毕业设计（论文）-轮式可爬楼梯轮椅车设计

轮式可爬楼梯轮椅车设计摘 要轮椅是肢体残疾人和老年人的重要代步工具。在发展中国家，很多老式的居民楼里没有电梯，肢体残疾人士和老年人上下楼不方便。国外发达国家研制的爬楼轮椅大多价格昂贵，且操作复杂，发展中国家普通用户难以承担。国内开发的产品与国外产品的差距较大，尤其是在轮椅爬楼稳定性和安全性方面做得还不够好。本课题在借鉴国内外相关研究的基础之上，提出了一种新型爬楼轮椅的方案，以期更好地解决轮椅爬楼的稳定性和安全性问题。本文对爬楼轮椅的总体方案及关键问题进行了研究，研究内容及结果包括：全套图 纸加扣 3346389411或3012250582（1）进行了爬楼轮椅的总体设计。采用综合评分法对现有爬楼机构的工作原理及各种不同机构的优缺点进行分析，确定了以三星轮式机构作为爬楼机构；对可爬楼梯轮椅车的传动系统，尾架系统，底盘小车，座椅系统进行了总体设计。（2）对动力系统进行了设计，通过计算分析选择了底盘小车动力系统的电机，电池和减速器；通过分析列出翻越台阶约束，转速约束，其他约束三大约束条件，并选择出最优的行星架零件参数。（3）使用SolidWorks软件对爬楼轮椅的结构进行了设计，并进行中心轴，外圈轴和车轮的应力应变分析。关键词: 爬楼轮椅 轮式机构 调平机构 SolidWorks IVABSTRACTWheelchair is an important transport of physically disabled and elderly people.In some developing countries, many of the old buildings are not equipped with elevators, so physically disabled and elderly people up and down the stairs harder. The stair-climbing wheelchair which manufactured in developed countries is expensive and complicated to operate, so ordinary users in developing countries is difficult to bear. The gap between the domestic products and foreign products is a little large,especially in climb stability and security, and we are not doing well enough. This topic proposed a new kind of stair-climbing wheelchair solution which based on the relevant research at home and abroad, in order to better solve the stability and security of the wheelchair when climb the stair. In this paper, the overall scheme and the key problems of the stair-climbing wheelchair is studied, and the research contents and results include:(1) This paper has designed the overall of the stair-climbing wheelchair. In this paper, the comprehensive evaluation method is used to analyze the working principle of the stair-climbing mechanisms and the advantages and disadvantages of the different mechanisms, and determined the three wheeled wheel mechanism as a stair-climbing mechanisms;This paper has designed The transmission system, tailstock system, chassis trolley and seat system of the stair climbing wheelchair.