星輪式可爬樓梯輪椅車的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,輪式,樓梯,輪椅車,設(shè)計(jì),cad,圖紙,說明書,仿單
附錄1
星輪式爬樓梯輪椅
摘要：為了實(shí)現(xiàn)輪椅爬樓梯的功能，本文設(shè)計(jì)了一種星輪爬梯機(jī)構(gòu)。通過鎖緊聯(lián)軸器、星輪爬升機(jī)構(gòu)的作用形成定軸輪系或行星輪系以實(shí)現(xiàn)平面行走和爬樓梯功能。通過穿越障礙分析得到輪椅能通過的最大高度和最小寬度的障礙物。在SolidWorks三維仿真中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析來驗(yàn)證材料強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：爬樓梯輪椅；行星輪機(jī)構(gòu)；越障分析；Solidworks三維仿真分析
1引言
近些年來，輪椅正在朝著智能化發(fā)展。根據(jù)文獻(xiàn)[ 1-2 ]，輪椅已經(jīng)擁有多功能護(hù)理功能和升降功能，甚至可以在智能家居環(huán)境中使用。它不僅滿足了殘疾人士的基本需求，同時(shí)也為他們的生活提供了便捷。然而，在市場上的殘疾人輪椅采用的是普通輪式機(jī)構(gòu)，只有地上行走的功能。當(dāng)遇到上樓和下樓的情況時(shí)，這種輪椅就不能滿足爬樓梯功能。
在國內(nèi)外主要有兩種用以爬樓梯的輪椅車，一種是連續(xù)型爬樓梯輪椅車，一種是間斷型爬樓梯輪椅車。連續(xù)型爬樓梯輪椅車有能量傳遞效率高，行走時(shí)重心的偏離波動(dòng)小，運(yùn)動(dòng)流暢和適用的地形范圍廣泛這些優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)它也有一些缺點(diǎn)，比如它的重量太重，運(yùn)動(dòng)不夠靈活，在爬樓梯的時(shí)候?qū)翘莸倪吘墪?huì)施加巨大的壓力所以對樓梯有較大的損壞，在平坦的道路上前行時(shí)會(huì)受到很大的阻力，轉(zhuǎn)向還不方便。連續(xù)型爬樓梯輪椅車雖然有行走機(jī)構(gòu)光滑的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)、功能也適用于不同大小的樓梯。但是它比連續(xù)型爬樓梯輪椅車控制要求高，操作更復(fù)雜，在地面上移動(dòng)緩慢[ 3 ]。
因此，為了解決上述問題以及給老年人和殘障人士的出行提供一個(gè)性能更加優(yōu)越的交通工具，設(shè)計(jì)一款價(jià)格低廉、安全可靠的爬樓梯輪椅車是一個(gè)有很大意義和實(shí)用價(jià)值的行為。它不僅要解決用戶上下樓梯的不便，還要考慮到他們的負(fù)擔(dān)能力。
2機(jī)械設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)
圖1 爬樓梯輪椅車整體結(jié)構(gòu)圖
本文中設(shè)計(jì)了一種行星輪式爬樓梯輪椅車。如圖1所示，行星輪式爬樓梯輪椅車主要由機(jī)架、行星輪機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)部件構(gòu)成。兩個(gè)由固定在機(jī)架上的兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)軸控制著行星齒輪傳動(dòng)裝置，從而使輪椅車能夠?qū)崿F(xiàn)爬樓梯和行走的功能。
2.2行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖2所示，行星輪式爬樓梯機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸1、管軸2、旋轉(zhuǎn)臂3，太陽輪4，傳動(dòng)齒輪5，驅(qū)動(dòng)齒輪6和車輪7。傳動(dòng)軸的一端與太陽輪相連并通過一個(gè)軸承懸空放置在旋轉(zhuǎn)臂上，另一個(gè)與錐齒輪軸配合。主軸上空套的管軸一端與旋轉(zhuǎn)臂固定連接，另一端連接自鎖裝置。過度齒輪5和驅(qū)動(dòng)齒輪6分別懸空安裝在手臂3和車輪7上，三個(gè)軸的中軸線是等距分布的。
四組齒輪間通過各自軸的作用間接承受了整個(gè)輪椅車的重量，輪子上的齒輪繞著它自身的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)自鎖裝置分離傳動(dòng)軸和管軸時(shí)，輪椅車可以在地面上平穩(wěn)行駛。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)可以使與地面接觸的車輪獲得和齒輪同樣的角速度。
當(dāng)前車輪撞到比輪子高的障礙物停止移動(dòng)時(shí)，通過鎖緊聯(lián)軸器與管軸鎖緊的傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)管軸和手臂3旋轉(zhuǎn)，從而使得三個(gè)車輪繞著中心太陽輪的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)翻越障礙物的功能（即爬樓梯）。
圖2 行星輪機(jī)構(gòu)
3穿越障礙分析
除了有一個(gè)很強(qiáng)的爬樓梯技巧之外，爬樓梯輪椅車當(dāng)然需要有一個(gè)越障的能力和一個(gè)障礙閃避系統(tǒng)[ 4 ]。本文僅對行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)翻越障礙的能力以及爬樓梯時(shí)輪椅的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。
圖3 越障分析
如圖3所示，當(dāng)翻越障礙時(shí)車輪組必須滿足以下的關(guān)系：
a≤（3R2 - r2） （1）
其中，a是障礙物的高度；b是障礙物的寬度；r是車輪的半徑；R是車輪組中心與車輪中心之間的距離；x是梯子和行星齒輪的中心之間的距離。
為了保證兩個(gè)輪子之間不存在障礙物和前輪在攀爬障礙物后可靠地與材料接觸，當(dāng)可爬樓梯輪椅車爬上障礙物時(shí)，障礙物的寬度需要滿足以下要求：
B+2r≤R （2）
根據(jù)文獻(xiàn)[ 5 ]，對行星輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：R = 140mm，r= 85毫米，t= 45毫米。然后通過公式（1）和（2）我們可以得到：
amax ==227(mm)
bmax = R- 2r=72(mm)
可以得出結(jié)論，行星輪式可爬樓梯機(jī)構(gòu)可以跨越障礙物的最大高度為227毫米，能跨越障礙物的最小寬度為72mm，它有一個(gè)相對較高的越障能力，并且可以滿足輪椅車在日常平坦道路上行走的要求。
4應(yīng)力應(yīng)變分析
為了在本文中驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，本文選擇SolidWorks三維仿真軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。SolidWorks三維仿真軟件主要由三部分組成：前處理模塊、模塊劃分和后處理模塊。由于本文所采用的模型是用SolidWorks三維軟件建模的，可以直接用Solidworks三維進(jìn)行仿真分析。分析步驟為：
（1）零件和材料特性的定義；
（2）定義夾具類型；
（3）定義外部負(fù)載；
（4）有限元網(wǎng)格劃分；
（5）解決；
（6）視圖求解結(jié)果。
根據(jù)上面的步驟，以下部分的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果顯示在圖4-圖9。
圖4 傳動(dòng)軸應(yīng)力分析
圖5 傳動(dòng)軸應(yīng)變分析
圖6 管軸應(yīng)力分析
