两轮式爬楼梯电动轮椅设计

两轮式爬楼梯电动轮椅设计摘要轮椅是老年人和残疾人生活中非常重要的工具。随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯却使轮椅受到很大限制。国内外发明了多种星型轮式爬楼梯轮椅，美国发明家发明的一种能自动调节重心的两轮组式轮椅-IBOT，这个轮椅不仅是目前该领域中性能最高的产品，也是今后轮椅发展的方向。通过借鉴 IBOT 4000 的爬楼梯方式的研究，本文在普通轮椅的基础上安装了电机，使轮椅能调节速度和转弯，还安装了爬楼装置、驱动装置以及控制系统，设计了一种简单的爬楼梯电动轮椅。本设计能很好的解决楼梯或路障对老年人和残疾人生活造成的不便，提高行动自由度，重新更好的融入社会。关键词：轮椅，控制系统，两轮式，机械系统I两轮式爬楼梯电动轮椅设计AbstractWheel-chair is an important tool for the elderly and the disabled. With the increased of barrier-free facilities, wheelchair users enlarged gradually the scope of activities, but staircase limited the wheelchair using .Inventors invented a variety of star-wheel stair climbing wheelchair at home and abroad, the US inventor invented a wheelchair _IBOT which can automatically adjust the focus of two rounds of group-type . The IBOT 4000 not only the realm neuter genders tallest product of ability currently, but also will develop from now on of direction. Through draw lessons from IBOT 4000 of climb the research of stairs method, this text installed electrical engineering on the foundation of common wheel chair, which made the wheel chair able to regulate speed and turn. Installed to climb building device and drive to equip and control system, designed a kind to in brief climb the stairs dynamoelectric wheel chair. This design made a good solution to stairs or roadblocks which bring of inconvenience for the disabled, helping them enhance the freedom of action and make better to integrate into the community.Key words：Wheelchair, control system, two-wheeled type, mechanical structureII两轮式爬楼梯电动轮椅设计目录第一章 前言11.1 研究背景- 1 -1.2 研究意义21.3 国内外爬楼梯轮椅的优缺点及发展趋势21.4 研究的主要问题及解决的主要问题71.5 本章小结8第二章 总体设计92.1 概述92.2 总体结构设计102.3 本章小结15第三章 机械结构设计163.1 两轮式爬楼梯电动轮椅结构组成163.2 两轮式爬楼梯电动轮椅功率计算163.3 平地行走的机械结构183.4 爬楼梯装置的机械结构253.5 两轮式爬楼梯电动轮椅装配图283.6 本章小结29第四章 重要部件的校核304.1 从动轴的校核计算304.2 键的校核364.3 轴承的校核364.4 本章小结38第五章 电气控制设计395.1 两轮式爬楼梯电动轮椅电机选型395.2 电池选择405.3 控制系统设计405.4 本章小结49两轮式爬楼梯电动轮椅设计第六章 结论与展望506.1 结论506.2 展望506.3 本章小结50第七章 技术经济分析517.1 市场前景分析517.2 技术经济效益分析517.3 社会效益分析527.4 本章小结52参考文献53致 谢55附 录56两轮式爬楼梯电动轮椅设计第一章前言1.1 研究背景智能轮椅的相关研究开始于 1986 年。