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摘 要
隨著老年人年事過(guò)高行動(dòng)不便，還有殘障人士的生活所需，輪椅在日常生活中發(fā)揮出越來(lái)越大的作用，然而，隨著人們生活水平的提高，很多人們住進(jìn)了高樓，這就給輪椅使用者們的生活帶來(lái)很大的困難，每天的上樓梯成為了他們?cè)讲贿^(guò)去的一個(gè)大難題，為了方便他們的出行，本文設(shè)計(jì)了一輛可以爬樓梯的電動(dòng)輪椅。
本設(shè)計(jì)為行星輪式三輪爬樓梯電動(dòng)輪椅，由后輪驅(qū)動(dòng)輪椅在平地上行走和爬樓梯。
該輪椅主要由行星輪,支架，底盤，座椅以及座椅重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。支架該設(shè)計(jì)的主要部分在后輪的行星輪的設(shè)計(jì)上面，通過(guò)改變行星輪內(nèi)部?jī)煞N不同驅(qū)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)輪椅在平地和樓梯之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。本文首先介紹了爬樓梯輪椅的總體設(shè)計(jì)方案與其中主要結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成及運(yùn)動(dòng)原理，并計(jì)算出了行星輪在建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)下的尺寸范圍，介紹了行星輪兩種運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。并且從輪椅的爬坡能力，通過(guò)障礙最高高度，側(cè)傾角以及轉(zhuǎn)彎半徑等四個(gè)方面分析了輪椅的行駛性能。
關(guān)鍵詞：爬樓梯輪椅；行星輪；電動(dòng)輪椅；運(yùn)動(dòng)分析
Abstract
Wheelchairs play an increasingly important role in daily life as the elderly age is too high for mobility and the needs of the disabled. However, with the improvement of people's living standards, More and more people began to live in high-rise buildings, which caused great difficulties for wheelchair users. Getting up the stairs every day became a big problem for them to get around in order to make it easier for them to travel.
This paper designs an electric wheelchair for climbing stairs.This design is a planetary wheel climbing stairs electric wheelchair, driven by the rear wheel wheelchair on the ground walking and climbing stairs.The wheelchair consists of planetary wheel, bracket, chassis, seat and seat barycenter adjusting system. The main part of the design is the design of the planetary wheel of the rear wheel. By changing the two different driving modes within the planetary wheel, the wheelchair can be transferred between the flat ground and the staircase. This paper first introduces the overall design scheme of staircase climbing wheelchair, the basic structure and motion principle of the main structure, and calculates the dimension range of planetary wheel under the standard of building stair module coordination. In this paper, the motion mechanism of two kinds of motion modes of planetary wheel is introduced. And from the wheelchair's ability to climb, through the highest height of the obstacle, the angle of inclination, and the radius of the turn. The driving performance of the wheelchair is analyzed in four aspects.
Keywords: stair climbing wheelchair ；ar-shape wheels；electrically powered wheelchair；kinematic analysis
目錄
引 言 1
第一章 緒論 2
1.1輪椅的研究背景及意義 2
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3研究目的及內(nèi)容安排 3
第二章 輪椅的總體設(shè)計(jì) 4
2.1設(shè)計(jì)要求 4
2.2總體設(shè)計(jì) 4
2.3本章小結(jié) 6
第三章 局部設(shè)計(jì) 7
3.1底架設(shè)計(jì) 7
3.2座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.3傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元（越障機(jī)構(gòu)）設(shè)計(jì) 9
3.4輪椅各項(xiàng)參數(shù) 19
3.5本章小結(jié) 19
第四章 輪椅車的運(yùn)動(dòng)特性分析 21
4.1輪椅車的平地運(yùn)動(dòng)分析 21
4.2輪椅車爬樓梯運(yùn)動(dòng)分析 22
4.3輪椅車的行駛性能分析 23
4.4本章小結(jié) 26
總 結(jié) 27
參考文獻(xiàn) 28
引 言
現(xiàn)如今人們的生活質(zhì)量比起以前好了太多，人們對(duì)生活水平的追求也在慢慢進(jìn)步，因此促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異更加推動(dòng)了人們的日常生活，但隨之而來(lái)的越來(lái)越多的生活問(wèn)題也進(jìn)入了人們的生活。比如因?yàn)槟挲g變大，發(fā)生疾病或者遇到意外事故導(dǎo)致老年人或者殘疾人失去了自己走路的能力，給自己和家人帶來(lái)了很大的不方便，輪椅成為了他們不可缺少的代步工具。而且隨著人口老齡化增加，輪椅的需求量也越來(lái)越大。
