可上下樓梯的電動(dòng)輪椅

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1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告機(jī)械 設(shè)計(jì)（論文）題目 可上下樓梯的電動(dòng)輪椅 設(shè)計(jì)（論文）題目來源 設(shè)計(jì)（論文）題目類型　 工程設(shè)計(jì)類 起止時(shí)間 一、 設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義： 眾所周知，每個(gè)人渴都望自由，自由的思考，自由的生活和自由的行動(dòng)，那么對于 那些雙腿有殘疾不能站起來走路的人來說，是多么痛苦的一件事啊。即使是借助輪椅來行動(dòng)，是可以在一定程度解決行動(dòng)的問題，但是對于上下樓來說，是相當(dāng)困難的一件事，為了解決這一難題，世界各國都在研究這種可以自由的上下樓的輪椅。來解決這個(gè)關(guān)于自由的問題?。? 二、 設(shè)計(jì)（論文）主要研究的內(nèi)

2、容、預(yù)期目標(biāo)：（技術(shù)方案、路線） 主要研究內(nèi)容：輪椅的自動(dòng)上下樓動(dòng)作的完成 預(yù) 期 目 標(biāo)：實(shí)現(xiàn)輪椅自動(dòng)上下樓的自動(dòng)控制，和上下樓時(shí)的平穩(wěn)性 和安全性以及成本的大眾性 三、設(shè)計(jì)（論文）的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)： 研究重點(diǎn)：自動(dòng)控制的實(shí)施，機(jī)械傳動(dòng)的完成。 研究難點(diǎn)：如何才能使輪椅在自動(dòng)上下樓個(gè)過程中，達(dá)到讓使用者安全舒適 而且造價(jià)可以讓大眾所接受。 四、 設(shè)計(jì)（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排） 2.15～3.16日 網(wǎng)上查找資料 3.16 ～4.6日 市場調(diào)查（網(wǎng)上和問卷） 4.6～4.20日 制定方案（結(jié)合調(diào)查結(jié)果） 4.21～4.30日 機(jī)械

3、傳動(dòng)的設(shè)計(jì)（參考專業(yè)手冊） 5.1 ～5.20日 零件圖以及裝配圖（利用繪圖軟件） 5.21～6.5日 成品 6.6 ～6.13日 編寫說明書、整理資料，準(zhǔn)備答辯 五、 進(jìn)行設(shè)計(jì)（論文）所需條件： 結(jié)合市場調(diào)查，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中說出現(xiàn)的一些問題和遇到的困難，有針對性的一一解決。充分利用所學(xué)知識(shí)，利用手中和圖書館中的資料，對設(shè)計(jì)進(jìn)行 理性化的認(rèn)識(shí)。鞏固和扎實(shí)專業(yè)知識(shí)。理論和實(shí)際相結(jié)合，實(shí)事求是，寫好論文 做好設(shè)計(jì)。 六、 指導(dǎo)教師意見： 簽名： 年 月 日 目錄 一 引

4、言…………………………………………………………1 二 分析…………………………………………………………2 三 設(shè)計(jì)初衷……………………………………………………6 四 最初方案……………………………………………………9 五 方案二………………………………………………………13 六 方案三………………………………………………………17 七 數(shù)據(jù)計(jì)算……………………………………………………18 八 應(yīng)用環(huán)境……………………………………………………30 九 電機(jī)型號(hào)……………………………………………………30 十 電池保養(yǎng)…………

5、…………………………………………31 十一 外文翻譯……………………………………………………33 十二 謝 辭………………………………………………………52 十三 參考文獻(xiàn)……………………………………………………53 引 言 對于一個(gè)人來說，最幸福的事情就是能在自己的意向下自如的行走，就是有些時(shí)候并不如人意。車禍，疾病，意外，等等，讓那些不幸的人失去了雙腿。讓他們不能自由的行走。更痛苦的事，讓他們的日常生活都造成了很大的不便。 為了解決他們的行走問題，人類發(fā)明了輪椅。在一定程度上解決了他們的代步問題。但是一般的輪椅不能滿足

6、人們的需要。在上下樓的時(shí)候，就是一個(gè)讓人頭痛的問題。于是各國就在設(shè)想能不能研究一種可以上下樓的輪椅，為他們解決這個(gè)問題。 目前世界上大體有兩種形式的上下樓的輪椅。是在一定程度上解決這個(gè)問題，但是每種都不夠完善。我設(shè)計(jì)的這個(gè)輪椅，也是為了解決這個(gè)問題，也進(jìn)一步完善了上下樓的問題。 一．分析 目前自動(dòng)上下樓的輪椅的兩種形式 第一種 英國BARONMEAD產(chǎn)品 如圖1-1（左）所示 ： 圖1-1 下面是它的一些簡單介紹： 是英國BARONMEAD公司正在國內(nèi)經(jīng)銷的助推式上下樓梯電動(dòng)輪椅

