关 键 词：

含CAD图纸、说明书、答辩稿 轮式 楼梯 轮椅 设计 cad 图纸 说明书 仿单 答辩

资源描述：

三轮式爬楼梯轮椅设计【含CAD图纸、说明书、答辩稿】,含CAD图纸、说明书、答辩稿,轮式,楼梯,轮椅,设计,cad,图纸,说明书,仿单,答辩

内容简介：

摘 要 随着老年人年事过高行动不便，还有残障人士的生活所需，轮椅在日常生活中发挥出越来越大的作用，然而，随着人们生活水平的提高，很多人们住进了高楼，这就给轮椅使用者们的生活带来很大的困难，每天的上楼梯成为了他们越不过去的一个大难题，为了方便他们的出行，本文设计了一辆可以爬楼梯的电动轮椅。本设计为行星轮式三轮爬楼梯电动轮椅，由后轮驱动轮椅在平地上行走和爬楼梯。该轮椅主要由行星轮,支架，底盘，座椅以及座椅重心调节系统组成。支架该设计的主要部分在后轮的行星轮的设计上面，通过改变行星轮内部两种不同驱动方式来实现轮椅在平地和楼梯之间的运动转换。本文首先介绍了爬楼梯轮椅的总体设计方案与其中主要结构的基本构成及运动原理，并计算出了行星轮在建筑楼梯模数协调标准下的尺寸范围，介绍了行星轮两种运动方式的运动机理。并且从轮椅的爬坡能力，通过障碍最高高度，侧倾角以及转弯半径等四个方面分析了轮椅的行驶性能。关键词：爬楼梯轮椅；行星轮；电动轮椅；运动分析 AbstractWheelchairs play an increasingly important role in daily life as the elderly age is too high for mobility and the needs of the disabled. However, with the improvement of peoples living standards, More and more people began to live in high-rise buildings, which caused great difficulties for wheelchair users. Getting up the stairs every day became a big problem for them to get around in order to make it easier for them to travel. This paper designs an electric wheelchair for climbing stairs.This design is a planetary wheel climbing stairs electric wheelchair, driven by the rear wheel wheelchair on the ground walking and climbing stairs.The wheelchair consists of planetary wheel, bracket, chassis, seat and seat barycenter adjusting system. The main part of the design is the design of the planetary wheel of the rear wheel. By changing the two different driving modes within the planetary wheel, the wheelchair can be transferred between the flat ground and the staircase. This paper first introduces the overall design scheme of staircase