【《基于人因工程的多功能轮椅结构设计》12000字（论文）】

基于人因工程的多功能轮椅结构设计摘要：轮椅是残障人士的代步工具，其在帮助残障人士出行和参与康复训练、社交活动等方面发挥着重要的作用，目前市面上销售的轮椅大多不能解决残障人士及老年人在上下楼梯遇到的问题，如今我们国家的老年人越来越多，老年人人口数量不断攀升。而人因工程需要考究人、机、环境的相互配合，老年人对轮椅的要求也在提高，因此，设计一个适应没有电梯的爬楼梯轮椅是必须的。这次毕业设计主要研究多功能轮椅的结构设计，包括多功能轮椅的现状和发展趋势做简单介绍，同时利用Pro/E软件对多功能轮椅各零件进行了三维造型和虚拟装配。多功能轮椅采用行星轮装置，轮椅有平地行驶运动和爬楼梯运动这两种功能，在此基础上，每个运动都有一个电机控制，而且轮椅上还装有减速装置、减震装置以及转弯装置，使得轮椅的稳定性和安全性大大增加。关键词：人因工程；多功能轮椅；结构设计；Pro/E目录1绪论 11.1研究的目的与意义 11.2在国内外的研究现状和发展趋势 11.2.1轮椅在国内外的研究现状 11.2.2轮椅的发展趋势 21.3课题研究的主要内容 32多功能轮椅的总体方案设计 42.1轮椅的概述 42.2轮椅设计的原则 52.3轮椅的总体方案设计 52.3.1设计方案一 52.2.2设计方案二 62.2.3设计方案三 72.5轮椅的工作原理 82.6轮椅的总体结构设计 83前底座的结构设计 93.1转弯机构的设计 93.2前底座行星轮装置的设计 113.3方向盘机构的设计 114后底座的结构设计 124.1行星轮装置的设计 124.1.1前（后）盖和小轮的设计 134.1.2齿轮的选用 144.2电动机的选择 174.2.1电动机的选用原则 174.2.2电动机功率的计算 174.2.3电动机的选择 184.3传动机构的设计 194.3.1后链轮的结构设计 194.3.2后轮空心轴的设计 225轮椅结构的设计 245.1座椅的选用 245.1.1基于人因工程爬楼梯轮椅的座宽 255.1.2基于人因工程爬楼梯轮椅的座高 265.2轮椅架和减震器的设计 26本文总结 28参考文献 30附录 311绪论1.1研究的目的与意义轮椅不仅是残疾人进行行走和康复的工具，而且也是老年人的锻炼身体、参加活动的出行器械。目前，我国人已经逐渐步入老龄化，人年老后，身体机能下降，由于行动不便对轮椅的需求数量增加，只有一种功能的轮椅已经很难满足老人上下楼梯的需求，其中的原因是农村楼房基本上都没有安装电梯，哪里的楼基本上都是五六层，对于行动不便的人来说，上下楼是很不方便的，如果用普通轮椅的话，还要单独建造道路。因此，现在开发简便、结构简单的爬楼梯轮椅是很重要的。我国目前有十五亿人口，其中有超过十万老年人和残疾人需要轮椅，过去老式的轮椅功能单一，不能实现上下楼梯的功能，给家人也带来许多不便。因此，给老年人和残疾人一个自由、宽广的空间，制造出爬楼梯的轮椅，这有着很好的发展前景，到现在，虽然有部分爬楼梯轮椅，但是价格有些偏贵。老年人和残疾人的收入来源都很固定，甚至没有收入，全靠亲属养活。因此，我所要设计的轮椅需要满足：结构轻巧，轻而简单，价格能够相对便宜，让老年人和残疾人能够感受到社会的温暖，促进社会更加文明和谐，社会更加人性化。这次毕业设计的研究也有现实意义，能够让我们了解国内外产品的发展动态，让我们的知识了解的更加全面，能够培养我们的思维。而且让我们对二维软件、三维软件设计更加熟悉，画出来可以缩短研发周期，降低成本，为新产品开发奠定基础。1.2在国内外的研究现状和发展趋势1.2.1轮椅在国内外的研究现状轮椅有电动和手动两种模式，它的功能就是代替不方便走路的人行走。