经过 20 多年的研究，世界各国的研究者相继开发了多种智能轮椅平台。但是目前的智能轮椅基本上采用与移动机器人相同的技术方案，因而成本很高，难以进入普通家庭1。随着社会的不断发展，楼梯的出现是人类建筑史上一个重要的成就，它不仅缩小了房屋的建筑面积、利用了有限的生存空间，而且为进出高层建筑物提供了方便的通道。尤其是在人口量日益增长、经济飞速发展的现代化社会中，为了提高人均住房面积，改善人们的生活质量，高楼别墅不断涌现，然而楼梯在发挥优势的同时，它也对老年人、肢体残障人士出行带来了很多不便，对他们的行动造成了障碍，影响了他们与外界的沟通和交流。这个问题随着老年人和残疾人数量的增多显得日益突出。一方面，人口老龄化问题越来越严重。联合国经济和社会事务部发表的2007年界经济和社会调查报告指出:“由于人口出生率下降和寿命增长，全球大多数国家迅速老龄化，从 2005 年到 2050 年，世界人口增加的一半将为 60 岁以上的老年人，岁以上人口将从 9000 万增加到 4 亿。”我国也己经步入了老龄化社会，目前我国 60 及以上的老年人己达 1.44 亿，预计到 2050 年老龄人口将超过 4 亿，占社会总人口的 3 左右。另一方面，残疾人的数量也在大幅增加。据联合国统计，全球残疾人占世界总人的 10%。截至 2006 年，我国第二次残疾人抽样调查显示，全国各类残疾人总数己达 82 万人，占全国总人口的 6.34%，较 1987 年增加了 2132 万人。值得注意的是，由于工和交通事故、体育运动伤和自然灾害等原因造成的肢体残障者的数量大幅上升，约占有残疾人数量的 30%。在 2008 年“5.12”地震中全国受伤人数高达37 万多，这些数都表明了残疾人数量的显著增大。老年人和残疾人比例的显著增加给经济、社会的发展都带来了很大的影响，医疗护理、社会服务等各方面需求的压力也越来越大。为关心老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，减轻医疗护理事业的压力，各式各样的助老、助残运动装置也应运而生25。- 1 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计1.2 研究意义目前，大多数年老体弱者及肢体伤残者都选择轮椅作为他们的代步工具，尤其是随着无障碍设施的增多，轮椅的使用范围越来越广。轮椅也由手动轮椅、电动轮椅趋向智能轮椅的方向发展，但是它们一般仅适合在平地上使用，很少有具备爬楼和翻越路障的能力，楼梯和路障使轮椅的使用受到了很大的限制，而国内城市以多层公寓式楼房居多，尤其是在中小城市中，电梯的使用还没有普及到所有的居民住宅，这也给轮椅用户造成不便2。为了给老年人和残疾人提供性能优越的代步工具，解决楼梯或路障对他们生活造成的不便，帮助他们提高行动自由度，重新融入社会3，研究轮椅已成为现代社会最为重要的事情。轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的最优代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，楼梯却使轮椅受到很大限制，这促使人们迫切的研究轮椅。连续型爬楼梯轮椅工作效率高，爬楼梯的速度较快；间歇型的爬楼梯轮椅因两套支撑装置交替支撑，爬楼梯的速度慢一些；星形轮式爬楼梯轮椅的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高；履带型爬楼梯轮椅的技术比较成熟，传动效率比较高，行走重心波动很小，运动非常平稳，但是运动不够灵活，对楼梯有一定的损坏，这限制了其在日常生活中的推广应用45。国内外尚没有体积小巧、操作简单、价格低廉，适用于居民楼梯和广大残疾人及老年人的爬楼梯轮椅。尽管IBOT4000 这种多功能高智能的轮椅是发展方向，我国“863”等国家计划也支持一些单位研发了具有视觉、声音及语音控制等功能的智能轮椅6，但是从我国经济发展水平和需求人群的经济条件来看，研究一种价格适宜、小巧轻便的多功能爬楼梯装置才具有重大的意义和实用价值。1.3 国内外爬楼梯轮椅的优缺点及发展现状1.3.1 国内外爬楼梯轮椅的优缺点智能轮椅是智能型电动轮椅的简称。智能轮椅的种类很多，目前尚没有一个统一的或权威性的定义。高性能智能轮椅通常同时具有电动轮椅与智能机器人的多种功能。作为一种典型的服务机器人，智能轮椅不但可以为老年人和残疾人提供一种良好的代步工具，而且可以具有自主导航、自主避障、人机对话等服务机器人所具- 2 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计有的各种功能，因而可以帮助残疾人和老年人提高自己的生活自理能力和工作能力，使他们更好地融入社会。