关 键 词：

健身 康复 轮椅 设计 CAD

资源描述：

健身康复式轮椅设计含6张CAD图,健身,康复,轮椅,设计,CAD

内容简介：

一、课题来源、研究目的（选题的意义和预期应用价值）康复医疗是指运用物理医疗手段对肢体障碍及相关重症患者在恢复阶段进行的一种辅助性医疗手段。康复式轮椅的主要功能是模拟肢体运动帮助有运动障碍的人群完成运动功能的恢复训练并能帮助无法康复的人群进行肢体运动，促进血液循环，减少并发症。目前世界上康复式轮椅的研究处于刚起步状态，能在市场上销售的更是少之又少。在国内该领域尚处于萌芽状态，要普及到有需要的人群更是任重而道远。康复式轮椅：采用电动或手动设计，在普通代步轮椅的设计理念上添加了康复式理念。让使用者在实现代步功能时，完成普通康复训练。在我国2006 年吴锋申请专利“组合式康复训练轮椅”。轮椅使用者在生活中一般因为腿脚不方便，外出较困难。在非平坦的路面上靠双手转动轮椅太累且不能行走较远路程，而且速度较慢。此外长时间的使用轮椅会让使用者感觉到疲劳。且由于身体的压迫，血液无法正常循环，更加不利于患者的康复。目前市场上的轮椅存在两个主要问题：一是国内轮椅发展缓慢，很多国内器材商对使用人群（残疾人和老年人）的关注度不高，不愿意花费资金研发更为人性化的轮椅设备；二是轮椅设计大同小异，很多针对肢体残疾者的轮椅都是一样的，只是作为一个代步工具，对残疾人的身体没有起到很多作用。以上两个最大问题导致了我国的轮椅市场是由普通单调产品和国外进口产品组成。国外进口的轮椅功能先进，但价格极其昂贵。因此，本课题研究设计的轮椅应以方便使用者为主要目标，帮助使用者解决生活中遇到的困难，给使用者提供一个简易的康复医疗平台。本课题本着节省材料、成本低廉、安全简易、效率高的原则，立足于康复式轮椅的设计与研制，完成的基本工作如下：通过对人体的物理特性调查取样分析，为装置关键部件和试验研究等层面提供了性能依据，在经过理论的指导合理的设计出机械装置的结构，主要设计包括有驱动设计，传动设计，电器控制设计等，通过对各工作部件的设计,试制出机械装置并进行模拟试验，以求得最佳试验性能参数，进而对健身康复式轮椅的性能作出优化设计。查阅有关国内外资料以整体舒适性为主要设计目标，结合大量的人体机能标准对座椅舒适性进行研究以方便接下来的设计。在对座椅舒适性理论进行归纳总结基础上，把舒适性理论运用到本课题的轮椅舒适性研究中。设计主要包含以下几个方面：降低生产成本，能让更多的普通患者使用。二、与本课题相关的国内外研究现状（文献综述），预计可能创新的方面近几个世纪以来，我们的生活变化相当大。我们的生活越来越好，逐渐地走向属于我们新的世纪。经济的快速发展令我们向往新的生活。联合国发表报告 ，全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以上的人口比例预计将会翻一番 。 由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们存在不同程度的能力丧失，如行走、视力、动手及语言等。这一特殊群体的医疗和护理，将成为经济和社会发展的巨大压力。为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工具，帮助他们提高行动自由度，让他们能参加到健全人的正常生活中区，重新融入社会 , 目前许多国家对 健身康复式轮椅进行了研究 ， 使 健身康复式轮椅具有记忆地图、避障、自动行走、与用户交互等功能。健身康复式轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等，涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术。本文将对健身康复式轮椅的国内外研究现状进行总结，并对关键技术进行分析 ，最后再总结下健身康复式轮椅的发展趋势。1986年英国开始研制第一辆健身康复式轮椅来 ,许多国家投入较多资金研究 健身康复式轮椅。