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河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
河北工業(yè)大學(xué)201x屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：輪組式爬樓梯輪椅機(jī)器人傳動系統(tǒng)設(shè)計
專業(yè)（方向）：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生信息：學(xué)號： 姓名：班級：
指導(dǎo)教師信息：姓名：職稱：
報告提交日期：
內(nèi)容要求：
1確定方案
先比較履帶式和輪組式的爬樓梯輪椅，履帶式機(jī)構(gòu)與地面接觸面積大，下陷度小，行走時重心平穩(wěn)，上下樓穩(wěn)定，但他的體積大，較笨重，傳動效率低。輪組式正好相反， 。
在和前期報告中的想法比較、對比之后確定了最可行的方案。和ibot基本相似，裝置底部安裝兩組直徑30cm的車輪，前輪較小作為支撐和控制方向使用，后邊是四個爬樓輔助輪，以行星輪的方式連接，既可以繞主軸公轉(zhuǎn)，也可以獨自旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動及完成爬樓目的。裝置在平地?zé)o障礙情況下運動與普通的電動輪椅類似，前輪采用萬向輪，后輪作為驅(qū)動輪，前輪會根據(jù)后輪的行進(jìn)方向自動調(diào)整以使其與后輪保持一致。爬樓梯時由后輪四個輔助輪翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)。前輪離開地面，由四個爬樓輔助輪支撐著地，以上樓為例，裝置在臺階上運動，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，隨著中軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，兩對輪交替進(jìn)行翻爬樓梯。
考慮到輪椅車運動的靈活性、控制的難易程度、能量利用率、使用安全性等，最終采用iBOT的爬樓梯功能采用行星輪式。傳動結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。
圖 1-1
三維實體如圖1-2.
圖1-2
前輪采用萬向輪進(jìn)行支撐和輔助換向，后輪采用以上結(jié)構(gòu)。兩側(cè)車輪各兩個行星輪，其轉(zhuǎn)動分別靠一個直流電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)通過減速器將轉(zhuǎn)動傳遞到主軸上，然后通過齒輪傳遞到行星輪。為了減小驅(qū)動之輪的大小，滿足車輪之間的間距，在主軸和行星輪之間加入兩個過度齒輪。這樣在電動機(jī)的驅(qū)動下，兩個車輪轉(zhuǎn)動的方向、轉(zhuǎn)速總是一致的。兩個行星輪均可單獨作為驅(qū)動輪，當(dāng)乘坐者選擇只讓兩個后輪著地時可以減少轉(zhuǎn)彎的半徑，運動更加靈活。在崎嶇的道路上行走時，可將后部分的四個輪子全部著地變成四輪驅(qū)動輪椅，增加輪椅的動力性能。
2 基本參數(shù)的確定
根據(jù)GB 12996國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電動輪椅車正常行駛速度小于18km/h，爬坡角度大于6°，最小回轉(zhuǎn)半徑為2m。根據(jù)《住宅設(shè)計規(guī)范》所示，樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于1．10m，不超過六層的住宅，一邊設(shè)有欄桿的梯段凈寬不應(yīng)小于1．00m；樓梯踏步寬度不應(yīng)小于0．28m，踏步高度不應(yīng)大于0．175m。扶手高度不應(yīng)小于0．90m。樓梯水平段欄桿長度大于0．50m時，其扶手高度不應(yīng)小于1．05m。樓梯欄桿垂直桿件間凈空不應(yīng)大于0．11m；樓梯平臺凈寬不應(yīng)小于樓梯梯段凈寬，且不得小于1．20m。樓梯平臺的結(jié)構(gòu)下緣至人行通道的垂直高度不應(yīng)低于2．00m。入口處地坪與室外地面應(yīng)有高差，并不應(yīng)小于0．10m。在此取后輪直徑為280mm。
根據(jù)我國對樓梯尺寸標(biāo)準(zhǔn)的要求，認(rèn)為在踏步寬度最小的情況下，輪椅車攀爬樓梯的難度最大，所以對車輪直徑的驗證級兩車輪中心距的確定均在踏步寬度為280mm，高度為130mm的臺階上進(jìn)行。
圖2.1
如圖2.1所示，為了滿足爬樓的條件，兩后輪中心距應(yīng)該滿足L==308.7mm，圓整為L=310mm。兩輪之間通過傳動齒輪的固定支架相連，定軸輪系采用五個參數(shù)相同的圓柱齒輪進(jìn)行傳動，可降低生產(chǎn)成本簡化結(jié)構(gòu)。如圖2.2所示，大圓為車輪小圓為定軸輪系。相鄰兩齒輪的中心距a=310/4=77.5mm。初步設(shè)定整個輪椅質(zhì)量為40KG，承載的人的質(zhì)量為80KG，平坦路面行駛速度為V1=1.5~2m/s，爬30°坡時的速度為V2=0.5M/s，上下樓梯是翻轉(zhuǎn)速度為n=0.5~0.75r/s。
圖2.2
3.電機(jī)的選取
3.1行走機(jī)構(gòu)
水平路面受力分析：假設(shè)輪椅和人的質(zhì)量分別為50kg和80kg，經(jīng)受力分析如圖
N1=N2=G/4， F1=μN1，F(xiàn)2=μN2，μ為滾動摩擦，查手冊μ=0.05.