智能轮椅是以人为中心的系统，因此其控制系统的设计并不是自主性越高越好，而是应该考虑到使用者的具体需要，不但要考虑到使用者对各种功能的需要，而且需要考虑到使用者的经济负担能力。中国开展智能轮椅的研究较晚，但也根据自己的技术优势和特点，开发出了有特色的智能轮椅。轮椅平台包括中科院自动化所的多模态交互智能轮椅、采用嵌入式控制系统智能轮椅，上海交通大学的多功能智能轮椅，中科院深圳先进技术研究院基于头部动作的智能轮椅等等。国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是 1892 年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅7。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少8。下面对国外、国内各种类型装置的发展作简要介绍，并分析其各自优缺点。1履带式爬楼梯轮椅履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。英国 Baron mead 公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为 35，上下楼梯速度为每分钟 15-20 个台阶。法国 Top chair 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基础上，研究了一种代号为“Sakadankun”的双履带式的爬楼梯装置，即左右两侧各有两组履带相互连接在一起，解决了在水平状态与楼梯倾角切换时，座椅倾角过大而影响使用安全的问题，如图 1.1 所示。履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处：重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏，且平地使用时所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用912。- 3 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计（a）BARONMEAD（英国）（b）Topchair（法国）（c）Sakadankun（日本）图 1.1 履带式爬楼梯轮椅2轮组式爬楼梯轮椅轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。按照所使用的轮组的对数不同又可分为单轮组式和双轮组式。单轮组式是指装置中仅使用了一对轮组；而双轮组式是指在装置的前后各使用了一对轮组。每个轮组依照星形轮系的运动方式，各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。平地行走时，各小轮自转，而爬楼梯时，各小轮一起公转。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定；而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。美国著名发明家 Dean Kamen 发明的一种能自动调节重心的两轮组式轮椅IBOT3000。它有 6 个轮子，前面有一对实心脚轮，后面有两对行星结构的充气轮胎，通过两后轮交替翻转可以上下楼梯。IBOT3000 几乎能适用于所有楼梯，此外它也能在沙滩、斜坡和崎岖的路面上行驶，而且后轮可以直立行走，为使用者提供了更多方便之处，帮助他们能达到正常人的高度。它最大的优点就是在轮椅重心安装了陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号调整重心的位置，使轮椅能在不同状态下保持平衡。经过数十年的研究开发，它己经由 IBOT3000 发展到了 IBOT400O，功能也越来越强大，是目前该领域中性能最高的产品，它的售价在 3 万美元左右，相当于一辆中档桥车的价格，难以被普通使用者接受。- 4 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计我国在上世纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究，1987 年专利号为 86210653 的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。国内外发明了多种星型轮式爬楼梯轮椅，除了IBOT4000 外大多数都采用 3 个或者 3 个以上星型轮1316。