时助力做功。滑轮组储能器包括滑轮组，储能配重块，空气阻尼缓冲器，支撑架，承力索，助力腰肩带，储能定位挂钩。滑轮组储能器安装在楼上楼梯口旁边适当位置，初始时储能配重块落在底部位置，人下楼时通过助力腰肩带、承力索、滑轮组拉动储能配重块上升，使得人体重力势能减少而储能配重块重力势能增加，下到底层时将承力索助力腰肩带端挂在储能定位挂钩上保持储能配重块势能不变，上楼时储能配重块下降重力势能减少转换为拉动人向上的力而做功。归根到底就是创新设计滑轮组储能器，把平时人们下楼梯时无形中白白消耗掉的重力势能，转储成为助力人上楼梯的有用功。
[0010]本发明的积极效果是:在不需要外在动力和能源消耗的前提下，提供一种重力势能自动转储式上下楼梯助力方法和设备，解决别墅、跃层住宅内孕妇、老人、膝部运动障碍者上下楼梯痛苦和不方便的问题，基本能达到若能在平地正常行走就能上下楼梯的目的，利于人们的正常起居生活和身心健康。
【附图说明】
[0011]附图1为本发明一种实施例的主视结构示意图；
[0012]附图2为人上楼梯受力分析图；
[0013]附图3为人下楼梯受力分析图。
[0014]在附图中:I滑轮组，2储能配重块，3空气阻尼缓冲器，4支撑架，5承力索，6助力腰肩带，7储能定位挂钩，Wr = W为人体重量，Wpa滑轮和配重块重量，H动滑轮行程与滑轮直径的和，L承力索行程，F承力索拉力，Fi为F的垂直向上分力，F2为的F的水平分力，α承力索与水平面夹角，Θ膝部弯曲时大腿与水平面的角度，d为人的大腿长度。
【具体实施方式】
[0015]下面将结合具体实施例附图对本发明作进一步详述:
[0016]参见图1，图2，图3，假定一别墅内楼梯为直梯，踏步宽30cm，台阶高17cm，楼层高
2.9m，则直梯长约5.9m，直梯、承力索的水平倾斜角度相同α ? 30°。又设人体重量为Wr =80kgf，滑轮组储能器采用N= 2个动滑轮组，动滑轮及储能配重块Wp = 120kgf，取动滑轮的行程1.5m，则承力索最大伸长量为L = 6m。若不考虑摩擦力、则承力索作用在人体上的拉力约为F = WP/2N=30kgf，产生的向上垂向分力Fi = 30kgf X sin30° = 15kgf，产生的水平分力为 F2 = 30kgf X cos30。= 26.0kgf ο
[0017]若假定其它参数不变，楼梯、承力索的水平倾斜角度α变为45°，则梯长变为4.1m，动滑轮的行程则可缩减为I.Im，承力索伸长量L = 4.4m，承力索作用在人体上的拉力仍为F=30kg，产生的向上和水平分力变为F1 = F2 = 30kgf X sin45° =21.2kgf。可见楼梯、承力索的水平倾斜角度α由30°变为45°，人体所受的向上的垂向分力明显增大，说明楼梯越陡，助力效果越好。一般的室内楼梯倾斜角约为45°，可见采用重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，体重80kgf的人上下楼梯时均相当于体重减轻了 21.2kgf。
[0018]人上下楼梯之所以比在平地上困难，是因为人体膝关节除了要承受身体重力外，更主要的是还要承受一个较大的由人体重心对膝关节形成的的弯矩，楼梯越陡、台阶越高、体重越大、步伐越慢，这个弯矩就越大，膝关节受力就越大。从图2可以看出，人平时上楼时，膝关节要承受的弯矩为M = WrdcoS9，假定d = 0.4m，Θ = 45°，贝丨JM = 80 X 0.4 X cos45° =22.6kgfm。而采用重力势能自动转储式上下楼梯助力方法的情况下，承力索对人体的作用力F，不仅只是给人体提供一个向上的分，更重要的是还产生一个克服膝关节所承受弯矩的反向助力弯矩Mz = Fd = 30kgf X 0.4m= 12kgfm，此时，膝关节实际承受的弯矩Ms= (Wr-Fsina)d X cos0-Mz= (80_30sin45°) X 0.4cos45°-12 = 4.6kgfm。可见，米用重力势能自动转储式上下楼梯助力方法的情况下，膝关节所承受的弯矩仅是平时上楼的1/5。
[0019]人下楼梯时参见图3，膝部承受弯矩的减载情况与上楼梯时不完全一样，受膝部、腰部每一时刻的弯曲角度影响较大，但可以肯定的是，人下楼时为了克服承力索产生的反向拉力，身体重心一定要比平常时前移，腰部向前的弯曲角度也会相应加大，这都会促使重心前移和降低，减少膝关节的弯曲角度，亦即减轻膝关节所承受的弯矩，改善膝关节受力状况。
[0020]根据能量守恒定理，考虑滑轮组摩擦力的存在，重力势能自动转储式上下楼梯助力方法和设备中，人体重力势能转储助力所做的功，不可能大于或者等于转储前的重力势能。从设定的各项数据看，体重SOkgf的人，从2.9m高的楼上下来，减少的重力势能为80 X2.9 = 232kgfm，而人上楼时在承力索30kgf的作用下，在受力方向沿楼梯斜面走了 5.9m的路程，则人体重力势能转储助力所做的功为30 X 5.9 = 177kgfm，转储助力做功的效率为177/232 = 76%，效率应该说是很高的。同时从另一方面也可以看出，在不考虑摩擦力消耗功的情况下，承力索作用在人体上的力，不能超过232/5.9 = 39.3kgf，亦即动滑轮和储能配重块的总重量不能超过39.3X4 = 157.2kgf。
