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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)明的一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅-IBOT， 這個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 IBOT 4000 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，使輪椅 能調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)彎，還安裝了爬樓裝置、驅(qū)動裝置以及控制系統(tǒng)，設(shè)計了一種簡單 的爬樓梯電動輪椅。本設(shè)計能很好的解決樓梯或路障對老年人和殘疾人生活造成的 不便，提高行動自由度，重新更好的融入社會。 關(guān)鍵詞 ：輪椅，控制系統(tǒng)，兩輪式，機械系統(tǒng) I Abstract Wheel-chair is an important tool for the elderly and the disabled. With the increased of barrier-free facilities, wheelchair users enlarged gradually the scope of activities, but staircase limited the wheelchair using .Inventors invented a variety of star-wheel stair climbing wheelchair at home and abroad, the US inventor invented a wheelchair _IBOT which can automatically adjust the focus of two rounds of group-type . The IBOT 4000 not only the realm neuter gender's tallest product of ability currently, but also will develop from now on of direction. Through draw lessons from IBOT 4000 of climb the research of stairs method, this text installed electrical engineering on the foundation of common wheel chair, which made the wheel chair able to regulate speed and turn. Installed to climb building device and drive to equip and control system, designed a kind to in brief climb the stairs dynamoelectric wheel chair. This design made a good solution to stairs or roadblocks which bring of inconvenience for the disabled, helping them enhance the freedom of action and make better to integrate into the community. Key words：Wheelchair, control system, two-wheeled type, mechanical structure 目 錄 第一章 前言 .................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ..........................................................................................................- 1 - 1.2 研究意義 .............................................................................................................. 2 1.3 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢 ......................................................... 2 1.4 研究的主要問題及解決的主要問題 ................................................................. 7 1.5 本章小結(jié) ............................................................................................................. 8 第二章 總體設(shè)計.............................................................................................. 9 2.1 概述 ..................................................................................................................... 9 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................................... 10 2.3 本章小結(jié) ........................................................................................................... 15 第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..................................................................................... 16 3.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構(gòu)組成 ................................................................... 16 3.2 兩輪式爬樓梯電動輪椅功率計算 ................................................................... 16 3.3 平地行走的機械結(jié)構(gòu) ....................................................................................... 18 3.4 爬樓梯裝置的機械結(jié)構(gòu) ................................................................................... 25 3.5 兩輪式爬樓梯電動輪椅裝配圖 ....................................................................... 28 3.6 本章小結(jié) ........................................................................................................... 29 第四章 重要部件的校核 ................................................................................. 30 4.1 從動軸的校核計算 ........................................................................................... 30 4.2 鍵的校核 ........................................................................................................... 36 4.3 軸承的校核 ....................................................................................................... 36 4.4 本章小結(jié) ........................................................................................................... 38 第五章 電氣控制設(shè)計 .....................................................................................39 5.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅電機選型 ................................................................... 39 5.2 電池選擇 ........................................................................................................... 40 5.3 控制系統(tǒng)設(shè)計 ................................................................................................... 