兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

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兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)摘 要輪 椅 是 老 年 人 和 殘 疾 人 生 活 中 非 常 重 要 的 工 具 。 隨 著 無 障 礙 設(shè) 施 的 增 多 ， 輪 椅使 用 者 的 活 動 范 圍 逐 步 加 大 ， 但 樓 梯 卻 使 輪 椅 受 到 很 大 限 制 。 國 內(nèi) 外 發(fā) 明 了 多 種 星 型 輪 式 爬 樓 梯 輪 椅 ， 美 國 發(fā) 明 家 發(fā) 明 的 一 種 能 自 動 調(diào) 節(jié) 重 心 的 兩 輪 組 式 輪 椅 -IBOT， 這 個 輪 椅 不 僅 是 目 前 該 領(lǐng) 域 中 性 能 最 高 的 產(chǎn) 品 ， 也 是 今 后 輪 椅 發(fā) 展 的 方 向 。 通 過 借 鑒 IBOT 4000 的 爬 樓 梯 方 式 的 研 究 ， 本 文 在 普 通 輪 椅 的 基 礎(chǔ) 上 安 裝 了 電 機(jī) ， 使 輪 椅 能 調(diào) 節(jié) 速 度 和 轉(zhuǎn) 彎 ， 還 安 裝 了 爬 樓 裝 置 、 驅(qū) 動 裝 置 以 及 控 制 系 統(tǒng) ， 設(shè) 計(jì) 了 一 種 簡 單 的 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 。 本 設(shè) 計(jì) 能 很 好 的 解 決 樓 梯 或 路 障 對 老 年 人 和 殘 疾 人 生 活 造 成 的 不便，提高行動自由度，重新更好的融入社會。關(guān)鍵詞：輪椅，控制系統(tǒng)，兩輪式，機(jī)械系統(tǒng)I兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)AbstractWheel-chair is an important tool for the elderly and the disabled. With the increased of barrier-free facilities, wheelchair users enlarged gradually the scope of activities, but staircase limited the wheelchair using .Inventors invented a variety of star-wheel stair climbing wheelchair at home and abroad, the US inventor invented a wheelchair_IBOT which can automatically adjust the focus of two rounds of group-type . The IBOT 4000 not only the realm neuter gender's tallest product of ability currently, but also will develop from now on of direction. Through draw lessons from IBOT 4000 of climb the research of stairs method, this text installed electrical engineering on the foundation of common wheel chair, which made the wheel chair able to regulate speed and turn. Installed to climb building device and drive to equip and control system, designed a kind to in brief climb the stairs dynamoelectric wheel chair. This design made a good solution to stairs or roadblocks which bring of inconvenience for the disabled, helping them enhance the freedom of action and make better to integrate intothe community.Key words：Wheelchair, control system, two-wheeled type, mechanical structureII兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)目 錄第一章 前言 .11.1 研究背景- 1 -1.2 研究意義 21.31.41.5第二章2.12.22.3第三章3.13.23.33.43.53.6第四章4.14.24.34.4第五章5.15.25.35.4國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢 .2研究的主要問題及解決的主要問題 .7本章小結(jié) .8總體設(shè)計(jì) .9概述 .9總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .10本章小結(jié) .15機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .16兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構(gòu)組成 .16兩輪式爬樓梯電動輪椅功率計(jì)算 .16平地行走的機(jī)械結(jié)構(gòu) .18爬樓梯裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu) .25兩輪式爬樓梯電動輪椅裝配圖 .28本章小結(jié) .29重要部件的校核 .30從動軸的校核計(jì)算 .30鍵的校核 .36軸承的校核 .36本章小結(jié) .38電氣控制設(shè)計(jì) 39兩輪式爬樓梯電動輪椅電機(jī)選型 .39電池選擇 .40控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .40本章小結(jié) .49兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)第六章 結(jié)論與展望 .506.16.26.3第七章7.17.27.37.4結(jié)論 .50展望 .50本章小結(jié) .50技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 51市場前景分析 .51技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析 .51社會效益分析 .52本章小結(jié) .52參考文獻(xiàn) .53致 謝 .55附 錄 .56兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)第一章 前 言1.1 研究背景智能輪椅的相關(guān)研究開始于 1986 年 。 經(jīng) 過 20 多 年 的 研 究 ， 世 界 各 國 的 研 究 者相 繼 開 發(fā) 了 多 種 智 能 輪 椅 平 臺 。 但 是 目 前 的 智 能 輪 椅 基 本 上 采 用 與 移 動 機(jī) 器 人 相 同 的技術(shù)方案，因而成本很高，難以進(jìn)入普通家庭 [1]。