7、車，BARONMEAD上下樓梯電動(dòng)輪椅車：自重34kg，最大載重量130kg，上下樓梯速度每分種15～20個(gè)臺(tái)階，充足電后可連續(xù)上下樓梯1000級。臺(tái)階限高27cm。這種輪椅車可在平地自由運(yùn)行，還可拆卸為兩部分，便于裝運(yùn)。 BARONMEAD在上下樓的問題上解決單純靠人力搬運(yùn)的問題，但是車體較小，重心位置距離車的兩端較近，當(dāng)傾斜角度變大或者是乘坐者晃動(dòng)的時(shí)候，容易發(fā)生翻滾另外，由于車身小導(dǎo)致座位面積較小，乘坐者的腿彎曲程度較大，使用過程中，不很舒適。 另外一種是德國PERFEKTA公司的產(chǎn)品（如圖1-1右圖所示） 下面是它的一些簡單介紹： PERFEKTA上下樓梯電動(dòng)輪椅車：

8、履帶式傳動(dòng)，采用12V—15Ah的蓄電池、12V/170W的直流電機(jī)，自重42kg,，可爬樓梯的最大坡度為35度。這種輪椅車除了可以單獨(dú)使用外，還可以作為普通輪椅的搬運(yùn)工具，直接把輪椅放在上面上下樓梯，因此作為車站、機(jī)場等處移動(dòng)輪椅乘客的專用工具比較方便。而且，熟練操縱者能夠自行乘坐輪椅上下樓梯。在平地能自由移動(dòng)，也可折迭存放。 這種輪椅的形式，采用的是履帶式，是利用履帶的附著力好，容易爬坡的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的。但是，由于履帶與樓梯的接觸時(shí)，只是與樓梯的前棱接觸，又由于人們對美學(xué)的要求好多樓梯的前棱作成了弧形，即使是傳統(tǒng)的樓梯，如果經(jīng)過多年的磨損，前棱也會(huì)被磨禿，這樣一來，對于這種輪椅就很容易打

9、滑，而且極不安全。 為了解決樓梯打滑的問題。美國又發(fā)明了一種新型輪椅IBoT3000獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng) 如圖2所示 圖2 下面是它的一些簡單介紹： 這種輪椅的全稱是“iBOT3000獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)”（以下簡稱iBOT），它是由美國著名發(fā)明家迪恩·卡門發(fā)明的。10年前，卡門洗澡時(shí)差點(diǎn)兒在浴室跌倒，站穩(wěn)后他突發(fā)靈感，為什么不能設(shè)計(jì)一種可以防止傾倒顛覆的由電腦控制的輪椅呢？經(jīng)過幾年的不懈努力，他終于設(shè)計(jì)出iBOT。 ???從外表看上去，iBOT與普通輪椅不大一樣：它有6個(gè)輪子，前面一對為直徑10厘米的實(shí)心腳輪，后面兩對為直徑30厘米的充氣輪胎。iBOT通過復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)來保持平衡

10、，當(dāng)輪椅上分布的傳感器感受到重心變化時(shí)，它們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谧蜗旅娴目刂坪兄??？刂坪欣镉袔讉€(gè)“奔騰III”處理器和預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，這些程序會(huì)“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整，保持平衡。 ??iBOT共有3種運(yùn)動(dòng)模式，一種是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上前進(jìn)，6只輪子同時(shí)著地；如果遇到崎嶇的路面、沙土地或斜坡，它就進(jìn)入四輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，靠4個(gè)后輪行走。第二種是直立模式，只靠一對后輪接觸地面，很像中國武術(shù)中的“金雞獨(dú)立”，iBOT可以保持這種站立姿勢，也能“直立行走”。第三種是爬梯模式，兩對后輪交替“爬”到上一級（或下一級）臺(tái)階上。 ???iBOT的動(dòng)力由兩個(gè)充電電池提

11、供，充一次電需要4小時(shí)，充電后可以走15—24公里，它在平地上的最大速度為每小時(shí)9.6公里。作為世界上第一種會(huì)爬樓梯的輪椅，iBOT可以輕松地在高度為21厘米以下的樓梯上爬上爬下，還能跨過最高不超過15厘米的“馬路牙子”。此外，它還可以在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上前進(jìn)，并能爬上不那么陡的小山坡。 ???在殘障人士看來，iBOT最了不起的本領(lǐng)“金雞獨(dú)立”才是最讓他們感覺體貼的功能。它把他們升到正常人的高度，使他們能夠完成諸如到書架上取書、靠在吧臺(tái)上喝酒等普通人能夠做的動(dòng)作，更重要的是，它給患者一種平等的感覺，這對幫助患者建立自信來說太重要了。 “iBOT”售價(jià)為29000美元?

