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目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 1
1.1 引言 1
1.2 比較國內(nèi)外輪椅發(fā)展情形 1
1.3 本畢設(shè)的研究方向 3
2 輪椅方案設(shè)計(jì)選擇 5
2.1 概述 5
2.2 方案設(shè)計(jì) 6
2.3 設(shè)計(jì)方案三 10
2.4 本章小結(jié) 12
3 關(guān)鍵零部件檢驗(yàn)跟校核 13
3.1 功率估算 13
3.2 分別計(jì)算齒輪1跟2的齒數(shù)及模數(shù) 14
3.3 后鏈輪的計(jì)算 16
3.4 計(jì)算各軸的強(qiáng)度 18
4 電動驅(qū)動輪椅的適應(yīng)條件 20
4.1 輪椅使用條件 20
4.2 電機(jī)的選用 20
5 爬樓梯輪椅機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 21
結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
附 錄 25
致 謝 31
12
助老助殘爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)
摘 要
發(fā)明樓梯在人類發(fā)展的歷史具有深遠(yuǎn)的影響。不僅減少建筑面積,還能完全使用有限的空間。然而給人們帶來些許生活上的不方便。伴隨著我們國家人口大國的老齡化加速,老年人口的數(shù)量日益增長。那些具有殘疾的老年人對殘疾人輪椅的要求也逐漸升高。所以,設(shè)計(jì)一個(gè)能夠適應(yīng)樓梯的輪椅勢在必行。
本論文主要是對爬樓梯輪椅進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)分析,主要包括國內(nèi)外爬樓梯輪椅的開發(fā)現(xiàn)狀和將來的發(fā)展情況略做介紹。利用社會調(diào)查和訪問一些殘疾家庭后設(shè)計(jì)出一種行星齒輪的爬樓梯輪椅。
本文建立了爬樓梯輪椅動力學(xué)三維建模，并安裝了兩個(gè)電動機(jī)，分別控制平地行走運(yùn)動和爬樓梯運(yùn)動，在此基礎(chǔ)上，還在輪椅上安裝了減速裝置、減震裝置以及轉(zhuǎn)彎裝置，增加了輪椅的穩(wěn)定性和安全性。
關(guān)鍵詞：行星輪；爬樓梯輪椅；三維建模；穩(wěn)定安全性
The wheelchair design helpage assistive walking up stairs
Abstract
Invention of stairs in the history of human development has a profound impact.Not only reduce the building area, it can fully use limited space.However, bring trifling life inconvenient.Along with our country's most populous country in the accelerated aging, the number of elderly population is growing.The requirements of people with disabilities to wheelchairs for the disabled elderly people also gradually rise.So, design a wheelchair can adapt to the stairs is imperative.
This thesis mainly is the study and design of stair climbing wheelchair analysis, mainly including the development status of stair climbing wheelchair at home and abroad and talk a little on the development of the future.Using social investigation and following a visit to some disabled family designed a planetary gear stair climbing wheelchair.
This article also elaborates a stair-climbing wheelchair through dynamic 3d module. Two electric motors which control the ground walking and stair climbing movement respectively are installed in the wheelchair. Based on this, also in a wheelchair to install the reduction gear, shock absorbing device, and turning device, increase the stability and security of the wheelchair.
Keywords:Planetarywheel;Stair-climbing wheelchair;hree-dimensional module;Stable security