可得平地行走時功率P1=μGV=0.05×（50+80）×10×2=130W。
爬30°坡受力分析：受力分析如圖
所需的總功率為P2=GVsin30°=（50+80）×10×0.5×sin30°=325W。
根據(jù)行走機(jī)構(gòu)平面和爬坡分析結(jié)果，同時考慮行星輪減速器和軸承等的傳動效率，選取兩個250W的直流電動機(jī)。爬坡時所需功率較大，爬坡時移動速度為0.5m/s，則車輪轉(zhuǎn)速為：
r/min
中心軸傳動轉(zhuǎn)矩T=
初步設(shè)定末級圓錐齒輪傳動比為2，查閱樣本初選行星輪減速箱減速比為74：1，算得所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩為M==0.307N·m。
查詢電動機(jī)，可見瑞士maxon EC系列的無刷直流電動機(jī)性價比高，根據(jù)網(wǎng)站篩選選擇型號為EC 45，250W的電動機(jī)，產(chǎn)品編號為136207。通過網(wǎng)站的配套篩選功能，選取配套的行星輪減速箱，型號為GP 42，直徑42mm，減速比74:1，產(chǎn)品編號為203123。
3.2翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
行星輪系需要不斷翻轉(zhuǎn)來爬樓，所以輪椅和輪系只能通過軸承連接，這樣就造成輪椅的重心不穩(wěn)，容易向前或向后翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)爬樓的過程就是將重心不斷向上向前移動的過程，所以保持重心位置的確定十分關(guān)鍵，既不能在輪椅運行的時候失去平衡，也不能給電機(jī)帶來太大的負(fù)擔(dān)，通過綜合考慮最終將輪椅車和人整體的重心置于距離后輪軸心185mm處。爬樓梯時，乘坐的人需要靠到后背上，經(jīng)計算，爬樓所需克服的阻力矩為M=（50+80）×10×0.185=240.5Nm，當(dāng)爬樓時回轉(zhuǎn)速度，求得爬樓所需功率P2=M·=180.4W。
爬樓時每側(cè)的功率P=180.4/2=90.2W，轉(zhuǎn)矩：
T=
初步取末級圓柱齒輪傳動比為2，行星輪減速器的減速比為186：1，則所需電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大約為
M=Nm
與行走機(jī)構(gòu)類似，選取瑞士maxon無刷直流電動機(jī)，型號為EC 45，250W，編號136207.選用配套的行星輪減速箱，型號為GP 52 C，產(chǎn)品編號為223099，減速比為186：1。
4.傳動機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計
定軸輪系齒輪選擇斜齒圓柱齒輪，后面兩輪的前后中心距是L=310mm，各齒輪大小相同，則每兩個小齒輪的中心距a=310/4=77.5mm。由計算，可初步選用齒數(shù)Z=15，m=5，β=15°，分度圓直徑d1=77.65mm，取齒寬系數(shù)=0.4，則尺寬b=30mm。末端直齒圓錐齒輪，選取Z1=20，Z2=40，m1=1.5。
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的末級直齒圓錐齒輪，取Z1=14，Z2=28，m2=1.5。
5 小結(jié)
大體的結(jié)構(gòu)圖如下，具體裝備圖及齒輪和軸的校核將寫到最后的說明書中。
參考文獻(xiàn)：
《機(jī)械設(shè)計手冊第五版》 成大先主編
《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》哈爾濱工業(yè)大學(xué) 宋寶玉主編
《兩輪式爬樓梯電動輪椅車》 http://www.doc88.com/p-988347161346.html
《基于行星輪系的爬樓梯輪椅的研究》http://www.docin.com/p-144122687.html
《機(jī)械行星式無級變速器設(shè)計》 http://max.book118.com/html/2013/0223/3374983.shtm
《電動輪椅》沐風(fēng)網(wǎng)
《一種雙聯(lián)行星輪機(jī)構(gòu)電動爬樓梯輪椅的設(shè)計[J]》 蘇和平，王人成
《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，電動輪椅車 GB12996-91》 國家技術(shù)監(jiān)督局
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河北工業(yè)大學(xué)201x屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書
河北工業(yè)大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計說明書
作 者： 學(xué) 號：
系： 機(jī)械工程
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
題 目： 輪組式爬樓梯輪椅機(jī)器人傳動系統(tǒng)設(shè)計
指導(dǎo)者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
201x 年 6 月 7 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要
輪組式爬樓輪椅機(jī)器人傳動系統(tǒng)設(shè)計
摘要：
這次設(shè)計的目的是通過設(shè)計出一種能夠在普通小區(qū)，公共場合爬樓梯的輔助機(jī)構(gòu)，以便為最終設(shè)計一種價格公道，性能先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)實用的爬樓梯機(jī)器人輪椅做好功課。我們首先對國內(nèi)外助殘輪椅市場的現(xiàn)狀做了簡單的總結(jié)，最終結(jié)果顯示現(xiàn)如今市面上的助殘輪椅大部分價格昂貴，一般消費者不能承受。進(jìn)而對比國內(nèi)外的各種爬樓梯輪椅，取其優(yōu)點，綜合考慮，確立設(shè)計思想。
本文采用行星輪機(jī)構(gòu)，在平地行走時通過4個輪轂電機(jī)帶動4個后輪前進(jìn)，具有四輪驅(qū)動動力足的特點。通過控制兩側(cè)4個輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速使左右兩側(cè)的作速不同可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎操作。爬樓時通過一對電機(jī)驅(qū)動行星輪轉(zhuǎn)動，并保持后側(cè)2個輪的輪轂電機(jī)抱死，從而行星架轉(zhuǎn)動帶動車輪交替著地實現(xiàn)爬樓。
整個輪椅的外形與市面上一般的電動輪椅類似，平衡系統(tǒng)可以在電氣控制時運用陀螺儀等，這里只做機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，就不再介紹了。
關(guān)鍵詞： 爬樓梯 機(jī)械 輪椅 機(jī)器人 設(shè)計
河北工業(yè)大學(xué)201x屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書
畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要
Title Wheel Type Stair Climbing Robot Transmission Design
Abstract
The purpose of this design is to make an auxiliary mechanism, and can be used in the general community, public climb stairs and then make a basis for designing a stair climbing wheelchair robot, which is economical and practical and with a reasonable price, advanced performance. At first we made a simple summary to the current assistive wheelchair market situation at home and abroad, the final result shows that most assistive wheelchairs on market are expensive, the general consumers can't afford. And then contrast the various kinds of stair climbing wheelchair at home and abroad, take its advantage and consider it comprehensively, then established this design thought.
