畢業(yè)論文設計任務書院(系) 機械工程學院 專業(yè)班級 學生姓名 一、 畢業(yè)論文設計題目 電動輪椅車設計 二、 畢業(yè)論文設計工作自 2014 年 3 月 5 日 起至 2014 年 5 月 28 日止三、畢業(yè)論文設計進行地點: 四、畢業(yè)論文設計的內(nèi)容要求：1、設計課題簡介 電動輪椅是一種以蓄電池為能源、電子裝置控制驅(qū)動的動力輪椅車。使用者可通過控制裝置自行驅(qū)動輪椅車行進。適用于高位截癱、偏癱及下肢功能障礙者使用。本課題主要是設計一款含有機械傳動減速機構(gòu)的電動輪椅，使學生充分利用所學知識，初步鍛煉產(chǎn)品的總體設計和研究能力。 2、論文要求： 1）通過查閱有關資料,了解產(chǎn)品總體設計的方法和步驟； 2）設計的電動輪椅要方便操作使用； 3）所確立的設計方案應按照產(chǎn)品總體設計方法和步驟進行，確?？茖W合理； 4）論文應包括對電動輪椅進行安全、強度和力學方面的設計計算數(shù)據(jù)。 3、工作任務與要求： 1）充分了解電動輪椅的結(jié)構(gòu)特點及構(gòu)造，了解設計的主要內(nèi)容，并進行市場調(diào)查。 2）搜集各類電動輪椅的資料，包括相關的國家標準及最新成果。 3）設計多個方案，并從選出總體設計方案后對總體設計進行細化。 4）對設計進行校核，確保方案的可行性，繪制總裝圖和關鍵零件圖。撰寫研究設計論文一份。 4.工作任務時間安排： 第1-3周：了解產(chǎn)品總體設計的方法和步驟，搜集有關電動輪椅的資料，包括設計的相關國家標準及最新研究成果，撰寫畢業(yè)設計開題報告一份。 第4-6周：通過市場調(diào)查已有的電動輪椅驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)，設計出相應的總體設計方案。 第7-12周：設計控制方式及電路，繪制總裝示意圖和關鍵零件圖，撰寫畢業(yè)論文。 5、設計說明書格式要求： 設計說明書應包括：序言、目錄、摘要（中英文）、關鍵詞（中英文）、中圖分類號、正文（含設計方案論證、設計及其它說明等）、結(jié)束語和參考文獻等內(nèi)容，并按照封頁、設計任務書、序言、目錄、摘要、關鍵詞、正文、結(jié)束語、參考文獻和封底的順序裝訂。 指 導 教 師 系(教 研 室) 系(教研室)主任簽名 批準日期 接受論文 (設計)任務開始執(zhí)行日期 學生簽名 電動輪椅車設計 摘要：文中首先分析了國內(nèi)外各種輪椅的狀況，在對比總結(jié)各自優(yōu)缺點的基礎上，由于直流電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩較低，不足以驅(qū)動后輪克服地面摩擦阻力傳動，根據(jù)國內(nèi)實際情況，提出了一種含有機械傳動減速機構(gòu)的電動輪椅，基于這種方案，設計了與之相匹配的減速器及其他傳動機構(gòu)，該方案采用直流電機經(jīng)減速器與鏈條連接到后軸，以減低輸出轉(zhuǎn)速，增大輸出轉(zhuǎn)矩。應用現(xiàn)代設計理論及方法、對驅(qū)動方式進行分析和再設計，優(yōu)化車身骨架結(jié)構(gòu)，添加必要的輔助功能裝置，利用計算機輔助設計軟件構(gòu)建輪椅及各零部件三維模型，為新型低成本電動輪椅的設計開發(fā)打下了一定基礎，提供了一種供參考的驅(qū)動方案和骨架結(jié)構(gòu)。 關鍵字：電動輪椅；設計；機械系統(tǒng)；The design of electric wheelchair Abstract: This paper first analyzes the domestic and foreign various wheelchair status, based on comparing the advantages and disadvantages, because the rated output torque DC motor is low, not enough to drive the rear wheel to overcome the ground friction transmission, according to the actual situation, proposed the electric wheelchair with a mechanical reduction gear mechanism, based on this driving scheme, design of the reducer and other transmission mechanism is matched, the DC motor through reducer and the chain is connected to the rear axle, so