四輪平衡車式爬樓輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書論文

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII摘要Soildworks關(guān)鍵詞：爬樓輪椅 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 行星輪式 運(yùn)動(dòng)仿真Abstractthedevelopmentofourcountry,people'sdemandformaterialisincreasing,theproblemofagingpopulationisbecomingmoreandmoreserious,andthenumberofpeoplewithphysicaldisabilitiesisincreasing.However,thecurrentdomesticelectricwheelchairhasasinglefunction,whichcannotadapttotheroadconditionsofstairsandsteps,andcannotmeetthemarketdemand.Therefore,wecandevelopawheelchairwiththefunctionofwalkingonflatgroundandclimbingstairs,Itisofgreatsignificancetothedevelopmentofwheelchairindustry.Inviewoftheaboveproblems,thispaperdesignsasimple,safe,reliableandeasytooperateclimbingwheelchair.Thispapermainlycompletesthemechanismdesignoftheclimbingwheelchair.Bycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofstarwheeltype,crawlertypeandsteppingsupporttype,thispaperdeterminestheschemeanddesignsaplanetarywheeltypeclimbingwheelchair.Afterdeterminingtherelevantdimensionsoftheclimbingwheelchair,thesolidmodeloftheclimbingwheelchairisestablishedbyusingSolidWorks.Finally,themotionsimulationoftheclimbingprocessoftheclimbingwheelchairverifiesthefeasibilityofthescheme.Keywords:climbingwheelchair,mechanismdesign,Planetarygear,motionsimulation.PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII目錄摘要 IAbstract II第1章前言 1課題研究背景 1國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1行星輪式爬樓輪椅 1履帶式爬樓輪椅 2步進(jìn)支撐式爬樓輪椅 3腿式爬樓輪椅 3本文主要研究內(nèi)容 4第2章爬樓輪椅爬樓原理的確定 5設(shè)計(jì)要求 5爬樓方式的選擇 5行星輪式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6行星輪式爬樓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6爬樓輪椅平地行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8爬樓輪椅重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 10輪椅側(cè)面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10爬樓輪椅的爬樓爬樓過程演示 11本章小結(jié) 12第3章爬樓輪椅關(guān)鍵零件的尺寸設(shè)計(jì) 13爬樓輪椅的基本設(shè)計(jì)參數(shù) 13行星輪組及行星輪尺寸設(shè)計(jì) 13齒輪齒數(shù)的確定 17本章小結(jié) 18第4章電機(jī)功率的計(jì)算 19平地行走時(shí)的功率計(jì)算 19爬樓行走時(shí)的功率計(jì)算 20電機(jī)的輸出功率的計(jì)算 21本章小結(jié) 21第5章工程定額概算 22對(duì)爬樓輪椅的成本預(yù)算 22本章小結(jié) 23總結(jié)與展望 錯(cuò)誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn) 25致謝 26PAGEPAGE9第1章前言課題研究背景1-1示了人口老齡化的趨勢(shì)，圖1-2表示了殘疾人的數(shù)量的變化趨勢(shì)。圖1-1人口老齡化的趨勢(shì) 圖1-2殘疾人口的比例所以本文設(shè)計(jì)這一款多功能的爬樓輪椅具有很大的價(jià)值及意義。國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀4撐式、輪腿復(fù)合式。以下是對(duì)這四種不同形式爬樓輪椅的簡述。行星輪式爬樓輪椅1-1輪椅的靈活性，這是行星輪式爬樓輪椅發(fā)展緩慢的原因之一。圖1-1星輪式爬樓輪椅履帶式爬樓輪椅動(dòng)，履帶與樓梯邊緣嚙合，產(chǎn)生一個(gè)摩擦力，從而帶動(dòng)輪椅完成爬樓。價(jià)昂貴、對(duì)樓梯的破壞程度過大，這也是履帶式爬樓機(jī)構(gòu)受限制的原因之一。1-2提高了爬樓的穩(wěn)定性。圖1-2輪履復(fù)合式爬樓輪椅步進(jìn)支撐式爬樓輪椅市場(chǎng)前景會(huì)越來越好。圖1-3步進(jìn)支撐式爬樓輪椅腿式爬樓輪椅1-4圖1-4腿式爬樓輪椅較少。本文主要研究內(nèi)容CATIA軟件對(duì)每一個(gè)零件三維建模后進(jìn)行裝配，最每一章的具體研究內(nèi)容如下：章節(jié)的內(nèi)容安排。