轮椅可以用来帮助伤员、病员、残疾人和老年人康复、锻炼、就诊、外出活动，而且更重要的是能够方便家属照顾和带残缺人出去进行户外锻炼以及疏导患者心理。据近几年的数据表示，中国每年因为交通事故而受伤的人少则有数十万，多则有几十万，其中大约有一半人需要轮椅来恢复和进行日常活动，还有我国老年人人口正在极具增加，随着人民生活水平的提高，老年市场对于轮椅的需求量也大大增加，未来轮椅的发展前景也很可观。而外国对多功能轮椅的研究相对开始的比较早，最早的研究是1892年美国人Bray发明创造的爬楼梯轮椅。随后各国都纷纷投入科研力量对多功能轮椅进行研究，其中美国、英国、德国和日本对轮椅的技术掌握的相对全面，并且对市场也投入使用，而我国对这方面的研究是比较晚的，近几年对多功能轮椅的研究才迅速崛起，但真正投入市场的产品还是比较少的。由于很多方面的影响，爬楼梯轮椅有很多都停留在实验室研究的阶段，国产的爬楼梯轮椅在市面还是很难看到的，因为它们在爬楼方面的稳定性和安全性都不能得到很好的保障，现在的爬楼梯轮椅大多都是依赖进口，消费市场也大多集中在中高端市场，普通老百姓根本消费不起。总结国内外的爬楼梯研究技术，可以得出目前爬楼梯轮椅有履带式、轮组式、步行式三种类型，而随着中国乃至世界都开始步入老龄化时代，老年人对于轮椅的需求量只会与日俱增，并且还有许多患者需要借助轮椅恢复和行走。今后10年，全球轮椅、助步器类产品将迎来“高速增长时代”。1.2.2轮椅的发展趋势人的年龄越来越大，逐渐步入老年的时候，身体机能也在逐步衰老，老年人的腿脚也逐渐不灵活了，他们需要借助轮椅等辅助工具来进行行走和活动。近年来，电动爬楼梯轮椅已成为一个新兴产业，轮椅服务的人群有高龄人口、残疾人和患者，它既有其独特的发展特点，即减轻了使用者的体力消耗，又增加了电子系统，轮椅操作更方便。随着我国的科学技术不断发展，人们对轮椅的要求不仅仅局限于平地行走，他们想要更加多功能的轮椅。因此，轮椅的发展方向是向着单人操作的发展的，未来的爬楼梯轮椅会更加智能、轻巧、实用性强，还有一个大众都比较关心的问题，爬楼梯轮椅的价格会大大改善，能够更加适用于普通家庭，轮椅更加轻巧、便宜、智能化是当前发展的主要趋势。未来的轮椅发展趋势主要有以下几点：（1）爬楼梯轮椅的安全性，因为在上下楼梯的过程中，要保持绝对的安全，即使是遇到特殊情况，轮椅会发生失效的状况，也能够及时锁住轮椅，保障使用者的安全。（2）爬楼梯轮椅座椅的舒适性，不仅在平地行驶时要保持稳定，而且在上下楼梯时，要保持乘坐者的重心不会失衡，也不会太颠簸，避免让乘客产生恐惧感。（3）爬楼梯轮椅的智能性，轮椅上下楼梯可以自己单独一个人完成操作，能够单独控制电机的切换和重心的平衡，不需要另外一个人来辅助。（4）使用新材料、新技术，爬楼梯轮椅的质量一定要轻便，材料的强度硬度也要得到保障，最重要的一点：爬楼梯轮椅的售卖价格不能太贵，它要面向普通大众。1.3课题研究的主要内容本课题旨在设计一款从用户自身出发，消除老年人和肢体残障人生活中因肢体不方便所遇到的障碍，辅助用户生活的多功能轮椅。全文围绕多功能轮椅的功能设计与结构设计进行研究，使多功能轮椅在功能上突破市场上现有轮椅，结构上满足轮椅工作性能，同时对轮椅的结构提出优化的要求，以提高轮椅的稳定性、灵活性。具体研究内容如下：经过市场调研，采用人因工程的设计理念，轮椅不仅要舒适，而且要稳定，在此基础上，完成对多功能轮椅的总体设计和细节设计。设计的轮椅要美观，使用便利，结构轻巧有在平地行驶的功能，而且还能够实现上下楼梯的功能。轮椅的零件要用三维软件设计，还要进行三维造型和虚拟装配，来检验设计方案的可行性。要求对多功能轮椅各组成零件的结构进行设计，要求零件结构合理，尺寸正确。画出各零件的三维模型和二维工程图。完成多功能轮椅的三维装配与仿真，要求装配关系正确。