隨 著 社 會 的 不 斷 發(fā) 展 ， 樓 梯 的 出 現(xiàn) 是 人 類 建 筑 史 上 一 個 重 要 的 成 就 ， 它 不 僅 縮 小 了 房 屋 的 建 筑 面 積 、 利 用 了 有 限 的 生 存 空 間 ， 而 且 為 進(jìn) 出 高 層 建 筑 物 提 供 了 方 便 的 通 道 。 尤 其 是 在 人 口 量 日 益 增 長 、 經(jīng) 濟(jì) 飛 速 發(fā) 展 的 現(xiàn) 代 化 社 會 中 ， 為 了 提 高 人 均 住 房 面 積 ， 改 善 人 們 的 生 活 質(zhì) 量 ， 高 樓 別 墅 不 斷 涌 現(xiàn) ， 然 而 樓 梯 在 發(fā) 揮 優(yōu) 勢 的 同 時 ， 它 也 對 老 年 人 、 肢 體 殘 障 人 士 出 行 帶 來 了 很 多 不 便 ， 對 他 們 的 行 動 造 成 了 障 礙 ， 影 響 了 他 們 與 外 界 的 溝 通 和 交 流 。 這 個 問 題 隨 著 老 年 人 和 殘 疾 人 數(shù) 量 的 增 多 顯 得 日 益 突出。一 方 面 ， 人 口 老 齡 化 問 題 越 來 越 嚴(yán) 重 。 聯(lián) 合 國 經(jīng) 濟(jì) 和 社 會 事 務(wù) 部 發(fā) 表 的 《 2007 年界經(jīng)濟(jì)和社會調(diào)查報告》指出:“由于人口出生率下降和壽命增長，全球大多數(shù) 國家迅速老齡化，從 2005 年到 2050 年，世界人口增加的一半將為 60 歲以上的老年人，歲以上人口將從 9000 萬增加到 4 億?！蔽覈布航?jīng)步入了老齡化社會，目前我國 60 及以上的老年人己達(dá) 1.44 億，預(yù)計(jì)到 2050 年老齡人口將超過 4 億，占社會總?cè)丝诘?3 左右。 另 一 方 面 ， 殘 疾 人 的 數(shù) 量 也 在 大 幅 增 加 。 據(jù) 聯(lián) 合 國 統(tǒng) 計(jì) ，全 球 殘 疾 人 占 世 界 總?cè)说?10%。截至 2006 年，我國第二次殘疾人抽樣調(diào)查顯示，全國各類殘疾人總數(shù) 己達(dá) 82 萬人，占全國總?cè)丝诘?6.34%，較 1987 年增加了 2132 萬人。值得注意的 是 ， 由 于 工 和 交 通 事 故 、 體 育 運(yùn) 動 傷 和 自 然 災(zāi) 害 等 原 因 造 成 的 肢 體 殘 障 者 的 數(shù) 量 大 幅上升，約占有殘疾人數(shù)量的 30%。在 2008 年“5.12”地震中全國受傷人數(shù)高達(dá) 37 萬多，這些數(shù)都表明了殘疾人數(shù)量的顯著增大。老 年 人 和 殘 疾 人 比 例 的 顯 著 增 加 給 經(jīng) 濟(jì) 、 社 會 的 發(fā) 展 都 帶 來 了 很 大 的 影 響 ， 醫(yī) 療 護(hù) 理 、 社 會 服 務(wù) 等 各 方 面 需 求 的 壓 力 也 越 來 越 大 。 為 關(guān) 心 老 年 人 、 殘 疾 人 的 生 活 ， 改 善 他 們 的 生 活 質(zhì) 量 ， 減 輕 醫(yī) 療 護(hù) 理 事 業(yè) 的 壓 力 ， 各 式 各 樣 的 助 老 、 助 殘 運(yùn) 動 裝 置也應(yīng)運(yùn)而生 [2~5]。- 1 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)1.2 研究意義目 前 ， 大 多 數(shù) 年 老 體 弱 者 及 肢 體 傷 殘 者 都 選 擇 輪 椅 作 為 他 們 的 代 步 工 具 ， 尤 其是 隨 著 無 障 礙 設(shè) 施 的 增 多 ， 輪 椅 的 使 用 范 圍 越 來 越 廣 。 輪 椅 也 由 手 動 輪 椅 、 電 動 輪 椅 趨 向 智 能 輪 椅 的 方 向 發(fā) 展 ， 但 是 它 們 一 般 僅 適 合 在 平 地 上 使 用 ， 很 少 有 具 備 爬 樓 和 翻 越 路 障 的 能 力 ， 樓 梯 和 路 障 使 輪 椅 的 使 用 受 到 了 很 大 的 限 制 ， 而 國 內(nèi) 城 市 以 多 層 公 寓 式 樓 房 居 多 ， 尤 其 是 在 中 小 城 市 中 ， 電 梯 的 使 用 還 沒 有 普 及 到 所 有 的 居 民 住 宅，這也給輪椅用戶造成不便 [2]。為 了 給 老 年 人 和 殘 疾 人 提 供 性 能 優(yōu) 越 的 代 步 工 具 ， 解 決 樓 梯 或 路 障 對 他 們 生 活 造成的不便，幫助他們提高行動自由度，重新融入社會 [3]，研究輪椅已成為現(xiàn)代社 會最為重要的事情。輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的最優(yōu)代步工具， 隨 著 無 障 礙 設(shè) 施 的 增 多 ， 輪 椅 使 用 者 的 活 動 范 圍 逐 步 加 大 ， 樓 梯 卻 使 輪 椅 受 到 很 大 限 制 ， 這 促 使 人 們 迫 切 的 研 究 輪 椅 。 連 續(xù) 型 爬 樓 梯 輪 椅 工 作 效 率 高 ， 爬 樓 梯 的 速 度 較 快 ； 間 歇 型 的 爬 樓 梯 輪 椅 因 兩 套 支 撐 裝 置 交 替 支 撐 ， 爬 樓 梯 的 速 度 慢 一 些 ； 星 形 輪 式 爬 樓 梯 輪 椅 的 活 動 范 圍 廣 ， 運(yùn) 動 靈 活 ， 但 是 上 下 樓 梯 時 平 穩(wěn) 性 不 高 ； 履 帶 型 爬 樓梯輪椅的技術(shù)比較成熟，傳動效率比較高，行走重心波動很小，運(yùn)動非常平穩(wěn)， 但是運(yùn)動不夠靈活，對樓梯有一定的損壞，這限制了其在日常生活中的推廣應(yīng)用[4~5]。國 內(nèi) 外 尚 沒 有 體 積 小 巧 、 操 作 簡 單 、 價 格 低 廉 ， 適 用 于 居 民 樓 梯 和 廣 大 殘 疾 人 及老年人的爬樓梯輪椅。盡管 IBOT4000 這種多功能高智能的輪椅是發(fā)展方向，我 國“863”等國家計(jì)劃也支持一些單位研發(fā)了具有視覺、聲音及語音控制等功能的 智 能 輪 椅 [6]， 但 是 從 我 國 經(jīng) 濟(jì) 發(fā) 展 水 平 和 需 求 人 群 的 經(jīng) 濟(jì) 條 件 來 看 ， 研 究 一種 價 格 適宜、小巧輕便的多功能爬樓梯裝置才具有重大的意義和實(shí)用價值。1.3 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)智 能 輪 椅 是 智 能 型 電 動 輪 椅 的 簡 稱 。 智 能 輪 椅 的 種 類 很 多 ， 目 前 尚 沒 有 一 個 統(tǒng)一 的 或 權(quán) 威 性 的 定 義 。 高 性 能 智 能 輪 椅 通 常 同 時 具 有 電 動 輪 椅 與 智 能 機(jī) 器 人 的 多 種 功 能 。 作 為 一 種 典 型 的 服 務(wù) 機(jī) 器 人 ， 智 能 輪 椅 不 但 可 以 為 老 年 人 和 殘 疾 人 提 供 一 種 良 好 的 代 步 工 具 ， 而 且 可 以 具 有 自 主 導(dǎo) 航 、 自 主 避 障 、 人 機(jī) 對 話 等 服 務(wù) 機(jī) 器 人 所 具- 2 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)有的各種功能，因而可以幫助殘疾人和老年人提高自己的生活自理能力和工作能力 ， 使 他 們 更 好 地 融 入 社 會 。 