as to reduce the output rotation speed, increase the output torque. Use the modern mechanical design theory and method, analyze and re-design the drive mode. Optimize the body frame structure. And add some necessary accessibility devices. Use computer aided design software to build a three-dimensional model of the wheelchair and its components. This design of the electric wheelchairs mechanical systems has lay a certain foundation for the new type low-cost electric wheelchair and has given a reference scheme about drive mode and body frame structure. Keywords: wheelchair; design; mechanical system目 錄1 序言11.1選題的目的及其研究意義11.2課題相關領域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.2.1電動輪椅的現(xiàn)狀11.2.2電動輪椅的發(fā)展趨勢21.2.3研究方法21.2.4應用領域21.3主要研究內(nèi)容、途徑及技術路線32 電動輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計及主要參數(shù)42.1設計內(nèi)容42.2驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計42.2.1輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案分析及選擇42.2.2前輪轉(zhuǎn)向式驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計62.3 主要尺寸73 驅(qū)動電機選型84蓄電池選用125 減速器設計14 14 5.2齒輪的設計計算15 5.2.1齒輪材料和熱處理的選擇15 5.2.2按齒面接觸強度計算15 5.2.3齒輪幾何尺寸的設計計算16 5.2.4按齒根彎曲強度設計齒輪17 5.2.5幾何尺寸計算196 鏈輪設計217 電動輪椅整體設計237.1車身骨架設計237.2控制系統(tǒng)設計24致謝28參考文獻29 1 序言 電動輪椅是一種以蓄電池為能源、電子裝置控制驅(qū)動的動力輪椅車。使用者可通過控制裝置自行驅(qū)動輪椅車行進。適用于高位截癱、偏癱及下肢功能障礙者使用，是一種比較理想的康復和代步工具。 隨著生活水平的提高，人們對老年人和殘疾人的關注度日漸提高，各種各樣的電動式輪椅進入消費者的視線。我國的輪椅發(fā)展比較緩慢，直到20世紀90年代后，隨著中國人口的老齡化越來越嚴重，輪椅才有了較快的發(fā)展。輪椅是老年人和肢體傷殘者不可缺少的康復和代步工具。現(xiàn)有的輪椅以手動居多，存在一定不足，缺乏動力效能不能滿足使用者日常生活和出行需要，長時間使用會讓人感到疲勞，而且在實際使用中通常需要人員輔助。目前市面上的電動輪椅價格不菲，普通家庭消費不起，部分是以改變電機的電流來實現(xiàn)控制輪椅速度，這不僅對電機損耗較大，而且功能不夠全面，安全系數(shù)較低，實用性不強。如當遇到刮風或者爬坡時，有時會很難前進。由于直流電機的額定轉(zhuǎn)速一般較高，遠高于輪椅平穩(wěn)行駛時后輪所要求的轉(zhuǎn)速，而直流電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩又較低，不足以驅(qū)動后輪克服地面摩擦阻力轉(zhuǎn)動，所以，必須在直流電機輸出端設置減速器，以減低輸出轉(zhuǎn)速，增大輸出轉(zhuǎn)矩。 電動輪椅的現(xiàn)狀 國內(nèi)對電動輪椅的研究較晚，尤其是智能電動輪椅，研究還不完善，但近幾年發(fā)展很快。國內(nèi)廠商生產(chǎn)的電動輪椅大部分為四輪式和六輪式，一般都具有調(diào)速、翻越簡單路障和防傾倒等功能。雖然國內(nèi)電動輪椅研究還不太完善，但在一定的基礎上還是有所提高的。例如有些生產(chǎn)商在原有輪椅的研究上，發(fā)明出利用驅(qū)動左、右動力后輪的左、右電機串聯(lián)連接設計，從而具有差動速度功能，使電動輪椅行駛時穩(wěn)定舒適、轉(zhuǎn)向可靠。