(2) the power system is designed, and the motor, battery and reducer of the chassis power system are selected by calculation and analysis. By analyzing and listing the step constraints, the speed constraints, the other constraints, and selecting the optimal parameters of the three constraints of the planet frame.(3) The structure of the climbing wheelchair was designed by SolidWorks software, make the stress and strain analysis of the center shaft, outer ring shaft and wheel .Key words: stair-climbing wheelchair wheel mechanism leveling mechanism SolidWorks目录摘 要IABSTRACTII1. 绪论11.1引言11.2本文研究的理论意义和应用价值11.3国内外研究现状11.4本文研究的主要内容31.5本文创新点42. 可爬楼梯轮椅车的总体设计52.1底盘小车的设计方案52.2座椅的总体设计103. 动力系统分析选型123.1电机类型的确定123.2电机参数的选择123.3电池选择144. 底盘小车系统的具体设计154.1行星轮组的相关参数154.2翻越台阶的几何约束关系164.3其他约束关系174.4 行星轮组零件参数的确定195. 传动系统在电机箱体内部分的设计205.1传动系统整体布局图205.2 爬楼模式的参数设计205.3 平地行走模式的参数设计236. 座椅的设计266.1座椅中关键部件的人机工程设计原理266.2 座椅调平机构267. 应力应变分析288. 结论与展望318.1 结论318.2 展望31致谢32参考文献33附录134附录2391. 绪论1.1引言在经济飞速发展、人口密度越来越大的现代社会里，楼梯的诞生缓解了建筑用地日益紧张的压力，提高了人们对空间的利用率。但是大部分人住在公寓式楼房内，而一般的7 层以下的楼房都没有安装电梯，这给老年人或者腿部残疾人士带来了很多的不便。在这种情况下，楼梯对于他们往往意味着一个巨大的障碍需要去克服，给他们的出行带来了很多不便，影响他们与外界的沟通交流。另外这一问题随着老年人和残疾人数量的增多日益突出。2002 年，全世界80 岁以上老年人口达到6.06 亿，而且正在以比总人口快的速度递增，据联合国估计，2020 年将达到10 亿 这些人群在出行的时候多数是需要轮椅的，老年人和残疾人比例的显著增加给医疗，护理，社会服务方面的需求带来了严峻的挑战，加重了社会和个人的家庭的负担，而且也影响到了他们的正常生活。轮椅对于年老体弱者及肢体伤残者而言是他们必不可少的代步工具，其应用需求越来越大。但是，它们一般仅适合在平地上使用，很少具备爬楼梯和翻越路障的能力，这给轮椅使用者带来诸多不便。由于伤残者对回归社会和独立生活的渴望，促使轮椅的性能和质量不断完善和提高。为此，目前也有很多人致力于爬楼梯轮椅的研究。我国的轮椅产业发展较缓慢，能爬楼梯的多功能轮椅在国内尚无成熟的产品。随着社会生产力的发展，人们生活水平的不断提高，考虑老年人及残疾人对出行的方便性的需求，研制具有爬楼梯功能的轮椅具有重大的现实意义。1.2本文研究的理论意义和应用价值理论意义：对于年老体弱者以及下肢伤残者，轮椅是其必不可少的行走辅助设备，由于我国无障碍设施的滞后，这类人群的出行问题十分突出。鉴于目前的轮椅、电动轮椅能在坡度小于12度平坦的路面上行驶，但遇到楼梯台阶、沟槽、坎就无法跨越，使轮椅具有爬楼梯能力是解决这类问题的关键。研究这类问题具有现实的理论意义。应用价值：从市场的角度看，轮椅是肢体残疾人和老年人的重要的代步工具，随着人们生活水平的提高，轮椅被看作是一个潜力巨大的市场。从全球范围来看爬楼梯轮椅的研究已经有近百年的历史，提出了各种轮椅爬楼梯的解决方案。在这些方案中，行星轮式爬楼梯轮椅可以兼顾平地行走和爬楼梯，是比较理想的爬楼梯解决方案。所以，研究轮式可爬楼梯轮椅车无论从经济价值，可行性都具有很高的应用价值。