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了IBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改进轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。东南大学机械学院设计的爬楼轮椅采用了四组星形轮，每三个一组，共十二个轮子，除能爬楼梯外还具有遥控的功能，如图 1.2 所示。轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。（a）两轮组式（b）三轮组式（c）四轮组式（d）双轮组式图 1.2 轮组式爬楼梯轮椅3步行式爬楼梯轮椅早期的爬楼梯轮椅一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将轮椅抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。- 5 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计日本早稻田大学理工学术院高西淳夫教授的研究室以及日本机器人开发风险企业 Tmsuk 联合开发的双足行走机器人“WL-16R”，它由两条机械腿支撑一个座椅构成，每条机械腿有 6 个自由度，可向前、后、侧面移动，座椅底部装有陀螺仪，每条腿上装有压力传感器，通过传感器采集信息，控制其实时调整姿态保持重心平稳。“WL-16R”两腿前后伸展距离最长为 1.02 米，左右最长 1.36 米，每条腿上下运动幅度最大 0.34 米，如图 1.3 所示。日本长崎大学机械工程系研究了一种高阶爬楼梯装置，它由一系列液压操作杆和前后两组星型轮构成，集步行式与轮组式设计理念于一体。装置通过星型轮的翻转上下楼梯，座椅底部的传感器检测装置的平衡情况，控制操作杆自动调节使装置在爬楼过程中始终位于稳定裕度内。在平地使用时，操作杆可以折叠于座椅底部，节省了使用空间。它的最大优点是爬楼幅度较高，甚至能自行上下货车。步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯，但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。此外，座椅距地面的高度较大，易给使用者造成心理恐惧，距离实际应用还有很大的距离17。图 1.3 步行式爬楼梯轮椅 WL-16R从以上不难看出，履带型爬楼梯轮椅的技术比较成熟，传动效率比较高，行走重心波动很小，运动非常平稳，但是运动不够灵活，对楼梯有一定的损坏，这限制了其在日常生活中的推广应用；轮组式爬楼梯轮椅的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高；步行式爬楼梯轮椅因两套支承装置交替支承，爬楼梯的速度一般较慢。- 6 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计国内外尚没有体积小巧、操作简单、价格低廉，适用于居民楼梯和广大残疾人及老年人的爬楼梯轮椅。尽管IBOT4000 这种多功能高智能的轮椅是发展方向，我国“863”等国家计划也支持一些单位研发了具有视觉、声音及语音控制等功能的智能轮椅，但是从我国经济发展水平和需求人群的经济条件来看，结构紧凑、小巧轻便，如IBOT4000 大小，功能单一的低价格爬楼梯轮椅，以及在现有轮椅上加装简单的辅助装置就可以爬楼梯的轮椅，将会比多功能高价格的智能轮椅更具有市场潜力和社会价值5。1.3.2 国内外爬楼梯轮椅的发展趋势综上所述，应用智能技术于智能轮椅取得了一定的成效，研制出了很多面向行动不便人群的辅助行走电动轮椅，功能多样化，基本上满足了行动不便人士要求，但也要看到智能轮椅还停留在实验室或是少数定做，并没有真正产业化，所以在研究上仍有许多空间。未来的研究将会向以下几个方向发展：1智能化智能轮椅要走向实际应用，必须综合应用智能技术，优化控制算法，增强自动规划和基于传感智能，如实现自然语言控制、视觉平滑控制、恶劣环境下自如行走等。也应结合一些新科技如计算机通讯、网络等技术开发适应远程通讯的需要。2人性化系统设计者应充分考虑行动不便者需求，从细微处出发，设计安全、舒适、合理的智能轮椅，如增加轮椅可以上升的功能，以便使用者和正常人对话；选择透气性好的坐垫；安装报警装置；使轮椅操作方式尽可能简单等。3模块化智能轮椅要批量生产，必须实现模块化，整个系统应由基本模块和各个功能模块构成，每个功能模块负责一种功能，用户可以根据需求选择，配置最合适的轮椅，同时模块化也能降低成本，提高性价比。随着人工智能、模式识别、图像处理、计算机技术和传感器技术的发展，智能轮椅的功能将更为完善、丰富，也将真正进入老年人和残障人士的生活8。