近幾年，還出現(xiàn)了手扶電動、可爬梯以及站立式電動輪椅。自1986年英國開始研制第一輛智能輪椅以來，許多國家投入較多資金研究智能輪椅。如美國麻省理工學院WHEELESLEY項目、法國VAHM項目、德國烏爾姆大學MAID（老年人及殘疾人助動器）項目、Bremen Autonomous Wheelchair項目、西班牙STAMO項目、加拿大AAI公司TAO項目、歐盟TIDE項目等。1989年法國開始研究VAHM項目，第一階段的智能輪椅由輪椅、pc486、超聲波傳感器、人機界面和一個可匹配用戶身體能力轉(zhuǎn)換的圖形屏幕組成設置為手動、自動、半自動三種模式，手動時輪椅執(zhí)行用戶具體指令和行動任務；自動狀態(tài)時用戶只需選定目標，輪椅控制整個系統(tǒng)，此模式需要高度的可靠性；半自動模式下用戶與輪椅分享控制。為了更好適應用戶需求，研究者在康復中心進行了一系列調(diào)查，得出結(jié)論：系統(tǒng)必須是多功能的，不僅應適應殘障人士的生理和認知能力，也應適應環(huán)境的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。在此基礎上，經(jīng)改進后研制出第二代產(chǎn)品，相對于第一代產(chǎn)品，其功能更豐富，面向用戶范圍更廣，性價比更好，改良了大量控制。高性能電動輪椅的生產(chǎn)廠家集中在國外，技術較先進的國家有美國、德國、英國、瑞典、日本和比利時等。生產(chǎn)的電動輪椅功能強大，除一般功能外，還有可記憶地圖、自動導航、避障、自動行走、與用戶交互等功能，結(jié)構(gòu)也多種多樣，有四輪式、三輪式、六輪式和履帶式等多種多樣，性能也較優(yōu)秀，除能適應城市中平坦路況外，有些還能登山越野，適應較大坡度和不平度的路況。近幾年，國外在高檔輪椅方面又有了很大的發(fā)展，例如IBOT智能輪椅，不僅能夠輕松平穩(wěn)地在崎嶇和很大坡度的路面行駛，還能夠上下樓梯，而且可以利用2個后輪站立或行走。在日本，還發(fā)明了一種靠臉部表情來控制的高級電動輪椅，使用者只需在頭上系上一根特殊的帶子，然后通過改變表情就可以實現(xiàn)輪椅的運動。電動輪椅的發(fā)展趨勢隨著機器人技術、人工智能技術和傳感器技術的進步，電動輪椅的研究朝著高性能、多功能、智能化和人性化的方向發(fā)展。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航、自主避障、人機對話等服務機器人所具有的各種功能，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.研究方法初期的研究，賦予輪椅的功能一般都是低級控制，如簡單的運動、速度控制及避障等。隨著機器人控制技術的發(fā)展，移動機器人大量技術用于輪椅，電動輪椅在更現(xiàn)實的基礎上，有更好的交互性、適應性、自主性。應用領域隨著科學技術的發(fā)展，電動輪椅的強大功能不僅適用于年老體弱的老年人和重度殘疾的傷患，同樣的，它也適合于大型車間工人的代步工具。1.3主要研究內(nèi)容、途徑及技術路線為了改變我國輪椅的現(xiàn)狀，解決人們對高品質(zhì)生活的追求，因此，設計一款含有減速器裝置以減低輸出轉(zhuǎn)速，增大輸出轉(zhuǎn)矩的電動輪椅有很重要的意義，并將給老年人和殘疾人士的生活帶來極大的幫助。1.充分了解電動輪椅的結(jié)構(gòu)特點及構(gòu)造，并進行市場調(diào)查，分析研究現(xiàn)有電動輪椅的優(yōu)缺點以及可改進之處。特別是調(diào)速原理。2.搜集各類電動輪椅的資料，包括相關國家標準及最新成果。3.設計多個方案，并從選出總體設計方案后對總體設計進行細化。（1）輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計。 包括驅(qū)動及轉(zhuǎn)向方案的分析和選擇、驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體設計、電動機選型、減速器設計、其他傳動裝置設計、蓄電池選擇等。重點是減速器的設計，計算減速范圍以及車輪輸出轉(zhuǎn)矩。 （2）輪椅車身骨架設計。 包括人體坐姿分析、前后輪布置、骨架各組成部件形狀和尺寸設計等。（3）輪椅整體三位建模。 包括各零部件的建模和裝配，總裝配和生成二維工程圖。4.對設計進行校核，確保方案的可行性。  利用所學知識和參考國內(nèi)外電動輪椅文獻資料，對輪椅機械系統(tǒng)進行討論、畫草圖、分析、減速器設計，初步確定多種方案，計算減速器的轉(zhuǎn)矩范圍并進行校核來確定最終方案。優(yōu)化車身骨架結(jié)構(gòu)，添加必要的輔助功能裝置，利用計算機輔助設計軟件構(gòu)建輪椅及各零件三維模型。 