40 5.4 本章小結(jié) ........................................................................................................... 49 第六章 結(jié)論與展望 ........................................................................................ 50 6.1 結(jié)論 ................................................................................................................... 50 6.2 展望 ................................................................................................................... 50 6.3 本章小結(jié) ........................................................................................................... 50 第七章 技術(shù)經(jīng)濟分析 .....................................................................................51 7.1 市場前景分析 ................................................................................................... 51 7.2 技術(shù)經(jīng)濟效益分析 ........................................................................................... 51 7.3 社會效益分析 ................................................................................................... 52 7.4 本章小結(jié) ........................................................................................................... 52 參考文獻 ........................................................................................................ 53 致 謝 ............................................................................................................. 55 附 錄 ............................................................................................................. 56 第一章 前 言 1.1 研究背景 [1] [2~5] 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。但是目前的智能輪椅基本上采用與移動機器人相同 的技術(shù)方案，因而成本很高，難以進入普通家庭 。 隨著社會的不斷發(fā)展，樓梯的出現(xiàn)是人類建筑史上一個重要的成就，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)濟飛速發(fā)展的現(xiàn)代化社會中，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)勢的同時， 它也對老年人、肢體殘障人士出行帶來了很多不便，對他們的行動造成了障礙，影 響了他們與外界的溝通和交流。這個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)濟和社會事務(wù)部發(fā)表的《2007 年界經(jīng)濟和社會調(diào)查報告》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，目 前我國 60 及以上的老年人己達 1.44 億，預(yù)計到 2050 年老齡人口將超過 4 億，占 社會總?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，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 82 萬人，占全國總?cè)丝诘?6.34%，較 1987 年增加了 2132 萬人。值得注意的 是，由于工和交通事故、體育運動傷和自然災(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“5.12”地震中全國受傷人數(shù)高達 37 萬多，這些數(shù)都表明了殘疾人數(shù)量的顯著增大。 輪式爬樓梯輪椅設(shè)計 一、本課題的研究目的和意義： 高齡人群以及下肢殘障者的最大障礙是步行能力的減弱甚至缺失，他們不僅喪失行動力，更需要有勞動能力的人來加以護理。目前，大多數(shù)老體弱者及肌體傷殘者都選擇輪椅作為他們的代步工具，而且使用范圍越來越廣。輪椅也由手動輪椅、電動輪椅趨向智能輪椅的方向發(fā)展，但由于他們一般采用傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，一般僅適合在平地上使用，很少具備爬樓和翻越障礙的能力。樓梯和路障使輪椅的使用受到了很大的限制，很多場合尤其是室外，比如銀行、購物中心門前等或多或少有幾級臺階，室內(nèi)也有很多地方?jīng)]有電梯，這也給輪椅用戶造成很多不便。當(dāng)然，國家也花費了大量的人力和財力在某些場所修建了相應(yīng)的輪椅坡道和其他公用設(shè)施以方便殘疾人活動。但由于各種因素的影響，這些措施的作用也非常有限。 為了給老年人和殘疾人提供高性能的代步工具，解決樓梯或路障對他們使用輪椅造成的不便，幫助他們提高行動自由度，重新更好的融入社會，并考慮到我國的基本國情，研究一種價格適宜、小巧輕便的輪式爬樓梯輪椅裝置具有重大的意義和實用價值。 2、 文獻綜述（國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）： 輪椅是康復(fù)的重要工具，它不僅是肢體傷殘者的代步工具，更重要的是使他們借助于輪椅進行身體鍛煉和參與社會活動。目前，我國已經(jīng)進入老齡化社會，隨著老人的數(shù)量不斷增加，由于行動不便對輪椅的需求數(shù)量增加，普通的輪椅很難適應(yīng)我國老人上下樓的需要，因為我國大部分樓房建筑是以六層以下建筑為主，該類建筑中沒有安裝電梯，對于使用輪椅的人來說，上下樓及其不方便，或重心易下滑，單人難上樓，需另建專用車道。因此迫切需要開發(fā)能夠簡便、輕巧的上下樓輪椅。 在我國，每年約有數(shù)十萬老人、殘疾人等需坐輪椅車行走。過去舊式輪椅車存在不能自行上、下樓等問題，使病人的活動空間大為縮小。并使監(jiān)護人看護病人也很困難。為了給千百萬殘疾人一個自由、舒適的空間，再加上該產(chǎn)品有著很大實用性，存在著非常廣闊的市場。于是人們不斷進行著艱苦的研究，一代又一代可上樓的輪椅應(yīng)運而生。可自上下樓的輪椅能更好的滿足殘疾病人的生活需求，使其可以自己穿梭于沒有助殘設(shè)施的高樓大廈內(nèi)。 在我國殘疾人的數(shù)量是可觀的，越來越多的人關(guān)注起他們的日常生活和精神生活。他們渴望能像正常人一樣的生活，渴望能夠獨立完成一些事情，而不用求助于正常人。這樣殘疾人才會更有信心的面對生活，不被歧視，不成為別人的負(fù)擔(dān)。為了滿足殘疾人的需求，也是為了更好的建設(shè)和諧社會，上樓輪椅成為一個不可或缺的工具。 爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了較長的歷史，早在19世紀(jì)90年代就已經(jīng)有了此類專利的出現(xiàn)。特別是美、英、日德等發(fā)達國家早就開始向此領(lǐng)域沖擊，經(jīng)過不斷努力開發(fā)，也出現(xiàn)了一些成果。由于起步較早，它們在這方面的技術(shù)也相對成熟，已經(jīng)推出多種此類產(chǎn)品。但現(xiàn)存產(chǎn)品都還存在各種瑕疵，還沒有一種能做到盡善盡美。我國對此類裝置的研究起步較晚，在近幾年也有一些成果產(chǎn)生，但距離形成成熟產(chǎn)品還有很長的路要走。 目前已經(jīng)存在的爬樓梯裝置也是各種各樣，可以按照爬樓方式分為履帶式、星輪式、腿足式以及復(fù)合式爬樓梯裝置。各種裝置都有自己的優(yōu)點，但也都存在一定不足。 （1）履帶式 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克，其原理簡單，技術(shù)也比較成熟。如英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為35度，上下樓梯速度為每分鐘15~20個臺階，如圖1所示。法國Topchair公司生產(chǎn)的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個車輪供正常情況下平地運行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時，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，然后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能，如圖2所示。日本長崎大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基礎(chǔ)上，研究了一種代號為“Sakadankun”的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，座椅傾角過大而影響使用安全的問題。 