1 緒 論
1.1引言
輪椅已經(jīng)作為重要的康復(fù)工具,不但是老年人跟肢體殘疾人康復(fù)工具,更加特別的是,他們利用輪椅來體育鍛煉跟進(jìn)行社會活動。它的出現(xiàn)不但是科學(xué)跟技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志,而且還是針對極多老年人跟殘疾人，給他們提供了方便及舒適，讓他們能更好的生活、工作，讓越多的人給社會奉獻(xiàn)了自己微薄之力。同時(shí)也啟迪人們對人生的探索，讓社會越發(fā)人性化，和諧化。但是卻出現(xiàn)了肢體上行動障礙和不方便等現(xiàn)象，大大的影響了他們與外界的溝通和交流，這個(gè)問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多顯得日益突出。
根據(jù)近幾年來世界經(jīng)濟(jì)和社會調(diào)查指出，世界的人口老齡化越來越嚴(yán)重，而且每一年的傷殘人士越來越多，隨著出生率的下降和生命的成長,在未來的幾年里,世界將面臨快速衰老過程,預(yù)計(jì)在2060年，將達(dá)到社會人口的30%，而且根據(jù)大量數(shù)據(jù)的殘疾人數(shù)調(diào)查結(jié)果表明，每年殘疾人數(shù)都在大量的增加。為了給他們提供更好的條件，不得不讓我們重新尋找解決問題的關(guān)鍵，那就是改造老人和殘疾人的活動環(huán)境。
由于流動性需求增加,普通輪椅很難適應(yīng)中國老人需要,因?yàn)樵谖覀儑业慕ㄔO(shè),在6層內(nèi)建筑多數(shù)沒有安裝電梯,人們使用輪椅不方便，最好建立另一個(gè)車道。為了設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)越的能夠解決障礙和上下樓梯不便的問題,幫助他們改進(jìn)行動自由度,以更好的狀態(tài)進(jìn)入社區(qū),并且考慮我國基本國情,設(shè)計(jì)規(guī)劃出一種經(jīng)濟(jì)方便,且靈活的在地上行走和爬樓梯之間可以相互轉(zhuǎn)換的裝置,具有很大的實(shí)用價(jià)值和意義。
1.2比較國內(nèi)外輪椅的發(fā)展情形
1.2.1國內(nèi)外的對照
在歐洲跟日本,輪椅可以步行上下樓梯,爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)水平相對而言比較成熟,產(chǎn)品質(zhì)量跟外觀是處于領(lǐng)先地位,在控制技術(shù)和電力傳動技術(shù)領(lǐng)先其他國家和地區(qū),它們的功能和良好的掌握產(chǎn)品的外觀的同時(shí),及其在人際關(guān)系中為其他國家提供了一個(gè)模型鑒賞。
根據(jù)市場上的調(diào)研,當(dāng)下國內(nèi)的爬樓梯輪椅擁有三個(gè)主要類別:履帶式輪椅、行走式輪椅和滾輪式輪椅。履帶式輪椅使用履帶進(jìn)行爬樓梯的原則,然而體積沉重,容易使樓梯損壞,不適用于家庭。行走式爬樓梯輪椅體積大，質(zhì)量重，對系統(tǒng)的控制技術(shù)要求比較高，而且運(yùn)動過程中不易控制，但是會比較平穩(wěn)，能適合不同的臺階大小。滾輪式爬樓梯設(shè)備具有容量小，擺動靈敏等特性，但是它的穩(wěn)定控制系統(tǒng)比較繁瑣且費(fèi)用較高。對于國內(nèi)的人來講，平凡家庭承受不起這樣昂貴的費(fèi)用。
外國很早就有了對輪椅的研究，美國的布雷最初是在1892年發(fā)明了爬樓梯輪椅。在這以后發(fā)達(dá)國家研究輪椅的程度逐漸成型，并有些許輪椅投入使用。我國投入的比較少，但是在市場方面也慢慢的涌出一些專利的產(chǎn)品。
目前國內(nèi)外發(fā)展較好的爬樓梯輪椅，按照其上下爬樓梯的功能設(shè)計(jì)原理，可以分為履帶式、輪組式和步行式。以下是針對已有的各類裝置進(jìn)行簡要的介紹，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)
（1）履帶式
上下爬樓梯的工作理念就好比裝有履帶的武裝運(yùn)輸士兵車和坦克,先進(jìn)的技術(shù)和簡單的原則。英國Baronmead公司設(shè)計(jì)的由電發(fā)動的輪椅,這款車最下面是履帶驅(qū)動,最大可以爬的角度是35度,自身是34公斤體重,最大負(fù)載130公斤,每分鐘上下樓梯的速度15到20步,充滿電后可滿足連續(xù)1000層上下樓梯。最大高度的階級不超過27厘米。這類輪椅可以隨意在地面上運(yùn)動,也可以裝拆分為兩部分,方便攜帶運(yùn)送。
比如法國公司設(shè)計(jì)的悍馬輪椅，最下面依靠四輪驅(qū)動在地面運(yùn)行，在樓梯和其他艱難地形上將旁邊履帶慢慢擱在地面上，再把車輪提起來，這樣自己就能完成一系列動作。現(xiàn)在履帶式輪椅用途較廣，相比較星輪機(jī)構(gòu)其運(yùn)用更加持續(xù)的運(yùn)作及高效的傳動率。
（2）滾輪式
圖1-2 iBOT輪椅
