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行星 楼梯 轮椅 设计 全套 cad 图纸

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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IBOT4000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IABSTRACTWHEELCHAIRISANIMPORTANTTOOLFORTHEELDERLYANDTHEDISABLEDWITHTHEINCREASEDOFBARRIERFREEFACILITIES,WHEELCHAIRUSERSENLARGEDGRADUALLYTHESCOPEOFACTIVITIES,BUTSTAIRCASELIMITEDTHEWHEELCHAIRUSINGINVENTORSINVENTEDAVARIETYOFSTARWHEELSTAIRCLIMBINGWHEELCHAIRATHOMEANDABROAD,THEUSINVENTORINVENTEDAWHEELCHAIR_IBOTWHICHCANAUTOMATICALLYADJUSTTHEFOCUSOFTWOROUNDSOFGROUPTYPETHEIBOT4000NOTONLYTHEREALMNEUTERGENDERSTALLESTPRODUCTOFABILITYCURRENTLY,BUTALSOWILLDEVELOPFROMNOWONOFDIRECTIONTHROUGHDRAWLESSONSFROMIBOT4000OFCLIMBTHERESEARCHOFSTAIRSMETHOD,THISTEXTINSTALLEDELECTRICALENGINEERINGONTHEFOUNDATIONOFCOMMONWHEELCHAIR,WHICHMADETHEWHEELCHAIRABLETOREGULATESPEEDANDTURNINSTALLEDTOCLIMBBUILDINGDEVICEANDDRIVETOEQUIPANDCONTROLSYSTEM,DESIGNEDAKINDTOINBRIEFCLIMBTHESTAIRSDYNAMOELECTRICWHEELCHAIRTHISDESIGNMADEAGOODSOLUTIONTOSTAIRSORROADBLOCKSWHICHBRINGOFINCONVENIENCEFORTHEDISABLED,HELPINGTHEMENHANCETHEFREEDOMOFACTIONANDMAKEBETTERTOINTEGRATEINTOTHECOMMUNITYKEYWORDSWHEELCHAIR,CONTROLSYSTEM,TWOWHEELEDTYPE,MECHANICALSTRUCTURE目录第一章前言111研究背景112研究意义213国内外爬楼梯轮椅的优缺点及发展趋势214研究的主要问题及解决的主要问题715本章小结8第二章总体设计921概述922总体结构设计1023本章小结15第三章机械结构设计1631两轮式爬楼梯电动轮椅结构组成1632两轮式爬楼梯电动轮椅功率计算1633平地行走的机械结构1834爬楼梯装置的机械结构2535两轮式爬楼梯电动轮椅装配图2836本章小结29第四章重要部件的校核3041从动轴的校核计算3042键的校核3643轴承的校核3644本章小结38第五章电气控制设计3951两轮式爬楼梯电动轮椅电机选型3952电池选择4053控制系统设计4054本章小结49第六章结论与展望5061结论5062展望5063本章小结50第七章技术经济分析5171市场前景分析5172技术经济效益分析5173社会效益分析5274本章小结52参考文献53致谢55附录562014届本科生毕业论文学号南昌理工学院行星轮式爬楼梯轮椅的设计文献综述院部机电工程学院专业机械设计制造及其自动化姓名指导教师文献综述专业机械设计制造及其自动化班级作者指导老师前言人和残疾人的存在使助老助残问题日益成为一个重大的社会问题。服务机器人的问世和发展可以有效地提高老年人和残疾人的生活质量,为我国社会的稳定发展起到积极作用。可以预计，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担14。