climbing wheelchair, the basic structure and motion principle of the main structure, and calculates the dimension range of planetary wheel under the standard of building stair module coordination. In this paper, the motion mechanism of two kinds of motion modes of planetary wheel is introduced. And from the wheelchairs ability to climb, through the highest height of the obstacle, the angle of inclination, and the radius of the turn. The driving performance of the wheelchair is analyzed in four aspects.Keywords: stair climbing wheelchair ；ar-shape wheels；electrically powered wheelchair；kinematic analysis 目录引 言1第一章 绪论21.1轮椅的研究背景及意义21.2国内外研究现状21.3研究目的及内容安排3第二章 轮椅的总体设计42.1设计要求42.2总体设计42.3本章小结6第三章 局部设计73.1底架设计73.2座椅调整机构设计73.3传动系统运动单元（越障机构）设计93.4轮椅各项参数193.5本章小结19第四章 轮椅车的运动特性分析214.1轮椅车的平地运动分析214.2轮椅车爬楼梯运动分析224.3轮椅车的行驶性能分析234.4本章小结26总 结27参考文献28引 言现如今人们的生活质量比起以前好了太多，人们对生活水平的追求也在慢慢进步，因此促进了科学技术的发展日新月异更加推动了人们的日常生活，但随之而来的越来越多的生活问题也进入了人们的生活。比如因为年龄变大，发生疾病或者遇到意外事故导致老年人或者残疾人失去了自己走路的能力，给自己和家人带来了很大的不方便，轮椅成为了他们不可缺少的代步工具。而且随着人口老龄化增加，轮椅的需求量也越来越大。我国的人口逐年增加，住房问题越来越紧张，大多数的人们都住进了楼房，而楼梯是楼房的标准架构，且在我国有很大一部分的楼房都没有安装电梯，楼梯成为唯一的上下楼方式，给一些老年人和身体有残疾的人们的出行带来很大的不方便。我国的轮椅基本上就是普通的平地行走的最常见的轮椅，没有一些更加全面的功能，对轮椅的研究不够多，基于此，为了方便老年人和残疾人士可以相对自由的出行，不再受困于障碍物以及楼梯等困难，有必要研究一种爬楼梯与平地行走都可以做到的多功能的爬楼梯轮椅。本文设计了一种电动爬楼梯轮椅。使用行星轮机构，让乘坐者可以自己一个人进行上楼梯操作，节省了人力，方便了使用者的生活，使他们的出行得到了保障。轮椅使用摇杆控制轮椅运动，操作十分简单快捷，是老年人以及残障人士的福音。第一章 绪论1.1轮椅的研究背景及意义我们的社会正在不断地发展，生活水平的提高带来科学技术的进步并再次带动人们的生活质量。但是，科技的飞速发展却也带来一些不可避免的意外，意外事故的频繁发生使残疾人士的人口数量越来越多；还有如今人口老龄化现象也越来越严重，这些人的自由行动的能力已经丧失了，他们的生活十分不方便。虽然我国的服务设施越来越多，高层楼也安装有电梯，但是并不是所有地方都拥有这些服务，很多高楼至今没有安装电梯，他们的出行是一个巨大的问题。老年人和残疾人士时社会上的弱势群体，他们有很多常人没有的苦恼，关注他们的生活是一个很有必要的重要问题。