上下樓梯的輪式根據(jù)輪組中使用的小輪子的數(shù)量可分為兩組,三個(gè)輪和四個(gè)輪的類型。滾輪輪椅特點(diǎn):每個(gè)輪子和輪子架可以在每一個(gè)星輪軸轉(zhuǎn)動,每顆行星輪同時(shí)也可以繞其不動的星輪轉(zhuǎn)動。在爬樓時(shí),每個(gè)星輪本身鎖上不轉(zhuǎn),每一個(gè)星輪圍主軸轉(zhuǎn)動,完成動作。在平坦道路,星形輪架構(gòu)主動軸鎖上不運(yùn)作,每一個(gè)星輪能夠隨意的轉(zhuǎn)動,一組星輪和兩組星輪結(jié)合所以性能穩(wěn)定良好,重心的波動不大。它的優(yōu)劣勢：容量跟質(zhì)量缺陷發(fā)生在雙星輪上。一套星輪結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性不容樂觀,需要有人協(xié)助爬樓,然而雙組星輪可以自主解決爬樓梯。
（3）行走式
主要特征爬樓輪椅的行走式運(yùn)動由不連續(xù)的腿跟腳形成的過程。前期輪椅裝配多數(shù)利用不連續(xù)模式。爬樓時(shí),兩組支持設(shè)備中的一組進(jìn)行支持,腿腳型的爬樓設(shè)備實(shí)際是根據(jù)人類行為來進(jìn)行比較。上下樓梯機(jī)器運(yùn)動平穩(wěn),適用于不同尺寸樓梯。然而它的控制要求相對較高,操作繁瑣,在地面運(yùn)動幅度不大而且緩慢。
結(jié)合上文,國內(nèi)外同類產(chǎn)品這一主題的研究有一定的參考價(jià)值,但這讓很多輪椅存在局限性,所以研發(fā)廉價(jià)、簡單易用的爬樓梯輪椅正面臨一個(gè)緊迫的問題。所以如何設(shè)計(jì)和制造一個(gè)強(qiáng)大的和人性化的殘疾人輪椅成為今天最關(guān)心的問題?，F(xiàn)在許多的殘疾人輪椅需要自己或他人用手推動,在許多地方很麻煩。尤其在爬樓梯的時(shí)候,要是附近無特殊斜坡,用輪椅就比較困難。
1.2.2輪椅的研發(fā)狀況
爬樓梯輪椅設(shè)備的研發(fā)是包括在智能化機(jī)器人研發(fā)的范疇里,因此這類輪椅采用機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用到智能輪椅是其發(fā)展路線。在我們國家經(jīng)過努力，研發(fā)出對有殘疾和行動不便的人群設(shè)計(jì)了一種輔助行走裝置的機(jī)器人，包括智能輪椅的發(fā)展是在我們國內(nèi)研究殘疾人輔助類型機(jī)器人設(shè)計(jì),功能多樣化,基本上可以滿足老人和殘疾人的需求。但是，大部分還停留在試驗(yàn)階段或者少數(shù)定做，還未產(chǎn)業(yè)化，市場化。所以，在以后的研究發(fā)展上還有很大的空間，未來的研究也會向智能化、人性化、模塊化的發(fā)展方向進(jìn)行。
最重要的是,外國在樓梯設(shè)備已經(jīng)有一百多年的研究,研究不同,有一些已經(jīng)投入到市場,取得了很大的成就。但是,他們開發(fā)的產(chǎn)品大多是復(fù)雜的,昂貴的,這是中國現(xiàn)在的普通人難以奢求的。
我國的研發(fā)相對而言較落后,出過專利,但由于容量和體重,穩(wěn)定和安全的限制,沒有過多的產(chǎn)品真真切切的投入運(yùn)用。從國內(nèi)外爬樓梯輪椅設(shè)備發(fā)展來看,大部分的自主控制性能的爬樓梯輪椅設(shè)備不行,仍然要依靠在他人的幫助下實(shí)現(xiàn)上下樓梯運(yùn)動，還有許多困難值得進(jìn)一步研發(fā)。所以,為了解決這一問題還應(yīng)該考慮中國的國情,考慮到經(jīng)濟(jì)能力的用戶,制造出價(jià)格低,功能多樣的爬樓梯輪椅。
1.3 本畢設(shè)的研究方向
針對輪椅在國內(nèi)外的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，三種類型的輪椅有著悠久的歷史和成就,并創(chuàng)造了大量的專利和產(chǎn)品,但他們要么復(fù)雜要么太貴,總有這個(gè)或那個(gè)的缺點(diǎn)。為了更好地解決這一類問題,制造出整體結(jié)構(gòu)適當(dāng),安全,質(zhì)量好,操作簡易,可負(fù)擔(dān)得起的爬樓梯輪椅是非常急需的。因此,攀爬裝置完成的前提下在更平坦的道路下運(yùn)行應(yīng)該是最好的?？梢钥闯?盡管樓梯裝置的研究已經(jīng)取得了一定成就,但從完美的產(chǎn)品的誕生還有很長的路要前進(jìn)。
普通輪椅只可以在平地行走，爬樓梯相對而言困難。本畢設(shè)設(shè)計(jì)的輪椅可以兩用。本設(shè)計(jì)跟普通輪椅不同的地方應(yīng)用了四個(gè)小輪行星輪，搭配兩個(gè)電動機(jī)，解決了輪椅爬樓梯和平地行走都可以使用電動的問題。而且，輪椅的前端還安裝了帶有方向的轉(zhuǎn)向盤。因此，就算在沒有別人幫助的情況下，也可以完成平地行走跟爬樓梯的自由運(yùn)作。為了滿足多數(shù)用戶的需求，還需要查閱資料和實(shí)地考察來進(jìn)行輪椅的設(shè)計(jì)，通過一系列的構(gòu)思繪制出輪椅的結(jié)構(gòu)，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用舒適，安全可靠，為殘疾人和老人提供必要的幫助和愛心。
2 輪椅方案設(shè)計(jì)選擇
2.1 概述
輪椅對于那些有殘疾的和老年人來說是必不可少的裝備之一。目前，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了大量的這種功能輪椅。相反，這類多數(shù)結(jié)構(gòu)多，體積大，價(jià)格高。低層家庭負(fù)擔(dān)不起這種輪椅。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)又平穩(wěn)舒適、又靈活運(yùn)動的可平地行走和上下爬樓梯的互相轉(zhuǎn)換的輪椅裝置.
