履帶-輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)【帶圖紙】

履帶-輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)【帶圖紙】畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文QQ36296518原創(chuàng)通過答辯履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)摘要隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明程度的進(jìn)步，老年人與殘障人員愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量，而爬樓梯對(duì)于老年人和殘疾人行動(dòng)不方便的，非常困難，所以要增加輪椅自動(dòng)化程度，于是我們?cè)谠喴蔚幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和加裝爬樓機(jī)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅具有爬樓功能，爬樓時(shí)用履帶驅(qū)動(dòng)，平地時(shí)可像普通輪椅用輪驅(qū)動(dòng)也可輪椅稍后仰用履帶驅(qū)動(dòng)。此車在輪椅的基礎(chǔ)上安裝履帶裝置、升降機(jī)構(gòu)、電機(jī)、以及控制電路、控制設(shè)備，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率，減少他們的困難、提高生活質(zhì)量、滿足市場(chǎng)需求為目的。爬樓梯車具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、活動(dòng)范圍大等特點(diǎn)，在我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，爬樓梯電動(dòng)輪椅的需求量逐年增加，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，爬樓梯電?dòng)輪椅行業(yè)具有廣闊的發(fā)展機(jī)遇和良好的投產(chǎn)前景。關(guān)鍵詞:爬樓梯，電動(dòng)，輪椅，履帶輪式I履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)AbstractWiththesocialdevelopmentandimprovementinthelevelofhumancivilization,oldmenandphysicallydisabledmembersofsocietymoreandmoreneedtousemodernhigh-techtoimprovetheirqualityoflife,buttheelderlyandhandicappedareunabletoclimbthestairs,sowehadtoincreasetheautomaticleveloftheelectricwheelchairtoreducetheirdifficulty.SowehavetheoriginalonthebasisofawheelchairtoimproveandtheinstallationofClimbingstairsinstitutions,thepaperdesignwiththeelectricwheelchairhasClimbingstairsfunction,whenClimbingstairsitusetrack-driven,thegroundcanbeusedlikeanordinarywheelchair-wheel-drivecanalsobetrack-driven,whenthechairbetilted.wehavefitinthenewequipmentsincludethetrackeddevice,thebodymovements,theelectromotor,controlcircuitandcontrolequipment,etc,toreducethelaborintensityanddifficulty,andtoimprovetheefficiencyandlivingquantity,sothatcansatisfytherequirementsofthemarket.Theautomaticelectricwheelchairhasnewcharacteristicsofhighadaptability,mobilityandorbit,etc.Asthedevelopmentofthenationaleconomy,therequirementofautomaticelectricwheelchairwillbeincreasedyearbyyear.Sothedevelopingpotentialoftheautomaticelectricwheelchairinthemarketisvast,ithasagooddevelopingopportunityandwellinvestedprospect.Keywords:Climbingthestairs,electricity,wheelchair,Track-Wheel履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)目錄第一章綜述.....................................................................................................11.1爬樓梯輪椅的意義.............................................11.2國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r....................................21.2.1國外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r.........................................21.2.2國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r.........................................41.