定爬樓輪椅的爬行原理，爬行方式。第三章對(duì)爬樓輪椅的平地行走機(jī)構(gòu)和爬樓行走機(jī)構(gòu)的主要零件的尺寸進(jìn)行計(jì)算，最后確定各個(gè)零件尺寸。所需要的功率，分別對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇。第2章爬樓輪椅爬樓原理的確定設(shè)計(jì)要求而且有良好的安全性能，價(jià)格適當(dāng)。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求如下：座椅舒適，能夠在爬樓過程中調(diào)節(jié)重心。體積小，重量輕，便于爬樓和越障。能夠適應(yīng)樓梯的標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)不同尺寸樓梯。能夠確保上下樓時(shí)的安全性及平穩(wěn)性。操作簡單，容易控制。爬樓方式的選擇也有一些攀巖輪椅，增加座位的軌道。市場(chǎng)上現(xiàn)有的攀爬輪椅大致可分為四類：星形輪攀爬機(jī)構(gòu)、軌道攀爬機(jī)構(gòu)、臺(tái)階支撐攀爬機(jī)構(gòu)和腿部攀爬機(jī)構(gòu)。減少對(duì)地面的損壞。2-1表2-1是三種爬樓方式的橫向?qū)Ρ扰罉欠绞铰膸讲竭M(jìn)支撐式行星輪式設(shè)備最大載重量140kg110kg100kg上下樓梯速度每分鐘20階左右每分鐘7-12階每分鐘8-20階耐磨程度較強(qiáng)中較強(qiáng)對(duì)樓梯的破壞破壞樓梯邊緣無無是否有制動(dòng)裝置無無有設(shè)備自身重量約45kg47-50kg23-30kg是否可折疊否否否上下樓梯重心變化穩(wěn)定變化較大變化緩慢爬樓速度快一般慢機(jī)械控制難易程度一般復(fù)雜容易產(chǎn)品價(jià)格適中昂貴廉價(jià)行星輪式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)行星輪式爬樓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)組來實(shí)現(xiàn)輪椅的爬樓功能。2-12-1鏈傳動(dòng)不僅提高效率而且有利于對(duì)爬樓機(jī)構(gòu)的控制。2-2,2-3圖2-2離合器示意圖圖2-3齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖成本。爬樓輪椅平地行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2-4維圖。圖2-4地面行走機(jī)構(gòu)三維圖行走功能。圖2.5為控制面板，當(dāng)乘坐者想要改變輪椅的地面行走速度時(shí)，可以按下控制面板上的加\剎車可靠性高而且反應(yīng)快。2.5輪椅的控制面板爬樓輪椅重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)PAGEPAGE19圖2-6重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2-6座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2.7圖2-7座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)座椅保持水平狀態(tài)的目的。輪椅側(cè)面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到輪椅的使用者多是殘疾人士或者肢體癱瘓人士，他們行動(dòng)不便，出于2-8側(cè)面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。圖2-8側(cè)面翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)爬樓輪椅的爬樓爬樓過程演示CATIA2-92-10過程，圖2-11為爬樓輪椅在爬樓行走時(shí)的過程。圖2-9輪椅的三維模型圖2-10爬樓輪椅平地行走狀態(tài)圖2-11爬樓輪椅爬樓行走時(shí)的狀態(tài)本章小結(jié)本章主要對(duì)整個(gè)輪椅的各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體的這幾內(nèi)容如下：提出了本文的設(shè)計(jì)要求，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要展開設(shè)計(jì)工作。五個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。CATIA第3章爬樓輪椅關(guān)鍵零件的尺寸設(shè)計(jì)爬樓輪椅的基本設(shè)計(jì)參數(shù)為了后續(xù)的研究和推廣，輪椅以上兩種功能實(shí)現(xiàn)必須符合國家的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。表3-1為輪椅在地面行走時(shí)的基本要求。表3-1電動(dòng)輪椅的國家標(biāo)準(zhǔn)要求項(xiàng)目內(nèi)容 室內(nèi)輪椅 室外輪椅總長L(mm)<1200<1600B(mm)<700<750L(mm)<1090不作規(guī)定最大速度(km/h)<4.5<5水平路面制動(dòng)(m)<1<3.5爬坡能力(°)>3>8220mm240mm260mm、280mm、300mm、320mm250mm；樓梯的高度不應(yīng)大210mm120mm,各級(jí)之間的高度都應(yīng)該相同。綜合上文，為了能夠使樓輪椅能夠具有更好的適應(yīng)性，同時(shí)考慮到爬樓輪椅其自身的結(jié)構(gòu)和重量，300mm150mm行星輪組及行星輪尺寸設(shè)計(jì)3-1300mm150mm24圖3-1行星輪組爬樓過程示意圖3.1足以下關(guān)系式。c+d=? 120度。滾動(dòng)的距離e為：e=（3-2）3滾動(dòng)距離?之間應(yīng)該滿足關(guān)系式（3-3）a=?+e 3-1滿足勾股定理?2?2+b2LR（3-5）