在2006年第二次全国残疾人抽样调查报告中写道，直至2006年4月我国残疾人口数量占全国总人口比例的百分之六。其中肢体残疾人数高达两千多万人。另外，在2015年的全国%1人口抽样调查中显示，60岁以上的人口数量为两千多万人，占全国总人口数的百分之十六，其中65岁以上的人就有14374万人。同2010年第六次全国人口普查相比，60岁以上人口比例上升了百分之三，65岁及以上人口比例上升了百分之一点六。残疾人士和老年人的逐年增加给社会的发展带来很大的影响。他们的家庭负担变得沉重，就连他们的日常生活都受到了影响。因此，为了他们的生活，专家对这类人群的出行以及日常生活的关注也越来越多。轮椅是残疾人士以及老年人出行的时候必须具备的的代步工具，但是我国最普遍的轮椅都是最普通的那一种，出行需要手动前行，活动范围不大，而且还不能爬楼梯或者通过障碍物，为了解决这些问题，让残疾人士及老年人可以相对自由便捷的出行，有必要对现有的普通轮椅进行一番合理的改进。1.2国内外研究现状关于爬楼梯轮椅的研究，国外的研究相对要早一些，取得了很多成果，有些国家这方面的技术已经变得比较成熟，有的国家已经开始销售爬楼梯轮椅。我国对爬楼梯轮椅的研究比较晚，成熟的技术也不多，较少投入市场。目前，国内晚现有的爬楼梯轮椅主要分为四个类型，分别是：各类轮组式，履带式，直立行走式以及辅助式机构等。1）轮组式 轮组式爬楼梯轮椅轮组为行星系机构，在平地行驶的时候，行星轮的两个小轮着地自转行走，在遇到障碍或是楼梯时，轮组发生翻转，行星轮公转爬上电梯。根据行星轮轮数的不同，可以将轮组式爬楼梯轮椅分为两轮式，三轮式，四轮式等。2） 履带式 履带式爬楼梯轮椅的技术相对成熟一些，很多履带使结构都可以作为参考，履带结构行走效率高，重心波动不大，对地形的要求不高，但是，履带使结构容易破坏地面，而且转弯能力较差。3） 直立行走式 直立行走式爬楼梯轮椅模拟人上楼梯时的模式，通过机械腿模拟人的运动使轮椅移动，这种轮椅稳定性高，适用范围广，但是操作复杂，行走缓慢。4） 辅助式机构辅助式机构是在轮椅上通过添加一些辅助机构来实现轮椅的爬楼梯过程。比如在轮椅车两侧额外添加一对爬楼梯轮，或者增加一些其他装置。1.3研究目的及内容安排本设计的目的是为了研究出一种既可以在平地上行驶又可以爬楼梯以及通过地形复杂路面的电动轮椅车。内容安排如下：1. 总结了轮椅车设计的研究背景以及研究意义，通过调查当前国内外对爬楼梯轮椅的研究情况，归纳出四种常见的爬楼梯轮椅，简单介绍并总结其优缺点。2. 分析出轮椅车设计的总体方案，并从局部各个部位进行具体设计，设计座椅调整机构，计算出行星轮机构的基本尺寸，分析其爬楼梯原理，并对驱动电机具体参数进行设计，合理选用驱动器，控制器以及蓄电池。3. 分析了轮椅车的爬楼梯过程，并且分别从轮椅车的爬坡性能，最大越障高度，侧倾角以及转弯半径进行行驶性能分析。第二章 轮椅的总体设计2.1设计要求轮椅在设计的时候应该充分考虑到轮椅使用者的自身情况，住所所在的楼梯结构以及轮椅自身结构情况。具体分别为以下几点：1） 轮椅在平地和楼梯两种地形的变化出运动形式的改变应尽可能的平滑稳定；2） 操作要做到简单方便，不宜太过复杂；3） 在爬楼梯的过程中座椅应该做到始终与地面保持平行并且可以做到平稳的爬行，要保证轮椅使用者的安全；4） 轮椅的轮组机构应该符合我国建筑楼梯模数协调标准的规定；5） 轮椅的设计应该尽可能的让人感到舒适。2.2总体设计我设计出来的的爬楼梯轮椅总体设计图如下图1所示。4.传动系统运动单元3.座椅调平机构2.座椅1.底架ab图1 轮椅车总体设计从图中可以看出，轮椅主要由四个部分组成：一个底架1，一个座椅2，一个连接底架和座椅以及调整座椅重心的的调节机构3，两台电动机和连接电动机的传动系统运动单元（越障机构）4。