兩輪式爬樓梯電動輪椅設計

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兩輪式爬樓梯電動輪椅設計摘 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上安裝了電機，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)，設計了一種簡單的爬樓梯電動輪椅。本設計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。關鍵詞：輪椅，控制系統(tǒng)，兩輪式，機械系統(tǒng)I兩輪式爬樓梯電動輪椅設計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 into the community.Key words：Wheelchair, control system, two-wheeled type, mechanical structureII兩輪式爬樓梯電動輪椅設計目 錄第一章 前言 11.1 研究背景 .- 1 -1.2 研究意義 21.3 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢21.4 研究的主要問題及解決的主要問題 .71.5 本章小結(jié) 8第二章 總體設計 92.1 概述92.2 總體結(jié)構設計 102.3 本章小結(jié)15第三章 機械結(jié)構設計 163.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構組成163.2 兩輪式爬樓梯電動輪椅功率計算163.3 平地行走的機械結(jié)構183.4 爬樓梯裝置的機械結(jié)構 .253.5 兩輪式爬樓梯電動輪椅裝配圖 283.6 本章小結(jié)29第四章 重要部件的校核 .304.1 從動軸的校核計算 304.2 鍵的校核364.3 軸承的校核 .364.4 本章小結(jié)38第五章 電氣控制設計395.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅電機選型395.2 電池選擇405.3 控制系統(tǒng)設計 405.4 本章小結(jié)49兩輪式爬樓梯電動輪椅設計第六章 結(jié)論與展望 .506.1 結(jié)論 .506.2 展望 .506.3 本章小結(jié)50第七章 技術經(jīng)濟分析517.1 市場前景分析 517.2 技術經(jīng)濟效益分析 517.3 社會效益分析 527.4 本章小結(jié)52參考文獻 .53致 謝55附 錄 56兩輪式爬樓梯電動輪椅設計第一章 前 言1.1 研究背景智能輪椅的相關研究開始于 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器人相同的技術方案，因而成本很高，難以進入普通家庭 [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重。聯(lián)合國經(jīng)濟和社會事務部發(fā)表的《2007年界經(jīng)濟和社會調(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 1.44 億，預計到 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，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 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、體育運動傷和自然災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、社會的發(fā)展都帶來了很大的影響，醫(yī)療護理、社會服務等各方面需求的壓力也越來越大。為關心老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質(zhì)量，減輕醫(yī)療護理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助殘運動裝置也應運而生 [2~5]。- 1 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計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比較成熟，傳動效率比較高，行走重心波動很小，運動非常平穩(wěn)，但是運動不夠靈活，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)濟發(fā)展水平和需求人群的經(jīng)濟條件來看，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用價值。1.3 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點及發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點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器人的多種功能。作為一種典型的服務機器人，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航、自主避障、人機對話等服務機器人所具- 2 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計有的各種功能，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)的設計并不是自主性越高越好，而是應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)濟負擔能力。中國開展智能輪椅的研究較晚，但也根據(jù)自己的技術優(yōu)勢和特點，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，上海交通大學的多功能智能輪椅，中科院深圳先進技術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研究，其中美國、英國、德國和日本占主導地位，技術相對比較成熟，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。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兵車或坦克，其原理簡單，技術也比較成熟。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，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行使用，當遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當操作將兩側(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。