12、 二．設(shè)計(jì)初衷 2900美元，對于中國絕大多數(shù)消費(fèi)者來說無非是一個(gè)天文數(shù)字。由于不能行走，失去了勞動(dòng)能力，本來就很拮據(jù)的生活怎么能承受起如此高額的價(jià)格。于是我便想設(shè)計(jì)出一款適合中國消費(fèi)水平，經(jīng)濟(jì)又適用的輪椅車來滿足國內(nèi)的需求。 首先在網(wǎng)上搜索一些關(guān)于自動(dòng)上下樓輪椅的材料，但此類材料少而又少。但是當(dāng)我看到一種攜帶貨物上下樓的手拉車的時(shí)候，給了我啟示。圖3，圖4 就是這種手拉車的圖片。 圖3 圖 4 小車的后輪采用的是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的星狀輪盤和四個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的小輪組成，這樣方便的結(jié)構(gòu)，是在拉動(dòng)他上下樓的時(shí)候，不回因?yàn)闃翘荻ㄗ〔粍?dòng)。

13、當(dāng)小輪被卡住的時(shí)候，星狀的輪盤會(huì)旋轉(zhuǎn)，從而克服問題。我設(shè)想能否將此種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在輪椅上，于是就有了最初的設(shè)計(jì)方案。 四．最初方案： 如圖5 所示 : 圖5 次方案采用的是利用前面十字形的爬升腳作為上下樓時(shí)的主要驅(qū)動(dòng)裝置，當(dāng)上樓或下樓的時(shí)候，爬升腳可以根據(jù)實(shí)際情況的不同，伸長或縮短。而后面的星盤結(jié)構(gòu)不加任何驅(qū)動(dòng)力，完全是一種叢動(dòng)裝置。中間的驅(qū)動(dòng)輪是用來在平路時(shí)行走或者是轉(zhuǎn)彎時(shí)使用，起到一個(gè)轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)的作用。 爬升腳（圖中綠色部分） 轉(zhuǎn)向輪（圖中黑色部分） 星盤及小輪（圖中紅色和灰色部分） 動(dòng)力裝置包括電機(jī)電瓶（圖中金色部分） 在座位的設(shè)計(jì)上采用的是一

14、種可以升降的連接，在上下樓的時(shí)候，可以根絕樓梯的傾角不同而調(diào)整座位的角度，使使用者始終保持一種很舒服的姿態(tài)。 為了防止后面輪盤上的小輪在上樓過程成中倒轉(zhuǎn)，而是整個(gè)車身滑下樓梯，采取了一種自鎖裝置，如圖所示： 圖6 抬升圓臺(tái)（圖中綠色部分） 枝干( 圖中紅色部分) 小齒輪（圖中黃色部分） 從圖中我們可以觀察到，在星盤四角的小輪上各有一個(gè)齒輪，星盤的中心有一個(gè)個(gè)圓臺(tái)，通過四根支桿與四個(gè)小輪上的齒輪連接。當(dāng)輪椅車上樓時(shí)，中心的圓臺(tái)會(huì)在一根軸的拖動(dòng)下抬升，從而帶動(dòng)四個(gè)支桿向齒輪靠近，在四個(gè)支桿的頂端都有兩個(gè)輪齒，當(dāng)枝干上的輪齒和小輪上的齒輪嚙合時(shí)，就完成了自鎖。 中心的圓臺(tái)是根據(jù)千分

