爬楼梯轮椅-旋转式双轮电动轮椅设计

图纸和说明书,领取加Q 197216396 或 11970985摘 要本课题设计的目的是通过设计出一种能够在普通小区，公共场合爬楼梯的辅助机构。我们首先对国内外助残轮椅市场的现状做了简单的总结，最终结果显示现如今市面上的助残轮椅大部分价格昂贵，一般消费者不能承受。进而对比国内外的各种爬楼梯轮椅，取其优点，综合考虑，确立设计思想。本设计在传统电动轮椅基础上对其结构进行改变后，采用两个电机驱动平地行走机构和翻转轮系；通过一对电机驱动行星轮转动，并保持后侧2个轮的轮毂电机抱死，从而行星架转动带动车轮交替着地实现爬楼。姿态调整装置用于在上下楼梯时自动调整和控制轮椅的重心。设计功能的实现主要由平地行走、翻转轮系传动结构、位姿调整和驱动系统几部分组成。轮椅的整体形状与市场上普通的电动轮椅相似。平衡系统可以在电气控制时运用陀螺仪。关键词： 爬楼梯；机械设计；轮椅；行星轮Abstract The purpose of this design is to design a kind of auxiliary mechanism that can climb stairs in common areas, so as to ultimately design a kind of climbing wheelchair robot with reasonable prices, advanced performance, and economy. We first made a brief summary investigation of the domestic and foreign wheelchairs for the disabled. The final result shows that most of the disabled wheelchairs available in the market today are expensive and cannot be afforded by the average consumer. Then compare domestic and foreign wheelchairs for climbing stairs, take advantage of them, and consider comprehensively to establish design ideas.This design is based on the structure of the traditional electric wheelchair, two motors are used to drive the flat walking mechanism and the turning wheel train; the pair of motors drives the planet wheels to turn and keeps the two wheels of the rear wheel hub motor locked. As a result, the rotation of the planet carrier drives the wheels to alternately climb stairs. The posture adjustment device is used to automatically adjust the control center of gravity when the wheelchair goes up and down the stairs. The realization