2多功能轮椅的总体方案设计2.1轮椅的概述轮椅可以用于残疾人、老年和一些行动不便的人使用，可以实现前进、后退、转弯和爬楼梯，也可以在室内外使用，操作比较容易方便。电动轮椅分类：1、普通电动轮椅：轮椅一般是8寸的轮子，并且只有前行和后退的功能。2、两用电动轮椅：操作人员可电动或手动行走。后轮通常是24英寸或22英寸的车轮。3、可躺轮椅：除电动行驶功能外，还可实现平躺，从90°到180°之间任意一个角度，还能锻炼身体。4、站立和躺着电动轮椅：除了正常功能外，还可以实现站立和躺着，随着这种电动轮椅的出现，很多腿脚残疾或中风偏瘫的患者都可以实现自己的梦想，而且通过平躺站立，可以帮助使用者锻炼身体，避免长时间坐在轮椅上，容易产生褥疮。5、其他特殊功能电动轮椅：如定位系统，手电筒功能，一件通讯等特殊功能。有一次，我不经意间看见搬运工人运用带有行星轮的手拉车来搬运货物，如图2.1。其工作原理是：平路行驶时，行星轮中的小轮旋转，能够在平地上实现前进和后退；上下楼梯时，拉着运货小车，小轮抵住墙角，行星轮就开始转动了，下楼梯也是一样的原理。由此，我联想到轮椅上能不能用到这种行星轮机构，于是我就进行了轮椅的结构设计图2.1手拉车2.2轮椅设计的原则多功能轮椅设计不仅要考虑整体结构设计的合理性、舒适性，还要考虑人体在内的轮椅主要部件的尺寸结构，即轮椅的总长、总高、总宽，以达到最佳舒适效果。本次毕业设计采用三维设计软件Pro/E进行辅助设计和优化，Pro/E进行虚拟产品设计分别有自底向上和自顶向下两种设计方法。本课题主要采用Pro/E的自底向上的产品设计方法。自底向上的产品设计是先对产品的各个部分进行设计，然后将各个部分单独组装成一个完整的产品的设计方法，设计方法相对简单，层次较低，设计思路相对清晰，设计原则相对容易被广大用户接受，但设计理念不够先进，设计方法不够灵活，这种方法主要应用在成熟的产品设计过程中，可以达到更高的设计效率。自顶向下的设计是自底向上设计的反面，在设计中，首先勾画出产品的总体设计比例或创建装配的二维部件布局图，然后根据比例分别绘制出产品的零件模型。在现代虚拟产品设计中，通常先对整个产品的外部概念和功能概念进行设计，然后逐步将产品设计细化到单个零件。2.3轮椅的总体方案设计2.3.1设计方案一结合本章2.1和2.2的知识，我想出了初步的模型图2.4设计方案一这个方案的结构有十字架和单脚架的结构，前面的十字行星轮转动是爬楼梯的主运动，后面的行星轮有四个小轮。轮椅上下楼时，可以转变单脚架的角度，从而改变上楼的方向，前面的十字架可以根据楼梯的宽窄而改变长短，中间的驱动轮主要用于在平路上行走，有转向和驱动的功能。爬升脚（绿色部分）；转向轮（黑色部分）；星盘（红色部分）；小轮（灰色部分）；动力配置（图2.4中金色部分）轮椅上下楼梯时，座椅采用升降机构，使老人和残疾人坐在更舒适的位置，可通过调节升降机构的高度和爬升角的角度来调节座椅水平。然而在上下楼梯时，后轮的行星轮机构，驱动轮带动轮毂旋转，后面的行星轮的小轮会发生移动，从而造成轮椅打滑，为了解决这个问题，查阅文献和资料，制作出如图2.5的自锁机构。图2.5自锁机构抬升圆台（图2.5绿色）；枝干（图2.5红色）；小齿轮（图2.5黄色）从图中可以看出，自锁机构中的小圆轮都带有齿轮，中心带有圆台，四根支柱与齿轮上的齿相连接。上下楼梯时，轴带动圆台升高或降低，升高使四个支柱靠近齿轮，支柱与齿轮形成啮合，从而实现自锁的功能。圆台下降，啮合解除，自锁就消失了。然而这个设计方案还是有一些缺点，它的承重主要集中在后端，加上老年人本身和轮椅自身的重量，使得轮椅后端承重太重，电动机的驱动力难以达到要求。2.2.2设计方案二根据在学校所学的知识和查找相关的资料，参照以前有过的多功能轮椅样式，设计出如图2.6所示的轮椅，这种爬楼梯轮椅运用行星轮结构，使得轮椅整体结构小，重心十分稳定，轮式结构在平地使用灵活轻快，行星轮结构可以运用多种不同大小的楼梯，安全性高，平稳性好，操作简单易上手。