日本長崎大學更在普通單履帶輪椅的基礎上，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)構傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運動非常平穩(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計（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，前面有一對實心腳輪，后面有兩對行星結(jié)構的充氣輪胎，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，幫助他們能達到正常人的高度。它最大的優(yōu)點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，功能也越來越強大，是目前該領域中性能最高的產(chǎn)品，它的售價在 3 萬美元左右，相當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計我國在上世紀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)蒙古民族大學物理與機電學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構，設計了一種雙聯(lián)星形機構電動爬樓梯輪椅。改進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。東南大學機械學院設計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)行機構由鉸鏈桿件機構組成。上樓時先將輪椅抬高，再水平向前移動，如此重復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，外觀可視為足式機器人，采用多條機械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。- 5 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計日本早稻田大學理工學術院高西淳夫教授的研究室以及日本機器人開發(fā)風險企業(yè) Tmsuk 聯(lián)合開發(fā)的雙足行走機器人“WL-16RⅢ”，它由兩條機械腿支撐一個座椅構成，每條機械腿有 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，控制其實時調(diào)整姿態(tài)保持重心平穩(wěn)?！癢L-16RⅢ”兩腿前后伸展距離最長為 1.02 米，左右最長 1.36 米，每條腿上下運動幅度最大 0.34 米，如圖 1.3 所示。日本長崎大學機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成，集步行式與輪組式設計理念于一體。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，操作比較復雜，在平地行走時運動幅度不大，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，距離實際應用還有很大的距離 [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比較成熟，傳動效率比較高，行走重心波動很小，運動非常平穩(wěn)，但是運動不夠靈活，對樓梯有一定的損壞，這限制了其在日常生活中的推廣應用；輪組式爬樓梯輪椅的活動范圍廣，運動靈活，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計國內(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)濟發(fā)展水平和需求人群的經(jīng)濟條件來看，結(jié)構緊湊、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，應用智能技術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驗室或是少數(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?qū)嶋H應用，必須綜合應用智能技術，優(yōu)化控制算法，增強自動規(guī)劃和基于傳感智能，如實現(xiàn)自然語言控制、視覺平滑控制、惡劣環(huán)境下自如行走等。也應結(jié)合一些新科技如計算機通訊、網(wǎng)絡等技術開發(fā)適應遠程通訊的需要。2．人性化系統(tǒng)設計者應充分考慮行動不便者需求，從細微處出發(fā)，設計安全、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)，必須實現(xiàn)模塊化，整個系統(tǒng)應由基本模塊和各個功能模塊構成，每個功能模塊負責一種功能，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、計算機技術和傳感器技術的發(fā)展，智能輪椅的功能將更為完善、豐富，也將真正進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計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構的研究，設計一種簡單的兩輪式星型爬樓梯裝置，從而將其應用于輪椅方面，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計”，要求了解兩輪式爬樓梯電動輪椅的結(jié)構，掌握其組成和工作方式，完成兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構的設計。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。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雜，技術要求較高；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)構的方案相對而言更加實際。- 8 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計第二章 總體設計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)點是輪椅爬樓梯時的穩(wěn)定性好，缺點是體積較大，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，真正實施和推廣很少的主要原因。