根據(jù)目前收集到的資料，發(fā)現(xiàn)滿足此類要求的資料實(shí)在是太少了，關(guān)于這方面的問題該怎么來解決呢？這個(gè)問題困惑了我好久。于是我就從網(wǎng)上找資料和實(shí)地考察簡單方便的運(yùn)輸工具這兩方面出發(fā)。在有一天，我偶然之間發(fā)現(xiàn)了一種搬運(yùn)工人在搬運(yùn)貨物上下樓梯時(shí)所用的手拉車，突然產(chǎn)生點(diǎn)子，圖如下：
圖2-1 圖2-2
從以上圖看出，我們可以看到有兩個(gè)車可以攜帶貨物上下樓梯。這兩種車后輪的星輪可以旋轉(zhuǎn)帶著小輪一起旋轉(zhuǎn)。以上兩個(gè)構(gòu)造,十分簡便,為需要幫助的人提供幫助。
其工作原理是：在平路行走的時(shí)候，其轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)變?yōu)樾≥喸谵D(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退的平路行走功能；在上下樓梯時(shí)拉的車,不會被困在樓梯口上,當(dāng)小輪不動了，星輪就開始運(yùn)轉(zhuǎn),這種方法解決了問題。所以我想象這種結(jié)構(gòu)是否可以應(yīng)用于輪椅,因此產(chǎn)生了一些設(shè)計(jì)方案。
2.2 方案設(shè)計(jì)
2.2.1 方案一
根據(jù)收集的資料以及現(xiàn)場考察收集到的資料，我構(gòu)想出以下2種初步的模型
圖2-3 模型一 圖2-4 模型二
設(shè)計(jì)第一種方案
圖2-5 設(shè)計(jì)方案一
這個(gè)是使用前面的十字星輪作爬樓梯的主傳動。前面是十字架和單腳輪,緊隨其后的是一顆行星輪四個(gè)腳。爬樓或下樓時(shí),角度可以根據(jù)不同的狀況,調(diào)節(jié)增長或減短。無背后的推動力量,是個(gè)從動驅(qū)動，中間的驅(qū)動輪主要用于地面行走或者轉(zhuǎn)彎使用,具有轉(zhuǎn)向和驅(qū)動的功用。
爬升腳（圖2-5中綠色部分）；
轉(zhuǎn)向輪（圖2-5中黑色部分）；
星盤（圖2-5中紅色部分）；
小輪（圖2-5中灰色部分）；
動力配置（圖2-5中金色部分）
座位設(shè)計(jì)改用一種鏈接的升降機(jī)構(gòu)，上下樓梯時(shí)，能夠調(diào)整升降，按照爬升角的改變來調(diào)節(jié)座位的角度,讓殘疾人或老年人始終具有一個(gè)非常舒適的位置。轉(zhuǎn)盤的行星輪結(jié)構(gòu)形式,在爬樓梯時(shí),電動機(jī)驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn),但與樓梯相碰的小輪也會動,從而使輪椅在原地打滑,不爬樓梯。這是一個(gè)很討厭的的麻煩。為了解決上述問題,通過翻閱資料,制定以下方案如圖2 - 6自鎖機(jī)構(gòu)。
圖2-6 自鎖機(jī)構(gòu)
抬升圓臺（圖2-6綠色）；
枝干（圖2-6紅色）；
小齒輪（圖2-6黃色）；
從圖了解到,四角小圓輪各有小齒輪,齒輪中心還有一個(gè)圓臺,四個(gè)支柱跟小齒輪上齒進(jìn)行連接。上樓時(shí),圓臺會在軸的帶動下抬高,促使四個(gè)支柱靠近齒輪,四個(gè)支柱的最上面有一個(gè)輪齒，圓臺抬高帶著支柱緩慢靠近齒輪,完成自鎖。
上樓時(shí),電機(jī)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動,圓臺提高,促使四個(gè)支柱靠近齒輪,分支機(jī)構(gòu)跟齒輪嚙合,圓臺不動,形成打滑。爬樓結(jié)束后電機(jī)反轉(zhuǎn),圓臺下移,嚙合解除,自鎖消失。
但是后來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)仍有缺點(diǎn)。因?yàn)轶w重主要聚集在后端,再加上老年人或者殘疾人讓車的重心完全在后端,然而上樓時(shí)輪椅前部的主要驅(qū)動力是攀登角度,所以動力是不夠的,難以完成運(yùn)動。
2.2.2 設(shè)計(jì)方案二
為了解決上面的麻煩,我做了第二個(gè),如圖2 - 7所示。在這設(shè)計(jì)中,對方案一進(jìn)行恰當(dāng)?shù)母膭?。?qū)動位置在后面,采用前后交叉輪盤的機(jī)構(gòu),前端沒有驅(qū)動裝置,里面可以設(shè)置為空。后輪作為驅(qū)動輪,裝有從動鏈輪和鏈條。
本方案消除中間位置的轉(zhuǎn)動輪，前部裝置方向盤，利用車本身轉(zhuǎn)動，把整個(gè)車體分成兩塊，前面是從動裝置后面是主動裝置，在兩塊連接處，裝有方向盤，依靠方向盤的擺動控制輪椅的轉(zhuǎn)動方向。
圖2-7 設(shè)計(jì)方案二
設(shè)計(jì)的傳動機(jī)構(gòu)如下圖
圖2-8 傳動機(jī)構(gòu)
