畢業(yè)設計（論文）-輪式可爬樓梯輪椅車設計

輪式可爬樓梯輪椅車設計摘 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)達國家研制的爬樓輪椅大多價格昂貴，且操作復雜，發(fā)展中國家普通用戶難以承擔。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)鍵問題進行了研究，研究內(nèi)容及結(jié)果包括：全套圖 紙加扣 3346389411或3012250582（1）進行了爬樓輪椅的總體設計。采用綜合評分法對現(xiàn)有爬樓機構(gòu)的工作原理及各種不同機構(gòu)的優(yōu)缺點進行分析，確定了以三星輪式機構(gòu)作為爬樓機構(gòu)；對可爬樓梯輪椅車的傳動系統(tǒng)，尾架系統(tǒng)，底盤小車，座椅系統(tǒng)進行了總體設計。（2）對動力系統(tǒng)進行了設計，通過計算分析選擇了底盤小車動力系統(tǒng)的電機，電池和減速器；通過分析列出翻越臺階約束，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)進行了設計，并進行中心軸，外圈軸和車輪的應力應變分析。關(guān)鍵詞: 爬樓輪椅 輪式機構(gòu) 調(diào)平機構(gòu) SolidWorks IVABSTRACTWheelchair 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IABSTRACTII1. 緒論11.1引言11.2本文研究的理論意義和應用價值11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.4本文研究的主要內(nèi)容31.5本文創(chuàng)新點42. 可爬樓梯輪椅車的總體設計52.1底盤小車的設計方案52.2座椅的總體設計103. 動力系統(tǒng)分析選型123.1電機類型的確定123.2電機參數(shù)的選擇123.3電池選擇144. 底盤小車系統(tǒng)的具體設計154.1行星輪組的相關(guān)參數(shù)154.2翻越臺階的幾何約束關(guān)系164.3其他約束關(guān)系174.4 行星輪組零件參數(shù)的確定195. 傳動系統(tǒng)在電機箱體內(nèi)部分的設計205.1傳動系統(tǒng)整體布局圖205.2 爬樓模式的參數(shù)設計205.3 平地行走模式的參數(shù)設計236. 座椅的設計266.1座椅中關(guān)鍵部件的人機工程設計原理266.2 座椅調(diào)平機構(gòu)267. 應力應變分析288. 結(jié)論與展望318.1 結(jié)論318.2 展望31致謝32參考文獻33附錄134附錄2391. 緒論1.1引言在經(jīng)濟飛速發(fā)展、人口密度越來越大的現(xiàn)代社會里，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，2020 年將達到10 億 這些人群在出行的時候多數(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，護理，社會服務方面的需求帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，加重了社會和個人的家庭的負擔，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和獨立生活的渴望，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)實意義。1.2本文研究的理論意義和應用價值理論意義：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備，由于我國無障礙設施的滯后，這類人群的出行問題十分突出。鑒于目前的輪椅、電動輪椅能在坡度小于12度平坦的路面上行駛，但遇到樓梯臺階、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)實的理論意義。應用價值：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)濟價值，可行性都具有很高的應用價值。