of the design function is mainly composed of several parts such as flat walking, turning wheel train transmission structure, posture adjustment and driving system.The overall shape of the wheelchair is similar to that of a general electric wheelchair on the market. The balance system can use a gyroscope during electrical control.Key words：Wheelchair, control system, two-wheeled type, mechanical structure 目 录引 言2第一章 绪论31.1 研究背景31.2 国内外研究现状41.2.1 履带式爬楼轮椅41.2.2 步进支撑式爬楼轮椅51.2.3 行星轮式爬楼轮椅61.3 国内研究现状71.4 设计意义71.5 设计内容8第二章 总体方案82.1 设计要求82.2 总体布局92.3 本章小结9第三章 结构设计103.1 轮椅总体尺寸103.2 椅背、椅身设计113.2.1尺寸设计113.3 位姿调整机构123.4 车轮结构133.4.1 车轮尺寸133.5 翻转爬楼机构133.5.1爬楼机构组成133.5.2翻转电机的选取143.5.3 减速器选型153.5.4翻转机构机构的轴设计153.5.5翻转齿轮的设计173.5.6齿轮材料的选取173.6平地行走机构183.6.1总体设计183.6.2功率计算183.6.3电动机的选取203.6.4 减速器选型213.6.5平地行走机构的轴设计213.6.6定轴轮系齿轮设计223.6.7末端齿轮设计233.7 控制手柄233.7.1功能介绍233.7.2基本原理243.8 本章小结24第四章 控制系统254.1 硬件选用254.1.1单片机254.2控制系统设计274.2.1概述274.2.2流程图设计284.3 本章小结28第五章 总结27参考文献28致谢29引 言本次设计的主要目的是开发出一款新型的电动爬楼轮椅，能帮助残疾者和老年人在不依靠他人帮助的情况下，就能独自完成上下楼梯。这款智能轮椅的功能齐全，在日常生活中可以做普通电动轮椅车使用，爬楼时则可以上下楼梯。另外，针对中国的实际情况，要求它的价格能够能被中国市场接受。我国对爬楼轮椅的研究以苏和平教授发明的爬楼轮椅较为出名。前轮作为驱动轮，后轮用于翻转。这个方案将前面的万向轮用驱动轮代替，增加了轮椅车的稳定性，实现了安全快速地转弯。该机构的缺点是：由于左右后轮相连就会导致转弯不方便，不适合普通住宅室内的使用。还有其他学者研究出四行星轮爬楼轮椅，但是其体积很大以至于使用上受到很多限制。 因此 设计一种活动灵活且使用安全的智能爬楼轮椅，很有现实意义。第一章 绪论1.1 研究背景据统计，2015年中国老年人总数达到2.22亿，占中国总人口的五分之一。 预计到2020年，中国的老年人数量将继续增长，将会达到2.5亿；2025年中国老年人口将达到3亿高峰，中国将成为一个完全超龄的国家，中国的残疾人数量也将达到1亿。些老年人口和残疾人在社会上处于劣势，需要一款适合各种场合的轮椅，方便他们能不依靠他人而独自出行。普通轮椅基本上由轮椅体，越障轮和制动装置几部分构成。现在市场上比较流行的电动轮椅则是在其基础上，加上可移动可充电电池，动力驱动、智能电子控制系统等部件，能实现智能化人机互动等多种功能的新型智能轮椅。