一个人如果行动不方便，不仅生活空间大大缩小，生活质量受到严重影响，也会给家人带来了不小的负担。我国目前城镇化水平不断提高，但受到人多地少、收入水平不很高等因素限制，大部分人主要居住在普通楼房中，不仅没随着21世纪的到来我国现己进入老龄化社会,现在我国的老年人口已达到132亿,并以年均330的速度持续增长,此外,我国还有各类残疾人约8千万,大量的老年有电梯，无障碍设计水平也很低，这给老弱病残人员外出活动造成了很大的不便。在很多公共场所，虽然无障碍设施越来越多，但对行动不便者来说还是受到不少的限制，特别是遇到各种各样的阶梯时往往感到相当无奈和吃力。普通轮椅在平地或是坡度不大的斜面上基本没有问题，但是一遇到楼梯，除了人工搬动外几乎没有其它的解决办法。究其原因，主要是由于普通轮椅车轮直径一般相当大，无法在较窄的楼梯上停留住。因此，开展具有上下楼梯功能的新型轮椅的研究显得非常必要，不仅可以为行动不便的人提供方便，也能够大大减轻家庭负担。关键字爬楼梯轮椅行星轮系机构驱动装置星轮架1，可实现上下楼梯功能机构的比较一台轮椅如何实现其行驶和上下楼梯的功能，其关键的部分是如何选择合适的运动机构，以及选择什么形式的运动机构去实现我们所需要的功能。在目前的研究中，能够实现上下楼梯功能的机构主要有履带式机构、行星轮式机构、腿式机构、辅助式机构等。下面通过对这几种机构的特点进行对比和分析，结合它们各自的优点，进而选择最为满足本次设计要求的机构3。履带式机构履带轮机构的研究和应用相对比较成熟，在可以爬楼梯防暴机器人等类似装置中应用的比较广泛，履带型机构的爬楼梯轮椅应用也较多。履带式机构支撑面积大，下陷度小，通过性能好，地形适应能力较强，爬坡、越沟等性能均优于轮式机构。履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好。行走比较连续，在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动，轮椅重心几乎没有波动或波动很小，运动相当平稳。但是，履带式机构体积大，比较笨重，履带传动能量效率低，虽然其攀爬楼梯时具有较大的优势，但轮椅的绝大多数时间是在平地上行驶，履带传动在平地行驶时的劣势相对比较明显，其不容易实现平地行走时的快速移动要求。行星轮式机构轮式机构是陆地运输交通工具中应用最为广泛的一种移动机构56，在国外一些爬楼梯机器人的研究中也广泛采用的轮式机构。轮椅应用方面，普通轮椅及电动载人轮椅车也是采用的这种机构，其体积小，结构简单，控制方便，能够实现平衡、快速的移动，能量效率高，采用差动传动时转向半径很小，转向灵活；但是普通轮式机构多采用简单的圆柱形轮体，在路况较好的平地上行驶时有绝对的优势，但遇到像沟壑、台阶、楼梯等障碍时普通轮式机构便显得能力不足。普通轮式机构要想跨越台阶等障碍，其中一个必要条件就是车轮半径至少要大于台阶高度，而且跨越台阶需要的能量很大，过程不稳定，冲击较大；而且楼梯台阶的宽度有限，如果一味的增大车轮半径又会导致轮椅在台阶上失去了支撑点，这也是目前常规轮椅采用大的后轮而无法实现上下楼梯功能的主要原因。轮式移动机器人的代表有美国的GYROVER单轮机器人和六轮行星探测机器人ROCKEY系列等，一般来说，轮式小车对地形的适应性大小跟轮子数量成正比，但随着轮子数量的增加，又带来了小车体积庞大、重量大等缺点。要想实现上下楼梯功能，必须对轮式机构进行改进。在一些爬楼梯轮椅以及具有越障功能的轮式自动行驶机器人上采用了一种行星轮机构，一组小轮排列在“”形或“Y”形，甚至“”形的行星轮系上，可以实现不同的运动形式，达到平地行走，以及楼梯攀爬的不同功能。美国研制的会爬楼梯的轮椅IBOT3000所采用的就是这种方案。腿式机构从理论上来讲，腿式机器人是最灵活的运动机构，地形适应能力强，可以解决大多数环境下的行走问题，但是，腿式机器人通常具有复杂的机械结构并且控制复杂，效率低，要想实现稳定高速的行走，还有诸多难题需要解决。腿式移动机器人的代表有美国CMU的AMBLER移动机器人等。日本专门从事机器人开发的TMSUK公司和早稻田大学的高西淳夫教授研究室共同成功开发了可载人上下楼梯的两足步行机器人，代号为WL16，并进行了一系列的改良设计，但仍然存在机构和控制复杂，移动速度慢，承载能力不高等缺点，很难得到普及使用。