星輪行星輪轉換式可爬樓輪椅設計說明書

1、星輪行星輪轉換式可爬樓輪椅設計說明書設計者：趙青，趙德文，胡照，金強，唐陶鑫（華中科技大學機械學院，武漢 430074）作品內容簡介針對目前普通輪椅不具備爬樓功能，而國內市場上尚未出現比較成熟、實用的爬樓輪椅這一現狀，我們設計了一種實用的星輪行星輪轉換式可爬樓輪椅。該輪椅既可以像普通輪椅一樣在平地上行走，又可以攀爬樓梯，通過手搖來驅動。我們在行星齒輪結構的基礎上加以改進，在中心軸和轉臂間設一離合器，離合器分離時，驅動中心齒輪便會帶動各行星齒輪旋轉，此時為行星輪驅動模式，適用于平地行走；而操縱離合器使其結合時，中心軸和轉臂鎖死，各行星齒輪將不能自傳，驅動中心軸整個行星輪系將整體翻轉，主動翻越障礙

2、，此時為星輪驅動模式，適用于爬樓梯。這種新的結構我們稱之為星輪行星輪轉換式結構（該結構我們已經申請了專利）。在此結構的基礎上，我們在萬向輪兩側增加了一對起引導和越障作用的導向輪，導向輪與萬向輪的巧妙結合增強了萬向輪的越障能力。此外我們還準確設計重心位置，并將靠背設計成可調形式，爬樓時可以調節(jié)重心位置，保證了爬樓時的安全性和舒適性。聯(lián)系人：趙青，聯(lián)系電話13277086837，EMAIL：cuicannianhua shazidefeiyang1 研制背景及意義目前市場上的輪椅存在一個很大的不足：由于采用了傳統(tǒng)的輪式結構，只能夠在平地上行走，面對臺階、樓梯這樣比較復雜

3、的地形卻顯得無能為力。很多場合尤其是室外比如銀行門前，購物中心門前等都或多或少有幾級臺階，而對于室內仍有很多地方沒有電梯，對于那些乘坐輪椅的殘疾人，他們仍然有很多不便。當然，國家也花費了大量的人力和財力在某些場所修建了相應的輪椅坡道和其它公用設施以方便殘疾人活動。但由于受各種因素的影響，這些措施起到的作用仍然非常有限。解決這一問題的最好方法就是改進殘疾人使用的行走設備，也就是說通過改進殘疾人輪椅的機械結構，使其能夠適應日常生活中所碰到大多數的地形。對于殘疾人輪椅車的改進，已有不少人提出各種解決方案：有的使用履帶式的輔助爬升設備幫助輪椅上下樓梯，有的采用步進式的結構一步一步往上踏，有的使用精密的

4、陀螺儀控制兩輪結構的翻轉，立起來上下樓梯，但這些方案都有一些不盡如人意的地方，比如：結構復雜，造價高，使用不便，不能很好的適應平地行駛等，因而都未能得到較廣泛的應用。在總結前人設計經驗的基礎上，我們在星輪行星輪轉換式結構的基礎上設計一種新型輪椅，一種簡單實用、安全可靠，即能夠適應平地行走，又能夠上下樓梯的輪椅，希望能夠為殘疾人帶來福音。2 設計方案2.1 步進式受火車的曲柄連桿機構的啟發(fā)，經過思考，我們想到一種連桿機構，如圖1所示，通過驅動三個互成120度的曲柄帶動三個踏板交替與樓梯接觸前行。在平路的時候和普通的輪椅車是一樣的，靠輪子行走，在爬樓梯的時候，驅動輪則切換成上述步進機構，較平穩(wěn)的沿

