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摘 要
隨著我國科學技術的飛速發(fā)展，智能裝備制造業(yè)的興起，一些傳統(tǒng)的設備、工具等重新被設計改造，使其更加智能化、人性化、可操作性更強。輪椅人們?nèi)粘５纳钪袝r常見到，他主要的服務對象是老年人或者下肢有殘疾障礙的人士。在傳統(tǒng)輪椅的使用當中，需要陪護使用人員，即在后方必須有一個人力單元將輪椅推行，而且面對障礙物如樓梯等場地時很多時候需要繞行或者抬起，以越過障礙物，這極大的造成了對患者的二次傷害。
本次設計針對傳統(tǒng)的輪椅使用情況為背景，根據(jù)這一現(xiàn)象設計一種可以爬樓梯的智能輪椅，其主要功能有使用陀螺儀的原理根據(jù)體感控制小車前進或者后退拐彎等操作，輪椅集成上樓履帶，在需要上樓爬坡的時候，控制履帶上升，使履帶面著地，在履帶的強力摩擦下實現(xiàn)爬樓梯的功能。
在本文首先對已有的輪椅結構設計的思路上進行了深入分析，根據(jù)自我的觀點去設計機構方面的方案，并對其進行參數(shù)選型計算，然后通過三維建模的方法將設計給進行圖紙化后進一步進行優(yōu)化設計方案，最后以三維設計軟件來導出二維的工程圖紙，實現(xiàn)設計本身的最終目的。
關鍵詞：智能化輪椅 爬樓梯輪椅 三維設計
Abstract
With the rapid development of science and technology in China and the rise of intelligent equipment manufacturing industry, some traditional equipment and tools have been re designed and modified to make it more intelligent, humanized and more operable. Wheelchair people often see in their daily lives that their main service targets are elderly or disabled persons with disabilities in the lower extremities. In the use of the traditional wheelchair, it is necessary to accompany the use of the personnel, that is, in the rear, there must be a human unit to carry out the wheelchair, and in the face of obstacles such as staircase, many times need to bypass or lift, to cross the obstacle, which greatly causes the two injury to the patient.
This design aims at the background of the use of the traditional wheelchair. According to this phenomenon, design an intelligent wheelchair that can climb stairs. The main function of this design is to use the principle of gyroscope to control the forward or backward turning of the car according to the sense of body. The wheelchair is integrated up the caterpillar, and the caterpillar can be controlled when it needs to climb up the stairs. The rise of the track makes the crawler face to the ground and achieves the function of stair climbing under the strong friction of the track.