2 電動輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計及主要參數(shù)電動輪椅的核心部分主要由驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成。本課題的難點是驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計，驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動電動輪椅的行駛和轉(zhuǎn)向，是電動輪椅的核心部分。它包括電機、與控制系統(tǒng)相連接電機控制器、減速器和其他傳動部分等裝置組成。能否平穩(wěn)行駛和靈活轉(zhuǎn)向是決定電動輪椅機械系統(tǒng)設計成敗的關鍵，也是電動輪椅機械系統(tǒng)設計中的重點難點驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計要求要考慮到電動輪椅動力性、安全性、電能利用率和輪椅成本等諸多方面因素，需要宏觀把握，統(tǒng)籌兼顧。 此系統(tǒng)的設計要求在現(xiàn)有電動輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向方案的基礎上通過改進提出多種供選方案，并結(jié)合所要設計的電動輪椅應具本有的特點和各方面因素分析各個方案的優(yōu)缺點，選擇一種最合適的驅(qū)動及轉(zhuǎn)向方案，并對系統(tǒng)的各組成部分進行詳細設計。驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成電動輪椅的主要動作，是電動輪椅的核心部分。它包括電機、與控制系統(tǒng)相連接并控制電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的電機控制器、與電機輸出端相連的減速器和其他傳動部分等裝置組成。驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計要求其能使輪椅平穩(wěn)的行進或后退，靈活并盡可能大角度范圍的轉(zhuǎn)向，快速的制動，并保證乘坐安全舒適。 通過控制器控制直流電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向可以達到調(diào)節(jié)后輪及驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的目的，從而控制輪椅的行駛速度和行進或后退。由于直流電機的額定轉(zhuǎn)速一般較高，遠高于輪椅平穩(wěn)行駛時后輪所要求的轉(zhuǎn)速，而直流電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩又較低，不足以驅(qū)動后輪克服地面摩擦阻力轉(zhuǎn)動，所以，必須在直流電機輸出端設置減速器，以減低輸出轉(zhuǎn)速，增大輸出轉(zhuǎn)矩。另外，由于路況原因，即使勻速直線行駛，輪椅后輪所受載荷也會有不同程度的變化，若將減速器輸出端直接剛性連接到后輪軸上，后輪所受載荷的劇烈變化會直接經(jīng)減速器傳遞到電機軸上，影響電機的正常工作和使用壽命，還會對控制系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速的控制精度有影響。所以，在減速器輸出端和后輪軸之間必須有添加其他傳動機構(gòu)，以減弱載荷變化的劇烈程度，使載荷趨于平穩(wěn)?？紤]到以上要求，設計可行的驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的供選方案，并對各方案優(yōu)缺點進行分析比較，確定最終方案。輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案分析及選擇電動輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計方案靈活多樣，驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案的選擇對電動輪椅的機械效率、整車結(jié)構(gòu)布置、行駛性能及控制方案的設計等有重要的影響，由于電動輪椅一般采用后輪驅(qū)動，所以根據(jù)轉(zhuǎn)向方式的不同，有兩種可采用的轉(zhuǎn)向方案：1.前輪轉(zhuǎn)向式（圖2.1） 2.后輪轉(zhuǎn)向式（圖2.3） 圖2.1 前輪轉(zhuǎn)向式 用一個直流電機驅(qū)動兩后輪傳動作為輪椅行駛主運動，通過調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速來改變輪椅行駛速度。