智 能 輪 椅 是 以 人 為 中 心 的 系 統(tǒng) ， 因 此 其 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 并 不 是 自 主 性 越 高 越 好 ， 而 是 應(yīng) 該 考 慮 到 使 用 者 的 具 體 需 要 ， 不 但 要 考 慮 到 使 用 者 對 各 種 功 能 的 需 要 ， 而 且 需 要 考 慮 到 使 用 者 的 經(jīng) 濟(jì) 負(fù) 擔(dān) 能 力 。 中 國 開 展 智 能 輪 椅 的 研 究 較 晚 ， 但 也 根 據(jù) 自 己 的 技 術(shù) 優(yōu) 勢 和 特 點(diǎn) ， 開 發(fā) 出 了 有 特 色 的 智 能 輪 椅 。 輪 椅 平臺包括中科院自動化所的多模態(tài)交互智能輪椅、采用嵌入式控制系統(tǒng)智能輪椅， 上 海 交 通 大 學(xué) 的 多 功 能 智 能 輪 椅 ， 中 科 院 深 圳 先 進(jìn) 技 術(shù) 研 究 院 基 于 頭 部 動 作 的 智 能 輪椅等等。國外對爬樓梯裝置的研究開始得相對較早，最早的專利是 1892 年美國的Bray 發(fā) 明 的 爬 樓 梯 輪 椅 [7]。 此 后 ， 各 國 紛 紛 開 始 投 入 此 項(xiàng) 研 究 ， 其 中 美 國 、 英 國 、德 國 和 日 本 占 主 導(dǎo) 地 位 ， 技 術(shù) 相 對 比 較 成 熟 ， 且 有 一 些 產(chǎn) 品 已 經(jīng) 投 入 市 場 使 用 。我 國 對 此 類 裝 置 的 研 究 雖 然 起 步 較 晚 ， 但 近 年 來 也 涌 現(xiàn) 了 很 多 這 方 面 的 專 利 ， 然而 投 入 實(shí) 際使用的還很少 [8]。下面對國外、國內(nèi)各種類型裝置的發(fā)展作簡要介紹，并分析其各自優(yōu)缺點(diǎn)。1．履帶式爬樓梯輪椅 履 帶 式 爬 樓 梯 裝 置 的 原 理 類 似 于 履 帶 裝 甲 運(yùn) 兵 車 或 坦克 ， 其 原 理 簡 單 ， 技 術(shù) 也比較成熟。英國 Baron mead 公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結(jié) 構(gòu) ， 可 爬 樓 梯 的 最 大 坡 度 為 35o， 上 下 樓 梯 速 度 為 每 分 鐘 15-20 個 臺 階 。 法 國 Top chair 公 司 生 產(chǎn) 的 電 動 爬 樓 梯 輪 椅 ， 它 的 底 部 有 四 個 車 輪 供 正 常 情 況 下 平 地 運(yùn) 行 使 用 ， 當(dāng) 遇 到 樓 梯 等 特 殊 地 形 時 ， 用 戶 通 過 適 當(dāng) 操 作 將 兩 側(cè) 的 橡 膠 履 帶 緩 緩 放 下 至 地 面 ， 然 后 把 這 四 個 車 輪 收 起 ， 依 靠 履 帶 無 需 旁 人 輔 助 便 能 自 動 完 成 爬 樓 等 功 能 。 日 本 長 崎 大 學(xué) 更 在 普 通 單 履 帶 輪 椅 的 基 礎(chǔ) 上 ， 研 究 了 一 種 代 號 為 “Sakadankun”的 雙 履 帶 式 的 爬 樓 梯 裝 置 ， 即 左 右 兩 側(cè) 各 有 兩 組 履 帶 相 互 連 接 在 一 起 ， 解 決 了 在 水 平 狀 態(tài) 與 樓 梯傾角切換時，座椅傾角過大而影響使用安全的問題，如圖 1.1 所示。履 帶 式 結(jié) 構(gòu) 傳 動 效 率 比 較 高 ， 行 走 時 重 心 波 動 很 小 ， 運(yùn) 動 非 常 平 穩(wěn) ， 且 使 用 地 形 范 圍 較 廣 ， 在 一 些 不 規(guī) 則 的 樓 梯 上 也 能 使 用 。 它 除 了 具 備 爬 樓 梯 功 能 外 ， 也 能 作 為 普 通 的 電 動 輪 椅 使 用 。 但 是 這 類 裝 置 仍 存 在 很 多 不 足 之 處 ： 重 量 大 、 運(yùn) 動 不 夠 靈 活 、 爬 樓 時 在 樓 梯 邊 緣 造 成 巨 大 的 壓 力 ， 對 樓 梯 有 一 定 的 損 壞 ， 且 平 地 使 用 時 所 受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用 [9~12]。- 3 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)（a）BARONMEAD （英國） （b）Topchair （法國） （c）Sakadankun（日本）圖 1.1 履帶式爬樓梯輪椅2．輪組式爬樓梯輪椅輪 組 式 爬 樓 梯 裝 置 按 輪 組 中 使 用 小 輪 的 個 數(shù) 可 分 為 兩 輪 組 式 、 三 輪 組 式 以 及 四 輪 組 式 。 按 照 所 使 用 的 輪 組 的 對 數(shù) 不 同 又 可 分 為 單 輪 組 式 和 雙 輪 組 式 。 單 輪 組 式 是 指 裝 置 中 僅 使 用 了 一 對 輪 組 ； 而 雙 輪 組 式 是 指 在 裝 置 的 前 后 各 使 用 了 一 對 輪 組 。 每 個 輪 組 依 照 星 形 輪 系 的 運(yùn) 動 方 式 ， 各 個 小 輪 既 可 以 繞 各 自 的 軸 線 自 轉(zhuǎn) ， 又 可 以 隨 著 系 桿 一 起 繞 中 心 軸 公 轉(zhuǎn) 。 平 地 行 走 時 ， 各 小 輪 自 轉(zhuǎn) ， 而 爬 樓 梯 時 ， 各 小 輪 一 起 公 轉(zhuǎn) 。 單 輪 組 式 結(jié) 構(gòu) 穩(wěn) 定 性 較 差 ， 在 爬 樓 過 程 中 需 要 有 人 協(xié) 助 才 能 保 證 重 心 的 穩(wěn) 定 ； 而 雙 輪組式雖能實(shí)現(xiàn)自主爬樓，但由于其體積龐大且偏重，影響了它的使用范圍。美國著名發(fā)明家 Dean Kamen 發(fā)明的一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅— IBOT3000。它有 6 個輪子，前面有一對實(shí)心腳輪，后面有兩對行星結(jié)構(gòu)的充氣輪 胎，通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上下樓梯。IBOT3000 幾乎能適用于所有樓梯，此外 它 也 能 在 沙 灘 、 斜 坡 和 崎 嶇 的 路 面 上 行 駛 ， 而 且 后 輪 可 以 直 立 行 走 ， 為 使 用 者 提 供 了 更 多 方 便 之 處 ， 幫 助 他 們 能 達(dá) 到 正 常 人 的 高 度 。 它 最 大 的 優(yōu) 點(diǎn) 就 是 在 輪 椅 重 心 安 裝 了 陀 螺 儀 ， 控 制 器 根 據(jù) 陀 螺 儀 的 信 號 調(diào) 整 重 心 的 位 置 ， 使 輪 椅 能 在 不 同 狀 態(tài) 下 保 持平衡。經(jīng)過數(shù)十年的研究開發(fā)，它己經(jīng)由 IBOT3000 發(fā)展到了 IBOT400O，功能 也越來越強(qiáng)大，是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，它的售價在 3 萬 美 元 左 右 ， 相 當(dāng)于一輛中檔橋車的價格，難以被普通使用者接受。- 4 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)我國在上世紀(jì)八十年代對輪組式爬樓梯裝置已有研究，1987 年專利號為86210653 的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運(yùn)行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都 用 多 個 星 形 輪 組 成 ， 除 自 轉(zhuǎn) 外 還 繞 滾 輪 軸 公 轉(zhuǎn) 而 實(shí) 現(xiàn) 上 下 樓 。 