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 年美國科學家Bray 發(fā)明了第一個爬樓梯輪椅，此后各個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，但主要還停留在實驗室或是少數(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間分布及分析。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻出現(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)達國家晚了近80 年，在進入21 世紀以后才逐漸發(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。可以看出，2008 年后該主題的專利申請量明顯上漲，反映出隨著我國經(jīng)濟社會的發(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輸工具中應用廣泛的一種運動機構(gòu)，在國外一些爬樓機器人中也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。輪椅應用方面，普通輪椅以及電動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，能量利用效率高，采用差動傳動時轉(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，并利用自鎖機構(gòu)保證上下樓梯時不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應性較差，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)，具有很高的傳動效率，在上下樓梯的時候，輪椅的重心始終和樓梯臺階沿的連線保持平行，輪椅的重心波動很小，比較平穩(wěn)。履帶式機構(gòu)支撐面積大，通過性能好，下陷度小，具有較強的地形適應能力，爬坡，越溝等性能相對于輪式機構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時采用履帶輪的方式，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，運動過程的阻力矩較大，換向過程實現(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，對樓梯的適應性很強，上樓時，先將整個輪椅升高，再水平向前移動，如此重復這兩個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作，外觀其實可以視為機器人，采用多條機械臂交替升降，支撐輪椅爬樓的原理。但是，其承載重心偏高，傾翻危險性大，對穩(wěn)定性要求極高，控制難度很大，機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，還有諸多問題需要解決。（4）其他裝置現(xiàn)有的輔助式機構(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)上附加可以實現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實現(xiàn)爬樓的目的，它們是獨立的裝置，可以輔助普通的輪椅實現(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現(xiàn)普通輪椅或者其他交通裝置實現(xiàn)上樓和下樓。總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點可以看出，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)合先進的傳感手段和控制技術(shù)實現(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)容本文設計的最終結(jié)果是設計出一款體積不大、操作較為簡單、價格適中、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構(gòu)（底盤小車）和座椅系統(tǒng)的研究與設計。本文預期的設計目標如下：（1）要求自行輪椅的運動平順性，平地行走速度不大于15km/h。（2）要求可靠的上下樓梯能力，機械結(jié)構(gòu)合理，傳動效率高。