（3-4）L= 3R （3-5）根據(jù)上面5個(gè)公式可以推導(dǎo)出公式3-63×（a?2nr3）23×（a?2nr3）2+b23公式中的a為樓梯的寬度，b為樓梯的高度r為行星輪的半徑。R的公式來表達(dá)，3-6aa時(shí)，爬一個(gè)周期相比于理想爬樓的狀態(tài)都會(huì)向后移動(dòng)一段距a也不會(huì)對(duì)乘坐者的安全產(chǎn)生較大影響。因此，這種情況是可以接受的。的尺寸，避免意外發(fā)生。3-6r要小于連接行星輪與主軸之間的距離即：3-8

2r≤

2r≤L （3-7）（a?2nr（a?2nr3）+b22300mm150mm3-8可以得到：r≤2nn （39）圖3-2為輪椅爬樓在爬樓過程中角度示意圖，兩個(gè)行星輪中心之間的夾角為12060導(dǎo)出公式3-10b≤tan60° （3-10）?圖3-2爬樓過程角度示意圖由之前的公式3-2、3-3可得公式3-11：3可以解出r的取值范圍：3

ba?2nr

≤tan60° （3-11）r≤2nn （312）3-33-3R=2d1 （3-13）圖3-3三星輪組內(nèi)部示意圖圓直徑足公式（3-14）、（3-15）。t>d1 （3-14）t<? （3-15）2（3-14），（3-15）中：t—三星板的寬度，單位毫米（mm）；d1—齒輪箱內(nèi)齒輪分度圓的直徑，單位毫米（mm）；?3-1、3-2、3-3：

∝=t+30° （3-16）∝1+t1=α （3-17）r2+（b?r）2Hr2+（b?r）2?=H×sin∝1 （3-19）1tant=b?r1rtant=br+d

d=??r （3-22）3×a?2nr2+b23與公式3-2、3×a?2nr2+b23r2+b?r2r2+b?r2

bd+r

+30°?cot ≥ 12

（3-23）rrr≥.2nn （324）聯(lián)立3-9、3-12、3-24得到：.nn≤r≤2nn （325）齒輪齒數(shù)的確定3-2575mm3-6R為120mm由此可以推算出齒輪箱內(nèi)的齒輪的分度圓直徑為60mm。選取常見的標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)2，根據(jù)公式3-26計(jì)算出齒輪齒數(shù)：z=d1n

（3-26）將1=60mm，n=2代入，齒輪的齒數(shù)z為30，三星板的寬度應(yīng)該大于齒輪的分度圓直徑，本文選取三星板的寬度為80mm。本章小結(jié)根據(jù)國家規(guī)定，對(duì)樓梯的寬度和高度進(jìn)行選擇。第4章電機(jī)功率的計(jì)算平地行走時(shí)的功率計(jì)算輪椅在不同行走狀態(tài)下的電機(jī)功率不同，分為兩種：平地行走和爬樓行走。在平地行走時(shí)，在查閱了資料后，本文設(shè)計(jì)在地面行走的速度不超過4m/s,爬樓時(shí)每分鐘爬樓三個(gè)周期，也就是每分鐘可以翻過九個(gè)臺(tái)階。輪椅在平地行走時(shí)應(yīng)該滿足以下關(guān)系式：tF=TttrtF=Tei5tr式中：Ft—是驅(qū)動(dòng)力，單位牛頓（N）；Tt—是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，單位N·m；i—是減速器的傳動(dòng)比；TeN·m；η—是傳動(dòng)的機(jī)械效率。

（3-27）（3-28）關(guān)系式：Ft=F?+Fw+FiFj 公式中：Ft—為驅(qū)動(dòng)力，單位牛頓（N）；F?—為滾動(dòng)阻力，單位牛頓（N）；Fw—為空氣的阻力，單位牛頓（N）；Fi—為坡度阻力，單位牛頓（N）；Fj—為加速度阻力，單位牛頓（N）。在平地行走時(shí)，空氣阻力可以忽略，其他阻力的計(jì)算如以下公式：?F=G×cos∝?h?r

（3-30）Fi=G×cos∝ （3-31）jF=k×nvj公式中：∝為路面的傾斜角度，單位度（°）；

（3-32）PAGEPAGE26λ為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；k為換算系數(shù)；dv為輪椅的加速度，單位m/s2；dtrm（kg）。聯(lián)立公式3-28則輪椅需要的最大功率P為：P=e5v=Gcsαh+Gcsα+k×nv×v （333）r r dt當(dāng)取m為140kg，α為°，λ為0.05，k=1,v不超過4m/s,v=.n2,dt可以求出最大功率P1=75W。當(dāng)取m為140kg，α為°，λ為0.05，k=1,v不超過5m/s,v=.n2,dt可以求出最大功率P2=109W。爬樓行走時(shí)的功率計(jì)算在輪椅爬樓時(shí)是靠三星輪組的純滾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，爬樓時(shí)的平均功率為：P3=Gsin∝v （3-34）式中：v為爬樓時(shí)的平均速度，可以根據(jù)公式（3-35）來求得v=?t式中：hts。

