四轮平衡车式爬楼轮椅机械结构设计说明书论文

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII摘要Soildworks关键词：爬楼轮椅 机构设计 行星轮式 运动仿真Abstractthedevelopmentofourcountry,people'sdemandformaterialisincreasing,theproblemofagingpopulationisbecomingmoreandmoreserious,andthenumberofpeoplewithphysicaldisabilitiesisincreasing.However,thecurrentdomesticelectricwheelchairhasasinglefunction,whichcannotadapttotheroadconditionsofstairsandsteps,andcannotmeetthemarketdemand.Therefore,wecandevelopawheelchairwiththefunctionofwalkingonflatgroundandclimbingstairs,Itisofgreatsignificancetothedevelopmentofwheelchairindustry.Inviewoftheaboveproblems,thispaperdesignsasimple,safe,reliableandeasytooperateclimbingwheelchair.Thispapermainlycompletesthemechanismdesignoftheclimbingwheelchair.Bycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofstarwheeltype,crawlertypeandsteppingsupporttype,thispaperdeterminestheschemeanddesignsaplanetarywheeltypeclimbingwheelchair.Afterdeterminingtherelevantdimensionsoftheclimbingwheelchair,thesolidmodeloftheclimbingwheelchairisestablishedbyusingSolidWorks.Finally,themotionsimulationoftheclimbingprocessoftheclimbingwheelchairverifiesthefeasibilityofthescheme.Keywords:climbingwheelchair,mechanismdesign,Planetarygear,motionsimulation.PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII目录摘要 IAbstract II第1章前言 1课题研究背景 1国内外的发展现状 1行星轮式爬楼轮椅 1履带式爬楼轮椅 2步进支撑式爬楼轮椅 3腿式爬楼轮椅 3本文主要研究内容 4第2章爬楼轮椅爬楼原理的确定 5设计要求 5爬楼方式的选择 5行星轮式机构的设计 6行星轮式爬楼机构的设计 6爬楼轮椅平地行走机构的设计 8爬楼轮椅重心调节机构的设计 9座椅调节机构 10轮椅侧面翻转机构设计 10爬楼轮椅的爬楼爬楼过程演示 11本章小结 12第3章爬楼轮椅关键零件的尺寸设计 13爬楼轮椅的基本设计参数 13行星轮组及行星轮尺寸设计 13齿轮齿数的确定 17本章小结 18第4章电机功率的计算 19平地行走时的功率计算 19爬楼行走时的功率计算 20电机的输出功率的计算 21本章小结 21第5章工程定额概算 22对爬楼轮椅的成本预算 22本章小结 23总结与展望 错误！未定义书签。参考文献 25致谢 26PAGEPAGE9第1章前言课题研究背景1-1示了人口老龄化的趋势，图1-2表示了残疾人的数量的变化趋势。