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附錄1
星輪式爬樓梯輪椅
摘要：為了實現(xiàn)輪椅爬樓梯的功能，本文設(shè)計了一種星輪爬梯機構(gòu)。通過鎖緊聯(lián)軸器、星輪爬升機構(gòu)的作用形成定軸輪系或行星輪系以實現(xiàn)平面行走和爬樓梯功能。通過穿越障礙分析得到輪椅能通過的最大高度和最小寬度的障礙物。在SolidWorks三維仿真中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析來驗證材料強度。
關(guān)鍵詞：爬樓梯輪椅；行星輪機構(gòu)；越障分析；Solidworks三維仿真分析
1引言
近些年來，輪椅正在朝著智能化發(fā)展。根據(jù)文獻(xiàn)[ 1-2 ]，輪椅已經(jīng)擁有多功能護理功能和升降功能，甚至可以在智能家居環(huán)境中使用。它不僅滿足了殘疾人士的基本需求，同時也為他們的生活提供了便捷。然而，在市場上的殘疾人輪椅采用的是普通輪式機構(gòu)，只有地上行走的功能。當(dāng)遇到上樓和下樓的情況時，這種輪椅就不能滿足爬樓梯功能。
在國內(nèi)外主要有兩種用以爬樓梯的輪椅車，一種是連續(xù)型爬樓梯輪椅車，一種是間斷型爬樓梯輪椅車。連續(xù)型爬樓梯輪椅車有能量傳遞效率高，行走時重心的偏離波動小，運動流暢和適用的地形范圍廣泛這些優(yōu)點。同時它也有一些缺點，比如它的重量太重，運動不夠靈活，在爬樓梯的時候?qū)翘莸倪吘墪┘泳薮蟮膲毫λ詫翘萦休^大的損壞，在平坦的道路上前行時會受到很大的阻力，轉(zhuǎn)向還不方便。連續(xù)型爬樓梯輪椅車雖然有行走機構(gòu)光滑的優(yōu)點，運動、功能也適用于不同大小的樓梯。但是它比連續(xù)型爬樓梯輪椅車控制要求高，操作更復(fù)雜，在地面上移動緩慢[ 3 ]。
因此，為了解決上述問題以及給老年人和殘障人士的出行提供一個性能更加優(yōu)越的交通工具，設(shè)計一款價格低廉、安全可靠的爬樓梯輪椅車是一個有很大意義和實用價值的行為。它不僅要解決用戶上下樓梯的不便，還要考慮到他們的負(fù)擔(dān)能力。
2機械設(shè)計
2.1總體設(shè)計
圖1 爬樓梯輪椅車整體結(jié)構(gòu)圖
本文中設(shè)計了一種行星輪式爬樓梯輪椅車。如圖1所示，行星輪式爬樓梯輪椅車主要由機架、行星輪機構(gòu)和傳動部件構(gòu)成。兩個由固定在機架上的兩個電機分別驅(qū)動的傳動軸控制著行星齒輪傳動裝置，從而使輪椅車能夠?qū)崿F(xiàn)爬樓梯和行走的功能。
2.2行星輪機構(gòu)設(shè)計
如圖2所示，行星輪式爬樓梯機構(gòu)包括傳動軸1、管軸2、旋轉(zhuǎn)臂3，太陽輪4，傳動齒輪5，驅(qū)動齒輪6和車輪7。傳動軸的一端與太陽輪相連并通過一個軸承懸空放置在旋轉(zhuǎn)臂上，另一個與錐齒輪軸配合。主軸上空套的管軸一端與旋轉(zhuǎn)臂固定連接，另一端連接自鎖裝置。過度齒輪5和驅(qū)動齒輪6分別懸空安裝在手臂3和車輪7上，三個軸的中軸線是等距分布的。
四組齒輪間通過各自軸的作用間接承受了整個輪椅車的重量，輪子上的齒輪繞著它自身的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)自鎖裝置分離傳動軸和管軸時，輪椅車可以在地面上平穩(wěn)行駛。通過電機驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動可以使與地面接觸的車輪獲得和齒輪同樣的角速度。
當(dāng)前車輪撞到比輪子高的障礙物停止移動時，通過鎖緊聯(lián)軸器與管軸鎖緊的傳動軸驅(qū)動管軸和手臂3旋轉(zhuǎn)，從而使得三個車輪繞著中心太陽輪的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)而實現(xiàn)翻越障礙物的功能（即爬樓梯）。
圖2 行星輪機構(gòu)
3穿越障礙分析
