电动轮椅车设计

第I页共12页毕业论文设计任务书院(系)机械工程学院专业班级学生姓名1、毕业论文设计题目电动轮椅车设计2、毕业论文设计工作自2014年3月5日起至2014年5月28日止三、毕业论文设计进行地点:四、毕业论文设计的内容要求：1、设计课题简介电动轮椅是一种以蓄电池为能源、电子装置控制驱动的动力轮椅车。使用者可通过控制装置自行驱动轮椅车行进。适用于高位截瘫、偏瘫及下肢功能障碍者使用。本课题主要是设计一款含有机械传动减速机构的电动轮椅，使学生充分利用所学知识，初步锻炼产品的总体设计和研究能力。2、论文要求：1）通过查阅有关资料,了解产品总体设计的方法和步骤；2）设计的电动轮椅要方便操作使用；3）所确立的设计方案应按照产品总体设计方法和步骤进行，确保科学合理；4）论文应包括对电动轮椅进行安全、强度和力学方面的设计计算数据。3、工作任务与要求：1）充分了解电动轮椅的结构特点及构造，了解设计的主要内容，并进行市场调查。2）搜集各类电动轮椅的资料，包括相关的国家标准及最新成果。3）设计多个方案，并从选出总体设计方案后对总体设计进行细化。4）对设计进行校核，确保方案的可行性，绘制总装图和关键零件图。撰写研究设计论文一份。4.工作任务时间安排：第1-3周：了解产品总体设计的方法和步骤，搜集有关电动轮椅的资料，包括设计的相关国家标准及最新研究成果，撰写毕业设计开题报告一份。第II页共12页第4-6周：通过市场调查已有的电动轮椅驱动机构结构，设计出相应的总体设计方案。第7-12周：设计控制方式及电路，绘制总装示意图和关键零件图，撰写毕业论文。5、设计说明书格式要求：设计说明书应包括：序言、目录、摘要（中英文）、关键词（中英文）、中图分类号、正文（含设计方案论证、设计及其它说明等）、结束语和参考文献等内容，并按照封页、设计任务书、序言、目录、摘要、关键词、正文、结束语、参考文献和封底的顺序装订。指导教师系(教研室)系(教研室)主任签名批准日期接受论文(设计)任务开始执行日期学生签名第III页共12页电动轮椅车设计摘要：文中首先分析了国内外各种轮椅的状况，在对比总结各自优缺点的基础上，由于直流电机的额定输出转矩较低，不足以驱动后轮克服地面摩擦阻力传动，根据国内实际情况，提出了一种含有机械传动减速机构的电动轮椅，基于这种方案，设计了与之相匹配的减速器及其他传动机构，该方案采用直流电机经减速器与链条连接到后轴，以减低输出转速，增大输出转矩。应用现代设计理论及方法、对驱动方式进行分析和再设计，优化车身骨架结构，添加必要的辅助功能装置，利用计算机辅助设计软件构建轮椅及各零部件三维模型，为新型低成本电动轮椅的设计开发打下了一定基础，提供了一种供参考的驱动方案和骨架结构。关键字：电动轮椅；设计；机械系统；第IV页共12页ThedesignofelectricwheelchairAbstract:Thispaperfirstanalyzesthedomesticandforeignvariouswheelchairstatus,basedoncomparingtheadvantagesanddisadvantages,becausetheratedoutputtorqueDCmotorislow,notenoughtodrivetherearwheeltoovercomethegroundfrictiontransmission,accordingtotheactualsituation,proposedtheelectricwheelchairwithamechanicalreductiongearmechanism,basedonthisdrivingscheme,designofthereducerandothertransmissionmechanismismatched,theDCmotorthroughreducerandthechainisconnectedtotherearaxle,soastoreducetheoutputrotationspeed,increasetheoutputtorque.Usethemodernmechanicaldesigntheoryandmethod,analyzeandre-designthedrivemode.Optimizethebodyframestructure.Andaddsomenecessaryaccessibilitydevices.Usecomputeraideddesignsoftwaretobuildathree-dimensionalmodelofthewheelchairanditscomponents.Thisdesignoftheelectricwheelchairsmechanicalsystemshaslayacertainfoundationforthenewtypelow-costelectricwheelchairandhasgivenareferenceschemeaboutdrivemodeandbodyframestructure