图1-1人口老龄化的趋势 图1-2残疾人口的比例所以本文设计这一款多功能的爬楼轮椅具有很大的价值及意义。国内外的发展现状4撑式、轮腿复合式。以下是对这四种不同形式爬楼轮椅的简述。行星轮式爬楼轮椅1-1轮椅的灵活性，这是行星轮式爬楼轮椅发展缓慢的原因之一。图1-1星轮式爬楼轮椅履带式爬楼轮椅动，履带与楼梯边缘啮合，产生一个摩擦力，从而带动轮椅完成爬楼。价昂贵、对楼梯的破坏程度过大，这也是履带式爬楼机构受限制的原因之一。1-2提高了爬楼的稳定性。图1-2轮履复合式爬楼轮椅步进支撑式爬楼轮椅市场前景会越来越好。图1-3步进支撑式爬楼轮椅腿式爬楼轮椅1-4图1-4腿式爬楼轮椅较少。本文主要研究内容CATIA软件对每一个零件三维建模后进行装配，最每一章的具体研究内容如下：章节的内容安排。定爬楼轮椅的爬行原理，爬行方式。第三章对爬楼轮椅的平地行走机构和爬楼行走机构的主要零件的尺寸进行计算，最后确定各个零件尺寸。所需要的功率，分别对电机进行选择。第2章爬楼轮椅爬楼原理的确定设计要求而且有良好的安全性能，价格适当。该产品的设计要求如下：座椅舒适，能够在爬楼过程中调节重心。体积小，重量轻，便于爬楼和越障。能够适应楼梯的标准，适应不同尺寸楼梯。能够确保上下楼时的安全性及平稳性。操作简单，容易控制。爬楼方式的选择也有一些攀岩轮椅，增加座位的轨道。市场上现有的攀爬轮椅大致可分为四类：星形轮攀爬机构、轨道攀爬机构、台阶支撑攀爬机构和腿部攀爬机构。减少对地面的损坏。2-1表2-1是三种爬楼方式的横向对比爬楼方式履带式步进支撑式行星轮式设备最大载重量140kg110kg100kg上下楼梯速度每分钟20阶左右每分钟7-12阶每分钟8-20阶耐磨程度较强中较强对楼梯的破坏破坏楼梯边缘无无是否有制动装置无无有设备自身重量约45kg47-50kg23-30kg是否可折叠否否否上下楼梯重心变化稳定变化较大变化缓慢爬楼速度快一般慢机械控制难易程度一般复杂容易产品价格适中昂贵廉价行星轮式机构的设计行星轮式爬楼机构的设计组来实现轮椅的爬楼功能。2-12-1链传动不仅提高效率而且有利于对爬楼机构的控制。2-2,2-3图2-2离合器示意图图2-3齿轮箱结构示意图成本。爬楼轮椅平地行走机构的设计2-4维图。图2-4地面行走机构三维图行走功能。图2.5为控制面板，当乘坐者想要改变轮椅的地面行走速度时，可以按下控制面板上的加\刹车可靠性高而且反应快。2.5轮椅的控制面板爬楼轮椅重心调节机构的设计PAGEPAGE19图2-6重心调节机构2-6座椅调节机构2.7图2-7座椅调节机构动，从而达到调节座椅保持水平状态的目的。轮椅侧面翻转机构设计考虑到轮椅的使用者多是残疾人士或者肢体瘫痪人士，他们行动不便，出于2-8侧面翻转机构。图2-8侧面翻转机构爬楼轮椅的爬楼爬楼过程演示CATIA2-92-10过程，图2-11为爬楼轮椅在爬楼行走时的过程。图2-9轮椅的三维模型图2-10爬楼轮椅平地行走状态图2-11爬楼轮椅爬楼行走时的状态本章小结本章主要对整个轮椅的各个机构进行了设计，具体的这几内容如下：提出了本文的设计要求，并且根据设计要展开设计工作。五个机构进行设计。CATIA第3章爬楼轮椅关键零件的尺寸设计爬楼轮椅的基本设计参数为了后续的研究和推广，轮椅以上两种功能实现必须符合国家的设计标准。表3-1为轮椅在地面行走时的基本要求。表3-1电动轮椅的国家标准要求项目内容 室内轮椅 室外轮椅总长L(mm)<1200<1600B(mm)<700<750L(mm)<1090不作规定最大速度(km/h)<4.5<5水平路面制动(m)<1<3.5爬坡能力(°)>3>8220mm240mm260mm、280mm、300mm、320mm250mm；楼梯的高度不应大210mm120mm,各级之间的高度都应该相同。综合上文，为了能够使楼轮椅能够具有更好的适应性，同时考虑到爬楼轮椅其自身的结构和重量，300mm150mm行星轮组及行星轮尺寸设计3-1300mm150mm24图3-1行星轮组爬楼过程示意图3.1足以下关系式。c+d=ƒ 120度。滚动的距离e为：e=（3-2）3滚动距离ƒ之间应该满足关系式（3-3）a=ƒ+e 3-1满足勾股定理ƒ2ƒ2+b2LR（3-5）