圖1 Baronmead公司(英國) 圖2 Topchair公司(法國) 履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運動非常平穩(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輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處：如重量大、運動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大，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。 （2） 星輪式 星輪式爬樓梯輪椅的特點是：每個星輪以及星輪架可以繞星輪架主軸公轉(zhuǎn)，同時每個星輪也可以繞自身星輪軸自轉(zhuǎn)。在爬樓時，各星輪自身鎖死不轉(zhuǎn)，連同星輪架一起繞星輪架主軸公轉(zhuǎn)，來完成爬樓動作。在平地行駛時，星輪架相對主軸鎖死不轉(zhuǎn)，每個星輪可以繞自身星輪軸自由旋轉(zhuǎn)，這時通過接地星輪的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)平地行駛功能。同為星輪式爬樓梯輪椅，有根據(jù)兩個、三個、多個星輪…不同的星輪個數(shù)分為兩星輪式、三星輪式、四星輪式等形式。另外星輪式還有另一種分類方式：因為有一對星輪架、兩對星輪架，星輪架(即輪組)個數(shù)不同分為單組星輪式和雙組星輪式兩種形式。行星輪個數(shù)不同對于爬樓梯輪椅的性能是有影響的，行星輪個數(shù)越多爬樓梯輪椅在爬樓過程中運動也越穩(wěn)定，重心波動也越小。但與此同時帶來的缺點是星輪裝置的體積會變大質(zhì)量也會更重。單組星輪式和雙組星輪式也是具有雙組星輪式穩(wěn)定性好，重心波動小的優(yōu)點;缺點也是雙組星輪式體積大質(zhì)量大。并且單組星輪式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不是很好，在爬樓過程中需要有人輔助。而雙組星輪式則可以自主完成爬樓梯功能。幾種星輪式爬樓梯輪椅的具體形式如圖3所示。 圖3 星輪式爬樓梯輪椅 國內(nèi)外提出了多種星輪式爬樓梯輪椅的方案并且涌現(xiàn)出多項關(guān)于星輪式爬樓梯輪椅的專利。但能夠形成產(chǎn)品推廣使用的還為數(shù)不多。其中做的最好的就數(shù)美國Independence公司發(fā)明研制的IBOT爬樓梯輪椅，它能自行完成爬樓梯動作，是單組星輪式爬樓梯輪椅中的一個代表，其具體形式如圖4所示。IBOT幾乎能適用于所有室內(nèi)外樓梯，此外它也能在斜坡、沙灘和崎嫗的路面上行駛，并且后面輪組可以直立行走，能幫助使用者達到正常人的高度，為他們提供了更多方便。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，操作容易等特點，其中最大的優(yōu)點就是安裝了內(nèi)置陀螺儀系統(tǒng)，陀螺儀通過高速度轉(zhuǎn)動原理來確定重心位置，并將中心位置信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)接到的信號控制輪椅平衡。經(jīng)過多年的努力研發(fā)，經(jīng)過對IBOT3000的產(chǎn)品進一步改進，已經(jīng)成功發(fā)展到了IBOT4000，性能也越來越好，但3萬美元左右售價，也讓大多數(shù)人望而卻步。 圖4 IBOT3000 （3）腿足式 腿足式爬樓輪椅的主要特點是爬樓動作是一個由腿足完成的不連續(xù)過程。早期的爬樓梯裝置多數(shù)都采用這種不連續(xù)方式。18世紀(jì)90年代Bray發(fā)明制造的爬樓梯輪椅 采用的方式就是不連續(xù)方式。在爬樓過程中，兩套支撐裝置中的一套作為支撐，另一套爬升，運動軌跡為上升、平移、著陸，類似人的兩條腿一樣爬樓。腿足式爬樓梯裝置實際上就是模仿人類爬樓的動作。腿足式爬樓輪椅的研究日本的技術(shù)比較成熟，經(jīng)過數(shù)十年研究，出了很多專利甚至產(chǎn)品。 在日本的豐田公司，“iFoot”和“iUnit”可以讓輪椅使用者能夠像正常人一樣隨心所欲地到處運動?！癷Foot”外觀猶如一個長著機器腿的大椅子，或者說是一個從日本卡通片中逃出來的機器人，如圖5所示，它能夠像人一樣兩條腿走路。如果你覺得太慢，那么還有“iUnit”可供選擇，這種設(shè)計有四個輪子，使用者坐在距離地面較低的輪椅里面。但是這種裝置還處在概念階段，沒有到可以上市的程度。另一個正在研制中的輪椅和“iFoot”比較像，盡管外觀上不像“iFoot”那樣漂亮，但它更實用。這是日本研發(fā)的又一腿足式爬樓裝置，名字叫“WL-16Rir”。也是有兩條腿的椅子，座椅底安裝了陀螺儀系統(tǒng)，每條腿上也都裝有壓力傳感器，通過信息釆集以及陀螺儀聯(lián)合控制處理來保持平衡，可以上下樓梯，并且可以調(diào)高或者調(diào)低，可為老年人和殘疾人提供新的行動能力。不過，這種輪椅目前也沒能上市。 圖5 豐田公司生產(chǎn)的腿形間歇型爬樓行走設(shè)備ifoot （4）復(fù)合式 鑒于履帶式、星輪式、腿足式等裝置的優(yōu)缺點，在研究過程中，產(chǎn)生了一些其它的爬升裝置。例如由英國的Stairmatic，它是此類型爬樓梯輪椅的一個典型例子，如圖6所示，它不僅理論成熟并且已經(jīng)通過了實際應(yīng)用試驗。但是，僅能上下樓梯，對平地自主適應(yīng)性差，使其距完美還有一定距離。另外約8萬余元人民幣的價格也讓多數(shù)人難以承受。輪腿復(fù)合可以說是復(fù)合式中常用的結(jié)構(gòu)了，設(shè)計主要是依靠腿式機構(gòu)來完成爬樓、越障，輪式機構(gòu)來實現(xiàn)平地行走功能。其中NASA的Sojourer Robot，EPFL的Shrimp Robot是具有代表性的，如圖7所示，Shrimp Robot擺臂在一定范圍可上下擺動，能夠輔助跨越障礙、攀爬樓梯，具有非常好的越障、攀爬性能、平地行駛和上下樓梯能力。但是復(fù)合式的復(fù)雜機構(gòu)與結(jié)構(gòu)，致使設(shè)計、控制、分析等工作都非常復(fù)雜。而且隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度提高就增大了故障率，降低了設(shè)備的可靠性，這樣也會使安全性不能得到保障。 除了以上問題，還需要面對適應(yīng)不同尺寸的樓梯，爬升過程中反向自鎖等問題，總之復(fù)合式爬樓梯輪椅雖說有著自身的優(yōu)點，但是還有很多問題需要解決，距離完美還是有很長的路需要探索。 圖6 英國的Stairmatic 圖7 Shrimp Robot 綜上所述，國內(nèi)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有較長的歷史，成果也較多，誕生了很多的專利以及產(chǎn)品，但是它們或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、或者造價昂貴，總是存在這樣或那樣的缺陷。為了更好地解決老年人、殘疾人活動問題,提出一種整體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量適中、安全性好、操作方便、價格適宜的爬樓梯輪椅方案是十分必要的。此外，考慮到輪椅的主要作用是平地行駛，故在做好爬升裝置的前提下更應(yīng)將平地行駛功能做到最好?？梢钥闯?，雖然爬樓梯裝置的研究已經(jīng)有了一定的成果，但距離完美的產(chǎn)品的誕生還是有很長一段路需要走的。 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 本科 2009 級 機械 系（部） 機械工程及自動化 專業(yè) 班 設(shè)計（論文）題目 輪式爬樓梯輪椅設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué)號 起訖日期 2012年12月31日~2013年5月31日 設(shè)計地點 指導(dǎo)教師 職稱 講師 2012 年 12 月 31 日 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）的目的： 畢業(yè)設(shè)計是工科院校的最后一個重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是使學(xué)生綜合運用所學(xué)過的基本理 論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問題而進行的一次綜合訓(xùn)練，這對學(xué)生即 將從事的相關(guān)技術(shù)工作和未來事業(yè)的開拓都具有重要意義。 2.畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)的內(nèi)容和要求： 內(nèi)容：要求根據(jù)目前收集的參考文獻獲得的爬樓梯裝置的研究現(xiàn)狀，分析已產(chǎn)生的各種典 型機構(gòu)的優(yōu)缺點，在充分考慮結(jié)構(gòu)、造價、安全性等重要因素的基礎(chǔ)上，擬研究設(shè)計一種輪式爬 樓梯輪椅。該設(shè)計在滿足爬樓梯輪椅的基本要求的前提下，盡量到結(jié)構(gòu)簡單，價格適宜，對臺階 適應(yīng)性強，安全性高等方面。 要求：1.完成爬樓梯輪椅的總體設(shè)計； 2.畫出輪椅裝配圖以及零件圖（2.5張A0圖紙以上）； 3.撰寫設(shè)計說明書； 4.翻譯相關(guān)的英文資料（不少于5000漢字） 3.主要參考文獻： [1] 孟祥雨.一種星輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計與研究[D].長春：長春工業(yè)大學(xué)，2012. [2] 王麗娟.行星滾輪轉(zhuǎn)換步行式驅(qū)動爬樓梯輪椅設(shè)計[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010. [4] 陸豐勤.多功能爬樓梯裝置的研究及控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2008. [6] 王晶主編.第二屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽決賽作品集[M].