我國(guó)的人口逐年增加，住房問(wèn)題越來(lái)越緊張，大多數(shù)的人們都住進(jìn)了樓房，而樓梯是樓房的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，且在我國(guó)有很大一部分的樓房都沒(méi)有安裝電梯，樓梯成為唯一的上下樓方式，給一些老年人和身體有殘疾的人們的出行帶來(lái)很大的不方便。我國(guó)的輪椅基本上就是普通的平地行走的最常見(jiàn)的輪椅，沒(méi)有一些更加全面的功能，對(duì)輪椅的研究不夠多，基于此，為了方便老年人和殘疾人士可以相對(duì)自由的出行，不再受困于障礙物以及樓梯等困難，有必要研究一種爬樓梯與平地行走都可以做到的多功能的爬樓梯輪椅。
本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)爬樓梯輪椅。使用行星輪機(jī)構(gòu)，讓乘坐者可以自己一個(gè)人進(jìn)行上樓梯操作，節(jié)省了人力，方便了使用者的生活，使他們的出行得到了保障。輪椅使用搖桿控制輪椅運(yùn)動(dòng)，操作十分簡(jiǎn)單快捷，是老年人以及殘障人士的福音。
第一章 緒論
1.1輪椅的研究背景及意義
我們的社會(huì)正在不斷地發(fā)展，生活水平的提高帶來(lái)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步并再次帶動(dòng)人們的生活質(zhì)量。但是，科技的飛速發(fā)展卻也帶來(lái)一些不可避免的意外，意外事故的頻繁發(fā)生使殘疾人士的人口數(shù)量越來(lái)越多；還有如今人口老齡化現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重，這些人的自由行動(dòng)的能力已經(jīng)喪失了，他們的生活十分不方便。雖然我國(guó)的服務(wù)設(shè)施越來(lái)越多，高層樓也安裝有電梯，但是并不是所有地方都擁有這些服務(wù)，很多高樓至今沒(méi)有安裝電梯，他們的出行是一個(gè)巨大的問(wèn)題。老年人和殘疾人士時(shí)社會(huì)上的弱勢(shì)群體，他們有很多常人沒(méi)有的苦惱，關(guān)注他們的生活是一個(gè)很有必要的重要問(wèn)題。
在2006年第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查報(bào)告中寫道，直至2006年4月我國(guó)殘疾人口數(shù)量占全國(guó)總?cè)丝诒壤陌俜种?。其中肢體殘疾人數(shù)高達(dá)兩千多萬(wàn)人。另外，在2015年的全國(guó)%1人口抽樣調(diào)查中顯示，60歲以上的人口數(shù)量為兩千多萬(wàn)人，占全國(guó)總?cè)丝跀?shù)的百分之十六，其中65歲以上的人就有14374萬(wàn)人。同2010年第六次全國(guó)人口普查相比，60歲以上人口比例上升了百分之三，65歲及以上人口比例上升了百分之一點(diǎn)六。
殘疾人士和老年人的逐年增加給社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)很大的影響。他們的家庭負(fù)擔(dān)變得沉重，就連他們的日常生活都受到了影響。因此，為了他們的生活，專家對(duì)這類人群的出行以及日常生活的關(guān)注也越來(lái)越多。
輪椅是殘疾人士以及老年人出行的時(shí)候必須具備的的代步工具，但是我國(guó)最普遍的輪椅都是最普通的那一種，出行需要手動(dòng)前行，活動(dòng)范圍不大，而且還不能爬樓梯或者通過(guò)障礙物，為了解決這些問(wèn)題，讓殘疾人士及老年人可以相對(duì)自由便捷的出行，有必要對(duì)現(xiàn)有的普通輪椅進(jìn)行一番合理的改進(jìn)。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
關(guān)于爬樓梯輪椅的研究，國(guó)外的研究相對(duì)要早一些，取得了很多成果，有些國(guó)家這方面的技術(shù)已經(jīng)變得比較成熟，有的國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始銷售爬樓梯輪椅。我國(guó)對(duì)爬樓梯輪椅的研究比較晚，成熟的技術(shù)也不多，較少投入市場(chǎng)。
目前，國(guó)內(nèi)晚現(xiàn)有的爬樓梯輪椅主要分為四個(gè)類型，分別是：各類輪組式，履帶式，直立行走式以及輔助式機(jī)構(gòu)等。
1）輪組式
輪組式爬樓梯輪椅輪組為行星系機(jī)構(gòu)，在平地行駛的時(shí)候，行星輪的兩個(gè)小輪著地自轉(zhuǎn)行走，在遇到障礙或是樓梯時(shí)，輪組發(fā)生翻轉(zhuǎn)，行星輪公轉(zhuǎn)爬上電梯。根據(jù)行星輪輪數(shù)的不同，可以將輪組式爬樓梯輪椅分為兩輪式，三輪式，四輪式等。
2） 履帶式
履帶式爬樓梯輪椅的技術(shù)相對(duì)成熟一些，很多履帶使結(jié)構(gòu)都可以作為參考，履帶結(jié)構(gòu)行走效率高，重心波動(dòng)不大，對(duì)地形的要求不高，但是，履帶使結(jié)構(gòu)容易破壞地面，而且轉(zhuǎn)彎能力較差。
3） 直立行走式
直立行走式爬樓梯輪椅模擬人上樓梯時(shí)的模式，通過(guò)機(jī)械腿模擬人的運(yùn)動(dòng)使輪椅移動(dòng)，這種輪椅穩(wěn)定性高，適用范圍廣，但是操作復(fù)雜，行走緩慢。
4） 輔助式機(jī)構(gòu)
輔助式機(jī)構(gòu)是在輪椅上通過(guò)添加一些輔助機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)輪椅的爬樓梯過(guò)程。比如在輪椅車兩側(cè)額外添加一對(duì)爬樓梯輪，或者增加一些其他裝置。
1.3研究目的及內(nèi)容安排
本設(shè)計(jì)的目的是為了研究出一種既可以在平地上行駛又可以爬樓梯以及通過(guò)地形復(fù)雜路面的電動(dòng)輪椅車。
內(nèi)容安排如下：
1. 總結(jié)了輪椅車設(shè)計(jì)的研究背景以及研究意義，通過(guò)調(diào)查當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)爬樓梯輪椅的研究情況，歸納出四種常見(jiàn)的爬樓梯輪椅，簡(jiǎn)單介紹并總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)。
2. 分析出輪椅車設(shè)計(jì)的總體方案，并從局部各個(gè)部位進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)，計(jì)算出行星輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸，分析其爬樓梯原理，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理選用驅(qū)動(dòng)器，控制器以及蓄電池。
3. 分析了輪椅車的爬樓梯過(guò)程，并且分別從輪椅車的爬坡性能，最大越障高度，側(cè)傾角以及轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行行駛性能分析。
第二章 輪椅的總體設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