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 ) 项目、Bremen Autonomous Wheelchair 项目、西班牙 SIAMO 项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟 TIDE 项目、 KISS 学院 TINMAN 项目、台湾中正大学电机系 LUOSON 项目、我国 863 智 能机器人 健身康复式轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同 , 每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。参考文献：1李达. 便携式轮椅的创新构思及实践M.北京：机械工业出版社,2018：70-73.2董艳飞,何保锋.轮椅的技术创新M.内江科技，2011，11：68-6.3张玉，刘平.几何公差与测量技术M.沈阳：东北大学出版社 , 2009.4陆龙福，毛伟.基于轮椅的多功能设计M.黄冈职业技术学院学报，2012，14：44-49. 5濮良贵，纪名刚.机械设计(第8版)M.北京:高等教育出版社，2016.6濮良贵，纪名刚. 机械设计.第八版.北京：高等教育出版社，2016: 06-302.7李育锡.机械设计课程设计.北京：高等教育出版社, 2008：96-180.8吴宗则.罗圣国.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社 , 2016.9傅祥志.机械原理.武汉华中科技大学出版社, 2015.10张三慧.大学基础物理学M.北京清华大学出版社, 2015：115-119.11刘鸿文.材料力学.第四版.高等教育出版社, 2014. 12哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学. 高等教育出版社,2009.13吴宗泽.机械结构设计.北京:机械工业出版社,2008：64-68.14沈养中.工程力学M.高等教育出版社,1999：23-169.15孙恒，陈作模.机械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006：15-205.16材料力学J.刘鸿文.北京高等教育出版社.2011.0117机械设计师手册J.吴宗泽.机械工业出版社.2009.1 3、 研究的主要内容与可行性分析此次研究的内容旨在设计该轮椅的主要机构和总体布局。通过电机转动，带动后轮传动轴的运动，使轮椅运行；电机转动的同时带动传动轴，利用曲柄摇杆原理带动脚踏板摆动，实现康复式运动功能。该轮椅的主体设计中，除了电机部分，需要采用PWM 电路控制之外，将大量采用机械机构，包括了齿轮传动、双摇杆、曲柄摇杆、轴承支承等。之所以采用机械机构的主要原因是因为机械结构操作简单，维修方便，安全耐用，符合康复式轮椅的安全、稳定经济实用的性质。本着节省材料、成本低廉、安全简易、效率高的原则，立足于康复式轮椅的设计与研制，完成的基本工作如下：通过对人体的物理特性调查取样分析，为装置关键部件和试验研究等层面提供了性能依据，在经过理论的指导合理的设计出机械装置的结构，主要设计包括有驱动设计，传动设计，电器控制设计等，通过对各工作部件的设计,试制出机械装置并进行模拟试验，以求得最佳试验性能参数，进而对健身康复式轮椅的性能作出优化设计。查阅有关国内外资料以整体舒适性为主要设计目标，结合大量的人体机能标准对座椅舒适性进行研究以方便接下来的设计。在对座椅舒适性理论进行归纳总结基础上，把舒适性理论运用到本课题的轮椅舒适性研究中。查阅有关国内外资料以整体舒适性为主要设计目标，结合大量的人体机能标准对座椅舒适性进行研究以方便接下来的设计。在对座椅舒适性理论进行归纳总结基础上，把舒适性理论运用到本课题的轮椅舒适性研究中。设计主要包含以下几个方面：降低生产成本，能让更多的普通患者使用。四、本课题研究的主要方法和步骤研究的主要方法：（1） 文献研究法：根据研究主题，通过搜索文档获取技术数据，通过以往的研究成果分析出最佳技术方案。（2） 定量分析法：根据调查结果制定出技术攻关，依据工作原理制定出力学或者材料学分析论证。（3） 模拟法：通过使用3D建模平台组装零件，创建类似的模型，然后用于研究机械模型的一些基本特征。研究的主要步骤：（1）根据设计参数要求，理清设计思路，抓住设计要领。（2）初拟总体设计方案。（3）动力源选择与控制系统的设计。（4）车架设计及受力分析。（5）传动系统设计及对轴、键类零件受力分析。（6）康复医疗系统设计及仿生运动功能的实现。（7）标准件的列表和参数。（8）确定各零件结构尺寸，完成零件图。