This paper adopts planetary gear, walking on the ground by four wheel motor drive the rear wheel to go forward, it has the characteristics of the four wheel drive power. On both sides of the four wheel hub motor controlling through the speed of left and right sides of the ZuoSu can implement different turning operation. Climb building with planetary wheel rotation, a motor driver and keep back 2 wheel hub motor lock, thereby planet carrier rotation driven wheel alternate landing on the stairs.
The appearance of the wheelchair likes general electric wheelchair on the market, its balanced system can apply in the electric control gyroscope, etc., here we only do mechanical structure design, and don’t make introduce.
Keywords： climb machine wheelchair robot design
目 次
1. 緒論 - 3 -
1．1 引言 - 3 -
1．2 爬樓梯輪椅機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 - 4 -
1.2.1 履帶式爬樓輪椅 - 4 -
1.2.2 步進(jìn)支撐式爬樓輪椅 - 5 -
1.2.3 行星輪式爬樓輪椅 - 6 -
1.3 產(chǎn)品用途及適用范圍 - 8 -
1.4 本課題主要研究內(nèi)容 - 8 -
2. 總體方案的確定 - 9 -
2. 1總體布局的確定 - 9 -
2. 2 驅(qū)動方式的選擇 - 10 -
2. 3 其他可行方案 - 10 -
3. 總裝圖的確定 - 12 -
3. 1 傳動方案的確定 - 12 -
3. 2傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計 - 12 -
3.2.1傳動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)組成 - 12 -
3.2.2傳動系統(tǒng)工作原理 - 12 -
3. 3主要技術(shù)參數(shù)的確定 - 14 -
3.3.1 車輪大小及相關(guān)參數(shù)的確定 - 14 -
3.3.2 電動機(jī)的選取 - 15 -
3.3.3 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計 - 18 -
部件裝配圖的確定 - 19 -
4.1 定軸輪系的選用與校核 - 19 -
4.1.1材料的選取 - 19 -
4.1.2 確定許用彎曲應(yīng)力 - 19 -
4.1.3 確定載荷系數(shù) - 20 -
4.1.4 重合度的計算 - 20 -
4.1.5齒根抗彎疲勞強度校核 - 20 -
4.2中心軸強度計算 - 21 -
4.2.1中心軸的尺寸設(shè)計及校核 - 21 -
結(jié)論 - 23 -
參考文獻(xiàn) - 24 -
致謝 - 25 -
1. 緒論
1．1 引言
如今我們國家已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會，老年人有將近2億人，而且殘疾人也已經(jīng)超過了八千萬， 全國老齡化工作委員辦公室常務(wù)副主任李本公透露，我國到2044年左右老齡化人口將突破4億。這些老齡化的人口在中國改革開放中為我們國家付出了自己的力量，現(xiàn)在他們在社會上處于劣勢地位，這個時候真是我們?nèi)鐣P(guān)注他們的時候，而且還有一些因工作傷殘的和先天殘疾的人很需要一款適合各種場合的輪椅，方便他們的日常出行?，F(xiàn)在輪椅就是一款很重要的交通工具，它不但可以幫助他們?nèi)粘Ｐ凶撸€可以有效的鍛煉身體，并及時的幫助他們最大程度的恢復(fù)健康，奉獻(xiàn)社會的愛心。普通輪椅大部分都是由輪椅椅架、車輪、制動裝置及座椅這四部分構(gòu)成?，F(xiàn)在我國比較主流的電動輪椅是在傳統(tǒng)普通輪椅的基礎(chǔ)上，加上動力驅(qū)動部分、智能控制部分、移動電源等部件，升級形成的，更高級別的輪椅具有人機(jī)互動功能，方便的實現(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、站立、平躺、等多種功能的新一代智能化輪椅。輪椅是傷殘人的代步工具，但由于傳統(tǒng)的輪椅缺少動力源，對老年人及殘疾人帶來很大的代步障礙，因此研究與設(shè)計一種自帶動力源的爬樓梯輪椅就成顯得尤為緊迫。本課題對輪組式輪椅爬樓梯輪椅機(jī)器人機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與計算，通過該傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計能實現(xiàn)輪椅的翻轉(zhuǎn)運動，從而控制爬樓輪椅實現(xiàn)爬樓梯的動作及運動要求，并可以自由的轉(zhuǎn)彎。
目前我國雖然城鎮(zhèn)化水平正在逐步提高，但是由于各種因素的影響，很多人居住的仍然是普通的樓房，然而在我國低于6層的普通樓房一般都是不會安裝電梯，更沒有無障礙通道了，這就使得老弱病殘的人們的出行極為不便。而在各種公共場所中，雖然無障礙通道的設(shè)施越來越多，但仍然存在很多問題，尤其是遇到階梯時，往往感到相當(dāng)無奈。