.Keywords:wheelchair;design;mechanicalsystem第V页共12页目录1序言.11.1选题的目的及其研究意义.11.2课题相关领域的研究现状和发展趋势.11.2.1电动轮椅的现状.11.2.2电动轮椅的发展趋势.21.2.3研究方法.21.2.4应用领域.21.3主要研究内容、途径及技术路线.32电动轮椅驱动及转向系统设计及主要参数.42.1设计内容.42.2驱动及转向系统设计.42.2.1轮椅驱动及转向系统方案分析及选择.42.2.2前轮转向式驱动及转向系统设计.62.3主要尺寸.73驱动电机选型.84蓄电池选用.125减速器设计.14第VI页共12页5.1计算传动装置的参数.145.2齿轮的设计计算.155.2.1齿轮材料和热处理的选择.155.2.2按齿面接触强度计算.155.2.3齿轮几何尺寸的设计计算.165.2.4按齿根弯曲强度设计齿轮.175.2.5几何尺寸计算.196链轮设计.217电动轮椅整体设计.237.1车身骨架设计.237.2控制系统设计.24致谢.28参考文献.29第1页共12页1序言电动轮椅是一种以蓄电池为能源、电子装置控制驱动的动力轮椅车。使用者可通过控制装置自行驱动轮椅车行进。适用于高位截瘫、偏瘫及下肢功能障碍者使用，是一种比较理想的康复和代步工具。1.1选题的目的及其研究意义随着生活水平的提高，人们对老年人和残疾人的关注度日渐提高，各种各样的电动式轮椅进入消费者的视线。我国的轮椅发展比较缓慢，直到20世纪90年代后，随着中国人口的老龄化越来越严重，轮椅才有了较快的发展。轮椅是老年人和肢体伤残者不可缺少的康复和代步工具。现有的轮椅以手动居多，存在一定不足，缺乏动力效能不能满足使用者日常生活和出行需要，长时间使用会让人感到疲劳，而且在实际使用中通常需要人员辅助。目前市面上的电动轮椅价格不菲，普通家庭消费不起，部分是以改变电机的电流来实现控制轮椅速度，这不仅对电机损耗较大，而且功能不够全面，安全系数较低，实用性不强。如当遇到刮风或者爬坡时，有时会很难前进。由于直流电机的额定转速一般较高，远高于轮椅平稳行驶时后轮所要求的转速，而直流电机的额定输出转矩又较低，不足以驱动后轮克服地面摩擦阻力转动，所以，必须在直流电机输出端设置减速器，以减低输出转速，增大输出转矩。1.2课题相关领域的研究现状和发展趋势1.2.1电动轮椅的现状1.国内电动轮椅发展简况国内对电动轮椅的研究较晚，尤其是智能电动轮椅，研究还不完善，但近几年发展很快。国内厂商生产的电动轮椅大部分为四轮式和六轮式，一般都具有调速、翻越简单路障和防倾倒等功能。虽然国内电动轮椅研究还不太完善，但在一定的基础上还是有所提高的。例如有些生产商在原有轮椅的研究上，发明出利用驱动左、右动力后轮的左、右电机串联连接设计，从而具有差动速度功能，使电动轮椅行驶时稳定舒适、转向可靠。近几年，还出现了手扶电动、可爬梯以及站立式电动轮椅。2.国外电动轮椅发展简况自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅以来，许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID（老年人及残疾人助动器）第2页共12页项目、BremenAutonomousWheelchair项目、西班牙STAMO项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目等。1989年法国开始研究VAHM项目，第一阶段的智能轮椅由轮椅、pc486、超声波传感器、人机界面和一个可匹配用户身体能力转换的图形屏幕组成设置为手动、自动、半自动三种模式，手动时轮椅执行用户具体指令和行动任务；自动状态时用户只需选定目标，轮椅控制整个系统，此模式需要高度的可靠性；半自动模式下用户与轮椅分享控制。为了更好适应用户需求，研究者在康复中心进行了一系列调查，得出结论：系统必须是多功能的，不仅应适应残障人士的生理和认知能力，也应适应环境的结构和形态。在此基础上，经改进后研制出第二代产品，相对于第一代产品，其功能更丰富，面向用户范围更广，性价比更好，改良了大量控制。高性能电动轮椅的生产厂家集中在国外，技术较先进的国家有美国、德国、英国、瑞典、日本和比利时等。生产的电动轮椅功能强大，除一般功能外，还有可记忆地图、自动导航、避障、自动行走、与用户交互等功能，结构也多种多样，有四轮式、三轮式、六轮式和履带式等多种多样，性能也较优秀，除能适应城市中平坦路况外，有些还能登山越野，适应较大坡度和不平度的路况。近几年，国外在高档轮椅方面又有了很大的发展，例如IBOT智能轮椅，不仅能够轻松平稳地在崎岖和很大坡度的路面行驶，还能够上下楼梯，而且可以利用2个后轮站立或行走。在日本，还发明了一种靠脸部表情来控制的高级电动轮椅，使用者只需在头上系上一根特殊的带子，然后通过改变表情就可以实现轮椅的运动。1.2.2电动轮椅的发展趋势随着机器人技术、人工智能技术和传感器技术的进步，电动轮椅的研究朝着高性能、多功能、智能化和人性化的方向发展。