輪椅在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該充分考慮到輪椅使用者的自身情況，住所所在的樓梯結(jié)構(gòu)以及輪椅自身結(jié)構(gòu)情況。具體分別為以下幾點(diǎn)：
1） 輪椅在平地和樓梯兩種地形的變化出運(yùn)動(dòng)形式的改變應(yīng)盡可能的平滑穩(wěn)定；
2） 操作要做到簡(jiǎn)單方便，不宜太過(guò)復(fù)雜；
3） 在爬樓梯的過(guò)程中座椅應(yīng)該做到始終與地面保持平行并且可以做到平穩(wěn)的爬行，要保證輪椅使用者的安全；
4） 輪椅的輪組機(jī)構(gòu)應(yīng)該符合我國(guó)建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；
5） 輪椅的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能的讓人感到舒適。
2.2總體設(shè)計(jì)
我設(shè)計(jì)出來(lái)的的爬樓梯輪椅總體設(shè)計(jì)圖如下圖1所示。
4.傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元
3.座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)
2.座椅
1.底架
a
b
圖1 輪椅車總體設(shè)計(jì)
從圖中可以看出，輪椅主要由四個(gè)部分組成：一個(gè)底架1，一個(gè)座椅2，一個(gè)連接底架和座椅以及調(diào)整座椅重心的的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)和連接電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元（越障機(jī)構(gòu)）4。輪椅的傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元通過(guò)傳感器感應(yīng)障礙物的方式來(lái)改變它的運(yùn)動(dòng)方式，從車輪滾動(dòng)(“前進(jìn)模式”)到支架行走(“自動(dòng)爬樓梯模式”)。
（1）底架。
底架是整個(gè)輪椅的基體，它對(duì)整個(gè)輪椅結(jié)構(gòu)起支撐的作用，因此需要有足夠的強(qiáng)度與剛度讓輪椅在載人的時(shí)候不會(huì)散架出現(xiàn)意外。底架的重心根據(jù)實(shí)際情況需要盡可能的低，保證輪椅的穩(wěn)定性，讓輪椅不至于出現(xiàn)側(cè)翻或者顛簸太過(guò)的不舒適的體驗(yàn)。
（2） 座椅。
座椅的設(shè)計(jì)要考慮到輪椅使用者的操作方便性和乘坐的舒適性，要根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的方面來(lái)設(shè)計(jì)座椅。扶手的高度設(shè)計(jì)要符合人們的日常生活習(xí)慣，還需要有腳踏板，讓使用者可以將腳放在上面，穩(wěn)定使用者的中心，保證安全。
（3） 座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)。
此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到輪椅使用者在遇到障礙物或者爬樓梯時(shí)處于傾斜狀態(tài)，對(duì)人身安全有很大的隱患，因此通過(guò)此結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)平衡(圖1b)，讓人在處于上述狀態(tài)時(shí)可以保持平衡，減小危險(xiǎn)因素。此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由傳感器感應(yīng)座椅與地面的平行度改變座椅的狀態(tài)，不需要人手動(dòng)調(diào)節(jié)，十分方便快捷。
（4） 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元（越障機(jī)構(gòu)）。
本設(shè)計(jì)采用兩對(duì)三輪組式行星輪機(jī)構(gòu)，安裝在輪椅后方實(shí)現(xiàn)后輪驅(qū)動(dòng)。在平地行走時(shí)，行星輪車輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)在地面上行走，在碰到障礙時(shí)行星輪架的力矩變大，此時(shí)行星輪架開(kāi)始翻轉(zhuǎn)越過(guò)障礙物。行星輪通過(guò)改變車輪的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)來(lái)改變行駛方式在各種道路上行駛；行星輪車輪之間通過(guò)齒輪連接。
2.3本章小結(jié)
本章對(duì)輪椅車總體框架進(jìn)行了大致的設(shè)計(jì)，寫出了輪椅車設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，介紹了輪椅車各部分的結(jié)構(gòu)以及工作原理。分別對(duì)輪椅車的底架，座椅，座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行了大致的介紹。
第三章 局部設(shè)計(jì)
3.1底架設(shè)計(jì)
如圖2所示，底架主要由一個(gè)底盤1組成，底盤帶有兩個(gè)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)單元（越障機(jī)構(gòu)）2，兩個(gè)配套電機(jī)3，兩個(gè)三輪單元（前輪）4，驅(qū)動(dòng)器5，控制器6和電池組7。
7.電池組
6.控制器
5.驅(qū)動(dòng)器
4.三輪單元
3.電機(jī)
2.越障機(jī)構(gòu)
1.底盤
圖2 底架
三輪單元由圍繞中軸旋轉(zhuǎn)的支架組成，三個(gè)閑置的車輪放置在支架頂點(diǎn)上。車輪的尺寸是根據(jù)設(shè)計(jì)的大車輪而選擇的。輪椅車后邊的大的車輪可以更好地吸收不均勻地形引起的振動(dòng)，而可以小輪減少整體的高度。因此，后邊兩個(gè)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)單元和旋轉(zhuǎn)輪要選擇較大一些的車輪，大部分時(shí)間都是與地面接觸，而前方的三輪單元?jiǎng)t可以選擇一些尺寸比較小的車輪。
3.2座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3為我設(shè)計(jì)的座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)。
圖3 座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)
座椅后面部分使用兩個(gè)桿件固定在底架上，起支撐輪椅椅座的作用，輪椅使用者與椅座的重心幾乎都在桿件附近，桿件要選取強(qiáng)度較高的材料，桿件與座椅連接的部分使用絞連接，如圖4。前端部分使用液壓傳動(dòng)裝置來(lái)控制液壓桿伸縮上下調(diào)整座椅，如圖5。液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較高。
圖4 支撐桿 圖5 液壓桿
座椅與地面的平行度使用雙軸傾角傳感器來(lái)檢測(cè)，實(shí)時(shí)檢測(cè)座椅與地面的角度然后控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)角度，以保證乘坐者的人身安全，如圖6.