國 內(nèi) 外 發(fā) 明 了 多 種 星 型 輪 式 爬 樓 梯 輪 椅 ， 除 了 IBOT4000 外大多數(shù)都采用 3 個或者 3 個 以 上 星 型 輪 [13~16]。內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了 IBOT 的爬樓方式，采用星形 輪 系 作 為 爬 樓 梯 機(jī) 構(gòu) ， 設(shè) 計(jì) 了 一 種 雙 聯(lián) 星 形 機(jī) 構(gòu) 電 動 爬 樓 梯 輪 椅 。 改 進(jìn) 輪 椅 爬 樓時 需 要 人 工 輔 助 或 者 樓 梯 扶 手 的 輔 助 支 撐 ， 使 其 能 調(diào) 整 重 心 的 位 置 ， 安 全 爬 樓 。 東南 大 學(xué) 機(jī) 械 學(xué) 院 設(shè) 計(jì) 的 爬 樓 輪 椅 采 用 了 四 組 星 形 輪 ， 每 三 個 一 組 ， 共 十 二 個 輪 子 ，除 能爬樓梯外還具有遙控的功能，如圖 1.2 所示。輪 組 式 爬 樓 梯 裝 置 的 活 動 范 圍 廣 ， 運(yùn) 動 靈 活 ， 但 是 上 下 樓 梯 時 平 穩(wěn) 性 不 高 ， 重 心 起 伏 較 大 ， 會 使 乘 坐 者 感 到 不 適 。 此 外 ， 輪 組 式 爬 樓 梯 裝 置 體 積 較 大 ， 很 難 在 普通住宅樓梯上使用。（a）兩輪組式 （b）三輪組式 （c）四輪組式 （d）雙輪組式圖 1.2 輪組式爬樓梯輪椅3．步行式爬樓梯輪椅早期的爬樓梯輪椅一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組 成 。 上 樓 時 先 將 輪 椅 抬 高 ， 再 水 平 向 前 移 動 ， 如 此 重 復(fù) 這 兩 個 過 程 直 至 爬 完 一 段 樓 梯 。 步 行 式 爬 樓 梯 裝 置 模 仿 人 類 爬 樓 的 動 作 ， 外 觀 可 視 為 足 式 機(jī) 器 人 ， 采 用 多 條 機(jī) 械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。- 5 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)日本早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院高西淳夫教授的研究室以及日本機(jī)器人開發(fā)風(fēng)險企業(yè) Tmsuk 聯(lián)合開發(fā)的雙足行走機(jī)器人“WL-16RⅢ”，它由兩條機(jī)械腿支撐一個 座椅構(gòu)成，每條機(jī)械腿有 6 個 自 由 度 ， 可 向 前 、 后 、 側(cè) 面 移 動 ， 座 椅 底 部 裝 有 陀 螺 儀 ， 每 條 腿 上 裝 有 壓 力 傳 感 器 ， 通 過 傳 感 器 采 集 信 息 ， 控 制 其 實(shí) 時 調(diào) 整 姿 態(tài) 保 持 重 心 平 穩(wěn) 。 “WL-16RⅢ ”兩 腿 前 后 伸 展 距 離 最 長 為 1.02 米 ， 左 右 最 長 1.36 米 ， 每 條腿上下運(yùn)動幅度最大 0.34 米，如圖 1.3 所示。 日 本 長 崎 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 系 研 究 了一 種 高 階 爬 樓 梯 裝 置 ， 它 由 一 系 列 液 壓 操 作 桿和 前 后 兩 組 星 型 輪 構(gòu) 成 ， 集 步 行 式 與 輪 組 式 設(shè) 計(jì) 理 念 于 一 體 。 裝 置 通 過 星 型 輪 的 翻 轉(zhuǎn) 上 下 樓 梯 ， 座 椅 底 部 的 傳 感 器 檢 測 裝 置 的 平 衡 情 況 ， 控 制 操 作 桿 自 動 調(diào) 節(jié) 使 裝 置 在爬樓過程中始終位于穩(wěn)定裕度內(nèi)。在平地使用時，操作桿可以折疊于座椅底部， 節(jié)省了使用空間。它的最大優(yōu)點(diǎn)是爬樓幅度較高，甚至能自行上下貨車。步 行 式 爬 樓 梯 裝 置 爬 樓 時 運(yùn) 動 平 穩(wěn) ， 適 合 不 同 尺 寸 的 樓 梯 ， 但 它 對 控 制 的 要 求 很 高 ， 操 作 比 較 復(fù) 雜 ， 在 平 地 行 走 時 運(yùn) 動 幅 度 不 大 ， 動 作 緩 慢 。 此 外 ， 座 椅 距 地 面的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離 [17]。圖 1.3 步行式爬樓梯輪椅 WL-16RⅢ從 以 上 不 難 看 出 ， 履 帶 型 爬 樓 梯 輪 椅 的 技 術(shù) 比 較 成 熟 ， 傳 動 效 率 比 較 高 ， 行 走重 心 波 動 很 小 ， 運(yùn) 動 非 常 平 穩(wěn) ， 但 是 運(yùn) 動 不 夠 靈 活 ， 對 樓 梯 有 一 定 的 損 壞 ， 這 限 制 了 其 在 日 常 生 活 中 的 推 廣 應(yīng) 用 ； 輪 組 式 爬 樓 梯 輪 椅 的 活 動 范 圍 廣 ， 運(yùn) 動 靈 活 ， 但 是 上 下 樓 梯 時 平 穩(wěn) 性 不 高 ； 步 行 式 爬 樓 梯 輪 椅 因 兩 套 支 承 裝 置 交 替 支 承 ， 爬 樓 梯 的 速 度一般較慢。- 6 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)國 內(nèi) 外 尚 沒 有 體 積 小 巧 、 操 作 簡 單 、 價 格 低 廉 ， 適 用 于 居 民 樓 梯 和 廣 大 殘 疾 人及老年人的爬樓梯輪椅。盡管 IBOT4000 這種多功能高智能的輪椅是發(fā)展方向，我 國“863”等國家計(jì)劃也支持一些單位研發(fā)了具有視覺、聲音及語音控制等功能的 智 能 輪 椅 ， 但 是 從 我 國 經(jīng) 濟(jì) 發(fā) 展 水 平 和 需 求 人 群 的 經(jīng) 濟(jì) 條 件 來 看 ， 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、小 巧 輕便，如 IBOT4000 大小，功能單一的低價格爬樓梯輪椅，以及在現(xiàn)有輪椅上加裝 簡 單 的 輔 助 裝 置 就 可 以 爬 樓 梯 的 輪 椅 ， 將 會 比 多 功 能 高 價 格 的 智 能 輪 椅 更具 有 市 場 潛力和社會價值 [5]。1.3.2 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展趨勢綜 上 所 述 ， 應(yīng) 用 智 能 技 術(shù) 于 智 能 輪 椅 取 得 了 一 定 的 成 效 ， 研 制 出 了 很 多 面 向 行動不便人群的輔助行走電動輪椅，功能多樣化，基本上滿足了行動不便人士要求， 但 也 要 看 到 智 能 輪 椅 還 停 留 在 實(shí) 驗(yàn) 室 或 是 少 數(shù) 定 做 ， 并 沒 有 真 正 產(chǎn) 業(yè) 化 ， 所 以 在 研 究上仍有許多空間。未來的研究將會向以下幾個方向發(fā)展：1．智能化 智 能 輪 椅 要 走 向 實(shí) 際 應(yīng) 用 ， 必 須 綜 合 應(yīng) 用 智 能 技 術(shù) ， 優(yōu) 化 控 制 算 法 ，增 強(qiáng) 自 動規(guī) 劃 和 基 于 傳 感 智 能 ， 如 實(shí) 現(xiàn) 自 然 語 言 控 制 、 視 覺 平 滑 控 制 、 惡 劣 環(huán) 境 下 自 如 行 走 等。