通過以上分析，我們可以了解到零件上關(guān)鍵位置的最大位移和最大應(yīng)力。在設(shè)計(jì)過程中，主要對應(yīng)力進(jìn)行了檢驗(yàn)。
通過分析關(guān)鍵零件圖的結(jié)果，最大應(yīng)力在傳動(dòng)軸如圖4所示的雜志部分的輸入部分上，最大應(yīng)力位于軸的直徑變化部分上，應(yīng)力為41.5 MPa。以上材料的關(guān)鍵部件是45鋼。經(jīng)過查驗(yàn)材料手冊，45鋼的屈服強(qiáng)度為355兆帕。它大于零件的最大應(yīng)力，具有較高的安全系數(shù)，滿足設(shè)計(jì)要求。通過利用Solidworks三維仿真軟件進(jìn)行行星輪可爬樓梯輪椅車的有限元分析，既能檢查出滿足要求的強(qiáng)度，又可以為輪椅的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
圖7 管軸應(yīng)變分析
圖8 車輪應(yīng)力分析
圖9 車輪應(yīng)變分析
5結(jié)論
本文分析了常用的可爬樓梯輪椅車的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種行星輪式可爬樓梯輪椅車，通過使用行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)擁有爬樓梯和平地行走兩種功能。通過行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)，并對越障能力的分析，我們可以獲得這種越障能力高，適應(yīng)各種不同尺寸樓梯能力強(qiáng)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，安全性好的行星輪式可爬樓梯輪椅車。
附錄2
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題目名稱： 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)
所在學(xué)院：
專業(yè)（班級）：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
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輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)
總計(jì)：畢業(yè)論文： 33 頁
表 格： 4 表
插 圖： 29 幅
指導(dǎo)教師：
評
完成日期：
摘 要
輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要代步工具。在發(fā)展中國家，很多老式的居民樓里沒有電梯，肢體殘疾人士和老年人上下樓不方便。國外發(fā)達(dá)國家研制的爬樓輪椅大多價(jià)格昂貴，且操作復(fù)雜，發(fā)展中國家普通用戶難以承擔(dān)。國內(nèi)開發(fā)的產(chǎn)品與國外產(chǎn)品的差距較大，尤其是在輪椅爬樓穩(wěn)定性和安全性方面做得還不夠好。本課題在借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)之上，提出了一種新型爬樓輪椅的方案，以期更好地解決輪椅爬樓的穩(wěn)定性和安全性問題。本文對爬樓輪椅的總體方案及關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，研究內(nèi)容及結(jié)果包括：
（1）進(jìn)行了爬樓輪椅的總體設(shè)計(jì)。采用綜合評分法對現(xiàn)有爬樓機(jī)構(gòu)的工作原理及各種不同機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，確定了以三星輪式機(jī)構(gòu)作為爬樓機(jī)構(gòu)；對可爬樓梯輪椅車的傳動(dòng)系統(tǒng)，尾架系統(tǒng)，底盤小車，座椅系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。
（2）對動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過計(jì)算分析選擇了底盤小車動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)，電池和減速器；通過分析列出翻越臺(tái)階約束，轉(zhuǎn)速約束，其他約束三大約束條件，并選擇出最優(yōu)的行星架零件參數(shù)。
（3）使用SolidWorks軟件對爬樓輪椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行中心軸，外圈軸和車輪的應(yīng)力應(yīng)變分析。
關(guān)鍵詞: 爬樓輪椅 輪式機(jī)構(gòu) 調(diào)平機(jī)構(gòu) SolidWorks
II
ABSTRACT
Wheelchair is an important transport of physically disabled and elderly people.In some developing countries, many of the old buildings are not equipped with elevators, so physically disabled and elderly people up and down the stairs harder. The stair-climbing wheelchair which manufactured in developed countries is expensive and complicated to operate, so ordinary users in developing countries is difficult to bear. The gap between the domestic products and foreign products is a little large,especially in climb stability and security, and we are not doing well enough. This topic proposed a new kind of stair-climbing wheelchair solution which based on the relevant research at home and abroad, in order to better solve the stability and security of the wheelchair when climb the stair. In this paper, the overall scheme and the key problems of the stair-climbing wheelchair is studied, and the research contents and results include:
(1) This paper has designed the overall of the stair-climbing wheelchair. In this paper, the comprehensive evaluation method is used to analyze the working principle of the stair-climbing mechanisms and the advantages and disadvantages of the different mechanisms, and determined the three wheeled wheel mechanism as a stair-climbing mechanisms;This paper has designed The transmission system, tailstock system, chassis trolley and seat system of the stair climbing wheelchair.