北京：高等教育出版社，200.7 [10] 侯樂平，邵玉林. 一種能上下樓梯的輪椅 申請?zhí)枺?0244147.0 中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局 2000-07-25. [9] 曹巖. SolidWorks2007機械設(shè)計實例精解.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007.9. [8] 江紅，楊勇，喬蘭東. SolidWorks實例解析—曲線、曲面、仿真、渲染.北京：機械工業(yè)出版社.2004.10. 4.畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃： 起訖日期 工作內(nèi)容 2012．12．31 ~2013．1．15 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書，查詢相關(guān)技術(shù)資料。 2013．1．15 ~2013．3．1 英文文獻翻譯。 2013．3．1 ~2013．3．15 進行方案構(gòu)思、比較、分析，并提交開題報告，進行開題答辯。 2013．3．15 ~2013．3．29 進行爬樓梯輪椅的功能原理設(shè)計方案，通過方案對比確定最佳方案。 2013．3．29 ~2013．4．12 進行受力分析及電機選取 2013．4．12 ~2013．4．26 進行爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制裝配草圖、三維建模、裝 配圖和部分零件圖。 2013．4．26 ~2013．5．10 進行爬樓梯輪椅的虛擬裝配和運行仿真，并對輪椅的結(jié)構(gòu)進 行優(yōu)化； 2013．5．10 ~2013．5．24 設(shè)計資料整理、裝訂、提交論文初稿。 2013．5．24 ~2013．5．31 總結(jié)畢業(yè)設(shè)計、論文修改、完善。制作答辯PPT。 2013．5．31 ~2013．6．14 論文答辯。 需要整套畢業(yè)設(shè)計，請聯(lián)系qq:583408401 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)明的一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅-IBOT， 這個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 IBOT 4000 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，使輪椅 能調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)彎，還安裝了爬樓裝置、驅(qū)動裝置以及控制系統(tǒng)，設(shè)計了一種簡單 的爬樓梯電動輪椅。本設(shè)計能很好的解決樓梯或路障對老年人和殘疾人生活造成的 不便，提高行動自由度，重新更好的融入社會。 關(guān)鍵詞 ：輪椅，控制系統(tǒng)，兩輪式，機械系統(tǒng) I Abstract Wheel-chair is an important tool for the elderly and the disabled. With the increased of barrier-free facilities, wheelchair users enlarged gradually the scope of activities, but staircase limited the wheelchair using .Inventors invented a variety of star-wheel stair climbing wheelchair at home and abroad, the US inventor invented a wheelchair _IBOT which can automatically adjust the focus of two rounds of group-type . The IBOT 4000 not only the realm neuter gender's tallest product of ability currently, but also will develop from now on of direction. Through draw lessons from IBOT 4000 of climb the research of stairs method, this text installed electrical engineering on the foundation of common wheel chair, which made the wheel chair able to regulate speed and turn. Installed to climb building device and drive to equip and control system, designed a kind to in brief climb the stairs dynamoelectric wheel chair. This design made a good solution to stairs or roadblocks which bring of inconvenience for the disabled, helping them enhance the freedom of action and make better to integrate into the community. Key words：Wheelchair, control system, two-wheeled type, mechanical structure 目 錄 第一章 前言 .................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ..........................................................................................................- 1 - 1.2 研究意義 .............................................................................................................. 2 1.3 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢 ......................................................... 2 1.4 研究的主要問題及解決的主要問題 ................................................................. 7 1.5 本章小結(jié) ............................................................................................................. 8 第二章 總體設(shè)計.............................................................................................. 9 2.1 概述 ..................................................................................................................... 9 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................................... 10 2.3 本章小結(jié) ........................................................................................................... 15 第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..................................................................................... 16 3.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構(gòu)組成 ................................................................... 16 3.2 兩輪式爬樓梯電動輪椅功率計算 ................................................................... 16 3.3 平地行走的機械結(jié)構(gòu) ....................................................................................... 18 3.4 爬樓梯裝置的機械結(jié)構(gòu) ................................................................................... 25 3.5 兩輪式爬樓梯電動輪椅裝配圖 ....................................................................... 28 3.6 本章小結(jié) ........................................................................................................... 29 第四章 重要部件的校核 ................................................................................. 