購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 摘 要 輪椅是老年人和殘疾人生活中非常重要的工具。隨著無障礙設(shè)施的增多，輪椅 使用者的活動(dòng)范圍逐步加大，但樓梯卻使輪椅受到很大限制。國內(nèi)外發(fā)明了多種星 型輪式爬樓梯輪椅，美國發(fā)明家發(fā)明的一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅 這個(gè)輪椅不僅是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，也是今后輪椅發(fā)展的方向。通過借 鑒 000 的爬樓梯方式的研究，本文在普通輪椅的基礎(chǔ)上安裝了電機(jī)，使輪椅 能調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)彎，還安裝了爬樓裝置、驅(qū)動(dòng)裝置以及控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種簡單 的爬樓梯電動(dòng)輪椅。本 設(shè)計(jì)能很好的解決樓梯或路障對(duì)老年人和殘疾人生活造成的 不便，提高行動(dòng)自由度，重新更好的融入社會(huì)。 關(guān)鍵詞 ： 輪椅，控制系統(tǒng)，兩輪式，機(jī)械系統(tǒng) I 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 is an a a _ . 4000 s 4000 of to a a 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 目 錄 第一章 前言 . 1 究背景 . - 究意義 . 2 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì) . 2 研究的主要問題及解決的主要問題 . 7 本章小結(jié) . 8 第二章 總體設(shè)計(jì) . 9 概述 . 9 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 10 本章小結(jié) . 15 第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 16 兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)組成 . 16 兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅功率計(jì)算 . 16 平地行走的機(jī)械結(jié)構(gòu) . 18 爬樓梯裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu) . 25 兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅裝配圖 . 28 本章小結(jié) . 29 第四章 重要部件的校核 . 30 從動(dòng)軸的校核計(jì)算 . 30 鍵的校核 . 36 軸承的校核 . 36 本章小結(jié) . 38 第五章 電氣控制設(shè)計(jì) .兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅電機(jī)選型 . 39 電池選擇 . 40 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 40 本章小結(jié) . 49 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第六章 結(jié)論與展望 . 50 結(jié)論 . 50 展望 . 50 本章小結(jié) . 50 第七章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 .市場前景分析 . 51 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析 . 51 社會(huì)效益分析 . 52 本章小結(jié) . 52 參考文獻(xiàn) . 53 致 謝 . 55 附 錄 . 56 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第一章 前 言 究背景 智能輪椅的相關(guān)研究開始于 1986 年。經(jīng)過 20 多年的研究，世界各國的研究者 相繼開發(fā)了多種智能輪椅平臺(tái)。但是目前的智能輪椅基本上采用與移動(dòng)機(jī)器人相同 的技術(shù)方案，因而成本很高，難以進(jìn)入普通家庭 。 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，樓梯的出現(xiàn)是人類建筑史上一個(gè)重要的成就，它不僅縮 小了房屋的建筑面積、利用了有限的生存空間，而且為進(jìn)出高層建筑物提供了方便 的通道。尤其是在人口量日益增長、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代化社會(huì)中，為了提高人均 住房面積，改善人們的生活質(zhì)量，高樓別墅不斷涌現(xiàn)，然而樓梯在發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的同時(shí)， 它也對(duì)老年人、肢體殘障人士出行帶來了很多不便 ，對(duì)他們的行動(dòng)造成了障礙，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。 一方面，人口老齡化問題越來越嚴(yán)重。聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事務(wù)部發(fā)表的 2007 年界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)調(diào)查報(bào)告指出 :“由于人口出生率下降和壽命增長，全球大多數(shù) 國家迅速老齡化，從 2005 年到 2050 年，世界人口增加的一半將為 60 歲以上的老 年人，歲以上人口將從 9000 萬增加到 4 億。”