（9）完成装配图。（10）完成模拟仿真。（11）总结。课题研究的目的和意义国内外研究状况本文研究的主要内容总体方案设计轮椅舒适性设计的原理机械零件设计要求总体方案设计轮椅三维建模分析使用环境分析座椅尺寸分析与设计轮椅主要结构设计与主要参数设计计算。五、研究进度安排1.2019年11月06日-2019年11月20日，调研、查阅相关资料，确定设计方案。2.2019年12月25日-2020年01月11日，主要零部件的计算。3.2020年01月12日-2020年02月23日，完成初稿。4.2020年02月24日-2020年03月15日，完成第二稿。5.2020年03月16日-2020年04月12日，完成定稿，准备答辩。六、指导教师意见指导教师签字：年 月 日七、院（部）本科毕业论文（设计）工作领导小组意见组长签字：年 月 日5摘 要：本着节约材料，低成本，简单安全，高效的原则，本文以康复轮椅的设计与开发为基础。完成的基础工作如下：通过对国内外技术调查的抽样分析，该设备的关键部件和实验研究为其他层次的性能提供了依据。机械装置的结构经过理论指导合理设计。主要设计包括驱动设计，变速箱设计，电气控制设计等。通过对每个工作部件进行设计来对机械装置进行试制，并进行仿真测试，以找到最佳的测试性能参数，然后优化其性能。健身康复轮椅。在对座椅舒适性理论进行总结的基础上，将舒适性理论应用于该主题的轮椅舒适性研究。关键词：康复 轮椅 舒适性理论IAbstract: Based on the principle of saving materials, low cost, safe and simple, and high efficiency, this paper is based on the design and development of rehabilitation wheelchairs. The basic work is as follows: Through the sampling and analysis of the physical characteristics of the human body, it is the key component of the device. And the experimental research and other aspects provide the performance basis, and the structure of the mechanical device is designed reasonably under the guidance of the theory. The main design includes the drive design, the transmission design, the electrical control design, etc. Through the design of each working part, the machine is prototyped. The device is also subjected to a simulation test to obtain the optimal test performance parameters, thereby optimizing the performance of the fitness rehabilitation wheelchair. Based on the summarization of the seat comfort theory, the comfort theory is applied to the wheelchair comfort study of this topic.Key Words: Rehabilitation Wheelchair Comfort theoryIII青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）目录1 绪论11.1康复式轮椅的研究背景及意义11.2国内外研究现状21.3研究目的及内容安排32 轮椅的总体设计32.1设计要求32.2总体设计32.3本章小结53 局部设计63.1底架设计63.2座椅调整机构设计73.3传动系统运动单元（越障机构）设计93.4轮椅各项参数183.5本章小结194 轮椅车的运动特性分析204.1轮椅车的平地运动分析204.2轮椅车康复式梯运动分析204.3轮椅车的行驶性能分析214.4本章小结24总 结25参考文献26致 谢27ii1 绪论1.1康复式轮椅的研究背景及意义我们的社会在不断发展。