15、尺的設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)，當(dāng)千分尺先前加緊的時(shí)候，擰動(dòng)后面的螺栓，當(dāng)它接觸到被測物件時(shí)，會(huì)發(fā)生打滑，是其不再進(jìn)給。但當(dāng)反方向旋轉(zhuǎn)螺栓時(shí)，測頭會(huì)向后移動(dòng)，并不打滑。這里利益的是同樣的原理，當(dāng)上樓時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)軸正向旋轉(zhuǎn)，是圓臺(tái)抬起，并使四個(gè)枝干向齒輪靠近，當(dāng)枝干與齒輪嚙合后，圓臺(tái)不在抬升，并打滑。當(dāng)上樓運(yùn)動(dòng)完成后，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，是圓臺(tái)下降，促使枝干縮回，接觸與齒輪的嚙合，自鎖接觸。輪椅車又可以在平路上移動(dòng)。 但是經(jīng)過后來的研究和結(jié)合實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)這種方案存在著很大問題，而且不方便使用 1 由于上樓時(shí)，由于車身的主要重量（電機(jī)和電瓶）集中在車的后端，在下加上使用者的重量，是車的中心在上樓的時(shí)候集中在車的

16、后端，而上樓時(shí)車的主要驅(qū)動(dòng)力都是由前端的爬升腳提供，由于動(dòng)力不足，所以使上樓運(yùn)動(dòng)很難完成。 2 車在平路時(shí)，是以前端轉(zhuǎn)向輪著地，而轉(zhuǎn)向輪只有一個(gè)，這種三輪結(jié)構(gòu)比四輪結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性差。使使用者的安全系數(shù)降低 。 3 在上樓的時(shí)候，由于轉(zhuǎn)向輪無法收回，很有可能卡在樓梯處，使上樓運(yùn)動(dòng)無法完成。 五． 方案二： 為了避免上面的問題，于是我又制定了第二套方案: 如圖： 在第二套方案中，將驅(qū)動(dòng)裝置放在后輪位置，前后均采取十字輪盤的形勢，只是前端輪盤不做為驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部可設(shè)置為空心，而后輪由于要作為驅(qū)動(dòng)，設(shè)置有驅(qū)動(dòng)的鏈輪和鏈條 去掉了中間部分的轉(zhuǎn)向輪，采

17、用車身轉(zhuǎn)向，將整個(gè)車身分為兩部分，在兩部分連接處，設(shè)有方向盤，靠方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)控制車頭的轉(zhuǎn)動(dòng)。 座位也進(jìn)行了改進(jìn)，在作為下面采用四個(gè)減震器，即可以在品路中起到減震作用，同時(shí)還能在上下樓的時(shí)候，調(diào)整位置與水平的位置關(guān)系。 具體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖所示： 第二套方案中采用了鏈傳動(dòng)，采用兩個(gè)電機(jī)分別控制上樓和平路的運(yùn)動(dòng)，在圖中圓柱形電機(jī)（電機(jī)1）控制上樓運(yùn)動(dòng)，方體形電機(jī)（電機(jī)2）控制平路運(yùn)動(dòng)，后面的軸采用軸中軸的形式。外軸與輪盤相連，內(nèi)軸與輪盤內(nèi)的鏈輪相連。 當(dāng)車體上樓時(shí)，電機(jī)1工作，電機(jī)2停止，通過鏈條傳動(dòng)給外軸，從而帶動(dòng)整個(gè)輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)上樓結(jié)束或是在平路前進(jìn)時(shí)，電機(jī)1停止，電機(jī)2 開始

18、工作，帶動(dòng)外軸內(nèi)的內(nèi)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)軸與星盤內(nèi)的兩個(gè)鏈輪連接，通過鏈條帶動(dòng)兩個(gè)小輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在平路上的行走。 現(xiàn)在展示一下后輪盤的結(jié)構(gòu)： 從圖中可以看到，輪盤內(nèi)采用的是一種鏈傳動(dòng)。我們把四個(gè)小輪分別編號(hào)為1，2，3，4。在輪盤中心有兩個(gè)大的鏈輪，并排放置，間距為小輪的厚度，在2，4 （對稱位置）下輪的不同面分別有兩個(gè)小鏈輪，通過鏈條與大鏈輪連接。這樣的機(jī)構(gòu)可以使不管是小輪2或是小輪4著地時(shí)，都能推動(dòng)輪椅車前進(jìn)。 第二套方案的不足: 由于沒有合適的減速電機(jī)作為電機(jī)1使用，使上樓時(shí)扭矩過小，所以必須采取減速措施。對電機(jī)1的傳動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，生成方案三，改進(jìn)了此不足之處。