(2) the power system is designed, and the motor, battery and reducer of the chassis power system are selected by calculation and analysis. By analyzing and listing the step constraints, the speed constraints, the other constraints, and selecting the optimal parameters of the three constraints of the planet frame.
(3) The structure of the climbing wheelchair was designed by SolidWorks software, make the stress and strain analysis of the center shaft, outer ring shaft and wheel .
Key words: stair-climbing wheelchair wheel mechanism leveling mechanism SolidWorks
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1. 緒論 1
1.1引言 1
1.2本文研究的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 1
1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.4本文研究的主要內(nèi)容 3
1.5本文創(chuàng)新點(diǎn) 4
2. 可爬樓梯輪椅車的總體設(shè)計(jì) 5
2.1底盤小車的設(shè)計(jì)方案 5
2.2座椅的總體設(shè)計(jì) 10
3. 動(dòng)力系統(tǒng)分析選型 12
3.1電機(jī)類型的確定 12
3.2電機(jī)參數(shù)的選擇 12
3.3電池選擇 14
4. 底盤小車系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì) 15
4.1行星輪組的相關(guān)參數(shù) 15
4.2翻越臺(tái)階的幾何約束關(guān)系 16
4.3其他約束關(guān)系 17
4.4 行星輪組零件參數(shù)的確定 19
5. 傳動(dòng)系統(tǒng)在電機(jī)箱體內(nèi)部分的設(shè)計(jì) 20
5.1傳動(dòng)系統(tǒng)整體布局圖 20
5.2 爬樓模式的參數(shù)設(shè)計(jì) 20
5.3 平地行走模式的參數(shù)設(shè)計(jì) 23
6. 座椅的設(shè)計(jì) 26
6.1座椅中關(guān)鍵部件的人機(jī)工程設(shè)計(jì)原理 26
6.2 座椅調(diào)平機(jī)構(gòu) 26
7. 應(yīng)力應(yīng)變分析 28
8. 結(jié)論與展望 31
8.1 結(jié)論 31
8.2 展望 31
致謝 32
參考文獻(xiàn) 33
1. 緒論
1.1引言
在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口密度越來越大的現(xiàn)代社會(huì)里，樓梯的誕生緩解了建筑用地日益緊張的壓力，提高了人們對空間的利用率。但是大部分人住在公寓式樓房內(nèi)，而一般的7 層以下的樓房都沒有安裝電梯，這給老年人或者腿部殘疾人士帶來了很多的不便。在這種情況下，樓梯對于他們往往意味著一個(gè)巨大的障礙需要去克服，給他們的出行帶來了很多不便，影響他們與外界的溝通交流。
另外這一問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多日益突出。2002 年，全世界80 歲以上老年人口達(dá)到6.06 億，而且正在以比總?cè)丝诳斓乃俣冗f增，據(jù)聯(lián)合國估計(jì)，2020 年將達(dá)到10 億 這些人群在出行的時(shí)候多數(shù)是需要輪椅的，老年人和殘疾人比例的顯著增加給醫(yī)療，護(hù)理，社會(huì)服務(wù)方面的需求帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，加重了社會(huì)和個(gè)人的家庭的負(fù)擔(dān)，而且也影響到了他們的正常生活。
輪椅對于年老體弱者及肢體傷殘者而言是他們必不可少的代步工具，其應(yīng)用需求越來越大。但是，它們一般僅適合在平地上使用，很少具備爬樓梯和翻越路障的能力，這給輪椅使用者帶來諸多不便。由于傷殘者對回歸社會(huì)和獨(dú)立生活的渴望，促使輪椅的性能和質(zhì)量不斷完善和提高。為此，目前也有很多人致力于爬樓梯輪椅的研究。我國的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，考慮老年人及殘疾人對出行的方便性的需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
1.2本文研究的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
理論意義：對于年老體弱者以及下肢傷殘者，輪椅是其必不可少的行走輔助設(shè)備，由于我國無障礙設(shè)施的滯后，這類人群的出行問題十分突出。鑒于目前的輪椅、電動(dòng)輪椅能在坡度小于12度平坦的路面上行駛，但遇到樓梯臺(tái)階、溝槽、坎就無法跨越，使輪椅具有爬樓梯能力是解決這類問題的關(guān)鍵。研究這類問題具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。
應(yīng)用價(jià)值：從市場的角度看，輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要的代步工具，隨