3本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的與主要研究內(nèi)容................................51.3.1課程設(shè)計(jì)目的..............................................51.3.2課題研究內(nèi)容..............................................61.4設(shè)計(jì)進(jìn)程安排..................................................6第二章履帶爬樓裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)...........................................................82.1爬樓機(jī)構(gòu)的比較................................................82.2設(shè)計(jì)思路......................................................9.........................................102.3履帶輪式輪椅爬樓原理2.4履帶爬樓過程分析.............................................112.5爬樓性能參數(shù).................................................132.6履帶爬樓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).......................................132.7升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)..............................................162.8本章小結(jié)....................................................18第三章電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì).....................................................................................193.1履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機(jī)選擇..................................193.2電池選擇....................................................203.3電動(dòng)車電機(jī)轉(zhuǎn)速控制..........................................213.3.1驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電動(dòng)車性能影響..................................213.3.2現(xiàn)有電動(dòng)車電機(jī)存在主要問題及探索...........................213.4直流電機(jī)機(jī)械特性............................................223.5控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)..............................................233.6本章小結(jié)....................................................28第四章典型零部件設(shè)計(jì)及校核計(jì)算................................................................294.1傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算........................................294.2軸的計(jì)算....................................................30III履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)第五章技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告..............................................................................395.1履帶輪式輪椅技術(shù)分析........................................395.2履帶輪式輪椅經(jīng)濟(jì)分析........................................395.3履帶輪式輪椅結(jié)論和展望......................................40參考文獻(xiàn)........................................................................................................41致謝.............................................................................................................42IV履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)第一章綜述1.1爬樓梯輪椅的意義輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，隨著無障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍逐步加大，但樓梯卻使輪椅受到很大限制，因此研發(fā)價(jià)格低廉、簡單易用的爬樓梯輪椅是康復(fù)工程工作者面臨的一項(xiàng)比較緊迫的任務(wù)。