19、 六．方案三： 在第二套方案的基礎(chǔ)上，經(jīng)過改進(jìn)，制定出第三套方案，也就是下面所看到的最終方案 如圖： 在電機(jī)傳動(dòng)中，采用了一級減速，通過查表得知，一級減速的限額傳動(dòng)比是小于等于7.1，而本設(shè)計(jì)所需的傳動(dòng)比僅為6.41，完全符合規(guī)格。 除此之外，方案三的其他設(shè)計(jì)均與方案二相同。 七．主要數(shù)據(jù)計(jì)算 (一) 由前面已知上樓梯時(shí)，要使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)而爬上樓梯所需要的扭矩為170 功率 P=1.1km .而所選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 =230 額定轉(zhuǎn)矩為5 已知外輪系的

20、大徑為500mm 后輪由電機(jī)通過一級齒輪傳動(dòng)和一級鏈輪傳動(dòng)而進(jìn)行上樓梯動(dòng)作。 由 m=9549 可知 Ⅲ軸轉(zhuǎn)速=61.8 由于鏈輪3.4.5.6之間為等傳動(dòng)比傳動(dòng)，現(xiàn)假定四個(gè)鏈輪d=200mm 則軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速 由電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1.2齒輪之間的傳動(dòng)比 估算1.2齒輪的模數(shù)和齒數(shù) 1）初選小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 取 2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 試選載荷系數(shù) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 查表可知齒寬系數(shù) （小齒輪作懸臂布置） 查手冊可知材料的彈性影響系數(shù) 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 由齒輪的工作力循環(huán)次數(shù)N

21、的計(jì)算式 可算出兩齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 則可查得接觸疲勞壽命系數(shù) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1% 安全系數(shù)S=1 3）計(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值 計(jì)算圓周速度v 計(jì)算齒寬b 計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) 齒高 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù), 7級精度，查得動(dòng)載系數(shù) 直齒輪，假設(shè) 查得齒間載荷分配系數(shù) 查手冊得使用系數(shù) 而對于7級精度的小齒輪相對支撐懸臂布置時(shí)齒向載荷分布系數(shù) 查得 由 , 查手冊得

22、 故載荷系數(shù) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 計(jì)算模數(shù)m 4 )按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 （1） 查手冊得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 （2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ， （3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力， 取彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)s=1.35 則 （4） 計(jì)算載荷系數(shù)k 由 ， 查得齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) ，，， （5） 計(jì)算大小齒輪的 并加以比較

23、 大齒輪的數(shù)值大 對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.957并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)1.25mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù) 取 大齒輪齒數(shù) 5 ) 幾何尺寸計(jì)算 計(jì)算分度圓直徑 中心距 齒輪寬度 取

24、 6） 驗(yàn)算 合適 齒輪 1.2 （二） 水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，后輪鏈傳動(dòng)的計(jì)算 已知電機(jī)功率 轉(zhuǎn)速 小滾輪直徑 水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)所能使輪椅行走的最大速度 則小輪所在軸的轉(zhuǎn)速 已知電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 則鏈傳動(dòng)之間的傳動(dòng)比 采用滾子鏈傳動(dòng)，設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：

25、1， 選擇鏈輪齒數(shù) 初選 （由于鏈節(jié)數(shù)常是偶數(shù)，為考慮磨損均勻，鏈輪齒數(shù)一般應(yīng)取與鏈節(jié)數(shù)互為質(zhì)數(shù)的奇數(shù) ） 則 取 2，修正功率 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第2卷可得 平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的工作情況系數(shù) 則 3，確定鏈條節(jié)數(shù) 初定中心距 ，則鏈節(jié)數(shù)為 取 4，確定鏈條的節(jié)距 P 按小

26、鏈輪的轉(zhuǎn)速估計(jì)，查手冊可得小鏈輪齒輪系數(shù) 選取單排鏈，又查得多排鏈系數(shù) 故得小鏈輪所需傳送的功率為 根據(jù)小鏈輪轉(zhuǎn)速 及功率 查手冊可選取鏈號(hào)為 單排鏈 則其鏈節(jié)距 5，確定鏈長及中心距 a 中心距減小量

27、 實(shí)際中心距 取 6，驗(yàn)算鏈速 與原假設(shè)相符 7，計(jì)算分度圓直徑 8，作用在軸上的后軸力 按水平布置取后軸力系數(shù) 故

28、 同理： 可算出傳動(dòng)比為1的四個(gè)鏈輪 選 10A （三） 計(jì)算各軸的強(qiáng)度 1， 后軸空心軸的計(jì)算 該空心軸的轉(zhuǎn)速 功率 1） 初步估算軸徑 選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理， 查手冊可得材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)為 根據(jù)公式 初步