我國也己經(jīng)步入了老齡化社會(huì)，目 前我國 60 及以上的老年人己達(dá) ，預(yù)計(jì)到 2050 年老齡人 口將超過 4 億，占 社會(huì)總?cè)丝诘?3 左右。 另一方面，殘疾人的數(shù)量也在大幅增加。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)，全球殘疾人占世界總 人的 10%。截至 2006 年，我國第二次殘疾人抽樣調(diào)查顯示，全國各類殘疾人總數(shù) 己達(dá) 82 萬人，占全國總?cè)丝诘?較 1987 年增加了 2132 萬人。值得注意的 是，由于工和交通事故、體育運(yùn)動(dòng)傷和自然災(zāi)害等原因造成的肢體殘障者的數(shù)量大 幅上升，約占有殘疾人數(shù)量的 30%。在 2008 年“ 震中全國受傷人數(shù)高達(dá) 37 萬多，這些數(shù)都表明了殘疾人數(shù)量的顯著增大。 老年人和殘疾人比例的顯著增加給經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展都帶來了很大的影響，醫(yī) 療護(hù)理、社會(huì)服務(wù)等各方面需求的壓力也越來越大。為關(guān)心老年人、殘疾人的生活， 改善他們的生活質(zhì)量，減輕醫(yī)療護(hù)理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助殘運(yùn)動(dòng)裝置 也應(yīng)運(yùn)而生 。 - 1 - 1 25 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 究意義 目前，大多數(shù)年老體弱者及肢體傷殘者都選擇輪椅作為他們的代步工具，尤其 是隨著無障礙設(shè)施的增多，輪椅的使用范圍越來越廣。輪椅也由手動(dòng)輪椅、電動(dòng)輪 椅趨向智能輪椅的方向發(fā)展，但是它們一般僅適合在平地上使用，很 少有具備爬樓 和翻越路障的能力，樓梯和路障使輪椅的使用受到了很大的限制，而國內(nèi)城市以多 層公寓式樓房居多，尤其是在中小城市中，電梯的使用還沒有普及到所有的居民住 宅，這也給輪椅用戶造成不便 。 為了給老年人和殘疾人提供性能優(yōu)越的代步工具，解決樓梯或路障對(duì)他們生活 造成的不便，幫助他們提高行動(dòng)自由度，重新融入社會(huì) ，研究輪椅已成為現(xiàn)代社 會(huì)最為重要的事情。輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的最優(yōu)代步工具， 隨著無障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍逐步加大，樓梯卻使輪椅受到很大 限制，這促使人們迫切 的研究輪椅。連續(xù)型爬樓梯輪椅工作效率高，爬樓梯的速度 較快；間歇型的爬樓梯輪椅因兩套支撐裝置交替支撐，爬樓梯的速度慢一些；星形 輪式爬樓梯輪椅的活動(dòng)范圍廣，運(yùn)動(dòng)靈活，但是上下樓梯時(shí)平穩(wěn)性不高；履帶型爬 樓梯輪椅的技術(shù)比較成熟，傳動(dòng)效率比較高，行走重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)， 但是運(yùn)動(dòng)不夠靈活，對(duì)樓梯有一定的損壞，這限制了其在日常生活中的推廣應(yīng)用 。 國內(nèi)外尚沒有體積小巧、操作簡單、價(jià)格低廉，適用于居民樓梯和廣大殘疾人 及老年人的爬樓梯輪椅。盡管 種多功能高智能的輪椅是發(fā)展方向，我 國“ 863”等國家計(jì)劃也支持一些單位研發(fā)了具有視覺、聲音及語音控制等功能的 智能輪椅 ，但是從我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和需求人群的經(jīng)濟(jì)條件來看，研究一種價(jià)格 適宜、小巧輕便的多功能爬樓梯裝置才具有重大的意義和實(shí)用價(jià)值。 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點(diǎn) 智能輪椅是智能型電動(dòng)輪椅的簡稱。智能輪椅的種類很多，目前尚沒有一個(gè)統(tǒng) 一的或權(quán)威性的定義。高性能智能輪椅通常同時(shí)具有電動(dòng)輪椅與智能機(jī)器人的多種 功能。作為一種典型的服務(wù)機(jī)器人，智能輪椅不但可以為老年人和殘疾人 提供一種 良好的代步工具，而且可以具有自主導(dǎo)航、自主避障、人機(jī)對(duì)話等服務(wù)機(jī)器人所具 - 2 - 2 3 45 6 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 有的各種功能，因而可以幫助殘疾人和老年人提高自己的生活自理能力和工作能 力，使他們更好地融入社會(huì)。智能輪椅是以人為中心的系統(tǒng)，因此其控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)并不是自主性越高越好，而是應(yīng)該考慮到使用者的具體需要，不但要考慮到使用 者對(duì)各種功能的需要，而且需要考慮到使用者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力。中國開展智能輪椅 的研究較晚，但也根據(jù)自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，開發(fā)出了有特色的智能輪椅。輪椅 平臺(tái)包括中科院自動(dòng)化所的多 模態(tài)交互智能輪椅、采用嵌入式控制系統(tǒng)智能輪椅， 上海交通大學(xué)的多功能智能輪椅，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院基于頭部動(dòng)作的智能 輪椅等等。 國外對(duì)爬樓梯裝置的研究開始得相對(duì)較早，最早的專利是 1892 年美國的 明的爬樓梯輪椅 。此后，各國紛紛開始投入此項(xiàng)研究，其中美國、英國、德國 和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。我國對(duì) 此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專利，然而投入實(shí) 際使用的還很少 。 