樓梯的出現(xiàn)是人類建筑史上的一個(gè)重要的成就，它不僅縮小了房屋的建筑面積、充分利用了有限的生存空間，而且為進(jìn)出高層建筑物提供了方便的通道。尤其是在人口數(shù)量日益增長、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代化社會(huì)中，為了提高人均住房面積，改善人們的生活質(zhì)量，高樓別墅不斷涌現(xiàn)。然而，在發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，樓梯對(duì)老年人、肢體殘障人士的出行帶來了很多不便，對(duì)他們的行動(dòng)造成了障礙，影響了他們與外界的溝通和交流。這個(gè)問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多顯得日益突出。[1]老年人和殘疾人比例的顯著增加給經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展都帶來了很大的影響，醫(yī)療、護(hù)理、社會(huì)服務(wù)等各方面需求的壓力也越來越大。為關(guān)心老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質(zhì)量，減輕醫(yī)療護(hù)理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助殘運(yùn)動(dòng)裝置也應(yīng)運(yùn)而生。日本的身體殘疾者中，肢體殘疾者占60%，而且有近半數(shù)是下肢殘疾者。造成下肢殘疾的原因，過去多是戰(zhàn)爭和工傷，近年來則越來越多的是交通事故和運(yùn)動(dòng)、娛樂中的事故，尤其是年青人。另一方面，老年人中隨著年齡的增加，因體力下降和腦血管病變?cè)斐蓺埣驳那闆r也越來越多。下肢最重要的功能是行走。一旦不能行走，不用說到室外，就是在室內(nèi)移動(dòng)也很困難，其生活空間大受限制。老年人若周圍沒有適當(dāng)?shù)娜苏疹?，容易變成臥床不起的狀況。若是輕度殘疾，使用手杖等簡單的輔助工具，就可以在與健康人相同的范圍內(nèi)移動(dòng)。但以自身之力不能步行時(shí)，就必須用輪椅作為移動(dòng)工具。使用輪椅時(shí)，靠自身之力就可以移動(dòng)到想去之處，所以其使用價(jià)值非常高。但對(duì)于使用輪椅者，還有一些問題。普通輪椅不具備攀登樓梯和跨越路障的功能，從而限制了以輪椅代步的下肢截癱者及年老體弱者的活動(dòng)范圍，影響其走向生活和回歸社會(huì)的深度和廣度。為此，人們從以下方面解決這一問題:房屋和各種公共建筑設(shè)施的無障礙設(shè)計(jì)，在公共場(chǎng)所設(shè)置輪椅上、下樓梯的固定搬運(yùn)裝置、便攜式輪椅搬運(yùn)小車、爬樓梯輪椅，這種輪椅可在平地上行駛，且具備爬樓梯的功能?？稍O(shè)計(jì)成手動(dòng)型或電機(jī)驅(qū)動(dòng)型。由于它們具有機(jī)動(dòng)靈活、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，吸引了眾多學(xué)者從事該項(xiàng)研究。本文就1履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)是為了能解決以上所遇到的問題而專門設(shè)計(jì)的一種爬樓輪椅。目前,國外已有許多種爬樓梯輪椅的發(fā)明專利問世。然而,它們多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,不完全適合于發(fā)展中國家使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)爬樓梯功能的爬樓梯輪椅。與已有的其它專利相比,其結(jié)構(gòu)更為簡單、制造成本也更為低廉,而且,它可以很容易地從爬樓梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換到平地行走狀態(tài)。所以,它對(duì)于輪椅使用者是非常適合的,特別對(duì)于發(fā)展中國家的使用者更是如此。隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們別是身體有各種殘障的社會(huì)成員愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量，拓展生活自由度。另一方面，因?yàn)楦鞣N交通事故，天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力(如行走，動(dòng)手能力等)。因此，用于幫助殘疾人行走的智能移動(dòng)輪椅的研究越來越熱烈。此方面的研究對(duì)我國這樣一個(gè)人口結(jié)構(gòu)即將進(jìn)入老齡化的國家更是具有非常重要的社會(huì)和現(xiàn)實(shí)意義。1.2國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r1.2.1國外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，其原理簡單，技術(shù)也比較成熟。如圖1.1(a)所示是英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車，底圖1.1國外爬樓梯輪椅部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為35度，上下樓梯速度為每分鐘15一20個(gè)臺(tái)階。圖1.1(b)是法國Topchair公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí)，用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個(gè)車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能。日本長崎大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基礎(chǔ)上，研究了一種雙履帶式的爬樓梯裝置，如圖1.1(c)，即左右兩側(cè)各有兩組履帶相互連接在一起，解決了在水平狀態(tài)與樓梯傾角切換時(shí)，座椅傾角過大而影響2履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)使用安全的問題。