除了有一個很強的爬樓梯技巧之外，爬樓梯輪椅車當(dāng)然需要有一個越障的能力和一個障礙閃避系統(tǒng)[ 4 ]。本文僅對行星齒輪傳動機構(gòu)翻越障礙的能力以及爬樓梯時輪椅的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。
圖3 越障分析
如圖3所示，當(dāng)翻越障礙時車輪組必須滿足以下的關(guān)系：
a≤（3R2 - r2） （1）
其中，a是障礙物的高度；b是障礙物的寬度；r是車輪的半徑；R是車輪組中心與車輪中心之間的距離；x是梯子和行星齒輪的中心之間的距離。
為了保證兩個輪子之間不存在障礙物和前輪在攀爬障礙物后可靠地與材料接觸，當(dāng)可爬樓梯輪椅車爬上障礙物時，障礙物的寬度需要滿足以下要求：
B+2r≤R （2）
根據(jù)文獻(xiàn)[ 5 ]，對行星輪傳動機構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù)為：R = 140mm，r= 85毫米，t= 45毫米。然后通過公式（1）和（2）我們可以得到：
amax ==227(mm)
bmax = R- 2r=72(mm)
可以得出結(jié)論，行星輪式可爬樓梯機構(gòu)可以跨越障礙物的最大高度為227毫米，能跨越障礙物的最小寬度為72mm，它有一個相對較高的越障能力，并且可以滿足輪椅車在日常平坦道路上行走的要求。
4應(yīng)力應(yīng)變分析
為了在本文中驗證設(shè)計機構(gòu)結(jié)構(gòu)的強度，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)，本文選擇SolidWorks三維仿真軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)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用SolidWorks三維軟件建模的，可以直接用Solidworks三維進(jìn)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(fù)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(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果顯示在圖4-圖9。
圖4 傳動軸應(yīng)力分析
圖5 傳動軸應(yīng)變分析
圖6 管軸應(yīng)力分析
通過以上分析，我們可以了解到零件上關(guān)鍵位置的最大位移和最大應(yīng)力。在設(shè)計過程中，主要對應(yīng)力進(jìn)行了檢驗。
通過分析關(guān)鍵零件圖的結(jié)果，最大應(yīng)力在傳動軸如圖4所示的雜志部分的輸入部分上，最大應(yīng)力位于軸的直徑變化部分上，應(yīng)力為41.5 MPa。以上材料的關(guān)鍵部件是45鋼。經(jīng)過查驗材料手冊，45鋼的屈服強度為355兆帕。它大于零件的最大應(yīng)力，具有較高的安全系數(shù)，滿足設(shè)計要求。通過利用Solidworks三維仿真軟件進(jìn)行行星輪可爬樓梯輪椅車的有限元分析，既能檢查出滿足要求的強度，又可以為輪椅的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
圖7 管軸應(yīng)變分析
圖8 車輪應(yīng)力分析
圖9 車輪應(yīng)變分析
5結(jié)論
本文分析了常用的可爬樓梯輪椅車的特點，設(shè)計了一種行星輪式可爬樓梯輪椅車，通過使用行星齒輪傳動機構(gòu)擁有爬樓梯和平地行走兩種功能。通過行星齒輪傳動機構(gòu)的尺寸設(shè)計，并對越障能力的分析，我們可以獲得這種越障能力高，適應(yīng)各種不同尺寸樓梯能力強，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，安全性好的行星輪式可爬樓梯輪椅車。
附錄2