29、計(jì)算軸徑 初選空心軸內(nèi)外之比 則可查表得 則 考慮到軸需要加鍵，需將其軸徑增加4%~5% 故大錐直徑取 2， 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸的受力，初選軸承6207 已知Ⅲ軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 兩外輪系圓周力 前面已知四個(gè)等傳動(dòng)比的鏈輪參數(shù)分別為 有效圓周力 離心力引起的拉力 查表得 則 鏈傳動(dòng)的壓軸力 對于水平傳動(dòng) 則 求支反力 3，

30、 軸的強(qiáng)度校核 確定危險(xiǎn)截面 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖，轉(zhuǎn)矩圖，截面C處彎矩最大 安全系數(shù)校核計(jì)算 彎曲應(yīng)力幅為 由于是對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)力 由 式 式中，-1 取 八．電動(dòng)輪椅車的適用環(huán)境： 爬升角度：30° 車身重量：40kg 負(fù)載重量：80kg 每分鐘爬升臺(tái)階數(shù)量：35 九．電機(jī)

31、的型號(hào)： 電機(jī)1參數(shù) 36V 電 機(jī) 參 數(shù) 型號(hào) 額定功率（w） 額定轉(zhuǎn)矩（nm） 額定電流（A） 額定轉(zhuǎn)速(rpm) 額定效率(%) 額定電壓(v) 起始轉(zhuǎn)速(rpm) 36BD012 120 5 4.2 230 ≥80 36 285 電機(jī)2參數(shù) 36V 電 機(jī) 參 數(shù) 型號(hào) 額定功率（w） 額定轉(zhuǎn)矩（nm） 額定電流（A） 額定轉(zhuǎn)速(rpm) 額定效率(%) 額定電壓(v) 起始轉(zhuǎn)速(rpm) 36BD016 160 6 5.2 245 ≥80 36 300 十．電池的選用和

32、保養(yǎng) 電池采用的是 上海華麗電子元件廠 的 24V和36V的電動(dòng)車電瓶 安裝與車的前端 電池的使用和養(yǎng)護(hù)： ? 鉛酸蓄電池是現(xiàn)在電動(dòng)車主要采用的電池，蓄電池不是用壞的而是充壞的，決非危言聳聽，蓄電池充電性能好壞對蓄電池的使用壽命和使用性能起著舉足輕重的作用，必須重視。 1、蓄電池的放電深度對蓄電池循環(huán)使用壽命影響很大，這是因?yàn)榉烹娚疃仍缴睿姌O膨脹收縮量越大，正極的活性物質(zhì)脫落越多，從而失去放電特性，性能下降，直至壽命終止。所以蓄電池使用時(shí)應(yīng)盡量避免深度放電，做到淺放勤充，一般情況應(yīng)做到：蓄電池以放電深度為50%-70%時(shí)充一次電最佳。 2、蓄電池放電到終止電壓后，繼續(xù)

33、放電（過放電）會(huì)嚴(yán)重?fù)p害蓄電池，這是因?yàn)榇藭r(shí)極易形成不可逆硫酸鹽化，從而使充電恢復(fù)能力變差，甚至無法修復(fù)。所以蓄電池使用時(shí)應(yīng)防止過放電，“欠壓保護(hù)”是有效的措施?！扒穳罕Ｗo(hù)”措施是由電動(dòng)車控制器控制的，但因電動(dòng)車儀表和指示燈等耗電電器不受控制器控制，所以電動(dòng)車鎖一旦合上就開始用電，雖然電流小，但若長時(shí)間放電，蓄電池就會(huì)出現(xiàn)過放電。因此，不得長時(shí)間開鎖，不用時(shí)應(yīng)立即關(guān)掉。 3、充電電流應(yīng)小于或等于蓄電池可以接受的充電電流，否則，過充電產(chǎn)生的過剩電流會(huì)使電解水液過快地消耗掉，并產(chǎn)生嚴(yán)重的析氣現(xiàn)象，時(shí)間長了將使充電變得十分困難，所以充電時(shí)因盡可能防止過充電。正規(guī)廠家生產(chǎn)的充電器可確保不對電池過充