This paper first analyzes the structure design idea of the existing wheelchair, designs the structure scheme according to his own idea, and calculates the parameter selection of the wheelchair. Finally, the design drawings are designed and the design scheme is optimized by the way of three-dimensional modeling. Finally, the two dimension engineering drawings are derived through the three-dimensional design software to realize the final goal of the design. Low.
Key words: intelligent wheelchair stair climbing wheelchair 3D design
目 錄
引 言 1
第一章 緒 論 2
1.1課題研究的背景資料 2
1.2課題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析 2
1.2.1國外的發(fā)展現(xiàn)狀分析 2
1.2.2國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況 3
1.3課題研究的目的及意義 4
1.4本章小結 4
第二章 設計方案 5
2.1設計要求 5
2.2設計方案 5
2.2.1方案介紹 5
2.2.2工作原理 6
2.2.3輪椅的整體模型 7
2.3本章小結 7
第三章 機械結構設計計算和選型 8
3.1底盤行走結構設計 8
3.2履帶爬樓機構設計 8
3.3座椅機構設計 11
3.3.1電機的選用 11
3.3.2減速器的選用 12
3.4鏈傳動設計 13
3.5鏈輪傳動軸的設計 17
3.5.1傳動軸的設計計算 17
3.5.2傳動軸的校核 18
3.5.3軸承的選用校核 19
3.6聯(lián)軸器的選擇 20
3.7本章小結 22
第四章 控制系統(tǒng)的設計 23
4.1 控制系統(tǒng)的概述及其特點 23
4.2 控制面板 23
4.3 履帶爬樓梯輪椅控制流程圖 24
4.4 本章小結 24
總 結 25
參考文獻 26
致 謝 27
引 言
此次畢業(yè)設計的目的是為了讓我們能夠進一步地深化學習與認知機械的專業(yè)性知識，并且能提升學生自我在機械設計方面的綜合性能力的一種檢驗方法。這次畢業(yè)設計它所包含的范圍是機器上的學習知識的綜合性運用和在電機方面的參考性知識。在這種學習的方法和設計的思考過程中和在提取了學長學姐們的研究的基礎上，我進一步地推進了此次的研究過程。而且將許許多多的重要零件，通過自身的初步理解，研究和檢閱各種刊物和書籍來進入設計。在設計過程中把自己平時的知識創(chuàng)新和理論性基礎知識相互結合緣故，對這次的設計上有了非常大的幫助的同時也讓我自己深化了機械方面的認識。不僅如此，在我們組老師的幫助下，探索了國內(nèi)外機械方面的很多相關知識和資料，而且同小組成員一起深入研究與檢查設計過程中的種種問題后，學到了很多的相關知識。雖然過程很艱難，但通過這一過程，也讓自己對我今后在機械領域的學習與工作上有了更加堅定的基礎。而且在這次設計上重溫了大學四年里所學過的機械原理以及機械設計、理論力學、材料力學等教材，對機械領域的學習做了一次完美的收工。并且通過重溫，自身對于我們國家的工業(yè)生產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)等多領域的了解有了很大的自我突破。在研究這次輪椅方面的設計過程中發(fā)現(xiàn)到，隨著我們社會的的進步，在人們意識不斷提高的基礎上，發(fā)現(xiàn)輪椅是年邁者和體弱多病者以及下肢殘疾者們不可或缺的代替步行的重要工具，隨著社會上對此關注增多，導致無障礙道路設施增多的同時輪椅使用者的活動能力領域也自然的日漸加大增多，可是樓梯的存在使得輪椅受到了非常嚴重的局限性，因此開發(fā)一個價錢合理、簡單好操作的能夠爬樓梯的輪椅將面臨嚴峻的未來，所以設計并開發(fā)出一臺這樣的輪椅，它的意義是非常重要的。
2
第一章 緒 論
1.1課題研究的背景資料