传统的轮椅缺少动力源，给老年人和残疾人带来很大的步行障碍，新型智能爬楼轮椅的设计变得尤为紧迫。本设计对轮组式爬楼梯轮椅机构传动系统进行了设计和计算，实现轮椅的翻转运动，爬楼梯的动作，并可以转弯。在我国，很多人居住的仍然是普通的楼房，而低于6层的楼房一般不会安装电梯，这使得行动不便的人们的出行极为不便。虽然普通的轮椅解决了一些人的生活出行问题，但是当有台阶时，必须得有亲人朋友在身边，需要他们帮忙抬着乘坐者上去。因此，因此，研究可以上下楼梯的智能轮椅变得极为重要。1.2 国内外研究现状国外早在1892年就已经开始了对于爬楼梯轮椅的研究。通过查阅资料，目前的爬楼轮椅按其传动方式可分为履带式、阶梯式和轮式三种。1.2.1 履带式爬楼轮椅履带机构的爬楼轮椅，在市场上的研究和应用已经比较成功了，其原理类似于坦克，技术也比较完善。比如在战场和特殊场合的防暴机器人、发生重大公共突发事件时的抢险机器人，还有发射升空的探月机器人上都使用过履带轮。履带式机构的优点如下：很宽的履带使其越障能力强，能在不好的地面上平稳地行走，适应能力强，攀爬和翻越沟洼的能力比轮式强；而且履带的摩擦力大，不容易空转打滑。走路时，履带式重心波动小，而且运动稳定性有较高水平。另一方面，履带式也一些不足。要使履带运行平稳且不打滑，那么设计就会增大自身的体积，相应地就会增大占地面积，这就造成了居民楼使用不便的情况；重量大、但是运动不够灵活；其次，轮椅在实际生活中平地行走的时间远超于爬楼时间，这样看来，履带式就没有轮组式实用，而且履带式运动缓慢、效率低，也是一大缺点；第三，履带式轮椅的运动不灵活，攀爬过程中产生了很大的压力，对楼梯造成了较大的破坏。 最后，履带式轮椅在平地上使用时的阻力相对较高，并且不能在平地上自由转动。 总之，这些问题使履带式轮椅无法在日常生活中得到广泛的应用。法国的Top Chair公司生产了一种新型的履带和轮组混合使用的履带式轮椅，如下图：平地行走时底部的车轮工作，而遇到特殊地形例如需要爬楼时，则转换为履带行走，这样乘坐者就能独自上下楼梯。但由于它的价格较高，因此并没有普及到普通家庭。图1-1 履带式爬楼轮椅1.2.2 步进支撑式爬楼轮椅查阅支撑式轮椅发现，早期的爬楼梯轮椅一般通过模仿人们爬上建筑物时的动作，两套支撑杆支撑。 在楼上时，先提起轮椅使其沿垂直方向移动; 然后将其水平向前移动以完成一次爬楼动作动作。这种机构的优点如下：机构爬楼幅度较大，使用范围广，能应用于不同尺寸的楼梯；但是它的动作非常缓慢，无法在崎岖的地面上快速行走，甚至在平坦路面上行走时的速度也不是很大；它具有复杂的机械结构，需要高度的控制性。，因此价格也十分昂贵，不能在大众中推广。 如图所示是日本高西惇夫教授发明的行走机器人。图1-2双足行走机器人1.2.3 行星轮式爬楼轮椅按使用轮的个数可分为两轮、三轮或者是四轮式结构；根据车轮组的对数可分为单轮和双轮类型。轮式结构在我们日常生活中应用十分广泛，例如一般的电动轮椅，或者普通的轮椅。普通的轮椅很容易在地面上行走，但在恶劣的路况下行走并不容易。美国著名发明家迪恩卡门发明了一种新型轮椅一iBOT。它有很多独特的能力，特殊的“金鸡独立”行走方式，以及上下楼梯能力。iBOT轮椅安装在前面的万向轮可以朝着任意方向行走；两对行星轮组结构的轮胎位于万向轮后侧，行星轮组不断翻转就能可以上下楼梯了。IBOT能够在平地、斜坡、沙滩、楼梯、等各种环境的路面上行走。而且后轮在陀螺仪的作用下可以保持平衡并且直立行走。iBOT运动方式有3种，一是平地行走，此时车轮全部着地，驱动力强，攀爬能力好。二是直立方式，金鸡独立行走，此时只有最后一对车轮着地，轮椅能够前进后退，转弯。陀螺仪使人与轮椅的重心一直保持在一定位置，即使在不同状态，整个车身也能保持平衡。