一個步進電機控制兩前輪相對輪椅前進方向的偏轉(zhuǎn)角度，配合后輪主運動，使輪椅在行駛中轉(zhuǎn)向。控制系統(tǒng)向步進電機輸送脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)過特定角度，步進電機通過齒輪齒條平行四邊形機構(gòu)驅(qū)動兩前輪同步偏轉(zhuǎn)（如圖1.2），兩前輪偏轉(zhuǎn)軸頂端都裝有盤形彈簧，彈簧另一端固定在輪椅車身上，轉(zhuǎn)向完成后，控制系統(tǒng)不再向步進電機輸送脈沖信號，步進電機無輸出，兩前輪在彈簧力的作用下回復到初始位置，以完成轉(zhuǎn)向后前輪自動復位。 圖2.2 前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu) 后輪驅(qū)動軸由一根軸組成，軸中間裝有鏈輪，直流電機經(jīng)一減速器通過鏈條與鏈輪相連，由于輪椅行駛時速度較低，因此不需要差速器也可以正常行駛。此方案的優(yōu)點是驅(qū)動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分開，行駛方向控制與行駛速度控制相互獨立，互不影響，基于這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)設計相對簡單，易于實現(xiàn)。轉(zhuǎn)向原理簡單，只需要通過輸入步進電機的脈沖個數(shù)來控制前輪偏轉(zhuǎn)角就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，且轉(zhuǎn)向精度高。此方案缺點是輪椅轉(zhuǎn)向必須在行駛過程中完成，轉(zhuǎn)向半徑大，而轉(zhuǎn)向角度小，不能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，輪椅的活動性差，使輪椅在室內(nèi)使用不方便。 圖2.3 后輪轉(zhuǎn)向式 用兩直流電機分別驅(qū)動兩側(cè)后輪，通過電子差速方式獨立控制兩側(cè)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)速，兩后輪等速轉(zhuǎn)動時，輪椅直線行駛，兩后輪不等速轉(zhuǎn)動時，輪椅向轉(zhuǎn)速低的后輪一側(cè)轉(zhuǎn)向，通過控制兩后輪速差的大小和不等速轉(zhuǎn)動時間來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度。轉(zhuǎn)速差越大，不等速轉(zhuǎn)動時間越長，轉(zhuǎn)向角度越大，當一后輪正轉(zhuǎn)，另一后輪反轉(zhuǎn)時，輪椅可原地360度轉(zhuǎn)向。采用雙直流電機驅(qū)動，所需直流電機功率約為單直流電機驅(qū)動時電機功率的一半，電機尺寸可以更小，兩直流電機及減速器等結(jié)構(gòu)都布置在后輪軸線上，且省去了差速器和前輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊。但要求電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩范圍寬，對電機性能要求高。使用后轉(zhuǎn)向，可以任意轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向。此方案將驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)融為一體，雖只需控制兩直流電機轉(zhuǎn)速變化，即可實現(xiàn)輪椅的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向。但是轉(zhuǎn)向時要求控制系統(tǒng)實時精確的控制兩直流電機轉(zhuǎn)速，對控制策略要求更高。所要設計的電動輪椅應能同樣適應室內(nèi)與戶外的使用，要求有較方便的操作，而轉(zhuǎn)向的精度尤為重要，前輪轉(zhuǎn)向方案可實現(xiàn)輪椅轉(zhuǎn)向精度高。后輪轉(zhuǎn)向方案由于要求電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩范圍寬，對電機性能要求高。綜上所述，決定采用前輪轉(zhuǎn)向式方案。前輪轉(zhuǎn)向式驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計 此系統(tǒng)有直流電機和相應的減速器及傳動機構(gòu)等都在后輪軸線方向上分布，由于輪椅輪距不可能太大，這就要求直流電機和減速器的軸向尺寸不能過大。而直流電機的軸向尺寸對直流電機的額三維圖