也應(yīng)結(jié)合一些新科技如計(jì)算機(jī)通訊、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)適應(yīng)遠(yuǎn)程通訊的需要。2．人性化 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 者 應(yīng) 充 分 考 慮 行 動 不 便 者 需 求 ， 從 細(xì) 微 處 出 發(fā) ， 設(shè) 計(jì) 安 全 、舒 適 、 合理 的 智 能 輪 椅 ， 如 增 加 輪 椅 可 以 上 升 的 功 能 ， 以 便 使 用 者 和 正 常 人 對 話 ； 選 擇 透 氣 性好的坐墊；安裝報警裝置；使輪椅操作方式盡可能簡單等。3．模塊化 智 能 輪 椅 要 批 量 生 產(chǎn) ， 必 須 實(shí) 現(xiàn) 模 塊 化 ， 整 個 系 統(tǒng) 應(yīng) 由 基 本 模 塊 和各 個 功 能 模塊 構(gòu) 成 ， 每 個 功 能 模 塊 負(fù) 責(zé) 一 種 功 能 ， 用 戶 可 以 根 據(jù) 需 求 選 擇 ， 配 置 最 合 適 的 輪 椅 ， 同時模塊化也能降低成本，提高性價比。隨 著 人 工 智 能 、 模 式 識 別 、 圖 像 處 理 、 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 和 傳 感 器 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 智 能輪椅的功能將更為完善、豐富，也將真正進(jìn)入老年人和殘障人士的生活 [8]。1.4 研究的基本問題和解決的問題1.4.1 研究的基本問題- 7 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)輪 椅 是 年 老 體 弱 者 以 及 下 肢 傷 殘 者 必 不 可 少 的 代 步 工 具 ， 隨 著 無 障 礙 設(shè) 施 的 增多 ， 輪 椅 使 用 者 的 活 動 范 圍 逐 步 加 大 ， 但 樓 梯 卻 使 輪 椅 受 到 很 大 限 制 。 國 內(nèi) 外 發(fā) 明 了 多 種 星 型 輪 式 爬 樓 梯 輪 椅 ， 其 中 比 較 著 名 的 是 美 國 發(fā) 明 家 發(fā) 明 的 一 種 能 自 動 調(diào) 節(jié) 重心的兩輪組式輪椅－IBOT，是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，也是今后輪椅發(fā) 展 的 方 向 。 而 國 內(nèi) 的 爬 樓 梯 裝 置 在 這 方 面 的 研 究 較 少 ， 通 過 對 兩 輪 組 式 爬 樓 裝 置 機(jī) 構(gòu) 的 研 究 ， 設(shè) 計(jì) 一 種 簡 單 的 兩 輪 式 星 型 爬 樓 梯 裝 置 ， 從 而 將 其 應(yīng) 用 于 輪 椅 方 面 ， 解 決輪椅爬樓越障的難題。1.4.2 解決的問題本 題 目 “兩 輪 式 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 設(shè) 計(jì) ”， 要 求 了 解 兩 輪 式 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 的 結(jié)構(gòu)，掌握其組成和工作方式，完成兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1.5 本章小結(jié)本 章 首 先 對 輪 椅 這 個 不 可 缺 少 的 代 步 工 具 進(jìn) 行 了 簡 單 的 背 景 介 紹 ， 然 后 說 明 了研 究 兩 輪 式 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 的 重 要 意 義 ， 并 且 根 據(jù) 爬 樓 梯 輪 椅 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 和 趨 勢 分 析 了 各 類 爬 樓 梯 輪 椅 的 優(yōu) 缺 點(diǎn) 。 履 帶 式 爬 樓 梯 裝 置 對 樓 梯 損 壞 太 大 ， 且 體 積 大 、 質(zhì) 量 重 ， 不 適 于 家 居 使 用 ； 步 行 式 爬 樓 梯 裝 置 不 僅 體 積 龐 大 ， 缺 乏 靈 活 性 且 控 制 復(fù) 雜 ， 技 術(shù) 要 求 較 高 ； 其 他 附 加 的 輔 助 裝 置 雖 然 穩(wěn) 定 性 相 對 較 好 ， 然 而 由 于 其 不 能 和 輪 椅 融 為 一 體 ， 限 制 了 它 的 使 用 范 圍 。 綜 合 考 慮 以 上 這 些 因 素 ， 采 用 輪 式 結(jié) 構(gòu) 的 方 案 相 對而言更加實(shí)際。- 8 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)第二章 總體設(shè)計(jì)2.1 概述輪 椅 是 年 老 體 弱 者 以 及 下 肢 傷 殘 者 必 不 可 少 的 代 步 工 具 ， 隨 著 無 障 礙 設(shè) 施 的 增多 ， 輪 椅 使 用 者 的 活 動 范 圍 逐 步 加 大 ， 但 樓 梯 卻 使 輪 椅 受 到 很 大 限 制 。 國 內(nèi) 外 發(fā) 明 了 多 種 星 型 輪 式 爬 樓 梯 輪 椅 ， 其 中 比 較 著 名 的 是 美 國 發(fā) 明 家 發(fā) 明 的 一 種 能 自 動 調(diào) 節(jié) 重心的兩輪組式輪椅－IBOT，如圖 2.1 所示，是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，也 是今后輪椅發(fā)展的方向。圖 2.1 美國 IBOT輪 組 式 爬 樓 梯 裝 置 按 輪 組 中 使 用 小 輪 的 個 數(shù) 可 分 為 兩 輪 組 式 、 三 輪 組 式 以 及 四輪 組 式 。 按 照 所 使 用 的 輪 組 的 對 數(shù) 不 同 又 可 分 為 單 輪 組 式 和 雙 輪 組 式 。 單 輪 組 式 是 指 裝 置 中 僅 使 用 了 一 對 輪 組 ； 而 雙 輪 組 式 是 指 在 裝 置 的 前 后 各 使 用 了 一 對 輪 組 。 每 個 輪 組 依 照 星 形 輪 系 的 運(yùn) 動 方 式 ， 各 個 小 輪 既 可 以 繞 各 自 的 軸 線 自 轉(zhuǎn) ， 又 可 以 隨 著 系 桿 一 起 繞 中 心 軸 公 轉(zhuǎn) 。 星 型 輪 多 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 輪 椅 爬 樓 梯 時 的 穩(wěn) 定 性 好 ， 缺 點(diǎn) 是 體 積 較 大 ， 很 難 在 普 通 住 宅 樓 梯 上 使 用 ， 這 也 是 星 型 輪 式 爬 樓 梯 輪 椅 盡 管 發(fā) 明 專 利 很 多 ， 真 正 實(shí) 施 和 推 廣 很 少 的 主 要 原 因 。 目 前 IBOT4000 是星型輪機(jī)構(gòu)爬樓梯輪椅中性能 指 標(biāo) 最 高 的 產(chǎn) 品 ， 它 結(jié) 構(gòu) 非 常 緊 湊 、 運(yùn) 動 靈 活 、 操 作 簡 便 。 而 國 內(nèi) 的 爬 樓 梯 裝 置 在- 9 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)這 方 面 的 研 究 較 少 ， 考 慮 到 我 國 的 基 本 國 情 以 及 使 用 與 開 發(fā) 條 件 的 限 制 ， 通 過 借 鑒IBOT4000 的爬樓梯方式的研究，設(shè)計(jì)一種簡單的兩輪組式星型爬樓梯裝置，從而 將其應(yīng)用于輪椅方面，解決輪椅爬樓越障的難題。