下面對(duì)國外、國內(nèi)各種類型裝置的發(fā)展作簡要介紹，并 分析其各自優(yōu)缺點(diǎn)。 1履帶式爬樓梯輪椅 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，其原理簡單，技術(shù)也 比較成熟。英國 司開發(fā)的一種電動(dòng) 輪椅車，底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié) 構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為 35º，上下樓梯速度為每分鐘 15臺(tái)階。法國 司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng) 遇到樓梯等特殊地形時(shí)，用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然 后把這四個(gè)車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等 功能。日本長崎 大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基礎(chǔ)上，研究了一種代號(hào)為“ 雙履帶式 的爬樓梯裝置，即左右兩側(cè)各有兩組履帶相互連接在一起，解決了在水平狀態(tài)與樓 梯傾角切換時(shí)，座椅傾角過大而影響使用安全的問題，如圖 示。 履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，且使用地 形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作 為普通的電動(dòng)輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處：重量大、運(yùn)動(dòng)不夠靈 活、爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對(duì)樓梯有一定 的損壞，且平地使用時(shí)所受 阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用 。 - 3 - 7 8 912 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 （ a） 國） （ b） 國） （ c） 本） 圖 履帶式爬樓梯輪椅 2輪組式爬樓梯輪椅 輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個(gè)數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四 輪組式。按照所使用的輪組的對(duì)數(shù)不同又可分為單輪組式和雙輪組式。單輪組式是 指裝置中僅使用了一對(duì)輪組；而雙輪組式是指在裝置的前 后各使用了一對(duì)輪組。每 個(gè)輪組依照星形輪系的運(yùn)動(dòng)方式，各個(gè)小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著 系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。平地行走時(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)，而爬樓梯時(shí)，各小輪一起公轉(zhuǎn)。 單輪組式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在爬樓過程中需要有人協(xié)助才能保證重心的穩(wěn)定；而雙 輪組式雖能實(shí)現(xiàn)自主爬樓，但由于其體積龐大且偏重，影響了它的使用范圍。 美國著名發(fā)明家 明的一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅 有 6 個(gè)輪子，前面有一對(duì)實(shí)心腳輪，后面有兩對(duì)行星結(jié)構(gòu)的充氣輪 胎，通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上 下樓梯。 乎能適用于所有樓梯，此外 它也能在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上行駛，而且后輪可以直立行走，為使用者提供 了更多方便之處，幫助他們能達(dá)到正常人的高度。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是在輪椅重心安 裝了陀螺儀，控制器根據(jù)陀螺儀的信號(hào)調(diào)整重心的位置，使輪椅能在不同狀態(tài)下保 持平衡。經(jīng)過數(shù)十年的研究開發(fā)，它己經(jīng)由 展到了 能 也越來越強(qiáng)大，是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，它的售價(jià)在 3 萬美元左右，相當(dāng) 于一輛中檔橋車的價(jià)格，難以被普通使用者接受。 - 4 - 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 我國在上世紀(jì)八十年代對(duì)輪組式爬樓梯裝置已有研究， 1987 年專利號(hào)為 86210653 的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運(yùn)行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都 用多個(gè)星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下樓。國內(nèi)外發(fā)明了多種星 型輪式爬樓梯輪椅，除了 大多數(shù)都采用 3 個(gè)或者 3 個(gè)以上星型輪 。 內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了 爬樓方式，采用星形 輪系作為爬樓梯機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅。改進(jìn)輪椅爬樓時(shí) 需要人工輔助或者樓梯扶手 的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。東南 大學(xué)機(jī)械學(xué)院設(shè)計(jì)的爬樓輪椅采用了四組星形輪，每三個(gè)一組，共十二個(gè)輪子，除 能爬樓梯外還具有遙控的功能，如圖 示。 輪組式爬樓梯裝置的活動(dòng)范圍廣，運(yùn)動(dòng)靈活，但是上下樓梯時(shí)平穩(wěn)性不高，重 心起伏較大，會(huì)使乘坐者感到不適。此外，輪組式爬樓梯裝置體積較大，很難在普 通住宅樓梯上使用。 （ a）兩輪組式 （ b）三輪組式 （ c）四輪組式 （ d）雙輪組式 圖 輪組式爬樓梯輪椅 3步行式爬 樓梯輪椅 早期的爬樓梯輪椅一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組 成。上樓時(shí)先將輪椅抬高，再水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過程直至爬完一段樓 梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動(dòng)作，外觀可視為足式機(jī)器人，采用多條機(jī) 械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。 - 5 - 1316 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 日本早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院高西淳夫教授的研究室以及日本機(jī)器人開發(fā)風(fēng)險(xiǎn) 企業(yè) 合開發(fā)的雙足行走機(jī)器人“ ，它由兩條機(jī)械腿支撐一個(gè) 座椅構(gòu)成，每條機(jī)械腿有 6 個(gè)自由度，可向前、后、側(cè)面移動(dòng)， 座椅底部裝有陀螺 儀，每條腿上裝有壓力傳感器，通過傳感器采集信息，控制其實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)保持重 心平穩(wěn)。“ 兩腿前后伸展距離最長為 ，左右最長 ，每條 腿上下運(yùn)動(dòng)幅度最大 ，如圖 示。 日本長崎大學(xué)機(jī)械工程系研究了一種高階爬樓梯裝置，它由一系列液壓操作桿 和前后兩組星型輪構(gòu)成，集步行式與輪組式設(shè)計(jì)理念于一體。裝置通過星型輪的翻 轉(zhuǎn)上下樓梯，座椅底部的傳感器檢測裝置的平衡情況，控制操作桿自動(dòng)調(diào)節(jié)使裝置 在爬樓過程中始終位于穩(wěn)定裕度內(nèi)。在平地使用時(shí)，操作 桿可以折疊于座椅底部， 節(jié)省了使用空間。它的最大優(yōu)點(diǎn)是爬樓幅度較高，甚至能自行上下貨車。 步行式爬樓梯裝置爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯，但它對(duì)控制的要求 很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度不大，動(dòng)作緩慢。此外，座椅距地面 的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離 。 圖 步行式爬樓梯輪椅 從以上不難看出，履帶型爬樓梯輪椅的技術(shù)比較成熟，傳動(dòng)效率比較高，行走 重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，但是運(yùn)動(dòng)不夠靈活，對(duì)樓梯有一定的損壞，這限制 了其在日常生活中的推廣應(yīng)用；輪組式爬樓梯輪椅的活動(dòng)范圍廣，運(yùn)動(dòng)靈活，但是 上下樓梯時(shí)平穩(wěn)性不高；步行式爬樓梯輪椅因兩套支承裝置交替支承，爬樓梯的速 度一般較慢。 - 6 - 17 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 國內(nèi)外尚沒有體積小巧、操作簡單、價(jià)格低廉，適用于居民樓梯和廣大殘疾人 及老年人的爬樓梯輪椅。盡管 種多功能高智能的輪椅是發(fā)展方向，我 國“ 863”等國家計(jì)劃也支持一些單位研發(fā)了具有視覺、聲音及語音控制等功能的 智能輪椅，但是從我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和需求人群的經(jīng)濟(jì)條件來看，結(jié)構(gòu)緊湊、小巧 輕便，如 小，功能單一的低價(jià)格爬樓梯輪椅，以及在現(xiàn)有輪椅上加裝 簡單的輔助裝置就可以爬樓梯的輪椅，將會(huì)比多功能高價(jià)格的智能輪椅更具有市場 潛力和社會(huì)價(jià)值 。 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展趨勢(shì) 綜上所述，應(yīng)用智能技術(shù)于智能輪椅取得了一定的成效，研制出了很多面向行 動(dòng)不便人群的輔助行走電動(dòng)輪椅，功能多樣化，基本上滿足了行動(dòng)不便人士要求， 但也要看到智能輪椅還停留在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)定做，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，所以在研 究上仍有許多空間。未來的研究將會(huì)向以下幾個(gè)方向發(fā)展： 1智能化 智能輪椅要走 向?qū)嶋H應(yīng)用，必須綜合應(yīng)用智能技術(shù)，優(yōu)化控制算法，增強(qiáng)自動(dòng) 規(guī)劃和基于傳感智能，如實(shí)現(xiàn)自然語言控制、視覺平滑控制、惡劣環(huán)境下自如行走 等。也應(yīng)結(jié)合一些新科技如計(jì)算機(jī)通訊、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)適應(yīng)遠(yuǎn)程通訊的需要。 