（3-4）L= 3R （3-5）根据上面5个公式可以推导出公式3-63×（a−2nr3）23×（a−2nr3）2+b23公式中的a为楼梯的宽度，b为楼梯的高度r为行星轮的半径。R的公式来表达，3-6aa时，爬一个周期相比于理想爬楼的状态都会向后移动一段距a也不会对乘坐者的安全产生较大影响。因此，这种情况是可以接受的。的尺寸，避免意外发生。3-6r要小于连接行星轮与主轴之间的距离即：3-8

2r≤

2r≤L （3-7）（a−2nr（a−2nr3）+b22300mm150mm3-8可以得到：r≤2nn （39）图3-2为轮椅爬楼在爬楼过程中角度示意图，两个行星轮中心之间的夹角为12060导出公式3-10b≤tan60° （3-10）ƒ图3-2爬楼过程角度示意图由之前的公式3-2、3-3可得公式3-11：3可以解出r的取值范围：3

ba−2nr

≤tan60° （3-11）r≤2nn （312）3-33-3R=2d1 （3-13）图3-3三星轮组内部示意图圆直径足公式（3-14）、（3-15）。t>d1 （3-14）t<ℎ （3-15）2（3-14），（3-15）中：t—三星板的宽度，单位毫米（mm）；d1—齿轮箱内齿轮分度圆的直径，单位毫米（mm）；ℎ3-1、3-2、3-3：

∝=þ+30° （3-16）∝1+þ1=α （3-17）r2+（b−r）2Hr2+（b−r）2ℎ=H×sin∝1 （3-19）1tanþ=b−r1rtanþ=br+d

d=ƒ−r （3-22）3×a−2nr2+b23与公式3-2、3×a−2nr2+b23r2+b−r2r2+b−r2

bd+r

+30°−cot ≥ 12

（3-23）rrr≥.2nn （324）联立3-9、3-12、3-24得到：.nn≤r≤2nn （325）齿轮齿数的确定3-2575mm3-6R为120mm由此可以推算出齿轮箱内的齿轮的分度圆直径为60mm。选取常见的标准齿轮模数2，根据公式3-26计算出齿轮齿数：z=d1n

（3-26）将1=60mm，n=2代入，齿轮的齿数z为30，三星板的宽度应该大于齿轮的分度圆直径，本文选取三星板的宽度为80mm。本章小结根据国家规定，对楼梯的宽度和高度进行选择。第4章电机功率的计算平地行走时的功率计算轮椅在不同行走状态下的电机功率不同，分为两种：平地行走和爬楼行走。在平地行走时，在查阅了资料后，本文设计在地面行走的速度不超过4m/s,爬楼时每分钟爬楼三个周期，也就是每分钟可以翻过九个台阶。轮椅在平地行走时应该满足以下关系式：tF=TttrtF=Tei5tr式中：Ft—是驱动力，单位牛顿（N）；Tt—是驱动转矩，单位N·m；i—是减速器的传动比；TeN·m；η—是传动的机械效率。

（3-27）（3-28）关系式：Ft=Fƒ+Fw+FiFj 公式中：Ft—为驱动力，单位牛顿（N）；Fƒ—为滚动阻力，单位牛顿（N）；Fw—为空气的阻力，单位牛顿（N）；Fi—为坡度阻力，单位牛顿（N）；Fj—为加速度阻力，单位牛顿（N）。在平地行走时，空气阻力可以忽略，其他阻力的计算如以下公式：ƒF=G×cos∝∙hƒr

（3-30）Fi=G×cos∝ （3-31）jF=k×nvj公式中：∝为路面的倾斜角度，单位度（°）；

（3-32）PAGEPAGE26λ为滚动摩擦系数；k为换算系数；dv为轮椅的加速度，单位m/s2；dtrm（kg）。联立公式3-28则轮椅需要的最大功率P为：P=e5v=Gcsαh+Gcsα+k×nv×v （333）r r dt当取m为140kg，α为°，λ为0.05，k=1,v不超过4m/s,v=.n2,dt可以求出最大功率P1=75W。当取m为140kg，α为°，λ为0.05，k=1,v不超过5m/s,v=.n2,dt可以求出最大功率P2=109W。爬楼行走时的功率计算在轮椅爬楼时是靠三星轮组的纯滚动来实现，爬楼时的平均功率为：P3=Gsin∝v （3-34）式中：v为爬楼时的平均速度，可以根据公式（3-35）来求得v=ℎt式中：hts。