轮椅的传动系统运动单元通过传感器感应障碍物的方式来改变它的运动方式，从车轮滚动(“前进模式”)到支架行走(“自动爬楼梯模式”)。（1）底架。底架是整个轮椅的基体，它对整个轮椅结构起支撑的作用，因此需要有足够的强度与刚度让轮椅在载人的时候不会散架出现意外。底架的重心根据实际情况需要尽可能的低，保证轮椅的稳定性，让轮椅不至于出现侧翻或者颠簸太过的不舒适的体验。（2） 座椅。座椅的设计要考虑到轮椅使用者的操作方便性和乘坐的舒适性，要根据人机工程学的方面来设计座椅。扶手的高度设计要符合人们的日常生活习惯，还需要有脚踏板，让使用者可以将脚放在上面，稳定使用者的中心，保证安全。（3） 座椅调整机构。此结构设计考虑到轮椅使用者在遇到障碍物或者爬楼梯时处于倾斜状态，对人身安全有很大的隐患，因此通过此结构来调节平衡(图1b)，让人在处于上述状态时可以保持平衡，减小危险因素。此调节机构由传感器感应座椅与地面的平行度改变座椅的状态，不需要人手动调节，十分方便快捷。（4） 传动系统运动单元（越障机构）。本设计采用两对三轮组式行星轮机构，安装在轮椅后方实现后轮驱动。在平地行走时，行星轮车轮通过齿轮传动在地面上行走，在碰到障碍时行星轮架的力矩变大，此时行星轮架开始翻转越过障碍物。行星轮通过改变车轮的自转和公转来改变行驶方式在各种道路上行驶；行星轮车轮之间通过齿轮连接。2.3本章小结本章对轮椅车总体框架进行了大致的设计，写出了轮椅车设计的设计要求，介绍了轮椅车各部分的结构以及工作原理。分别对轮椅车的底架，座椅，座椅调整机构以及传动系统运动单元进行了大致的介绍。第三章 局部设计3.1底架设计如图2所示，底架主要由一个底盘1组成，底盘带有两个机动运动单元（越障机构）2，两个配套电机3，两个三轮单元（前轮）4，驱动器5，控制器6和电池组7。7.电池组6.控制器5.驱动器4.三轮单元3.电机2.越障机构1.底盘图2 底架三轮单元由围绕中轴旋转的支架组成，三个闲置的车轮放置在支架顶点上。车轮的尺寸是根据设计的大车轮而选择的。轮椅车后边的大的车轮可以更好地吸收不均匀地形引起的振动，而可以小轮减少整体的高度。因此，后边两个机动运动单元和旋转轮要选择较大一些的车轮，大部分时间都是与地面接触，而前方的三轮单元则可以选择一些尺寸比较小的车轮。3.2座椅调整机构设计图3为我设计的座椅调整机构。 图3 座椅调整机构座椅后面部分使用两个杆件固定在底架上，起支撑轮椅椅座的作用，轮椅使用者与椅座的重心几乎都在杆件附近，杆件要选取强度较高的材料，杆件与座椅连接的部分使用绞连接，如图4。前端部分使用液压传动装置来控制液压杆伸缩上下调整座椅，如图5。液压系统的稳定性比较高。 图4 支撑杆 图5 液压杆座椅与地面的平行度使用双轴倾角传感器来检测，实时检测座椅与地面的角度然后控制液压传动系统调节角度，以保证乘坐者的人身安全，如图6.在液压杆向上伸缩时，轮椅前端被液压杆顶上去，由于座椅后部分和杆件铰接在一块无法移动，此时伸缩杆顶部与座椅发生相对位移，如下图7所示。座椅与液压杆顶部连接点在A点，当伸缩杆上移时，座椅与伸缩杆的连接点发生位移，由A点移动到了B点。因此在轮椅底部设计了一条滑轨，用一个小轮结构连接座椅与液压杆。小轮不会滑向滑轨后方，因此在固定部分后端开口，让小轮与轴可以滑进去。如图8。图6 双轴倾角传感器图7 位移分析 图8 滑轨设计 3.3传动系统运动单元（越障机构）设计3.3.1结构介绍通过查找已知的各种爬楼梯机构并对各类机构分析了解之后，思考了前人的设计产品的特点，最终决定使用行星轮结构。原因主要有两点：1） 轮式机构结构比较简单、运动起来灵活、重量不会太重、传动效率比较高，其他的移动机构在这些方面明显比不过轮式结构；而该轮椅的适用范围是平地上和楼梯上，在爬楼梯时，移动要尽量做到稳定，安全，所以，我使用轮式结构。