星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅設(shè)計說明書

1、星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅設(shè)計說明書設(shè)計者：趙青，趙德文，胡照，金強，唐陶鑫（華中科技大學(xué)機械學(xué)院，武漢 430074）作品內(nèi)容簡介針對目前普通輪椅不具備爬樓功能，而國內(nèi)市場上尚未出現(xiàn)比較成熟、實用的爬樓輪椅這一現(xiàn)狀，我們設(shè)計了一種實用的星輪行星輪轉(zhuǎn)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(qū)動。我們在行星齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進，在中心軸和轉(zhuǎn)臂間設(shè)一離合器，離合器分離時，驅(qū)動中心齒輪便會帶動各行星齒輪旋轉(zhuǎn)，此時為行星輪驅(qū)動模式，適用于平地行走；而操縱離合器使其結(jié)合時，中心軸和轉(zhuǎn)臂鎖死，各行星齒輪將不能自傳，驅(qū)動中心軸整個行星輪系將整體翻轉(zhuǎn)，主動翻越障礙

2、，此時為星輪驅(qū)動模式，適用于爬樓梯。這種新的結(jié)構(gòu)我們稱之為星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)（該結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)申請了專利）。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們在萬向輪兩側(cè)增加了一對起引導(dǎo)和越障作用的導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪與萬向輪的巧妙結(jié)合增強了萬向輪的越障能力。此外我們還準(zhǔn)確設(shè)計重心位置，并將靠背設(shè)計成可調(diào)形式，爬樓時可以調(diào)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(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對臺階、樓梯這樣比較復(fù)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(nèi)仍有很多地方?jīng)]有電梯，對于那些乘坐輪椅的殘疾人，他們?nèi)匀挥泻芏嗖槐?。?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)的輪椅坡道和其它公用設(shè)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(shè)備，也就是說通過改進殘疾人輪椅的機械結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)日常生活中所碰到大多數(shù)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(shè)備幫助輪椅上下樓梯，有的采用步進式的結(jié)構(gòu)一步一步往上踏，有的使用精密的

4、陀螺儀控制兩輪結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，使用不便，不能很好的適應(yīng)平地行駛等，因而都未能得到較廣泛的應(yīng)用。在總結(jié)前人設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我們在星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計一種新型輪椅，一種簡單實用、安全可靠，即能夠適應(yīng)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(shè)計方案2.1 步進式受火車的曲柄連桿機構(gòu)的啟發(fā)，經(jīng)過思考，我們想到一種連桿機構(gòu)，如圖1所示，通過驅(qū)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(qū)動輪則切換成上述步進機構(gòu)，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(gòu)經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)步進式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上第一級樓梯會比較困難，平地行走時其連桿機構(gòu)是一個累贅，甚至?xí)绊懫淦降匦凶吖δ堋?2.2 星輪行星輪轉(zhuǎn)換式驅(qū)動后置該方案是基于一種新結(jié)構(gòu)星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示。其基本結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)臂，由此構(gòu)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(dāng)齒式離合器活動端與固定端沒有嚙合時，整個結(jié)構(gòu)便處于行星輪結(jié)構(gòu)模式，此時驅(qū)動中心軸便會驅(qū)動三個車輪旋轉(zhuǎn)，便可以在平地上行走。當(dāng)撥動齒式離合器活動端使其與齒式離合器固定端結(jié)合時，中心齒輪和箱體（轉(zhuǎn)臂）鎖死，從而各齒輪均不能自轉(zhuǎn)而只能隨整個箱體一起翻轉(zhuǎn)，整個行星齒輪系將變成一個剛性的整體而轉(zhuǎn)變?yōu)樾禽喗Y(jié)構(gòu)模式，此時驅(qū)動中心軸便會驅(qū)動包括行星輪系在內(nèi)的整個箱體翻轉(zhuǎn)，此種結(jié)構(gòu)模式可用于攀爬樓梯。該方案的優(yōu)點在于，同一結(jié)構(gòu)通過簡單轉(zhuǎn)換得到兩種驅(qū)動模式，分別適應(yīng)爬樓和平地行走，各自適應(yīng)性良好，并且結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便。 圖 2 星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu) 圖 3 離