1.4 研究的基本问题和解决的问题1.4.1 研究的基本问题- 7 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯却使轮椅受到很大限制。国内外发明了多种星型轮式爬楼梯轮椅，其中比较著名的是美国发明家发明的一种能自动调节重心的两轮组式轮椅IBOT，是目前该领域中性能最高的产品，也是今后轮椅发展的方向。而国内的爬楼梯装置在这方面的研究较少，通过对两轮组式爬楼装置机构的研究，设计一种简单的两轮式星型爬楼梯装置，从而将其应用于轮椅方面，解决轮椅爬楼越障的难题。1.4.2 解决的问题本题目“两轮式爬楼梯电动轮椅设计”，要求了解两轮式爬楼梯电动轮椅的结构，掌握其组成和工作方式，完成两轮式爬楼梯电动轮椅结构的设计。1.5 本章小结本章首先对轮椅这个不可缺少的代步工具进行了简单的背景介绍，然后说明了研究两轮式爬楼梯电动轮椅的重要意义，并且根据爬楼梯轮椅的发展现状和趋势分析了各类爬楼梯轮椅的优缺点。履带式爬楼梯装置对楼梯损坏太大，且体积大、质量重，不适于家居使用；步行式爬楼梯装置不仅体积庞大，缺乏灵活性且控制复杂，技术要求较高；其他附加的辅助装置虽然稳定性相对较好，然而由于其不能和轮椅融为一体，限制了它的使用范围。综合考虑以上这些因素，采用轮式结构的方案相对而言更加实际。- 8 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计第二章总体设计2.1 概述轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯却使轮椅受到很大限制。国内外发明了多种星型轮式爬楼梯轮椅，其中比较著名的是美国发明家发明的一种能自动调节重心的两轮组式轮椅IBOT，如图2.1所示，是目前该领域中性能最高的产品，也是今后轮椅发展的方向。图2.1 美国 IBOT轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。按照所使用的轮组的对数不同又可分为单轮组式和双轮组式。单轮组式是指装置中仅使用了一对轮组；而双轮组式是指在装置的前后各使用了一对轮组。每个轮组依照星形轮系的运动方式，各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。星型轮多的优点是轮椅爬楼梯时的稳定性好，缺点是体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用，这也是星型轮式爬楼梯轮椅尽管发明专利很多，真正实施和推广很少的主要原因。目前 IBOT4000 是星型轮机构爬楼梯轮椅中性能指标最高的产品，它结构非常紧凑、运动灵活、操作简便。而国内的爬楼梯装置在- 9 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计这方面的研究较少，考虑到我国的基本国情以及使用与开发条件的限制，通过借鉴IBOT4000 的爬楼梯方式的研究，设计一种简单的两轮组式星型爬楼梯装置，从而将其应用于轮椅方面，解决轮椅爬楼越障的难题。2.2 总体结构设计两轮式爬楼梯电动轮椅主要由以下四部分组成：车身、机械传动机构、执行电机及其驱动控制系统。车身包括座椅和支撑座椅的框架，机械传动机构主要由齿轮组成。装置底部安装两组车轮，前后各一组。前面一组是驱动轮，通过电机分别驱动左右两个轮子，来实现调节轮椅速度和轮椅转向问题。后面四个是爬楼辅助轮，通过后置电机独立驱动，完成翻转过程。两轮式爬楼梯电动轮椅设计简图如图 2.2 所示图 2.2 两轮式爬楼梯电动轮椅设计简图多功能爬楼梯装置的外形参数如下：总体长度：1020 一 1090 mm；总体宽度：550 一 600 mm；平地驱动轮直径：350 mm；爬楼辅助轮直径：290 mm。2.2.1 平地行走结构设计- 10 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计装置在平地无障碍情况下运动时类似于普通的电动轮椅。传统的电动轮椅普遍采用后轮驱动的方式，即前轮采用万向轮，后轮作为驱动轮，前万向轮根据后驱动轮的行进方向及时自动调整以使其与后驱动轮保持一致。这种设计方法存在一个不足之处；由于此时前轮肩负转向的功能，驱动力作用于后轮，在改变车体的运动状态时，如由静止到启动，或者行进方向发生变化的情况下，前万向轮不能立即切换方向，必须有一段自我调节的时间，这样会造成车头摇摆、晃动，影响使用的安全性。本装置采用前轮驱动的设计方法，即驱动力作用于前轮，后轮为从动轮，在前轮的作用下被动前进。由此，前轮既是驱动轮又是转向轮，转向时的行进方向便容易控制，转向性能得到改善，不容易出现过度转向的现象，使用安全性得到了提高2，18。前驱动轮通过两个电机分别驱动，经过蜗轮蜗杆减速器减速，实现轮子运行。