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毕业设计（论文）开题报告题目行星轮爬楼梯轮椅设计专业名称班级学号学生姓名指导教师填表日期一、选题的依据及意义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。目前的轮椅、电动轮椅能在坡度小于12度平坦的路面上行驶，但遇到楼梯台阶、沟槽、坎就无法跨越。当然随着我国城市化进程的不断加快，各类无障碍设施不断出现，以及重要的公共场合都会有特殊通道以供他们使用，这是时代的潮流，是社会进步的标志，更是人类文明不断发展的结果。但由于我国无障碍设施建设的滞后，很多地方都还没有无障碍设施，使他们的日常出行与生活造成相当大的不便，鉴于楼梯、台阶是最常见的障碍，研究爬楼梯的轮椅车能给由于生理机能变化的老年人，先天或意外致残等行动不方便人士提供一种能方便自我、操作方便、使用安全的、能将代步、跨越沟、坎、台阶与楼层（楼梯）融为一体的工具。解决他们在康复前的生活、学习、工作、交流等实际困难，减少他们由于自身身体缺陷而造成的不便。二、国内外研究概况及发展趋势1爬楼梯轮椅车的国内外现状国外对爬楼梯的轮椅车产品较多如是德国PERFEKTA公司的产品。其为履带式传动，采用12V15AH的蓄电池、12V/170W的直流电机，自重42KG，可爬楼梯的最大坡度为35度。这种轮椅车除了可以单独使用外，还可以作为普通轮椅的搬运工具，直接把轮椅放在上面上下楼梯，因此作为车站、机场等处移动轮椅乘客的专用工具比较方便。而且，熟练操纵者能够自行乘坐轮椅上下楼梯。在平地能自由移动，也可折迭存放。这种轮椅的形式，采用的是履带式，是利用履带的附着力好，容易爬坡的优点设计的。但是，由于履带与楼梯的接触时，只是与楼梯的前棱接触，又由于人们对美学的要求好多楼梯的前棱作成了弧形，即使是传统的楼梯，如果经过多年的磨损，前棱也会被磨秃，这样一来，对于这种轮椅就很容易打滑，而且极不安全。为了解决楼梯打滑的问题,美国又发明了一种新型轮椅IBOT3000独立机动系统从外表看上去，IBOT与普通轮椅不大一样它有6个轮子，前面一对为直径10厘米的实心脚轮，后面两对为直径30厘米的充气轮胎。IBOT通过复杂的陀螺仪系统来保持平衡，当轮椅上分布的传感器感受到重心变化时，它们马上把这些信息传输到位于座椅下面的控制盒中。控制盒里有几个“奔腾III”处理器和预先设计好的程序，这些程序会“命令”轮椅的机械系统进行自我调整，保持平衡。IBOT共有3种运动模式，一种是正常模式，像普通轮椅一样在平地上前进，6只轮子同时着地；如果遇到崎岖的路面、沙土地或斜坡，它就进入四轮驱动状态，靠4个后轮行走。第二种是直立模式，只靠一对后轮接触地面，很像中国武术中的“金鸡独立”，IBOT可以保持这种站立姿势，也能“直立行走”。第三种是爬梯模式，两对后轮交替“爬”到上一级或下一级台阶上。但其价格为29000美元,鉴于我们国内的消费水平,还无法普遍接受如此高昂的费用。所以国内有人参照IBOT研发了行星轮系的爬楼梯轮椅车,最有代表性的是李荣标为骨折妻子发明能爬楼梯轮椅车。其是由5个小轮组成的五星轮，轮椅前方一个半米长的安全支架上还有4个小轮，整个椅子共有14个小轮。他背对着楼梯将轮椅微微倾斜，很轻松就将老伴拉了上去，五星轮上的一个小轮刚好能上一级楼梯。在爬楼过程中，因为有安全支架的支撑，轮椅能停在任何一处。其明显的缺点是不够自动化,全程操作需要旁人相助,且车体结构不够紧凑。2发展趋势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承装置交替支承，爬楼梯的速度一般较慢，且间歇型爬楼机构和控制较复杂所以连续型是其发展趋势。其中，星型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。可见若减小星型轮式爬楼梯轮椅的上下楼梯平稳性，这将是将来爬楼轮椅的主要趋势。随着当前电动车的普及，将来轮椅车也更多的是采用电动驱动，免去旁人的帮助操作者也能轻松自如的进行行走，以缓解身体不便带来的诸多困扰。可见轮椅车将是朝着电气化，智能化的方向发展着，它将在残障人士及年老人群发挥积极作用，成为他们生活中的帮手。而不仅仅是一种用途有限的代步工具。三、主要研究的内容、预期目标1主要研究内容轮椅的自动上下楼动作的完成，包括机械结构部分和控制部分两大部分2预期目标实现轮椅自动上下楼的自动控制，和上下楼时的平稳性和安全性以及成本的大众性四、目标、主要特色及工作进度1目标通过这次对爬楼梯自行轮椅车的总体和结构的设计，学会利用查参考书和某些图表正确计算和选用零件的尺寸和一些参数，培养自己掌握一般机械设计的思路，设计方法和设计步骤。提高自己利用计算机绘制二维图纸的能力。研究重点自动控制的实施，机械传动的完成。研究难点如何才能使轮椅在自动上下楼个过程中，达到让使用者安全舒适而且造价可以让大众所接受2主要技术要求（1）自行轮椅平地行走速度不大于15KM/H（2）自行轮椅爬楼梯速度不大于8KM/H；（3）自行轮椅安全性必须保证；（4）机械结构合理，传动效率高；（5）控制系统功耗小；（6）要求方案论证充分。3工作进度毕业设计（论文）工作内容机完成时间1）外文翻译6000实词以上；2202220。5周2）收集有关资料，写出开题报告；223321。5周3）整体方案设计；353304周4）机械结构与控制系统方案设计；424274周5）机械零件设计绘图与控制电路设计；430614周6）撰写论文；646152周7）答辩准备及论文答辩615722周五、参考文献【1】璞良贵，纪名刚主编机械设计第七版北京高等教育出版社，2001【2】房立新等行星轮式爬楼梯电动轮椅P中国专利号CN102125488A，2011年7月【3】赵树明爬楼梯智能轮椅P中国专利号CN201564701U，2010年9月【4】高明微机应用系统设计M北京航空航天大学出版社，2003年3月【5】王中发实用机械设计M北京北京理工大学出版社，1998年2月【6】北京有色冶金设计研究院编机械设计手册第二卷M化工出版社，1993年1月【7】CAOPENGBINETALSTRUCTURALANALYTICALAPPROACHTOCOUPLEDDESIGNINDESIGNWITHAXIOMATICDESIGNJCHINESEJOURNALOFMECHANICAL2006，423465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56第一章前言11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。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144亿，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634，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“512”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。1252014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，