在液壓桿向上伸縮時(shí)，輪椅前端被液壓桿頂上去，由于座椅后部分和桿件鉸接在一塊無(wú)法移動(dòng)，此時(shí)伸縮桿頂部與座椅發(fā)生相對(duì)位移，如下圖7所示。座椅與液壓桿頂部連接點(diǎn)在A點(diǎn)，當(dāng)伸縮桿上移時(shí)，座椅與伸縮桿的連接點(diǎn)發(fā)生位移，由A’點(diǎn)移動(dòng)到了B點(diǎn)。因此在輪椅底部設(shè)計(jì)了一條滑軌，用一個(gè)小輪結(jié)構(gòu)連接座椅與液壓桿。小輪不會(huì)滑向滑軌后方，因此在固定部分后端開(kāi)口，讓小輪與軸可以滑進(jìn)去。如圖8。
圖6 雙軸傾角傳感器
圖7 位移分析 圖8 滑軌設(shè)計(jì)
3.3傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元（越障機(jī)構(gòu)）設(shè)計(jì)
3.3.1結(jié)構(gòu)介紹
通過(guò)查找已知的各種爬樓梯機(jī)構(gòu)并對(duì)各類機(jī)構(gòu)分析了解之后，思考了前人的設(shè)計(jì)產(chǎn)品的特點(diǎn)，最終決定使用行星輪結(jié)構(gòu)。原因主要有兩點(diǎn)：
1） 輪式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)起來(lái)靈活、重量不會(huì)太重、傳動(dòng)效率比較高，其他的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在這些方面明顯比不過(guò)輪式結(jié)構(gòu)；而該輪椅的適用范圍是平地上和樓梯上，在爬樓梯時(shí)，移動(dòng)要盡量做到穩(wěn)定，安全，所以，我使用輪式結(jié)構(gòu)。
2） 本設(shè)計(jì)選擇了行星輪作為行駛機(jī)構(gòu)。行星輪機(jī)構(gòu)由行星架和行星架上的車輪組成，每個(gè)車輪都是既可以自行轉(zhuǎn)動(dòng)，又可以環(huán)繞行星架的中心進(jìn)行公轉(zhuǎn)，這樣剛好可以實(shí)現(xiàn)輪椅車爬樓梯的功能。行星輪結(jié)構(gòu)可以使用比樓梯臺(tái)階低的車輪上臺(tái)階，而且它還既可以在平坦地面上行走，又可以上樓梯，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單。
行星輪的數(shù)量可以自行設(shè)置的，它可以隨自己要求放置輪子，行星輪中車輪的數(shù)量如果很多，輪椅會(huì)很穩(wěn)定，但這樣輪椅體積就要變的很大，而且結(jié)構(gòu)也會(huì)變得很復(fù)雜。為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，爬樓梯也比較容易，本設(shè)計(jì)采用三個(gè)車輪構(gòu)成的行星輪，其中三個(gè)車輪均勻分布在星型輪的圓周上。在平路上行走時(shí)，車輪自轉(zhuǎn)；遇到障礙物或者樓梯時(shí)，行星輪架會(huì)開(kāi)始公轉(zhuǎn)，當(dāng)行星輪碰到樓梯的臺(tái)階時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)行星輪架轉(zhuǎn)動(dòng)，使行星輪上邊的車輪接觸到臺(tái)階的上邊。此后接觸臺(tái)階的車輪一邊前進(jìn)，行星輪一邊繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到碰到下一個(gè)臺(tái)階的前端，成功爬上一階臺(tái)階。
此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是用來(lái)處理平坦或起伏的地面以及樓梯和障礙物等的。這個(gè)運(yùn)動(dòng)單元是為了讓它可以適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)出來(lái)的。它只使用一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單地通過(guò)鎖定或解鎖運(yùn)動(dòng)鏈中的某些自由度來(lái)達(dá)到目的。該傳動(dòng)系統(tǒng)選用了行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。
如圖9所示，運(yùn)動(dòng)單元軸向連接到車架(0)。該運(yùn)動(dòng)單元由下列部件組成：電機(jī)(1)、運(yùn)動(dòng)單元車架(2)、中心齒輪(3)、第一行星齒輪(4)、第二行星齒輪(5)和車輪(6)。
圖9 結(jié)構(gòu)圖
3.3.2計(jì)算行星輪架的尺寸
行星輪機(jī)構(gòu)是整個(gè)輪椅的最重要的地方，所以確定行星輪車輪以及行星輪架的大小就是整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在輪椅爬樓梯的過(guò)程中，行星輪兩個(gè)輪要可以都碰觸到樓梯，而且樓梯最少也要能夠支撐行星輪架的兩個(gè)車輪同時(shí)停留在樓梯上。如果車輪尺寸太大則輪椅就不能撐在樓梯上，而且輪椅的整體大小變得太大，而且輪椅重心也會(huì)變得太高影響使用者的人身安全；車輪直徑太小則輪架會(huì)磕到樓梯上使機(jī)構(gòu)無(wú)法正常進(jìn)行爬樓梯行為。
我國(guó)發(fā)布的《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：樓梯踏步的高度不能大于210mm，并不小于140mm，各級(jí)踏步高度均應(yīng)相同：樓梯踏步的寬度，應(yīng)采用220.240.260.280.300.320mm。必要時(shí)可采用250mm。輪椅要做到適應(yīng)規(guī)定的尺寸范圍上下樓梯。輪椅的車輪應(yīng)該可以在規(guī)定范圍的最小寬度（220mm）的臺(tái)階上平穩(wěn)的支承起輪椅整個(gè)部分。