第三种运动方式就是爬楼梯，前面的实心万向小轮离地，后面两组车轮绕中轴交替爬楼。iBOT和其他电动轮椅相同的地方是它也需要电源，在轮椅座椅下可以放两块电池，提供轮椅行的动力，适合在公共场合使用，但是由于采用了复杂的控制系统和多个传感器，所以价格也是比较贵，因此在2009年已经停产。图1-3 新型轮式爬楼轮椅1.3 国内研究现状 我国对爬楼轮椅的研究较晚，其中苏和平教授发明的爬楼轮椅较为出名。前轮作为驱动轮，通过改变前轮的转速获得不同的速度来实现转弯，电机转速相同时轮椅走直线，后轮的翻转由后轮电机控制。这个方案将前面的万向轮用驱动轮代替，增加了轮椅车的稳定性，实现了安全快速地转弯。该机构的缺点是：由于左右后轮相连就会导致转弯不方便，不适合普通住宅室内的使用。 另一种设计方案如图5所示：前后两套四个行星轮，电机控制前轮实现转弯，后轮为主动轮实现行走。这个方案结构简单、质量较轻。但是由于结构简单而导致了轮椅导致承重能力差，电机驱动力不足会使爬楼运动十分困难。图1-4 国内轮组式轮椅1.4 设计意义本次设计的主要目的是开发出一款新型的电动爬楼轮椅，能帮助残疾者和老年人在不依靠他人帮助的情况下，就能独自完成上下楼梯。这种智能轮椅的功能是它可以在日常生活中用作普通的电动轮椅，也可以上下楼梯。 另外，根据中国的现实情况，要求其价格能够被中国广大购买者接受。本课题的重点是发明一台轮式上下楼梯轮椅，并确保在使用过程中的安全性1.5 设计内容本课题对旋转式双轮轮椅的爬楼机构进行设计与计算，以较低的成本实现旋转式双轮轮椅的传动机构设计，传感器设计和驱动控制系统设计等。在传统的电动轮椅基础上自主设计一种新的旋转式轮椅，根据机械原理知识、CAD，CATIA绘图知识对设计的产品进行理论分析及计算，实现以下功能：（1） 它可以在日常生活中用作普通的电动轮椅 （2） 在没有他人帮助情况下，能够上下楼梯。 （3） 在上下楼梯、攀爬斜坡时，位姿调整机构能够调节重心，使其保持水平。1.6 本章小结 通过对国内外研究资料的查找，了解设计意义，明确设计内容，进而对研究有一定整体性概念，第二章 总体方案2.1 设计要求对于行动不便的人来说，轮椅是不可或缺的移动代步工具，但在攀爬建筑物时，几乎所有类型的轮椅都在不同程度上受到限制。在国内外的许多改良轮椅专利发明中，最著名的是迪恩发明的两轮组式IBOT轮椅，它的平衡系统能够自动调节重心，并且有紧凑的结构，是今后智能轮椅发展的主流趋势。但是其高昂的价格让它的真正受益者并不多，并且由于销量不佳而停产。多轮爬楼轮椅具有运动平稳的特点，可以灵活的运动，但是相对来说因为多轮轮椅的体积较大，因此在普通居民楼上的推广使用难度很大，这就是为什么国内外有很多与爬楼轮椅相关的发明专利，但是很少能真正大面积推广到生活中的主要原因。因此我们需要设计的旋转式双轮轮椅，需要满足以下几点：（1） 价格能让市场接受，并且性能安全可靠。（2） 体积小，可以在大多数场合下应用。（3） 既能作为普通轮椅使用，也可以爬楼梯。2.2 总体布局本设计在传统电动轮椅基础上对其结构进行改变后，采用两个电机驱动平地行走机构和翻转轮系；翻转爬楼的功能可以由定轴行星轮系实现；上下楼时改变的重心可以通过位姿调整装置来自动调整控制重心。设计功能的实现主要由平地行走、翻转轮系传动结构、位姿调整和驱动系统几部分组成。轮椅主要由（1）椅架、（2）位姿调整机构、（3）车轮、（4）翻转机构、（5）行走机构等几部分组成。绘制三维模型图如图：图2-1 旋转式双轮轮椅组成轮椅车底部共安装六个车轮，前面两轮为两个万向轮，体积较小，起辅助支撑和控制方向的作用；后边则是四个爬楼主动轮，以行星轮的方式连接.轮椅在平地运动情况下与普通电动轮椅方式相似，通过调节两边电机转速不同进行转弯操作。