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程逐步推進，加上現(xiàn)今的棚戶區(qū)改造項目，平房換樓房，農(nóng)民住新樓的政策逐步實施，我國樓房的使用率將繼續(xù)逐步擴大，樓房不僅可以節(jié)約土地使用空間，縮小了人們生活的居住區(qū)面積，在有限的土地使用面積上居住更多的居民。但是樓房由于居住空間的影響其不可避免的對人們的生活帶來了一定的影響，比如老年人和殘疾人因其特殊性，在爬樓上樓的過程中十分的麻煩，因此制約了老年人和殘疾人對外交流的便利性，使他們更少的參與戶外的活動與交流，所以說樓房在節(jié)約空間的同時也有其一定的弊端。尤其在老舊的居民區(qū)內(nèi)，沒有設置垂直升降樓梯，一些行動不便的老年人和殘疾人幾乎和外界隔絕，其上下樓梯的便利性使人們急需解決的問題。但反觀過來，自從樓梯被我們?nèi)祟惿鐣l(fā)明并創(chuàng)造出來之后，給我們?nèi)祟惿鐣慕ㄖW術領域上取得了一次非常傲人的成績。因為，樓梯的出現(xiàn)不僅減小了房子本身的相對性建筑面積，而且最大化的利用了我們?nèi)祟愑邢薜陌l(fā)展空間與資源，也為出入那些高樓層的建筑提供了非常方便使用的通道。我們都知道輪椅是對于那些年紀比較大的老年群眾和從小因各種疾病導致體弱多病的人群以及天生性或后天由于突如其來的意外導致下肢殘疾的人群們不可或缺的代替步行的重要行走工具。而且在使用時往往需要醫(yī)護人員或者家屬陪同，以推行的方式使老年人和殘疾人外出的方式，大大的制約的老年人和殘疾人的出行自由和便利性，同時也使社會的醫(yī)療、護理、社會服務等方面的需求壓力繼續(xù)增大，總成資源的浪費與人力、物力、資金的無限輸出。如果說一種簡單的高效的自動運行的具有爬樓梯功能的輪椅的出現(xiàn)可以完全改變著一種現(xiàn)象的發(fā)生，老年人或者殘疾人坐在輪椅上就可以依靠身體軀干的前驅(qū)與后仰控制輪椅的前進后退，依靠身體軀干的左傾與右傾實現(xiàn)對應方向的轉彎，并且具有爬樓梯的功能，這樣就可以完全依靠老年人和殘疾人自主行走。
1.2課題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析
1.2.1國外的發(fā)展現(xiàn)狀分析
我們都知道隨著科技的進步這類技術逐漸被運用在民用設施當中，履帶式爬樓梯的裝置就跟我們熟知的坦克裝甲車中的履帶是差不多的，它們之間的原理既簡單又相似而且技術也很算很成熟。由國外一家公司研究并開發(fā)出的，其底部是利用了履帶傳動裝置，而且最大爬樓的坡度約為34.5度左右，上樓梯和下樓梯的速度是每分鐘平均約為17到18個臺階。不僅如此，如果遇到樓梯這樣的特別路段時，使用者可以通過一定熟練的操作來把兩側的橡膠型履帶慢慢地放到地面上，緊接著把這4個輪胎收回去就能依靠著履帶不需要別人的幫助也能夠自動地完成爬樓梯這項操作。在這些的基礎上，通過了解我還發(fā)現(xiàn)，日本公司也研發(fā)了一種類似的爬樓輪椅，其結構更加簡單，性能更加高效，有效的保證爬樓梯時的重心，在上樓的過程中更加平穩(wěn)，實現(xiàn)了上樓爬樓的穩(wěn)定性能。
其實像很早以前的那種爬樓梯輪椅，它基本上采用的都是步行狀態(tài)，并且它的執(zhí)行的機構裝置是由鉸鏈桿件裝置機構來完成的。所以一般在上樓梯的時候，首先要把輪椅抬高一定角度之后，方可進行水平方向的移動，這種反復式的過程雖然可以爬完一段樓層，但是步行式的爬樓梯裝置還是給人帶來了一定的負擔，整體效果不佳。
圖1-1國外爬樓梯輪椅
1.2.2國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況
對于我們國家而言，在對此種裝置的接觸與研究的起步算是較晚的，但是最近這些年來，我們國家也陸陸續(xù)續(xù)地涌現(xiàn)了許多相關方面的專利和設計，而且也是在國內(nèi)掀起了一場技術上的改革和進步的熱潮，可是在真正投入和實際使用方面來講還是占極少數(shù)的。
在上世紀的年代，我們國家就已經(jīng)對此研究過相應的結果，當時也介紹了一種既能夠在平面地區(qū)上使用又可以在上樓梯時可使用的多用輪椅，并且它的前，后滾輪都是用好幾個星形輪來組成的。但是，當年也是在設計過程中發(fā)現(xiàn)仍然存在著一些細節(jié)上的問題，簡單舉個例子來說，比如其在爬樓梯整個過程中的穩(wěn)定性不佳，所以沒有能夠投入到實際相關的使用中。
1.3課題研究的目的及意義
世界老齡化已經(jīng)成為一種普遍的現(xiàn)象，一些老年人和殘疾人的數(shù)量節(jié)節(jié)攀升，不僅增大了社會服務的投入，增加了社會的負擔，而且其特殊性也大大的降低了他們的生活需求，為了增肌其生活的多樣性，可以隨時隨地與外界溝通，隨時根據(jù)自己的意愿進行適當?shù)某鲂校瑘詮娚鐣諜C構的負擔，有必要設計一種高性能的只能爬樓輪椅。隨著老齡化的加重，其市場發(fā)展?jié)摿σ簿薮螅梢耘罉堑碾妱虞喴尉哂袕V闊的市場前傾，其不僅可以滿足殘疾人和老年人多的需求，而且可以減少對家庭帶來的負擔，所以說智能爬樓梯點動輪椅具有很高的使用價格和研究的必要性，其光擴的市場前景必定會帶領其更好的發(fā)展。其中履帶式爬樓梯電動輪椅，它具有特別強的適應性能，擁有非常好的靈活性，而且活動領域廣泛，使用起來方便上手操作、價錢合理，所以在我們國家經(jīng)濟飛速發(fā)展的同時，這群特殊人群對這類輪椅的需求也將一步一步逐年地增加，這樣將會形成在市場上不同凡響的發(fā)展?jié)摿?，最終這類輪椅也將會具有更加廣闊的發(fā)展空間和美好的發(fā)展前景。