（1）接下來(lái)首先確定行星輪架的半徑范圍R
取樓梯的踏步高度為h，樓梯的踏步寬度為d。
當(dāng)h和d最小時(shí)，兩個(gè)車輪的中心距小于等于，即
（2-1）
帶入數(shù)據(jù)，求得
圖10 星型輪架最小半徑
當(dāng)h和d最大時(shí)，車輪與樓梯如下圖11。
圖11 星型輪架最大半徑
則根據(jù)幾何關(guān)系，可以得知
（2-2）
帶入數(shù)據(jù)，求得
由上述計(jì)算得知。行星輪架應(yīng)該大一些，因此選。
（2） 計(jì)算車輪的尺寸范圍r
車輪的最大尺寸應(yīng)該小于上述求得的中心距，即
（2-3）
帶入數(shù)據(jù)，求得
車輪尺寸最小的時(shí)候，行星輪架不可以與樓梯邊緣碰到。在h最小的時(shí)候，行星輪架最有可能與樓梯邊緣碰到，如下圖12。
圖12 星型輪最小半徑
根據(jù)幾何關(guān)系，可以得出
（2-4）
（2-5）
帶入數(shù)據(jù)，求得
因此
由上述計(jì)算可以知道
通過(guò)以上計(jì)算，選取后車輪尺寸為，。
由此得出行星輪架的所有尺寸為,,。
3.3.3行星輪架齒輪確定
該行星輪使用齒輪傳動(dòng)來(lái)使輪椅車行駛。齒輪結(jié)構(gòu)如下圖13所示。
圖13 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)
由于行星輪架半徑為145mm，考慮到星型輪架半徑以及輪椅美觀，最終決定齒輪數(shù)據(jù)如下表1。（單位：mm）
表1 齒輪參數(shù)
齒輪
中心齒輪a
第一行星齒輪b
第二行星齒輪c
模數(shù)
2
2
2
齒數(shù)
50
35
25
分度圓直徑
100
70
50
齒頂圓直徑
104
74
54
齒根圓直徑
95
65
45
齒寬
20
20
20
行星齒輪材料使用進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后的40Cr，選取硬度為260HB，中心齒輪材料也用進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后的45鋼，選取硬度為240HB。
行星輪的傳動(dòng)比為a/b=10/7,b/c=7/5,a/c=2/1。
3.3.4動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算
根據(jù)輪椅車的具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及國(guó)家電動(dòng)輪椅標(biāo)準(zhǔn)，可以得到輪椅的以下參數(shù)：
輪椅的總質(zhì)量：60kg
輪椅的預(yù)計(jì)載重量：100kg
平坦地面最大行駛速度：3m/s
爬坡行駛的最大角度：，此時(shí)輪椅爬坡速度為0.3m/s
爬樓梯速度：1--15階臺(tái)階/min
電池組：四塊電池容量25A，電壓12V的蓄電池
（1） 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)
電機(jī)是電動(dòng)輪椅車整個(gè)輪椅車動(dòng)力系統(tǒng)的靈魂，電機(jī)需要為輪椅車提供行駛動(dòng)力。
首先確定電機(jī)的類型。
輪椅車使用蓄電池作為供電系統(tǒng)，因此電機(jī)可以用步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)或者無(wú)刷直流電機(jī)等。
步進(jìn)電機(jī)可以準(zhǔn)確的進(jìn)行定位和調(diào)節(jié)速度；它的轉(zhuǎn)矩大，慣性小，靈敏度高，但是步進(jìn)電機(jī)能源消耗比較大，轉(zhuǎn)速比較低，而且步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生噪音，讓輪椅車不能安定行駛。
直流電機(jī)的響應(yīng)速度很快，調(diào)節(jié)范圍比較廣，靈敏度很高，可以在輪椅車發(fā)生突然情況時(shí)快速調(diào)節(jié)過(guò)來(lái)，而且直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩很大，還可以在需要的時(shí)候進(jìn)行過(guò)載，可以滿足輪椅車爬坡，爬樓梯的要求；但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)缺點(diǎn)太多，比如噪聲太大，使用時(shí)間短，需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。
無(wú)刷直流電機(jī)比直流電機(jī)要好，它沒(méi)有噪音，不需要維護(hù)，穩(wěn)定性高。
因此選擇電壓為48V的無(wú)刷直流電機(jī)作為輪椅車的行駛驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
然后確定電機(jī)的功率。
輪椅車具有平地行駛和上樓梯兩種不同的工作狀態(tài)，不同的工作狀態(tài)所需要的功率也不一樣，所以要先計(jì)算出兩種工作狀態(tài)下的電機(jī)需要的功率，然后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇電機(jī)的額定功率。
該爬樓梯輪椅車的質(zhì)量為60kg，預(yù)計(jì)最大載重量為100kg，因此該輪椅車在工作時(shí)的最大質(zhì)量為160kg。
a)平地行駛的功率計(jì)算
輪椅在平地行駛時(shí)車輪與地面為滾動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦力計(jì)算公式為
