机械设计制造及其自动化康复式电动轮椅设计

梧 州 学 院毕 业 论 文论文题目 康复式电动轮椅设计 系 别 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师（签名） 完成时间 2013 年 5 月 摘 要进入 21 世界以来，人们的生活水平日益提高，对生活健康看得越来越重，康复式医疗理念也日渐深入人心。康复式医疗器材就在此背景下应运而生，其中的康复式轮椅结合了代步与康复医疗的功能，在康复医疗体系中占有非常重要的地位。本课题是康复式电动轮椅设计，以直流电机为动力源，通过齿轮配合，分解成两个独立运动单元。一个为轮椅提供行走动力，使轮椅能够按照一定速度运动，完成代步功能；另一个为仿生运动机构提供动力，仿生运动机构由传动轴，曲柄摇杆机构组成，组合完成康复医疗功能。本论文是对康复式电动轮椅设计过程说明。其主要内容有电机的选择与 PWM 控制系统的设计；车架设计及受力分析；传动系统设计及对轴、键类零件受力分析；康复医疗系统设计及仿生运动功能的实现；标准件的列表和参数。关键词：康复式电动轮椅； 仿生运动机构； 曲柄摇杆机构； PWM 控制系统IThe Design of Electric Wheelchair For Recovery AbstractWith the development of peoples life standard in the 21st century, health becomes a more and more important thing in the common life. And rehabilitation treatment, as a healthy concept is getting popular in our life .Under the background rehabilitation wheelchairs among the medical equipment for rehabilitation come into being. Rehabilitation wheelchairs play a very important role in the whole healthcare system, for it integrates the functions of walk and rehabilitation. Rehabilitation wheelchair, as the theme of the design, is divided into two units, with a DC motor as the power resource and matched with wheel gears. The former keeps the wheelchair moving in a certain speed; and the latter supplies the bionic motion mechanism which is consists of crank joystick mechanism, with power, it helps to perfect the function of rehabilitation. The instruction contains the design process of this rehabilitation wheelchair. The main content includes :the choose of the motor and the design of pwm control system; the framework of the wheelchair and force analysis;the design of the driving system and the force analysis of the countershafts and the key parts ;the design of healthcare system and the realization of bionic motion;the list for the standard parts and parameters. Key words: rehabilitation wheelchair bionic motion mechanism crank joystick mechanism PWM control system II目录第一章 绪论 .11.1 本课题的研究背景 .11.2 本课题国内外研究动态 .11.3 本课题研究意义及主要内容 .1第二章 主要零部件及总体方案设计 .32.1 轮椅的总功能原理图 .32.2 档位调节机构与传动示意图 .32.3 模拟肢体运动机构示意图 .42.4 轮椅方向控制机构 3D 图 .5第三章 直流电机的选择及 PWM 电路控制设计 .63.1 轮椅转速及极限转矩的确定 .63.2 选择电动机的类型及参数 .83.3 脉宽调制 PWM 电路设计原理 .9第四章 车架设计及受力分析 .144.1 轮椅车架尺寸设计 .144.2 轮椅车架主要承载件受力分析及材料确定 .15第五章 传动系统设计及对零件受力分析 .205.1 传动系统各零件的参数确定 .205.2 传动系统零部件的校核计算 .225.3 齿轮的设计及校核计算 .25第六章 轮椅控制系统设计 .286.1 控制把手设计 .286.2 方向控制系统设计 .296.3 档位控制系统设计 .306.4 刹车系统设计 .31第七章 仿生运动分析及功能实现 .327.1 仿生运动分析及实现 .327.2 仿生运动机构零部件的校核计算 .367.3 齿轮的设计及校核计算 .37第八章 总装配图 .41参考文献 .42附录 .43致谢 .460第一章 绪论1.1 本课题的研究背景康复医疗是指运用物理医疗手段对肢体障碍及相关重症患者在恢复阶段进行的一种辅助性医疗手段 8。