2爬升驱动装置传动方式传动部分是一个装置的关键组成部分311,传动部分的性能直接影响整个装置的运行。在传动部分设计的第一步骤就是选择何种传动方式,传统机械传动方式有带传动、链传动、齿轮传动、锅轮锅杆传动等。带传动带轮中心距可调范围较大,能够用于较远距离传动,传动平稳,噪音小,能缓冲吸振,有过载保护能力,结构简单,成本低,安装要求不高,但传动比不能保持恒定,外廓尺寸大链传动可用于较远距离的传动,传动比可以保持恒定,也具有结构简单,成本低,安装要求不高的特点,但运转时瞬时速度不均勻,有冲击、振动和噪音锅杆传动结构紧凑,外廓尺寸小,传动比大,传动比恒定,传动平稳,无噪音,可做成自锁机构,但传动效率低齿轮传动外廓尺寸小,效率高,传动比恒定,圆周速度及功率范围广,但制造和安装精度要求较高。综合考虑爬楼梯轮椅爬升机构的机构形式、外部结构尺寸以及传递功率的要求,选择齿轮传动作为星轮电动爬楼梯轮椅的传动方式,这样既保证了结构紧凑,又保证了传动的效率。3爬楼梯轮椅的星轮架星轮机构是该爬升装置的核心，912故确定星轮及星轮架结构尺寸是整个机构设计的关键。决定星轮及星轮架结构尺寸的一个最重要的因素是楼梯的尺寸，在轮椅爬楼梯的过程中，需要星轮能稳定地支承在楼梯上，直径太大则星轮会与楼梯前沿干涉，也会导致轮椅的整体尺寸过大；直径太小则轮椅在平地行驶时对地面适应能力差。电动爬楼梯轮椅上下楼梯的过程中11，如果轮椅重量太大，就需要电机克服很大的重力势能而做功，这样就对爬升驱动电机的扭矩要求较大；同时，轮椅自身的重量越大，轮椅在爬楼梯时候的安全性就越差，因此对轮椅轻量化可以提高其整机的机动性和安全性能电动爬楼梯轮椅的总体重量主要包括以下几部分轮椅椅架重量平地行走机构重量爬升机构重量以及壳体重量，作为电动爬楼梯轮椅爬升机构的关键零件，星轮架到了支撑齿轮和固定星轮的作用，星轮架的强度、刚度及其自身的重量将影响电动爬楼梯轮椅的整体性能此外星轮架强度刚度的大小及其寿命的长短对电动爬楼梯轮椅的可靠性和安全性有很大的影响，基于对星轮架强度和刚度的分析，设计一款质量轻而且成本低的星轮架，对提高使用安全性以及提高经济效益有很大的意义爬楼梯轮椅的电机的选择在爬楼梯电动轮椅的动力系统中10,电机作为动力输出部分是整个系统的核心,它在很大程度上决定了轮椅运行的安全性、可靠性。当作电动轮椅使用时,平地行驶采用两个电动轮毂电机作为驱动。在爬楼时,平地驱动釆用两个小功率电机驱动,爬楼动作由一个大功率电机驱动。整个系统采用蓄电池作为动力供电能源,在选定轮毂电机的前提下其余电机可以在步进电机、直流电机和无刷直流电机中选择。这几种电机都有各自的特点。总结在逐步进入老龄化社会的今天113，老年人数量日益增加，其中很多老年人都腿脚不便，只能借助轮椅进行代步和活动。而目前的普通轮椅面对台阶和楼梯时只能望而却步。同时，目前在我国还存在大量的六层楼以下的没有电梯的居民楼，公共场合的无障碍设施也还很不完善，这些都严重阻碍了残障人士的活动。因此，这些腿脚不便的人们需要一种能够既能够攀爬楼梯又能够在平地作为普通轮椅使用的爬楼轮椅来改善他们的活动能力，提高生活质量。通过分析轮式尤其是星轮式爬楼装置的优越性设计了一款星轮式爬楼梯电动梯轮椅，在此过程中进行机构设计，传动装置以及整体结构的设计，并进行相关设计计算，爬升装置是爬楼梯轮椅的关键，在深入研究爬楼梯轮椅工作机理基础上，充分考虑爬楼轮椅爬升装置的结构和尺寸以及爬升功率安全性等要求。设计成型一款星轮式爬楼梯电动轮椅，此轮椅既可以越障爬楼，又具有电动轮椅功能作为爬楼梯轮椅时，具有对不同尺寸楼梯适应能力强，安全性好，整体重量轻巧，结构紧凑等特点，作为电动轮椅使用时，可满足国家标准对电动轮椅的要求参考文献1中国人口老龄化发展趋势预测研究报告Z新浪网HTTP/FINANCESINACOMEN/G/20060224/16202371191SHTML2白琨履带式移动机器人越障能力的研究D内蒙古内蒙古工业大学,20073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,2005,054孟祥雨，一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计与研究，20125王占礼；孟祥雨；陈延伟；一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计，2012