（3）臺階髙度為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)臺階的爬行速度不大于3km/h。（5）有效負重為85kg。1.5本文創(chuàng)新點（1） 對爬樓原理進行研究，針對爬樓方案中爬樓過程存在打滑、重心不穩(wěn)的問題。本文在車尾設計了一個引導輪機構(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） 在上下樓時爬樓梯輪椅整體是傾斜的, 坐在傾斜的輪椅會使乘坐者感到不適。所以本文設計了一種滾道滑軌式的座椅調(diào)平機構(gòu)，能依靠輪椅和乘坐者自身的重力進行調(diào)平，使乘坐者更加舒適。2. 可爬樓梯輪椅車的總體設計本章是本文設計之始，后續(xù)的一系列設計均以本章的成果為核心開展。具體有兩個方面的設計，底盤小車的總體設計和輪椅座椅部分的設計。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。設計主要包括主體機構(gòu)的分析選型，傳動機構(gòu)的設計，底盤小車尾部的設計以及整體機構(gòu)的展示。座椅部分要具有可調(diào)姿態(tài)機構(gòu)，使人坐起來更加舒適，推輪椅的人也更加省力的特點，并圍繞這些展開設計。要求結(jié)構(gòu)合理，美觀實用，經(jīng)濟適中。2.1底盤小車的設計方案2.2.1不同種類越障機構(gòu)比較分析翻越障礙的機械種類頗多，并都有其自己的特色，本文將會從下邊6個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)定性一般有兩個方向的意思，其中一個意思是指小車在翻越物體時小車車身的擺動幅度；另一個是指該設備在受到外部環(huán)境干擾時，小車保持其原有狀態(tài)的本領(lǐng)。（3）結(jié)構(gòu)復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，機構(gòu)的零件數(shù)量，機構(gòu)的設計難度。（4）控制難易度指用預先設計好的程序去控制小車來促成其達到原先目的的困難程度。（5）經(jīng)濟性指在攀爬能力，穩(wěn)定性等一切條件都相似的情況下，并都能達到預計的目標，小車造價的高低。（6）移動速度指越障機構(gòu)在道路良好，其它條件如風阻，地面摩擦系數(shù)等都確定的情況下的行駛速率。各種越障機構(gòu)的性能對比如表2.1所示：表2.1 越障機構(gòu)的比較分析由表可知，后兩種越障輪椅車的相似缺陷是：機構(gòu)復雜，難以控制，成本高；而履帶式平地移動速度慢；此外，履帶式的運行效率很低。綜上所述，本文將選用行星輪式的越障機構(gòu)。2.2.2行星輪個數(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)實中的經(jīng)驗來看，當小車行駛到臺階前時，小車的兩個前輪碰到了臺階面，受力后的小車行星架會繞著前輪中心軸旋轉(zhuǎn)，接下來當行星架中心和車輪中心的那條旋臂和地面成90。時，輪椅車的重心達到越障過程中的最高處。在行星架翻轉(zhuǎn)過程中，第一個車輪和臺階前表面相觸時和前輪的中心距離定為臺階高度，現(xiàn)定義行星架半徑為R，則如上圖的三種情況下的臺階高度為2Ra，Rb，Rc。假設臺階的高度為 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）hb=Rb=H=0.289H （2.3）hc=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)目增多導致的造價變高，小車體積變大妨礙運動，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，本文選擇性價比最高的三星輪。2.2.3傳動系統(tǒng)的總體設計為了更好地滿足設計要求，輪椅車必須具備直線行走，平地轉(zhuǎn)彎和翻越障礙的功能。實現(xiàn)平地直線行走功能只需保證控制行走輪子的電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向相同即可；要實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，只需控制兩個電機存在轉(zhuǎn)速差，使外側(cè)電機轉(zhuǎn)速高于內(nèi)側(cè)電機，或者使兩電機轉(zhuǎn)向相反；翻越障礙時，使控制行星，從而讓三個輪子繞著中心軸轉(zhuǎn)動。