普通輪椅雖然解決了很多老人和傷殘人們的出行問題，但是日過沒有動力提供裝置就會讓使用者很不方便，必須得有親人朋友在身邊，當(dāng)有臺階時，需要他們抬上去，因此，我們對于可以上下樓梯的輪椅的研究十分重要，不僅可以幫助了有需求的人出行問題，還能減小給家人帶來的負(fù)擔(dān)。
1．2 爬樓梯輪椅機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
對于爬樓梯輪椅機(jī)器人的研究，在國外的起步比較早，國內(nèi)如今也開始研究，并有一些產(chǎn)品，通過查閱資料，目前的爬樓輪椅按照其傳動方式可分為：履帶式、步進(jìn)支撐式和星輪式三種。
1.2.1 履帶式爬樓輪椅
對于履帶輪機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用在市場上已經(jīng)比較成功了，比如在戰(zhàn)場和特殊場合的防暴機(jī)器人、發(fā)生重大公共突發(fā)事件時的搶險機(jī)器人，還有發(fā)射升空的探月機(jī)器人上都使用過履帶輪，并且履帶式在爬樓梯輪椅中應(yīng)用也比較廣泛。履帶式機(jī)構(gòu)的優(yōu)點很多，履帶很寬，可以與地面有較大的接觸面積，所以不容易陷入地面，能在不好的地面上行走，適應(yīng)能力強，尤其是在攀爬和翻越溝洼的能力比輪式的優(yōu)越，而且履帶的摩擦力大，不容易空轉(zhuǎn)打滑。
另一方面，履帶式也有自身不可忽略的不足。第一履帶既然運行平穩(wěn)，不打滑，肯定就會增大自身的體積，占地面積相應(yīng)增大，在居民樓使用就很不方便；第二，履帶式輪椅在爬樓時很穩(wěn)定，但輪椅大部分時間不是爬樓，它們在平地行走的時間更多，這樣，就沒有輪組式的好了，運動緩慢，效率低；第三，履帶式輪椅對樓梯有較大的損害；最后，履帶式的輪椅不能在平地上自由的轉(zhuǎn)彎。
下面列舉法國的Top Chair公司的履帶式輪椅，它是比較有名的，Top Chair的輪椅采用了履帶和輪組混合的方式，在平地運動時使用輪組，上下樓梯時則轉(zhuǎn)換為履帶，但它的價格較高并未普及到普通家庭。如圖1.1所示。
圖 1.1履帶式爬樓輪椅
1.2.2 步進(jìn)支撐式爬樓輪椅
查閱支撐式輪椅發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)式爬樓輪椅在其他國家的起點較早，差不多有100多年的歷史，后又經(jīng)過后人們不斷的完善和改進(jìn)，這種爬樓輪椅機(jī)器人通過仿生學(xué)原理，模仿人的動作爬樓，它使用兩套支撐桿支撐，當(dāng)一套支撐桿著地時，另一套支撐桿上樓梯或下樓，如此交替爬樓。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點就是有靈活的運動機(jī)構(gòu)，可以像人一樣靈活的運動，不過，它的地形適應(yīng)能力在所有輪椅中算是最弱的了，不能在崎嶇的地形中快速行走，同時它的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對應(yīng)的價格就比較高，不適合大眾需求。此類產(chǎn)品的代表有日本Tmsuk公司和早稻田大學(xué)的高西惇夫教授共同開發(fā)的雙足行走機(jī)器人，代號為“WL-16R”，可以在高1.28米的輪椅機(jī)器人上部固定人坐的椅子，而且座椅旁邊有各種控制輪椅行走的控制桿。雖然WL-16R改進(jìn)了許多，但是仍然沒有解決機(jī)構(gòu)復(fù)雜、適應(yīng)能力差、承載能力低的劣勢，所以不容易在市場普及。如圖1.2所示。
圖 1.2輪腿式
1.2.3 行星輪式爬樓輪椅
輪式結(jié)構(gòu)在我們?nèi)粘Ｉ钪邢喈?dāng)普遍，尤其是陸路交通運輸中，在國外的爬樓輪椅機(jī)器人研究中應(yīng)用更廣泛。在輪椅中，普通輪椅及一般的電動輪椅也基本上是采用輪式結(jié)構(gòu)，它的體積小，承載能力強，重量輕，價格便宜，方便控制，能夠很快實現(xiàn)快速的移動，拐彎方便。普通的輪椅用的都是很簡單的圓形車輪，在平地上很容易走，但是路況不好的時候就會“拋錨”，不能適應(yīng)差的路況。而且普通輪椅的車輪直徑較大，爬樓時著力點不在樓梯臺階上就很危險，欽此目前通用的爬樓輪椅機(jī)器人基本應(yīng)用“十字形”的或“Y字型”的行星輪組，這樣就可以減小車輪尺寸，同時也可以是小輪繞著主軸轉(zhuǎn)動交替支撐從而實現(xiàn)爬樓的功能，如圖1.3所示。
圖 1.3輪組式
其中用這種方法并獲得成功的就是美國強生旗下的Independence Technology研發(fā)的的iBOT系列輪椅。iBOT是一種很不一樣的電動的輪椅，它有很多其他輪椅沒有的能力。iBOT中使用了陀螺儀，整個車身能保持良好的平衡，使人一直處于水平位置，提高了使用者的舒適感。而且它還可以在路面不平時只讓后面的兩個輪著地，從而實現(xiàn)了金雞獨立的功能，在陀螺儀的作用下保持著平衡。iBOT輪椅總共有六個車輪，輪椅的前面有一對為直徑10cm的實心萬向輪，可以向任意方向行走，輪椅后面有兩對四個直徑30cm的充氣的車輪。
iBOT運動方式有3種，一種是正常的平地行走方式，6個車輪同時著地，也可以中間一組車輪離地，只讓前后兩邊的車輪著地；一般路況好的情況下中間車輪可以不著地，當(dāng)路況不好時就要6輪著地，四驅(qū)動力足，攀越能力好。第二種運動方式是直立方式，此時前輪和中間的輪都離地，只讓最后一對車輪著地，輪椅可以在這種姿勢下前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)彎。最后一種就是爬樓梯，前面的實心小輪離地，后面兩組車輪交替爬樓。
iBOT和其他電動輪椅相同的地方是它也需要電源，在輪椅的中間可以放電池，由電池提供輪椅行走所用的動力，行走時在平坦的輪上比較省電，在崎嶇的路面四驅(qū)時費電，總體比較方便，適合在公共場合使用，但是價格也是比較貴，具體輪椅如圖1.4所示。