2） 本设计选择了行星轮作为行驶机构。行星轮机构由行星架和行星架上的车轮组成，每个车轮都是既可以自行转动，又可以环绕行星架的中心进行公转，这样刚好可以实现轮椅车爬楼梯的功能。行星轮结构可以使用比楼梯台阶低的车轮上台阶，而且它还既可以在平坦地面上行走，又可以上楼梯，机构的结构也很简单。 行星轮的数量可以自行设置的，它可以随自己要求放置轮子，行星轮中车轮的数量如果很多，轮椅会很稳定，但这样轮椅体积就要变的很大，而且结构也会变得很复杂。为了使结构简单，爬楼梯也比较容易，本设计采用三个车轮构成的行星轮，其中三个车轮均匀分布在星型轮的圆周上。在平路上行走时，车轮自转；遇到障碍物或者楼梯时，行星轮架会开始公转，当行星轮碰到楼梯的台阶时，电机带动行星轮架转动，使行星轮上边的车轮接触到台阶的上边。此后接触台阶的车轮一边前进，行星轮一边继续转动，直到碰到下一个台阶的前端，成功爬上一阶台阶。此机构设计是用来处理平坦或起伏的地面以及楼梯和障碍物等的。这个运动单元是为了让它可以适应不同运动而设计出来的。它只使用一个传动系统，简单地通过锁定或解锁运动链中的某些自由度来达到目的。该传动系统选用了行星齿轮传动系统。如图9所示，运动单元轴向连接到车架(0)。该运动单元由下列部件组成：电机(1)、运动单元车架(2)、中心齿轮(3)、第一行星齿轮(4)、第二行星齿轮(5)和车轮(6)。 图9 结构图3.3.2计算行星轮架的尺寸行星轮机构是整个轮椅的最重要的地方，所以确定行星轮车轮以及行星轮架的大小就是整个机构设计的关键环节。在轮椅爬楼梯的过程中，行星轮两个轮要可以都碰触到楼梯，而且楼梯最少也要能够支撑行星轮架的两个车轮同时停留在楼梯上。如果车轮尺寸太大则轮椅就不能撑在楼梯上，而且轮椅的整体大小变得太大，而且轮椅重心也会变得太高影响使用者的人身安全；车轮直径太小则轮架会磕到楼梯上使机构无法正常进行爬楼梯行为。我国发布的建筑楼梯模数协调标准规定：楼梯踏步的高度不能大于210mm，并不小于140mm，各级踏步高度均应相同：楼梯踏步的宽度，应采用220.240.260.280.300.320mm。必要时可采用250mm。轮椅要做到适应规定的尺寸范围上下楼梯。轮椅的车轮应该可以在规定范围的最小宽度（220mm）的台阶上平稳的支承起轮椅整个部分。（1）接下来首先确定行星轮架的半径范围R取楼梯的踏步高度为h，楼梯的踏步宽度为d。当h和d最小时，两个车轮的中心距小于等于，即 （2-1）带入数据，求得图10 星型轮架最小半径当h和d最大时，车轮与楼梯如下图11。 图11 星型轮架最大半径则根据几何关系，可以得知 （2-2）带入数据，求得由上述计算得知。行星轮架应该大一些，因此选。（2） 计算车轮的尺寸范围r车轮的最大尺寸应该小于上述求得的中心距，即 （2-3）带入数据，求得车轮尺寸最小的时候，行星轮架不可以与楼梯边缘碰到。在h最小的时候，行星轮架最有可能与楼梯边缘碰到，如下图12。 图12 星型轮最小半径根据几何关系，可以得出 （2-4） （2-5）带入数据，求得因此由上述计算可以知道通过以上计算，选取后车轮尺寸为，。由此得出行星轮架的所有尺寸为,。3.3.3行星轮架齿轮确定该行星轮使用齿轮传动来使轮椅车行驶。齿轮结构如下图13所示。图13 齿轮传动系统 由于行星轮架半径为145mm，考虑到星型轮架半径以及轮椅美观，最终决定齿轮数据如下表1。（单位：mm）表1 齿轮参数齿轮中心齿轮a第一行星齿轮b第二行星齿轮c模数222齿数503525分度圆直径1007050齿顶圆直径1047454齿根圆直径956545齿宽202020行星齿轮材料使用进行调质处理后的40Cr，选取硬度为260HB，中心齿轮材料也用进行调质处理后的45钢，选取硬度为240HB。行星轮的传动比为a/b=10/7,b/c=7/5,a/c=2/1。