后置的固定轴轮系统翻转以实现攀爬楼梯的功能。行星轮的特点就是既绕主轴公转，也可以独自旋转，这样，攀爬过程可以通过电机的驱动完成。位姿调整机构可以改变人的重心。2.3 本章小结本章明确了旋转式双轮轮椅的设计要求，并确定了总体布局和主要传动机构及方案，为之后的具体结构的设计计算做好基础准备。 第三章 结构设计3.1 轮椅总体尺寸查阅国家电动轮椅车的标准（GB12996-91），电动轮椅车可以分成室内型、室外型、道路型轮椅车三种类型，这三种类型中以道路型轮椅车为设计标准，取最大速度18km/h，制动性能3.5m，驻坡性能6度，纵、侧向静态稳定性分别为 25度、15度，动态上下坡稳定性分别为6度、5度，越障高度必须超过80mm，越沟宽度必须大于150mm，爬坡能力大于6度，最小回转半径为2.0m。最大充电行程应大于45公里。标准规定，电动轮椅车最大长度不能超过1600mm，总宽不得超过750mm，总高不能超过1150mm。由此标准设计总尺寸长x宽x高=740x655x1010mm，具体尺寸如图3-1所示。查阅资料以及市场上电动轮椅的各种参数。设轮椅整车总质量为50Kg，取乘坐者的最大质量为100Kg，设轮椅在普通路面的行驶速度为V1=1.5-2m/s，爬坡30斜坡的速度为V2 = 0.5m / s，上下楼梯转速为n = 0.50.75rad / s图3-1 轮椅尺寸总图3.2 椅背、椅身设计3.2.1尺寸设计（1） 座位宽度: 以乘坐者坐下时身体宽度为基础，在此之上加5cm。如果座位太窄则乘坐者乘坐时会感到不适;然而，太宽的座椅不容易乘坐，而且人们操纵轮椅也十分不方便的 （2）座位长度: 就座时臀部与小腿之间的水平距离，然后从测量结果中减去6.5厘米。 （3）座位高度: 测量乘客就座时从脚后跟到膝盖的距离。在此基础上增加4厘米，脚踏板的板面高度至少要离地5cm。如果座位高度过高，轮椅不能推动桌椅下的空间;如果座位太低，则乘坐者尾骨承受重量过大，感到不适。距离地面不到5厘米。 （4）坐垫：坐垫应放置在轮椅的座位上，让乘客感觉舒适，防止痔疮。常见的缓冲材料是泡沫橡胶垫或凝胶垫（5）扶手或臂托：座面上方一般为22.525cm3.3 位姿调整机构位姿调整机构可以改变人的重心。另外，可以根据轮椅的运动状态自动调节，安装在轮椅上的平衡系统把轮椅的姿态传输到控制器中，可对座椅部分的位置进行调节，使得座椅重心保持在一定位置，避免轮椅发生侧翻。当普通轮椅在斜坡上移动时，轮椅座椅表面和水平面将形成斜角，导致人们改变其焦点，并且乘客会感到不舒服。此时普通轮椅的缺点是轮椅的重心不能根据座椅表面的倾斜角度进行调整。如果倾斜角度过大，轮椅可能翻转。为了避免这种情况并提高用户的乘坐舒适性，在轮椅底部安装了一个平衡控制系统，以实时测量轮椅的倾斜角度，并驱动姿势调节机构来改变平衡椅的位置。姿态调节机构是四杆起重机臂架系统的原型，并进行了设计和修改连杆式组合臂架型变幅机构是可以通过臂架倾角变化，改变幅度的机构。具体设计如图所示。图3-2 位姿调整机构由平衡控制系统发出指令，电机驱动电动推杆1伸缩，杆件1绕铰链旋转时推动电动推杆2，电动推杆2推拉改变杆件2的位置，从而改变了座椅的位姿。电动推杆具有以下优点：（1）限位开关，伸缩杆件达到顶点和底部都会自动停止，确保电机不会空烧。（2）任意位置可停止，自带带机锁 （3）行程范围广，10-1200mm可选3.4 车轮结构3.4.1 车轮尺寸（1）轮胎尺寸：住宅设计规范规定，单阶梯段净宽应超过110m；，一边安装有栏杆的且不超过六层的住宅单个楼梯台阶段净宽应超过1m；单阶楼梯宽度应超过0.28m，踏步高度不应超过0175m。房屋外面的地面与房屋内入口处的高度差应超过010m。