著人們生活水平的提高，輪椅被看作是一個(gè)潛力巨大的市場。從全球范圍來看爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)有近百年的歷史，提出了各種輪椅爬樓梯的解決方案。在這些方案中，行星輪式爬樓梯輪椅可以兼顧平地行走和爬樓梯，是比較理想的爬樓梯解決方案。所以，研究輪式可爬樓梯輪椅車無論從經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可行性都具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi)，國外起步比較早，1982 年美國科學(xué)家Bray 發(fā)明了第一個(gè)爬樓梯輪椅，此后各個(gè)國家紛紛推出了各自的產(chǎn)品，取得了很多成果，很多已經(jīng)上市。我國在這方面研究比較晚，針對電動(dòng)爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成效，但主要還停留在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)量產(chǎn)，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空間。
圖1.1 國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖
爬樓輪椅專利申請的時(shí)間分布及分析。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻(xiàn)出現(xiàn)較早，最早的有關(guān)爬樓輪椅的專利出現(xiàn)在1912年。國內(nèi)關(guān)于這一主題的申請最早出現(xiàn)在1991 年，比發(fā)達(dá)國家晚了近80 年，在進(jìn)入21 世紀(jì)以后才逐漸發(fā)展起來。圖1 是1960 年至2016 年國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖?？梢钥闯觯?008 年后該主題的專利申請量明顯上漲，反映出隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對老齡群體和殘疾人士的關(guān)注度大大提高。
總體而言，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同，通常采用三種結(jié)構(gòu)原理，一種結(jié)構(gòu)是采用行星輪機(jī)構(gòu); 一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬樓梯輪椅; 一種結(jié)構(gòu)是腿足式結(jié)構(gòu)。另外還有很多種的輔助裝置。
(1)行星輪式
行星輪式是交通運(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在國外一些爬樓機(jī)器人中
也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。輪椅應(yīng)用方面，普通輪椅以及電動(dòng)輪椅都是采用的這種輪式結(jié)構(gòu)，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)平衡快速地移動(dòng)，能量利用效率高，
采用差動(dòng)傳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向半徑小，轉(zhuǎn)向靈活。對于行星輪型爬樓輪椅，結(jié)構(gòu)簡單，并利用自鎖機(jī)構(gòu)保證上下樓梯時(shí)不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應(yīng)性較差，不能滿足使用者對舒適性和可靠性的需求。
(2）履帶式
第二種是履帶式，履帶式原理比較簡單，和履帶式坦克裝甲車類似，技術(shù)也比較成熟，它的行走方式比行星輪式爬樓輪椅更為連續(xù)，具有很高的傳動(dòng)效率，在上下樓梯的時(shí)候，輪椅的重心始終和樓梯臺(tái)階沿的連線保持平行，輪椅的重心波動(dòng)很小，比較平穩(wěn)。履帶式機(jī)構(gòu)支撐面積大，通過性能好，下陷度小，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，爬坡，越溝等性能相對于輪式機(jī)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時(shí)采用履帶輪的方式，保證了上下樓梯過程的連續(xù)性。但是，所述履帶輪型爬樓輪椅無法實(shí)現(xiàn)從斜面到平面的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，且結(jié)構(gòu)笨重，對樓梯邊沿的損害程度很大，運(yùn)動(dòng)過程的阻力矩較大，換向過程實(shí)現(xiàn)困難，能源利用效率低，這些問題在很大程度上限制了該型輪椅在上下樓梯中的使用。
（3）腿足式
對于腿足式結(jié)構(gòu)爬樓梯輪椅，該結(jié)構(gòu)模仿人上下樓梯的動(dòng)作，采用一組或幾組腿交替升降、支撐爬樓的原理，對樓梯的適應(yīng)性很強(qiáng)，上樓時(shí)，先將整個(gè)輪椅升高，再水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過程就直至爬完一段樓梯。腿足式爬樓梯裝置模仿了人類爬樓的動(dòng)作，外觀其實(shí)可以視為機(jī)器人，采用多條機(jī)械臂交替升降，支撐輪椅爬樓的原理。但是，其承載重心偏高，傾翻危險(xiǎn)性大，對穩(wěn)定性要求極高，控制難度很大，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有諸多問題需要解決。
（4）其他裝置
現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種。
第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實(shí)現(xiàn)爬樓的目的，它們是獨(dú)立的裝置，可以輔助普通的輪椅實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。