2人性化 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮行動(dòng)不便者需求，從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計(jì)安全、舒適、合 理的智能輪椅，如增加輪椅可以上升的功能，以便使用者和正常人對(duì)話；選擇透氣 性好的坐墊；安裝報(bào)警裝置；使輪椅操作方式盡可能簡單等。 3模塊化 智能輪椅要批量生產(chǎn)，必須實(shí)現(xiàn)模塊化，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)由基本模塊和各個(gè)功能模 塊構(gòu)成，每 個(gè)功能模塊負(fù)責(zé)一種功能，用戶可以根據(jù)需求選擇，配置最合適的輪椅， 同時(shí)模塊化也能降低成本，提高性價(jià)比。 隨著人工智能、模式識(shí)別、圖像處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能 輪椅的功能將更為完善、豐富，也將真正進(jìn)入老年人和殘障人士的生活 。 研究的基本問題和解決的問題 研究的基本問題 - 7 - 5 8 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，隨著無障礙設(shè)施的增 多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍逐步加大，但樓梯卻使輪椅受到很大限制。國內(nèi)外發(fā)明 了多種星型輪式爬 樓梯輪椅，其中比較著名的是美國發(fā)明家發(fā)明的一種能自動(dòng)調(diào)節(jié) 重心的兩輪組式輪椅 目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，也是今后輪椅發(fā) 展的方向。而國內(nèi)的爬樓梯裝置在這方面的研究較少，通過對(duì)兩輪組式爬樓裝置機(jī) 構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)一種簡單的兩輪式星型爬樓梯裝置，從而將其應(yīng)用于輪椅方面，解 決輪椅爬樓越障的難題。 解決的問題 本題目“”，要求了解兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅的結(jié) 構(gòu)，掌握其組成和工作方式，完成兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)輪椅這個(gè)不可缺少的代步工具進(jìn) 行了簡單的背景介紹，然后說明了 研究兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅的重要意義，并且根據(jù)爬樓梯輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)分 析了各類爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)。履帶式爬樓梯裝置對(duì)樓梯損壞太大，且體積大、質(zhì) 量重，不適于家居使用；步行式爬樓梯裝置不僅體積龐大，缺乏靈活性且控制復(fù)雜， 技術(shù)要求較高；其他附加的輔助裝置雖然穩(wěn)定性相對(duì)較好，然而由于其不能和輪椅 融為一體，限制了它的使用范圍。綜合考慮以上這些因素，采用輪式結(jié)構(gòu)的方案相 對(duì)而言更加實(shí)際。 - 8 - 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第二章 總體設(shè)計(jì) 概述 輪椅是年老 體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，隨著無障礙設(shè)施的增 多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍逐步加大，但樓梯卻使輪椅受到很大限制。國內(nèi)外發(fā)明 了多種星型輪式爬樓梯輪椅，其中比較著名的是美國發(fā)明家發(fā)明的一種能自動(dòng)調(diào)節(jié) 重心的兩輪組式輪椅 圖 示，是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，也 是今后輪椅發(fā)展的方向。 圖 美國 輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個(gè)數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四 輪組式。按照所使用的輪組的對(duì)數(shù)不同又可分為單輪組式和雙輪組式。單輪組式是 指裝置中僅使用 了一對(duì)輪組；而雙輪組式是指在裝置的前后各使用了一對(duì)輪組。每 個(gè)輪組依照星形輪系的運(yùn)動(dòng)方式，各個(gè)小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著 系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。星型輪多的優(yōu)點(diǎn)是輪椅爬樓梯時(shí)的穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是體積 較大，很難在普通住宅樓梯上使用，這也是星型輪式爬樓梯輪椅盡管發(fā)明專利很多， 真正實(shí)施和推廣很少的主要原因。目前 星型輪機(jī)構(gòu)爬樓梯輪椅中性能 指標(biāo)最高的產(chǎn)品，它結(jié)構(gòu)非常緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、操作簡便。而國內(nèi)的爬樓梯裝置在 - 9 - 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 這方面的研究較少，考慮到我國的基本國情以 及使用與開發(fā)條件的限制，通過借鑒 爬樓梯方式的研究，設(shè)計(jì)一種簡單的兩輪組式星型爬樓梯裝置，從而 將其應(yīng)用于輪椅方面，解決輪椅爬樓越障的難題。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅主要由以下四部分組成：車身、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行電 機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。