圖中履帶式爬樓梯裝置履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動(dòng)輪椅使用。早期的爬樓梯輪椅一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時(shí)先將輪椅抬高，再水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動(dòng)作，外觀可視為足式機(jī)器人，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。圖1.2步行式爬樓梯裝置日本早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院高西淳夫教授的研究室以及日本機(jī)器人開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)Tmsuk聯(lián)合開發(fā)的雙足行走機(jī)器人“WL-16RIII”，如圖1.2(a)所示，它由兩條機(jī)械腿支撐一個(gè)座椅構(gòu)成，每條機(jī)械腿有6個(gè)自由度，可向前、后、側(cè)面移動(dòng)，座椅底部裝有陀螺儀，每條腿上裝有壓力傳感器，通過傳感器采集信息，控制其實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)保持重心平穩(wěn)。WL一16RIII兩腿前后伸展距離最長為1.02米，左右最長1.36米，每條腿上下運(yùn)動(dòng)幅度最大0.34米。日本長崎大學(xué)機(jī)械工程系研究了一種高階爬樓梯裝置如圖1.2(b)，它由一系列液壓操作桿和前后兩組星型輪構(gòu)成，集步行式與輪組式設(shè)計(jì)理念于一體。裝置通過星型輪的翻轉(zhuǎn)上下樓梯，座椅底部的傳感器檢測(cè)裝置的平衡情況，控制操作桿自動(dòng)調(diào)節(jié)使裝置在爬樓過程中始終位于穩(wěn)定裕度內(nèi)。在平地使用時(shí)，操作桿可以折疊于座椅底部，節(jié)省了使用空間。它的最大優(yōu)點(diǎn)是爬樓幅度較高，甚至能自行上下貨車。步行式爬樓梯裝置爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯;但它對(duì)控制的要履帶,輪求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度不大，動(dòng)作緩慢:此外，座椅距3式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)地面的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。國外比較具有代表意義的是德國Alber公司開發(fā)的scalamohile爬樓梯輔助裝置，如圖1.3(a)所示。它是獨(dú)立于輪椅的一種輔助裝置，左右兩側(cè)各有兩組爬樓梯輪。它可以方便地和輪椅結(jié)合，依靠這兩組輪子的輪流翻轉(zhuǎn)上下樓梯。同時(shí)，每個(gè)輪子上都設(shè)有自動(dòng)剎車裝置，防止在樓梯邊緣打滑。這種裝置體積小、重量輕，便于存放和攜帶，幾乎適用于所有樓梯。Scalamobile的不足之處是必須在旁人輔助下使用。除了在輪椅上安裝輔助設(shè)備外，還出現(xiàn)了一批承載輪椅上下的平臺(tái)裝置，這置大多基于樓梯軌道運(yùn)行，原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。圖l.3(b)些裝是加拿大GaraventaLift公司生產(chǎn)的軌道式爬樓梯裝置“GSLArtira”，它需要在樓梯上安裝軌道，將輪椅直接置于平臺(tái)裝置上沿軌道實(shí)現(xiàn)上下樓的運(yùn)動(dòng)。這類裝置在歐美國(a)(b)圖1.3家比較具有使用潛力，因?yàn)闅W美以獨(dú)立別墅居多，以獨(dú)門獨(dú)戶為單位，使這種平臺(tái)裝置與住房的結(jié)合易于實(shí)現(xiàn);而國內(nèi)城市以多層公寓式樓房居多，統(tǒng)一鋪設(shè)軌道需要很大的代價(jià)，不切實(shí)際。此外，戶外樓梯各式各樣，針對(duì)不同形式的樓梯，[1]需要設(shè)計(jì)不同的軌道，代價(jià)過高，不易推廣。1.2.2國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r我國對(duì)此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專利，然而投入實(shí)際使用的還很少。我國在上世紀(jì)八十年代對(duì)輪組式爬樓梯裝置已有研究，1987年專利號(hào)為86210653的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運(yùn)行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個(gè)星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學(xué)4履帶,輪物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了iBOT的爬樓方式，采用星形輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)系作為爬樓梯機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時(shí)需要人工輔助圖1.4或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院設(shè)計(jì)的爬樓輪椅采用了四組星形輪，每三個(gè)一組，共十二個(gè)輪子，除能爬樓梯外還具有遙控的功能。國內(nèi)研究的比較多的是手動(dòng)爬樓梯的輪椅，清華大學(xué)精密儀器及機(jī)械學(xué)系康復(fù)工程研究中心已經(jīng)取得了手動(dòng)爬樓梯輪椅的專利，如圖1.4所示。它是在普通輪椅上加設(shè)一套爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，既可以在平地行駛，又可以僅憑借使用者雙臂的力量使輪椅上、下樓梯。