第二種是軌道式爬樓梯裝置，通過在普通樓梯上安裝軌道實(shí)現(xiàn)普通輪椅或者其他交通裝置實(shí)現(xiàn)上樓和下樓。
總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點(diǎn)可以看出，發(fā)展至今大多數(shù)爬樓梯裝置的自主性不高，仍需在旁人協(xié)助的條件下實(shí)現(xiàn)上下樓梯，而且在穩(wěn)定性和安全性等可靠性方面存在的很多問題也值得深入研究。如何在保障爬樓梯輪椅整體體積小、重量輕的前提下，結(jié)合先進(jìn)的傳感手段和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其可靠、平穩(wěn)的上下樓梯將是今后“老人/殘障者上下樓梯助行系統(tǒng)”研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。
1.4本文研究的主要內(nèi)容
本文設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是設(shè)計(jì)出一款體積不大、操作較為簡單、價(jià)格適中、適合于廣大老弱病殘人士使用的可爬樓梯輪椅車。主要完成上下樓梯機(jī)構(gòu)（底盤小車）和座椅系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。
本文預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：
（1）要求自行輪椅的運(yùn)動(dòng)平順性，平地行走速度不大于15km/h。
（2）要求可靠的上下樓梯能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，傳動(dòng)效率高。
（3）臺(tái)階髙度為180 mm±5 mm,最小樓梯坡度為35°,容許誤差為1°。所有樓梯的梯級突邊都在由兩個(gè)相距10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的區(qū)域內(nèi)。
（4）連續(xù)臺(tái)階的爬行速度不大于3km/h。
（5）有效負(fù)重為85kg。
1.5本文創(chuàng)新點(diǎn)
（1） 對爬樓原理進(jìn)行研究，針對爬樓方案中爬樓過程存在打滑、重心不穩(wěn)的問題。本文在車尾設(shè)計(jì)了一個(gè)引導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，可以使爬樓梯輪椅車在爬樓過程中平穩(wěn)，安全的上升。
（2） 在上下樓時(shí)爬樓梯輪椅整體是傾斜的, 坐在傾斜的輪椅會(huì)使乘坐者感到不適。所以本文設(shè)計(jì)了一種滾道滑軌式的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)，能依靠輪椅和乘坐者自身的重力進(jìn)行調(diào)平，使乘坐者更加舒適。
2. 可爬樓梯輪椅車的總體設(shè)計(jì)
本章是本文設(shè)計(jì)之始，后續(xù)的一系列設(shè)計(jì)均以本章的成果為核心開展。具體有兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，底盤小車的總體設(shè)計(jì)和輪椅座椅部分的設(shè)計(jì)。底盤小車需要具備平地行走和爬樓梯或是越障礙這兩種功能。設(shè)計(jì)主要包括主體機(jī)構(gòu)的分析選型，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，底盤小車尾部的設(shè)計(jì)以及整體機(jī)構(gòu)的展示。座椅部分要具有可調(diào)姿態(tài)機(jī)構(gòu)，使人坐起來更加舒適，推輪椅的人也更加省力的特點(diǎn)，并圍繞這些展開設(shè)計(jì)。要求結(jié)構(gòu)合理，美觀實(shí)用，經(jīng)濟(jì)適中。
2.1底盤小車的設(shè)計(jì)方案
2.2.1不同種類越障機(jī)構(gòu)比較分析
翻越障礙的機(jī)械種類頗多，并都有其自己的特色，本文將會(huì)從下邊6個(gè)角度來分析對比從而找出最優(yōu)的一款：
（1）越障能力
指小車跨越障礙物前行的本領(lǐng)。在這兒所要翻越的物體是指普通的七層居民樓樓梯，主要技術(shù)參數(shù)見上文。
（2) 穩(wěn)定性
一般有兩個(gè)方向的意思，其中一個(gè)意思是指小車在翻越物體時(shí)小車車身的擺動(dòng)幅度；另一個(gè)是指該設(shè)備在受到外部環(huán)境干擾時(shí)，小車保持其原有狀態(tài)的本領(lǐng)。
（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度
是指在具有相同的攀爬能力及各種其他條件的狀況下，機(jī)構(gòu)的零件數(shù)量，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。
（4）控制難易度
指用預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序去控制小車來促成其達(dá)到原先目的的困難程度。
（5）經(jīng)濟(jì)性
指在攀爬能力，穩(wěn)定性等一切條件都相似的情況下，并都能達(dá)到預(yù)計(jì)的目標(biāo)，小車造價(jià)的高低。
（6）移動(dòng)速度
指越障機(jī)構(gòu)在道路良好，其它條件如風(fēng)阻，地面摩擦系數(shù)等都確定的情況下的行駛速率。
各種越障機(jī)構(gòu)的性能對比如表2.1所示：
表2.1 越障機(jī)構(gòu)的比較分析
由表可知，后兩種越障輪椅車的相似缺陷是：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，難以控制，成本高；而履帶式平地移動(dòng)速度慢；此外，履帶式的運(yùn)行效率很低。綜上所述，本文將選用行星輪式的越障機(jī)構(gòu)。