1.3国内外研究现状在爬楼轮椅的研究范围内，国外起步比较早，1982 年美国科学家Bray 发明了第一个爬楼梯轮椅，此后各个国家纷纷推出了各自的产品，取得了很多成果，很多已经上市。我国在这方面研究比较晚，针对电动爬楼梯轮椅的研究已经取得了一定的成效，但主要还停留在实验室或是少数量产，并没有真正产业化，在研究上仍有很多空间。图1.1 国内外专利申请量的分布对比图爬楼轮椅专利申请的时间分布及分析。国外在爬楼轮椅方面的专利文献出现较早，最早的有关爬楼轮椅的专利出现在1912年。国内关于这一主题的申请最早出现在1991 年，比发达国家晚了近80 年，在进入21 世纪以后才逐渐发展起来。图1 是1960 年至2016 年国内外专利申请量的分布对比图。可以看出，2008 年后该主题的专利申请量明显上涨，反映出随着我国经济社会的发展，人们对老龄群体和残疾人士的关注度大大提高。总体而言，根据爬升结构的不同，通常采用三种结构原理，一种结构是采用行星轮机构; 一种结构是履带轮型爬楼梯轮椅; 一种结构是腿足式结构。另外还有很多种的辅助装置。(1)行星轮式行星轮式是交通运输工具中应用广泛的一种运动机构，在国外一些爬楼机器人中也广泛采用了轮式结构。轮椅应用方面，普通轮椅以及电动轮椅都是采用的这种轮式结构，其体积小，结构简单，控制简便，能够实现平衡快速地移动，能量利用效率高，采用差动传动时转向半径小，转向灵活。对于行星轮型爬楼轮椅，结构简单，并利用自锁机构保证上下楼梯时不倾倒。但该爬楼轮椅对楼梯的适应性较差，不能满足使用者对舒适性和可靠性的需求。(2）履带式第二种是履带式，履带式原理比较简单，和履带式坦克装甲车类似，技术也比较成熟，它的行走方式比行星轮式爬楼轮椅更为连续，具有很高的传动效率，在上下楼梯的时候，轮椅的重心始终和楼梯台阶沿的连线保持平行，轮椅的重心波动很小，比较平稳。履带式机构支撑面积大，通过性能好，下陷度小，具有较强的地形适应能力，爬坡，越沟等性能相对于轮式机构有明显的优势。在上下楼梯时采用履带轮的方式，保证了上下楼梯过程的连续性。但是，所述履带轮型爬楼轮椅无法实现从斜面到平面的姿态平稳转换，且结构笨重，对楼梯边沿的损害程度很大，运动过程的阻力矩较大，换向过程实现困难，能源利用效率低，这些问题在很大程度上限制了该型轮椅在上下楼梯中的使用。（3）腿足式对于腿足式结构爬楼梯轮椅，该结构模仿人上下楼梯的动作，采用一组或几组腿交替升降、支撑爬楼的原理，对楼梯的适应性很强，上楼时，先将整个轮椅升高，再水平向前移动，如此重复这两个过程就直至爬完一段楼梯。腿足式爬楼梯装置模仿了人类爬楼的动作，外观其实可以视为机器人，采用多条机械臂交替升降，支撑轮椅爬楼的原理。但是，其承载重心偏高，倾翻危险性大，对稳定性要求极高，控制难度很大，机构结构复杂，还有诸多问题需要解决。（4）其他装置现有的辅助式机构基本可以分为两种。第一种是在已有的普通轮椅的基础上附加可以实现爬楼功能的辅助装置来实现爬楼的目的，它们是独立的装置，可以辅助普通的轮椅实现爬楼梯的功能。第二种是轨道式爬楼梯装置，通过在普通楼梯上安装轨道实现普通轮椅或者其他交通装置实现上楼和下楼。总结国内外各类爬楼梯轮椅的特点可以看出，发展至今大多数爬楼梯装置的自主性不高，仍需在旁人协助的条件下实现上下楼梯，而且在稳定性和安全性等可靠性方面存在的很多问题也值得深入研究。如何在保障爬楼梯轮椅整体体积小、重量轻的前提下，结合先进的传感手段和控制技术实现其可靠、平稳的上下楼梯将是今后“老人/残障者上下楼梯助行系统”研究领域的发展方向。1.4本文研究的主要内容本文设计的最终结果是设计出一款体积不大、操作较为简单、价格适中、适合于广大老弱病残人士使用的可爬楼梯轮椅车。主要完成上下楼梯机构（底盘小车）和座椅系统的研究与设计。本文预期的设计目标如下：（1）要求自行轮椅的运动平顺性，平地行走速度不大于15km/h。（2）要求可靠的上下楼梯能力，机械结构合理，传动效率高。（3）台阶髙度为180 mm5 mm,最小楼梯坡度为35,容许误差为1。所有楼梯的梯级突边都在由两个相距10 mm、倾斜角度与楼梯坡度相同的平行平面所形成的区域内。（4）连续台阶的爬行速度不大于3km/h。（5）有效负重为85kg。1.5本文创新点（1） 对爬楼原理进行研究，针对爬楼方案中爬楼过程存在打滑、重心不稳的问题。本文在车尾设计了一个引导轮机构，可以使爬楼梯轮椅车在爬楼过程中平稳，安全的上升。（2） 在上下楼时爬楼梯轮椅整体是倾斜的, 坐在倾斜的轮椅会使乘坐者感到不适。所以本文设计了一种滚道滑轨式的座椅调平机构，能依靠轮椅和乘坐者自身的重力进行调平，使乘坐者更加舒适。2. 可爬楼梯轮椅车的总体设计本章是本文设计之始，后续的一系列设计均以本章的成果为核心开展。