為了滿足上訴各功能，本文設計了以下的機構(gòu)，2.3所示。圖2.3 機構(gòu)傳動簡圖電動機1經(jīng)過減速器后將力傳遞到主傳動軸，之后經(jīng)過若干齒輪分配到三個車輪上。行星架的爬樓模式同理可以實現(xiàn)。整個機構(gòu)需具有結(jié)構(gòu)緊湊，設計合理的特點，于是本文設計了一種內(nèi)外軸的結(jié)構(gòu)形式：通過內(nèi)軸(中心軸）驅(qū)動輪轂翻轉(zhuǎn)，通過外軸（外圈軸）驅(qū)動行星架翻轉(zhuǎn)。輪椅車的輪轂系采用Q235。兩側(cè)的行星架通過一個電機箱相連，電機箱能夠使底盤系統(tǒng)更加穩(wěn)定。電機箱兩側(cè)連接一個尾架，延伸到小車后部，尾架兩端各有一個萬向輪。行星架一側(cè)的三個輪轂由相聯(lián)，由電機2通過齒輪傳動系統(tǒng)進行驅(qū)使，同時著地的兩個車輪輪轂轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速均相同，另一個車輪懸空空轉(zhuǎn)。這樣設計的好處是三個輪轂在電機的驅(qū)動下，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，雙輪會比單輪（即只有一個驅(qū)動輪）的要復雜一些。但是雙輪也同時具有一些無與倫比的好處，1其在翻轉(zhuǎn)時因為它的輪子是對稱分布的會表現(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)動輪，應此這會比單輪的小車擁有更大的驅(qū)動力。圖2.4 齒輪及車輪轉(zhuǎn)向下圖2.5是本文設計的行星架外形圖。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，分擔一部分輪椅車的重量。并且在爬樓輪椅車上樓時，尾架上的引導輪結(jié)構(gòu)能夠減小攀爬時小車的震動。尾架末端兩側(cè)分別有一個萬向輪，擁有自由轉(zhuǎn)向和卡死小車防止移動的功能。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座椅的總體設計座椅外形不做特殊設計，簡潔美觀即可。為了使設計的可爬樓梯更加舒適安全，在座椅底部加上一個新穎的座椅調(diào)平機構(gòu)。座椅外形和調(diào)平機構(gòu)如下圖所示。圖2.10 調(diào)平概念圖圖2.11 座椅外形圖3. 動力系統(tǒng)分析選型本章將要進行底盤小車動力系統(tǒng)的設計，主要工作有根據(jù)已有的要求計算小車所需的動力系統(tǒng)參數(shù)，再按照計算所得的參數(shù)對電機選型，最后是對確定能源設備。3.1電機類型的確定無疑電機對于爬樓輪椅車來說至關(guān)重要，它是小車的核心動力系統(tǒng)，將為小車提供驅(qū)動力。接下來將從下列三種電機中選出一款最符合本文條件的電機。（1） 步進電機步進電機有很多優(yōu)秀特點，比如電機停轉(zhuǎn)的時候，優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應。并且如果取用開環(huán)控制，電機會因為結(jié)構(gòu)簡單而節(jié)省大量輪椅車的開支。缺點是能源消耗較大，會破壞同步，高速工作時有較大的振動和噪聲， 穩(wěn)定性能不佳。（2）直流電機直流電機本身的控制性能絕佳，能夠在受到強烈的外界干擾時作出迅速快捷、的反應。此外，直流電機的起動轉(zhuǎn)矩大、能夠加載較大的負重，這使得小車在爬樓過程中更加穩(wěn)定。然而，傳統(tǒng)直流電機為，因此容易產(chǎn)生，直接導致直流電機只有幾千小時的壽命4。（3）無刷直流電機該電機比之上文的直流電機不但秉承了它的一些優(yōu)秀特征，并且還有加強。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，有上萬個小時，更兼有維修方便的優(yōu)點。綜上所述，選擇無刷直流電機作為輪式可爬樓梯輪椅車的動力裝置。3.2電機參數(shù)的選擇本文設計的輪椅車具有在平坦地面行駛和攀登樓梯的功能，因為爬樓梯時要克服重力做功，其所需的功率一般比平地行走所需的功率要大，所以在這先計算爬樓模式下的電機各參數(shù)選出電機，再根據(jù)這些選出的參數(shù)來驗算平地行走模式下的功率轉(zhuǎn)矩，車速等要求。