30 4.1 從動軸的校核計算 ........................................................................................... 30 4.2 鍵的校核 ........................................................................................................... 36 4.3 軸承的校核 ....................................................................................................... 36 4.4 本章小結(jié) ........................................................................................................... 38 第五章 電氣控制設(shè)計 .....................................................................................39 5.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅電機選型 ................................................................... 39 5.2 電池選擇 ........................................................................................................... 40 5.3 控制系統(tǒng)設(shè)計 ................................................................................................... 40 5.4 本章小結(jié) ........................................................................................................... 49 第六章 結(jié)論與展望 ........................................................................................ 50 6.1 結(jié)論 ................................................................................................................... 50 6.2 展望 ................................................................................................................... 50 6.3 本章小結(jié) ........................................................................................................... 50 第七章 技術(shù)經(jīng)濟分析 .....................................................................................51 7.1 市場前景分析 ................................................................................................... 51 7.2 技術(shù)經(jīng)濟效益分析 ........................................................................................... 51 7.3 社會效益分析 ................................................................................................... 52 7.4 本章小結(jié) ........................................................................................................... 52 參考文獻 ........................................................................................................ 53 致 謝 ............................................................................................................. 55 附 錄 ............................................................................................................. 56 第一章 前 言 1.1 研究背景 [1] [2~5] 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。但是目前的智能輪椅基本上采用與移動機器人相同 的技術(shù)方案，因而成本很高，難以進入普通家庭 。 隨著社會的不斷發(fā)展，樓梯的出現(xiàn)是人類建筑史上一個重要的成就，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)濟飛速發(fā)展的現(xiàn)代化社會中，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)勢的同時， 它也對老年人、肢體殘障人士出行帶來了很多不便，對他們的行動造成了障礙，影 響了他們與外界的溝通和交流。這個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)濟和社會事務(wù)部發(fā)表的《2007 年界經(jīng)濟和社會調(diào)查報告》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?！蔽覈布航?jīng)步入了老齡化社會，目 前我國 60 及以上的老年人己達 1.44 億，預(yù)計到 2050 年老齡人口將超過 4 億，占 社會總?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，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 82 萬人，占全國總?cè)丝诘?6.34%，較 1987 年增加了 2132 萬人。值得注意的 是，由于工和交通事故、體育運動傷和自然災(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“5.12”地震中全國受傷人數(shù)高達 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、社會的發(fā)展都帶來了很大的影響，醫(yī) 療護理、社會服務(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)療護理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助殘運動裝置 也應(yīng)運而生 。 - 1 - 1.2 研究意義 [2] [3] [4~5] [6] 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。輪椅也由手動輪椅、電動輪 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，解決樓梯或路障對他們生活 造成的不便，幫助他們提高行動自由度，重新融入社會 ，研究輪椅已成為現(xiàn)代社 會最為重要的事情。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范圍廣，運動靈活，但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高；履帶型爬 樓梯輪椅的技術(shù)比較成熟，傳動效率比較高，行走重心波動很小，運動非常平穩(wěn)， 但是運動不夠靈活，對樓梯有一定的損壞，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IBOT4000 這種多功能高智能的輪椅是發(fā)展方向，我 國“863”等國家計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)濟發(fā)展水平和需求人群的經(jīng)濟條件來看，研究一種價格 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用價值。 1.3 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點及發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點 智能輪椅是智能型電動輪椅的簡稱。智能輪椅的種類很多，目前尚沒有一個統(tǒng) 一的或權(quán)威性的定義。高性能智能輪椅通常同時具有電動輪椅與智能機器人的多種 功能。作為一種典型的服務(wù)機器人，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、人機對話等服務(wù)機器人所具 - 2 - [7] [8] [9~12] 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。