轮椅运用了两对行星轮机构，采用前后交叉轮盘的机构。轮椅整体可以分为两个部分，前面部分属于从动装置，只有一个行星轮装置，后面部分是主动装置、是驱动轮,装有从动链轮和链条，在两个部分连接的地方装有方向盘，利用车本身转动，依靠方向盘的摆动控制轮椅的转动方向。图2.6设计方案二方案二的结构还是有不到位地方：（1）圆柱电机没有合适的减速电机来使用，上楼时的扭矩过小，不易爬上楼梯；（2）转弯设备不是太灵活，不能很好的控制，缺乏一定的安全性和稳定性；综上所述：优化结构设计应该采取减速措施以及合适的转弯装置。2.2.3设计方案三根据方案一所设计出来的结构，改正不足的地方，查阅相关的资料和文献，设计出如图2.7所示的整体结构。图2.7设计方案三这种方案对设计方案二中的转动结构和转弯机构进行了改善，使得轮椅整体结构更小，重心稳定，降低了噪音，提高了机械结构的传动效率，而且使得操作更加灵活，降低了轮椅的重量和成本。该方案的转弯机构运用平常小轿车的前轮转弯设备的设计，可以实现不同半径的转向转动，使得轮椅更加容易控制，安全性和稳定性也提高了，并且电机传动中还采用了一级减速装置。综上所述，轮椅结构的优化和轮椅的总体设计的架构，最终选择设计方案三来做这次的结构设计。2.5轮椅的工作原理爬楼梯轮椅的工作原理：平地行驶时，后轮的矩形电机带动后轮盘中的齿轮，后轮盘的任意两个小轮着地，控制前面带有方向盘的转弯机构，从而实现平地前进、后退和转弯；上下楼梯时，行星轮的小轮抵住墙角，小轮停止转动，此时圆柱形电机工作，通过链传动来使后轴行星轮转动，从而实现上楼梯的功能。2.6轮椅的总体结构设计轮椅由以下三大机构构成：1、前底座装置：前底座带有一个方向盘把手，相似于汽车的方向盘，通过转动方向盘来带动转弯装置，从而实现直行和转弯。2、后底座装置：后底座带有两个电动机，通过驱动装置带动链轮，实现平地行走和爬楼梯功能；还需要承受使用者的重量，保持轮椅的稳定性。3、轮椅的构架：考虑到人体的结构，需要设置轮椅的座椅宽度、座椅的高度和轮椅的总体尺寸。3前底座的结构设计前底座的结构由转弯机构、方向盘机构、行星轮等装置组成，如图3.1图3.1前底座3.1转弯机构的设计转弯机构运用方向盘的把手使得使用者对轮椅前进的方向更好控制，它的整体设计可以让小车完成更加复杂的运动，在平路上行驶时，行星传动的两个小轮都能接触地面，扭矩由直流电机控制，方向盘控制旋转方向，电动轮椅能以不同的转速和速度达到不同的转速，后轮驱动为小轮转动，可以实现轮椅的不同角度的转弯。转弯机构的结构如图3.2图3.2转弯机构转弯机构由连杆（两个）、连接件（四个）和轮组锁（两个）等结构组成。连杆的结构如图3.3图3.3连杆连杆的作用：连杆的两端分别与主动和从动构件铰接，并且用来传递运动和力。主动构件是方向盘机构，从动构件是行星轮装置。连接件的结构如图3.4和图3.5所示图3.4连接件1图3.5连接件2连接件的作用：在连杆构件与轮组锁构件之间起连接作用的小构件。轮组锁结构如图3.6所示图3.6轮组锁轮组锁的作用：连接两个连接件，并且也连接行星轮装置，使得构件与构件之间可以组合。还可以在危急关头锁住前行星轮，不至于轮椅倾倒。3.2前底座行星轮装置的设计图3.7行星轮装置行星轮装置有行星架和四个小轮组成。作用：平地运动时，四个小轮中的任意两个小轮落地，小轮转动就可以实现运动；爬楼梯时，行星架中的凹槽卡在楼梯墩上，从而实现爬楼梯的动作。3.3方向盘机构的设计图3.8方向盘机构方向盘机构的功能：将驾驶者作用在转向盘边缘上的力转变为转矩后传递给转向轴。方向盘调整的作用：方向盘的调节对驾驶员来说是一种安全配置，这会提高轮椅行驶的安全系数，增加方向盘的灵活性，使得使用者操作更加自如。