它結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，符合我國的國情:但是設(shè)計(jì)中仍存在一些問題，如輪椅在爬樓過程中的穩(wěn)定性、如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作省力與省時(shí)的問題以及反向自鎖問題等，其研究也僅停留在理論水平的基礎(chǔ)上，并未投入實(shí)際應(yīng)用。1.3本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的與主要研究內(nèi)容1.3.1課題設(shè)計(jì)目的履帶輪式輪椅具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、活動(dòng)范圍大等特點(diǎn)，在我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，殘疾人對(duì)爬樓車的需求量逐年增加，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，爬樓梯輪椅行業(yè)具有廣闊的發(fā)展機(jī)遇和良好的投產(chǎn)前景。爬樓輪椅是目前殘疾人廣泛采用的爬樓梯的工具，因其比固定上樓裝置具有靈活性大、使用輕便、成本低廉，所以市場(chǎng)廣闊設(shè)計(jì)開發(fā)電動(dòng)爬樓車，實(shí)現(xiàn)減輕殘疾人要求、提高適應(yīng)人群、滿足市場(chǎng)的需求為目的。5履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)1.3.2課題研究內(nèi)容步行式爬樓梯裝置體積龐大，缺乏靈活性且控制復(fù)雜，技術(shù)要求較高;其它附加的輔助裝置雖然穩(wěn)定性相對(duì)較好，然而由于其不能和輪椅融為一體，限制了它的使用范圍。輪式爬樓梯裝置技術(shù)要求很高。在比較了各類爬樓梯裝置的優(yōu)缺點(diǎn)后參考模塊化可重組履帶結(jié)構(gòu)原理，將爬樓功能與普通輪椅相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種爬樓梯裝置。它在平地行走時(shí)利用輪式機(jī)構(gòu)，爬樓梯時(shí)放下履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。(1)分析爬樓梯時(shí)各部分元件以及樓梯的受力根據(jù)傳統(tǒng)履帶方式爬樓梯的力學(xué)分析用AutoCAD繪制履帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖。(2)根據(jù)重量尺寸，選擇電機(jī)。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶完成爬樓梯的功能。設(shè)計(jì)后應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能:1.適用性廣，應(yīng)能攀登多種尺寸的樓梯;2.操作過程盡量簡單，平地行駛與上下樓梯兩種工況的轉(zhuǎn)換簡單易行;3.乘坐要平穩(wěn)舒適，爬樓梯時(shí)坐位應(yīng)基本保持水平狀態(tài)4.輪椅結(jié)構(gòu)盡量簡單，造價(jià)低廉。擬解決的主要問題:1.爬樓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。2.爬樓梯運(yùn)動(dòng)過程分析。3.電機(jī)，電池的選擇。4.電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.4設(shè)計(jì)進(jìn)程安排根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案，本項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)工作分為以下四個(gè)階段:1.調(diào)研階段包括調(diào)查國內(nèi)外電動(dòng)爬樓車的發(fā)展?fàn)顩r，調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)、研究分析現(xiàn)有爬樓車的結(jié)構(gòu)性能、并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案論證等，在此階段我主要對(duì)我國所生產(chǎn)的手動(dòng)爬樓車進(jìn)行了分析研究，初步明確了設(shè)計(jì)思路，并初步定下了設(shè)計(jì)方案。2.各個(gè)模塊的研究分析階段本設(shè)計(jì)課題主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容:電機(jī)的設(shè)計(jì)選擇;履帶裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算;升降裝置的選擇。此階段是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)定型階段，在此階段，我通過不斷對(duì)比手動(dòng)輪椅和電動(dòng)輪椅的各種優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行比較和改進(jìn)。以及在電機(jī)的選用上，分析比較了在這種場(chǎng)合中使用交流電機(jī)還是使用直流電機(jī)，使用交流電6履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)機(jī)就不用在輪椅上安裝電池，這會(huì)給使用帶來很大的不便，那樣要移動(dòng)多少距離就得要多長的電線，而且還有安全危險(xiǎn)。所以選用了直流電機(jī)安裝電池的方法。在傳動(dòng)方面，比較了各種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選用了橡膠履帶傳動(dòng)，因?yàn)樵谂罉擒嚪矫?，要求安全系?shù)比較高，摩擦力大不容出現(xiàn)打滑事故。而傳統(tǒng)履帶重量大且易磨損樓梯并且需要齒面彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。3.