具体有两个方面的设计，底盘小车的总体设计和轮椅座椅部分的设计。底盘小车需要具备平地行走和爬楼梯或是越障碍这两种功能。设计主要包括主体机构的分析选型，传动机构的设计，底盘小车尾部的设计以及整体机构的展示。座椅部分要具有可调姿态机构，使人坐起来更加舒适，推轮椅的人也更加省力的特点，并围绕这些展开设计。要求结构合理，美观实用，经济适中。2.1底盘小车的设计方案2.2.1不同种类越障机构比较分析翻越障碍的机械种类颇多，并都有其自己的特色，本文将会从下边6个角度来分析对比从而找出最优的一款：（1）越障能力指小车跨越障碍物前行的本领。在这儿所要翻越的物体是指普通的七层居民楼楼梯，主要技术参数见上文。（2) 稳定性一般有两个方向的意思，其中一个意思是指小车在翻越物体时小车车身的摆动幅度；另一个是指该设备在受到外部环境干扰时，小车保持其原有状态的本领。（3）结构复杂程度是指在具有相同的攀爬能力及各种其他条件的状况下，机构的零件数量，机构的设计难度。（4）控制难易度指用预先设计好的程序去控制小车来促成其达到原先目的的困难程度。（5）经济性指在攀爬能力，稳定性等一切条件都相似的情况下，并都能达到预计的目标，小车造价的高低。（6）移动速度指越障机构在道路良好，其它条件如风阻，地面摩擦系数等都确定的情况下的行驶速率。各种越障机构的性能对比如表2.1所示：表2.1 越障机构的比较分析由表可知，后两种越障轮椅车的相似缺陷是：机构复杂，难以控制，成本高；而履带式平地移动速度慢；此外，履带式的运行效率很低。综上所述，本文将选用行星轮式的越障机构。2.2.2行星轮个数的确定外啮合的定轴行星轮系根据行星轮数量的多少，可分成两轮式、三轮式、四轮式行星轮系，以此类推。图2.2为不同数量行星轮小车在翻越障碍时的过程图。a 两轮式 c 三轮式 d 四轮式图2.2 三种不同数目行星轮按照现实中的经验来看，当小车行驶到台阶前时，小车的两个前轮碰到了台阶面，受力后的小车行星架会绕着前轮中心轴旋转，接下来当行星架中心和车轮中心的那条旋臂和地面成90。时，轮椅车的重心达到越障过程中的最高处。在行星架翻转过程中，第一个车轮和台阶前表面相触时和前轮的中心距离定为台阶高度，现定义行星架半径为R，则如上图的三种情况下的台阶高度为2Ra，Rb，Rc。假设台阶的高度为 H，即：2Ra=Rb=Rc=H （2.1）一目了然地可以从上图看出三种样式的变化分别为： （2.2）hb=Rb=H=0.289H （2.3）hc=Rc=H=0.207H （2.4）分析上式不难得出，就减小行起伏而言，星轮的个数自然是越多越好。另外，H降低了0.211H，而，H仅0.082H降低了0.082H，这时如果绘制一幅重心随星轮数量的变化图，想必曲线一定是逐渐降低并渐渐趋于平缓的。可见这里可以分成两种情况来讨论，在小车行星轮个数多的状态下，由上一段里分析道小车的重心随着行星架旋转的，有着的优势。但是也存在零件数目增多导致的造价变高，小车体积变大妨碍运动，爬楼高度下降等一系列的问题。然而，二轮式的行星轮组小车则体现出相反的性能。综上所诉，本文选择性价比最高的三星轮。2.2.3传动系统的总体设计为了更好地满足设计要求，轮椅车必须具备直线行走，平地转弯和翻越障碍的功能。实现平地直线行走功能只需保证控制行走轮子的电机转速和转向相同即可；要实现转弯，只需控制两个电机存在转速差，使外侧电机转速高于内侧电机，或者使两电机转向相反；翻越障碍时，使控制行星，从而让三个轮子绕着中心轴转动。为了满足上诉各功能，本文设计了以下的机构，2.3所示。图2.3 机构传动简图电动机1经过减速器后将力传递到主传动轴，之后经过若干齿轮分配到三个车轮上。行星架的爬楼模式同理可以实现。整个机构需具有结构紧凑，设计合理的特点，于是本文设计了一种内外轴的结构形式：通过内轴(中心轴）驱动轮毂翻转，通过外轴（外圈轴）驱动行星架翻转。轮椅车的轮毂系采用Q235。两侧的行星架通过一个电机箱相连，电机箱能够使底盘系统更加稳定。电机箱两侧连接一个尾架，延伸到小车后部，尾架两端各有一个万向轮。行星架一侧的三个轮毂由相联，由电机2通过齿轮传动系统进行驱使，同时着地的两个车轮轮毂转向、转速均相同，另一个车轮悬空空转。这样设计的好处是三个轮毂在电机的驱动下，能够实现相同速度，相同转向，虽然就结构上而言，双轮会比单轮（即只有一个驱动轮）的要复杂一些。但是双轮也同时具有一些无与伦比的好处，1其在翻转时因为它的轮子是对称分布的会表现得更加自由和和谐；2小车在使用过程中，小车和乘坐者的重量几乎都压在后轮上，而后轮为驱动轮，应此这会比单轮的小车拥有更大的驱动力。图2.4 齿轮及车轮转向下图2.5是本文设计的行星架外形图。