[0021 ]重力势能自动转储式上下楼梯助力设备，还要注意做好外包封装饰，其目的一是安全防护，防止孩童或宠物误入或接近滑轮组造成伤害;二是突出装饰效果，比如装饰成宝塔型或圣诞树型，不仅实用，而且美观，使家庭健康温暖，舒适温馨。
[0022]本发明最适用于家庭有一位上下楼梯运动障碍需要助力者，上下楼梯助力效率高，非常方便;若家庭多人需要助力，则需要有人提前调整助力腰肩带在楼上楼下的位置，或者是把承力索简单地作为助力拉绳使用，这样就需要随着身体的上下移动来回倒手，也有助力作用，但效果会相对差些。
[0023]本发明不适用于多层住宅单元楼内的公共楼梯。
[0024]本发明所用的一切原材料，均应达到国际室内环保、健康卫生、消防和建筑安全标准。
【主权项】
1.一种重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，其特征是其设计有滑轮组储能器，能把人下楼时减少的重力势能自动转储起来待人上楼时助力做功，滑轮组储能器包括有动滑轮、定滑轮组成的滑轮组(I)，联接动滑轮的储能配重块(2)，与储能配重块(2)随动的空气阻尼缓冲器(3)，支撑滑轮组(I)的支撑架(4)，联接滑轮组(I)助力腰肩带(6)和储能定位挂钩(7)的承力索(5)，联接承力索(5)端部系在人腰部的助力腰肩带(6)，安装在楼梯底部的储能定位挂钩(7)。2.根据权利要求1所述的重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，其中储能定位挂钩(7)的功能是用于随时定位承力索(5)而保持储能配重块(2)的势能，因而不限于其具体安装位置、安装数量和形式。3.根据权利要求1-2任一项所述的重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，空气阻尼缓冲器(3)是一个具有可调流量进排气阀的密封袋状装置，袋里空气通过进排气阀与大气相通，可随储能配重块(2)的升降而伸缩改变容积。4.根据权利要求1-3任一项所述的重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，其中空气阻尼缓冲器(3)设置的目的是用于预防储能配重块(2)运动速度过快导致较大冲击，其设置与否，不影响本权利要求。5.根据权利要求书1-4任一项所述的重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，其中承力索(5)可沿单层楼梯直接走向，也可沿折转或旋转楼梯的扶手栏杆设导向轮引导走向。6.根据权利要求1所述的重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，其中滑轮组(I)中的定滑轮轴与支撑架(4)的联接包括悬挂联接、简支梁联接和悬臂联接。7.一种重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，其包括滑轮组储能器，滑轮组储能器包括滑轮组，储能配重块，空气阻尼缓冲器，支撑架，承力索，助力腰肩带，储能定位挂钩组成，滑轮组储能器安装在楼上楼梯口旁边适当位置，初始时储能配重块落在底部位置，人下楼时通过助力腰肩带、承力索、滑轮组拉动储能配重块上升，使得人体重力势能减少而储能配重块重力势能增加，下到底层时将承力索助力腰肩带端挂在储能定位挂钩上保持储能配重块势能不变，上楼时储能配重块下降重力势能减少转换为拉动人向上的力而做功。8.—种用于重力势能自动转储式上下楼梯的装置，其特征是该装置包括滑轮组储能器，能把人下楼时减少的重力势能自动转储起来待人上楼时助力做功，滑轮组储能器包括有动滑轮、定滑轮组成的滑轮组(I)，联接动滑轮的储能配重块(2)，与储能配重块(2)随动的空气阻尼缓冲器(3)，支撑滑轮组(I)的支撑架(4)，联接滑轮组(I)助力腰肩带(6)和储能定位挂钩(7)的承力索(5)，联接承力索(5)端部系在人腰部的助力腰肩带(6)，安装在楼梯底部的储能定位挂钩(7)。
【专利摘要】本发明涉及一种重力势能自动转储式上下楼梯助力方法，其设计的滑轮组储能器，能把人下楼时减少的重力势能自动转储起来待人上楼时助力做功，滑轮组储能器包括滑轮组，储能配重块，空气阻尼缓冲器，支撑架，承力索，助力腰肩带，储能定位挂钩组成。本发明解决了别墅、跃层住宅内孕妇、老人、膝部运动障碍者上下楼梯痛苦和不方便的问题，基本能达到若能在平地正常行走就能上下楼梯的目的，利于人们的正常起居生活和身心健康。
【IPC分类】B66F19/00, F03G3/00
【公开号】CN105712266
【申请号】CN201610231152
【发明人】王建文
【申请人】王建文