設(shè)計(jì)階段在該階段，主要工作就是對(duì)已經(jīng)確定下來的各個(gè)模塊進(jìn)行適用性分析，主要考慮各個(gè)模塊的力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核，并確定各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體尺寸和具體裝配方法，繪制機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖、電路控制圖等。4.總結(jié)階段在設(shè)計(jì)的最后，要對(duì)自己所做過的材料進(jìn)行整理，對(duì)自己所做過的研究進(jìn)行分析，完成畢業(yè)論文設(shè)計(jì)說明書的撰寫，修改整理機(jī)械設(shè)計(jì)圖和電路控制圖，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析及適用性分析。7履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)第二章履帶爬樓裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1爬樓機(jī)構(gòu)的比較爬樓機(jī)構(gòu)按其運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以分為星型輪機(jī)構(gòu)和履帶輪機(jī)構(gòu)兩種，其中履帶輪機(jī)構(gòu)相對(duì)比較成熟在可以爬樓梯防暴機(jī)器人等類似裝置中應(yīng)用的比較廣泛。星型輪式爬樓梯輪椅的爬樓梯機(jī)構(gòu)由均勻分布在“Y”形或“+”字形系桿上的若干個(gè)小輪構(gòu)成。各個(gè)小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。在平地行走時(shí)，各小輪自轉(zhuǎn);而爬樓梯時(shí)，各小輪一起公轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。星型輪多的優(yōu)點(diǎn)是輪椅爬樓梯時(shí)的穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是體積較大，很難在普通住宅樓梯上使用。這也是星型輪式爬樓梯輪椅盡管發(fā)明專利很多，真正實(shí)施和推廣很少的主要原因。還有一種爬行機(jī)構(gòu)是由三組帶有滑道的輪組構(gòu)成的。當(dāng)車輪抵住臺(tái)階之后，臺(tái)階自然會(huì)對(duì)輪組中的一個(gè)產(chǎn)生阻力，當(dāng)繼續(xù)施加動(dòng)力時(shí)，則滑輪將向滑道的后方滑動(dòng)?；喼行奶岣?，從而將車輪抬起。如此反復(fù)進(jìn)行，從而達(dá)到上臺(tái)階的目的。這種輪椅的不足是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。履帶型機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅應(yīng)用較多，它采用比星型輪機(jī)構(gòu)更為連續(xù)的行走方式，傳動(dòng)效率比較高。在上下樓梯過程中，輪椅的重心總是沿著與樓梯臺(tái)階沿的連線相平行的直線運(yùn)動(dòng)，其重心的波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)。[2]通過對(duì)比可以看出履帶爬行機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性，本設(shè)計(jì)就是采用的履帶型爬樓機(jī)構(gòu)。2.2設(shè)計(jì)思路本次畢設(shè)查閱很多的文獻(xiàn)資料，國內(nèi)沒有成熟的產(chǎn)品，結(jié)合前蘇聯(lián)的專利和國內(nèi)一個(gè)發(fā)明，根據(jù)大學(xué)中所學(xué)所用過的知識(shí)以及相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了履帶輪式輪椅。主要資料:履帶爬行式前蘇聯(lián)的專利1553-120屬履帶式。爬樓梯時(shí)，用手輪來調(diào)整座椅的水平。動(dòng)力由大輪經(jīng)鏈條帶動(dòng)爬梯傳動(dòng)鏈。該輪椅具有較好的穩(wěn)定性與安全性。六輪移動(dòng)式(4個(gè)行走輪和2個(gè)爬行輪都為驅(qū)動(dòng)輪，在平面上運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人擺起兩個(gè)擺臂，以普通的4輪方式行駛，爬樓梯時(shí)，將通過兩個(gè)擺臂的擺動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)爬行輪.協(xié)調(diào)自身的姿態(tài)以適應(yīng)樓梯地形。)8履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)圖2.1市民發(fā)明的爬樓輪椅圖2.1為一位市民發(fā)明的爬樓梯輪椅，這種輪椅是在普通輪椅的基礎(chǔ)上加裝了一個(gè)履帶機(jī)構(gòu)并且在履帶后部加裝了以一個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，上下樓梯時(shí)需要人力輔助把輪椅傾斜一定的角度使輪椅上的人保持平穩(wěn)以此來實(shí)現(xiàn)上下樓功能。但此發(fā)明不具備轉(zhuǎn)向和調(diào)速功能。本文設(shè)計(jì)的這種履帶輪式爬樓梯輪椅在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用比較適應(yīng)當(dāng)前中國國情。整體設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分:機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)、動(dòng)力裝置、電器設(shè)備。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括各個(gè)裝置設(shè)備的由來、結(jié)構(gòu)、校核等。機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要包括底盤、履帶裝置、升降裝置三部分。