图2.5 行星架外形示意图2.2.4小车尾架和万向轮小车尾架的作用是使底盘小车能够平稳的在平地上行驶，分担一部分轮椅车的重量。并且在爬楼轮椅车上楼时，尾架上的引导轮结构能够减小攀爬时小车的震动。尾架末端两侧分别有一个万向轮，拥有自由转向和卡死小车防止移动的功能。图2.6，图2.7分别为小车尾架和万向轮的结构：图2.6 小车尾架示意简图 图2.7 万向轮由下图的各项参数再根据底盘小车的大概高度，载重等一系列参数，选择GU-JB150型号的万向轮。图2.8 万向轮参数截图2.2.5底盘小车的总体图及爬楼梯演示图图2.9 爬楼演示图2.2座椅的总体设计座椅外形不做特殊设计，简洁美观即可。为了使设计的可爬楼梯更加舒适安全，在座椅底部加上一个新颖的座椅调平机构。座椅外形和调平机构如下图所示。图2.10 调平概念图图2.11 座椅外形图3. 动力系统分析选型本章将要进行底盘小车动力系统的设计，主要工作有根据已有的要求计算小车所需的动力系统参数，再按照计算所得的参数对电机选型，最后是对确定能源设备。3.1电机类型的确定无疑电机对于爬楼轮椅车来说至关重要，它是小车的核心动力系统，将为小车提供驱动力。接下来将从下列三种电机中选出一款最符合本文条件的电机。（1） 步进电机步进电机有很多优秀特点，比如电机停转的时候，优秀的起停和反转响应。并且如果取用开环控制，电机会因为结构简单而节省大量轮椅车的开支。缺点是能源消耗较大，会破坏同步，高速工作时有较大的振动和噪声， 稳定性能不佳。（2）直流电机直流电机本身的控制性能绝佳，能够在受到强烈的外界干扰时作出迅速快捷、的反应。此外，直流电机的起动转矩大、能够加载较大的负重，这使得小车在爬楼过程中更加稳定。然而，传统直流电机为，因此容易产生，直接导致直流电机只有几千小时的寿命4。（3）无刷直流电机该电机比之上文的直流电机不但秉承了它的一些优秀特征，并且还有加强。比如在换向过程中没有火花产生，安全，安静。而且它寿命悠长，有上万个小时，更兼有维修方便的优点。综上所述，选择无刷直流电机作为轮式可爬楼梯轮椅车的动力装置。3.2电机参数的选择本文设计的轮椅车具有在平坦地面行驶和攀登楼梯的功能，因为爬楼梯时要克服重力做功，其所需的功率一般比平地行走所需的功率要大，所以在这先计算爬楼模式下的电机各参数选出电机，再根据这些选出的参数来验算平地行走模式下的功率转矩，车速等要求。假设轮椅车的重量为，乘坐者的重量为。车轮半径为0.11m。选择减速器减速比为32。3.2.1选取电机参数小车在爬楼梯的过程中遇到的转矩最大的情况是当抵住楼梯的前轮将要离开地面的时候，此时小车重心离行星架旋转中心的距离为L，。轮椅车要抵抗的力矩为： （3.1） 假设轮椅车在前进过程中行星架的角速度于是转速 （3.2） （3.3）由于翻转电机采用左右两个来驱动行星架，而电机需经过一对齿轮和一对轴承才能将转矩传递到行星架那儿，所以效率为 （3.4）电机功率 （3.5）假设爬楼总传动比为120。（3.6）电机转速 （3.7） 综上所述，电机应选取功率大于0.33kw，转矩大于1.96，转速在3152.4rpm左右的电机。最终本文选取了富兴86系列无刷电机，型号为FBLM86-660,下表为该电机的部分参数：表3.1 电机参数表电机型号 额定功率（kw） 额定扭矩（） 额定转速（rpm） 额定电压（V）FBLM86-660 0.66 2.1 3000 483.2.2验算平地行驶模式下的参数假设轮椅车和乘坐者的总重量由前后轮一起承担，前轮承受40%的重量，后轮承受60%的重量。地面的滑动摩擦系数为0.02。前轮受到的压力 （3.8）后轮受到的压力 （3.9）滑动摩擦力 （3.10） （3.11）假设行走模式下的总传动比为： （3.12）又因为要有四个轮子分担， （3.13）单个轮子的驱动力为： （3.14）驱动力校核正确。3.3电池选择本文使用 48V 的蓄电池作。进入选择池的有以下 4 种蓄电池：镍氢电池，锂电池，。前三种电池均具有良好的性能和悠长的使用寿命。与寿命相当的还有其昂贵的价格，无疑这不符合设计的初衷。最终我们选择性价比较高的铅蓄电池作为驱动电机的电源，因其身兼寿命长，价格低廉，维修简单等优点。4. 底盘小车系统的具体设计本章的工作是根据底盘小车在爬楼梯的过程中出现的若干问题列出约束条件，然后再约束范围内精选零件。4.1行星轮组的相关参数底盘小车的中包含了轮毂、行星架、齿轮、轴承、销、垫圈等众多零件。其中的很多零部件可以直接选择国标的零件，也有很多零件可以在一定范围内任意取值，这部分零件设计相对轻松自由。而在一定范围内取值的零件需要满足符合要求的约束条件。