综合为了使轮椅车的适用性更广，需要在最小踏步宽度的情况下进行爬楼操作，并借鉴国内其他电动轮椅的车径，因此在此取后轮直径为280mm。（2） 万向轮尺寸 :万向轮尺寸的直径系列有12、15、18、20cm，要想轻易地越过小型障碍，选择稍大写的尺寸更好。但是这样构造会让整个轮椅的体积变大，以至于轮椅行动不灵活；并且占用空间。综合整个结构考虑，取万向轮直径15cm。3.5 翻转爬楼机构3.5.1爬楼机构组成行星轮的特点就是既绕主轴公转，也可以独自旋转，从而通过电机的驱动方式来完成爬楼过程。翻转爬楼机构模型如图所示，主要由1轮胎， 2 、3、4、5、6五个行星轮，7、9大小翻转齿轮，10外轴,11输出轴，8翻转减速电机组成。翻转电机8通过翻转减速器带动翻转小齿轮7转动，传递到翻转大齿轮9，通过内轴10带动定轴轮系旋转，此时，行走机构锁死，各个行星轮相对静止，轮系绕内轴10中心公转从而带动两个车轮交替翻转实现爬楼运动，实现翻转功能。图3-3 翻转机构组成图3.5.2翻转电机的选取轮椅爬楼时需要不断翻转行星轮系，所以就之能用轴承来实现轮椅输入值=轴和轮系之间的连接，但是这样的连接方式就会造成轮椅的重心不稳定，轮椅容易向前或向后倾斜翻转。而轮椅翻转爬楼的过程就是将重心不断改变的过程，因此，在翻转过程中保持重心锁所在位置的平衡非常重要，既不能在轮胎行星轮系翻转时失去平衡，也不能给电机带来太大的负担，通过查找国内外各种专利和资料后，综合考虑后将轮椅和乘坐者整体的重心放在距离后轮轴心150mm处。而爬楼梯时，乘坐的人需要靠到轮椅背上，乘坐者至少有一只手可以握住扶手。经计算，爬楼所需克服的阻力矩为M=GL(重心位于整体的后半部分，估算重力和驱动轴的垂直距离约为150mm）则M=（50+100）15010-3=22.5N/m， （3-1）V=r,得=V/r=0.5/0.14=3.57rad/s, （3-2）即翻转爬楼时轮椅轮胎的回转速度=3.57rad/s，则翻转爬楼时所需功率P2=M=29.43.57=105W。 （3-3）则爬楼时一侧所需的功率为P=105/2=52W，转矩：T= （3-4）爬楼装置的减速比i=13.5，所需的转速n2=13.18 r/min；要求电机的转速n=177.93 r/min，所以选择用转速小的直流电机做为驱动爬楼装置的电机。功率参数取250W3.5.3 减速器选型 1计算减速比： 平地行走时转速n1：n1=136.5r/min （3-5）翻转时最大速度： n2：n2=34.11r/min （3-6）所需的减速比i：i=n/n2=1400/34.11=41 （3-7）2减速器选定 ，根据上面的计算和减速器参数综合考虑，轮椅选用 RV系列蜗轮蜗杆减速器，材质是铝合金。型号为NMRV F 40 - 40 AS。减速器外形如图：图3-4蜗轮蜗杆减速器3.5.4翻转机构机构的轴设计1. 爬楼梯装置的动力系统尺寸 爬楼梯时，轮椅的行星轮系的外壳尺寸不应该与楼梯触碰，因此，需要估算它的外部轮廓尺寸。由图中关系得，外壳单侧不超过68mm就不会发生碰撞图 3-5 外部轮廓尺寸图2爬楼梯装置的从动轴计算 （1）轴径d1的计算 查阅机械设计手册，表15-3确定轴的材料为45号钢，选定驱动轴d计=1000.38=38mm （3-8）当d100时，若轴上有键槽，则应将轴径增大 0.050.07， 即d1d计（1.051.07）=39.9-40.66mm所以选取翻转爬楼的输出轴 d1 =40mmd2：取43mmd3：此处安装的是轴承，为了使轴承安装的更加方便，应使轴径略大于d2段轴径，选 7205AC系列轴承内径为d3=d7=45 mm d4：d4略大于d3可以使齿轮的安装更加方便，并且要小于轴承内圈。