2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩 輪 式 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 主 要 由 以 下 四 部 分 組 成 ： 車 身 、 機(jī) 械 傳 動 機(jī) 構(gòu) 、 執(zhí) 行 電機(jī) 及 其 驅(qū) 動 控 制 系 統(tǒng) 。 車 身 包 括 座 椅 和 支 撐 座 椅 的 框 架 ， 機(jī) 械 傳 動 機(jī) 構(gòu) 主 要 由 齒 輪 組 成 。 裝 置 底 部 安 裝 兩 組 車 輪 ， 前 后 各 一 組 。 前 面 一 組 是 驅(qū) 動 輪 ， 通 過 電 機(jī) 分 別 驅(qū) 動左右兩個輪子，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輪椅速度和輪椅轉(zhuǎn)向問題。后面四個是爬樓輔助輪， 通過后置電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，完成翻轉(zhuǎn)過程。兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)簡圖如圖 2.2 所示圖 2.2 兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)簡圖多功能爬樓梯裝置的外形參數(shù)如下：總體長度：1020 一 1090 mm； 總體寬度：550 一 600 mm； 平地驅(qū)動輪直徑：350 mm； 爬樓輔助輪直徑：290 mm。2.2.1 平地行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 10 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)裝 置 在 平 地 無 障 礙 情 況 下 運(yùn) 動 時 類 似 于 普 通 的 電 動 輪 椅 。 傳 統(tǒng) 的 電 動 輪 椅 普 遍采 用 后 輪 驅(qū) 動 的 方 式 ， 即 前 輪 采 用 萬 向 輪 ， 后 輪 作 為 驅(qū) 動 輪 ， 前 萬 向 輪 根 據(jù) 后 驅(qū) 動 輪 的 行 進(jìn) 方 向 及 時 自 動 調(diào) 整 以 使 其 與 后 驅(qū) 動 輪 保 持 一 致 。 這 種 設(shè) 計(jì) 方 法 存 在 一 個 不 足 之 處 ； 由 于 此 時 前 輪 肩 負(fù) 轉(zhuǎn) 向 的 功 能 ， 驅(qū) 動 力 作 用 于 后 輪 ， 在 改 變 車 體 的 運(yùn) 動 狀 態(tài) 時 ， 如 由 靜 止 到 啟 動 ， 或 者 行 進(jìn) 方 向 發(fā) 生 變 化 的 情 況 下 ， 前 萬 向 輪 不 能 立 即 切 換 方 向 ， 必 須 有 一 段 自 我 調(diào) 節(jié) 的 時 間 ， 這 樣 會 造 成 車 頭 搖 擺 、 晃 動 ， 影 響 使 用 的 安 全 性 。 本 裝 置 采 用 前 輪 驅(qū) 動 的 設(shè) 計(jì) 方 法 ， 即 驅(qū) 動 力 作 用 于 前 輪 ， 后 輪 為 從 動 輪 ， 在 前 輪 的 作 用 下 被 動 前 進(jìn) 。 由 此 ， 前 輪 既 是 驅(qū) 動 輪 又 是 轉(zhuǎn) 向 輪 ， 轉(zhuǎn) 向 時 的 行 進(jìn) 方 向 便 容 易 控 制 ， 轉(zhuǎn) 向 性 能 得 到 改 善 ， 不 容 易 出 現(xiàn) 過 度 轉(zhuǎn) 向 的 現(xiàn) 象 ， 使 用 安 全 性 得 到 了 提 高[2， 18]。前驅(qū)動輪通過兩個電機(jī)分別驅(qū)動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速，實(shí)現(xiàn)輪子運(yùn)行。 通 過 調(diào) 節(jié) 兩 個 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ， 來 實(shí) 現(xiàn) 輪 椅 的 調(diào) 速 和 轉(zhuǎn) 向 ， 使 裝 置 轉(zhuǎn) 向 靈 活 ， 易 于 控 制 。 當(dāng) 兩 個 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 相 同 時 ， 輪 椅 直 行 ； 由 于 輪 椅 的 平 地 運(yùn) 行 速 度 不 大 ， 本 文 采 用 原 地 轉(zhuǎn) 彎 方 式 ， 即 左 轉(zhuǎn) 彎 的 時 候 ， 左 電 機(jī) 停 止 ， 右 電 機(jī) 保 持 轉(zhuǎn) 速 不 變 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 左 轉(zhuǎn) 彎 ； 輪 椅 右 轉(zhuǎn) ， 反 之 亦 然 。 它 的 使 用 簡 化 了 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) ， 并 且 降 低 了 系 統(tǒng) 的 重 量 和 成 本，如圖 2.3 所示。圖 2.3 前驅(qū)動輪示意圖- 11 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)2.2.2 爬樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．爬樓結(jié)構(gòu)兩 輪 式 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 的 爬 樓 裝 置 由 四 個 輔 助 輪 翻 轉(zhuǎn) 實(shí) 現(xiàn) 。 四 個 爬 樓 輔 助 輪 的 設(shè) 計(jì) 采 用 雙 聯(lián) 星 形 輪 機(jī) 構(gòu) ， 裝 置 的 操 作 開 關(guān) 在 扶 手 上 ， 上 面 裝 有 控 制 開 關(guān) ， 它 用 于 切換主電源，完成平地與爬樓功能的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)平地運(yùn)行時的速度與方向控制。星 形 輪 式 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 的 爬 樓 梯 機(jī) 構(gòu) 由 均 勻 分 布 在 “Y”形 或 “＋ ”字 形 系 桿 上 的 若 干 個 小 輪 構(gòu) 成 。 各 個 小 輪 既 可 以 繞 各 自 的 軸 線 自 轉(zhuǎn) ， 又 可 以 隨 著 系 桿 一 起 繞 中 心 軸 公 轉(zhuǎn) 。 在 平 地 行 走 時 ， 各 小 輪 自 轉(zhuǎn) ， 而 在 爬 樓 梯 時 各 小 輪 一 起 公 轉(zhuǎn) ， 從 而 實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。本文輪椅采用了雙聯(lián)星形輪機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了 2K-H 型行星輪系為 輪椅爬樓梯的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。爬 樓 輔 助 輪 尺 寸 相 同 ， 同 側(cè) 的 兩 個 后 輪 軸 是 相 聯(lián) 的 ， 左 右 兩 側(cè) 也 是 相 連 的 。 