（3-35）前文中提到选择楼梯高度为150mm，并且选择一分钟爬9个台阶，所以h为1350mm，t为60s。从而求得P3=32W。式中所求的P3值T1：T1=GR （3-36）式中：G为轮椅和乘坐者所受的重力，单位N；R为行星轮架的半径，单位mm。代入1400，R120mm得到1=168N·m。重力输出的最大的功率ax：ax=1m （337）m=2nn60

（3-38）联立（336），（337），（338）其中n3,1=168N·m，从而得到最大功率ax=53W，电机的输出功率的计算综上所述，电机在平地行走的时候需要的最大输出功率P2为109W，则需要电机的最小输出功率P3为：3P=P2K135代入K1=1.2,η=0.9,求得P3=145W。

（3-39）电机在爬楼行走的时候需要的最大输出功率为ax=53W，则需要电机输出的最小功率4为：4P=nx245代入K2=1.2,η=0.75,得到P4=85W。本章小结

（3-40）地面行走所需要的最大功率。地面行走所需要的最大功率。进行计算。第5章工程定额概算对爬楼轮椅的成本预算5.1表5.1多功能爬楼轮椅的零件成本预算表项目数量材料材料费用加工费用总价（元）（元）（元）支撑架245号钢50100150弯曲齿条245号钢40100200连接板245号钢5050150驱动齿轮245号钢5050100滑轮445号钢20080传动轴245号钢1000200驱动轴345号钢1000300连接轴245号钢1000200脚踏板145号钢5050100传动齿轮2445号钢4800480液压杆145号钢1000100行星轮1245号钢2400240三星板445号钢1000100把手2橡胶20020减速电机245号钢100001000座椅钢板145号钢10050150耳板245号钢40040靠背支撑板145号钢10050150皮带2橡胶40040海绵1海绵50050轴承245号钢5050100曲柄连杆耳板245号钢10050150人工组装费用1000总计5100由表5.1对轮椅的各个零件价格以及加工费用的大致估算，对轮椅机械部分5100费，降低成本。本章小结能的情况下，使轮椅的价格更低，让更多需要轮椅的人可以买得起这款轮椅。结论对他们的日常活动起到辅助的作用。本文的主要工作内容如下：移除了多功能爬楼轮椅的方案，并对此方案进行分析和设计。加了座椅调节机构，可以使座椅时刻保持水平状态。使乘坐者更有安全感。根据此标准对轮椅的主要零件的尺寸计算，最后确定主要零件的尺寸。同时用CATIA电机型号。面翻转，这样可以把乘坐者转移到床上，为乘坐者提供了方便。离真正的投入市场还有很长的一段路要走，本文的继续研究内容如下：现在平地行走和爬楼行走两种运动模式的切换。使轮椅更加轻盈、灵活。行走等功能。参考文献黄匡时,刘鸿雁.基于《世界人口展望》2017[J].人口与计划生育,2017(8):15-17.前瞻产业研究院.2015-2020张建卓,刘佳.可上下楼梯轮椅机器人的现状研究概述[J].程.2016(1):45-47.[J].动,2015(3):30-36.梁虎.全方位姿态爬楼机器人机械系统及关键技术研究[D].上海:东华大学,2014.袁磊.轮椅机器人的设计及运动控制研究[D].南昌:南昌航空大学,2013.周冬雨,邢晓冬.一种全向移动爬楼轮椅的结构设计与分析[J].宋永涛,袁建军,张伟军,等.被动行星爬楼移动平台机构设计及分析[J].机电一体化,2012,18(4):18-22.姚怡.可上下楼梯的智能机器人设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2013.范星光,李屹,贾亮.行星轮式爬楼轮椅的传动方案及运动仿真[J].机械工程学报,2016,40(3):83-85.Chocote