还能够运用调节功能适应不同身材和不同驾驶习惯的人，让他们找到自己喜欢的高度。适合的高度让驾驶者能够保持舒适的腿部空间，也让使用者的臂膀不会太累。图3.9前底盖图3.10前底架前底盖的作用：装饰作用，使得轮椅的前部分更加美观；防尘减阻作用，不让轮椅前面转动部分落入灰尘，减小轮椅的阻力；放撞击作用，如果轮椅与物体相撞，可以减少冲击力。前底架的作用：支撑起前底盖，连接连杆与方向盘的机构，并且还稳定了方向盘的轴部分，不让其倾斜。

4后底座的结构设计后底座有行星轮装置、两个电动机、传动机构、后底盘等结构组成。如图4.1所示。图4.1后底座4.1行星轮装置的设计图4.2行星轮装置图4.3去除行星轮前盖的模型行星轮装置的组成：行星轮前盖和后盖、四个小轮、两个小齿轮、两个大齿轮、轮组套筒、两个链条。行星轮爬楼梯的原理：轮椅在平路上行驶时，经常会遇到一些障碍物，有一定高度的物体，前后轮遇到障碍物，小轮不动，从小轮转动转变为行星轮系的后轮驱动，轮辐与其他的轮子一起绕着轴旋转，从而实现通过障碍物。行星轮装置主要用来进行平地行驶和爬楼梯，平地运动的时候，有传送带的小轮与十字架另一端的小轮运动，爬楼梯的时候，运用行星轮上下楼梯，轮椅在上下楼梯的时候，轮椅通过电动机的转换来控制行星轮轴，使得行星轮的转盘发生转动，电动机还能够控制减速器来实现减速，使得轮椅行驶的更加稳定和安全，然后实现轮椅上下楼梯的功能。4.1.1前（后）盖和小轮的设计图4.4前盖和后盖功能：前盖和后盖设计的结构是相同的，用来固定小轮与小齿轮，还有用中心小轴套上轮组套筒来连接两个大齿轮，大齿轮与小齿轮通过链条连接，需要计算齿轮的齿数和模数。图4.5小轮小轮的功能：用于支撑起行星轮机构，在平地运动时，小轮滚动实现前进和后退，和连接小齿轮实现上楼梯的功能。4.1.2齿轮的选用图4.6小齿轮图4.7大齿轮行星轮中的小齿轮与大齿轮通过链条连接，带动小轮转动，实现运动。选用齿轮需要考虑齿轮的齿数、模数和宽度这些因素，我采用假设法来进行齿轮的计算。1、齿轮齿数的选用（1）初选小齿轮齿数Z1则大齿轮齿数Z2=iZ（2）根据齿面接触强度公式d1t≥2.323试选载荷系数K算出小齿轮传输转矩T「查表可得知齿宽的系数φd=0.6（小的齿轮当悬臂放置）查找手册得出材料的弹性系数Z齿面硬度查找小齿轮极限接触的疲劳强度σHlim1=600MPa（3）计算圆周速度vv=πd1t（4）计算齿宽bb=φd⋅d1t=0.6×27.9=16.74mm（5）算出齿高和齿宽之比b/h模数m齿高ℎ=2.25mt=2.853mmb/ℎ=16.74/2.853=5.87（6）计算载荷系数按照v=0.336m/s,精度达到7级，查表可以得知动载的系数K如果使用直齿轮，假设K备注：Fb−−齿宽（mm）查手册得使用系数K故载荷系数K=KAK=1×1.07×1.2×1.345=1.732、齿轮模数的选用（1）计算模数mm=d1（2）按照齿根弯曲强度计算计算式为m≥32KT弯曲的疲劳强度极限小齿轮σFE1（3）计算弯曲疲劳许用应力，弯曲疲劳强度安全系数S=1.35则：σF1=KFN1（4）计算载荷系数KK==1×1.07×1.2×1.273=1.635比较分析，把模数0.957加以圆整为标准1.25mm，分度圆直径d1小齿轮齿数Z1=d大齿轮齿数Z（5）几何尺寸分度圆直径dd中心距a=齿轮宽度b=∅d取B（6）验算Ft=2KAFtb所以合适，齿轮1、2ZB1=20，B4.2电动机的选择图4.8电机一图4.9电机二4.2.1电动机的选用原则（1）根据负载的启动特性及运行特性，选出最适合于这些特性的电动机，满足生产机械工作过程中的各种要求。（2）选择具有与使用场所的环境相适应的防护方式及冷却方式的电动机，在结构上应能适合电动机所处的环境条件。