5、著樓梯的棱邊往上爬，如同爬一個斜坡一樣。圖 1 步進機構經過分析發(fā)現步進式結構強度要求較高，而裝配精度難以保證，從而使得整體性能會受很大影響。另外，這種步進式結構上第一級樓梯會比較困難，平地行走時其連桿機構是一個累贅，甚至會影響其平地行走功能。 2.2 星輪行星輪轉換式驅動后置該方案是基于一種新結構星輪行星輪轉換式結構，如圖2和圖3所示。其基本結構是具有三個行星齒輪的行星齒輪系，在中心齒輪外依次均布三惰輪和三行星齒輪，中心齒輪和惰輪、惰輪和行星齒輪間均為外嚙合，左右兩半箱體相聯(lián)接作為轉臂，由此構成具有三個行星齒輪的行星齒輪系。在各行星齒輪軸系箱體外伸端分別固定一個車輪，箱體中心固定有齒式離合器

6、固定端，齒式離合器活動端與中心軸通過花鍵滑動聯(lián)接，當齒式離合器活動端與固定端沒有嚙合時，整個結構便處于行星輪結構模式，此時驅動中心軸便會驅動三個車輪旋轉，便可以在平地上行走。當撥動齒式離合器活動端使其與齒式離合器固定端結合時，中心齒輪和箱體（轉臂）鎖死，從而各齒輪均不能自轉而只能隨整個箱體一起翻轉，整個行星齒輪系將變成一個剛性的整體而轉變?yōu)樾禽喗Y構模式，此時驅動中心軸便會驅動包括行星輪系在內的整個箱體翻轉，此種結構模式可用于攀爬樓梯。該方案的優(yōu)點在于，同一結構通過簡單轉換得到兩種驅動模式，分別適應爬樓和平地行走，各自適應性良好，并且結構緊湊，操作方便。 圖 2 星輪行星輪轉換式結構 圖 3 離

7、合器局部展開圖運用此種結構也有兩種方案：驅動前置和驅動后置。驅動后置，即將該驅動結構置于車后作為驅動后輪，前輪用萬向輪。優(yōu)點：由于大輪在后小輪在前，整車協(xié)調美觀，爬樓時重量壓于后輪，不易打滑，。缺點：爬樓時，后輪支點位置不斷跳躍性變化，有傾翻的可能；萬向輪在前平地時承載較大，轉向阻力大，爬樓時萬向輪可能偏斜影響爬樓。2.3 星輪行星輪轉換式驅動前置驅動前置，即將該驅動結構置于車前面作為驅動前輪，后輪用萬向輪。出于減小爬樓時萬向輪的阻礙作用我們想到了此種方案，其最大的優(yōu)點就是，萬向輪作為后支點爬樓時不易傾翻，且阻礙作用相對較小。但是驅動前置有一些致命的弱點，首先就是外觀問題，大部分東西集中在前面

8、，后面懸伸兩個很小的萬向輪，看起來很不協(xié)調，僅外觀問題基本上就具有一票否決權；其次是打滑問題，爬樓時由于人對驅動輪的正壓力不夠，很容易打滑。經過綜合考慮，我們選擇了第二種方案，即驅動后置的星輪行星輪轉換式方案。該方案能較好的實現爬樓功能，并且具有較好的外觀。該方案還涉及到以下具體問題。a. 星輪行星輪轉換式結構離合器的選用(1)牙嵌式離合器牙嵌式離合器結構簡單，安裝方便，承載力較大，從功能上講基本上可以滿足使用要求。但是牙嵌式離合器牙數較少，滿足我們使用要求的矩形牙嵌離合器只有7個牙，離合器的活動端與固定端自然對正的幾率非常小，操縱時需要反復調整，很不方便。在第一代產品試制時我們便采用了此種方

9、案，經實驗確實操縱不便。(2)電磁離合器電磁離合器在通電后依靠電磁力使活動端與固定端結合，其操縱方便，只需按下開關接通電源。電磁離合器有多種型號，有摩擦式的、牙嵌式的，有干式的、濕式的。摩擦式的重量都很重，不符合我們的使用要求。根據使用條件，只有牙嵌式電磁離合器DLY0系列符合要求。使用電磁離合器最大的優(yōu)點就是操縱方便，但是也有很多弊端，首先是重量問題，電磁離合器本身就有1.5kg重，還需要專門配備蓄電池，勢必增加整車的重量。其次是可靠性問題，電磁式的沒有機械式的可靠，爬樓時如果出現電磁離合器線圈突然燒壞或是蓄電池電量耗完的問題，將會發(fā)生危險。另外，蓄電池需要經常充電很不方便，電磁離合器安裝精