1.4本章小結
在進行這次的設計之前，首先對前人們對此的研究來進一步分析，從而大致了解本次履帶式爬樓梯電動輪椅的根本性意義，然后再次結合了國外和國內(nèi)的研究經(jīng)過和成果，簡單地敘述了設計的相關內(nèi)容，為后續(xù)的分析提供基礎。
34
第二章 設計方案
2.1設計要求
本次設計著重針對老年人和殘疾人因在爬樓上樓的過程中遇到的問題為基礎使用，設計出一個體積合適，操作簡易，而且可以實現(xiàn)爬樓梯功能輪椅是有效提高老年人和殘疾人們的生活質(zhì)量，從而進一步提供了他們與對外交流的便利性。
設計一個履帶式爬樓梯電動輪椅需要做到以下幾點：
（1） 合理的整體三維設計方案；
（2） 設計計算分析；
（3） 整體運行安全，實用性強，性價比高。
2.2設計方案
履帶式機構的爬樓梯輪椅，其應用比算較多一點，這類輪椅是采用了連續(xù)不斷的行走形式，因此傳動的效率相比之下會高得多。而且在上樓梯和下樓梯的過程中，它所謂的重心一直都是沿著樓梯臺階沿中的連線相互平行的直線性運動，具有非常平穩(wěn)的運動，彌補了輪式爬樓梯輪椅自身所存在的一些缺點，提升了輪椅的整體使用性能。終上所述，我們就可以非常明顯地得出履帶爬樓梯輪椅機構比其他形式的輪椅機構更加具有優(yōu)越性的這一結論，因此在本次的設計中采用了履帶這一優(yōu)異的特性，進行了詳細的分析與理解。
2.2.1方案介紹
本次的設計方案是采用平地路面和上樓驅(qū)動單元分離的形式，即在平地時由車輪附著底面，實現(xiàn)輪椅的前后運動，采用體感控制的驅(qū)動形式，方便上肢殘疾的患者操作。在爬樓時，放下履帶，使履帶與樓梯接觸，在傳動力的作用下，實現(xiàn)爬樓的過程。且該裝置控制轉彎的原理是通過兩個輪對應的速度的不同差異來實現(xiàn)自身轉彎的相應動作，提升了輪椅整體的使用靈活功能和操作者對該輪椅的方便入手。
2.2.2工作原理
圖2-1 方案結構圖
由上圖可知，履帶爬樓輪椅的履帶及后輪都是單獨電機提供動力的，這樣大大提高了履帶爬樓輪椅的的靈活性。首先病人坐在座椅7上，雙腳放在腳踏板9上，然后根據(jù)需要操縱控制桿8，正常平路行駛時只需要開啟后輪11電機，電機可以實現(xiàn)正反轉，實現(xiàn)輪椅的前后運動，拐彎的時候可以關閉左邊或者右邊的后輪，一個輪子運動實現(xiàn)輪椅的拐彎靈活性。
然后是履帶爬樓輪椅的爬樓梯功能，在病人需要到輪椅進行爬樓梯時，首先到達樓梯底下時，關閉后輪電機通過控制桿根據(jù)樓梯的角度調(diào)節(jié)液壓缸的行程，帶動履帶整體擺動到一個適合的角度（在上樓梯時人坐直基本與地平面垂直狀態(tài)），然后打開履帶輪的電機，電機通過鏈傳動帶動傳動軸，進而帶動履帶輪，采用履帶提供動力進行輪椅的爬樓梯工作。輪椅到達樓梯上地表面后，關閉履帶輪電機，調(diào)節(jié)液壓缸行程回到最初狀態(tài)，繼續(xù)向前行駛。這樣就完成了履帶爬樓輪椅的爬樓梯工作了。
2.2.3輪椅的整體模型
圖2-2 履帶式爬樓梯輪椅的整體三維模型
2.3本章小結
先對履帶的應用方面，即應用在消防，軍隊，安檢，巡查，防爆以及救援等領域上進行了相對的查閱，并在本章根據(jù)履帶式爬樓梯電動輪椅的實際應用來自我制定了兩套方案對其的選擇對比性分析，并對其原理簡要地說明。
第三章 機械結構設計計算和選型
3.1底盤行走結構設計
底盤結構設計主要包括是行走電機、車輪、行走傳動機構、腳踏、輔助機構等。其主要結構方式是無刷直流電機帶動減速機進行減速、分別帶動兩個車輪進行旋轉，其中車輪采取兩輪的結構形式，左右各一個輪，運用陀螺儀技術進行前進后退的控制。
3.2履帶爬樓機構設計
履帶爬樓結構單元主要的結構是通過行走電機鏈接減速機通過鏈輪傳送至履帶傳動軸，實現(xiàn)履帶的轉動。采用調(diào)節(jié)液壓缸的行程，控制履帶的角度，實現(xiàn)輪椅的爬樓梯功能。下圖以最為普遍的樓梯斜度（30°）對輪椅爬樓梯的狀態(tài)進行分析。
1. 爬樓梯前的履帶及液壓缸的狀態(tài)如下圖所示：
分別為1-履帶 2-液壓缸 3-液壓缸鏈接耳 4-座椅底板
圖3-1 輪椅爬樓梯前的履帶及液壓缸的狀態(tài)
由上圖可知，在輪椅未進行爬樓梯前，履帶與地面及輪椅底板為平行狀態(tài)，液壓缸軸線與輪椅底板的角度為，根據(jù)液壓缸的安裝位置得到。
2. 爬樓梯時的履帶及液壓缸的狀態(tài)如下圖所示：
分別為1-履帶 2-液壓缸 3-液壓缸鏈接耳 4-座椅底板
圖3-2 輪椅爬樓梯時的履帶及液壓缸的狀態(tài)及受力分析