（3）计算和确定合适的电动机容量。通常设计制造的电动机，在75%-100%额定负载时，效率最高。因此，应使设备需求的容量与被选电动机的容量差值最小，使电动机的功率被充分利用。4.2.2电动机功率的计算我这次设计的轮椅有两种功能，一种是在平整的路面上行驶，另一种是上下楼梯。在平路上有两种状态，一种是没有坡度的路，一种是要爬坡，例如坡度为30°。假设轮椅自身的质量是m=20kg，人的质量是M=80kg，平路行驶轮椅速度为1m/s，爬坡时速度为0.5m/s（1）平地运行时所需功率：P=FV×μ=(20+80)×10×1×0.03=30W注释：μ为地面的摩擦系数0.03G为重力作用下的加速度约等于10m/s2F为轮椅加人重量，F=M+m×10=20+80（2）爬坡时所需功率：P=F×sin3=（1000×=263W综上所述，在平地行驶时，需要在后轮中安装两个功率为160W的电机，就可以满足行走时所需要的动力。（3）爬楼梯所需功率：轮椅爬楼梯就是把人加上轮椅的重量从这一个台阶转向上一级台阶攀爬的过程。在平地上行走时，整个轮椅加人的重心都集中在行星轮机构的最中部，爬楼梯的时候，需要倾斜一定的角度，因此爬楼梯时，轮椅加人的重心会向后偏移一定的距离，假设人和轮椅的重心发生偏移，距轴心150mm处，用行星轮机构把整个车加人送到上一个台阶需要克服力矩：M=F×S=1000×0.15=150N⋅M4-14控制行星轮上楼时旋转速度为W=0.5r/s，就能算出爬楼需要功率：P=M×w=150×0.5=75W4-15又因为行星轮的减速增力的作用，因此在行星轮的中心轴安置一个功率是90W以上的电机就可以解决爬楼梯的问题。由上述结果可以看出上楼时，要让后轮转动爬上楼，需要克服力矩为150N⋅m功率P=550w。但是我们选择的电机限额转速ne1为200rmin最高4.2.3电动机的选择表3.1电机一、二的选择电机型号规格额定功率（w）额定转矩（nm）额定电流（A）额定转速（rpm）额定效率（%）额定电压（v）初始转速（rpm）电机一36BD01616065.2245≥8036300电机二36BD01212054.2230≥80362854.3传动机构的设计图4.10传动机构传动机构由两个链轮、三个轴（后轮空心轴、减速器轴、圆柱电机轴）和减速器组成。它的工作原理:平地上行驶时，矩形电机工作，驱动后轮行星轮的转动轴，链条连接转动轴，从而实现平地运动；爬楼梯时，圆柱形电机工作，矩形电机停止工作，通过链条传递到外面的行星轮，带动行星轮运动，实现上下楼梯的功能。这一个传动机构可以实现上下楼梯和平地行驶运动的功能，其中分别由一个电机控制，圆柱马达控制轮椅上下楼梯,矩形电机控制轮椅平地行走。4.3.1后链轮的结构设计图4.11后链轮后链轮的功能：采用链传动来实现运动转换的，它一共有三个轴，前轴用来连接前轮行星轮，中间轴连接大齿轮和电机，后轴连接两个小齿轮和两个行星轮，后轮的轴采用的是轴心线形式，外面的轴跟行星轮连接，轴跟齿轮进行链轮连接。已知电机功率P=120w，转速n=210r/min小滚轮直径dm平地运转最高转速是vmax小轮上轴的转速是n=60×1000v/πD=136.49r/min4-16已知电机额定转速nε链传动的传动比为i=nε/n（1）选择链轮齿数Z1,初步选定Z1则Z2=iZ1=21×1.54=32.34（2）修正功率PPc=Pf1−工作情况系数查手册得知平稳运转下工作系数则Pc（3）确定链条节数选定中心距a0Lp=2==50+27+0.15=77.15取LP=78（4）确定链条的节距P小链轮齿轮系数Kz=(KL=(取单排链，查多排链系数KP=1小链轮传递功率P0=Pca=0.12/(1.11×0.937×1)=0.115