10、度要求很高，尤其是活動端和固定端同軸度要求非常高，對加工和裝配都提出了很高的要求。(3)齒式離合器齒式離合器與牙簽式離合器比較相似，不同的是齒式離合器的齒數可以根據情況自己設計，可以取較多齒數。齒式離合器承載能力很大，根據我們的使用要求，可以取較小的模數和較多的齒數，齒端面倒成尖角，這樣以來結合起來非常容易，操縱時不需要太多的調整。綜合分析比較，我們最終選擇了齒式離合器，其結構緊湊，體積小，重量輕，操縱方便，安全可靠。b. 導向輪由于萬向輪翻越半徑有限，對于高度大其半徑的臺階前萬向輪便無法翻越。因此，我們設計了前導向輪，通過它與萬向輪之間的切線過渡來增大輪椅所能越過的最大高度。萬向輪的半徑為1

11、00mm,而生活中普通樓梯的高度一般不超過180mm,我們將前輪部分的翻越高度設定為200mm，據此來設計導向輪的長度及傾角，如圖4所示。為了使導向輪能夠比較平滑的越障，我們采用了履帶式結構。圖 4 導向輪設計原理c. 傳動系統(tǒng)為了減小驅動力，根據我們的初步計算，搖臂160mm時，所需傳動比為：爬樓10：1，平地3.5：1，由于傳動距離較遠，選用鏈傳動 。圖 5 鏈傳動系統(tǒng)為了實現兩個傳動比，可以做一個小變速器，設10：1，3.5：1和空檔三檔，但這樣做不夠簡潔，增加了整車的重量也增加了成本。后來我們想到了一種簡單可行的方案，在一級軸和二級軸分別設一驅動點，平地行走時驅動二級軸，爬樓時驅動一級

12、軸，驅動手柄設計成可拆卸形式。如圖5所示。3 理論設計計算3.1能夠爬樓不打滑的條件計算圖 6 不打滑條件受力分析如圖6所示情況最易打滑，設前后輪距為l ,人和車重心距后輪距離為xl .則 Ny=x·G ,N1=(1-x)G ,Nx=Ny tg30。，能爬上樓的條件是N1Nx ，即(1-x)Gx·G tg30。，其中=0.30.3(1-x) 0.58x得 x0.34 因驅動輪為車體的主要重量，加之爬樓時車體傾斜，人的重心自然靠后，因而重心設計在距圖示位置距后輪0.34倍的輪距處是可以實現的。3.2驅動力的估算爬樓時重力大部分壓于后輪，忽略前輪的阻力，受力圖如圖7和圖8。圖

13、7 受力分析-重力阻礙翻轉 圖 8 受力分析-重力有助翻轉對A點列力矩平衡方程： 考慮到驅動轉矩比較大，若選用電機作為原動機，需要專門配備減速系統(tǒng)才能達到所需轉矩，而且要配備較大容量的蓄電池。這樣會增加整車的重量。通過分析比較可采用手柄手搖驅 動，雙邊驅動，以便于差動轉向。3.3結構設計計算3.3.1齒輪設計計算(1)平地行走情形 如圖9所示 2f=F阻 2f= F阻T 3=f R = F阻/2·RR為車輪半徑，F阻為行走阻力，主要是滾動摩擦阻力，非常小，因而此種情況齒輪受力狀況良好。(2)在坡度為8度的地面行走時 圖 9 平地齒輪受力分析 圖 10 爬樓齒輪受力分析(3)爬樓時 如

14、圖10所示T3=(1-x)G·R，取=0.3，x=0.3T3=0.3×0.7×50×0.1=1.05比較以上三種情況，在有坡度的地面行走時，齒輪受轉矩最大。根據三角星輪的大小要求，為降低安裝精度要求，初選齒輪模數為3，考慮結構的緊湊性，根據樓梯的尺寸確定各輪輪距，由此確定齒輪中心距和各齒輪大小：中心輪，惰輪，行星齒輪齒數分別為38，26，18；選用45鋼調質處理齒輪，對中心齒輪z1, 轉矩 3.3.2行星齒輪軸結構設計圖 11 行星齒輪軸受力分析爬樓單輪著地時受力情況最差，此時受力圖如圖11所示 N=G/2=500 N Ft=T/R3=1.1/0.017