四 個爬樓輔助輪的連接示意圖和行星輪系工作原理如圖 2.4 所 示 ， 通 過 電 機(jī) 直 接 相 連 、外嚙合式定軸輪系、內(nèi)嚙合式定軸輪系和行星輪系 4 個 結(jié) 構(gòu) 形 式 的 對 比 ， 選 擇 設(shè) 計(jì)了 2K-H 型行星輪系。電機(jī)和太陽齒輪 1 相連，通過兩者轉(zhuǎn)速的匹配，使行星輪 2（2' ）和轉(zhuǎn)臂 H 按一定的角速度圍繞中心太陽輪 1 做公轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)臂和星形輪兩軸 之間的連桿采用固定連結(jié)構(gòu)，從而使兩軸發(fā)生翻轉(zhuǎn) [19]。1、中心齒輪；2（2'）、行星齒輪；3、中心內(nèi)齒輪；H、轉(zhuǎn)臂；M、專用電動機(jī)圖 2.4 電動爬樓梯輪椅翻轉(zhuǎn)原理圖- 12 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)2．爬樓過程分析爬 樓 運(yùn) 動 時 ， 前 輪 離 開 地 面 ， 僅 由 四 個 爬 樓 輔 助 輪 支 撐 著 地 。 以 上 樓 梯 方 向 為 例，裝置在臺階上運(yùn)動時，在驅(qū)動軸的作用下，所有后輪由中軸上的電動機(jī)驅(qū)動， 隨 中 軸 進(jìn) 行 公 轉(zhuǎn) ， 兩 對 輪 交 替 進(jìn) 行 翻 爬 樓 梯 。 在 爬 樓 過 程 中 ， 每 個 時 刻 都 至 少 有 兩 個車輪著地，且受力點(diǎn)對稱。圖 2.5 為兩輪式爬樓梯電動輪椅的爬樓過程圖，本文設(shè)計(jì)的爬樓裝置上樓運(yùn)動 過程與 IBOT4000 一樣。正常行駛情況，由前面兩個驅(qū)動輪帶動四個爬樓輔助輪運(yùn) 行 ， 四 個 爬 樓 輔 助 輪 并 列 成 為 一 排 ， 此 時 后 置 電 機(jī) 不 工 作 。 在 遇 到 樓 梯 的 時 候 ， 使 用 者 按 操 作 手 柄 上 的 切 換 按 鈕 ， 使 平 地 行 走 電 機(jī) 停 止 同 時 爬 樓 電 機(jī) 啟 動 ， 通 過 系 桿帶動車輪旋轉(zhuǎn)，隨中軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，兩對輪交替進(jìn)行翻爬。圖 2.5 裝置上樓運(yùn)動過程3．爬樓梯性能分析目前，在國際上處于領(lǐng)先地位的爬樓梯裝置是美國的 IBOT，原理是基于傳統(tǒng) 的 星 形 輪 系 的 運(yùn) 動 方 式 ， 兩 個 車 輪 既 可 以 繞 各 自 軸 線 自 轉(zhuǎn) ， 也 可 以 隨 著 系 桿 一 起 繞 中 心 軸 公 轉(zhuǎn) 。 IBOT 爬樓輔助輪的直徑是 301mm，本文設(shè)計(jì)的爬樓輔助輪的直徑為 290mm，圖 2.6 為運(yùn)動軌跡圖，軌跡半徑約等于車輪的半徑，爬樓速度較快，星形輪每公轉(zhuǎn) 1 周能翻越 2 個臺階。- 13 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)圖 2.6 運(yùn)動軌跡圖由于采用與 IBOT4000 類 似 的 爬 樓 梯 原 理 ， 因 此 在 爬 樓 梯 時 也 像 IBOT4000 那樣 ， 但 是 需 要 有 樓 梯 扶 手 或 者 一 個 助 手 輔 助 ， 其 主 要 作 用 是 提 供 一 個 輔 助 支 撐 ， 使 得 在 爬 樓 梯 過 程 中 能 夠 安 全 地 調(diào) 整 位 置 和 重 心 。 由 于 重 心 較 低 ， 輪 子 較 大 ， 所 以 助 手 需 要 提 供 的 輔 助 支 撐 力 比 較 小 。 盡 管 輪 椅 在 爬 樓 梯 時 需 要 提 供 輔 助 支 撐 ， 但 是 這 卻 使 得 輪 椅 結(jié) 構(gòu) 更 緊 湊 ， 而 且 也 不 存 在 過 去 設(shè) 計(jì) 的 不 需 要 輔 助 支 撐 的 自 主 爬 樓 梯 輪 椅 、 車 輪 和 臺 階 之 間 定 位 困 難 、 重 心 不 好 控 制 、 導(dǎo) 致 安 全 性 不 高 、 難 以 推 廣 使 用 的 問題，本文設(shè)計(jì)的雙聯(lián)星形輪機(jī)構(gòu)爬樓梯輪椅結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，實(shí)用性強(qiáng)。為使這款裝置能滿足普通居民的使用需求，需要了解我國普通住宅的樓梯尺 寸 。 根 據(jù) 中 華 人 民 共 和 國 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 《 住 宅 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 》 （ GB5009 吞一 1999） 的 規(guī) 定 ： “住宅樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于 1.10 米 ， 6 層及 6 層 以 下 住 宅 ， 一 邊 設(shè) 有 欄 桿 的 梯 段凈寬不應(yīng)小于 1 米 （ 樓 梯 梯 段 凈 寬 系 指 墻 面 至 扶 手 中 心 之 間 的 水 平 距 離 ） 。 住 宅 樓 梯踏步寬度不應(yīng)小于 260mm，踏步高度不大于 175mm，坡度為 33.940，為接近舒 適性標(biāo)準(zhǔn)”。普通住宅的層高一般為 2.80m，按一級臺階高度是 145mm 計(jì)算，共 19 個臺階 [2]。裝 置 與 車 輪 尺 寸 的 設(shè) 置 以 上 述 普 通 住 宅 樓 梯 尺 寸 的 要 求 為 基 準(zhǔn) 。 裝 置 的 總 體 寬 度應(yīng)小于梯段凈寬并留有余量:爬樓輔助輪的直徑應(yīng)不大于樓梯踏步寬度，從而確 保 樓 梯 有 足 夠 的 空 間 放 置 此 裝 置 ， 而 裝 置 運(yùn) 動 時 所 能 達(dá) 到 的 最 高 點(diǎn) （ 約 為 車 輪 半 徑 與驅(qū)動軸之間距離的和）應(yīng)大于踏步的高度。本文設(shè)計(jì)的裝置總體寬度是550-600mm，爬樓輔助輪的直徑為 290mm。- 14 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)2.3 本章小結(jié)本 章 首 先 對 兩 輪 式 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 進(jìn) 行 了 簡 單 的 概 述 ， 給 出 了 兩 輪 式 爬 樓 梯 電動 輪 椅 的 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 方 案 ， 總 體 設(shè) 計(jì) 方 案 里 分 別 介 紹 了 平 地 行 走 結(jié) 構(gòu) 和 爬 樓 梯 結(jié) 構(gòu) ， 并 且 重 點(diǎn) 介 紹 了 爬 樓 部 分 的 組 成 與 構(gòu) 造 ， 還 對 爬 樓 的 機(jī) 理 和 過 程 進(jìn) 行 了 詳 細(xì) 分 析。- 15 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構(gòu)組成結(jié) 構(gòu) 主 要 包 括 車 架 、 座 椅 、 平 地 行 走 裝 置 、 爬 樓 裝 置 四 部 分 。 這 些 是 輪 椅 的 重要支撐體，相當(dāng)于人的軀體、手和腳。下面分別介紹四部分的結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成。 