（3-35）前文中提到選擇樓梯高度為150mm，并且選擇一分鐘爬9個(gè)臺(tái)階，所以h為1350mm，t為60s。從而求得P3=32W。式中所求的P3值T1：T1=GR （3-36）式中：G為輪椅和乘坐者所受的重力，單位N；R為行星輪架的半徑，單位mm。代入1400，R120mm得到1=168N·m。重力輸出的最大的功率ax：ax=1m （337）m=2nn60

（3-38）聯(lián)立（336），（337），（338）其中n3,1=168N·m，從而得到最大功率ax=53W，電機(jī)的輸出功率的計(jì)算綜上所述，電機(jī)在平地行走的時(shí)候需要的最大輸出功率P2為109W，則需要電機(jī)的最小輸出功率P3為：3P=P2K135代入K1=1.2,η=0.9,求得P3=145W。

（3-39）電機(jī)在爬樓行走的時(shí)候需要的最大輸出功率為ax=53W，則需要電機(jī)輸出的最小功率4為：4P=nx245代入K2=1.2,η=0.75,得到P4=85W。本章小結(jié)

（3-40）地面行走所需要的最大功率。地面行走所需要的最大功率。進(jìn)行計(jì)算。第5章工程定額概算對(duì)爬樓輪椅的成本預(yù)算5.1表5.1多功能爬樓輪椅的零件成本預(yù)算表項(xiàng)目數(shù)量材料材料費(fèi)用加工費(fèi)用總價(jià)（元）（元）（元）支撐架245號(hào)鋼50100150彎曲齒條245號(hào)鋼40100200連接板245號(hào)鋼5050150驅(qū)動(dòng)齒輪245號(hào)鋼5050100滑輪445號(hào)鋼20080傳動(dòng)軸245號(hào)鋼1000200驅(qū)動(dòng)軸345號(hào)鋼1000300連接軸245號(hào)鋼1000200腳踏板145號(hào)鋼5050100傳動(dòng)齒輪2445號(hào)鋼4800480液壓桿145號(hào)鋼1000100行星輪1245號(hào)鋼2400240三星板445號(hào)鋼1000100把手2橡膠20020減速電機(jī)245號(hào)鋼100001000座椅鋼板145號(hào)鋼10050150耳板245號(hào)鋼40040靠背支撐板145號(hào)鋼10050150皮帶2橡膠40040海綿1海綿50050軸承245號(hào)鋼5050100曲柄連桿耳板245號(hào)鋼10050150人工組裝費(fèi)用1000總計(jì)5100由表5.1對(duì)輪椅的各個(gè)零件價(jià)格以及加工費(fèi)用的大致估算，對(duì)輪椅機(jī)械部分5100費(fèi)，降低成本。本章小結(jié)能的情況下，使輪椅的價(jià)格更低，讓更多需要輪椅的人可以買得起這款輪椅。結(jié)論對(duì)他們的日?；顒?dòng)起到輔助的作用。本文的主要工作內(nèi)容如下：移除了多功能爬樓輪椅的方案，并對(duì)此方案進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。加了座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以使座椅時(shí)刻保持水平狀態(tài)。使乘坐者更有安全感。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輪椅的主要零件的尺寸計(jì)算，最后確定主要零件的尺寸。同時(shí)用CATIA電機(jī)型號(hào)。面翻轉(zhuǎn)，這樣可以把乘坐者轉(zhuǎn)移到床上，為乘坐者提供了方便。離真正的投入市場(chǎng)還有很長的一段路要走，本文的繼續(xù)研究內(nèi)容如下：現(xiàn)在平地行走和爬樓行走兩種運(yùn)動(dòng)模式的切換。使輪椅更加輕盈、靈活。行走等功能。參考文獻(xiàn)黃匡時(shí),劉鴻雁.基于《世界人口展望》2017[J].人口與計(jì)劃生育,2017(8):15-17.前瞻產(chǎn)業(yè)研究院.2015-2020張建卓,劉佳.可上下樓梯輪椅機(jī)器人的現(xiàn)狀研究概述[J].程.2016(1):45-47.[J].動(dòng),2015(3):30-36.梁虎.全方位姿態(tài)爬樓機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海:東華大學(xué),2014.袁磊.輪椅機(jī)器人的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制研究[D].南昌:南昌航空大學(xué),2013.周冬雨,邢曉冬.一種全向移動(dòng)爬樓輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].宋永濤,袁建軍,張偉軍,等.被動(dòng)行星爬樓移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析[J].機(jī)電一體化,2012,18(4):18-22.姚怡.可上下樓梯的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2013.范星光,李屹,賈亮.行星輪式爬樓輪椅的傳動(dòng)方案及運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,40(3):83-85.Chocote