2.2.2行星輪個(gè)數(shù)的確定
外嚙合的定軸行星輪系根據(jù)行星輪數(shù)量的多少，可分成兩輪式、三輪式、四輪式行星輪系，以此類推。圖2.2為不同數(shù)量行星輪小車在翻越障礙時(shí)的過程圖。
a 兩輪式 c 三輪式 d 四輪式
圖2.2 三種不同數(shù)目行星輪
按照現(xiàn)實(shí)中的經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)小車行駛到臺(tái)階前時(shí)，小車的兩個(gè)前輪碰到了臺(tái)階面，受力后的小車行星架會(huì)繞著前輪中心軸旋轉(zhuǎn)，接下來當(dāng)行星架中心和車輪中心的那條旋臂和地面成90。時(shí)，輪椅車的重心達(dá)到越障過程中的最高處。
在行星架翻轉(zhuǎn)過程中，第一個(gè)車輪和臺(tái)階前表面相觸時(shí)和前輪的中心距離定為臺(tái)階高度，現(xiàn)定義行星架半徑為R，則如上圖的三種情況下的臺(tái)階高度為2Ra，Rb，Rc。
假設(shè)臺(tái)階的高度為 H，即：
2Ra=Rb=Rc=H （2.1）
一目了然地可以從上圖看出三種樣式的變化分別為：
（2.2）
Δhb=Rb=H=0.289H （2.3）
Δhc=Rc=×H=0.207H （2.4）
分析上式不難得出，就減小行起伏而言，星輪的個(gè)數(shù)自然是越多越好。另外，H降低了0.211H，而，H僅0.082H降低了0.082H，這時(shí)如果繪制一幅重心隨星輪數(shù)量的變化圖，想必曲線一定是逐漸降低并漸漸趨于平緩的。
可見這里可以分成兩種情況來討論，在小車行星輪個(gè)數(shù)多的狀態(tài)下，由上一段里分析道小車的重心隨著行星架旋轉(zhuǎn)的，有著的優(yōu)勢。但是也存在零件數(shù)目增多導(dǎo)致的造價(jià)變高，小車體積變大妨礙運(yùn)動(dòng)，爬樓高度下降等一系列的問題。然而，二輪式的行星輪組小車則體現(xiàn)出相反的性能。
綜上所訴，本文選擇性價(jià)比最高的三星輪。
2.2.3傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
為了更好地滿足設(shè)計(jì)要求，輪椅車必須具備直線行走，平地轉(zhuǎn)彎和翻越障礙的功能。實(shí)現(xiàn)平地直線行走功能只需保證控制行走輪子的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向相同即可；要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，只需控制兩個(gè)電機(jī)存在轉(zhuǎn)速差，使外側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于內(nèi)側(cè)電機(jī)，或者使兩電機(jī)轉(zhuǎn)向相反；翻越障礙時(shí)，使控制行星，從而讓三個(gè)輪子繞著中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了滿足上訴各功能，本文設(shè)計(jì)了以下的機(jī)構(gòu)，2.3所示。
圖2.3 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡圖
電動(dòng)機(jī)1經(jīng)過減速器后將力傳遞到主傳動(dòng)軸，之后經(jīng)過若干齒輪分配到三個(gè)車輪上。行星架的爬樓模式同理可以實(shí)現(xiàn)。
整個(gè)機(jī)構(gòu)需具有結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理的特點(diǎn)，于是本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)外軸的結(jié)構(gòu)形式：通過內(nèi)軸(中心軸）驅(qū)動(dòng)輪轂翻轉(zhuǎn)，通過外軸（外圈軸）驅(qū)動(dòng)行星架翻轉(zhuǎn)。
輪椅車的輪轂系采用Q235。兩側(cè)的行星架通過一個(gè)電機(jī)箱相連，電機(jī)箱能夠使底盤系統(tǒng)更加穩(wěn)定。電機(jī)箱兩側(cè)連接一個(gè)尾架，延伸到小車后部，尾架兩端各有一個(gè)萬向輪。行星架一側(cè)的三個(gè)輪轂由相聯(lián)，由電機(jī)2通過齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)使，同時(shí)著地的兩個(gè)車輪輪轂轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速均相同，另一個(gè)車輪懸空空轉(zhuǎn)。
這樣設(shè)計(jì)的好處是三個(gè)輪轂在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，能夠?qū)崿F(xiàn)相同速度，相同轉(zhuǎn)向，雖然就結(jié)構(gòu)上而言，雙輪會(huì)比單輪（即只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪）的要復(fù)雜一些。但是雙輪也同時(shí)具有一些無與倫比的好處，1其在翻轉(zhuǎn)時(shí)因?yàn)樗妮喿邮菍ΨQ分布的會(huì)表現(xiàn)得更加自由和和諧；2小車在使用過程中，小車和乘坐者的重量幾乎都壓在后輪上，而后輪為驅(qū)動(dòng)輪，應(yīng)此這會(huì)比單輪的小車擁有更大的驅(qū)動(dòng)力。
圖2.4 齒輪及車輪轉(zhuǎn)向
下圖2.5是本文設(shè)計(jì)的行星架外形圖。
圖2.5 行星架外形示意圖
2.2.4小車尾架和萬向輪
小車尾架的作用是使底盤小車能夠平穩(wěn)的在平地上行駛，分擔(dān)一部分輪椅車的重量。并且在爬樓輪椅車上樓時(shí)，尾架上的引導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)能夠減小攀爬時(shí)小車的震動(dòng)。尾架末端兩側(cè)分別有一個(gè)萬向輪，擁有自由轉(zhuǎn)向和卡死小車防止移動(dòng)的功能。圖2.6，圖2.7分別為小車尾架和萬向輪的結(jié)構(gòu)：