在這個(gè)方案中,采用鏈傳動機(jī)構(gòu)上安裝兩個(gè)電動機(jī),控制上下樓梯和地面行走運(yùn)行。圓柱馬達(dá)在上圖中控制輪椅上下樓梯,矩形電機(jī)控制輪椅平地行走。連接后輪的軸是軸心線形式。外面的軸跟車輪連接,軸跟齒輪進(jìn)行鏈輪連接。
它的工作原理:在輪椅爬樓梯的時(shí)候,直流電機(jī)1運(yùn)行,電機(jī)2停止工作,利用鏈條傳遞到外面的軸,帶動后輪轉(zhuǎn)動。當(dāng)爬樓結(jié)束或者在地面上行走,停止電機(jī)1,電機(jī)2準(zhǔn)備運(yùn)行,驅(qū)動軸內(nèi)軸的轉(zhuǎn)動軸,轉(zhuǎn)動軸連接星盤里的兩個(gè)鏈輪,通過鏈條驅(qū)動兩個(gè)小輪子的轉(zhuǎn)動,以此實(shí)現(xiàn)在地面上運(yùn)動。
這個(gè)是后輪盤結(jié)構(gòu)：
圖2-9后輪盤
從上圖得出，輪盤內(nèi)部用的鏈傳動?，F(xiàn)在分別把輪盤上的小輪編號為1，2，3，4，兩個(gè)大鏈輪分布在輪盤中部并排放，按照小輪厚度作為間距，2、4（對稱部位）輪在不同面有兩個(gè)小鏈輪，鏈條跟大鏈輪鏈接。這種結(jié)構(gòu)，無論是小輪2或是小輪4著地，都能推動輪椅前進(jìn)。
方案二還是有不到位地方：
（1） 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)的扭矩過?。?
（2） 轉(zhuǎn)彎設(shè)備不靈活好用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎時(shí)不能很好的控制；
綜上：優(yōu)化設(shè)計(jì)必須采取減速措施以及合適的轉(zhuǎn)彎裝置。對電機(jī)1的傳動方式進(jìn)行改進(jìn)以及轉(zhuǎn)彎進(jìn)行改進(jìn)，改善缺點(diǎn)。
2.3 設(shè)計(jì)方案三
在方案二上進(jìn)行改進(jìn)跟完善，制定出方案三，這個(gè)方案是本畢設(shè)設(shè)計(jì)的最后方案，如圖：
圖2-10設(shè)計(jì)方案三
圖2-11 傳動機(jī)構(gòu)
圖2-12 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)
此設(shè)計(jì)中，對傳動的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，提高了機(jī)械的傳動效率，降低了噪音，而且減少系統(tǒng)的重量跟成本，前底座運(yùn)用學(xué)習(xí)四驅(qū)車轉(zhuǎn)彎設(shè)備的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)半徑不同的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動，以使裝置轉(zhuǎn)向靈活，易于控制。在電機(jī)傳動中，采用了一級減速，通過查表得知，一級減速的限制傳動比<=7.1，本設(shè)計(jì)需要的傳動比是6.5，符合要求。除這些改動其他跟方案二完全一樣。
2.4 本章小結(jié)
以上是對輪椅分析選取方案設(shè)計(jì)和確定輪椅架構(gòu)，然后進(jìn)一步改進(jìn)跟設(shè)計(jì)，最終確定采用方案三來進(jìn)行輪椅設(shè)計(jì)，它的特點(diǎn)是：爬樓梯輪椅裝置上應(yīng)用行星輪機(jī)構(gòu)發(fā)揮了它所擁有的特點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)小，重心穩(wěn)定，輪式的結(jié)構(gòu)讓它在地面上使用時(shí)操作靈活便捷，還能夠應(yīng)用于多種不同大小的樓梯，操作簡單，安全性高，平穩(wěn)性好。
3 關(guān)鍵零部件檢驗(yàn)跟校核
3.1 功率估算
根據(jù)輪椅的不同行走狀態(tài)分為地面上運(yùn)作和上下樓梯運(yùn)作。在行走的時(shí)候，一種是按平地路面來行駛的，另一種是爬30°坡。
假設(shè)輪椅自身的質(zhì)量是m=20kg，人的質(zhì)量是M=100kg，平路行駛輪椅速度為1m/s，爬坡時(shí)速度為0.5m/s
（1） 平地運(yùn)行時(shí)所需功率：
注釋： 為地面的摩擦系數(shù)0.03
G為重力作用下的加速度10m/s
F為輪椅加人重量，
（2） 爬坡時(shí)所需功率：
=316W
綜上，在平地行駛時(shí)，需要在后輪中安裝一對功率為100-200W的電機(jī)，就可以滿足行走時(shí)所需要的動力。
（3） 爬樓梯所需功率：