3.3.4动力系统参数计算根据轮椅车的具体设计数据以及国家电动轮椅标准，可以得到轮椅的以下参数：轮椅的总质量：60kg轮椅的预计载重量：100kg平坦地面最大行驶速度：3m/s爬坡行驶的最大角度：，此时轮椅爬坡速度为0.3m/s爬楼梯速度：1-15阶台阶/min电池组：四块电池容量25A，电压12V的蓄电池（1） 电机参数设计 电机是电动轮椅车整个轮椅车动力系统的灵魂，电机需要为轮椅车提供行驶动力。首先确定电机的类型。轮椅车使用蓄电池作为供电系统，因此电机可以用步进电机、直流电机或者无刷直流电机等。步进电机可以准确的进行定位和调节速度；它的转矩大，惯性小，灵敏度高，但是步进电机能源消耗比较大，转速比较低，而且步进电机在工作时会发生振动，还会产生噪音，让轮椅车不能安定行驶。直流电机的响应速度很快，调节范围比较广，灵敏度很高，可以在轮椅车发生突然情况时快速调节过来，而且直流电机的转矩很大，还可以在需要的时候进行过载，可以满足轮椅车爬坡，爬楼梯的要求；但是传统的直流电机缺点太多，比如噪声太大，使用时间短，需要经常进行维护。无刷直流电机比直流电机要好，它没有噪音，不需要维护，稳定性高。因此选择电压为48V的无刷直流电机作为轮椅车的行驶驱动电机。然后确定电机的功率。轮椅车具有平地行驶和上楼梯两种不同的工作状态，不同的工作状态所需要的功率也不一样，所以要先计算出两种工作状态下的电机需要的功率，然后再根据计算结果选择电机的额定功率。该爬楼梯轮椅车的质量为60kg，预计最大载重量为100kg，因此该轮椅车在工作时的最大质量为160kg。a)平地行驶的功率计算轮椅在平地行驶时车轮与地面为滚动摩擦，滚动摩擦力计算公式为 （2-6）为车轮与地面的滚动摩擦系数，G为轮椅整体对地面的正压力通过查看机械设计手册得知，因此，轮椅车在平地行驶所需总功率为 （2-7）带入数据，求得b)爬坡时的功率计算轮椅在爬坡时的受力分析图如下图13图13 轮椅在坡上受力分析由受力分析图可以得出，轮椅在爬坡时需要的总功率为 （2-8）带入数据，求得c）爬楼梯时的功率计算轮椅车爬楼梯的动作实际上就是行星轮架将整个轮椅车向上搬运一阶台阶的过程，轮椅车在爬楼梯的时候需要克服轮椅车质量和承载的使用者的质量来做功。上文已得知楼梯的踏步高度最高为210mm,因此轮椅车需克服的阻力矩为 （2-9）爬楼梯速度最大为15阶min确定主轴转速为：n=5r/min驱动轮角速度： （2-10）爬楼梯所需功率为： （2-11）带入数据，得综上所述，为了保证轮椅车的动力，所选电机功率不能低于235.5w.电机(图14)参数如下表2。图14 电机表2 电机参数型号额定功率额定转速额定转矩额定电压重量机身长度wr/minVKgmmEM664840030001.27482160（2） 控制器的选择控制器控制整个轮椅车的运行，轮椅车的行驶，加速，减速，转弯还有座椅调平机构的工作全都由控制器完成。控制器收到工作指令后，经过内部的运算再将指令下达到各个工作系统。轮椅车的行驶指令离不开控制器。本设计选用控制器为海王鑫控制器（图15）。图15 控制器下图分别为轮椅车的座椅调节顺序图16和轮椅行驶控制图17。 图16 图17（3） 驱动器的选择驱动器广泛的来说是指驱动一些设备必须的的驱动硬件。驱动器是软件和硬件之间的桥梁，它可以接收控制器的工作指令，再将指令进行处理之后传递到电机上,然后再把电机的工作情况反馈至控制器。无刷电机驱动器的主要功能是控制电机的转速,合适的无刷电机的调速方法是保证无刷力矩电机平稳转动、满足速度控制精度的关键。在这里，我们选用步科eView EBL4820R直流无刷电机霍尔驱动器。如下图18。 图18驱动器3.3.5蓄电池的选择轮椅车使用48V的蓄电池作为轮椅车的电力来源。在选择蓄电池的时候，要注意对比各类蓄电池的电池容量，重量，寿命长短和价格成本等几方面。