假設輪椅車的重量為，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?shù)肿翘莸那拜唽⒁x開地面的時候，此時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） 假設輪椅車在前進過程中行星架的角速度于是轉(zhuǎn)速 （3.2） （3.3）由于翻轉(zhuǎn)電機采用左右兩個來驅(qū)動行星架，而電機需經(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）電機功率 （3.5）假設爬樓總傳動比為120。（3.6）電機轉(zhuǎn)速 （3.7） 綜上所述，電機應選取功率大于0.33kw，轉(zhuǎn)矩大于1.96，轉(zhuǎn)速在3152.4rpm左右的電機。最終本文選取了富興86系列無刷電機，型號為FBLM86-660,下表為該電機的部分參數(shù)：表3.1 電機參數(shù)表電機型號 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 483.2.2驗算平地行駛模式下的參數(shù)假設輪椅車和乘坐者的總重量由前后輪一起承擔，前輪承受40%的重量，后輪承受60%的重量。地面的滑動摩擦系數(shù)為0.02。前輪受到的壓力 （3.8）后輪受到的壓力 （3.9）滑動摩擦力 （3.10） （3.11）假設行走模式下的總傳動比為： （3.12）又因為要有四個輪子分擔， （3.13）單個輪子的驅(qū)動力為： （3.14）驅(qū)動力校核正確。3.3電池選擇本文使用 48V 的蓄電池作。進入選擇池的有以下 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?shù)倪€有其昂貴的價格，無疑這不符合設計的初衷。最終我們選擇性價比較高的鉛蓄電池作為驅(qū)動電機的電源，因其身兼壽命長，價格低廉，維修簡單等優(yōu)點。4. 底盤小車系統(tǒng)的具體設計本章的工作是根據(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，這部分零件設計相對輕松自由。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)的設計。表4.2為各個零件的參數(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 各個零件的相關(guān)尺寸及其參數(shù)4.2翻越臺階的幾何約束關(guān)系4.2.1臺階突起不碰行星架為了防止行星輪組與臺階接觸摩擦而引起損壞，只需保證在爬樓過程中的任何時間段臺階均不與行星架觸碰。當臺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，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 能夠跨到上一級臺階如果小車要能夠順利地上到下一個臺階，則必須滿足隨著行星架旋轉(zhuǎn)的第一個輪轂能夠大半地跨上水平臺階面，也就是下圖中的A輪的中心軸線能夠超過臺階的垂直面。如圖4.4中的幾何關(guān)系，列出約束條件為： （4.4）圖4.4 星輪跨到下一臺階面時的極限位置4.2.3 不能觸碰下一臺階的垂直面本文設計的底盤小車爬樓的理想狀態(tài)是前輪抵住臺階后其余兩輪會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致下圖4.5中的A輪撞到下一個臺階的垂直面上就不是本文設計的初衷。況且這種情況下整個輪椅車會因為撞擊導致劇烈晃動，不利于老年人及殘障人士的安全和舒適。這里假定臺階面的寬度也為H，當然實際上會比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)系本文設計的定軸齒輪系統(tǒng)有三條支系，因為這三條都是一樣的，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該承遞減樣式。即： （4.7） 這樣設計的好處還能讓各個齒輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩不至于相差過大，便于設計。為了使得小齒輪的每個齒都能和大齒輪的每個齒循環(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)。