由上圖可知，在輪椅未進行爬樓梯前，履帶與樓梯斜面為平行狀態(tài)，而要保證病人的平穩(wěn)上樓梯，輪椅的底座應與地面繼續(xù)保持平行狀態(tài)，這時得到上圖所示，液壓缸軸線與輪椅底板的角度為。由于實際生活中會存在少數(shù)超過斜度樓梯，所以設計時設定的略大，設定為。
得到爬樓梯時，液壓缸的受力為：
上式中：G為輪椅的重力與人體的重力之和，輪椅自重，載重（設定最重），得到；為液壓缸軸系與輪椅底座的角度，。
代入公式得到：
需要液壓缸的最小行程：
上式中：L為輪椅爬樓梯時氣缸的長度，單位為mm；為輪椅正常行駛時氣缸的長度，=275mm。
根據(jù)輪椅兩種狀態(tài)的角度計算L：
得到：
取整168mm。
則由以上計算得到的參，得到液壓缸的負載為2333N，行程選擇180mm。履帶及液壓缸的三維模型如下圖所示：
圖3-3 履帶的三維模型圖
圖3-4 液壓缸的三維模型圖
3.3座椅機構設計
3.3.1電機的選用
在本設計中，鏈傳動組件將前后兩個外輪組件和兩個內(nèi)輪組件連接起來，相當于四個履帶由兩個相同的行走電動機兩兩驅(qū)動，也就是說一個行走電機驅(qū)動一側的履帶行走。
行走電機所需的功率計算：
式中：為安全系數(shù)，考慮超載或功耗波動等影響，取1.5；
為傳動裝置的總傳動效率；
為行走電機的功率。
則智能爬樓輪椅行進所需功率：
式中：為只當單個行走的電機作用在單側履帶式機器人的牽引力，；
為整個履帶式機器人的行走速度，。
假設履帶與地面之間的滾動摩擦系數(shù)，已知履帶機器人自身重量為，且兩個行走電機作用于履帶機器人上的牽引力與摩擦力相等，則計算
可以從設計的參數(shù)了解到，整臺履帶機器人的行走的速度是，取最大值為計算得出
我們選定行走電機的品牌為瑞士直流無刷電機，型號為，其工作額定功率為，額定轉速為,行走電機的具體參數(shù)見圖3-5；
圖3-5 行走電機詳細參數(shù)
由設計三維圖可知內(nèi)輪的直徑為，且設計要求整個履帶機器人的行進速度為，所以履帶行走的最大轉速
3.3.2減速器的選用
已知選定的行走電機型號為，其工作為，為,且履帶的轉速為，如果我們直接通過減速器減速則減速器總傳動比為。經(jīng)計算的其減速比較大，如果單純用減速機進行減速，其需要多級變速，體積龐大，因此可以外加減速機構的形式或者套用多個減速機或使用減速電機集成減速的形式，因此為了使其結構更加簡單高效，采用自帶減速電機的形式。
圖3-6 行走電機減速器詳細參數(shù)
我們這里選擇配套的減速器為行星輪減速器，型號為，我們已知行走電機的輸出軸直徑為，小于減速器最大允許電機軸徑，滿足要求，并根據(jù)總傳動比，我們選擇減速器的編號為，減速比為，精確減速比為。
齒輪減速機安裝在電機與鏈傳動的中間，起到降低轉速提高扭矩的作用，以滿足輪椅在爬樓過程中大扭矩的輸出的需求。減速機有多種結構形式，按照傳動凡事分為齒輪副的結構形式、蝸輪蝸桿的結構形式、星型減速的結構形式，其主要的原理是齒數(shù)的嚙合組合成不同的轉速需求。通過對減速級數(shù)可分性分為單級地和多級的變速形式，一般情況下單級的變速范圍則是，單級變速的結構形式有其優(yōu)點，傳動比較穩(wěn)定，而且壽命比較長后期維護簡單，可以減少后期維護維修的費用，所以本次選擇單級的直齒的傳動減速形式作為選擇減速機的依據(jù)。
3.4鏈傳動設計
鏈傳動作為集中傳動機構中比較常用的結構形式具有其特有的優(yōu)勢，其傳動負載較大，在后期維護中可以對其進行單個的拆除更換，降低后期維護成本，其在更換時不用拆卸其它的傳動機構，可以降低維護成本和維修時間，在此期間對比同步帶的傳動形式，雖然同步帶的傳動形式更加平穩(wěn)、轉速也比較大，但其使用壽命不如鏈輪傳動的結構形式，在后期損壞后需要將同步輪等傳動機構拆除然后更換，其維護維修成本較高，不適合此類設計工況的需求，加之本次點動爬樓輪椅的要求時速不高，故選擇性能相對較為穩(wěn)定，后期更換維修成本將對較低的鏈傳動機構作為本次爬樓輪椅的傳動單元。根據(jù)設計的要求已知鏈傳動的基本參數(shù)：鏈輪的轉速；傳動比i=1；主動鏈輪孔徑.。
下列計算均以，《機械設計》中鏈輪的計算過程進行計算：
1. 選擇鏈輪的齒數(shù)
取主動鏈輪的齒數(shù)，則從動鏈輪的齒數(shù)為
2. 確定計算功率
由《機械設計》表可知，工況系數(shù)；
由《機械設計》圖9-13可知，主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)；單鏈排，則計算功率為
3. 選擇鏈條型號和節(jié)距
根據(jù)，；
由《機械設計》圖9-11可知，選擇鏈號為；
由《機械設計》表9-1可知，鏈條節(jié)距為。
4. 計算鏈節(jié)數(shù)和中心距
初選中心距，取；
鏈長節(jié)數(shù)，?。?