圖 1.4ibot
1.3 產(chǎn)品用途及適用范圍
本次設(shè)計的題目是輪組式爬樓機(jī)器人，主要用于幫助老弱病殘的人等日常行動有不變的人群可以獨立運動，在不需要他人協(xié)助的情況下能獨自一人的出行，上下樓，翻越溝壑等。它的功能很全，不只做殘疾人和其他行動不方便的人的行走工具，同時也有其它的一些功能。本產(chǎn)品仿造ibot，但和他還是有區(qū)別的。
1.4 本課題主要研究內(nèi)容
本課題對輪組式輪椅爬樓梯機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與計算，通過控制輪椅翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)爬樓梯的動作。依據(jù)所學(xué)的機(jī)械知識，在原有的電動輪椅基礎(chǔ)上自主設(shè)計一種新的電動輪組式輪椅機(jī)器人機(jī)構(gòu)，并且要根據(jù)機(jī)械原理知識、計算機(jī)繪圖知識對設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行理論分析及計算，能夠?qū)ΜF(xiàn)有技術(shù)提出改進(jìn)性意見，且具有可操作性。
1. 閱讀老師提供的文獻(xiàn)資料，對有關(guān)爬樓梯輪椅文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，并提出研究思路。
2. 利用UG等三維造型軟件進(jìn)行零件圖設(shè)計計算，并完成裝配圖造型設(shè)計及運動仿真功能。
3. 利用AUTOCAD軟件繪制2D裝配圖（零號圖）1.5 張及零件圖不少于3張
2. 總體方案的確定
2. 1總體布局的確定
本設(shè)計要求為輪組式，所以采用美國iBOT的兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構(gòu)，主要由以下四部分組成：車身、執(zhí)行電機(jī)、傳動結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)。車身包括座椅和支撐座椅的框架，傳動結(jié)構(gòu)主要由齒輪組成。輪椅車底部安裝兩組車輪，前后各一組，前輪為萬向輪體積較小作為輔助支撐和控制方向使用，后邊則是四個爬樓主動輪，以行星輪的方式連接，即可以繞主軸公轉(zhuǎn)，也可以獨自旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)的驅(qū)動完成爬樓的目的。裝置在平地?zé)o障礙情況下運動與普通的電動輪椅類似，通過調(diào)節(jié)輪轂電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作。爬樓梯時通過后輪四個主動輪翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)。同時前輪離開地面，由四個爬樓輪支撐著地，以上樓為例，在電機(jī)驅(qū)動的作用下，隨著中軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，兩對輪交替進(jìn)行翻爬樓梯。
后輪的四個驅(qū)動輪為了保持滿足要求的中心距，采用五個相同參數(shù)的齒輪進(jìn)行傳動，通過傳動齒輪的固定支架連接。這樣就能保證兩個車輪的轉(zhuǎn)動效果相同，兩個車輪均可單獨作為驅(qū)動輪使用，在一般陸地上選擇只用后排車輪著地，即單獨后輪驅(qū)動，可以減少轉(zhuǎn)彎半徑，在崎嶇的道路上運行時，選擇后輪四個輪子同時驅(qū)動可以增強輪椅的驅(qū)動性能，以及對地面的適應(yīng)能力。如2.1圖所示：
圖 2.1車輪布置
平地行走時由四個輪轂電機(jī)帶動輪椅運動，輪轂電機(jī)的速度控制小車的速度以及轉(zhuǎn)向。翻轉(zhuǎn)時采用減速箱中的一對電機(jī)，帶動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運動，同時由輪轂電機(jī)控制其中一對車輪抱死，就可以實現(xiàn)輪椅的上下樓梯的翻轉(zhuǎn)運動。由于翻轉(zhuǎn)時輪轂電機(jī)抱死，防止上下樓的過程中因為車輪的松動而發(fā)生事故。還可以通過調(diào)整后排兩個后輪的不同姿態(tài)在上下坡的時候調(diào)整重心，從而保證輪椅行駛的穩(wěn)定性。傳動結(jié)構(gòu)圖如2.2所示：
翻轉(zhuǎn)電機(jī)
輪轂電機(jī)
輪轂電機(jī)
輪轂電機(jī)
輪轂電機(jī)
圖2.2翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
2. 2 驅(qū)動方式的選擇
本文的翻轉(zhuǎn)驅(qū)動方式為直流電動機(jī)通過與其配套的減速器，加上末端圓柱斜齒輪的減速輸出到傳動軸。為了節(jié)約成本和空間，減小質(zhì)量，本課題設(shè)計的電動輪椅采用MAXON公司的電動機(jī)及配套的減速器，MAXON是一家全球范圍內(nèi)高精密電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)品供應(yīng)商，其產(chǎn)品體積小適應(yīng)性強，效率高，噪音小，種類齊全替換方便，而且質(zhì)量有保證，十分適合用在電動輪椅這一領(lǐng)域。電動機(jī)通過減速器，以及末端圓柱斜齒輪的減速輸出到傳動軸；平地正常行走采用輪轂電機(jī)驅(qū)動。
2. 3 其他可行方案
我們在最終確定使用本方案之前，通過在網(wǎng)絡(luò)及圖書館查閱相關(guān)資料，提出過幾個其他的設(shè)想。如圖2.3所示：
圖2.3輪組式輪椅