本章具体阐述了精选约束后定轴轮系中各零件关键参数的设计。表4.2为各个零件的参数表，图4.1为其相关尺寸。图4.1 齿轮车轮相关尺寸示意图表4.2 各个零件的相关尺寸及其参数4.2翻越台阶的几何约束关系4.2.1台阶突起不碰行星架为了防止行星轮组与台阶接触摩擦而引起损坏，只需保证在爬楼过程中的任何时间段台阶均不与行星架触碰。当台阶尖角的中心轴线与行星架的任意两条手臂的凹陷处中心轴线想重合时，图4.3即为最相近的极限状态。图4.3中各尺寸的含义分别是：台阶突起D到AB的距离d1；行星架的外壳厚度d2，按照一般情况定为7mm；以及齿轮齿顶与外壳内壁的间隙d3=3mm；外壳距突起顶部的距离d4最小值为1.5mm。图中可看出: （4.1）通过求解四边形ODEB可求得 （4.2）需满足的约束条件为： （4.3）图4.3 台阶突起与行星架外壳最接近的位置4.2.2 能够跨到上一级台阶如果小车要能够顺利地上到下一个台阶，则必须满足随着行星架旋转的第一个轮毂能够大半地跨上水平台阶面，也就是下图中的A轮的中心轴线能够超过台阶的垂直面。如图4.4中的几何关系，列出约束条件为： （4.4）图4.4 星轮跨到下一台阶面时的极限位置4.2.3 不能触碰下一台阶的垂直面本文设计的底盘小车爬楼的理想状态是前轮抵住台阶后其余两轮会绕着行星架中心旋转，所以若是行星架半径或轮毂半径太大导致下图4.5中的A轮撞到下一个台阶的垂直面上就不是本文设计的初衷。况且这种情况下整个轮椅车会因为撞击导致剧烈晃动，不利于老年人及残障人士的安全和舒适。这里假定台阶面的宽度也为H，当然实际上会比H大。如下图中的几何关系，列出约束条件： （4.5）图4.5 跨到下一级台阶的轮毂刚好碰到垂直面的极限状态车轮轮毂的半径要小于H的，所以联立4.4，4.5两式可得： （4.6） 4.3其他约束关系4.3.1齿轮间的齿数关系本文设计的定轴齿轮系统有三条支系，因为这三条都是一样的，所以下面只讨论其中一条。定轴齿轮系中的全部齿轮均选择。为了使行星架外形美观，其内空间合理，各零件结构紧凑，体积适中。一级齿轮到三级齿轮的半径大小应该承递减样式。即： （4.7） 这样设计的好处还能让各个齿轮的转速转矩不至于相差过大，便于设计。为了使得小齿轮的每个齿都能和大齿轮的每个齿循环啮合，延长寿命，需确保齿数之间互为质数，即互质，互质。4.3.2三个齿轮的齿顶圆外公切线关系图4.6 三个齿轮的齿顶圆几何关系示意图当一级齿轮与三级和二级齿轮与三级齿轮的外公切线处于图4.6所示几何关系时，有利于节约空间，优化外形。因此，三个齿轮的半径参数也应满足： （4.8） 其中： （4.9） （4.10） 4.3.3 三个车轮轮毂不相撞如图4.7所示的几何关系，轮A和轮B之间的距离必须要大于轮A和轮B的半径和。而取决于行星架的半径R，需满足： （4.11） 图4.7 车轮之间的几何关系示意图4.4 行星轮组零件参数的确定4.4.1范围初选车轮轮毂的半径必须小于台阶的高度和宽度，又必须大于三级齿轮的半径。而台阶宽度一般大于其高度，由此可得r180mm。当、时标准渐开线直齿圆柱齿轮，为 175。查机械原理，表10-1标准模数系列，选用第一系列。原则上用于动力传动的模数应大于1.5，因为此处的负载更大，故模数选 m=2。则三级齿轮的最小直径为，则。行星架的壁厚选定为7mm， r 的取值范围缩小到26mmr180mm，取r=110mm接下来是确定 R 的取值范围，将台阶高度H的值180 mm5 及轮毂半径 r 的值110mm 代入到式4.6中,能够跨到下一级台阶这种情况下取台阶的最大值185mm，不能触碰下一台阶的垂直面这种情况下取台阶的最小值175mm，计算可得: （4.12） 根据式4.7中的齿数关系，并结合 R 的取值范围，可初步计算出各齿轮的齿数范围。联立以下 4 式：4.4.2 最终参数确定最终参数如表4-9所示：5. 传动系统在电机箱体内部分的设计本章的工作是对上文设计的传动系统进行简要介绍，并对两种模式下电机箱内的齿轮进行校核。5.1传动系统整体布局图传动系统整体布局图如下所示：图6-1 传动系统整体布局图本文设计的轮式可车的底盘小车系统具有两种运动模式，即爬楼梯模式和平地行走模式。电机1经减速器减速后带动中心轴的外圈轴齿轮1（一下简称外圈轴齿轮1）转动，进而带动外圈轴齿轮2转动，最终使外圈轴转动使行星架转动以达到轮椅车爬楼梯的运动功能;电机2经减速器减速后带动中心轴齿轮1，之后接连使中心轴齿轮2，中心轴，中心齿轮，过渡齿轮，驱动齿轮联动，最终使三个车轮转动，三个车轮中有两个贴着地面转动，第三个轮子悬空空转。从而使轮椅车能够在平地行走。