4.3.2三個齒輪的齒頂圓外公切線關(guān)系圖4.6 三個齒輪的齒頂圓幾何關(guān)系示意圖當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，有利于節(jié)約空間，優(yōu)化外形。因此，三個齒輪的半徑參數(shù)也應滿足： （4.8） 其中： （4.9） （4.10） 4.3.3 三個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階的高度和寬度，又必須大于三級齒輪的半徑。而臺階寬度一般大于其高度，由此可得r<180mm。當、時標準漸開線直齒圓柱齒輪，為 175。查機械原理，表10-1標準模數(shù)系列，選用第一系列。原則上用于動力傳動的模數(shù)應大于1.5，因為此處的負載更大，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<r<180mm，取r=110mm接下來是確定 R 的取值范圍，將臺階高度H的值180 mm±5 及輪轂半徑 r 的值110mm 代入到式4.6中,能夠跨到下一級臺階這種情況下取臺階的最大值185mm，不能觸碰下一臺階的垂直面這種情況下取臺階的最小值175mm，計算可得: （4.12） 根據(jù)式4.7中的齒數(shù)關(guān)系，并結(jié)合 R 的取值范圍，可初步計算出各齒輪的齒數(shù)范圍。聯(lián)立以下 4 式：4.4.2 最終參數(shù)確定最終參數(shù)如表4-9所示：5. 傳動系統(tǒng)在電機箱體內(nèi)部分的設計本章的工作是對上文設計的傳動系統(tǒng)進行簡要介紹，并對兩種模式下電機箱內(nèi)的齒輪進行校核。5.1傳動系統(tǒng)整體布局圖傳動系統(tǒng)整體布局圖如下所示：圖6-1 傳動系統(tǒng)整體布局圖本文設計的輪式可車的底盤小車系統(tǒng)具有兩種運動模式，即爬樓梯模式和平地行走模式。電機1經(jīng)減速器減速后帶動中心軸的外圈軸齒輪1（一下簡稱外圈軸齒輪1）轉(zhuǎn)動，進而帶動外圈軸齒輪2轉(zhuǎn)動，最終使外圈軸轉(zhuǎn)動使行星架轉(zhuǎn)動以達到輪椅車爬樓梯的運動功能;電機2經(jīng)減速器減速后帶動中心軸齒輪1，之后接連使中心軸齒輪2，中心軸，中心齒輪，過渡齒輪，驅(qū)動齒輪聯(lián)動，最終使三個車輪轉(zhuǎn)動，三個車輪中有兩個貼著地面轉(zhuǎn)動，第三個輪子懸空空轉(zhuǎn)。從而使輪椅車能夠在平地行走。5.2 爬樓模式的參數(shù)設計外圈軸齒輪1的齒數(shù)為17，外圈軸齒輪2的齒數(shù)為60，兩者的模數(shù)m為2。電機驅(qū)動軸和外圈軸軸線彼此平行，采用。輪椅為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度7。齒輪材料為 40Cr(調(diào)質(zhì))。外圈軸齒輪1和外圈軸齒輪1的傳動比為： （5.1）爬樓模式下的總傳動比為： （5.2）齒寬系數(shù)選為d=1.4；彈性影響系數(shù)=143.7；齒輪接觸疲勞強度極限5.2.1各校核參數(shù)計算(1)傳動裝置傳動效率計算查機械原理第八版P76可得：一對精度為七級的齒輪傳動取=0.99，一對軸承取=0.99，故電機經(jīng)過一對齒輪和一對軸承后的效率：=0.99*0.99=0.9801 （5.3）(2)各軸功率計算驅(qū)動軸的輸入功率： （5.4）外圈軸的輸入功率： （5.5）(3)各軸轉(zhuǎn)速計算驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速： （5.6）外圈軸轉(zhuǎn)速： （5.7）(4)精度確定圓周速度: （5.8）根據(jù)機械設計手冊8-94，選擇7級精度。(5)各軸轉(zhuǎn)矩計算驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩： （5.9）外圈軸轉(zhuǎn)矩： （5.10）(6)計算應力循環(huán)系數(shù)假設輪椅車的工作時間為6000h。 （5.11） （5.12）(7)計算接觸疲勞許用應力取接觸疲勞壽命系數(shù)，取失效概率為 1%，安全系數(shù)為 S=1，則 （5.13） （5.14）(8)計算齒寬，齒高 （5.15） （5.16）(9)計算載荷系數(shù)=1.01，直齒輪=1；使用系數(shù)=1， =1.309由 （5.17）=1.309 查閱表得到=1.35 （5.18）5.2.2校核接觸疲勞極限 （5.19） （5.20） （5.21） （5.22） （5.23） （5.24）校核說明符合接觸疲勞強度。