行星轮式爬楼梯轮椅结构设计开题报告0331

本科生毕业设计（论文）开题报告学 院机械与电气工程学院专 业机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师题 目中老年电动轮椅创新设计选题的依据、意义、国内外现状及主要参考文献：选题的依据与意义：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。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；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。国内外对轮椅的研究结果有很多，但尚没有体积小巧、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，研究一种价格适宜、小巧轻便的多功能爬楼梯轮椅才具有重大的意义和实用价值，所以提出设计一种中老年适用创新轮椅成为可能。国内外现状：爬楼梯轮椅攀爬楼梯功能的实现主要源于其攀爬机构的设计。国外在此方面的研究工作起步较早并且相继投入了大量的人力和物力，先后取得了不少突破性的科研成果。其中美国、欧洲和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。国内在近些年内也取得了十分显著的成果，有关于爬楼梯轮椅的专利不断涌现。但由于受到各方面因素的限制，这些设计大多停留在研究层面，占有市场份额的成熟产品相对较少。总结目前国内外现有爬楼梯轮椅研究现状，按攀爬楼梯功能的实现原理，爬楼梯轮椅的主要类型为履带式、轮组式和步行式。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。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。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，转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。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。美国发明家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，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IBOT4000，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。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。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。3.步行式爬楼梯轮椅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。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。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俱，距离实际应用还有很大的距离。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且灵活，但是上下楼梯时平稳性不高；步行式爬楼梯轮椅因两套支撑装置交替支撑，爬楼梯的速度一般较慢。主要参考文献：1 王丽娟.行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯轮椅设计D.苏州:苏州大学,2016.2 戴本圣.多功能行星轮式爬楼梯轮椅的设计与研究D.徐州:中国矿业大学,2017.3 金强,吴昌林,刘香香.行星轮式爬楼梯轮椅的应用研究J.中国康复医学杂志,2014,26(1):65-68.4 吴昌林,金强,赵青.行星轮式爬楼梯轮椅的越障能力分析J.机械设计,2015,27(1):48-53.5 马永为.基于行星轮系的爬楼梯轮椅研究D.天津:天津大学,2015.研究内容：本课题研究的最终目的是设计出一款体积不大、操作较为简单、价格适中、且整个结构系统模块化，每个功能模块负责一种功能，可根据不同用户的选择适合于广大老弱病残人员使用的爬楼梯轮椅。本文主要完成上下楼梯机构研究与设计。首先，爬楼梯轮椅爬楼的实现机构是本设计的重点内容。设计一款合理、可靠的爬升机构对于爬楼梯轮椅的功能实现以及安全性提高方面至关重要。另外，在爬升机构设计过程中，爬楼梯轮椅需要的爬升扭矩较大，这是爬楼装置普遍面临的问题，这就需要选择一套功率较大的动力系统并设计一套效率较高的传动系统。其次，整个系统的结构模块化设计是不可或缺的一项，这要求各功能模块的功能实用又能与基础模块部分衔接合理。然后，爬楼梯轮椅在爬楼梯过程中的实用安全性也是其中的一个重要指标，影响爬楼梯轮椅安全性的一个重要因素就是其本身的重量。这就要求在结构设计过程中在构件满足强度刚度要求的前提下尽量减轻重量，使最终设计完成的产品既能满足使用要求，又要结构紧凑小巧。最后，为了验证方案可行性与设计的可靠性，需要对于所设计关键结构进行校核分析。 为了很好的完成以上研究任务本文做了以下安排：首先研究分析国内外研究现状，分析目前存在的爬楼梯轮椅的优缺点进行对比分析，取其优点祛其不足对爬楼梯轮椅的工作机理进行了设计。在这部分主要做的工作包括爬楼梯轮椅工作机构设计、爬楼驱动装置传动设计、以及爬楼梯电动轮椅动力系统的设计。然后做的工作是爬楼梯轮椅的运动学以及力学的建模分析，分析爬楼梯轮椅运动以及受力情况，为以后设计打下理论基础。其次就是结构设计部分，在这部分对于爬楼梯轮椅的整体结构以及细节部分进行了详细设计。最后一部分就是对爬楼梯轮椅的关键零部件进行校核分析，通过这部分可以验证爬楼梯轮椅的可行性以及获得真实的技术参数为以后控制设计打下基础。并且通过关键部件校核分析可以确定轮椅零部件工作的可靠性，同时也为优化设计提供了依据。研究方法、手段及步骤：1. 介绍爬楼轮椅的行业背景和发展趋势以及现存行星轮式爬楼轮椅的结构优缺点，提出改进方案。2. 根据已整理的文献，分析轮椅的爬楼过程，总结现有攀爬方案。3. 确定出行星轮式爬楼轮椅装置的总体设计方案。4.