5.2 爬楼模式的参数设计外圈轴齿轮1的齿数为17，外圈轴齿轮2的齿数为60，两者的模数m为2。电机驱动轴和外圈轴轴线彼此平行，采用。轮椅为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度7。齿轮材料为 40Cr(调质)。外圈轴齿轮1和外圈轴齿轮1的传动比为： （5.1）爬楼模式下的总传动比为： （5.2）齿宽系数选为d=1.4；弹性影响系数=143.7；齿轮接触疲劳强度极限5.2.1各校核参数计算(1)传动装置传动效率计算查机械原理第八版P76可得：一对精度为七级的齿轮传动取=0.99，一对轴承取=0.99，故电机经过一对齿轮和一对轴承后的效率：=0.99*0.99=0.9801 （5.3）(2)各轴功率计算驱动轴的输入功率： （5.4）外圈轴的输入功率： （5.5）(3)各轴转速计算驱动轴转速： （5.6）外圈轴转速： （5.7）(4)精度确定圆周速度: （5.8）根据机械设计手册8-94，选择7级精度。(5)各轴转矩计算驱动轴转矩： （5.9）外圈轴转矩： （5.10）(6)计算应力循环系数假设轮椅车的工作时间为6000h。 （5.11） （5.12）(7)计算接触疲劳许用应力取接触疲劳寿命系数，取失效概率为 1%，安全系数为 S=1，则 （5.13） （5.14）(8)计算齿宽，齿高 （5.15） （5.16）(9)计算载荷系数=1.01，直齿轮=1；使用系数=1， =1.309由 （5.17）=1.309 查阅表得到=1.35 （5.18）5.2.2校核接触疲劳极限 （5.19） （5.20） （5.21） （5.22） （5.23） （5.24）校核说明符合接触疲劳强度。5.2.3校核弯曲疲劳极限大齿轮比小齿轮受到的转矩更大，因此下面只校核大齿轮的弯曲疲劳强度。 （5.25）大齿轮的弯曲强度疲劳极限为，,m=2,由齿数查阅得到:,；使用系数， （5.26） （5.27）校核说明符合弯曲强度5.3 平地行走模式的参数设计中心轴齿轮1的齿数为17，中心轴齿轮2的齿数为30，两者的模数m为2。齿轮材料为(调质)。中心轴齿轮1和中心轴齿轮2的传动比为： （5.28）平地行走模式下电机箱内的总传动比为： （5.29）齿宽系数选为d=1.15；弹性影响系数=143.7；齿轮接触疲劳强度极限5.3.1各校核参数计算(1)传动装置传动效率计算查机械原理第八版P76可得：一对精度为七级的齿轮传动取=0.99，故电机经过一对齿轮和一对轴承后的效率=0.99 （5.30）(2)各轴功率计算驱动轴的输入功率： （5.31）中心轴的输入功率： （5.32）(3)各轴转速计算驱动轴转速： （5.33）中心轴转速： （5.34）(4)精度确定圆周速度:（式6-7）根据机械设计手册8-94，选择7级精度。(5)各轴转矩计算驱动轴转矩： （5.35）中心轴转矩： （5.36）(6)计算应力循环系数假设爬楼轮椅车的总工作时间为6000h。 （5.37） （5.38）(7)计算接触疲劳许用应力取接触疲劳寿命系数，取失效概率为 1%，安全系数为 S=1，则 （5.39） （5.40）(8)计算齿宽，齿高 （5.41） （5.42）(9)计算载荷系数=1.01，直齿轮=1；使用系数=1， =1.309由 （5.43）=1.309 查阅表得到=1.35 （5.44）5.3.2校核接触疲劳极限 （5.45） （5.46） （5.47） （5.48） （5.49） （5.50）校核说明符合接触疲劳强度。5.3.3校核弯曲疲劳极限大齿轮比小齿轮受到的转矩更大，因此下面只校核大齿轮的弯曲疲劳强度。 （5.51）大齿轮的弯曲强度疲劳极限为，,m=2,由齿数查阅得到:,使用系数， （5.52） （5.53）校核说明符合弯曲强度。6. 座椅的设计在轮椅车的使用过程中，座椅部分和人的关系最为紧密。本章需要就人机关系讨论座椅的外形结构，然后对其中的重心调整机构做简要设计。6.1座椅中关键部件的人机工程设计原理本文中的桌椅部分因其只需考虑符合人机工程原理所以的不做特殊设计，只是简要的叙述一下大致的外形轮廓要求。人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用，以及应用相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的科学15。关于座椅，涉及到人机工程的主要有靠背，坐垫，脚踏板，扶手这些部件。靠背的主要关注点是它的角度与支撑点，要尽量不让人的脊柱和腰部肌肉感到不适。扶手的关键是在扶手的高度和间距的设计上，要充分考虑到人的肩宽，人肘部的高度，尽量使人的手臂能够自由活动。