通过调节两个电机的转速，来实现轮椅的调速和转向，使装置转向灵活，易于控制。当两个电机的转速相同时，轮椅直行；由于轮椅的平地运行速度不大，本文采用原地转弯方式，即左转弯的时候，左电机停止，右电机保持转速不变，从而实现左转弯；轮椅右转，反之亦然。它的使用简化了机械结构，并且降低了系统的重量和成本，如图 2.3 所示。图 2.3 前驱动轮示意图- 11 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计2.2.2 爬楼梯结构设计1爬楼结构两轮式爬楼梯电动轮椅的爬楼装置由四个辅助轮翻转实现。四个爬楼辅助轮的设计采用双联星形轮机构，装置的操作开关在扶手上，上面装有控制开关，它用于切换主电源，完成平地与爬楼功能的转换，并实现平地运行时的速度与方向控制。星形轮式爬楼梯电动轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在“Y”形或“”字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转，而在爬楼梯时各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。本文轮椅采用了双联星形轮机构，设计了 2K-H 型行星轮系为轮椅爬楼梯的翻转机构。爬楼辅助轮尺寸相同，同侧的两个后轮轴是相联的，左右两侧也是相连的。四个爬楼辅助轮的连接示意图和行星轮系工作原理如图 2.4 所示，通过电机直接相连、外啮合式定轴轮系、内啮合式定轴轮系和行星轮系 4 个结构形式的对比，选择设计了 2K-H型行星轮系。电机和太阳齿轮 1 相连，通过两者转速的匹配，使行星轮 2 （2）和转臂H按一定的角速度围绕中心太阳轮 1 做公转运动，转臂和星形轮两轴之间的连杆采用固定连结构，从而使两轴发生翻转19。1、中心齿轮；2（2）、行星齿轮；3、中心内齿轮；H、转臂；M、专用电动机图 2.4 电动爬楼梯轮椅翻转原理图- 12 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计2爬楼过程分析爬楼运动时，前轮离开地面，仅由四个爬楼辅助轮支撑着地。以上楼梯方向为例，装置在台阶上运动时，在驱动轴的作用下，所有后轮由中轴上的电动机驱动，随中轴进行公转，两对轮交替进行翻爬楼梯。在爬楼过程中，每个时刻都至少有两个车轮着地，且受力点对称。图 2.5 为两轮式爬楼梯电动轮椅的爬楼过程图，本文设计的爬楼装置上楼运动过程与 IBOT4000 一样。正常行驶情况，由前面两个驱动轮带动四个爬楼辅助轮运行，四个爬楼辅助轮并列成为一排，此时后置电机不工作。在遇到楼梯的时候，使用者按操作手柄上的切换按钮，使平地行走电机停止同时爬楼电机启动，通过系杆带动车轮旋转，随中轴进行公转，两对轮交替进行翻爬。图 2.5 装置上楼运动过程3爬楼梯性能分析目前，在国际上处于领先地位的爬楼梯装置是美国的 IBOT，原理是基于传统的星形轮系的运动方式，两个车轮既可以绕各自轴线自转，也可以随着系杆一起绕中心轴公转。IBOT 爬楼辅助轮的直径是 301mm，本文设计的爬楼辅助轮的直径为290mm，图 2.6 为运动轨迹图，轨迹半径约等于车轮的半径，爬楼速度较快，星形轮每公转 1 周能翻越 2 个台阶。- 13 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计图 2.6 运动轨迹图由于采用与 IBOT4000 类似的爬楼梯原理，因此在爬楼梯时也像 IBOT4000 那样，但是需要有楼梯扶手或者一个助手辅助，其主要作用是提供一个辅助支撑，使得在爬楼梯过程中能够安全地调整位置和重心。由于重心较低，轮子较大，所以助手需要提供的辅助支撑力比较小。尽管轮椅在爬楼梯时需要提供辅助支撑，但是这却使得轮椅结构更紧凑，而且也不存在过去设计的不需要辅助支撑的自主爬楼梯轮椅、车轮和台阶之间定位困难、重心不好控制、导致安全性不高、难以推广使用的问题，本文设计的双联星形轮机构爬楼梯轮椅结构简单，体积小巧，实用性强。为使这款装置能满足普通居民的使用需求，需要了解我国普通住宅的楼梯尺寸。根据中华人民共和国国家标准住宅设计规范（GB5009 吞一 1999）的规定：“住宅楼梯梯段净宽不应小于 1.10 米，6 层及 6 层以下住宅，一边设有栏杆的梯段净宽不应小于 1 米（楼梯梯段净宽系指墙面至扶手中心之间的水平距离）。住宅楼梯踏步宽度不应小于 260mm，踏步高度不大于 175mm，坡度为 33.940，为接近舒适性标准”。普通住宅的层高一般为 2.80m，按一级台阶高度是 145mm计算，共19 个台阶2。装置与车轮尺寸的设置以上述普通住宅楼梯尺寸的要求为基准。