5.2.3校核彎曲疲勞極限大齒輪比小齒輪受到的轉(zhuǎn)矩更大，因此下面只校核大齒輪的彎曲疲勞強度。 （5.25）大齒輪的彎曲強度疲勞極限為，,m=2,由齒數(shù)查閱得到:,；使用系數(shù)， （5.26） （5.27）校核說明符合彎曲強度5.3 平地行走模式的參數(shù)設計中心軸齒輪1的齒數(shù)為17，中心軸齒輪2的齒數(shù)為30，兩者的模數(shù)m為2。齒輪材料為(調(diào)質(zhì))。中心軸齒輪1和中心軸齒輪2的傳動比為： （5.28）平地行走模式下電機箱內(nèi)的總傳動比為： （5.29）齒寬系數(shù)選為d=1.15；彈性影響系數(shù)=143.7；齒輪接觸疲勞強度極限5.3.1各校核參數(shù)計算(1)傳動裝置傳動效率計算查機械原理第八版P76可得：一對精度為七級的齒輪傳動取=0.99，故電機經(jīng)過一對齒輪和一對軸承后的效率=0.99 （5.30）(2)各軸功率計算驅(qū)動軸的輸入功率： （5.31）中心軸的輸入功率： （5.32）(3)各軸轉(zhuǎn)速計算驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速： （5.33）中心軸轉(zhuǎn)速： （5.34）(4)精度確定圓周速度:（式6-7）根據(jù)機械設計手冊8-94，選擇7級精度。(5)各軸轉(zhuǎn)矩計算驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩： （5.35）中心軸轉(zhuǎn)矩： （5.36）(6)計算應力循環(huán)系數(shù)假設爬樓輪椅車的總工作時間為6000h。 （5.37） （5.38）(7)計算接觸疲勞許用應力取接觸疲勞壽命系數(shù)，取失效概率為 1%，安全系數(shù)為 S=1，則 （5.39） （5.40）(8)計算齒寬，齒高 （5.41） （5.42）(9)計算載荷系數(shù)=1.01，直齒輪=1；使用系數(shù)=1， =1.309由 （5.43）=1.309 查閱表得到=1.35 （5.44）5.3.2校核接觸疲勞極限 （5.45） （5.46） （5.47） （5.48） （5.49） （5.50）校核說明符合接觸疲勞強度。5.3.3校核彎曲疲勞極限大齒輪比小齒輪受到的轉(zhuǎn)矩更大，因此下面只校核大齒輪的彎曲疲勞強度。 （5.51）大齒輪的彎曲強度疲勞極限為，,m=2,由齒數(shù)查閱得到:,使用系數(shù)， （5.52） （5.53）校核說明符合彎曲強度。6. 座椅的設計在輪椅車的使用過程中，座椅部分和人的關(guān)系最為緊密。本章需要就人機關(guān)系討論座椅的外形結(jié)構(gòu)，然后對其中的重心調(diào)整機構(gòu)做簡要設計。6.1座椅中關(guān)鍵部件的人機工程設計原理本文中的桌椅部分因其只需考慮符合人機工程原理所以的不做特殊設計，只是簡要的敘述一下大致的外形輪廓要求。人機工程學是研究人與系統(tǒng)中其他因素之間的相互作用，以及應用相關(guān)理論、原理、數(shù)據(jù)和方法來設計以達到優(yōu)化人類和系統(tǒng)效能的科學15。關(guān)于座椅，涉及到人機工程的主要有靠背，坐墊，腳踏板，扶手這些部件。靠背的主要關(guān)注點是它的角度與支撐點，要盡量不讓人的脊柱和腰部肌肉感到不適。扶手的關(guān)鍵是在扶手的高度和間距的設計上，要充分考慮到人的肩寬，人肘部的高度，盡量使人的手臂能夠自由活動。坐墊則要考慮坐墊自身的長度、寬度和深度，要盡量按照人的腿部，臀部的肌肉分布來設計。腳踏板的設計的要點除了要讓腿部能夠自由活動外，還需考慮腳與上體和大腿的位置關(guān)系。6.2 座椅調(diào)平機構(gòu)在上下樓梯的時候，由于臺階是由角度的，輪椅車自然會產(chǎn)生一定程度的傾斜，這會給那些老年殘障者帶來不適感。為了應對這一問題，以及由于各種原因?qū)е碌妮喴诬囍匦牟环€(wěn)的現(xiàn)象, 本文新穎得設計了一種內(nèi)導軌式的座椅調(diào)平機構(gòu)(圖5-1)。其結(jié)構(gòu)是由圓弧形滑軌（圖 ）及滾軸組成。圓弧形滑軌和基座通過焊接連在一起,基座裝配在電機箱上，座椅支架也和座椅焊接連接。滾軸末端裝有軸承，當座椅重心發(fā)生偏移時，座椅通過軸承在滑軌內(nèi)做圓弧形運動，實現(xiàn)調(diào)整座椅的目的。