7、合器局部展開圖運用此種結(jié)構(gòu)也有兩種方案：驅(qū)動前置和驅(qū)動后置。驅(qū)動后置，即將該驅(qū)動結(jié)構(gòu)置于車后作為驅(qū)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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換式驅(qū)動前置驅(qū)動前置，即將該驅(qū)動結(jié)構(gòu)置于車前面作為驅(qū)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(qū)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(diào)，僅外觀問題基本上就具有一票否決權(quán)；其次是打滑問題，爬樓時由于人對驅(qū)動輪的正壓力不夠，很容易打滑。經(jīng)過綜合考慮，我們選擇了第二種方案，即驅(qū)動后置的星輪行星輪轉(zhuǎn)換式方案。該方案能較好的實現(xiàn)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(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)離合器的選用(1)牙嵌式離合器牙嵌式離合器結(jié)構(gòu)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(shù)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(fù)調(diào)整，很不方便。在第一代產(chǎn)品試制時我們便采用了此種方

9、案，經(jīng)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(jié)合，其操縱方便，只需按下開關(guān)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(jù)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(xiàn)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(jīng)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(shù)可以根據(jù)情況自己設(shè)計，可以取較多齒數(shù)。齒式離合器承載能力很大，根據(jù)我們的使用要求，可以取較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)，齒端面倒成尖角，這樣以來結(jié)合起來非常容易，操縱時不需要太多的調(diào)整。綜合分析比較，我們最終選擇了齒式離合器，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，操縱方便，安全可靠。b. 導(dǎo)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(shè)計了前導(dǎo)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(shè)定為200mm，據(jù)此來設(shè)計導(dǎo)向輪的長度及傾角，如圖4所示。為了使導(dǎo)向輪能夠比較平滑的越障，我們采用了履帶式結(jié)構(gòu)。圖 4 導(dǎo)向輪設(shè)計原理c. 傳動系統(tǒng)為了減小驅(qū)動力，根據(jù)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(yuǎn)，選用鏈傳動 。圖 5 鏈傳動系統(tǒng)為了實現(xiàn)兩個傳動比，可以做一個小變速器，設(shè)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(shè)一驅(qū)動點，平地行走時驅(qū)動二級軸，爬樓時驅(qū)動一級

12、軸，驅(qū)動手柄設(shè)計成可拆卸形式。如圖5所示。3 理論設(shè)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(shè)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(qū)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(shè)計在距圖示位置距后輪0.34倍的輪距處是可以實現(xiàn)的。3.2驅(qū)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(zhuǎn) 圖 8 受力分析-重力有助翻轉(zhuǎn)對A點列力矩平衡方程： 考慮到驅(qū)動轉(zhuǎn)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(dá)到所需轉(zhuǎn)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(qū) 動，雙邊驅(qū)動，以便于差動轉(zhuǎn)向。3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計計算3.3.1齒輪設(shè)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(xiàn)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(zhuǎn)矩最大。根據(jù)三角星輪的大小要求，為降低安裝精度要求，初選齒輪模數(shù)為3，考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，根據(jù)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?。褐行妮?，惰輪，行星齒輪齒數(shù)分別為38，26，18；選用45鋼調(diào)質(zhì)處理齒輪，對中心齒輪z1, 轉(zhuǎn)矩 3.3.2行星齒輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)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(jīng)計算 ，A 處彎矩最大，考慮軸承內(nèi)徑并取整 d=15mm齒輪鍵連接設(shè)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(shè)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(zhuǎn)矩圖危險點 D處 M=12300 T=95000 E處 M=20210 T=0該軸受力狀況復(fù)雜，功能重要，材料選用45鋼調(diào)制，其-1b=60MPa .相應(yīng)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(shè)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(shè)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(jù)額定功率和小鏈輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速初選鏈條節(jié)距為9.525，經(jīng)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(qū)動模式，雙邊手搖驅(qū)動，利用差動來轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)合，采用星輪驅(qū)動模式，正著上樓梯

18、，導(dǎo)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(qū)動輪每轉(zhuǎn)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(shè)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(qū)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(chǎn)品實物照片5 創(chuàng)新點及應(yīng)用.(1)星輪行星輪可轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)，通過在傳統(tǒng)行星輪結(jié)構(gòu)上增設(shè)一個離合器，使系統(tǒng)具有星輪和行星輪兩種驅(qū)動模式；(2)平地上使用行星輪驅(qū)動模式，爬樓時使用星輪驅(qū)動模式，適應(yīng)性好；(3)導(dǎo)向輪與萬向輪的巧妙結(jié)合增強了萬向輪的越障能力；(4)同一傳動鏈上設(shè)有兩個驅(qū)動點，滿足了平地行走和爬樓時不同的傳動比要求。本產(chǎn)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(xiàn)有的可爬樓輪椅，我們的產(chǎn)品適應(yīng)性好、性價比高