爬樓梯的運(yùn)行狀態(tài)就是把有分量的重物向上一級階梯爬的過程。在地面上運(yùn)行時(shí)，整個(gè)輪椅的重心處在行星輪機(jī)構(gòu)最中間，爬樓時(shí)，它要傾斜一定角度，因此在爬樓時(shí)，整個(gè)模型重心位置一定會向后一定的距離，假設(shè)距軸心150mm處，這樣，當(dāng)行星輪機(jī)構(gòu)要把整個(gè)車往上一個(gè)階級送時(shí)，需要克服力矩：
控制行星輪上樓時(shí)旋轉(zhuǎn)速度為w=0.5r/s，就能算出爬樓需要功率：
再者通過行星輪的減速增力的作用，因此在行星輪的中心軸安置一個(gè)功率是150W以上的電機(jī)就可以達(dá)到需求。
由上面得知上樓時(shí)，要讓后輪轉(zhuǎn)動爬上樓需求扭矩為180功率 P=1.1kw。但是選擇的電機(jī)限額轉(zhuǎn)速 為200 最高轉(zhuǎn)矩是10
已知外輪系的大徑為500mm，后輪由電機(jī)1通過一級齒輪傳動和一級鏈輪傳動而進(jìn)行上樓梯動作。
由 m=9549 可知
Ⅲ軸轉(zhuǎn)速=66
因?yàn)?、4、5、6鏈輪之間是等比傳動，可以設(shè)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齒輪之間的傳動比
3.2 分別計(jì)算1跟2齒輪的齒數(shù)跟模數(shù)
（1） 初選小齒輪齒數(shù)=22
則大齒輪齒數(shù) 取
（2） 根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度公式
試選載荷系數(shù)
算出小齒輪傳輸轉(zhuǎn)矩
查看表得知齒寬的系數(shù)（小的齒輪當(dāng)懸臂放置）
查找手冊得出材料的彈性系數(shù)
齒面硬度查找小齒輪極限接觸的疲勞強(qiáng)度 ；大齒輪極限接觸的疲勞強(qiáng)度
（3） 計(jì)算圓周速度v
（4） 計(jì)算齒寬b
（5） 算出齒高和齒寬之比b/h
模數(shù)
齒高
（6） 計(jì)算載荷系數(shù)
按照, 七級的高精度，查表得知動載的系數(shù)
直齒輪，假設(shè)
查手冊得使用系數(shù)
故載荷系數(shù)
（7） 計(jì)算模數(shù)m
（8） 按照齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算
計(jì)算式為
彎曲的疲勞強(qiáng)度極限 小齒輪 大齒輪
(9)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)S=1.35
則：
(10) 計(jì)算載荷系數(shù)k
比較分析，把模數(shù)0.957加以圓整為標(biāo)準(zhǔn)1.25mm，分度圓直徑 得到
小齒輪齒數(shù) 取
大齒輪齒數(shù)
（11） 幾何尺寸
分度圓直徑
中心距
齒輪寬度
取
（12） 驗(yàn)算
所以合適
齒輪 1、2
3.3 后鏈輪的計(jì)算
已知電機(jī)功率 ，轉(zhuǎn)速
小滾輪直徑
平地運(yùn)轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速是
小輪上軸的轉(zhuǎn)速是
已知電機(jī)額定轉(zhuǎn)速
鏈傳動的傳動比為
（1） 選擇鏈輪齒數(shù)
初步選定（鏈節(jié)數(shù)是偶數(shù)，想到磨損分布要均勻，鏈輪齒數(shù)大多選擇跟鏈節(jié)數(shù)互相為質(zhì)數(shù)的奇數(shù) ）
則 取
（2） 修正功率
查手冊得知
平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)下工作系數(shù)
則
（3） 確定鏈條節(jié)數(shù)
選定中心距鏈節(jié)數(shù)為
取
（4） 確定鏈條的節(jié)距 P
小鏈輪齒輪系數(shù)
取單排鏈，查多排鏈系數(shù)
小鏈輪傳遞功率
小鏈輪轉(zhuǎn)速功率
查手冊鏈號是一個(gè)單排鏈
那么鏈節(jié)距為
（5） 計(jì)算鏈長和中心距a
中心距減小量
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
3.4 計(jì)算各軸的強(qiáng)度
3.4.1 后軸空心軸的計(jì)算
空心軸轉(zhuǎn)速，功率
初算軸徑，確定軸材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理
根據(jù)公式
初步計(jì)算軸徑
初定空心軸內(nèi)外比
則可查表得
則
思考到軸上需要鍵槽，需要將軸徑外加4%~5%
故大錐直徑取
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
按照軸受力情況選軸承為6207
已知Ⅲ軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
兩外輪系圓周力
從上文已知四個(gè)等傳動比鏈輪參數(shù)是
有效圓周力