15、5=63 N Fr=Ft·tana=63×0.364=23 N 14Fr+28N1=52N ,得 N1=917N 14N2+14N1=38N ，得 N2=440N 經計算 ，A 處彎矩最大，考慮軸承內徑并取整 d=15mm齒輪鍵連接設計輪轂長度 為12 選用圓頭平鍵，L=12 b=h=6 。軸承選擇 Fr1=N1=917 N , Fr2=N2=440N選用 6202軸承，其 D=35 ，B=11，C=5.88kg>2.74 ,符合要求。 3.3.3中心軸設計 受力圖如圖12，由齒輪箱體的受力平衡有： N3-N4=500N 28N4=35×500 得 N3=1

16、125N N4=625N中心齒輪 T=20.5N·m鏈輪對軸的作用力 F=955N圖 12 中心軸受力分析 做出彎矩轉矩圖危險點 D處 M=12300 T=95000 E處 M=20210 T=0該軸受力狀況復雜，功能重要，材料選用45鋼調制，其-1b=60MPa .相應取整 dD=24 dC=dE=20C,E 處軸承校核Fr3=N3=1125 N , Fr4=N4=625N選用 1000904軸承，其 d=20 , D=37 ，B=9，C=5.02kN ,符合要求。中心齒輪鍵連接設計 輪轂長度為12 選用圓頭平鍵，L=12 b=6，h=6 3.3.4鏈傳動設計傳動比i=3.5 ,

17、n=20r/min,鏈速 v=0.1m/s ,初選z1=13, 則z2=45,根據額定功率和小鏈輪的轉速轉速初選鏈條節(jié)距為9.525，經校核其強度符合要求。 4 工作原理及性能分析4.1平地行走平地行走時采用行星輪驅動模式，雙邊手搖驅動，利用差動來轉向。由于速度比較慢，人完全可以控制其速度，因而也不需要剎車。4.2翻越一級臺階等簡單障礙如圖13，對于簡單障礙可以正著直接上去，導向輪可以將萬向輪懸起，如果障礙比較矮，可直接用行星輪狀態(tài)爬上去，如果障礙較高，可以撥動離合器轉換為星輪狀態(tài)，翻越障礙。 圖 13 翻閱簡單障礙 圖 14 上樓4.3上樓如圖14，將離合器結合，采用星輪驅動模式，正著上樓梯

18、，導向輪與樓梯外沿相貼，使得前輪不會被樓梯擋死，而且不會有太大的波動。后驅動輪每轉120度上一個臺階，并且具有一定的節(jié)奏性，中途可停留，安全省力。對于一般的樓梯后面不需要人扶，精確的重心設計保證了其不會后翻，對于特別的樓梯，為保證絕對的安全，可在后面增加一名輔助者防止后翻。圖 15 下樓4.3下樓如圖15，下樓時采用行星輪驅動模式倒著下樓，由于下樓時震動較大，速度控制難度大，容易后翻，因而下樓時需要一輔助者在后面扶持以防止傾翻。完成制作后，作品實物照片見圖16圖 16 產品實物照片5 創(chuàng)新點及應用.(1)星輪行星輪可轉換式結構，通過在傳統(tǒng)行星輪結構上增設一個離合器，使系統(tǒng)具有星輪和行星輪兩種驅動模式；(2)平地上使用行星輪驅動模式，爬樓時使用星輪驅動模式，適應性好；(3)導向輪與萬向輪的巧妙結合增強了萬向輪的越障能力；(4)同一傳動鏈上設有兩個驅動點，滿足了平地行走和爬樓時不同的傳動比要求。本產品可廣泛用于社區(qū)，養(yǎng)老院，醫(yī)院等場合，適用于腿腳不便的殘疾人或老年人。相對于現有的可爬樓輪椅，我們的產品適應性好、性價比高