這個方案采用的是讓前輪作為驅(qū)動輪，在前輪的兩側(cè)各有一個電機(jī)控制，通過改變兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速獲得不同的速度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，電機(jī)轉(zhuǎn)速相同的情況下小車走直線，后輪的翻轉(zhuǎn)運動通過后輪的翻轉(zhuǎn)電機(jī)控制。這個方案的優(yōu)點是，取消了前輪的萬向輪，用驅(qū)動輪代替，增加了輪椅車的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)彎安全快速，同時減少了電機(jī)的使用，比較省電。但是由于該機(jī)構(gòu)的左右的后輪是相連的，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎不方便，而且車輪直徑較大不適合普通住宅室內(nèi)的使用。
如圖2.4所示：
圖 2.4 三輪組式輪椅
此方案采用前后兩套Y型行星輪，前輪由一個電機(jī)控制左右方向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，后輪為主動輪實現(xiàn)行走。此方案的優(yōu)點一目了然，結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較輕、便于維護(hù)。缺點也顯而易見，由于結(jié)構(gòu)簡單導(dǎo)致承重能力差，電機(jī)驅(qū)動力不足會使爬樓梯比較費勁，反轉(zhuǎn)過程中小輪的自轉(zhuǎn)如果沒有鎖死容易發(fā)生危險。
對以上各類方案的優(yōu)缺點進(jìn)行比較權(quán)衡，而最終選擇了如今的方案。
3. 總裝圖的確定
3. 1 傳動方案的確定
本設(shè)計的傳動全部采用齒輪傳動，平地行走時采用輪轂電機(jī)帶動，四個后輪上都有輪轂電機(jī)，帶動輪椅轉(zhuǎn)動，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)平地的運動。而爬樓時的翻轉(zhuǎn)運動，則是通過一對直流電機(jī)與齒輪箱減速器相連，通過末端圓柱齒輪的再次減速，傳動到控制翻轉(zhuǎn)用的中軸，中軸與齒輪相連，然后后面輪轂電機(jī)抱死，使最后面的齒輪不轉(zhuǎn)，齒輪繞著中軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動兩個車輪交替翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)爬樓運動。
3. 2傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計
3.2.1傳動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)組成
輪組式爬樓梯輪椅主要由三部分組成，平地行走機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)爬樓機(jī)構(gòu)，以及控制座椅位姿的四桿機(jī)構(gòu)。
3.2.2傳動系統(tǒng)工作原理
平地上行走時采用目前比較流行的輪轂電機(jī)，在輪椅的后4個輪上選用兩組輪轂電機(jī)，控制小車的行走，轉(zhuǎn)彎，加速等。如圖3.1所示。
圖3.1兩輪組式輪椅
翻轉(zhuǎn)爬樓機(jī)構(gòu)的工作原理：翻轉(zhuǎn)爬樓機(jī)構(gòu)是由減速箱中的兩個電機(jī)帶動齒輪，當(dāng)電磁離合器閉合時，傳動到翻轉(zhuǎn)輪系上，翻轉(zhuǎn)輪系的5個齒輪就開始旋轉(zhuǎn)，此時，輪轂電機(jī)鎖定一對輪，就可以實現(xiàn)輪椅的爬樓動作了。如圖3.2所示。
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
電機(jī)
電磁離合器
圖3.2翻轉(zhuǎn)爬樓
翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由五個相同大小的齒輪組成，其機(jī)構(gòu)如下圖3.3所示.
圖3.3翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
四桿機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相似，都是通過控制電磁離合器來達(dá)到控制軸的運動，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，控制四桿機(jī)構(gòu)擺動，實現(xiàn)了座椅位姿的調(diào)節(jié)。如圖3.4。
圖3.4座椅位姿調(diào)整
3. 3主要技術(shù)參數(shù)的確定
3.3.1 車輪大小及相關(guān)參數(shù)的確定
根據(jù)GB 12996國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電動輪椅車在正常行駛事的速度應(yīng)小于18km/h，爬坡角度大于6°，最小回轉(zhuǎn)半徑為2m。
根據(jù)《住宅設(shè)計規(guī)范》所示，樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于1．10m，不超過六層的住宅，一邊設(shè)有欄桿的梯段凈寬不應(yīng)小于1．00m；樓梯踏步寬度不應(yīng)小于0．28m，踏步高度不應(yīng)大于0．175m。扶手高度不應(yīng)小于0．90m。樓梯水平段欄桿長度大于0．50m時，其扶手高度不應(yīng)小于1．05m。樓梯欄桿垂直桿件間凈空不應(yīng)大于0．11m；樓梯平臺凈寬不應(yīng)小于樓梯梯段凈寬，且不得小于1．20m。樓梯平臺的結(jié)構(gòu)下緣至人行通道的垂直高度不應(yīng)低于2．00m。入口處地坪與室外地面應(yīng)有高差，并不應(yīng)小于0．10m。為了使輪椅車的適用性更廣，需要在最小踏步寬度的情況下進(jìn)行爬樓操作，并借鑒國內(nèi)其他電動輪椅的車徑，因此在此取后輪直徑為280mm。