（2-6）
為車輪與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，G為輪椅整體對(duì)地面的正壓力
通過(guò)查看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得知，因此，輪椅車在平地行駛所需總功率為
（2-7）
帶入數(shù)據(jù)，求得
b)爬坡時(shí)的功率計(jì)算
輪椅在爬坡時(shí)的受力分析圖如下圖13
圖13 輪椅在坡上受力分析
由受力分析圖可以得出，輪椅在爬坡時(shí)需要的總功率為
（2-8）
帶入數(shù)據(jù)，求得
c）爬樓梯時(shí)的功率計(jì)算
輪椅車爬樓梯的動(dòng)作實(shí)際上就是行星輪架將整個(gè)輪椅車向上搬運(yùn)一階臺(tái)階的過(guò)程，輪椅車在爬樓梯的時(shí)候需要克服輪椅車質(zhì)量和承載的使用者的質(zhì)量來(lái)做功。上文已得知樓梯的踏步高度最高為210mm,因此輪椅車需克服的阻力矩為
（2-9）
爬樓梯速度最大為15階／min確定主軸轉(zhuǎn)速為：
n=5r/min
驅(qū)動(dòng)輪角速度：
（2-10）
爬樓梯所需功率為：
（2-11）
帶入數(shù)據(jù)，得
綜上所述，為了保證輪椅車的動(dòng)力，所選電機(jī)功率不能低于235.5w.
電機(jī)(圖14)參數(shù)如下表2。
圖14 電機(jī)
表2 電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
額定功率
額定轉(zhuǎn)速
額定轉(zhuǎn)矩
額定電壓
重量
機(jī)身長(zhǎng)度
w
r/min
V
Kg
mm
EM6648
400
3000
1.27
48
2
160
（2） 控制器的選擇
控制器控制整個(gè)輪椅車的運(yùn)行，輪椅車的行駛，加速，減速，轉(zhuǎn)彎還有座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)的工作全都由控制器完成?？刂破魇盏焦ぷ髦噶詈?，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的運(yùn)算再將指令下達(dá)到各個(gè)工作系統(tǒng)。
輪椅車的行駛指令離不開(kāi)控制器。
本設(shè)計(jì)選用控制器為海王鑫控制器（圖15）。
圖15 控制器
下圖分別為輪椅車的座椅調(diào)節(jié)順序圖16和輪椅行駛控制圖17。
圖16 圖17
（3） 驅(qū)動(dòng)器的選擇
驅(qū)動(dòng)器廣泛的來(lái)說(shuō)是指驅(qū)動(dòng)一些設(shè)備必須的的驅(qū)動(dòng)硬件。
驅(qū)動(dòng)器是軟件和硬件之間的橋梁，它可以接收控制器的工作指令，再將指令進(jìn)行處理之后傳遞到電機(jī)上,然后再把電機(jī)的工作情況反饋至控制器。
無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要功能是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,合適的無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速方法是保證無(wú)刷力矩電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)、滿足速度控制精度的關(guān)鍵。
在這里，我們選用步科eView EBL4820R直流無(wú)刷電機(jī)霍爾驅(qū)動(dòng)器。如下圖18。
圖18驅(qū)動(dòng)器
3.3.5蓄電池的選擇
輪椅車使用48V的蓄電池作為輪椅車的電力來(lái)源。在選擇蓄電池的時(shí)候，要注意對(duì)比各類蓄電池的電池容量，重量，壽命長(zhǎng)短和價(jià)格成本等幾方面。經(jīng)過(guò)調(diào)查分析和對(duì)比現(xiàn)在市場(chǎng)上的各種蓄電池的種類后，最終決定為該輪椅車選則免維護(hù)鉛酸蓄電池作為供電能源。
3.4輪椅各項(xiàng)參數(shù)
經(jīng)過(guò)本章的各項(xiàng)設(shè)計(jì)，最后得出輪椅車的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下表3：
表3 輪椅車參數(shù)
項(xiàng)目
大小
項(xiàng)目
大小
輪椅車長(zhǎng)度
950mm
輪椅車寬度
680mm
輪椅車高度
980mm
行星輪輪距
680mm
后車輪半徑
100mm
前車輪半徑
55mm
行星輪架半徑
145mm
傳動(dòng)軸齒輪齒數(shù)
50
第一行星齒輪齒數(shù)
35
第二行星齒輪齒數(shù)
25
驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率
400W
驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定電壓
48V
蓄電池容量
25A
3.5本章小結(jié)
這章具體介紹了輪椅車各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)情況，更加詳細(xì)的介紹了輪椅車的底架，座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元，動(dòng)力系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，給出了輪椅車的各項(xiàng)參數(shù)，大體完成了輪椅車的設(shè)計(jì)過(guò)程。其中，重點(diǎn)介紹了傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單元，選擇了行星輪機(jī)構(gòu)作為輪椅車的越障系統(tǒng)，通過(guò)行星輪機(jī)構(gòu)在爬樓梯的幾個(gè)狀態(tài)，計(jì)算出了星型輪架以及輪椅車輪的尺寸范圍。選定了電機(jī)，控制器，驅(qū)動(dòng)器以及蓄電池。