生活水平的提高带来了科学技术的进步，再次推动着人们的生活质量。然而，科学技术的快速发展也带来了一些不可避免的事故。事故的频繁发生使残疾人的数量越来越多，而现在人口老龄化现象越来越严重。这些人丧失了自由行动的能力，生活十分不便。虽然我国的服务设施越来越多，高层楼也安装有电梯，但是并不是所有地方都拥有这些服务，很多高楼至今没有安装电梯，他们的出行是一个巨大的问题。老年人和残疾人士时社会上的弱势群体，他们有很多常人没有的苦恼，关注他们的生活是一个很有必要的重要问题。在2006年第二次全国残疾人抽样调查报告中写道，直至2006年4月我国残疾人口数量占全国总人口比例的百分之六。其中肢体残疾人数高达两千多万人。另外，在2015年的全国%1人口抽样调查中显示，60岁以上的人口数量为两千多万人，占全国总人口数的百分之十六，其中65岁以上的人就有14374万人。同2010年第六次全国人口普查相比，60岁以上人口比例上升了百分之三，65岁及以上人口比例上升了百分之一点六。残疾人士和老年人的逐年增加给社会的发展带来很大的影响。他们的家庭负担变得沉重，就连他们的日常生活都受到了影响。因此，为了他们的生活，专家对这类人群的出行以及日常生活的关注也越来越多。轮椅是残疾人士以及老年人出行的时候必须具备的的代步工具，但是我国最普遍的轮椅都是最普通的那一种，出行需要手动前行，活动范围不大，而且还不能康复式梯或者通过障碍物，为了解决这些问题，让残疾人士及老年人可以相对自由便捷的出行，有必要对现有的普通轮椅进行一番合理的改进。1.2国内外研究现状关于康复式梯轮椅的研究，国外的研究相对要早一些，取得了很多成果，有些国家这方面的技术已经变得比较成熟，有的国家已经开始销售康复式梯轮椅。我国对康复式梯轮椅的研究比较晚，成熟的技术也不多，较少投入市场。目前，国内晚现有的康复式梯轮椅主要分为四个类型，分别是：各类轮组式，履带式，直立行走式以及辅助式机构等。1）轮组式 轮组式康复式梯轮椅轮组为行星系机构，在平地行驶的时候，行星轮的两个小轮着地自转行走，在遇到障碍或是楼梯时，轮组发生翻转，行星轮公转爬上电梯。根据行星轮轮数的不同，可以将轮组式康复式梯轮椅分为两轮式，三轮式，四轮式等。2） 履带式 履带式康复式梯轮椅的技术相对成熟一些，很多履带使结构都可以作为参考，履带结构行走效率高，重心波动不大，对地形的要求不高，但是，履带使结构容易破坏地面，而且转弯能力较差。3） 直立行走式 直立行走式康复式梯轮椅模拟人上楼梯时的模式，通过机械腿模拟人的运动使轮椅移动，这种轮椅稳定性高，适用范围广，但是操作复杂，行走缓慢。4） 辅助式机构辅助式机构是在轮椅上通过添加一些辅助机构来实现轮椅的康复式梯过程。比如在轮椅车两侧额外添加一对康复式梯轮，或者增加一些其他装置。1.3研究目的及内容安排本设计的目的是为了研究出一种既可以在平地上行驶又可以康复式梯以及通过地形复杂路面的电动轮椅车。内容安排如下：1. 总结了轮椅车设计的研究背景以及研究意义，通过调查当前国内外对康复式梯轮椅的研究情况，归纳出四种常见的康复式梯轮椅，简单介绍并总结其优缺点。2. 分析出轮椅车设计的总体方案，并从局部各个部位进行具体设计，设计座椅调整机构，计算出行星轮机构的基本尺寸，分析其康复式梯原理，并对驱动电机具体参数进行设计，合理选用驱动器，控制器以及蓄电池。3. 分析了轮椅车的康复式梯过程，并且分别从轮椅车的爬坡性能，最大越障高度，侧倾角以及转弯半径进行行驶性能分析。2 轮椅的总体设计2.1设计要求康复式轮椅在设计的时候应该充分考虑到轮椅使用者的自身情况，住所所在的楼梯结构以及轮椅自身结构情况。具体分别为以下几点：1） 轮椅在平地和楼梯两种地形的变化出运动形式的改变应尽可能的平滑稳定；2） 操作要做到简单方便，不宜太过复杂；3） 在康复式梯的过程中座椅应该做到始终与地面保持平行并且可以做到平稳的爬行，要保证轮椅使用者的安全；4） 轮椅的轮组机构应该符合我国建筑楼梯模数协调标准的规定；5） 轮椅的设计应该尽可能的让人感到舒适。2.2总体设计总体设计出来的的康复式梯轮椅总体设计图如下图所示。4.