查王P119表 13-3， 取d4=d6=47mm，因为轴承是成对安装 d5：因为从动轴为齿轮轴，所以d5=da2=40 mm 3.5.5翻转齿轮的设计设大、小齿轮尺宽分别为b1=20mm b2=23mm。翻转机构的大、小传动齿轮分布设置为25，20，m2=2.5，螺旋角=12。按照上面公式求出它们的分度圆直径分别为37，25mm，中心距62mm，圆整为22mm。设大、小齿轮尺宽分别为b1=30mm b2=33mm3.5.6齿轮材料的选取 斜齿的运动平稳性比较好，而且承载能力比较大，为使轮椅结构更加紧凑，传功机构采用斜齿圆柱齿轮。 同时为了使轮椅的重量降低，缩小维护成本，通过查找资料，齿轮的材料选用PA46，PA46又称为聚己二酰丁二胺，这是一种具有较高的熔点和较快的结晶速度的新型的聚酰胺树脂，高达70%的结晶度，高达295的熔点，即使长期使用下，它的使用温度也仅有163，也十分安全。相比于其他的塑料如PPA、聚酯、PA6等材料，PA46在高温情况下的机械强度和耐磨性的优势更加明显。现在齿轮的制造在许多方面金属已经被工程塑料所代替。3.6平地行走机构3.6.1总体设计平地行走结构模型如图所示，主要由1轮胎， 2 、3、4、9、10五个过渡齿轮、6、7大小平地行走齿轮，5外轴,11输出轴，8行走减速电机组成。行走电机通过减速电机带动平地行走小齿轮7转动，传递到平地行走大齿轮6，然后平地行走大齿轮6通过外轴5带动过渡齿轮4转动，过渡齿轮4向两边传递到过渡齿轮2和过渡齿轮10，再通过输出轴11带动轮胎转动。此时所有过渡齿轮绕各自中心自转，完成轮椅普通行走功能。轮椅在平地运动情况下的转弯则是通过调节两边电机转速不同进行转弯操作。图3-6 平地行走机构3.6.2功率计算爬楼梯轮椅在水平、坡度、攀爬楼梯路面三种不同行驶的状态下对电机功率有不同要求，以此三种状态计算路面行驶功率。1.行走机构取轮椅和乘坐者的质量分别为50kg和100kg。行走机构可以分成在平地和斜坡的两种方式，现在分别计算两种状况下的功率，再选取电机。（1） 水平路面根据标准，在平坦的道路上运动时时，设轮椅的速度V=2m/s，平地路面行走时，轮椅车轮的受力分析如下图。图3-7平地行走受力分析由于平坦路面上运动时为四个轮胎共同承受乘坐者重力，因此FN1=FN2=G/4。轮胎选用的是实心橡胶材料轮胎，查阅机械设计手册可知，实心橡胶材料轮胎在优质路面上行驶时的动摩擦系数为=0.05。参考国家电动轮椅标准(GB/T 129962012)，参考大多轮椅的行驶参数，选定平地路面行驶时，轮椅的最小速度,根据转速公式可计算车轮转速为：r/min。 （3-9）摩擦力F1=F2=， （3-10）总功率， （3-11）由公式可得轮椅在水平路面上行走时需要的总功率则为:P1=Gv=0.05x100x7.2=360W。（2） 斜坡路面 轮椅在斜坡运动下，轮椅爬坡倾斜角度最大为30度，设这种情况下轮椅运动速度V=0.5m/s，在爬斜坡路面行走时，轮椅受力分析如下图： 图3-8爬斜坡受力分析求出爬坡时最大功率P2=Gvsin30=100x0.5x0.5=250W （3-12）根据转速公式车轮转速为：r/min根据不同状态下轮椅行走的过程，考虑到各个结构的传动效率，一个电机通过蜗轮蜗杆减速器链接轮胎，选取一个的直流电动机。3.6.3电动机的选取有刷和无刷两种类型的直流电机是永励直流电机按照是否安装机械换向系统区分的。无刷直流电机的优点如下：a) 传统的换向装置由电子换向来代替，性能得到优化、磨损小、故障少b) 空载情况下，和静态电机一样具有电流小的特点； c) 高效率 小体积。