第四章 輪椅車的運(yùn)動(dòng)特性分析
4.1輪椅車的平地運(yùn)動(dòng)分析
根據(jù)輪椅車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，輪椅車在平地上的運(yùn)動(dòng)情況可以分為兩種：
1)平地行駛
假設(shè)將坐標(biāo)系固定在車體的中心，輪椅車的簡(jiǎn)化模型如圖19所示，將行星輪輪組簡(jiǎn)化成一個(gè)車輪。行星輪是驅(qū)動(dòng)輪，乘坐者通過(guò)將座椅右邊扶手上的搖桿向前推或者向后拉來(lái)驅(qū)動(dòng)輪椅車在平地上前進(jìn)或者后退，按下座椅右邊扶手上的藍(lán)色按鈕可以使輪椅車以平地行駛速度行駛。
圖19 簡(jiǎn)化模型
在直線行駛時(shí)，假設(shè)輪椅車行星輪的速度為，那么輪椅車與行星輪之間速度關(guān)系為：
（3-1）
可以看出，輪椅車直線行駛時(shí)，所有車輪的速度大小和方向都等于輪椅車行駛的速度和方向。
當(dāng)輪椅車轉(zhuǎn)向的時(shí)候，乘坐者可以通過(guò)將座椅右邊扶手的搖桿向斜方向搖動(dòng)來(lái)使輪椅車完成轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向時(shí)，行星輪連接的兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，一臺(tái)電機(jī)速度減小，帶動(dòng)電機(jī)連接的那一邊的行星輪車輪的速度減小從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
2） 翻越障礙
當(dāng)輪椅車在行駛過(guò)程中遇到無(wú)法躲過(guò)去的障礙時(shí)，首先轉(zhuǎn)向，使后輪對(duì)著障礙物，傳感器感應(yīng)到障礙之后控制離合器閉合，通過(guò)行星輪架翻轉(zhuǎn)翻越障礙。此時(shí)，前輪速度與后輪行星輪架移動(dòng)速度相同。
4.2輪椅車爬樓梯運(yùn)動(dòng)分析
輪椅車在爬樓梯時(shí)，輪椅背對(duì)樓梯，按下座椅左邊扶手褐色按鈕，將速度改變?yōu)榕罉翘菟俣?，?dāng)行星輪碰到樓梯時(shí)，行星輪輪組由自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣D(zhuǎn)，即定軸輪系變?yōu)榱诵行禽喯?，電機(jī)直接帶動(dòng)行星輪架翻轉(zhuǎn)，兩對(duì)行星輪架同時(shí)翻轉(zhuǎn)，慢慢完成爬樓梯過(guò)程。爬樓梯過(guò)程如下圖20。在爬樓梯的過(guò)程中，座椅下方的雙軸傾角傳感器感應(yīng)座椅與地面的角度來(lái)控制液壓機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)座椅前部分的高度，使座椅一直處于水平狀態(tài)，保證使用者的人生安全，避免因?yàn)橹匦母淖兌屖褂谜咛嵝牡跄憽?
1 2
3 4
5 6
7 8
9
圖20 爬樓梯過(guò)程
4.3輪椅車的行駛性能分析
4.3.1爬坡性能
輪椅車在坡道上勻速行駛時(shí)，輪椅車的受力分析簡(jiǎn)圖如下
圖21 受力分析
輪椅車上坡行駛受到的阻力大致包括坡度阻力和滾動(dòng)阻力。
坡度阻力大小就是輪椅車重力在沿坡度方向向下的分力，即
（3-2）
滾動(dòng)阻力計(jì)算方式如下
（3-3）
為滾動(dòng)阻力系數(shù)
在輪椅爬最大坡度時(shí)，輪椅車的總驅(qū)動(dòng)力應(yīng)該不小于輪椅車在地面上受到的反作用力，即
（3-4）
其中為車輪與地面之間的附著系數(shù)。
通過(guò)以上三個(gè)公式最后得出：
（3-5）
化簡(jiǎn)后 ，得
可以看出，當(dāng)知道了滾動(dòng)阻力系數(shù)與車輪與地面之間的附著系數(shù)時(shí)，就可以得到爬坡的最大角度。
4.3.2側(cè)傾角
車輛側(cè)傾角是評(píng)定車輛單側(cè)車輪同時(shí)越過(guò)障礙物的最大高度的能力和車輛
在傾斜路面行駛能力及車輛行駛穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。
如下圖所 示。輪椅車傾斜角度為的坡路上勻速直線行駛，此時(shí)輪椅的重心不會(huì)改變，當(dāng)坡道的角度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，輪椅車就會(huì)發(fā)生側(cè)翻。根據(jù)受力分析，可以得到以下公式：
（3-6）
化簡(jiǎn)，得
由上式可以看出，輪椅的重心高度與它的側(cè)傾角呈反比，可以行走的坡道的角度就越大或者是翻越的障礙物越高，但重心高度過(guò)低的話，輪椅車的底架就會(huì)變得太低，不利于輪椅車在起伏的地面上行駛。因此，設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該盡量把重心降低，增加輪椅車的穩(wěn)定性。
由上文數(shù)據(jù)可以得知，輪椅的重心高度，，通過(guò)計(jì)算最后得出。
4.3.3通過(guò)障礙最高高度
在輪椅車行駛過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，若障礙物的高度低于某個(gè)特定的數(shù)值時(shí)時(shí)，行星輪可以直接越過(guò)障礙物，但當(dāng)行星輪遇到的障礙物的高度比特定數(shù)值大時(shí)，需要通過(guò)行星輪架翻轉(zhuǎn)來(lái)越過(guò)障礙物。這一小節(jié)的目標(biāo)就是求出這一特定數(shù)值。