車架：車架是輪椅的支撐體，主要由 Ф30mm 的圓鋼管焊接而成，底下安有六 個 車 輪 ， 兩 個 前 輪 為 Ф 350mm， 四 個 爬 樓 梯 輔 助 輪 為 Ф 290mm。 在 距 地 面 850mm處有一扶手，用來推動爬樓車時方便扶手。 座椅：座椅是支撐人的構(gòu)件，其材料為高強(qiáng)度工程材料制成。 平地行走裝置：前驅(qū)動輪通過兩個電機(jī)分別驅(qū)動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速，實(shí) 現(xiàn) 輪 子 運(yùn) 行 。 通 過 調(diào) 節(jié) 兩 個 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ， 來 實(shí) 現(xiàn)輪 椅 的 調(diào) 速 和 轉(zhuǎn) 向 ， 使 裝 置 轉(zhuǎn) 向 靈 活 ， 易 于 控 制 。 當(dāng) 兩 個 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 相 同 時 ，輪 椅 直 行 ； 由 于 輪 椅 的 平 地 運(yùn) 行 速 度 不 大 ， 本 文 采 用 原 地 轉(zhuǎn) 彎 方 式 ， 即 左 轉(zhuǎn) 彎的 時 候 ， 左 電 機(jī) 停 止 ， 右 電 機(jī) 保 持 轉(zhuǎn) 速 不 變 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 左 轉(zhuǎn) 彎 ； 輪 椅 右 轉(zhuǎn) ， 反之 亦 然 。 它 的 使 用 簡 化 了 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) ， 并 且 降 低 了系統(tǒng)的重量和成本。減速器主要是用鋁合金材質(zhì)，小巧輕便。爬樓裝置：電機(jī)直接與設(shè)計(jì)的 2K-H 型行星輪系相連。電機(jī)和太陽齒輪相連， 通過兩者轉(zhuǎn)速的匹配，使行星輪和轉(zhuǎn)臂按一定的角速度圍繞中心太陽輪做公轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)臂和星形輪之間的系桿采用固定連接結(jié)構(gòu)，從而使兩軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)。3.2 兩輪式爬樓梯電動輪椅功率計(jì)算根據(jù)裝置平地和爬樓兩種不同的運(yùn)動情形，分別計(jì)算兩種驅(qū)動電機(jī)所需的功率。輪椅本身的質(zhì)量大約為 50kg，承載人員的最大體重平均為 80kg，因此車體和 人員的總質(zhì)量大約為 130kg。該總質(zhì)量由兩個前驅(qū)動輪和四個后輔助爬樓梯輪共同 分 擔(dān) ， 設(shè) 定 前 兩 個 驅(qū) 動 輪 承 受 總 質(zhì) 量 的 60%， 四 個 輔 助 爬 樓 梯 輪 承 受 總 質(zhì) 量 的 40%， 取輪胎與地面之間的摩擦系數(shù)為 μ＝0.71 [2]。3.2.1 平地所需功率前 驅(qū) 動 輪 在 電 機(jī) 驅(qū) 動 下 ， 克 服 與 地 面 之 間 的 摩 擦 力 F1 旋 轉(zhuǎn) 前 進(jìn) ， 同 時 帶 動 四個爬 樓 輔 助 輪 旋 轉(zhuǎn) 前 進(jìn) ， 爬 樓 輔 助 輪 克 服 與 地 面 之 間 也 存 在 一 定 的 摩 擦 力 F2。 裝 置在 平地上能夠正常行駛的條件是：F 1 ＞ 2 F2。- 16 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)前驅(qū)動輪承受的正壓力：N 1= 0. 5×(G 車 +G 人 ) ×60％＝ 382.2 N后輔助輪承受的正壓力：N 2= 0.25×(G 車 +G 人 ) ×40％＝ 127.4 N前驅(qū)動輪承受的水平摩擦力：F 1= μN(yùn)1= 271.4 N后輔助輪承受的水平摩擦力：F 2= μN(yùn)2= 90.5 NF1＞2F 2，滿足正常行駛條件。前驅(qū)動輪的直徑 D1 為 350 ㎜ ， 后 輔 助 輪 的 直 徑 D2 為 290 ㎜ 。 根 據(jù) 裝 置 運(yùn) 行 速度和車輪直徑，可計(jì)算得各參數(shù)如下。平地運(yùn)動最大速度為：V 1= 1.67 m/s前驅(qū)動輪所需最大轉(zhuǎn)速為：n 1= 60V1/ ? D1= 91 r/min 前驅(qū)動輪最大角速度為：Ω 1＝ 2 ? n1/60= 9.52 rad/s 前驅(qū)動輪最大切向加速度為：a= F1/m= 6.96 m/s2 前驅(qū)動輪最大角加速度為：ε= a/(D 1/2)= 39.77 rad/s2 前驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動慣量為：J= m 1r2/2= m1D12/8= 0.0459 kg·m2( 取驅(qū)動輪質(zhì)量m1=3kg )前驅(qū)動輪所需的轉(zhuǎn)矩為：M 1＝ Jε= 1.825 kg·m= 17.89 N·m前驅(qū)動輪所需的功率為：P 1=M1Ω 1/η= 340.6 W（由于采用蝸輪蝸桿減速器所以設(shè)電機(jī)的機(jī)械效率 η＝50％）3.2.2 爬樓梯所需功率裝 置 在 爬 樓 時 需 要 克 服 車 體 和 人 的 重 力 做 功 ， 車 體 和 人 組 成 的 整 個 系 統(tǒng) 的 重 心位于整車的后半部分，估算重力作用線與驅(qū)動軸之間的垂直距離 L＝100 ㎜處爬樓梯運(yùn)動最大速度為：V 2= 0.2 m/s所需克服阻力矩為：M 2= G×L=(50+80)×9.8×0.1= 127.4 N·m爬樓最快轉(zhuǎn)速：n 2= 60V2/ ? D2= 13.18 r/min驅(qū)動輪最大角速度為：Ω 2＝ 2 ? n2/60= 1.38 rad/s- 17 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)兩輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計(jì)爬樓時驅(qū)動電機(jī)最大所需功率為：P 2= M2Ω 2/η= 195.3 W（設(shè)電機(jī)的機(jī)械效率η＝90％)3.3 平地行走的機(jī)械結(jié)構(gòu)3.3.1 減速器選型通 常 選 用 的 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 非 常 大 ， 尤 其 是 直 流 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 通 常 都 在 幾 千 轉(zhuǎn) 以 上 ， 而通過上面公式求得，平地行走時所需要的最大轉(zhuǎn)速是 91 r/min，所以本文采用蝸輪 蝸桿減速器，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來帶動兩個前驅(qū)動輪行走。通過簡單的查找，RV 系 列 蝸 輪 蝸 桿 減 速 器 ， 材 質(zhì) 為 鋁 合 金 ， 而 且 小 巧 輕 便 ， 非 常 適 合 作 為 兩 輪 式 爬 樓 梯 電 動 輪 椅 的 減 速 器 。 上 節(jié) 計(jì) 算 了 驅(qū) 動 輪 所 需 的 電 機(jī) 功 率 ， 本 文 初 步 選 定 了 一 款 功 率 為 370 W，轉(zhuǎn)速為 1400 r/min 的 RV 蝸輪蝸桿減速器。1．求出