康复式轮椅的主要功能是模拟肢体运动帮助有运动障碍的人群完成运动功能的恢复训练并能帮助无法康复的人群进行肢体运动，促进血液循环，减少并发症。1.2 本课题国内外研究动态目前世界上康复式轮椅的研究处于刚起步状态，能在市场上销售的更是少之又少。在国内该领域尚处于萌芽状态，要普及到有需要的人群更是任重而道远。康复式轮椅：采用电动或手动设计，在普通代步轮椅的设计理念上添加了康复式理念。让使用者在实现代步功能时，完成普通康复训练。在我国，2006 年吴锋申请专利“组合式康复训练轮椅”。1.3 本课题研究意义及主要内容1.3.1 本课题的研究意义轮椅使用者在生活中一般因为腿脚不方便，外出较困难。在非平坦的路面上靠双手转动轮椅太累且不能行走较远路程，而且速度较慢。此外长时间的使用轮椅会让使用者感觉到疲劳。且由于身体的压迫，血液无法正常循环，更加不利于患者的康复。目前市场上的轮椅存在两个主要问题：一是国内轮椅发展缓慢，很多国内器材商对使用人群（残疾人和老年人）的关注度不高，不愿意花费资金研发更为人性化的轮椅设备；二是轮椅设计大同小异，很多针对肢体残疾者的轮椅都是一样的，只是作为一个代步工具，对残疾人的身体没有起到很多作用。以上两个最大问题导致了我国的轮椅市场是由普通单调产品和国外进口产品组成。国外进口的轮椅功能先进，但价格极其昂贵。因此，本课题研究设计的轮椅应以方便使用者为主要目标，帮助使用者解决生活中遇到的困难，给使用者提供一个简易的康复医疗平台。降低生产成本，能让更多的普通患者使用。本课题研究对象是康复式电动轮椅设计，运用机械原理、机械设计、人机工程学等知识及 CAD 、CAM 、 CAE 等软件设计零件实体模型，并实现功能的模拟仿真。11.3.2 本课题的设计的主要内容（1）根据设计参数要求，理清设计思路，抓住设计要领。（2）初拟总体设计方案。（3）动力源选择与控制系统的设计。（4）车架设计及受力分析。（5）传动系统设计及对轴、键类零件受力分析。（6）康复医疗系统设计及仿生运动功能的实现。（7）标准件的列表和参数。（8）确定各零件结构尺寸，完成零件图。（9）完成装配图。（10）完成模拟仿真。（11）总结。2第二章 主要零部件及总体方案设计2.1 轮椅的总功能原理图如图 2-1 所示为该课题所设计的轮椅总装示意图，包含该轮椅的主要机构和总体布局。通过电机转动，带动后轮传动轴的运动，使轮椅运行；电机转动的同时带动传动轴，利用曲柄摇杆原理带动脚踏板摆动，实现康复式运动功能。该轮椅的主体设计中，除了电机部分，需要采用 PWM 电路控制之外，将大量采用机械机构，包括了齿轮传动、双摇杆、曲柄摇杆、轴承支承等。之所以采用机械机构的主要原因是因为机械结构操作简单，维修方便，安全耐用，符合康复式轮椅的安全、稳定经济实用的性质。图 2-1 功能原理图2.2 档位调节机构与传动示意图该装置拟采用齿轮传动，如图 2-2 所示：电机安装在可移动导轨上。当电机处于工位一时，主传动轴与后轮轴同时转动，使轮椅实现在行走中进行康复训练；当电机处于工位二时，接通电机与后轮轴，使轮椅在不进行康复训练的同时正常行走；当电机处于工位三时，电机只与主传动轴接通，使轮椅在不行走时也能进行康复训练，满足患者足不出户也能达到康复训练的效果；3图 2-2 档位控制与传动系统示意图2.3 模拟肢体运动机构示意图该装置拟采用六杆机构。如图 2-3 所示传动轮在转动时带动连杆左右移动并使脚踏摇杆在一定角度内完成循环摆动动作，利用平行四边形原理，使活动踏板能模拟人在行走时脚板与小腿间所成的夹角，从而完成整个膝关节和踝关节的模拟循环运动动作。计算杆杆件的自由度，查文献 10可知自由度计算公式为：（2-1）HLPnF23由公式 2-1 可知，F 为自由度数；n 为活动杆件； PL 为低副；P H 为高副。再根据图 2-3 所示， ， ， 。代入公式 2-1 得：57LP0H17253所以可知该杆件有唯一原动件。符合设计要求。4图 2-3 康复式仿生运动功能示意图2.4 轮椅方向控制机构 3D 图该装置拟采用双摇杆接摇杆滑块机构，如图 2-4 所示，掰动手柄左右摇动，可控制轮椅前轮的方向，从而控制轮椅的运行方向。图 2-4 方向控制示意图5第三章 直流电机的选择及 PWM 电路控制设计3.1 轮椅转速及极限转矩的确定3.1.1 轮椅的各级转速确定康复式轮椅的一个主要功能是模仿正常人的行走姿态，所以其运行速度将模拟人走路的三种速度，分别是散步、正常行走、慢跑。经过测试取平均值得到这三种行走姿态的速度分别为： h/m2.763/8.1KV慢 跑正 常 行 走散 步根据轮椅的设计要求，后轮的直径 D=550mm，根据求周长公式可得 L=1.72m。所以轮椅的