由《機械設計》表9-8可知，中心距計算系數(shù)，
則鏈傳動的最大中心距。
5. 計算鏈速和確定潤滑方式
由鏈速和鏈號，由《機械設計》圖9-14可知，要采用定期人工潤滑。
6. 計算壓軸力
有效圓周力：；
鏈輪水平布置時壓軸力系數(shù)；
則壓軸力。
7.鏈輪的幾何尺寸，根據(jù)以上計算及機械設計手冊得到，滾子直徑：，，則由《機械設計》表9-3公式得
（1）分度圓直徑：
代入公式得到：
（2）齒頂圓
鏈輪齒頂圓：
取整：40mm。
（3）齒根圓直徑：
取：136.5mm。
（4）節(jié)距多變形以上的齒高：
16.輪轂厚度h：
式中，為孔的直徑，單位為mm。
當時，為；當，為；
當，為；當時，為。
根據(jù)上述數(shù)據(jù)
取整：14mm
17.輪轂長度：
取整：46mm。
18.輪轂直徑：
19.齒寬：
根據(jù)設計的基本參數(shù)及以上的計算得到鏈輪的基本參數(shù)；
鏈輪的三維模型圖如下所示：
圖3-5鏈輪的三維模型圖
3.5鏈輪傳動軸的設計
3.5.1傳動軸的設計計算
根據(jù)安裝傳動的要求，鏈輪傳動軸結構為階梯軸結構，如下圖3-4所示：
圖3-7 鏈輪傳動軸結構視圖
1.選擇軸的材料
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得，，。
2.初步確定軸的最小直徑。
根據(jù)《機械設計手冊》按照軸的設計步驟，首先我們要確定軸的最小直徑，由軸的材料選用：45鋼，根據(jù)強度要求進行調(diào)質(zhì)處理，取，得到：
3.軸的結構設計
由軸的結構安裝及最小軸徑要去，對階梯軸的各段尺寸進行確定，得到軸的各段尺寸如下所示：
第一段：由最小軸徑及安裝履帶板相關尺寸確定，取，
第二段：安裝履帶輪相關尺寸確定：，
第三段：安裝軸承相關尺寸確定取 ：，
第四段：為了滿足軸承的軸向定位需在其左側制一軸肩及安裝鏈輪?。海?
第五段：為了滿足鏈輪的軸向定位需在其左側制一軸肩，取，
第六段：安裝軸承相關尺寸確定取 ：，
第七段：安裝履帶輪相關尺寸確定：，
第八段：由最小軸徑及安裝履帶板相關尺寸確定，取，
3.5.2傳動軸的校核
（1）根據(jù)爬樓梯輪椅的基本參數(shù)及《機械設計手冊》，選取每級帶輪傳動的效率為：=0.97，求輸出軸上的功率p，轉速n和轉矩T，得到：
； ；
由
（2）求作用在帶輪上的力
圓周力：
徑向力 ：
軸向力 ：
（3）求軸上載荷
在確定軸上的載荷時，我們需要確定軸在安裝工作時的位置支承點，根據(jù)《機械設計手冊》中對比查找得到6304型滾子軸承，確定值為：。
根據(jù)以上計算得到的數(shù)據(jù)表明，截面3-4為軸在工作中的危險截面。以下是截面2-3處的、及的值。
鏈輪傳動軸的受力分布為：
支反力在水平面上，和；
支反力在垂直面上，和；
彎矩在水平面上，和；
彎矩在垂直面上，和；
總彎矩在水平面上，；
總彎矩在垂直面上，。
（4）按彎矩合成應力校核軸的強度
根據(jù)軸在設備正常工作時受力分析，對軸的校核，只要對軸的危險截面進行分析校核即可，也就是軸的最大受力截面及最大彎矩、扭矩的點，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，得到軸的應力：
根據(jù)經(jīng)濟效益的出發(fā)，初選軸的材料為45鋼，需要進行調(diào)質(zhì)處理，由表查得，許用應力：，因此<，故安全。
3.5.3軸承的選用校核
1.滾動軸承的概述
在市場上軸承的類型有很多，其中按摩擦性質(zhì)來進行分類可分為：滑動軸承與滾動軸承兩大類。
滾動軸承的結構主要包括：內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等。兩種不同類型的軸承都有自身的優(yōu)缺點：
（1）滾動軸承與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小、啟動靈活、效率高、潤滑簡便、易于互換且可以通過預緊提高軸承的剛度和旋轉精度等優(yōu)點；
（2）缺點是抗沖擊能力較差、高速時有噪聲、徑向尺寸較大、工作壽命也不及液體摩擦的滑動軸承[13]。