34、電。 4、鉛酸蓄電池尤其怕虧電放電，虧電電池放置3-7天，將有可能永久損壞，因此，蓄電池使用過后請盡快充電。對于長期不使用的電池，應(yīng)每隔15天左右對電池充電一次，以補(bǔ)償電池存放時(shí)的自放電電量損失。 5、蓄電池在高溫季節(jié)運(yùn)行，主要存在過充電的問題。因此，夏天應(yīng)盡量降低蓄電池溫度，保證良好的散熱，防止在烈日暴曬后即充電，并應(yīng)遠(yuǎn)離熱源。在低溫情況下，充電主要存在充電接受能力差、充電不足造成電池虧電的問題。低溫時(shí)應(yīng)采取保溫防凍措施，特別是充電時(shí)應(yīng)放在溫暖的環(huán)境中，有利于保證充足電，防止不可逆硫酸鹽化的產(chǎn)生，延長蓄電池的使用壽命。 6、一般情況下，放電深度較大的蓄電池使用壽命在1年左右，放電

35、深度在50%-70%的蓄電池壽命在1年半左右。個(gè)別廠家生產(chǎn)的蓄電池可以達(dá)到2年以上。 十一. 外文翻譯 原文： Modern Control Approach for Robotic Wheelchair with Inverse Pendulum Control Yoshihiko Takahashi and Otsushiro Tsubouchi Dept. of System Design Eng Kanagawa Institute of Technology 1030, Shimo-ogino, Atsugi, Kanagawa, 243-0

36、292, JAPAN Tel/Fax: +8 1-46-29 1-3 195 E-mail: ytaka@,sd.kanagawa-it.ac.iv Keywords: Wheelchair, robot, step climbing, inverse pendulum control, observer based optimal control, integral action. 1. Introduction With the rapid increase of the aged population in Japan, independent living strateg

37、ies for the aged are becoming a problem with high priority. The assist robot will be a candidate to support such an aged society [e.g. ref. 1.] A wheelchair bound person needs assistance since there are many steps or curbs in the roadwaysand walkways. Although a step may be small, it may be very dif

38、ficult for such a person to climb over the steps. Therefore, we are proposing a power assist robotic wheelchair by which a wheelchair bound person can climb over steps up to about 8cm in height without assistance from others. We hope that our proposed robotic wheelchair will enable users to enjoy ou

39、tdoor life. A user can maintain inverse pendulum control of the robotic wheelchair after raising its front wheels. Then, a user can move forward to the step maintaining the inverse pendulum control, and can climb over the step being assisted by DC motor force of a rear wheel shaft Matsumoto et al.

40、[2] and Koyanagi [3] had presented the inverse pendulum control of a small robot using internal sensors. Matsumoto Koyanagi [3] An inverse pendulum control scheme using an external sensor encounters disturbances from the roughness of the ground because an external sensor touches the ground. Howeve

41、r, the control schemes presented by Matsumoto or Koyanagi were not disturbed by the roughness of the ground. Therefore, the control scheme using the internal sensors is also utilized in this paper. In our experiments, we used an actual size typical wheelchair operated by a person seated in the whee

42、lchair robot. Johnson & Johnson had presented an intelligent robotic wheelchair, which had many functions including step climbing [e.g. ref.4] The robotic wheelchair we are developing has a limited function so that a small and simple mechanical system can be designed. Fig.1 shows the step climbi

43、ng using the proposed robotic wheelchair with inverse pendulum control. We have presented the experimental results of the front wheel raising and the inverse pendulum control [5], the experimental results of the step climbing [6], and the analytical study of the control system [7]. These experiment

44、s conducted a front wheel raising scheme being assisted by human force. Front wheel raising schemes without the human assistance are also presented; a front wheel raising using back and forward moving scheme [8], and a riders seat movement scheme [9]. PI control had been used in the papers present

45、ed previously to maintain the inverse pendulum control. In this paper, an observer based optimal control [lo] is used in order to obtain better control performances in the inverse pendulum control. The simulation results are presented in this paper. 2. Hardware of robotic wheelchai with inverse pen

46、dulum control Fig.2 shows the control system hardware of the inverse pendulum control system. A commercial wheelchair was reinforced and used as the main body of the experimental setup. The slide motion mechanism of the rear wheel shaft, and the rear wheel drive mechanism were fabricated. The rea

47、r wheel drive system was composed of a geared DC motor, a chain, sprocket wheels, an optical encoder, and a housing block. The DC motor was 70 W, and the reduction ratio was 1/772 . The optical encoder detected the rotation of the rear wheel. The block of the rear wheel drive mechanism was guided b

48、y using two linear sliders, and actuated linearly by using a linear drive system with a DC motor and a ball screw. We set two positions of the rear wheel shaft, normal position and forward position. The normal position is used in the general four wheels run, and the forward position is used to raise

49、 the front wheels. Two mechanical limit switches are used to detect the preset two slide positions. A personal computer with a counter board, a D/A board, and an A/D board was used as a controller. A gyro sensor detected the inclination velocity of the wheelchair body, and the output of the gyro se