传动系统运动单元3.座椅调平机构2.座椅1.底架图2.1康复式梯轮椅总体设计图2.2 轮椅车总体设计从图中可以看出，轮椅主要由四个部分组成：一个底架1，一个座椅2，一个连接底架和座椅以及调整座椅重心的的调节机构3，两台电动机和连接电动机的传动系统运动单元（越障机构）4。轮椅的传动系统运动单元通过传感器感应障碍物的方式来改变它的运动方式，从车轮滚动(“前进模式”)到支架行走(“自动康复式梯模式”)。（1）底架。底架是整个轮椅的基体，它对整个轮椅结构起支撑的作用，因此需要有足够的强度与刚度让轮椅在载人的时候不会散架出现意外。底架的重心根据实际情况需要尽可能的低，保证轮椅的稳定性，让轮椅不至于出现侧翻或者颠簸太过的不舒适的体验。（2） 座椅。座椅的设计要考虑到轮椅使用者的操作方便性和乘坐的舒适性，要根据人机工程学的方面来设计座椅。扶手的高度设计要符合人们的日常生活习惯，还需要有脚踏板，让使用者可以将脚放在上面，稳定使用者的中心，保证安全。（3） 座椅调整机构。此结构设计考虑到轮椅使用者在遇到障碍物或者康复式梯时处于倾斜状态，对人身安全有很大的隐患，因此通过此结构来调节平衡(图1b)，让人在处于上述状态时可以保持平衡，减小危险因素。此调节机构由传感器感应座椅与地面的平行度改变座椅的状态，不需要人手动调节，十分方便快捷。（4） 传动系统运动单元（越障机构）。本设计采用两对三轮组式行星轮机构，安装在轮椅后方实现后轮驱动。在平地行走时，行星轮车轮通过齿轮传动在地面上行走，在碰到障碍时行星轮架的力矩变大，此时行星轮架开始翻转越过障碍物。行星轮通过改变车轮的自转和公转来改变行驶方式在各种道路上行驶；行星轮车轮之间通过齿轮连接。2.3本章小结本章对轮椅车总体框架进行了大致的设计，写出了轮椅车设计的设计要求，介绍了轮椅车各部分的结构以及工作原理。分别对轮椅车的底架，座椅，座椅调整机构以及传动系统运动单元进行了大致的介绍。3 局部设计3.1底架设计如图3.2所示，底架主要由一个底盘1组成，底盘带有两个机动运动单元（越障机构）2，两个配套电机3，两个三轮单元（前轮）4，驱动器5，控制器6和电池组7。7.电池组6.控制器5.驱动器4.三轮单元3.电机2.越障机构1.底盘图3.2 底架三轮单元由围绕中轴旋转的支架组成，三个闲置的车轮放置在支架顶点上。车轮的尺寸是根据设计的大车轮而选择的。轮椅车后边的大的车轮可以更好地吸收不均匀地形引起的振动，而可以小轮减少整体的高度。因此，后边两个机动运动单元和旋转轮要选择较大一些的车轮，大部分时间都是与地面接触，而前方的三轮单元则可以选择一些尺寸比较小的车轮。3.2座椅调整机构设计图3.3为我设计的座椅调整机构。 图3.3 座椅调整机构座椅后面部分使用两个杆件固定在底架上，起支撑轮椅椅座的作用，轮椅使用者与椅座的重心几乎都在杆件附近，杆件要选取强度较高的材料，杆件与座椅连接的部分使用绞连接，如图3.4。前端部分使用液压传动装置来控制液压杆伸缩上下调整座椅，如图3.5。液压系统的稳定性比较高。 图3.4 支撑杆 图3.5 液压杆座椅与地面的平行度使用双轴倾角传感器来检测，实时检测座椅与地面的角度然后控制液压传动系统调节角度，以保证乘坐者的人身安全，如图3.6.在液压杆向上伸缩时，轮椅前端被液压杆顶上去，由于座椅后部分和杆件铰接在一块无法移动，此时伸缩杆顶部与座椅发生相对位移，如下图3.7所示。座椅与液压杆顶部连接点在A点，当伸缩杆上移时，座椅与伸缩杆的连接点发生位移，由A点移动到了B点。因此在轮椅底部设计了一条滑轨，用一个小轮结构连接座椅与液压杆。小轮不会滑向滑轨后方，因此在固定部分后端开口，让小轮与轴可以滑进去。如图3.8。图3.6 双轴倾角传感器图3.7 位移分析 图3.8 滑轨设计 3.3传动系统运动单元（越障机构）设计3.3.1结构介绍通过查找已知的各种康复式梯机构并对各类机构分析了解之后，思考了前人的设计产品的特点，最终决定使用行星轮结构。原因主要有两点：1） 轮式机构结构比较简单、运动起来灵活、重量不会太重、传动效率比较高，其他的移动机构在这些方面明显比不过轮式结构；而该轮椅的适用范围是平地上和楼梯上，在康复式梯时，移动要尽量做到稳定，安全，所以，我使用轮式结构。2） 本设计选择了行星轮作为行驶机构。行星轮机构由行星架和行星架上的车轮组成，每个车轮都是既可以自行转动，又可以环绕行星架的中心进行公转，这样刚好可以实现轮椅车康复式梯的功能。