車身包括座椅和支撐座椅的框架，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由齒輪 組成。裝置底部安裝兩組車輪，前后各一組。前面一組是驅(qū)動(dòng)輪，通過電機(jī)分別驅(qū) 動(dòng)左右兩個(gè)輪子，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輪椅速度和輪椅轉(zhuǎn)向問題。后面四個(gè)是爬樓輔助輪， 通過后置電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，完成 翻轉(zhuǎn)過程。簡圖如圖 示 圖 簡圖 多功能爬樓梯裝置的外形參數(shù)如下： 總體長度： 1020 一 1090 總體寬度： 550 一 600 平地驅(qū)動(dòng)輪直徑： 350 爬樓輔助輪直徑： 290 平地行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 10 - 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 裝置在平地?zé)o障礙情況下運(yùn)動(dòng)時(shí)類似于普通的電動(dòng)輪椅。傳統(tǒng)的電動(dòng)輪椅普遍 采用后輪驅(qū)動(dòng)的方式，即前輪采用萬向輪，后輪作為驅(qū)動(dòng)輪，前萬向輪根據(jù)后驅(qū)動(dòng) 輪的行進(jìn)方向及時(shí)自動(dòng)調(diào)整以使其與后驅(qū)動(dòng)輪保持 一致。這種設(shè)計(jì)方法存在一個(gè)不 足之處；由于此時(shí)前輪肩負(fù)轉(zhuǎn)向的功能，驅(qū)動(dòng)力作用于后輪，在改變車體的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)時(shí)，如由靜止到啟動(dòng)，或者行進(jìn)方向發(fā)生變化的情況下，前萬向輪不能立即切換 方向，必須有一段自我調(diào)節(jié)的時(shí)間，這樣會(huì)造成車頭搖擺、晃動(dòng)，影響使用的安全 性。本裝置采用前輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，即驅(qū)動(dòng)力作用于前輪，后輪為從動(dòng)輪，在前 輪的作用下被動(dòng)前進(jìn)。由此，前輪既是驅(qū)動(dòng)輪又是轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向時(shí)的行進(jìn)方向便容 易控制，轉(zhuǎn)向性能得到改善，不容易出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象，使用安全性得到了提高 。 前驅(qū)動(dòng)輪通過兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，經(jīng) 過蝸輪蝸桿減速器減速，實(shí)現(xiàn)輪子運(yùn)行。 通過調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)輪椅的調(diào)速和轉(zhuǎn)向，使裝置轉(zhuǎn)向靈活，易于控制。 當(dāng)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同時(shí)，輪椅直行；由于輪椅的平地運(yùn)行速度不大，本文采用原 地轉(zhuǎn)彎方式，即左轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，左電機(jī)停止，右電機(jī)保持轉(zhuǎn)速不變，從而實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn) 彎；輪椅右轉(zhuǎn)，反之亦然。它的使用簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且降低了系統(tǒng)的重量和成 本，如圖 示。 圖 前驅(qū)動(dòng)輪示意圖 - 11 - 2， 18 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 爬樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1爬樓結(jié)構(gòu) 兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅的爬樓裝置 由四個(gè)輔助輪翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。四個(gè)爬樓輔助輪的 設(shè)計(jì)采用雙聯(lián)星形輪機(jī)構(gòu)，裝置的操作開關(guān)在扶手上，上面裝有控制開關(guān)，它用于 切換主電源，完成平地與爬樓功能的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)平地運(yùn)行時(shí)的速度與方向控制。 星形輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅的爬樓梯機(jī)構(gòu)由均勻分布在“ Y”形或“”字形系 桿上的若干個(gè)小輪構(gòu)成。各個(gè)小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著系桿一起 繞中心軸公轉(zhuǎn)。在平地行走時(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)，而在爬樓梯時(shí)各小輪一起公轉(zhuǎn)，從而 實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。本文輪椅采用了雙聯(lián)星形輪機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了 2行星輪系為 輪椅爬樓梯的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 爬樓輔助輪尺寸相同，同側(cè)的兩個(gè)后輪軸是相聯(lián)的，左右兩側(cè)也是相連的。