為了實現(xiàn)可以連續(xù)上下樓梯，后輪兩排車輪的中心距需要滿足一定的要求，在此選擇踏步寬度為280mm，高度為130mm的臺階為基準(zhǔn)設(shè)計車輪的中心距。如圖3.1所示，為了滿足支撐點的要求，兩車輪的中心距L==308.7mm，圓整為L=310mm。
圖3.5車輪尺寸
已知兩個車輪的中心距，連接兩個車輪的五個參數(shù)相同的傳動齒輪的中心距由此可以確定。即a=310/4=77.5mm。初步設(shè)定整個輪椅質(zhì)量為40KG，承載的人的質(zhì)量為80KG，在一般路面行駛速度為V1=1.5~2m/s，爬30°坡時的速度為V2=0.5M/s，上下樓梯是翻轉(zhuǎn)速度為n=0.5~0.75r/s。
3.3.2 電動機(jī)的選取
1.行走機(jī)構(gòu)
假設(shè)輪椅和人的質(zhì)量分別為40kg和80kg，輪椅在水平路面行走的最大速度為2m/s，受力分析如圖3.2所示。
圖3.6平地行走
由于后輪為四個輪子所以N1=N2=G/4，查閱手冊可得輪子與地面的滾動摩擦系數(shù)為μ=0.05，摩擦力F1=F2=μG/4，于是可得在水平路面上行走需要的總功率為P1=μGv=120W，輪椅最大爬坡角度設(shè)置為30°，爬坡時的速度為0.5m/s，受力分析如圖3.3所示：
圖3.7爬斜坡
求出爬坡時最大功率P2=Gvsin30°=300W
根據(jù)行走機(jī)構(gòu)以上分析結(jié)果，考慮到各個結(jié)構(gòu)的傳動效率，選取兩個250W的直流電動機(jī)。已知假設(shè)爬坡時的移動速度為0.5m/s，則車輪轉(zhuǎn)速為：
r/min
2.翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
行星輪系需要不斷翻轉(zhuǎn)來爬樓，所以輪椅和輪系只能通過軸承連接，這樣就造成輪椅的重心不穩(wěn)，容易向前或向后翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)爬樓的過程就是將重心不斷向上向前移動的過程，所以保持重心位置的確定十分關(guān)鍵，既不能在輪椅運行的時候失去平衡，也不能給電機(jī)帶來太大的負(fù)擔(dān)，通過綜合考慮最終將輪椅車和人整體的重心置于距離后輪軸心185mm處。爬樓梯時，乘坐的人需要靠到后背上，經(jīng)計算，爬樓所需克服的阻力矩為M=（50+80）×10×0.185=240.5Nm，當(dāng)爬樓時回轉(zhuǎn)速度，求得爬樓所需功率P2=M·=180.4W。
爬樓時每側(cè)的功率P=180.4/2=90.2W，轉(zhuǎn)矩：
T=
初步取末級圓柱齒輪傳動比為2，行星輪減速器的減速比為186：1，則所需電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大約為
M=Nm
選取瑞士maxon無刷直流電動機(jī)，型號為EC 45，250W，編號136207.選用配套的行星輪減速箱，型號為GP 52 C，產(chǎn)品編號為223099，減速比為186：1。
電動機(jī)的參數(shù)如圖3.6：
圖3.8 EC電機(jī)
3.3.3 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計
1.定軸輪系齒輪設(shè)計
定軸輪系齒輪選用斜齒圓柱齒輪，后輪的前后兩輪中心距為L=310mm，每個齒輪大小相同，每兩個小齒輪之間的中心距a=310/4=77.5mm。初步選取齒數(shù)Z=15，m=5，則螺旋角β=15°，分度圓直徑d1=mz/cosβ=77.65mm，取齒寬系數(shù)=0.4，則尺寬b=30mm。
2末端齒輪的計算
由于需要考慮到電機(jī)的布置空間，行走機(jī)構(gòu)末端齒輪取小齒輪齒數(shù)為18，大齒輪齒數(shù)為36，模數(shù)m1=2，螺旋角12°，的分度圓直徑d1=2×18/cos12°=36.8mm，d2=73.6mm，中心距a==55.2圓整為55mm。取大齒輪尺寬為20mm小齒輪為23mm翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的末級齒輪，取Z1=10，Z2=20，m2=2.5，螺旋角β=12°。同理求出分度圓直徑d1=25.6mm，d2=48.9mm，中心距a=38.3mm，圓整為38mm。取大齒輪尺寬30mm小齒輪尺寬33mm。
部件裝配圖的確定
4.1 定軸輪系的選用與校核
4.1.1材料的選取
定軸輪系的軸線都是相互平行的，所以齒輪選用圓柱齒輪，而由于斜齒具有平穩(wěn)性好，承載能力大，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，所以本次設(shè)計選用的齒輪都為斜齒圓柱齒輪。
同時為了使輪椅的重量降低，縮小維護(hù)成本，定軸輪系的5個齒輪選用PA46作為材料。
PA46全稱為聚己二酰丁二胺，是一種具有高熔點和高結(jié)晶度的新型聚酰胺樹脂，具有70%的結(jié)晶度，而且結(jié)晶速度快，熔點可達(dá)到295℃，長期使用溫度也可達(dá)到163℃。相比于其他工程塑料如PA6、PPA、聚酯等在耐熱高溫下的機(jī)械強度、耐磨等方便優(yōu)勢明顯。并且加工容易。PA46材料在玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上的高溫下經(jīng)過退火處理后，其硬度和強度性能可以提高50%，而且退火后可以降低材料的吸水量。工程塑料在許多方面已經(jīng)代替金屬用于齒輪制造，與金屬齒輪相比，對潤滑的要求低，質(zhì)量輕，制造速度更快。