行星轮结构可以使用比楼梯台阶低的车轮上台阶，而且它还既可以在平坦地面上行走，又可以上楼梯，机构的结构也很简单。 行星轮的数量可以自行设置的，它可以随自己要求放置轮子，行星轮中车轮的数量如果很多，轮椅会很稳定，但这样轮椅体积就要变的很大，而且结构也会变得很复杂。为了使结构简单，康复式梯也比较容易，本设计采用三个车轮构成的行星轮，其中三个车轮均匀分布在星型轮的圆周上。在平路上行走时，车轮自转；遇到障碍物或者楼梯时，行星轮架会开始公转，当行星轮碰到楼梯的台阶时，电机带动行星轮架转动，使行星轮上边的车轮接触到台阶的上边。此后接触台阶的车轮一边前进，行星轮一边继续转动，直到碰到下一个台阶的前端，成功爬上一阶台阶。此机构设计是用来处理平坦或起伏的地面以及楼梯和障碍物等的。这个运动单元是为了让它可以适应不同运动而设计出来的。它只使用一个传动系统，简单地通过锁定或解锁运动链中的某些自由度来达到目的。该传动系统选用了行星齿轮传动系统。如图9所示，运动单元轴向连接到车架(0)。该运动单元由下列部件组成：电机(1)、运动单元车架(2)、中心齿轮(3)、第一行星齿轮(4)、第二行星齿轮(5)和车轮(6)。 图3.9 结构图3.3.2计算行星轮架的尺寸行星轮机构是整个轮椅的最重要的地方，所以确定行星轮车轮以及行星轮架的大小就是整个机构设计的关键环节。在轮椅康复式梯的过程中，行星轮两个轮要可以都碰触到楼梯，而且楼梯最少也要能够支撑行星轮架的两个车轮同时停留在楼梯上。如果车轮尺寸太大则轮椅就不能撑在楼梯上，而且轮椅的整体大小变得太大，而且轮椅重心也会变得太高影响使用者的人身安全；车轮直径太小则轮架会磕到楼梯上使机构无法正常进行康复式梯行为。我国发布的建筑楼梯模数协调标准规定：楼梯踏步的高度不能大于210mm，并不小于140mm，各级踏步高度均应相同：楼梯踏步的宽度，应采用220.240.260.280.300.320mm。必要时可采用250mm。轮椅要做到适应规定的尺寸范围上下楼梯。轮椅的车轮应该可以在规定范围的最小宽度（220mm）的台阶上平稳的支承起轮椅整个部分。（1）接下来首先确定行星轮架的半径范围R取楼梯的踏步高度为h，楼梯的踏步宽度为d。当h和d最小时，两个车轮的中心距小于等于，即 （2-1）带入数据，求得图3.10 星型轮架最小半径当h和d最大时，车轮与楼梯如下图3.11。 3.11 星型轮架最大半径则根据几何关系，可以得知 （2-2）带入数据，求得由上述计算得知。行星轮架应该大一些，因此选。（2） 计算车轮的尺寸范围r车轮的最大尺寸应该小于上述求得的中心距，即 （2-3）带入数据，求得车轮尺寸最小的时候，行星轮架不可以与楼梯边缘碰到。在h最小的时候，行星轮架最有可能与楼梯边缘碰到，如下图3.12。 图3.12 星型轮最小半径根据几何关系，可以得出 （2-4） （2-5）带入数据，求得因此由上述计算可以知道通过以上计算，选取后车轮尺寸为，。由此得出行星轮架的所有尺寸为,。3.3.3行星轮架齿轮确定该行星轮使用齿轮传动来使轮椅车行驶。齿轮结构如下图3.13所示。图3.13 齿轮传动系统 由于行星轮架半径为145mm，考虑到星型轮架半径以及轮椅美观，最终决定齿轮数据如下表1。（单位：mm）表3.1 齿轮参数齿轮中心齿轮a第一行星齿轮b第二行星齿轮c模数222齿数503525分度圆直径1007050齿顶圆直径1047454齿根圆直径956545齿宽202020行星齿轮材料使用进行调质处理后的40Cr，选取硬度为260HB，中心齿轮材料也用进行调质处理后的45钢，选取硬度为240HB。行星轮的传动比为a/b=10/7,b/c=7/5,a/c=2/1。3.3.4动力系统参数计算根据轮椅车的具体设计数据以及国家电动轮椅标准，可以得到轮椅的以下参数：轮椅的总质量：60kg轮椅的预计载重量：100kg平坦地面最大行驶速度：3m/s爬坡行驶的最大角度：，此时轮椅爬坡速度为0.3m/s康复式梯速度：1-15阶台阶/min电池组：四块电池容量25A，电压12V的蓄电池（1） 电机参数设计 电机是电动轮椅车整个轮椅车动力系统的灵魂，电机需要为轮椅车提供行驶动力。首先确定电机的类型。轮椅车使用蓄电池作为供电系统，因此电机可以用步进电机、直流电机或者无刷直流电机等。步进电机可以准确的进行定位和调节速度；它的转矩大，惯性小，灵敏度高，但是步进电机能源消耗比较大，转速比较低，而且步进电机在工作时会发生振动，还会产生噪音，让轮椅车不能安定行驶。