2.軸承的壽命計算
根據(jù)本設計要求，軸承預計工作時間為=10000h
（1） 初選軸承的型號為：6304
根據(jù)《機械設計手冊》查表15.5可知：內(nèi)徑d=18mm，外徑D=25mm，寬度10mm?；绢~定動載荷=15800N，基本靜載荷=7880N，極限轉速13000~17000r/min。
（2） 軸承的壽命計算
軸承壽命指數(shù)ε=3，由《機械設計手冊》表13-4和13-5，取=1，=1.2
由額定壽命計算公式：
12565292h>100000h
由以上計算知，預期壽命滿足設計要求。
3.6聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的主要作用是鏈接兩周進行傳動能量的傳遞，其還能間接的補償兩軸之間的不同心的現(xiàn)行，具有一定的糾正能力，但在兩周不同心較為嚴重的情況下會發(fā)出滋滋的聲響，所以說其糾正的能力有限，但其減震，緩沖，降低尖峰載荷的功能是其優(yōu)點，同時聯(lián)軸器有時也兼有過載安全保護作用。
無刷直流電機聯(lián)軸器，主要鏈接電機軸和輸出車輪軸之間的鏈接紐帶，其具有高效，較為精密的傳動特點。對此在鏈接此類電機時應滿足一下幾個要求：
1.零間隙：聯(lián)軸器和電機軸還有輸出軸的鏈接的過程中需要精密配合不允許有間隙的存在；
2.高剛性：聯(lián)軸器的傳動時效性較高，不允許電機與輸出軸之間有傳動時差，降低電機的傳動性能；
3.低慣量：在與此類電機鏈接傳動的時候，由于此類電機扭矩不是很大，在很多情況下負載的質(zhì)量決定了電機的傳動精度與正常運用；
4.柔性好：在電機與輸出軸的鏈接中不可避免的有微小的裝配誤差與制造誤差，在滿足剛性需求的同時聯(lián)軸器要求糾正其微小誤差的能力。
連軸器在機械設備中運用較為廣泛，其可以有效的鏈接動力輸出單元和傳動單元，是兩者之間的傳輸紐帶，其分類按照結構的不同主要可以分為以下幾種：
1. 梅花聯(lián)軸器
圖3-8 梅花聯(lián)軸器
（1）梅花聯(lián)軸器一般為鋁制材料，有效的降低了動力單元的額傳動負載。
（2）梅花連軸器主要分為三部分，一部分是鋁制連接塊與輸出軸和動力單元進行配合鏈接，在與動力輸出單元和傳動單元鏈接的時候采用螺栓張緊的結構方式，安裝簡單高效，確保配合無間隙。
（3）中間采用聚氨酯的材料，有效的保證了電氣絕緣性能。
（4）使用溫度-20℃～60℃之間。
2.膜片聯(lián)軸器
圖3-9 膜片聯(lián)軸器
（1）膜片聯(lián)軸器的材料是鋁制的，所以能夠有效的降低動力單元的額傳動負載。
（2）膜片聯(lián)軸器主要分為三部分，一部分是鋁制連接塊與輸出軸和動力單元進行配合鏈接，兩者之間通過膜片鏈接，較梅花連軸器具有更高的剛性。
（3）膜片聯(lián)軸器具有比較好的隔熱能力。
（4）軸孔形式分夾緊式以及脹套式兩種，其中加緊式在與動力輸出單元和傳動單元鏈接的時候采用螺栓張緊的結構方式，安裝簡單高效，確保配合無間隙，脹套式的結構形式可以承載較大轉動力矩，一般用于速度較高的主軸的鏈接。
3.彈性聯(lián)軸器
圖3-10 彈性聯(lián)軸器
（1）彈性聯(lián)軸器其結構形式采用一體的構造方式，通過切割或者電加工多條間隙具有一定的柔性。
（2）在低轉速的情況下可以適應動力輸出軸和傳動軸之間較高的偏差。
（3）高扭矩剛性和卓越靈敏度。
（4）其采用左右對稱的結構形式，其傳動方向不受限制，順時針和逆時針旋轉的影響較小。
（5）一般為不銹鋼作為材料可以滿足酸性環(huán)境、堿性環(huán)境和較為惡劣的環(huán)境中使用。
根據(jù)無刷直流電機聯(lián)軸器選用技巧，選擇價格較為便宜梅花聯(lián)軸器，完全滿足設計的需求。其兩端軸徑為一段鏈接步進電機軸徑一段鏈接光軸直徑。
根據(jù)以上的分析，我最終選擇價格方面比較廉價的梅花型聯(lián)軸器，并且根據(jù)扭矩，轉速和被連接的軸徑等等各項參數(shù)來選擇聯(lián)軸器。
式中：為所傳遞的扭矩的計算值；
為按計算的傳動軸的；
為聯(lián)軸器許用扭矩；
為聯(lián)軸器重要程度系數(shù)，對，?。?