圖2.6 小車尾架示意簡圖 圖2.7 萬向輪
由下圖的各項(xiàng)參數(shù)再根據(jù)底盤小車的大概高度，載重等一系列參數(shù)，選擇GU-JB150型號的萬向輪。
圖2.8 萬向輪參數(shù)截圖
2.2.5底盤小車的總體圖及爬樓梯演示圖
圖2.9 爬樓演示圖
2.2座椅的總體設(shè)計(jì)
座椅外形不做特殊設(shè)計(jì)，簡潔美觀即可。為了使設(shè)計(jì)的可爬樓梯更加舒適安全，在座椅底部加上一個(gè)新穎的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)。座椅外形和調(diào)平機(jī)構(gòu)如下圖所示。
圖2.10 調(diào)平概念圖 圖2.11 座椅外形圖
3. 動(dòng)力系統(tǒng)分析選型
本章將要進(jìn)行底盤小車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要工作有根據(jù)已有的要求計(jì)算小車所需的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，再按照計(jì)算所得的參數(shù)對電機(jī)選型，最后是對確定能源設(shè)備。
3.1電機(jī)類型的確定
無疑電機(jī)對于爬樓輪椅車來說至關(guān)重要，它是小車的核心動(dòng)力系統(tǒng)，將為小車提供驅(qū)動(dòng)力。接下來將從下列三種電機(jī)中選出一款最符合本文條件的電機(jī)。
（1） 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)有很多優(yōu)秀特點(diǎn)，比如電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候，優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。并且如果取用開環(huán)控制，電機(jī)會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單而節(jié)省大量輪椅車的開支。缺點(diǎn)是能源消耗較大，會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)有較大的振動(dòng)和噪聲， 穩(wěn)定性能不佳。
（2）直流電機(jī)
直流電機(jī)本身的控制性能絕佳，能夠在受到強(qiáng)烈的外界干擾時(shí)作出迅速快捷、的反應(yīng)。此外，直流電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、能夠加載較大的負(fù)重，這使得小車在爬樓過程中更加穩(wěn)定。然而，傳統(tǒng)直流電機(jī)為，因此容易產(chǎn)生，直接導(dǎo)致直流電機(jī)只有幾千小時(shí)的壽命[4]。
（3）無刷直流電機(jī)
該電機(jī)比之上文的直流電機(jī)不但秉承了它的一些優(yōu)秀特征，并且還有加強(qiáng)。比如在換向過程中沒有火花產(chǎn)生，安全，安靜。而且它壽命悠長，有上萬個(gè)小時(shí)，更兼有維修方便的優(yōu)點(diǎn)。
綜上所述，選擇無刷直流電機(jī)作為輪式可爬樓梯輪椅車的動(dòng)力裝置。
3.2電機(jī)參數(shù)的選擇
本文設(shè)計(jì)的輪椅車具有在平坦地面行駛和攀登樓梯的功能，因?yàn)榕罉翘輹r(shí)要克服重力做功，其所需的功率一般比平地行走所需的功率要大，所以在這先計(jì)算爬樓模式下的電機(jī)各參數(shù)選出電機(jī)，再根據(jù)這些選出的參數(shù)來驗(yàn)算平地行走模式下的功率轉(zhuǎn)矩，車速等要求。
假設(shè)輪椅車的重量為，乘坐者的重量為。車輪半徑為0.11m。選擇減速器減速比為32。
3.2.1選取電機(jī)參數(shù)
小車在爬樓梯的過程中遇到的轉(zhuǎn)矩最大的情況是當(dāng)?shù)肿翘莸那拜唽⒁x開地面的時(shí)候，此時(shí)小車重心離行星架旋轉(zhuǎn)中心的距離為L，。
輪椅車要抵抗的力矩為：
（3.1）
假設(shè)輪椅車在前進(jìn)過程中行星架的角速度
于是轉(zhuǎn)速 （3.2）
（3.3）
由于翻轉(zhuǎn)電機(jī)采用左右兩個(gè)來驅(qū)動(dòng)行星架，而電機(jī)需經(jīng)過一對齒輪和一對軸承才能將轉(zhuǎn)矩傳遞到行星架那兒，所以效率為 （3.4）
電機(jī)功率 （3.5）假設(shè)爬樓總傳動(dòng)比為120。
（3.6）
電機(jī)轉(zhuǎn)速 （3.7）
綜上所述，電機(jī)應(yīng)選取功率大于0.33kw，轉(zhuǎn)矩大于1.96，轉(zhuǎn)速在3152.4rpm左右的電機(jī)。最終本文選取了富興86系列無刷電機(jī)，型號為FBLM86-660,下表為該電機(jī)的部分參數(shù)：
表3.1 電機(jī)參數(shù)表
電機(jī)型號 額定功率（kw） 額定扭矩（） 額定轉(zhuǎn)速（rpm） 額定電壓（V）
FBLM86-660 0.66 2.1 3000 48
3.2.2驗(yàn)算平地行駛模式下的參數(shù)
假設(shè)輪椅車和乘坐者的總重量由前后輪一起承擔(dān)，前輪承受40%的重量，后輪承受60%的重量。地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.02。
前輪受到的壓力 （3.8）
后輪受到的壓力 （3.9）
滑動(dòng)摩擦力 （3.10）
（3.11）
假設(shè)行走模式下的總傳動(dòng)比為：
（3.12）
又因?yàn)橐兴膫€(gè)輪子分擔(dān)，
（3.13）
單個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力為：
（3.14）
驅(qū)動(dòng)力校核正確。
3.3電池選擇