由于輪椅車本身空間有限，重量也是決定性能的一大重要因素，而且作為家庭使用的一種工具，便于維護(hù)也是需要重點考慮的因素。而因為電動輪椅車的運行速度并不高，產(chǎn)生的熱也相對較少，PA46材料足以完成重任并且取消潤滑。
4.1.2 確定許用彎曲應(yīng)力
（1） 總工作時間
假設(shè)輪椅車的使用壽命為5年。每天工作10小時，一年工作300天，在整個使用期限中，預(yù)計行走時間占60%。則得出總工作時間：
=(5×10×300)×60%=9000h
（2） 壽命系數(shù)
應(yīng)力循環(huán)系數(shù)==3.68×
查表圖可取壽命系數(shù)=1。
（3） 查閱相關(guān)資料得到PA46的彎曲疲勞極限=90Mpa
（4） 取安全因數(shù)S=1.25
（5） 應(yīng)力校正系數(shù)=1.52
（6） 計算許用彎曲應(yīng)力==109.44Mpa
4.1.3 確定載荷系數(shù)
（1） 使用系數(shù)=1.1
（2） 動載系數(shù)=1.05
（3） 齒向載荷分布系數(shù) =1.13
（4） 齒間載荷分配系數(shù)
由 =2T/d=1081.8N 可得 =39.7<100
查表取=1.74
（5） 計算載荷系數(shù)
==2.27
4.1.4 重合度的計算
（1） 端面重合度
=1.4
（2） 縱向重合度
=0.318=0.51
（3） 總重合度
=+=1.91
4.1.5齒根抗彎疲勞強度校核
（1） 齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)
當(dāng)量齒數(shù)==16.64 圓整為17
查表得=2.9 =1.52
（2） 重合度系數(shù)
端面壓力角==20.65°
基圓螺旋角==14.08°
由此可得當(dāng)量齒輪端面重合度==1.488
于是得到重合度系數(shù)=0.25+0.75/=0.754
（4） 螺旋角系數(shù)=0.91
由此算出齒根彎曲應(yīng)力==45.6<[]
得出結(jié)論：齒根抗彎疲勞強度滿足要求。
4.2中心軸強度計算
4.2.1中心軸的尺寸設(shè)計及校核
估算軸的最小直徑
由表15-3查A0等于120，
d=19.5 mm，
因為有一個鍵槽，所以軸徑擴(kuò)大5%，，所以取d最小為20mm。
校核：
（1） 按扭轉(zhuǎn)強度校核軸桿
軸桿的扭轉(zhuǎn)強度條件為：
式中：------扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
T------軸桿所受的扭矩
WT------軸桿的抗扭截面系數(shù)
n------軸桿的轉(zhuǎn)速
P------電動機(jī)送遞的功率
d------計算截面處的直徑
tT=19.1
所以
d>=
所以最小直徑d=20符合要求。
結(jié)論
大學(xué)四年終于畢業(yè)了，這是我四年來第一次自己獨立完成一件作品，我知道這其中存在很多問題，仍有很多地方值得改進(jìn)，但我仍自我感覺很好了，這畢竟是我一個沒有任何經(jīng)驗的學(xué)生第一次做的畢設(shè)。從接到畢設(shè)題目，我就開始查閱各種資料，學(xué)習(xí)很多在課本中沒有學(xué)到的但在畢設(shè)中需要的知識。像電磁閥的原理，陀螺儀的原理，差速器的原理，ug的運動仿真等等，我設(shè)計的機(jī)械部分的機(jī)構(gòu)足以實現(xiàn)ibot的任何功能，如果再加上電氣部分的控制，就可以實現(xiàn)ibot的幾乎全部功能，在ug的仿真運動中我看到自己的不足，很難實現(xiàn)輪椅的爬樓梯功能，對step函數(shù)的理解不到位，今后還要更加認(rèn)真學(xué)習(xí)。
輪組輪椅在平地行走時，由在座椅下面的蓄電池提供動力，整個車的重心在距后輪185mm處，平地時前輪也能承受一定的力，也保持輪椅的穩(wěn)定。而翻轉(zhuǎn)爬樓梯時，由陀螺儀保持平衡，只是后輪著地翻轉(zhuǎn)，如果節(jié)約成本不適用陀螺儀，也可以讓一個人在后面做輔助保持平衡，并不需要很大的力氣。
這次設(shè)計的主要任務(wù)是完成機(jī)械部分的設(shè)計，能實現(xiàn)平地行走，金雞獨立，爬樓的功能就行，至于電氣控制本文沒有設(shè)計，具體的內(nèi)容需要到以后的設(shè)計中再改進(jìn)。
雖然至今我國還沒有完全統(tǒng)一的建筑樓梯指標(biāo)，但是設(shè)計此車時充分考慮次情況，使它基本可以適應(yīng)各種尺寸的樓梯，綜合考慮，體積小，價格低，運動效率高。所以我相信它將是一款很好的產(chǎn)品，必將得到市場的認(rèn)可。
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致謝
本論文的內(nèi)容是在指導(dǎo)老師曹東興教授的悉心指導(dǎo)下完成的，曹東興教授具有深厚的學(xué)術(shù)造詣、并且有科學(xué)的工作方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及毀人不倦的教師風(fēng)范給了我極大的幫助和影響，讓我學(xué)到了很多知識。在我此次做畢業(yè)設(shè)計的時間內(nèi)，曹東興教授和學(xué)校里的其他很多老師們都給了我極大的關(guān)懷和幫助，在此向曹東興教授以及其他幫助過我的老師們致以崇高敬意和真誠的感謝。
另一方面在我的設(shè)計進(jìn)程中，我身邊的舍友同學(xué)、學(xué)長和朋友們也給了我寶貴的建議和指導(dǎo)，在此由衷的感謝他們，希望他們的畢業(yè)設(shè)計也能取得良好的成果，未來的工作也能蒸蒸日上。同時還要感謝一直陪伴我鼓勵我的家人，有了你們對于我精神和生活上的支持，我才能順利的完成學(xué)業(yè)和課題。
最后，對所有的評閱老師、教授、專家學(xué)者們表示真摯的謝意。
201x年6 月 7 日
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