kw小链轮转速n1=210r/min功率P=0.115kw由查手册链号可得,06B是一个单排链那么链节距为P=9.525mm（5）计算链长和中心距aL=LP.P=78×9.525=742.95mma=P4[a==242.2mm中心距减小量∆Q==0.484~0.969mm实际中心距a=241.72~241.23mm取a`=241.5mm（6）验算链速v=与原假设相符（7）计算分度圆直径d1=P/Sin(180°/Zd2=P4.3.2后轮空心轴的设计图4.12后轮空心轴后轮空心轴连接矩形电机、两个行星轮和两个链轮的齿轮，矩形电机控制轮椅平地行驶，空心轴需要与行星轮中的套筒配合，所以需要计算空心轴的直径。已知空心轴转速n=61.8r/min，功率P=0.8kw初算轴径，确定轴的材料为45钢，经调质处理根据公式d≥A3PN初步计算轴径d-剖切面处轴的直径（mm）n-轴的转速（r/min）P-轴传递的额定功率（kw）A-掟[τ]定的系数[τ]-轴的许用转应力v-空心轴的内径d0与外径d之比初定空心轴内外比v=0.75则可查表得311−vA=115则d≥115×3（0.861.8×1.13）思考到轴上需要键槽，需要将轴径外加4%~5%故直径取d=35mm后底盘的结构设计如图4.13所示图4.13后底盘后底盘的设计原理：后底盘主要用来承受轮椅使用者的重量，还用来连接后底座和前底座，并且使后轮空心轴穿过，使之配合连接。5轮椅结构的设计轮椅结构包括座椅、轮椅架和四个减震器。结构如图5.1所示图5.1轮椅结构5.1座椅的选用图5.2座椅图5.3坐姿人体尺寸项目表5.136-60岁坐姿人体尺寸（男）百分位数1510509095994.3.1坐高8328538659049419529734.3.2坐姿颈椎点高5996156256586917007194.3.3坐姿眼高7247437567958328418644.3.4坐姿肩高5385565645676306396574.3.5坐姿肘高2102262342632922996164.3.6坐姿大腿厚1021101151311481521624.3.7坐姿膝高4394554624905185275434.3.8小腿加足高3703803864094354424584.3.9坐深4074204284574864945114.3.10臀膝距5005155245545855966134.3.11坐姿下肢长892922938992104510601095表5.236-55岁坐姿人体尺寸（女）百分位数1510509095994.3.1坐高7868058168518868969154.3.2坐姿颈椎点高5615765846166476556724.3.3坐姿眼高6746927017357697787964.3.4坐姿肩高5045185255555845926084.3.5坐姿肘高2012152232512792873004.3.6坐姿大腿厚1081141181331491541644.3.7坐姿膝高4094224294554834905034.3.8小腿加足高3273383443793964014124.3.9坐深3864004064324324684874.3.10臀膝距4824965025295295725884.3.11坐姿下肢长8268488629099099729965.1.1基于人因工程爬楼梯轮椅的座宽轮椅的座位不亦太宽，双臂可以放在两端平面上有支撑的作用，不会引起肩部疲劳根据表4.1数据，本论文取坐姿臀宽尺寸420mm，修正量取20mm，则轮椅座宽Z根据表4.1表4.2数据，本论文座长取坐姿座长尺寸472mm，修正量取35mm，则座长Z5.1.2基于人因工程爬楼梯轮椅的座高轮椅座高的设计不仅可以让脚掌可以很自然的放在脚踏板上，而且还可以大腿保持水平，使得人体保持最舒适的状态。