本文使用 48V 的蓄電池作。進(jìn)入選擇池的有以下 4 種蓄電池：鎳氫電池，鋰電池，。前三種電池均具有良好的性能和悠長的使用壽命。與壽命相當(dāng)?shù)倪€有其昂貴的價(jià)格，無疑這不符合設(shè)計(jì)的初衷。最終我們選擇性價(jià)比較高的鉛蓄電池作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源，因其身兼壽命長，價(jià)格低廉，維修簡單等優(yōu)點(diǎn)。
4. 底盤小車系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)
本章的工作是根據(jù)底盤小車在爬樓梯的過程中出現(xiàn)的若干問題列出約束條件，然后再約束范圍內(nèi)精選零件。
4.1行星輪組的相關(guān)參數(shù)
底盤小車的中包含了輪轂、行星架、齒輪、軸承、銷、墊圈等眾多零件。其中的很多零部件可以直接選擇國標(biāo)的零件，也有很多零件可以在一定范圍內(nèi)任意取值，這部分零件設(shè)計(jì)相對輕松自由。而在一定范圍內(nèi)取值的零件需要滿足符合要求的約束條件。
本章具體闡述了精選約束后定軸輪系中各零件關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)。表4.2為各個(gè)零件的參數(shù)表，圖4.1為其相關(guān)尺寸。
圖4.1 齒輪車輪相關(guān)尺寸示意圖
表4.2 各個(gè)零件的相關(guān)尺寸及其參數(shù)
4.2翻越臺(tái)階的幾何約束關(guān)系
4.2.1臺(tái)階突起不碰行星架
為了防止行星輪組與臺(tái)階接觸摩擦而引起損壞，只需保證在爬樓過程中的任何時(shí)間段臺(tái)階均不與行星架觸碰。當(dāng)臺(tái)階尖角的中心軸線與行星架的任意兩條手臂的凹陷處中心軸線想重合時(shí)，圖4.3即為最相近的極限狀態(tài)。
圖4.3中各尺寸的含義分別是：
臺(tái)階突起D到AB的距離d1；
行星架的外殼厚度d2，按照一般情況定為7mm；
以及齒輪齒頂與外殼內(nèi)壁的間隙d3=3mm；
外殼距突起頂部的距離d4最小值為1.5mm。
圖中可看出:
（4.1）
通過求解四邊形ODEB可求得
（4.2）
需滿足的約束條件為：
（4.3）
圖4.3 臺(tái)階突起與行星架外殼最接近的位置
4.2.2 能夠跨到上一級臺(tái)階
如果小車要能夠順利地上到下一個(gè)臺(tái)階，則必須滿足隨著行星架旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)輪轂?zāi)軌虼蟀氲乜缟纤脚_(tái)階面，也就是下圖中的A輪的中心軸線能夠超過臺(tái)階的垂直面。如圖4.4中的幾何關(guān)系，列出約束條件為：
（4.4）
圖4.4 星輪跨到下一臺(tái)階面時(shí)的極限位置
4.2.3 不能觸碰下一臺(tái)階的垂直面
本文設(shè)計(jì)的底盤小車爬樓的理想狀態(tài)是前輪抵住臺(tái)階后其余兩輪會(huì)繞著行星架中心旋轉(zhuǎn)，所以若是行星架半徑或輪轂半徑太大導(dǎo)致下圖4.5中的A輪撞到下一個(gè)臺(tái)階的垂直面上就不是本文設(shè)計(jì)的初衷。況且這種情況下整個(gè)輪椅車會(huì)因?yàn)樽矒魧?dǎo)致劇烈晃動(dòng)，不利于老年人及殘障人士的安全和舒適。這里假定臺(tái)階面的寬度也為H，當(dāng)然實(shí)際上會(huì)比H大。如下圖中的幾何關(guān)系，列出約束條件：
（4.5）
圖4.5 跨到下一級臺(tái)階的輪轂剛好碰到垂直面的極限狀態(tài)
車輪輪轂的半徑要小于H的，所以聯(lián)立4.4，4.5兩式可得：
（4.6）
4.3其他約束關(guān)系
4.3.1齒輪間的齒數(shù)關(guān)系
本文設(shè)計(jì)的定軸齒輪系統(tǒng)有三條支系，因?yàn)檫@三條都是一樣的，所以下面只討論其中一條。定軸齒輪系中的全部齒輪均選擇。為了使行星架外形美觀，其內(nèi)空間合理，各零件結(jié)構(gòu)緊湊，體積適中。一級齒輪到三級齒輪的半徑大小應(yīng)該承遞減樣式。即：
（4.7）
這樣設(shè)計(jì)的好處還能讓各個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩不至于相差過大，便于設(shè)計(jì)。
為了使得小齒輪的每個(gè)齒都能和大齒輪的每個(gè)齒循環(huán)嚙合，延長壽命，需確保齒數(shù)之間互為質(zhì)數(shù)，即互質(zhì)，互質(zhì)。
4.3.2三個(gè)齒輪的齒頂圓外公切線關(guān)系
圖4.6 三個(gè)齒輪的齒頂圓幾何關(guān)系示意圖
當(dāng)一級齒輪與三級和二級齒輪與三級齒輪的外公切線處于圖4.6所示幾何關(guān)系時(shí)，有利于節(jié)約空間，優(yōu)化外形。因此，三個(gè)齒輪的半徑參數(shù)也應(yīng)滿足： （4.8）
其中：
（4.9）
（4.10）
4.3.3 三個(gè)車輪輪轂不相撞
如圖4.7所示的幾何關(guān)系，輪A和輪B之間的距離必須要大于輪A和輪B的半徑和。而取決于行星架的半徑R，需滿足：
（4.11）
圖4.7 車輪之間的幾何關(guān)系示意圖
4.4 行星輪組零件參數(shù)的確定
4.4.1范圍初選
車輪輪轂的半徑必須小于臺(tái)階的高度和寬度，又必須大于三級齒輪的半徑。而臺(tái)階寬度一般大于其高度，由此可得r<180mm。當(dāng)、時(shí)標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪，為 17[5]。查《機(jī)械原理》，表10-1標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列，選用第一系列。原則上用于動(dòng)力傳動(dòng)的模數(shù)應(yīng)大于1.5，因?yàn)榇颂幍呢?fù)載更大，故模數(shù)選 m=2。則三級齒輪的最小直徑為，則。行星架的壁厚選定為7mm， r 的取值范圍縮小到26mm
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