為角度偏差系數(shù)在此取1.75。
根據(jù)以上計算選用LC-AN-015DA梅花聯(lián)軸器，聯(lián)軸器允許最大扭矩為32，因為故滿足使用要求。
3.7本章小結
在本章中充分地分析了履帶式爬樓梯電動輪椅的各部分機構的組成，工作原理以及其相應的設計計算和校核。對履帶式爬樓梯電動輪椅的充分計算中，驗證了其設計的合理性和穩(wěn)定性。
第四章 控制系統(tǒng)的設計
4.1 控制系統(tǒng)的概述及其特點
設計履帶輪式輪椅所需功能是可以啟動停止、前進后退、可控制方向可調(diào)速。
根據(jù)所需功能選用的是型號為EM-101-BI MOTOR的電機控制器。
圖4-1 EM-101-BI MOTOR 電機控制器
該種驅(qū)動器采用抗干擾設計，同時也降低了驅(qū)動器對外部電子設備的干擾，
在外部信號控制方面能適用于自動控制的接口控制方式，可以用模擬量和開關量
控制驅(qū)動 器的功能。并具有智能邏輯功能，可以自動判斷電機的轉速及電流值然
后決定于換向的時間，也可以在配接能耗制動電阻后實現(xiàn)停機制動和快速換向制
動。此種方式與常規(guī)換向方式相比:具有換向可靠、噪音小、干擾小、壽命長、
無弧光等特點。并且外部控制信號采用電流傳輸，增加了抗干擾能力和可靠性。
體積小、性價比高，并得以廣泛的應用。
應用范圍：適用于小功率直流電機普通換相功能的控制要求。
調(diào)速類型：用電位器調(diào)節(jié)電阻來改變電壓以此實現(xiàn)調(diào)速功能。
4.2 控制面板
圖4-2 操縱桿的三維模型圖
如圖所示，使用操縱搖桿可控制平地上和爬樓梯過程中的前后左右的移動，其按鈕來控制平地模式和爬樓梯模式的互相轉換功能。
4.3 履帶爬樓梯輪椅控制流程圖
根據(jù)履帶爬樓輪椅的的實際工作情況，履帶爬樓輪椅需要再不同的路況及方向進行行走，所以在履帶爬樓輪椅的行徑過程中需要到各種動作的切換，實現(xiàn)其爬樓梯拐彎及正常行駛的功能，其工作轉換流程圖如下所示：
圖4-3履帶爬樓輪椅行駛轉換流程圖
4.4 本章小結
在本章簡要地說明了所采用的PLC控制系統(tǒng)的功能和特點。然后對控制面板進行了詳細說明，并著重地說明了基本控制流程。
總 結
在本次履帶式爬樓梯電動輪椅的設計中，通過對履帶爬樓的過程進行相關的運動分析，從中確定了一些必要的尺寸，然后進一步展開對履帶結構的設計。在對電機和減速裝置的選擇中，對一些必要的參數(shù)進行了分析后選擇可適當?shù)目刂品绞?。并且對各個零件的設計上進行詳細計算和校核，整體上比較合理。
眼觀現(xiàn)實生活中，雖然履帶式爬樓梯電動輪椅可以彌補普通輪椅的不足之處，但是我們對它的研究還是停留在理論基礎上，并沒能夠?qū)崿F(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，畢竟在爬樓梯和平地運行時都存在著一定的不確定因素，還需待研究和開發(fā)。而且通過一系列的參考和瀏覽大批資料后分析發(fā)現(xiàn)，履帶式輪椅它其實還是具有一定的發(fā)展空間，無論從長遠還是短期來看，它的存在將會在市場上擁有很強的競爭能力。隨著人工智能的發(fā)展,新型多功能輪椅的功能將會更為完善化，豐富化，而且也將真正進入老年人和殘障人士的生活當中。
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致 謝
時光飛逝大學的學習生活到了這個季節(jié)將要畫上一個圓滿的句號，而對于我的人生來說這還只是一個逗號，同時也是我以后人生的一個開端。雖然在過程中，遇到了很多的問題和不足，但是因為有了這次機會，讓我對我們專業(yè)的基本知識有了更加進一步的提升。
本次設計是對智能爬樓輪椅的設計，當拿到這個題目時是一點思路也沒有，當時有點灰心、有點泄氣，當看到其他同學都有所進步時，自己也開始加大對此類資料的搜集和查閱，通過查閱學習了解到現(xiàn)在智能輪椅常用的結構形式，和常用的零件配件。通過自學，學會了樣本的查詢與選擇，并學會通過廠家或者第三方軟件進行零件的查取操作，十分方便和有效。為自己以后工作學習打下了堅實的基礎。
通過畢業(yè)設計，是對我大學學習專業(yè)課程知識的檢驗，通過對鋁管滾花切割機的設計，查閱相關資料，了解非標機械的用途以及未來發(fā)展的趨勢有了更細致的認識。而且至此提升了所學知識的運用的能力，懂得了如何高效率的運用,令自己對大學四年以來所學過的基礎知識進行了更加全面性的回顧,讓我明白了如何運用自己所學的知識，同時又學到了其他獲取知識的方法；從而使我獲得了一次大規(guī)模檢索相關資料的機會，提高了運用網(wǎng)絡和對專業(yè)計算機軟件輔助的能力。 而這些基本的知識恰恰都將成為我今后最為珍貴的財富,為我今后所要從事的工作打下更加堅定的基礎。
在此我要特別地感謝我的指導老師的熱情關懷和悉心教導，在我什么都不懂，在我迷茫的時候，在我編寫論文之際都給了很大的幫助以至于我不會在設計的過程中迷失方向，失去前進動力。在論文的編寫，選題方面得到了老師無私的幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進，直到畢業(yè)設計的完成。指導老師精湛的技術和扎實的專業(yè)知識，都深深的影響著我，將對我以后的學習、生活和工作大有裨益。這些都是我所需要學習的，感謝指導老師給予了我這樣一個學習機會，感謝老師！
感謝關心我支持我的朋友們和同學們，感謝學校領導、老師們，感謝你們給予我的幫助與關懷；我以你們?yōu)榘駱?，我以是您的學生而自豪。再次感謝！