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 者對各種功能的需要，而且需要考慮到使用者的經(jīng)濟負(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)勢和特點，開發(fā)出了有特色的智能輪椅。輪椅 平臺包括中科院自動化所的多模態(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，中科院深圳先進技術(shù)研究院基于頭部動作的智能 輪椅等等。 國外對爬樓梯裝置的研究開始得相對較早，最早的專利是 1892 年美國的Bray 發(fā)明的爬樓梯輪椅 。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國、德國 和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。我國對 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 際使用的還很少 。 下面對國外、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。 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兵車或坦克，其原理簡單，技術(shù)也 比較成熟。英國 Baron mead 公司開發(fā)的一種電動 輪椅車，底部是履帶式的傳動結(jié) 構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為 35o，上下樓梯速度為每分鐘 15-20 個臺階。法國 Top chair 公司生產(chǎn)的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個車輪供正常情況下平地運行使用，當(dāng) 遇到樓梯等特殊地形時，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 后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能。日本長崎 大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基礎(chǔ)上，研究了一種代號為“Sakadankun”的雙履帶式 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，座椅傾角過大而影響使用安全的問題，如圖 1.1 所示。 履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運動非常平穩(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 為普通的電動輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處：重量大、運動不夠靈 活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞，且平地使用時所受 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 - （a）BARONMEAD（英國） （b）Topchair（法國） （c）Sakadankun（日本） 圖 1.1 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輪組；而雙輪組式是指在裝置的前后各使用了一對輪組。每 個輪組依照星形輪系的運動方式，各個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，各小輪自轉(zhuǎn)，而爬樓梯時，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 Dean Kamen 發(fā)明的一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅— IBOT3000。它有 6 個輪子，前面有一對實心腳輪，后面有兩對行星結(jié)構(gòu)的充氣輪 胎，通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上下樓梯。IBOT3000 幾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，幫助他們能達到正常人的高度。它最大的優(yōu)點就是在輪椅重心安 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 IBOT3000 發(fā)展到了 IBOT400O，功能 也越來越強大，是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，它的售價在 3 萬美元左右，相當(dāng) 于一輛中檔橋車的價格，難以被普通使用者接受。 - 4 - [13~16] 我國在上世紀(jì)八十年代對輪組式爬樓梯裝置已有研究，1987 年專利號為 86210653 的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都 用多個星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實現(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IBOT4000 外大多數(shù)都采用 3 個或者 3 個以上星型輪 。 內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了IBOT的爬樓方式，采用星形 輪系作為爬樓梯機構(gòu)，設(shè)計了一種雙聯(lián)星形機構(gòu)電動爬樓梯輪椅。改進輪椅爬樓時 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)機械學(xué)院設(shè)計的爬樓輪椅采用了四組星形輪，每三個一組，共十二個輪子，除 能爬樓梯外還具有遙控的功能，如圖 1.2 所示。 輪組式爬樓梯裝置的活動范圍廣，運動靈活，但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高，重 心起伏較大，會使乘坐者感到不適。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 1.2 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)行機構(gòu)由鉸鏈桿件機構(gòu)組 成。上樓時先將輪椅抬高，再水平向前移動，如此重復(fù)這兩個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作，外觀可視為足式機器人，采用多條機 械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。 - 5 - [17] 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器人開發(fā)風(fēng)險 企業(yè) Tmsuk 聯(lián)合開發(fā)的雙足行走機器人“WL-16RⅢ”，它由兩條機械腿支撐一個 座椅構(gòu)成，每條機械腿有 6 個自由度，可向前、后、側(cè)面移動，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，控制其實時調(diào)整姿態(tài)保持重 心平穩(wěn)?！癢L-16RⅢ”兩腿前后伸展距離最長為 1.02 米，左右最長 1.36 米，每條 腿上下運動幅度最大 0.34 米，如圖 1.3 所示。 日本長崎大學(xué)機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，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運動平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯，但它對控制的要求 很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩慢。此外，座椅距地面 的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實際應(yīng)用還有很大的距離 。 圖 1.3 步行式爬樓梯輪椅 WL-16RⅢ 從以上不難看出，履帶型爬樓梯輪椅的技術(shù)比較成熟，傳動效率比較高，行走 重心波動很小，運動非常平穩(wěn)，但是運動不夠靈活，對樓梯有一定的損壞，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范圍廣，運動靈活，但是 上下樓梯時平穩(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 - [5] [8] 國內(nèi)外尚沒有體積小巧、操作簡單、價格低廉，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IBOT4000 這種多功能高智能的輪椅是發(fā)展方向，我 國“863”等國家計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)濟發(fā)展水平和需求人群的經(jīng)濟條件來看，結(jié)構(gòu)緊湊、小巧 輕便，如IBOT4000 大小，功能單一的低價格爬樓梯輪椅，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，將會比多功能高價格的智能輪椅更具有市場 潛力和社會價值 。 1.3.2 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展趨勢 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 動不便人群的輔助行走電動輪椅，功能多樣化，基本上滿足了行動不便人士要求， 但也要看到智能輪椅還停留在實驗室或是少數(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。未來的研究將會向以下幾個方向發(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，增強自動 規(guī)劃和基于傳感智能，如實現(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)合一些新科技如計算機通訊、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)適應(yīng)遠程通訊的需要。 