3.4.3 軸的強(qiáng)度校核
確定危險(xiǎn)截面
安全系數(shù)校核計(jì)算
彎曲應(yīng)力幅為
均勻應(yīng)力
由 式
式中，-1
取
31
4 電動驅(qū)動輪椅的適應(yīng)條件
4.1 輪椅使用條件
爬樓設(shè)備攀升角度最大是30度
車身重量20kg
負(fù)載重量100kg
爬樓速度為每分鐘10階
4.2 電機(jī)的選用
表4-1 電機(jī)一、二參數(shù)
規(guī)格
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
初始轉(zhuǎn)速rpm
36BD012
120
5
4.2
230
≥80
36
285
36BD016
160
6
5.2
245
≥80
36
300
5 爬樓梯輪椅的運(yùn)動分析
5.1 機(jī)構(gòu)動作分析
5.1.1 平地跟轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動分析
平地行駛時(shí)，行星輪的任意2個(gè)小輪著地，通過電機(jī)控制轉(zhuǎn)軸，方向盤控制轉(zhuǎn)彎方向，從而實(shí)現(xiàn)平地行駛和轉(zhuǎn)彎。其不同的轉(zhuǎn)向幅度和行駛速度，可以實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)彎半徑，后輪驅(qū)動為小輪轉(zhuǎn)動。
5.1.2越障能力分析
輪椅在地面時(shí),常見的障礙物能直接通過，小輪往前碰到一定高度的障礙,停下不動,這種狀態(tài)下小輪滾動轉(zhuǎn)變到行星輪系的后輪驅(qū)動的模式,輪輻與其他三個(gè)輪子繞著軸旋轉(zhuǎn),繼而實(shí)現(xiàn)跨越障礙，如下圖5-1：
圖5-1 輪椅越障能力
5.1.3跨溝能力分析
當(dāng)爬樓梯輪椅碰到稍微寬小的小溝（小溝寬度小于2倍的輪輻長度），要克服前進(jìn)阻力，那么它的工作原理和越障相同，后輪行星輪是主驅(qū)動的模式，完成跨溝任務(wù)，如下圖5-2：
圖5-2 輪椅跨溝能力
5.1.4 上下樓梯能力分析
在輪椅碰到臺階的時(shí)候，電機(jī)控制減震器起到減速的作用，通過切換電機(jī)控制行星輪軸，使行星輪的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，同時(shí)減震裝置以及減速裝置起到安全性、穩(wěn)定性的作用，實(shí)現(xiàn)輪椅平穩(wěn)的上下樓梯。如圖5-3所示：
5-3 輪椅上下樓梯能力
結(jié) 論
本次課題的設(shè)計(jì)通過查找大量的資料以及實(shí)地參照實(shí)物模型，分析各類爬樓梯輪椅裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)不同方案設(shè)計(jì)跟比較，最后選取輪椅設(shè)計(jì)可行性的方案。這種方案利用電機(jī)轉(zhuǎn)換來控制轉(zhuǎn)動軸，方向盤操控方向，繼而實(shí)現(xiàn)不同地面行駛及上下樓梯的功用。進(jìn)而對輪椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加了減震裝置、轉(zhuǎn)彎裝置，使輪椅在運(yùn)動時(shí)，更加的平穩(wěn)、更加的靈活。
在設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到我國國情，并參照國外的發(fā)展情況，選擇輪組式的爬樓梯裝置，整個(gè)的外形設(shè)計(jì)跟普通的輪椅高度差不多，構(gòu)造簡單但是功能齊全，沒有復(fù)雜的平衡重心系統(tǒng)，造價(jià)的成本明顯有所下降，適合大眾家庭使用。
本畢設(shè)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和成果如下：
（1） 通過閱讀大量的爬樓梯輪椅裝置的資料，針對現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展比較的成熟的履帶式、滾輪式和行走式三種裝置，展開了研究和分析各優(yōu)缺點(diǎn)，思考出符合我國國內(nèi)的爬樓輪椅設(shè)備，為本文討論的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。
（2） 實(shí)地考察現(xiàn)有的簡單裝置，創(chuàng)新的提出星輪式裝置，與一般裝置不同的地方，就是鏈傳動，可以平地行駛，也可以上下爬樓梯，采用獨(dú)立的減震裝置與轉(zhuǎn)彎裝置來實(shí)習(xí)裝置在運(yùn)行時(shí)，更加的平穩(wěn)與靈活。