直流电机的响应速度很快，调节范围比较广，灵敏度很高，可以在轮椅车发生突然情况时快速调节过来，而且直流电机的转矩很大，还可以在需要的时候进行过载，可以满足轮椅车爬坡，康复式梯的要求；但是传统的直流电机缺点太多，比如噪声太大，使用时间短，需要经常进行维护。无刷直流电机比直流电机要好，它没有噪音，不需要维护，稳定性高。因此选择电压为48V的无刷直流电机作为轮椅车的行驶驱动电机。然后确定电机的功率。轮椅车具有平地行驶和上楼梯两种不同的工作状态，不同的工作状态所需要的功率也不一样，所以要先计算出两种工作状态下的电机需要的功率，然后再根据计算结果选择电机的额定功率。该康复式梯轮椅车的质量为60kg，预计最大载重量为100kg，因此该轮椅车在工作时的最大质量为160kg。a)平地行驶的功率计算轮椅在平地行驶时车轮与地面为滚动摩擦，滚动摩擦力计算公式为 （2-6）为车轮与地面的滚动摩擦系数，G为轮椅整体对地面的正压力通过查看机械设计手册得知，因此，轮椅车在平地行驶所需总功率为 （2-7）带入数据，求得b)爬坡时的功率计算轮椅在爬坡时的受力分析图如下图3.14图3.14 轮椅在坡上受力分析由受力分析图可以得出，轮椅在爬坡时需要的总功率为 （2-8）带入数据，求得c）康复式梯时的功率计算轮椅车康复式梯的动作实际上就是行星轮架将整个轮椅车向上搬运一阶台阶的过程，轮椅车在康复式梯的时候需要克服轮椅车质量和承载的使用者的质量来做功。上文已得知楼梯的踏步高度最高为210mm,因此轮椅车需克服的阻力矩为 （2-9）康复式梯速度最大为15阶min确定主轴转速为：n=5r/min驱动轮角速度： （2-10）康复式梯所需功率为： （2-11）带入数据，得综上所述，为了保证轮椅车的动力，所选电机功率不能低于235.5w.电机参数如下表3.15。3.15电机表3.2 电机参数型号额定功率额定转速额定转矩额定电压重量机身长度wr/minVKgmmEM664840030001.27482160（2） 控制器的选择控制器控制整个轮椅车的运行，轮椅车的行驶，加速，减速，转弯还有座椅调平机构的工作全都由控制器完成。控制器收到工作指令后，经过内部的运算再将指令下达到各个工作系统。轮椅车的行驶指令离不开控制器。本设计选用控制器为海王鑫控制器。图3.16 控制器下图分别为轮椅车的座椅调节顺序如图3.16所示 图3.16 座椅调节顺序3.4轮椅各项参数经过本章的各项设计，最后得出轮椅车的各项数据如下表3：表3 轮椅车参数项目大小项目大小轮椅车长度950mm轮椅车宽度680mm轮椅车高度980mm行星轮轮距680mm后车轮半径100mm前车轮半径55mm行星轮架半径145mm传动轴齿轮齿数50第一行星齿轮齿数35第二行星齿轮齿数25驱动电机额定功率400W驱动电机额定电压48V蓄电池容量25A3.5本章小结这章具体介绍了轮椅车各个部分的具体设计情况，更加详细的介绍了轮椅车的底架，座椅调平机构，传动系统运动单元，动力系统等结构，给出了轮椅车的各项参数，大体完成了轮椅车的设计过程。其中，重点介绍了传动系统运动单元，选择了行星轮机构作为轮椅车的越障系统，通过行星轮机构在康复式梯的几个状态，计算出了星型轮架以及轮椅车轮的尺寸范围。选定了电机，控制器，驱动器以及蓄电池。4 轮椅车的运动特性分析4.1轮椅车的平地运动分析根据轮椅车的实际运动情况，轮椅车在平地上的运动情况可以分为两种：1)平地行驶，假设将坐标系固定在车体的中心，轮椅车的简化模型如图19所示，将行星轮轮组简化成一个车轮。行星轮是驱动轮，乘坐者通过将座椅右边扶手上的摇杆向前推或者向后拉来驱动轮椅车在平地上前进或者后退，按下座椅右边扶手上的蓝色按钮可以使轮椅车以平地行驶速度行驶。 图4.1简化模型在直线行驶时，假设轮椅车行星轮的速度为，那么轮椅车与行星轮之间速度关系为： 可以看出，轮椅车直线行驶时，所有车轮的速度大小和方向都等于轮椅车行驶的速度和方向。当轮椅车转向的时候，乘坐者可以通过将座椅右边扶手的摇杆向斜方向摇动来使轮椅车完成转向。转向时，行星轮连接的两台电机的转速会发生变化，一台电机速度减小，带动电机连接的那一边的行星轮车轮的速度减小从而实现转向。2） 翻越障碍当轮椅车在行驶过程中遇到无法躲过去的障碍时，首先转向，使后轮对着障碍物，传感器感应到障碍之后控制离合器闭合，通过行星轮架翻转翻越障碍。此时，前轮速度与后轮行星轮架移动速度相同。