三星輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、SW三維建?！?含CAD圖紙、SW三維建模,三星,輪式,樓梯,輪椅車,設(shè)計(jì),cad,圖紙,sw,三維,建模
輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)
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(guó)家，很多老式的居民樓里沒(méi)有電梯，肢體殘疾人士和老年人上下樓不方便。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)家普通用戶難以承擔(dān)。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品與國(guó)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(guó)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(wèn)題。本文對(duì)爬樓輪椅的總體方案及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，研究?jī)?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(píng)分法對(duì)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(duì)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(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)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(guò)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(duì)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
III
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(guó)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
附錄1 34
附錄2 39
1. 緒論
1.1引言
在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口密度越來(lái)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(duì)空間的利用率。但是大部分人住在公寓式樓房?jī)?nèi)，而一般的7 層以下的樓房都沒(méi)有安裝電梯，這給老年人或者腿部殘疾人士帶來(lái)了很多的不便。在這種情況下，樓梯對(duì)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(lái)了很多不便，影響他們與外界的溝通交流。
另外這一問(wèn)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(guó)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(lái)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(duì)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(lái)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(lái)諸多不便。由于傷殘者對(duì)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(guó)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(guó)內(nèi)尚無(wú)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(duì)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(duì)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(guó)無(wú)障礙設(shè)施的滯后，這類人群的出行問(wèn)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(wú)法跨越，使輪椅具有爬樓梯能力是解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵。研究這類問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。
應(yīng)用價(jià)值：從市場(chǎng)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(chǎng)。從全球范圍來(lái)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(wú)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi)，國(guó)外起步比較早，1982 年美國(guó)科學(xué)家Bray 發(fā)明了第一個(gè)爬樓梯輪椅，此后各個(gè)國(guó)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(guó)在這方面研究比較晚，針對(duì)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(méi)有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空間。
圖1.1 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量的分布對(duì)比圖
爬樓輪椅專利申請(qǐng)的時(shí)間分布及分析。國(guó)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(guó)內(nèi)關(guān)于這一主題的申請(qǐng)最早出現(xiàn)在1991 年，比發(fā)達(dá)國(guó)家晚了近80 年，在進(jìn)入21 世紀(jì)以后才逐漸發(fā)展起來(lái)。圖1 是1960 年至2016 年國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量的分布對(duì)比圖?？梢钥闯?，2008 年后該主題的專利申請(qǐng)量明顯上漲，反映出隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)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(guó)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(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)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(duì)于行星輪型爬樓輪椅，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)樓梯的適應(yīng)性較差，不能滿足使用者對(duì)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(jiǎn)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(guò)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(duì)于輪式機(jī)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢(shì)。在上下樓梯時(shí)采用履帶輪的方式，保證了上下樓梯過(guò)程的連續(xù)性。但是，所述履帶輪型爬樓輪椅無(wú)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(duì)樓梯邊沿的損害程度很大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程的阻力矩較大，換向過(guò)程實(shí)現(xiàn)困難，能源利用效率低，這些問(wèn)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(wèn)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(lái)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(guò)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(guó)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(wèn)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(jiǎn)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(jí)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(duì)爬樓原理進(jìn)行研究，針對(duì)爬樓方案中爬樓過(guò)程存在打滑、重心不穩(wěn)的問(wèn)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(guò)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(lái)分析對(duì)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(jiàn)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(lái)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(duì)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)程中的最高處。
在行星架翻轉(zhuǎn)過(guò)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(jiàn)這里可以分成兩種情況來(lái)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(shì)。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(wèn)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(jiǎn)圖
電動(dòng)機(jī)1經(jīng)過(guò)減速器后將力傳遞到主傳動(dòng)軸，之后經(jīng)過(guò)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(guò)內(nèi)軸(中心軸）驅(qū)動(dòng)輪轂翻轉(zhuǎn)，通過(guò)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(guò)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(wàn)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(guò)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(wú)與倫比的好處，1其在翻轉(zhuǎn)時(shí)因?yàn)樗妮喿邮菍?duì)稱分布的會(huì)表現(xiàn)得更加自由和和諧；2小車在使用過(guò)程中，小車和乘坐者的重量幾乎都?jí)涸诤筝喩?，而后輪為?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(wàn)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(wàn)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(wàn)向輪的結(jié)構(gòu)：
圖2.6 小車尾架示意簡(jiǎn)圖 圖2.7 萬(wàn)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(hào)的萬(wàn)向輪。
圖2.8 萬(wàn)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(jiǎn)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(duì)電機(jī)選型，最后是對(duì)確定能源設(shè)備。
3.1電機(jī)類型的確定
無(wú)疑電機(jī)對(duì)于爬樓輪椅車來(lái)說(shuō)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(lái)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(kāi)環(huán)控制，電機(jī)會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而節(jié)省大量輪椅車的開(kāi)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(guò)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(wú)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(guò)程中沒(méi)有火花產(chǎn)生，安全，安靜。而且它壽命悠長(zhǎng)，有上萬(wàn)個(gè)小時(shí)，更兼有維修方便的優(yōu)點(diǎn)。
綜上所述，選擇無(wú)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(lái)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(guò)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(kāi)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(zhǎng)，。
輪椅車要抵抗的力矩為：
（3.1）
假設(shè)輪椅車在前進(jìn)過(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)行星架，而電機(jī)需經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪和一對(duì)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(wú)刷電機(jī)，型號(hào)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(hào) 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(zhǎng)的使用壽命。與壽命相當(dāng)?shù)倪€有其昂貴的價(jià)格，無(wú)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(zhǎng)，價(jià)格低廉，維修簡(jiǎn)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(guò)程中出現(xiàn)的若干問(wèn)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(guó)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(duì)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(guò)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(guò)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(jí)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(guò)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(jí)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(jí)齒輪到三級(jí)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(guò)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(zhǎng)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(jí)齒輪與三級(jí)和二級(jí)齒輪與三級(jí)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(jí)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(kāi)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(jí)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
收藏