（3） 輪椅在平地和上下樓梯,動力由電動機(jī)供應(yīng)，重心的位置是在基本保持在后輪的中心,輪椅輪子部分還需要承受一定的重量,有利于平衡輪椅,有效防止座椅向后傾斜,消除用戶的擔(dān)憂。運(yùn)動過程中，其運(yùn)動的軌跡得到了優(yōu)化，對使用者來說舒適度提高。在每一刻輪椅都保持穩(wěn)定，它的重量總是轉(zhuǎn)移到水平表面和支持的多邊形面。
（4） 本文章構(gòu)造了三維的模型，對裝置的運(yùn)動性能進(jìn)行了分析和仿真，改善了裝置的內(nèi)外設(shè)計(jì)，為以后進(jìn)一步實(shí)體運(yùn)行，設(shè)備的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
（5） 這個(gè)設(shè)計(jì)的設(shè)備能自身完成相應(yīng)動作，也能通過手扶裝置完成運(yùn)動。讓裝置更加有個(gè)性，堅(jiān)信在以后發(fā)展中，更多的增加科技的成分，讓裝置更加人性化，模塊化，智能化。
通過這幾個(gè)月不斷的努力，完成了輪組式爬樓梯輪椅裝置的設(shè)計(jì)，為今后的進(jìn)一步的研究發(fā)展與設(shè)計(jì)打下來良好的基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)社會的大眾化需求，還有很多實(shí)際的問題需要考慮和解決的，比如能源的利用率、安全性、大功率的要求、平穩(wěn)快速等等。
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附 錄
一、設(shè)計(jì)參數(shù)
傳遞功率P=0.3201（KW）
傳遞轉(zhuǎn)拒T=45（N.M）
齒輪1轉(zhuǎn)速n1=140（r/min）
齒輪2轉(zhuǎn)速n2=183（r/min）
傳動比i=6.5
預(yù)定壽命H=18000（小時(shí)）
二、材料及熱處理
齒面嚙合類型GFace=軟齒面
熱處理質(zhì)量級別Q=ML
齒輪1材料及熱處理Met1=34CrNi3Mo(調(diào)質(zhì))
齒輪1硬度取值范圍HBSP1=319-387
齒輪1硬度HBS1=333
齒輪1材料類別MetNI=0
齒輪2材料及熱處理Met2=45(調(diào)質(zhì))
齒輪2硬度取值范圍HBSP1=231-276
齒輪2硬度HBS2=242
齒輪2材料類別MetN2=0
三、齒輪精度
齒輪1精度JD1=7
齒輪1齒厚上偏差JDUI=F
齒輪1齒厚下偏差JDDI=L
齒輪2精度JD1=7
齒輪2齒厚上偏差JDUI=F
齒輪2齒厚下偏差JDDI=L
四、齒輪基本參數(shù)
總變位系數(shù)Xsum=0.0000
標(biāo)準(zhǔn)中心距A0=26.0000
實(shí)際中心距A=26.0000
齒頂高系數(shù)ha=1.00
頂隙系數(shù)c=0.27
壓力角a=20（度）
端面齒頂高系數(shù)hat=1.00000
端面頂隙系數(shù)ct=0.25000
端面壓力角at=20.0000000（度）
三維模型圖
三維裝配圖
后底座（部分零件圖）
座椅（部分零件圖）
輪組組件（部分零件圖）
二維工程圖
二維裝配圖
齒輪（部分零件圖）
輪組（部分零件圖）
后底座（部分零件圖）
致 謝
經(jīng)過幾個(gè)月的不懈努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)圓滿完成。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對大學(xué)生四年所學(xué)知識與能力的綜合應(yīng)用和檢測，是每一個(gè)大學(xué)生必須完成的任務(wù)。設(shè)計(jì)是在時(shí)維元講師的精心指導(dǎo)下完成的。論文的成稿凝聚著導(dǎo)師的關(guān)懷和心血。時(shí)維元導(dǎo)師淵博的知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，導(dǎo)師的諄諄告誡，使學(xué)生深受教誨，讓學(xué)生永生難忘。在此，對于給我悉心教導(dǎo)的導(dǎo)師表以衷心的感謝。
在完成課題期間，有許多同學(xué)曾經(jīng)給過我熱心的幫助。并對本設(shè)計(jì)提出了許多寶貴的意見和獨(dú)到的見解，在此對他們表示感謝。
最后，我要衷心感謝老師的指導(dǎo)，雖然老師平時(shí)很忙，但還是及時(shí)的為我們指導(dǎo)。他的批評是我設(shè)計(jì)質(zhì)量的保證，也是我們增長知識和經(jīng)驗(yàn)的源泉。老師的鼓勵是我前進(jìn)的動力。總之，老師對工作的態(tài)度，對設(shè)計(jì)的要求都讓我受益匪淺，是我求學(xué)路上的寶貴財(cái)富。
本人再次向熱心幫助過我的老師以及同學(xué)表示誠摯的感謝。
學(xué)生：崔冬華
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