4.2轮椅车康复式梯运动分析轮椅车在康复式梯时，轮椅背对楼梯，按下座椅左边扶手褐色按钮，将速度改变为康复式梯速度，当行星轮碰到楼梯时，行星轮轮组由自转转变为公转，即定轴轮系变为了行星轮系，电机直接带动行星轮架翻转，两对行星轮架同时翻转，慢慢完成康复式梯过程。康复式梯过程如下图所示。在康复式梯的过程中，座椅下方的双轴倾角传感器感应座椅与地面的角度来控制液压机构调节座椅前部分的高度，使座椅一直处于水平状态，保证使用者的人生安全，避免因为重心改变而让使用者提心吊胆。 1 2 3 4图4.3 康复式梯过程4.3轮椅车的行驶性能分析4.3.1爬坡性能轮椅车在坡道上匀速行驶时，轮椅车的受力分析简图如下 图21 受力分析轮椅车上坡行驶受到的阻力大致包括坡度阻力和滚动阻力。坡度阻力大小就是轮椅车重力在沿坡度方向向下的分力，即 （3-2）滚动阻力计算方式如下 （3-3）为滚动阻力系数在轮椅爬最大坡度时，轮椅车的总驱动力应该不小于轮椅车在地面上受到的反作用力，即 （3-4）其中为车轮与地面之间的附着系数。通过以上三个公式最后得出： （3-5）化简后 ，得可以看出，当知道了滚动阻力系数与车轮与地面之间的附着系数时，就可以得到爬坡的最大角度。4.3.2侧倾角车辆侧倾角是评定车辆单侧车轮同时越过障碍物的最大高度的能力和车辆在倾斜路面行驶能力及车辆行驶稳定性的重要指标。如下图所 示。轮椅车倾斜角度为的坡路上匀速直线行驶，此时轮椅的重心不会改变，当坡道的角度达到一定数值时，轮椅车就会发生侧翻。根据受力分析，可以得到以下公式： （3-6）化简，得 由上式可以看出，轮椅的重心高度与它的侧倾角呈反比，可以行走的坡道的角度就越大或者是翻越的障碍物越高，但重心高度过低的话，轮椅车的底架就会变得太低，不利于轮椅车在起伏的地面上行驶。因此，设计的时候应该尽量把重心降低，增加轮椅车的稳定性。由上文数据可以得知，轮椅的重心高度，通过计算最后得出。 4.3.3通过障碍最高高度在轮椅车行驶过程中遇到障碍物时，若障碍物的高度低于某个特定的数值时时，行星轮可以直接越过障碍物，但当行星轮遇到的障碍物的高度比特定数值大时，需要通过行星轮架翻转来越过障碍物。这一小节的目标就是求出这一特定数值。 要测出行星轮能通过的障碍的最高高度，首先应该让行星轮的其中两个车轮靠在台阶边缘上，并且行星轮可以跨越的最高高度应该与靠近台阶的上部分的车轮的中心线平齐，如下图22所示。图4.3最大高度已知车轮半径为r，行星轮架的半径为R，跨越障碍的最高高度为，那么可以得出： （3-7）代入前文设计的数据，得mm如果轮椅车遇到的障碍物只需要一边的轮来翻越，那么就要注意障碍物高度是否有超过351mm，轮椅车一侧抬高351mm后，车体与水平路面会形成一定的倾角，通过计算得出此时倾角的度数，与侧倾角进行对比，如果小于侧倾角，那么遇到的障碍物超过351mm时，就让轮椅车绕开障碍物行驶，如果大于侧倾角，求出在倾斜角度为侧倾角度数时的越障高度，轮椅车不可以翻越此高度的障碍物。4.3.4转弯半径本设计的轮椅车没有专门的转向机构，这样机构会比较简单，更容易设计，轮椅车的转弯是通过与行星轮相连的两个驱动电机控制的。通过控制两台电机的转速，时它们的转速变得不相同，从而达到轮椅车转向的目的，也就是差速驱动。差速驱动可以分解为平移运动和原地旋转运动。假设左右两个车轮的速度分别为和，那么，轮椅车的转向半径为： （3-8）上式中 ，L为车轮轴线长度。4.4本章小结本章分析了轮椅车在平地行驶以及康复式梯时候的运动，通过图来模拟出了轮椅车在康复式梯时候的行星轮的转动情况，生动形象的表达了轮椅车的运动特性。分别计算了轮椅车的最大爬坡角度，侧倾角，翻越障碍物最高高度以及转弯半径四个行驶性能。 总 结如今，随着社会的发展，人口老龄化越来越严重，人口增长也未曾停下速度，庞大的人口基数带来的是需求轮椅车的数量的上升。为了解决轮椅车的供求问题，以及方便残障人士和老年人的生活出行，结合我国的实际情况，对比国内外研究的轮椅车的优缺点，设计出一种适合我国国情的康复式梯轮椅车。本文设计出了一种可以康复式梯的电动轮椅车，使用行星轮轮式结构，平地行驶时行星轮自转，遇到障碍物或楼梯时行星轮绕轮轴公转，通过改变电机转速来让轮椅车转向，使用了液压传动系统调节座椅的角度，通过双轴倾角传感器使座椅始终保持水平状态，让使用者一直保持安全状态。轮椅车的研究涉及到很多的学科，比如机械设计，电气专业，力