坐垫则要考虑坐垫自身的长度、宽度和深度，要尽量按照人的腿部，臀部的肌肉分布来设计。脚踏板的设计的要点除了要让腿部能够自由活动外，还需考虑脚与上体和大腿的位置关系。6.2 座椅调平机构在上下楼梯的时候，由于台阶是由角度的，轮椅车自然会产生一定程度的倾斜，这会给那些老年残障者带来不适感。为了应对这一问题，以及由于各种原因导致的轮椅车重心不稳的现象, 本文新颖得设计了一种内导轨式的座椅调平机构(图5-1)。其结构是由圆弧形滑轨（图 ）及滚轴组成。圆弧形滑轨和基座通过焊接连在一起,基座装配在电机箱上，座椅支架也和座椅焊接连接。滚轴末端装有轴承，当座椅重心发生偏移时，座椅通过轴承在滑轨内做圆弧形运动，实现调整座椅的目的。图6.1 座椅调整机构原理图 图6.2 圆弧形滑轨调平机构的设计要满足两个条件，一是座椅在滑动过程中不能和滑轨撞上，二是滚轴滑动范围不能超出滑轨的导程。如图所示，滑轨是一个半径为520mm的圆弧轨道，只需保证座椅在平放状态下不与滑轨相接触就能满足条件一。关于条件二，只需满足之间的中心轴与滑轨的对称轴之间的角度小于即可（因为座椅倾斜的最大角度等于台阶的角度)。图6.3 滑轨设计图7. 应力应变分析为了在本文中验证本文所设计机构结构的强度，为校核之前计算数据的准确性以及为后续的优化设计打下基础，本文选择SolidWorks三维仿真软件进行应力应变分析。SolidWorks三维仿真软件主要由三部分组成：前处理模块、模块划分和后处理模块。由于本文所采用的模型是根据设计参数用SolidWorks三维软件建模的，可以直接用Solidworks三维进行仿真分析。分析步骤为：（1）零件和材料特性的定义；（2）定义夹具类型；（3）定义外部负载；（4）有限元网格划分；（5）解决；（6）视图求解结果。根据上面的步骤，以下部分的应力应变分析结果显示在图7.1-图7.6。图7.1 中心轴应力分析图图7.2 中心轴应变分析图图7.3 车轮轮毂应力分析图7.4 车轮轮毂应变分析图图7.5 行星架外圈轴应力分析图图7.6 行星架外圈轴应变分析图8. 结论与展望8.1 结论本文以“老年人以及残障人士代步设备的研发”为背景，确定了爬楼轮椅的设计要求。分析各种机构并选择了三轮式行星轮组可爬楼轮椅车作为研究目标，革新了两种机构以为创新点。对轮椅车的设计兼顾了爬楼与平地行走这两种模式，分别以轮椅车的底盘小车系统和轮椅系统开展研究，取得了良好的效果。本文已做的主要工作如下所示有那么几点：叙述了现阶段老年人以及残障人士存在的困境，阐述了开展可爬楼梯轮椅车研究的意义，分析了国内外在该项成果上取得的进展并指出其不足之处。列出了设计要求，点明了本文的创新点。分析了行星轮式，履带式，脚足式和复合式爬楼轮椅存在的结构特点和不足并确定了本文的设计主体。通过对重心的计算确定了最适合本文要求的行星轮数量。对可爬楼梯轮椅车的传动系统，尾架系统，底盘小车，座椅系统进行了总体设计。通过计算分析选择了底盘小车动力系统的电机，电池和减速器。通过分析列出翻越台阶约束，转速约束，其他约束三大约束条件，并选择出最优的行星架零件参数。对传动系统在机箱内的齿轮部分进行了详细的设计，内容包括介绍传动系统布局简图，爬楼模式下的齿轮校核；平地行驶模式下齿轮校核。阐述了人机工程中轮椅的设计原理并对轮椅的调平机构作出设计。利用SolidWorks三维仿真软件进行中心轴，外圈轴和车轮的应力应变分析。8.2 展望由于本人的水平有限，本文只做了有限的研究，其设计自然有一定的局限性，后续的工作大致可以有以下几种方式进行：(1)实践方面，本文只做了理论上的分析设计，而实际上如果进行实践验证，会出现各种各样，意想不到的问题发生，所以在后续的工作中可以进行机构的软件运动仿真和联系厂家作出实物进行样机实验。(2)在安全性方面，本文只进行了有限的设计，无法应对轮椅在使用过程中的多数安全问题，比如在爬楼过程中突然遇到断电或楼道受损，手滑等自然或非自然的意外情况。后续可以使用棘轮机构来进行锁死，防止轮椅下坠。利用人机工程学对本文的可爬楼梯轮椅车进行优化，使设计的轮椅车更加舒适安全。(3)在自动化设计方面，本文只做了机械方面的设计，轮椅很机械不灵活，没有人机交互的操作系统，操作行为比较单一。在以后的研究中，可以借助陀螺仪，利用单片机控制轮椅车的重心，以此来控制轮椅车。致谢经过了三个多月的努力，我最终完成了毕业设计的工作。在这我要感谢所有在此期间帮助过我的人。首先我要感谢我的论文指导老师，大连大学机械工程学院的张立老师。张老师严谨的学风，渊博的学识，和一丝不苟的工作态度使我在工作、学习等方面深受启迪和教诲，这将使我终身受益。张老师对我论文的研究方向做出了指导性的意