圖6.1 座椅調(diào)整機構(gòu)原理圖 圖6.2 圓弧形滑軌調(diào)平機構(gòu)的設計要滿足兩個條件，一是座椅在滑動過程中不能和滑軌撞上，二是滾軸滑動范圍不能超出滑軌的導程。如圖所示，滑軌是一個半徑為520mm的圓弧軌道，只需保證座椅在平放狀態(tài)下不與滑軌相接觸就能滿足條件一。關(guān)于條件二，只需滿足之間的中心軸與滑軌的對稱軸之間的角度小于即可（因為座椅傾斜的最大角度等于臺階的角度)。圖6.3 滑軌設計圖7. 應力應變分析為了在本文中驗證本文所設計機構(gòu)結(jié)構(gòu)的強度，為校核之前計算數(shù)據(jù)的準確性以及為后續(xù)的優(yōu)化設計打下基礎(chǔ)，本文選擇SolidWorks三維仿真軟件進行應力應變分析。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根據(jù)設計參數(shù)用SolidWorks三維軟件建模的，可以直接用Solidworks三維進行仿真分析。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，以下部分的應力應變分析結(jié)果顯示在圖7.1-圖7.6。圖7.1 中心軸應力分析圖圖7.2 中心軸應變分析圖圖7.3 車輪輪轂應力分析圖7.4 車輪輪轂應變分析圖圖7.5 行星架外圈軸應力分析圖圖7.6 行星架外圈軸應變分析圖8. 結(jié)論與展望8.1 結(jié)論本文以“老年人以及殘障人士代步設備的研發(fā)”為背景，確定了爬樓輪椅的設計要求。分析各種機構(gòu)并選擇了三輪式行星輪組可爬樓輪椅車作為研究目標，革新了兩種機構(gòu)以為創(chuàng)新點。對輪椅車的設計兼顧了爬樓與平地行走這兩種模式，分別以輪椅車的底盤小車系統(tǒng)和輪椅系統(tǒng)開展研究，取得了良好的效果。本文已做的主要工作如下所示有那么幾點：敘述了現(xiàn)階段老年人以及殘障人士存在的困境，闡述了開展可爬樓梯輪椅車研究的意義，分析了國內(nèi)外在該項成果上取得的進展并指出其不足之處。列出了設計要求，點明了本文的創(chuàng)新點。分析了行星輪式，履帶式，腳足式和復合式爬樓輪椅存在的結(jié)構(gòu)特點和不足并確定了本文的設計主體。通過對重心的計算確定了最適合本文要求的行星輪數(shù)量。對可爬樓梯輪椅車的傳動系統(tǒng)，尾架系統(tǒng)，底盤小車，座椅系統(tǒng)進行了總體設計。通過計算分析選擇了底盤小車動力系統(tǒng)的電機，電池和減速器。通過分析列出翻越臺階約束，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)。對傳動系統(tǒng)在機箱內(nèi)的齒輪部分進行了詳細的設計，內(nèi)容包括介紹傳動系統(tǒng)布局簡圖，爬樓模式下的齒輪校核；平地行駛模式下齒輪校核。闡述了人機工程中輪椅的設計原理并對輪椅的調(diào)平機構(gòu)作出設計。利用SolidWorks三維仿真軟件進行中心軸，外圈軸和車輪的應力應變分析。8.2 展望由于本人的水平有限，本文只做了有限的研究，其設計自然有一定的局限性，后續(xù)的工作大致可以有以下幾種方式進行：(1)實踐方面，本文只做了理論上的分析設計，而實際上如果進行實踐驗證，會出現(xiàn)各種各樣，意想不到的問題發(fā)生，所以在后續(xù)的工作中可以進行機構(gòu)的軟件運動仿真和聯(lián)系廠家作出實物進行樣機實驗。(2)在安全性方面，本文只進行了有限的設計，無法應對輪椅在使用過程中的多數(shù)安全問題，比如在爬樓過程中突然遇到斷電或樓道受損，手滑等自然或非自然的意外情況。后續(xù)可以使用棘輪機構(gòu)來進行鎖死，防止輪椅下墜。利用人機工程學對本文的可爬樓梯輪椅車進行優(yōu)化，使設計的輪椅車更加舒適安全。(3)在自動化設計方面，本文只做了機械方面的設計，輪椅很機械不靈活，沒有人機交互的操作系統(tǒng)，操作行為比較單一。在以后的研究中，可以借助陀螺儀，利用單片機控制輪椅車的重心，以此來控制輪椅車。致謝經(jīng)過了三個多月的努力，我最終完成了畢業(yè)設計的工作。在這我要感謝所有在此期間幫助過我的人。首先我要感謝我的論文指導老師，大連大學機械工程學院的張立老師。張老師嚴謹?shù)膶W風，淵博的學識，和一絲不茍的工作態(tài)度使我在工作、學習等方面深受啟迪和教誨，這將使我終身受益。張老師對我論文的研究方向做出了指導性的意