座面如果太高，双脚会脱离脚踏板平面，大腿肌肉会受到压迫，使得腿部的血液循环不畅；如果太低，大腿与小腿的角度会变小，使得臀部与座面接触面积减少，增大臀部的压力。查表4.1至表4.2数据，座高可取Z爬楼梯轮椅的扶手高度不能太高，会使肩部与颈部的肌肉保持拉伸的状态；太低，不能让肩部很好的放松，肩部要放在扶手上身体会发生倾斜，使得身体一侧受力过大根据表4.1、表4.2数据，选取坐姿肘高310mm，修正量取20mm，则扶手高Z5.2轮椅架和减震器的设计图5.4轮椅架轮椅架的作用：（1）充当连接件，连接上端的座椅、后底座和前底座。（2）提供脚踏平面，让双脚可以放在脚踏板上，放松双脚。（3）为减震器提供一个减震面，更便于减震器的安装。图5.5减震器减震器的工作原理：当轮椅架和座椅间震动而出现相对运动时，减震器内的活塞上下移动，减震器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔内。此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对震动形成阻尼力，使轮椅震动能量转化为油液热能，再由减震器吸收散发到大气中。在油液通道截面和等因素不变时，阻尼力随轮椅架与座椅之间的相对运动速度增减，并与油液粘度有关。减震器的作用：减震器主要用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击。在经过不平路面时，虽然吸震弹簧可以过滤路面的震动，但弹簧自身还会有往复运动，而减震器就是用来抑制这种弹簧跳跃的。减震器太软，车身就会上下跳跃，减震器太硬就会带来太大的阻力，妨碍弹簧正常工作。本文总结本次毕业设计通过查阅大量的文献资料和相关资料以及大量的物理模型参考资料，根据轮椅的发展现状和发展趋势，分析了轮椅的使用者爬楼梯设备的优缺点，各种轮椅结构的设计各有特点，通过比较不同方面，选用行星轮式的轮椅设计，这种爬梯装置采用方向盘控制旋转机构来转向；通过两台电机的相互转换来控制旋转轴，从而实现在平坦路面和倾斜路面上行驶以及上下楼梯的功能。并且对轮椅的组成结构做了许多优化，增加了减震装置、转弯装置，使得轮椅运动的更加灵活和方便，结构更加轻巧，形状也得到了美化。在设计轮椅结构的时候，考虑到中国的楼房建筑，以及国内外的发展现状，选择了运用行星轮装置的爬楼梯设备，它的整体构造与普通的轮椅的设计高度差不多，设计轻巧，构造简单并且功能完善，成本比国外设计的轮椅价格低许多，适合大众，并且轮椅也没有太复杂重力平衡系统。在这次毕业设计中我可以学到很多：（1）通过学习参考文献中的一些内容，知道了爬楼梯轮椅的装置有几种分类，现在比较成熟的装置可以分为履带式、滚轮式和行走式等爬楼梯装置，这几种装置都有自己的优缺点。而根据中国贫民区的房屋建筑的情况，思考做出符合中国的设备，使得我的毕设有创作下去的思路，为毕业设计的开展做铺垫。（2）观察普通轮椅的构造结合我要设计的爬楼梯装置，采用与其他装置不同的传动方式，采用链传动的结构，创新出使用行星轮结构来实现上下楼梯和平路运动，并且这个爬楼梯装置还使用了减震结构和转弯结构，使得轮椅运动的更加平稳和灵活（3）爬楼梯轮椅有两种功能，分别为平地行驶和上下楼梯，轮椅都是采用电动机带动链条来实现运动，平地上，电机带动外轮小轮转动，运动轨迹用方向盘控制，上下楼梯时，电机带动外轮大轮沿着楼梯转动，使用者的重心会跟随上楼梯的坡度而改变，使得轮椅在上楼梯时能够保持平衡，防止轮椅向后倾斜，轮椅的受力面也得到了优化。（4）这次毕业设计使用CAD制作二维模型，Pro/E制作三维模型，并且对轮椅上下楼梯和平地运动都进行了分析和运动仿真，轮椅设计的结