装置的总体宽度应小于梯段净宽并留有余量:爬楼辅助轮的直径应不大于楼梯踏步宽度，从而确保楼梯有足够的空间放置此装置，而装置运动时所能达到的最高点（约为车轮半径与驱动轴之间距离的和）应大于踏步的高度。本文设计的装置总体宽度是550-600mm，爬楼辅助轮的直径为 290mm。- 14 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计2.3 本章小结本章首先对两轮式爬楼梯电动轮椅进行了简单的概述，给出了两轮式爬楼梯电动轮椅的总体结构设计方案，总体设计方案里分别介绍了平地行走结构和爬楼梯结构，并且重点介绍了爬楼部分的组成与构造，还对爬楼的机理和过程进行了详细分析。- 15 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计第三章机械结构设计3.1 两轮式爬楼梯电动轮椅结构组成结构主要包括车架、座椅、平地行走装置、爬楼装置四部分。这些是轮椅的重要支撑体，相当于人的躯体、手和脚。下面分别介绍四部分的结构和材料构成。车架：车架是轮椅的支撑体，主要由30mm 的圆钢管焊接而成，底下安装有六个车轮，两个前轮为350mm，四个爬楼梯辅助轮为290mm。在距地面 850mm 处有一扶手，用来推动爬楼车时方便扶手。座椅：座椅是支撑人的构件，其材料为高强度工程材料制成。平地行走装置：前驱动轮通过两个电机分别驱动，经过蜗轮蜗杆减速器减速，实现轮子运行。通过调节两个电机的转速，来实现轮椅的调速和转向，使装置转向灵活，易于控制。当两个电机的转速相同时，轮椅直行；由于轮椅的平地运行速度不大，本文采用原地转弯方式，即左转弯的时候，左电机停止，右电机保持转速不变，从而实现左转弯；轮椅右转，反之亦然。它的使用简化了机械结构，并且降低了系统的重量和成本。减速器主要是用铝合金材质，小巧轻便。爬楼装置：电机直接与设计的 2K-H 型行星轮系相连。电机和太阳齿轮相连，通过两者转速的匹配，使行星轮和转臂按一定的角速度围绕中心太阳轮做公转运动，转臂和星形轮之间的系杆采用固定连接结构，从而使两轴发生翻转。3.2 两轮式爬楼梯电动轮椅功率计算根据装置平地和爬楼两种不同的运动情形，分别计算两种驱动电机所需的功率。轮椅本身的质量大约为 50kg，承载人员的最大体重平均为 80kg，因此车体和人员的总质量大约为 130kg。该总质量由两个前驱动轮和四个后辅助爬楼梯轮共同分担，设定前两个驱动轮承受总质量的 60%，四个辅助爬楼梯轮承受总质量的 40%，取轮胎与地面之间的摩擦系数为0.712。3.2.1 平地所需功率前驱动轮在电机驱动下，克服与地面之间的摩擦力F1旋转前进，同时带动四个爬楼辅助轮旋转前进，爬楼辅助轮克服与地面之间也存在一定的摩擦力F2。装置在平地上能够正常行驶的条件是：F1 2 F2。- 16 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计前驱动轮承受的正压力：N1= 0. 5(G车+G人) 60 382.2 N 后辅助轮承受的正压力：N2= 0.25(G车+G人) 40 127.4 N 前驱动轮承受的水平摩擦力：F1= N1= 271.4 N 后辅助轮承受的水平摩擦力：F2= N2= 90.5 N F12F2，满足正常行驶条件。前驱动轮的直径D1为 350 ，后辅助轮的直径D2为 290 。根据装置运行速度和车轮直径，可计算得各参数如下。平地运动最大速度为：V1= 1.67 m/s前驱动轮所需最大转速为：n1= 60V1/ D1= 91 r/min前驱动轮最大角速度为：1 2 n1/60= 9.52 rad/s前驱动轮最大切向加速度为：a= F1/m= 6.96 m/s2前驱动轮最大角加速度为：= a/(D1/2)= 39.77 rad/s2前驱动轮转动惯量为：J= m1r2/2= m1D12/8= 0.0459 kgm2( 取驱动轮质量 m1=3kg )前驱动轮所需的转矩为：M1 J= 1.825 kgm= 17.89 Nm前驱动轮所需的功率为：P1=M11/= 340.6 W（由于采用蜗轮蜗杆减速器所以设电机的机械效率50）3.2.2 爬楼梯所需功率装置在爬楼时需要克服车体和人的重力做功，车体和人组成的整个系统的重心位于整车的后半部分，估算重力作用线与驱动轴之间的垂直距离 L100 处爬楼梯运动最大速度为：V2= 0.2 m/s所需克服阻力矩为：M2= GL=(50+80)9.80.1= 127.4 Nm爬楼最快转速：n2= 60V2/ D2= 13.18 r/min驱动轮最大角速度为：2 2 n2/60= 1.38 rad/s- 17 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计爬楼时驱动电机最大所需功率为：P2= M22/= 195.3 W（设电机的机械效率90)3.3 平地行走的机械结构3.3.1 减速器选型通常选用的电机转速非常大，尤其是直流电机的转速通常都在几千转以上，而通过上面公式求得，平地行走时所需要的最大转速是 91 r/min，所以本文采用蜗轮蜗杆减速器，降低电机的转速，来带动两个前驱动轮行走。