经过调查分析和对比现在市场上的各种蓄电池的种类后，最终决定为该轮椅车选则免维护铅酸蓄电池作为供电能源。3.4轮椅各项参数经过本章的各项设计，最后得出轮椅车的各项数据如下表3：表3 轮椅车参数项目大小项目大小轮椅车长度950mm轮椅车宽度680mm轮椅车高度980mm行星轮轮距680mm后车轮半径100mm前车轮半径55mm行星轮架半径145mm传动轴齿轮齿数50第一行星齿轮齿数35第二行星齿轮齿数25驱动电机额定功率400W驱动电机额定电压48V蓄电池容量25A3.5本章小结这章具体介绍了轮椅车各个部分的具体设计情况，更加详细的介绍了轮椅车的底架，座椅调平机构，传动系统运动单元，动力系统等结构，给出了轮椅车的各项参数，大体完成了轮椅车的设计过程。其中，重点介绍了传动系统运动单元，选择了行星轮机构作为轮椅车的越障系统，通过行星轮机构在爬楼梯的几个状态，计算出了星型轮架以及轮椅车轮的尺寸范围。选定了电机，控制器，驱动器以及蓄电池。第四章 轮椅车的运动特性分析4.1轮椅车的平地运动分析根据轮椅车的实际运动情况，轮椅车在平地上的运动情况可以分为两种：1)平地行驶假设将坐标系固定在车体的中心，轮椅车的简化模型如图19所示，将行星轮轮组简化成一个车轮。行星轮是驱动轮，乘坐者通过将座椅右边扶手上的摇杆向前推或者向后拉来驱动轮椅车在平地上前进或者后退，按下座椅右边扶手上的蓝色按钮可以使轮椅车以平地行驶速度行驶。 图19 简化模型在直线行驶时，假设轮椅车行星轮的速度为，那么轮椅车与行星轮之间速度关系为： （3-1）可以看出，轮椅车直线行驶时，所有车轮的速度大小和方向都等于轮椅车行驶的速度和方向。当轮椅车转向的时候，乘坐者可以通过将座椅右边扶手的摇杆向斜方向摇动来使轮椅车完成转向。转向时，行星轮连接的两台电机的转速会发生变化，一台电机速度减小，带动电机连接的那一边的行星轮车轮的速度减小从而实现转向。2） 翻越障碍当轮椅车在行驶过程中遇到无法躲过去的障碍时，首先转向，使后轮对着障碍物，传感器感应到障碍之后控制离合器闭合，通过行星轮架翻转翻越障碍。此时，前轮速度与后轮行星轮架移动速度相同。4.2轮椅车爬楼梯运动分析轮椅车在爬楼梯时，轮椅背对楼梯，按下座椅左边扶手褐色按钮，将速度改变为爬楼梯速度，当行星轮碰到楼梯时，行星轮轮组由自转转变为公转，即定轴轮系变为了行星轮系，电机直接带动行星轮架翻转，两对行星轮架同时翻转，慢慢完成爬楼梯过程。爬楼梯过程如下图20。在爬楼梯的过程中，座椅下方的双轴倾角传感器感应座椅与地面的角度来控制液压机构调节座椅前部分的高度，使座椅一直处于水平状态，保证使用者的人生安全，避免因为重心改变而让使用者提心吊胆。 1 2 3 4 5 6 7 89图20 爬楼梯过程4.3轮椅车的行驶性能分析4.3.1爬坡性能轮椅车在坡道上匀速行驶时，轮椅车的受力分析简图如下 图21 受力分析轮椅车上坡行驶受到的阻力大致包括坡度阻力和滚动阻力。坡度阻力大小就是轮椅车重力在沿坡度方向向下的分力，即 （3-2）滚动阻力计算方式如下 （3-3）为滚动阻力系数在轮椅爬最大坡度时，轮椅车的总驱动力应该不小于轮椅车在地面上受到的反作用力，即 （3-4）其中为车轮与地面之间的附着系数。通过以上三个公式最后得出： （3-5）化简后 ，得可以看出，当知道了滚动阻力系数与车轮与地面之间的附着系数时，就可以得到爬坡的最大角度。4.3.2侧倾角车辆侧倾角是评定车辆单侧车轮同时越过障碍物的最大高度的能力和车辆在倾斜路面行驶能力及车辆行驶稳定性的重要指标。如下图所 示。轮椅车倾斜角度为的坡路上匀速直线行驶，此时轮椅的重心不会改变，当坡道的角度达到一定数值时，轮椅车就会发生侧翻。根据受力分析，可以得到以下公式： （3-6）化简，得 由上式可以看出，轮椅的重心高度与它的侧倾角呈反比，可以行走的坡道的角度就越大或者是翻越的障碍物越高，但重心高度过低的话，轮椅车的底架就会变得太低，不利于轮椅车在起伏的地面上行驶。