目前 IBOT4000 是星型輪機構爬樓梯輪椅中性能指標最高的產(chǎn)品，它結(jié)構非常緊湊、運動靈活、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計這方面的研究較少，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，設計一種簡單的兩輪組式星型爬樓梯裝置，從而將其應用于輪椅方面，解決輪椅爬樓越障的難題。2.2 總體結(jié)構設計兩輪式爬樓梯電動輪椅主要由以下四部分組成：車身、機械傳動機構、執(zhí)行電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)。車身包括座椅和支撐座椅的框架，機械傳動機構主要由齒輪組成。裝置底部安裝兩組車輪，前后各一組。前面一組是驅(qū)動輪，通過電機分別驅(qū)動左右兩個輪子，來實現(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，通過后置電機獨立驅(qū)動，完成翻轉(zhuǎn)過程。兩輪式爬樓梯電動輪椅設計簡圖如圖 2.2 所示圖 2.2 兩輪式爬樓梯電動輪椅設計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)構設計- 10 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計裝置在平地無障礙情況下運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。這種設計方法存在一個不足之處；由于此時前輪肩負轉(zhuǎn)向的功能，驅(qū)動力作用于后輪，在改變車體的運動狀態(tài)時，如由靜止到啟動，或者行進方向發(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)動的設計方法，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。由此，前輪既是驅(qū)動輪又是轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向時的行進方向便容易控制，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)動輪通過兩個電機分別驅(qū)動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速，實現(xiàn)輪子運行。通過調(diào)節(jié)兩個電機的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)輪椅的調(diào)速和轉(zhuǎn)向，使裝置轉(zhuǎn)向靈活，易于控制。當兩個電機的轉(zhuǎn)速相同時，輪椅直行；由于輪椅的平地運行速度不大，本文采用原地轉(zhuǎn)彎方式，即左轉(zhuǎn)彎的時候，左電機停止，右電機保持轉(zhuǎn)速不變，從而實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎；輪椅右轉(zhuǎn)，反之亦然。它的使用簡化了機械結(jié)構，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計2.2.2 爬樓梯結(jié)構設計1．爬樓結(jié)構兩輪式爬樓梯電動輪椅的爬樓裝置由四個輔助輪翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)。四個爬樓輔助輪的設計采用雙聯(lián)星形輪機構，裝置的操作開關在扶手上，上面裝有控制開關，它用于切換主電源，完成平地與爬樓功能的轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)平地運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構由均勻分布在“Y”形或“＋”字形系桿上的若干個小輪構成。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)，從而實現(xiàn)爬樓梯的功能。本文輪椅采用了雙聯(lián)星形輪機構，設計了 2K-H 型行星輪系為輪椅爬樓梯的翻轉(zhuǎn)機構。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)構形式的對比，選擇設計了 2K-H型行星輪系。電機和太陽齒輪 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)運動，轉(zhuǎn)臂和星形輪兩軸之間的連桿采用固定連結(jié)構，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計2．爬樓過程分析爬樓運動時，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，裝置在臺階上運動時，在驅(qū)動軸的作用下，所有后輪由中軸上的電動機驅(qū)動，隨中軸進行公轉(zhuǎn)，兩對輪交替進行翻爬樓梯。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，本文設計的爬樓裝置上樓運動過程與 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行，四個爬樓輔助輪并列成為一排，此時后置電機不工作。在遇到樓梯的時候，使用者按操作手柄上的切換按鈕，使平地行走電機停止同時爬樓電機啟動，通過系桿帶動車輪旋轉(zhuǎn)，隨中軸進行公轉(zhuǎn)，兩對輪交替進行翻爬。圖 2.5 裝置上樓運動過程3．爬樓梯性能分析目前，在國際上處于領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，本文設計的爬樓輔助輪的直徑為290mm，圖 2.6 為運動軌跡圖，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計圖 2.6 運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)構更緊湊，而且也不存在過去設計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、導致安全性不高、難以推廣使用的問題，本文設計的雙聯(lián)星形輪機構爬樓梯輪椅結(jié)構簡單，體積小巧，實用性強。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準《住宅設計規(guī)范》（GB5009 吞一 1999）的規(guī)定：“住宅樓梯梯段凈寬不應小于 1.10 米，6 層及 6 層以下住宅，一邊設有欄桿的梯段凈寬不應小于 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小于 260mm，踏步高度不大于 175mm，坡度為 33.940，為接近舒適性標準”。