下面分別介紹三部分的結(jié)構(gòu)和所用材料。底盤:底盤是是履帶裝置的支撐體，主要由高強(qiáng)度工程塑料制成。履帶裝置:采用類似于V帶傳動(dòng)來連接橡膠履帶。通過軸用鍵連接驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪與橡膠履帶嚙合而達(dá)到行走的目的。因?yàn)榭紤]到要有轉(zhuǎn)向功能，所以采用雙履帶機(jī)構(gòu)，中間通過底盤連接，兩側(cè)履帶分別安裝電機(jī)，通過兩側(cè)速度差來完成轉(zhuǎn)向的目的。升降裝置:采用螺旋千斤頂或分離式液壓千斤頂使座椅頂起或放下。傳動(dòng)方面:傳動(dòng)件主要有橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)輪兩部分。履帶連接爬樓裝置中的主軸和副軸兩根軸，履帶與軸之間用驅(qū)動(dòng)輪連接，軸和蝸輪蝸桿減速器之間用聯(lián)軸器傳動(dòng)。動(dòng)力方面:動(dòng)力件主要是電動(dòng)機(jī)，為輪椅提供動(dòng)力。由于爬樓輪椅的運(yùn)動(dòng)特性，要求爬樓輪椅用的電源為移動(dòng)式的，所以就必須選用低壓直流電機(jī)。因?yàn)榕罉翘輹r(shí)履帶9履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)速度不能過快，否則會(huì)有傾倒的危險(xiǎn)。一般直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為幾千轉(zhuǎn)，所以需選用傳動(dòng)比較大的蝸輪蝸桿減速器減速器使履帶速度在一個(gè)安全范圍內(nèi)?？刂品矫?根據(jù)直流電機(jī)機(jī)械特性選擇合適的直流電機(jī)控制器，進(jìn)行接線使履帶輪式輪椅實(shí)現(xiàn)起停，前進(jìn)，后推轉(zhuǎn)向的功能。2.3履帶輪式輪椅爬樓原理圖2.2履帶輪式爬樓梯原理圖圖2.3平地時(shí)履帶輪式輪椅狀態(tài)在平地時(shí)，輪椅與履帶保持水平，用輪椅大輪驅(qū)動(dòng)，履帶前部的升降機(jī)構(gòu)已處于最低位置。使履帶裝置不接觸地面。如需用履帶驅(qū)動(dòng)，則將升降機(jī)構(gòu)伸長一小段距離使輪椅稍后傾，讓輪椅大輪離開地面。10履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)圖2.4上樓梯時(shí)履帶輪式輪椅狀態(tài)上下樓梯時(shí)，驅(qū)動(dòng)履帶前部的升降裝置，手動(dòng)控制升降裝置上升到一定角度，保持輪椅水平，這是履帶輪椅就可以完成上下樓的功能。2.4履帶爬樓過程分析如下圖所示，假設(shè)傳統(tǒng)履帶形式輪廓為長圓形。即中段為長度L的直線履帶，兩端為直徑為D的半圓履帶。履帶的質(zhì)量分布均勻，重心在幾何對(duì)稱中心。又設(shè)單級(jí)樓梯的高度為H，寬度為W。履帶爬越樓梯的過程可以分為兩個(gè)階段。第一圖2.5履帶翻越樓梯第一階段個(gè)階段是從平地攀上第一級(jí)樓梯。姿態(tài)由水平態(tài)變?yōu)榕榔聭B(tài)。第二階段是履帶在各階樓梯上平穩(wěn)爬行，姿態(tài)不變。以下分不同階段分析:11履帶,輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)在第一階段，履帶前端與樓梯接觸后，在地面摩擦推力和前端摩擦舉力的作用下，重心不斷升高，同時(shí)履帶的中心軸線與地面夾角不斷變大，重心緩慢前移。以第一階樓梯的尖角A點(diǎn)為支點(diǎn)，履帶翻越第一階樓梯的條件可以用下式描述:*(T1L1)?t+ωL<(GL2)?t其中，T1為履帶推力，G為重力，L1、L2分別為T1、G對(duì)A點(diǎn)的力臂，ω為履帶抬起的*角速度，L為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(根據(jù)上式，可以得到以下定性的結(jié)論:在履帶攀越第一階樓梯時(shí)，攀越成功的必要條件是重心在行進(jìn)方向上“超越”了翻越支點(diǎn)A點(diǎn)，即L2>0(重力提供了全部的翻轉(zhuǎn)力矩，履帶的移動(dòng)會(huì)加快重心的“超越”，提供更大的翻轉(zhuǎn)力臂，加速翻轉(zhuǎn)過程(翻轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)是重心處于A點(diǎn)*正上方的時(shí)候，此時(shí)L2=0，履帶軸線和水平地面的夾角稱為翻轉(zhuǎn)臨界角*當(dāng)“翻越”發(fā)生前，即ω為逆時(shí)針時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量ωL要小，以便于克服重力翻轉(zhuǎn)力矩，因此應(yīng)該降低履帶的運(yùn)行速度;當(dāng)“翻越”發(fā)生時(shí)，ω為順時(shí)針，此時(shí)履帶的后端接地點(diǎn)已經(jīng)離開地面，不再存在，因此可以加快履帶運(yùn)行速度，使得L2迅速變大，加快翻越過程。根據(jù)條件I，即所謂重心“超越”條件，利用幾何原理，得到下式:H?,L1/2Sin,,,K(1?,Sec,)K,D/2L*計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)L,D=3時(shí)，最大翻越高度約等于0.3L，此時(shí),,約等于50*度;當(dāng)L,D=7時(shí)，最大翻越高度約等于0(35L，此時(shí),,約等于50度?？梢?，對(duì)于傳統(tǒng)的長圓形節(jié)線履帶，只有增大長高比，才能獲得更好的爬垂直墻效果，在尺度不變的情況下，就是要降低重心，或者重心前移。在第二階段，履帶的姿態(tài)保持不變，為了穩(wěn)定地運(yùn)行，履帶的長度一般保證能夠同時(shí)和樓梯的3個(gè)尖角接觸。為此:22L?,2H,W以我們常用的樓梯為例，H=15cm，W=30cm，因此L>67cm。取L,D=3，如果取L=67cm，則最大爬垂直墻高度大約20cm。能滿足爬第一階樓梯的要求。根據(jù)以上分析計(jì)算，可知用傳統(tǒng)長圓節(jié)線履帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬樓功能時(shí)