因此，设计的时候应该尽量把重心降低，增加轮椅车的稳定性。由上文数据可以得知，轮椅的重心高度，通过计算最后得出。 4.3.3通过障碍最高高度在轮椅车行驶过程中遇到障碍物时，若障碍物的高度低于某个特定的数值时时，行星轮可以直接越过障碍物，但当行星轮遇到的障碍物的高度比特定数值大时，需要通过行星轮架翻转来越过障碍物。这一小节的目标就是求出这一特定数值。 要测出行星轮能通过的障碍的最高高度，首先应该让行星轮的其中两个车轮靠在台阶边缘上，并且行星轮可以跨越的最高高度应该与靠近台阶的上部分的车轮的中心线平齐，如下图22所示。图22 最大高度已知车轮半径为r，行星轮架的半径为R，跨越障碍的最高高度为，那么可以得出： （3-7）代入前文设计的数据，得mm如果轮椅车遇到的障碍物只需要一边的轮来翻越，那么就要注意障碍物高度是否有超过351mm，轮椅车一侧抬高351mm后，车体与水平路面会形成一定的倾角，通过计算得出此时倾角的度数，与侧倾角进行对比，如果小于侧倾角，那么遇到的障碍物超过351mm时，就让轮椅车绕开障碍物行驶，如果大于侧倾角，求出在倾斜角度为侧倾角度数时的越障高度，轮椅车不可以翻越此高度的障碍物。4.3.4转弯半径本设计的轮椅车没有专门的转向机构，这样机构会比较简单，更容易设计，轮椅车的转弯是通过与行星轮相连的两个驱动电机控制的。通过控制两台电机的转速，时它们的转速变得不相同，从而达到轮椅车转向的目的，也就是差速驱动。差速驱动可以分解为平移运动和原地旋转运动。假设左右两个车轮的速度分别为和，那么，轮椅车的转向半径为： （3-8）上式中 ，L为车轮轴线长度。4.4本章小结本章分析了轮椅车在平地行驶以及爬楼梯时候的运动，通过图来模拟出了轮椅车在爬楼梯时候的行星轮的转动情况，生动形象的表达了轮椅车的运动特性。分别计算了轮椅车的最大爬坡角度，侧倾角，翻越障碍物最高高度以及转弯半径四个行驶性能。 总 结如今，随着社会的发展，人口老龄化越来越严重，人口增长也未曾停下速度，庞大的人口基数带来的是需求轮椅车的数量的上升。为了解决轮椅车的供求问题，以及方便残障人士和老年人的生活出行，结合我国的实际情况，对比国内外研究的轮椅车的优缺点，设计出一种适合我国国情的爬楼梯轮椅车。本文设计出了一种可以爬楼梯的电动轮椅车，使用行星轮轮式结构，平地行驶时行星轮自转，遇到障碍物或楼梯时行星轮绕轮轴公转，通过改变电机转速来让轮椅车转向，使用了液压传动系统调节座椅的角度，通过双轴倾角传感器使座椅始终保持水平状态，让使用者一直保持安全状态。轮椅车的研究涉及到很多的学科，比如机械设计，电气专业，力学分析，计算机仿真技术等，本设计从机械设计的方面出发，大致研究了轮椅车的结构，本设计还有很大的内容没有一一写到，需要本人今后继续努力，知晓更多的知识，努力拓宽自己的视野，见识更多的学海世界。参考文献1苏和平，王人成爬楼梯轮椅的研究进展J中国康复医学杂志，2005，20(5)-366-3672项海筹，乌兰木齐，张济川手动爬楼梯轮椅J中国康复医学杂志，1994，9(2)：62-663项海筹，乌兰木奇，张济川手动爬楼梯轮椅J中国康复医学杂志，2008。(3)：2526张海洪，谈士力，龚振邦. 全方位越障机构的设计J.机械设计与制造工程，2000，29（3）：12 - 13.4H.G.Rau,Personal mobility vehicle,U.S.Patent2003/0121705,Jul.3,2003.5J.M.Pagett,Invalidswheelchairandlikeconveyances,U.S.Patent4564080,Jan.14,1986.6G. Bozzini, L. Bruzzone, R. Oderio, G. Quaglia, R. Razolli, Design