普通住宅的層高一般為 2.80m ，按一級臺階高度是 145mm計算，共19 個臺階 [2]。裝置與車輪尺寸的設置以上述普通住宅樓梯尺寸的要求為基準。裝置的總體寬度應小于梯段凈寬并留有余量:爬樓輔助輪的直徑應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，而裝置運動時所能達到的最高點（約為車輪半徑與驅(qū)動軸之間距離的和）應大于踏步的高度。本文設計的裝置總體寬度是550-600mm，爬樓輔助輪的直徑為 290mm。- 14 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計2.3 本章小結(jié)本章首先對兩輪式爬樓梯電動輪椅進行了簡單的概述，給出了兩輪式爬樓梯電動輪椅的總體結(jié)構設計方案，總體設計方案里分別介紹了平地行走結(jié)構和爬樓梯結(jié)構，并且重點介紹了爬樓部分的組成與構造，還對爬樓的機理和過程進行了詳細分析。- 15 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計第三章 機械結(jié)構設計3.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構組成結(jié)構主要包括車架、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，相當于人的軀體、手和腳。下面分別介紹四部分的結(jié)構和材料構成。車架：車架是輪椅的支撐體，主要由Ф30mm 的圓鋼管焊接而成，底下安裝有六個車輪，兩個前輪為Ф350mm，四個爬樓梯輔助輪為Ф290mm。在距地面 850mm 處有一扶手，用來推動爬樓車時方便扶手。座椅：座椅是支撐人的構件，其材料為高強度工程材料制成。平地行走裝置：前驅(qū)動輪通過兩個電機分別驅(qū)動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速，實現(xiàn)輪子運行。通過調(diào)節(jié)兩個電機的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)輪椅的調(diào)速和轉(zhuǎn)向，使裝置轉(zhuǎn)向靈活，易于控制。當兩個電機的轉(zhuǎn)速相同時，輪椅直行；由于輪椅的平地運行速度不大，本文采用原地轉(zhuǎn)彎方式，即左轉(zhuǎn)彎的時候，左電機停止，右電機保持轉(zhuǎn)速不變，從而實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎；輪椅右轉(zhuǎn)，反之亦然。它的使用簡化了機械結(jié)構，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：電機直接與設計的 2K-H 型行星輪系相連。電機和太陽齒輪相連，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)運動，轉(zhuǎn)臂和星形輪之間的系桿采用固定連接結(jié)構，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算根據(jù)裝置平地和爬樓兩種不同的運動情形，分別計算兩種驅(qū)動電機所需的功率。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，設定前兩個驅(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)動輪在電機驅(qū)動下，克服與地面之間的摩擦力F 1旋轉(zhuǎn)前進，同時帶動四個爬樓輔助輪旋轉(zhuǎn)前進，爬樓輔助輪克服與地面之間也存在一定的摩擦力F 2。裝置在平地上能夠正常行駛的條件是：F 1 ＞ 2 F 2。- 16 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計前驅(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= μN1= 271.4 N 后輔助輪承受的水平摩擦力：F 2= μN2= 90.5 N F1＞2F 2，滿足正常行駛條件。前驅(qū)動輪的直徑D 1為 350 ㎜，后輔助輪的直徑D 2為 290 ㎜。根據(jù)裝置運行速度和車輪直徑，可計算得各參數(shù)如下。平地運動最大速度為：V 1= 1.67 m/s前驅(qū)動輪所需最大轉(zhuǎn)速為：n 1= 60V1/π D1= 91 r/min前驅(qū)動輪最大角速度為：Ω 1＝ 2π n 1/60= 9.52 rad/s前驅(qū)動輪最大切向加速度為：a= F 1/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 m 1=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電機的機械效率 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/π D2= 13.18 r/min驅(qū)動輪最大角速度為：Ω 2＝ 2π n 2/60= 1.38 rad/s- 17 -兩輪式爬樓梯電動輪椅設計爬樓時驅(qū)動電機最大所需功率為：P 2= M2Ω 2/η= 195.3 W（設電機的機械效率 η ＝90％)3.3 平地行走的機械結(jié)構3.3.1 減速器選型通常選用的電機轉(zhuǎn)速非常大，尤其是直流電機的轉(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)計算了驅(qū)動輪所需的電機功率，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．求出需要蝸輪蝸桿減速器的減速比：前驅(qū)動輪的直徑D 1：D 1=350 mm前驅(qū)動輪的周長S ：S= π D1= 350×3.14= 1099 mm前驅(qū)動輪平地行走時的速度V 1：V 1=1.67 m/s前驅(qū)動輪每秒鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù) K：K=1.67÷1.099= 1.52前驅(qū)動輪每分鐘的最大轉(zhuǎn)速n 1：n 1=60×1.52= 91.2 r/min前驅(qū)動輪所需電機的轉(zhuǎn)速 n：n=1400 r/min前驅(qū)動輪所需的減速比i：i=n/n 1=15.352．減速器選定根據(jù)上面的計算本文選用的減速器為 RV 系列鋁合金蝸輪蝸桿減速器型號為 RV40-15-0.37FA-DZ，如圖 3.1、3.2 所示。RV 表示微型蝸輪蝸桿減速器 40 表示中心距FA 表示孔輸入帶輸入法蘭盤 DZ1 表示單軸輸出為左方向