无刷直流电机的缺点如下：a) 在低启动速度下，电机会产生些许振动 ；b) 成本高价格高； 相反，无刷电机不具备的劣势在有刷电机上能充分得到体现：a) 速度的改变非常稳定，电机基本不会产生振动 b) 温度变化低； c) 价格低 考虑轮椅内部空间有限，采用减速电机，减速器和电机一体，节省空间3.6.4 减速器选型 1计算减速比： 平地行走时转速n1：n1=136.5r/min 配套电机的转速 n：n=1400 r/min所需的减速比i：i=n/n1=1400/136.5= 10.252减速器选定 根据翻转机构减速器的选用规则，平地机构仍旧采用RV系列的蜗轮蜗杆减速器。最终选定了功率，1400 r/min的RV系列的蜗杆减速器。3.6.5平地行走机构的轴设计1轴径d1的计算 查找机械设计手册，参考表15-3，选择45号钢作为轴的材料，选定 驱动轴d计=1051.38=136.5mm当d100时，若轴上有键槽，则应将轴径增大 0.050.07， 即d1d计（1.051.07）=143146mm所以选取平地行走轴 d1 =145mmL1 的宽度应比轱辘的宽度稍小2轴径d2 的计算 轴肩高度(2-3)R，查表15-2，得R=3，h=(2-3)R=6-9 mm d2 =151-154 mm 取d2=168mmL2 =50 mm 3.6.6定轴轮系齿轮设计行走机构和翻转机构采用由五个模数相同、齿数相同的齿轮构成的行星轮组进行传动，通过传动齿轮的固定支架连接。为了实现轮式轮椅连续上下楼梯的功能，同侧车轮的中心距应满足图中数学关系，在此以楼梯踏步宽度280mm，楼梯高度130mm为标准，进行轮椅的设计计算。如图所示，两个车轮之间的中心距L=308.7mm，圆整后取中心距为310mm。图3-9车轮中心距分析已知两个车轮的中心距，则可以确定连接两个车轮的传动齿轮（5个齿轮参数相同）的中心距。即a=310/4=77.5mm。即齿轮间中心距取77.5mm，齿轮直径d=77.5mm。选取斜圆柱齿轮，初步选取齿数，则由螺旋角公式=15 （3-13）分度圆直径d1=77.65mm， （3-14）取齿宽系数=0.4，则尺宽b=d1=30mm。 （3-15）3.6.7末端齿轮设计考虑到装置的结构应该紧凑，布置合理，行走装置的齿轮取大、小齿轮齿数为36、18，模数m=2，螺旋角，则根据计算得分度圆直径：,，中心距,圆整后选择整数值a=55mm。3.7 控制手柄3.7.1功能介绍电动轮椅遥控操纵控制杆是电动轮椅的人机接口，它的具体功能如下:(1) 准确输入乘坐者期望的速度及方向控制，输出驱动电机的转速信号和轮椅的转向控制信号;(2)遥控操纵控制杆能够显示电池电量、速度档位等基本信息;(3)电动轮椅的遥控操纵杆控制器有极高的灵敏度，以此能够快速实现速度控制和转向控制的功能;(4)实现操纵杆控制器、电机控制器、编程器之间信号的实时传递。3.7.2基本原理智能电动轮椅控制系统的主要应用原理有操控界面原理、平稳性能标准分析、差速控制原理等，以此实现对操控信号的处理，从而精准、快速地表现出使用者提出要求的左右、前进和后退的命令控制。图3-10 控制手柄3.8 本章小结 本章对旋转式双轮轮椅的机构确立了三维模型图的，具体的结构设计，和尺寸计算。详细介绍了旋转式双轮轮椅各部分机构的组成，工作原理，和理论计算。第四章 控制系统4.1 硬件选用4.1.1单片机单片机（MCU）是一种典型的嵌入式结构微型控制器；是具有使用VLSI技术的数据处理能力的集成电路芯片。一个不起眼的硅芯片上就已经形成了一个十分完整的微机控制系统。本次设计采用兼容性强、功耗较少且性能很高的AT89S52单片机，外形如图4-1，引脚图如4-2所示。图4-1 AT89S52 外形图 图4-2 AT89S52的引脚排列主要性能如下：1、兼容性较高，