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.1.2.3研究方法初期的研究，赋予轮椅的功能一般都是低级控制，如简单的运动、速度控制及避障等。随着机器人控制技术的发展，移动机器人大量技术用于轮椅，电动轮椅在更现实的基础上，有更好的交互性、适应性、自主性。1.2.4应用领域随着科学技术的发展，电动轮椅的强大功能不仅适用于年老体弱的老年人和重度残疾的伤患，第3页共12页同样的，它也适合于大型车间工人的代步工具。1.3主要研究内容、途径及技术路线为了改变我国轮椅的现状，解决人们对高品质生活的追求，因此，设计一款含有减速器装置以减低输出转速，增大输出转矩的电动轮椅有很重要的意义，并将给老年人和残疾人士的生活带来极大的帮助。1.31具体研究内容1.充分了解电动轮椅的结构特点及构造，并进行市场调查，分析研究现有电动轮椅的优缺点以及可改进之处。特别是调速原理。2.搜集各类电动轮椅的资料，包括相关国家标准及最新成果。3.设计多个方案，并从选出总体设计方案后对总体设计进行细化。（1）轮椅驱动及转向系统设计。包括驱动及转向方案的分析和选择、驱动及转向系统整体设计、电动机选型、减速器设计、其他传动装置设计、蓄电池选择等。重点是减速器的设计，计算减速范围以及车轮输出转矩。（2）轮椅车身骨架设计。包括人体坐姿分析、前后轮布置、骨架各组成部件形状和尺寸设计等。（3）轮椅整体三位建模。包括各零部件的建模和装配，总装配和生成二维工程图。4.对设计进行校核，确保方案的可行性。1.32主要研究途径和技术路线利用所学知识和参考国内外电动轮椅文献资料，对轮椅机械系统进行讨论、画草图、分析、减速器设计，初步确定多种方案，计算减速器的转矩范围并进行校核来确定最终方案。优化车身骨架结构，添加必要的辅助功能装置，利用计算机辅助设计软件构建轮椅及各零件三维模型。第4页共12页2电动轮椅驱动及转向系统设计及主要参数电动轮椅的核心部分主要由驱动及转向系统组成。2.1设计内容本课题的难点是驱动及转向系统的设计，驱动及转向系统驱动电动轮椅的行驶和转向，是电动轮椅的核心部分。它包括电机、与控制系统相连接电机控制器、减速器和其他传动部分等装置组成。能否平稳行驶和灵活转向是决定电动轮椅机械系统设计成败的关键，也是电动轮椅机械系统设计中的重点难点驱动及转向系统的设计要求要考虑到电动轮椅动力性、安全性、电能利用率和轮椅成本等诸多方面因素，需要宏观把握，统筹兼顾。此系统的设计要求在现有电动轮椅驱动及转向方案的基础上通过改进提出多种供选方案，并结合所要设计的电动轮椅应具本有的特点和各方面因素分析各个方案的优缺点，选择一种最合适的驱动及转向方案，并对系统的各组成部分进行详细设计。2.2驱动及转向系统设计驱动及转向系统完成电动轮椅的主要动作，是电动轮椅的核心部分。它包括电机、与控制系统相连接并控制电机转速、转向的电机控制器、与电机输出端相连的减速器和其他传动部分等装置组成。驱动及转向系统的设计要求其能使轮椅平稳的行进或后退，灵活并尽可能大角度范围的转向，快速的制动，并保证乘坐安全舒适。通过控制器控制直流电机转速和转向可以达到调节后轮及驱动轮转速的目的，从而控制轮椅的行驶速度和行进或后退。由于直流电机的额定转速一般较高，远高于轮椅平稳行驶时后轮所要求的转速，而直流电机的额定输出转矩又较低，不足以驱动后轮克服地面摩擦阻力转动，所以，必须在直流电机输出端设置减速器，以减低输出转速，增大输出转矩。另外，由于路况原因，即使匀速直线行驶，轮椅后轮所受载荷也会有不同程度的变化，若将减速器输出端直接刚性连接到后轮轴上，后轮所受载荷的剧烈变化会直接经减速器传递到电机轴上，影响电机的正常工作和使用寿命，还会对控制系统对电机转速的控制精度有影响。所以，在减速器输出端和后轮轴之间必须有添加其他传动机构，以减弱载荷变化的剧烈程度，使载荷趋于平稳。考虑到以上要求，设计可行的驱动及转向系统的供选方案，并对各方案优缺点进行分析比较，确定最终方案。2.2.1轮椅驱动及转向系统方案分析及选择电动轮椅驱动及转向系统的设计方案灵活多样，驱动及转向系统方案的选择对电动轮椅的机械效率、第5页共12页整车结构布置、行驶性能及控制方案的设计等有重要的影响，由于电动轮椅一般采用后轮驱动，所以根据转向方式的不同，有两种可采用的转向方案：1.前轮转向式（图2.1）2.后轮转向式（图2.3）图2.1前轮转向式用一个直流电机驱动两后轮传动作为轮椅行驶主运动，通过调节直流电机转速来改变轮椅行驶速度。一个步进电机控制两前轮相对轮椅前进方向的偏转角度，配合后轮主运动，使轮椅在行驶中转向。控制系统向步进电机输送脉冲信号使步进电机转过特定角度，步进电机通过齿轮齿条平行四边形机构驱动两前轮同步偏转（如图1.2），两前轮偏转轴顶端都装有盘形弹簧，弹簧另一端固定在轮椅车身上，转向完成后，控制系统不再向步进电机输送脉冲信号，步进电机无输出，两前轮在弹簧力的作用下回复到初始位置，以完成转向后前轮自动复位。图2.2前轮转向机构后轮驱动轴由一根轴组成，轴中间装有链轮，直流电机经一减速