50、nsor was put in to the personal computer using an A/D board. The inclination of the wheelchair body was obtained by integrating the inclination velocity. An encoder detected the rear wheel rotation, and the output of the encoder was put in to the personal computer using the counter board. The contro

51、l inputs calculated in the personal computer were put out to drive circuit from a D/A board. Fig.3 shows the control system of the inverse pendulum control system. The flow of the control signal is as follows. (1) The gyro sensor detects the inclination velocity of the wheelchair . (2)The dete

52、cted inclination velocity is put in to the personal computer through an A/D board. (3) The inclination velocity is subtracted by a bias signal, which was measured previously, in the personal computer. (4) The inclination of the wheelchair is obtained by integrating the inclination velocity

53、. (5)The inclination is subtracted by the desired value Xd , and the error signal is calculated. (6)The error signal is put in to the PI action controller. (7) The error signal enhanced by the PI action gains is put in to a driver (Power AMP) through a D/A board. The inverse pendulum con

54、trol system used for the wheelchair is a positive control system in which the controller actuates the rear wheel shaft in the same direction as that of the wheelchair inclination. The control program was written by C, and the sampling period was about 5msec. 3. Mathematical model of robotic wheelch

55、air during inverse pendulum control Fig.4 shows the dynamical model of the robotic wheelchair during the inverse pendulum control [7]. The parameters used in the simulation study are also listed in Fig.4. Basically, the dynamical system is a two mass system. In order to maintain the inverse pendul

56、um control (= 0 ), a rear wheel is rotated. Fig.5 shows the block D/Agram. The coefficient of SF is the sensor coefficient. 4. Control system of inverse pendulum control Fig.6 shows the control system block D/Agram used in the papers presented previously. A Gyro sensor detected the inclination ve

57、locity of the robotic wheelchair, and a DC motor actuated the rear wheel. The output of the Gyro sensor was integrated once in the computer system to obtain the chair body inclination. PI control was used as a control algorithm. An integral action is effective to maintain the inverse pendulum contro

58、l. On the other hand, Fig.7 shows the control system block D/Agram used in this paper. Modem control theory is used in order to obtain better control performances of the inverse pendulum control. H2 (LQG ) control theory was utilized as the control theory. Basically, H2 control is composed of an o

59、ptimal controller and an observer. The optimal controller utilizes estimated state variables obtained by the observer. Two Riccati equations are used to obtain controller gains and observer gains. The state equation of the controlled system used in H2 control becomes as follows: where x is the

60、 state vector, z is the evaluation vector, y is the measured vector, w is the external input vector, and u is the control input vector. The cost function of H2 control is as follows. Where t is time. The controller with an observer is as follows. Where is the control input vector using th

61、e estimated state variables , x and Y are the positive solutions of the following two Riccati equations. 5. Simulation results of inverse pendulum control using PI control and H2 control with integral action Figs.8 and 9 show the simulation results of PI control and Hz control with an integral a

62、ction, respectively. The upper, middle, and lower figures in each figure indicate the chair body inclination, the rear wheel rotation, and the dnving current, respectively. The desired value of the chair body inclination is set to be 0 degrees where the initial inclination is -12 degrees. The invers

63、e pendulum controls were successfully canied out in both cases of PI and Hz control with an integral action. The chair body inclination was converged to the desired value in both cases. Paying attention to the vibration phenomena, the response of Hz control with an integral action converged more qui

64、ckly than the response of PI control. The maximum values of the input current to the DC motor were almost the same in both cases. The validity of the proposed Hz control with an integral action was confirmed by the simulation results. 6. Conclusions The robotic wheelchair with the inverse pendulum

65、 control was proposed to assist a wheelchair bound person to climb over steps in the roadways and walkways. The inverse pendulum control system using H2 control with an integral action was designed, and investigated. It is confirmed that the designed H2 control with an integral action shows better c

66、ontrol performances than P1 control. We would like to confirm the validity of the proposed Hz control with an integral action experimentally. References [l] S.Hashino, Daily life support robot, J. of Robotics Society ofJapan, Vo1.14, No.5, p.614 (1996) [2] O.Matsumoto, S.Kajita, and K.Tani, Estimation and control of the attitude of a dynamic mobile robot using internal sensors, J. of Robotics Society of Japan, Vo1.8, No.5, p.541 (1 990) [3] E.Koyanagi, Master Thesis, Tsukuba Univ. (1991)