2．人性化 系統(tǒng)設(shè)計者應(yīng)充分考慮行動不便者需求，從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計安全、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話；選擇透氣 性好的坐墊；安裝報警裝置；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)，必須實現(xiàn)模塊化，整個系統(tǒng)應(yīng)由基本模塊和各個功能模 塊構(gòu)成，每個功能模塊負(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， 同時模塊化也能降低成本，提高性價比。 隨著人工智能、模式識別、圖像處理、計算機技術(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，也將真正進入老年人和殘障人士的生活 。 1.4 研究的基本問題和解決的問題 1.4.1 研究的基本問題 - 7 - 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)明的一種能自動調(diào)節(jié) 重心的兩輪組式輪椅－IBOT，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。而國內(nèi)的爬樓梯裝置在這方面的研究較少，通過對兩輪組式爬樓裝置機 構(gòu)的研究，設(shè)計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。 1.4.2 解決的問題 本題目“”，要求了解兩輪式爬樓梯電動輪椅的結(jié) 構(gòu)，掌握其組成和工作方式，完成兩輪式爬樓梯電動輪椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 1.5 本章小結(jié) 本章首先對輪椅這個不可缺少的代步工具進行了簡單的背景介紹，然后說明了 研究兩輪式爬樓梯電動輪椅的重要意義，并且根據(jù)爬樓梯輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分 析了各類爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點。履帶式爬樓梯裝置對樓梯損壞太大，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 對而言更加實際。 - 8 - 第二章 總體設(shè)計 2.1 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)明的一種能自動調(diào)節(jié) 重心的兩輪組式輪椅－IBOT，如圖2.1所示，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2.1 美國 IBOT 輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個數(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輪組；而雙輪組式是指在裝置的前后各使用了一對輪組。每 個輪組依照星形輪系的運動方式，各個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)點是輪椅爬樓梯時的穩(wěn)定性好，缺點是體積 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， 真正實施和推廣很少的主要原因。目前 IBOT4000 是星型輪機構(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、運動靈活、操作簡便。而國內(nèi)的爬樓梯裝置在 - 9 - 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 IBOT4000 的爬樓梯方式的研究，設(shè)計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。 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 兩輪式爬樓梯電動輪椅主要由以下四部分組成：車身、機械傳動機構(gòu)、執(zhí)行電 機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)。車身包括座椅和支撐座椅的框架，機械傳動機構(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)動輪，通過電機分別驅(qū) 動左右兩個輪子，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)輪椅速度和輪椅轉(zhuǎn)向問題。后面四個是爬樓輔助輪， 通過后置電機獨立驅(qū)動，完成翻轉(zhuǎn)過程。簡圖如圖 2.2 所示 圖 2.2 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 mm； 總體寬度：550 一 600 mm； 平地驅(qū)動輪直徑：350 mm； 爬樓輔助輪直徑：290 mm。 2.2.1 平地行走結(jié)構(gòu)設(shè)計 - 10 - [2，18] 裝置在平地?zé)o障礙情況下運動時類似于普通的電動輪椅。傳統(tǒng)的電動輪椅普遍 采用后輪驅(qū)動的方式，即前輪采用萬向輪，后輪作為驅(qū)動輪，前萬向輪根據(jù)后驅(qū)動 輪的行進方向及時自動調(diào)整以使其與后驅(qū)動輪保持一致。這種設(shè)計方法存在一個不 足之處；由于此時前輪肩負(fù)轉(zhuǎn)向的功能，驅(qū)動力作用于后輪，在改變車體的運動狀 態(tài)時，如由靜止到啟動，或者行進方向發(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)的時間，這樣會造成車頭搖擺、晃動，影響使用的安全 性。本裝置采用前輪驅(qū)動的設(shè)計方法，即驅(qū)動力作用于前輪，后輪為從動輪，在前 輪的作用下被動前進。由此，前輪既是驅(qū)動輪又是轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向時的行進方向便容 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)動輪通過兩個電機分別驅(qū)動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速，實現(xiàn)輪子運行。 通過調(diào)節(jié)兩個電機的轉(zhuǎn)速，來實現(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)兩個電機的轉(zhuǎn)速相同時，輪椅直行；由于輪椅的平地運行速度不大，本文采用原 地轉(zhuǎn)彎方式，即左轉(zhuǎn)彎的時候，左電機停止，右電機保持轉(zhuǎn)速不變，從而實現(xiàn)左轉(zhuǎn) 彎；輪椅右轉(zhuǎn)，反之亦然。它的使用簡化了機械結(jié)構(gòu)，并且降低了系統(tǒng)的重量和成 本，如圖 2.3 所示。 圖 2.3 前驅(qū)動輪示意圖 - 11 - [19] 2.2.2 爬樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計 1．爬樓結(jié)構(gòu) 兩輪式爬樓梯電動輪椅的爬樓裝置由四個輔助輪翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)。四個爬樓輔助輪的 設(shè)計采用雙聯(lián)星形輪機構(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，并實現(xiàn)平地運行時的速度與方向控制。 星形輪式爬樓梯電動輪椅的爬樓梯機構(gòu)由均勻分布在“Y”形或“＋”字形系 桿上的若干個小輪構(gòu)成。各個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，各小輪自轉(zhuǎn)，而在爬樓梯時各小輪一起公轉(zhuǎn)，從而 實現(xiàn)爬樓梯的功能。本文輪椅采用了雙聯(lián)星形輪機構(gòu)，設(shè)計了 2K-H 型行星輪系為 輪椅爬樓梯的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。 爬樓輔助輪尺寸相同，同側(cè)的兩個后輪軸是相聯(lián)的，左右兩側(cè)也是相連的。四 個爬樓輔助輪的連接示意圖和行星輪系工作原理如圖 2.4 所示，通過電機直接相連、 外嚙合式定軸輪系、內(nèi)嚙合式定軸輪系和行星輪系 4 個結(jié)構(gòu)形式的對比，選擇設(shè)計 了 2K-H型行星輪系。電機和太陽齒輪 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)運動，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、專用電動機 圖 2.4 電動爬樓梯輪椅翻轉(zhuǎn)原理圖 - 12 - 2．爬樓過程分析 爬樓運動時，前輪離開地面，僅由四個爬樓輔助輪支撐著地。以上樓梯方向為 例，裝置在臺階上運動時，在驅(qū)動軸的作用下，所有后輪由中軸上的電動機驅(qū)動， 隨中軸進行公轉(zhuǎn)，兩對輪交替進行翻爬樓梯。在爬樓過程中，每個時刻都至少有兩 個車輪著地，且受力點對稱。 圖 2.5 為兩輪式爬樓梯電動輪椅的爬樓過程圖，本文設(shè)計的爬樓裝置上樓運動 過程與 IBOT4000 一樣。正常行駛情況，由前面兩個驅(qū)動輪帶動四個爬樓輔助輪運 行，四個爬樓輔助輪并列成為一排，此時后置電機不工作。在遇到樓梯的時候，使 用者按操作手柄上的切換按鈕，使平地行走電機停止同時爬樓電機啟動，通過系桿 帶動車輪旋轉(zhuǎn)，隨中軸進行公轉(zhuǎn)，兩對輪交替進行翻爬。 