要測(cè)出行星輪能通過(guò)的障礙的最高高度，首先應(yīng)該讓行星輪的其中兩個(gè)車輪靠在臺(tái)階邊緣上，并且行星輪可以跨越的最高高度應(yīng)該與靠近臺(tái)階的上部分的車輪的中心線平齊，如下圖22所示。
圖22 最大高度
已知車輪半徑為r，行星輪架的半徑為R，跨越障礙的最高高度為，那么可以得出：
（3-7）
代入前文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，得
mm
如果輪椅車遇到的障礙物只需要一邊的輪來(lái)翻越，那么就要注意障礙物高度是否有超過(guò)351mm，輪椅車一側(cè)抬高351mm后，車體與水平路面會(huì)形成一定的傾角，通過(guò)計(jì)算得出此時(shí)傾角的度數(shù)，與側(cè)傾角進(jìn)行對(duì)比，如果小于側(cè)傾角，那么遇到的障礙物超過(guò)351mm時(shí)，就讓輪椅車?yán)@開(kāi)障礙物行駛，如果大于側(cè)傾角，求出在傾斜角度為側(cè)傾角度數(shù)時(shí)的越障高度，輪椅車不可以翻越此高度的障礙物。
4.3.4轉(zhuǎn)彎半徑
本設(shè)計(jì)的輪椅車沒(méi)有專門的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，這樣機(jī)構(gòu)會(huì)比較簡(jiǎn)單，更容易設(shè)計(jì)，輪椅車的轉(zhuǎn)彎是通過(guò)與行星輪相連的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的。通過(guò)控制兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，時(shí)它們的轉(zhuǎn)速變得不相同，從而達(dá)到輪椅車轉(zhuǎn)向的目的，也就是差速驅(qū)動(dòng)。差速驅(qū)動(dòng)可以分解為平移運(yùn)動(dòng)和原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
假設(shè)左右兩個(gè)車輪的速度分別為和，那么，輪椅車的轉(zhuǎn)向半徑為：
（3-8）
上式中 ，L為車輪軸線長(zhǎng)度。
4.4本章小結(jié)
本章分析了輪椅車在平地行駛以及爬樓梯時(shí)候的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)圖來(lái)模擬出了輪椅車在爬樓梯時(shí)候的行星輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，生動(dòng)形象的表達(dá)了輪椅車的運(yùn)動(dòng)特性。分別計(jì)算了輪椅車的最大爬坡角度，側(cè)傾角，翻越障礙物最高高度以及轉(zhuǎn)彎半徑四個(gè)行駛性能。
總 結(jié)
如今，隨著社會(huì)的發(fā)展，人口老齡化越來(lái)越嚴(yán)重，人口增長(zhǎng)也未曾停下速度，龐大的人口基數(shù)帶來(lái)的是需求輪椅車的數(shù)量的上升。為了解決輪椅車的供求問(wèn)題，以及方便殘障人士和老年人的生活出行，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究的輪椅車的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種適合我國(guó)國(guó)情的爬樓梯輪椅車。
本文設(shè)計(jì)出了一種可以爬樓梯的電動(dòng)輪椅車，使用行星輪輪式結(jié)構(gòu)，平地行駛時(shí)行星輪自轉(zhuǎn)，遇到障礙物或樓梯時(shí)行星輪繞輪軸公轉(zhuǎn)，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)讓輪椅車轉(zhuǎn)向，使用了液壓傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)座椅的角度，通過(guò)雙軸傾角傳感器使座椅始終保持水平狀態(tài)，讓使用者一直保持安全狀態(tài)。
輪椅車的研究涉及到很多的學(xué)科，比如機(jī)械設(shè)計(jì)，電氣專業(yè)，力學(xué)分析，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等，本設(shè)計(jì)從機(jī)械設(shè)計(jì)的方面出發(fā)，大致研究了輪椅車的結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)還有很大的內(nèi)容沒(méi)有一一寫到，需要本人今后繼續(xù)努力，知曉更多的知識(shí)，努力拓寬自己的視野，見(jiàn)識(shí)更多的學(xué)海世界。
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謝 辭
在這幾個(gè)月的的設(shè)計(jì)生活中，我感觸良多，這段時(shí)間我的學(xué)習(xí)水平一直在提高，鞏固了以前的知識(shí)。在此，特別感謝我的老師--金山海老師，老師的幫助讓我受益匪淺，在老師的幫助下我終于完成了這一畢業(yè)設(shè)計(jì)，如果不是老師的教導(dǎo)和督促，我可能做不到現(xiàn)在這個(gè)樣子，祝愿老師身體健康，工作順利。
感謝和我同組的同學(xué)，他們對(duì)我的幫助也非常大，設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到不少問(wèn)題，多虧了他們幫忙，我才得以克服困難，謝謝大家。
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