四 個(gè)爬樓輔助輪的連接示意圖和行星輪系工作原理如圖 示，通過電機(jī)直接相連、 外嚙合式定軸輪系、內(nèi)嚙合式定軸輪系和行星輪系 4 個(gè)結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比，選擇設(shè)計(jì) 了 2行星輪系。電機(jī)和太陽齒輪 1 相連，通過兩者轉(zhuǎn)速的匹配，使行星輪 2 （ 2）和轉(zhuǎn)臂 H 按一定的角速度圍繞中心太陽輪 1 做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂和星形輪兩軸 之間的連桿采用固定連結(jié)構(gòu)，從而使兩軸發(fā)生翻轉(zhuǎn) 。 1、中心齒輪； 2（ 2） 、行星齒輪； 3、中心內(nèi)齒輪； H、轉(zhuǎn)臂； M、專用電動(dòng)機(jī) 圖 電動(dòng)爬樓梯輪椅翻轉(zhuǎn)原理圖 - 12 - 19 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 2爬樓過程分析 爬樓運(yùn)動(dòng)時(shí)，前輪離開地面，僅由四個(gè)爬樓輔助輪支撐著地。以上樓梯方向?yàn)?例，裝置在臺(tái)階上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在驅(qū)動(dòng)軸的作用下，所有后輪由中軸上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 隨中軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，兩對(duì)輪交替進(jìn)行翻爬樓梯。在爬樓過程中，每個(gè)時(shí)刻都至少有兩 個(gè)車輪著地，且受力點(diǎn)對(duì)稱。 圖 兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅的爬樓過程圖，本文設(shè)計(jì)的爬樓裝置上樓運(yùn)動(dòng) 過程與 樣。正常行駛情況，由前面兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)四 個(gè)爬樓輔助輪運(yùn) 行，四個(gè)爬樓輔助輪并列成為一排，此時(shí)后置電機(jī)不工作。在遇到樓梯的時(shí)候，使 用者按操作手柄上的切換按鈕，使平地行走電機(jī)停止同時(shí)爬樓電機(jī)啟動(dòng)，通過系桿 帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，隨中軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，兩對(duì)輪交替進(jìn)行翻爬。 圖 裝置上樓運(yùn)動(dòng)過程 3爬樓梯性能分析 目前，在國際上處于領(lǐng)先地位的爬樓梯裝置是美國的 理是基于傳統(tǒng) 的星形輪系的運(yùn)動(dòng)方式，兩個(gè)車輪既可以繞各自軸線自轉(zhuǎn)，也可以隨著系桿一起繞 中心軸公轉(zhuǎn)。 樓輔助輪的直徑是 301文設(shè)計(jì)的爬樓輔助輪的直徑為 290 運(yùn)動(dòng)軌跡圖，軌跡半徑約等于車輪的半徑，爬樓速度較快，星形 輪每公轉(zhuǎn) 1 周能翻越 2 個(gè)臺(tái)階。 - 13 - 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 圖 運(yùn)動(dòng)軌跡圖 由于采用與 類似的爬樓梯原理，因此在爬樓梯時(shí)也像 樣，但是需要有樓梯扶手或者一個(gè)助手輔助，其主要作用是提供一個(gè)輔助支撐，使 得在爬樓梯過程中能夠安全地調(diào)整位置和重心。由于重心較低，輪子較大，所以助 手需要提供的輔助支撐力比較小。盡管輪椅在爬樓梯時(shí)需要提供輔助支撐，但是這 卻使得 輪椅結(jié)構(gòu)更緊湊，而且也不存在過去設(shè)計(jì)的不需要輔助支撐的自主爬樓梯輪 椅、車輪和臺(tái)階之間定位困難、重心不好控制、導(dǎo)致安全性不高、難以推廣使用的 問題，本文設(shè)計(jì)的雙聯(lián)星形輪機(jī)構(gòu)爬樓梯輪椅結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，實(shí)用性強(qiáng)。 為使這款裝置能滿足普通居民的使用需求，需要了解我國普通住宅的樓梯尺 寸。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)住宅設(shè)計(jì)規(guī)范（ 一 1999）的規(guī)定： “住宅樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于 ， 6 層及 6 層以下住宅，一邊設(shè)有欄桿的梯段 凈寬不應(yīng)小于 1 米（樓梯梯段凈寬系指墻面至扶手中心 之間的水平距離）。住宅樓 梯踏步寬度不應(yīng)小于 260步高度不大于 175度為 接近舒 適性標(biāo)準(zhǔn)”。普通住宅的層高一般為 一級(jí)臺(tái)階高度是 145算，共 19 個(gè)臺(tái)階 。 裝置與車輪尺寸的設(shè)置以上述普通住宅樓梯尺寸的要求為基準(zhǔn)。裝置的總體寬 度應(yīng)小于梯段凈寬并留有余量 :爬樓輔助輪的直徑應(yīng)不大于樓梯踏步寬度，從而確 保樓梯有足夠的空間放置此裝置，而裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的最高點(diǎn)（約為車輪半徑 與驅(qū)動(dòng)軸之間距離的和）應(yīng)大于踏步的高度。本文設(shè)計(jì)的裝置總體寬度是 550樓輔助輪的直徑為 290 - 14 - 2 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 本章小結(jié) 本章首先對(duì)兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅進(jìn)行了簡單的概述，給出了兩輪式爬樓梯電 動(dòng)輪椅的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，總體設(shè)計(jì)方案里分別介紹了平地行走結(jié)構(gòu)和爬樓梯結(jié) 構(gòu)，并且重點(diǎn)介紹了爬樓部分的組成與構(gòu)造，還對(duì)爬樓的機(jī)理和過程進(jìn)行了詳細(xì)分 析。 - 15 - 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)組成 結(jié)構(gòu)主要包括車架、座椅、平地行走裝置、爬樓裝置四部分。這些是輪椅的重 要支撐體，相當(dāng)于人的軀體、手和腳。下面分別介紹四部分的結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成。 車架：車架是輪椅的支撐體，主要由 30圓鋼管焊接而成，底下安裝有 六個(gè)車輪，兩個(gè)前輪為 350個(gè)爬樓梯輔助輪為 290 距地面 850有一扶手，用來推動(dòng)爬樓車時(shí)方便扶手。 座椅：座椅是支撐人的構(gòu)件，其材料為高強(qiáng)度工程材料制成。 平地行走裝置：前驅(qū)動(dòng)輪通過兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速， 實(shí)現(xiàn)輪子運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)輪椅的調(diào)速和轉(zhuǎn)向，使裝置轉(zhuǎn)向 靈活，易于控制。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速相同時(shí)，輪椅直行；由于輪椅的平地運(yùn)行速度 不大，本文采用原地轉(zhuǎn)彎方式，即左轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，左電機(jī)停止，右電機(jī)保持轉(zhuǎn)速不 變，從而實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎；輪椅右轉(zhuǎn)，反之亦然。它的使用簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且降低 了系統(tǒng)的重量和成本。減速器主要是用鋁合金材質(zhì)，小巧輕便。 爬樓裝置：電機(jī)直接與設(shè)計(jì)的 2行星輪系相連。電機(jī)和太陽齒輪相連， 通過兩者轉(zhuǎn)速的匹配，使行星輪和轉(zhuǎn)臂按一定的角速度圍繞中心太陽輪做公轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，轉(zhuǎn)臂和星形輪之間的系桿采用固定連接結(jié)構(gòu)，從而使兩軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)。 兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅功率計(jì)算 根據(jù)裝置平地和爬樓兩種不同的運(yùn)動(dòng)情形，分別計(jì)算兩種驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的功 率。輪椅本身的質(zhì)量大約為 50載人員的最大體重平均為 80此車體和 人員的總質(zhì)量大約為 130總質(zhì)量由兩個(gè)前驅(qū)動(dòng)輪和四個(gè)后輔助爬樓梯輪共同 分擔(dān)，設(shè)定前兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪承受總質(zhì)量的 60%，四個(gè)輔助爬樓梯輪承受總質(zhì)量的 40%， 取輪胎與地面之間的摩擦系數(shù)為 µ 。 平地所需功率 前驅(qū)動(dòng)輪在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，克服與地面之間的摩擦力 轉(zhuǎn)前進(jìn)，同時(shí)帶動(dòng)四個(gè) 爬樓輔助輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，爬樓輔助輪克服與地 面之間也存在一定的摩擦力 置在 平地上能夠正常行駛的條件是： 2 - 16 - 2 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 前驅(qū)動(dòng)輪承受的正壓力： N = 0. 5× (G +G ) × 60 1 車 人 后輔助輪承受的正壓力： N = (G +G ) × 40 2 車 人 前驅(qū)動(dòng)輪承受的水平摩擦力： µ 后輔助輪承受的水平摩擦力： µ 2足 正常行駛條件。 前驅(qū)動(dòng)輪的直徑 350 ，后輔助輪的直徑 290 。根據(jù)裝置運(yùn)行速度 和車輪直徑，可計(jì)算得各參數(shù)如下。 平地運(yùn)動(dòng)最大速度為： m/s 1 1 1 1 1 前驅(qū)動(dòng)輪最大切向加速度為： a= F1/m= m/s 前驅(qū)動(dòng)輪最大角加速度為： = a/()= s 前驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J= 2= 8= m ( 取驅(qū)動(dòng)輪質(zhì)量 前驅(qū)動(dòng)輪 所需的轉(zhuǎn)矩為： m= · m 前驅(qū)動(dòng)輪所需的功率為： 1 1/ = （由于采用蝸輪蝸桿減速器所 以設(shè)電機(jī)的機(jī)械效率 50） 樓梯所需功率 裝置在爬樓時(shí)需要克服車體和人的重力做功，車體和人組成的整個(gè)系統(tǒng)的重心 位于整車的后半部分，估算重力作用線與驅(qū)動(dòng)軸之間的垂直距離 L 100 處 爬樓梯運(yùn)動(dòng)最大速度為： 0.2 m/s 所需克服阻力矩為： G× L=(50+80)× · m 2 2 2 2 2 - 17 - 2 2 2 2 2 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 爬樓時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大所需功率為：