圖 2.5 裝置上樓運動過程 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 IBOT，原理是基于傳統(tǒng) 的星形輪系的運動方式，兩個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)。IBOT 爬樓輔助輪的直徑是 301mm，本文設(shè)計的爬樓輔助輪的直徑為 290mm，圖 2.6 為運動軌跡圖，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 個臺階。 - 13 - 圖 2.6 運動軌跡圖 [2] 由于采用與 IBOT4000 類似的爬樓梯原理，因此在爬樓梯時也像 IBOT4000 那 樣，但是需要有樓梯扶手或者一個助手輔助，其主要作用是提供一個輔助支撐，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)計的不需要輔助支撐的自主爬樓梯輪 椅、車輪和臺階之間定位困難、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)計的雙聯(lián)星形輪機構(gòu)爬樓梯輪椅結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，實用性強。 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)計規(guī)范》（GB5009 吞一 1999）的規(guī)定： “住宅樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于 1.10 米，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 260mm，踏步高度不大于 175mm，坡度為 33.940，為接近舒 適性標(biāo)準(zhǔn)”。普通住宅的層高一般為 2.80m，按一級臺階高度是 145mm計算，共 19 個臺階 。 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，而裝置運動時所能達到的最高點（約為車輪半徑 與驅(qū)動軸之間距離的和）應(yīng)大于踏步的高度。本文設(shè)計的裝置總體寬度是 550-600mm，爬樓輔助輪的直徑為 290mm。 - 14 - 2.3 本章小結(jié) 本章首先對兩輪式爬樓梯電動輪椅進行了簡單的概述，給出了兩輪式爬樓梯電 動輪椅的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，總體設(shè)計方案里分別介紹了平地行走結(jié)構(gòu)和爬樓梯結(jié) 構(gòu)，并且重點介紹了爬樓部分的組成與構(gòu)造，還對爬樓的機理和過程進行了詳細(xì)分 析。 - 15 - 第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 兩輪式爬樓梯電動輪椅結(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Ф30mm 的圓鋼管焊接而成，底下安裝有 六個車輪，兩個前輪為Ф350mm，四個爬樓梯輔助輪為Ф290mm。在 距地面 850mm 處有一扶手，用來推動爬樓車時方便扶手。 座椅：座椅是支撐人的構(gòu)件，其材料為高強度工程材料制成。 平地行走裝置：前驅(qū)動輪通過兩個電機分別驅(qū)動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速， 實現(xiàn)輪子運行。通過調(diào)節(jié)兩個電機的轉(zhuǎn)速，來實現(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)兩個電機的轉(zhuǎn)速相同時，輪椅直行；由于輪椅的平地運行速度 不大，本文采用原地轉(zhuǎn)彎方式，即左轉(zhuǎn)彎的時候，左電機停止，右電機保持轉(zhuǎn)速不 變，從而實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎；輪椅右轉(zhuǎn)，反之亦然。它的使用簡化了機械結(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：電機直接與設(shè)計的 2K-H 型行星輪系相連。電機和太陽齒輪相連， 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 動，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)。 3.2 兩輪式爬樓梯電動輪椅功率計算 [2] 根據(jù)裝置平地和爬樓兩種不同的運動情形，分別計算兩種驅(qū)動電機所需的功 率。輪椅本身的質(zhì)量大約為 50kg，承載人員的最大體重平均為 80kg，因此車體和 人員的總質(zhì)量大約為 130kg。該總質(zhì)量由兩個前驅(qū)動輪和四個后輔助爬樓梯輪共同 分擔(dān)，設(shè)定前兩個驅(qū)動輪承受總質(zhì)量的 60%，四個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＝0.71 。 3.2.1 平地所需功率 前驅(qū)動輪在電機驅(qū)動下，克服與地面之間的摩擦力F1旋轉(zhuǎn)前進，同時帶動四個 爬樓輔助輪旋轉(zhuǎn)前進，爬樓輔助輪克服與地面之間也存在一定的摩擦力F2。裝置在 平地上能夠正常行駛的條件是：F1 ＞ 2 F2。 - 16 - 前驅(qū)動輪承受的正壓力：N = 0. 5×(G +G ) ×60％＝ 382.2 N 1 車 人 后輔助輪承受的正壓力：N = 0.25×(G +G ) ×40％＝ 127.4 N 2 車 人 e e 2 2 2 2 2 e e 前驅(qū)動輪承受的水平摩擦力：F1= μN1= 271.4 N 后輔助輪承受的水平摩擦力：F2= μN2= 90.5 N F1＞2F2，滿足正常行駛條件。 前驅(qū)動輪的直徑D1為 350 ㎜，后輔助輪的直徑D2為 290 ㎜。根據(jù)裝置運行速度 和車輪直徑，可計算得各參數(shù)如下。 平地運動最大速度為：V1= 1.67 m/s 1 1 1 1 1 前驅(qū)動輪最大切向加速度為：a= F1/m= 6.96 m/s 前驅(qū)動輪最大角加速度為：ε= a/(D1/2)= 39.77 rad/s 前驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動慣量為：J= m1r /2= m1D1 /8= 0.0459 kg·m ( 取驅(qū)動輪質(zhì)量 m1=3kg ) 前驅(qū)動輪所需的轉(zhuǎn)矩為：M1＝ Jε= 1.825 kg·m= 17.89 N·m 前驅(qū)動輪所需的功率為：P1=M1Ω1/η= 340.6 W（由于采用蝸輪蝸桿減速器所 以設(shè)電機的機械效率η＝50％） 3.2.2 爬樓梯所需功率 裝置在爬樓時需要克服車體和人的重力做功，車體和人組成的整個系統(tǒng)的重心 位于整車的后半部分，估算重力作用線與驅(qū)動軸之間的垂直距離 L＝100 ㎜處 爬樓梯運動最大速度為：V2= 0.2 m/s 所需克服阻力矩為：M2= G×L=(50+80)×9.8×0.1= 127.4 N·m 2 2 2 2 2 - 17 - 爬樓時驅(qū)動電機最大所需功率為：P2= M2Ω2/η= 195.3 W（設(shè)電機的機械效率 η＝90％) 3.3 平地行走的機械結(jié)構(gòu) e 3.3.1 減速器選型 通常選用的電機轉(zhuǎn)速非常大，尤其是直流電機的轉(zhuǎn)速通常都在幾千轉(zhuǎn)以上，而 通過上面公式求得，平地行走時所需要的最大轉(zhuǎn)速是 91 r/min，所以本文采用蝸輪 蝸桿減速器，降低電機的轉(zhuǎn)速，來帶動兩個前驅(qū)動輪行走。通過簡單的查找，RV 系列蝸輪蝸桿減速器，材質(zhì)為鋁合金，而且小巧輕便，非常適合作為兩輪式爬樓梯 電動輪椅的減速器。上節(jié)計算了驅(qū)動輪所需的電機功率，本文初步選定了一款功率 為 370 W，轉(zhuǎn)速為 1400 r/min 的 RV 蝸輪蝸桿減速器。 1．求出需要蝸輪蝸桿減速器的減速比： 前驅(qū)動輪的直徑D1：D1=350 mm 1 前驅(qū)動輪平地行走時的速度V1：V1=1.67 m/s 前驅(qū)動輪每秒鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù) K：K=1.67÷1.099= 1.52 前驅(qū)動輪每分鐘的最大轉(zhuǎn)速n1：n1=60×1.52= 91.2 r/min 前驅(qū)動輪所需電機的轉(zhuǎn)速 n：n=1400 r/min 前驅(qū)動輪所需的減速比i：i=n/n1=15.35 2．減速器選定 根據(jù)上面的計算本文選用的減速器為 RV 系列鋁合金蝸輪蝸桿減速器型號 為 RV40-15-0.37FA-DZ，如圖 3.1、3.2 所示。 RV 表示微型蝸輪蝸桿減速器 40 表示中心距 FA 表示孔輸入帶輸入法蘭盤 DZ1 表示單軸輸出為左方向 - 18 - DZ2 表示單軸輸出為右方向 RV40 的減速器減速比 i 為 15 減速器配帶電機的功率 P 為 0.37 KW，n 為 1400 r/min 減速器輸出的轉(zhuǎn)速為 n'為 93.3 r/min 減速器輸出的轉(zhuǎn)矩 M'為 28 N·m 滿足平地行走時所需的要求，因此可以選擇此型號 3．減速器外形如圖 3.1，3.2 所示 圖 3.1 RV40-15-0.37-DZ1 單軸輸出為右方向示意圖 圖 3.2 RV40-15-0.37-DZ2 單軸輸出為左方向示意圖 4．減速器外型尺寸如圖 3.3 所示 - 19 - 圖 3.3 RV40-15-0.37-DZ 外形尺寸圖 參數(shù)見表 3.1 所示： A B 表3.1 減速器外型尺寸具體參數(shù)（單位／mm） C D(H7) E(h8) F G H H1 100 I 70 121.5 L1 78 70 M 50 18 N 71.5 60 O 40 43 P 87 71 Q 55 75 R 6.5 38.5 C1 60 5．減速器輸出軸尺寸如圖 3.4 所示 圖 3.4 減速器輸出軸尺寸圖 參數(shù)見表 3.2 所示 ： - 20 - d(h6) 18 T 40 表3.2 蝸輪輸出軸具體參數(shù)（單位／mm） T1 L1 Z Z1 m 43 78 128 164 M6 b1