通过简单的查找，RV系列蜗轮蜗杆减速器，材质为铝合金，而且小巧轻便，非常适合作为两轮式爬楼梯电动轮椅的减速器。上节计算了驱动轮所需的电机功率，本文初步选定了一款功率为 370 W，转速为 1400 r/min 的 RV 蜗轮蜗杆减速器。1求出需要蜗轮蜗杆减速器的减速比：前驱动轮的直径D1：D1=350 mm前驱动轮的周长S：S= D1= 3503.14= 1099 mm前驱动轮平地行走时的速度V1：V1=1.67 m/s前驱动轮每秒钟转的圈数 K：K=1.671.099= 1.52前驱动轮每分钟的最大转速n1：n1=601.52= 91.2 r/min前驱动轮所需电机的转速 n：n=1400 r/min前驱动轮所需的减速比i：i=n/n1=15.352减速器选定根据上面的计算本文选用的减速器为 RV 系列铝合金蜗轮蜗杆减速器型号为 RV40-15-0.37FA-DZ，如图 3.1、3.2 所示。RV 表示微型蜗轮蜗杆减速器 40 表示中心距FA 表示孔输入带输入法兰盘 DZ1 表示单轴输出为左方向- 18 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计DZ2 表示单轴输出为右方向RV40 的减速器减速比 i 为 15减速器配带电机的功率 P 为 0.37 KW，n 为 1400 r/min减速器输出的转速为 n为 93.3 r/min减速器输出的转矩 M为 28 Nm满足平地行走时所需的要求，因此可以选择此型号3减速器外形如图 3.1，3.2 所示图 3.1 RV40-15-0.37-DZ1 单轴输出为右方向示意图图 3.2 RV40-15-0.37-DZ2 单轴输出为左方向示意图4减速器外型尺寸如图 3.3 所示- 19 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计图 3.3 RV40-15-0.37-DZ 外形尺寸图参数见表 3.1 所示：表3.1 减速器外型尺寸具体参数（单位mm）ABCD(H7)E(h8)FGHH1100121.570186043717538.5IL1MNOPQRC170785071.54087556.5605减速器输出轴尺寸如图 3.4 所示图 3.4 减速器输出轴尺寸图参数见表 3.2 所示 ：- 20 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计表3.2蜗轮输出轴具体参数（单位mm）d(h6)TT1L1ZZ1mb1t118404378128164M6620.56减速器图纸绘制根据所要求的尺寸用制图软件绘制的三视图如图 3.5 所示。图 3.5 减速器三视图绘制3.3.2 平地行走的轴设计1轴d1的计算驱动轴d计 c3 P / n =10.78 mm，根据机械设计手册选定c=110如有键槽，需将轴径增大 1.041.05，即d1d计（1.04-1.05）=11.2111.32 mm所以选取爬梯轴 d1 =12 mmL1 =39 mm，应比轱辘的宽度小点2轴d2 的计算h=(0.070.1)d1 =0.841.2 mmd2 = d1 +2h=15 mmL2 =50 mm- 21 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计3轴d3 的计算因为减速器蜗轮输出轴的直径为 18 mm所以d3 =18 mmL3 = 40mm4平地行走轴的示意图如图 3.6 所示图 3.6 驱动轴的示意图3.3.3 联轴器的选型减速器输出轴与轴之间需要联轴器的连接，保证驱动轮子转动，根据减速器输出轴的直径和输出扭矩选择联轴器。查席P196 表 9-21 选择联轴器型号为TL3 如图 3.7 所示。图 3.7 TL3 联轴器示意图- 22 -两轮式爬楼梯电动轮椅设计3.3.4 轴承及轴承盖的选型1轴承的选型与减速器输出轴连接的轴由于径向尺寸过长，所以在车架上竖起一个支架，安装一对轴承，起到支撑轴的作用，因为穿过支架的轴直径d2=15mm，所以选择轴承型号为 7202AC，d=15mm，D=35mm，B=11mm，如图 3.8 轴承示意图。图 3.8 轴承示意图2轴承盖的选型我们选用凸缘式轴承盖固定轴承一段，另一端用阶梯轴固定，图 3.9 轴承盖示意图，由轴承外径 D=35mm，可推算一下尺寸：d3=M4,4 个螺钉D0=D+2.5d3=45mmD1=D0+2.5d3=55mmD2=D-(12)=34mmD3=D-(1015)=25mme=1.2d3=4.8mm，e1e=4