輪組式爬樓梯輪椅機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【三維UG】

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At first we made a simple summary to the current assistive wheelchair market situation at home and abroad, the final result shows that most assistive wheelchairs on market are expensive, the general consumers can't afford. And then contrast the various kinds of stair climbing wheelchair at home and abroad, take its advantage and consider it comprehensively, then established this design thought. This paper adopts planetary gear, walking on the ground by four wheel motor drive the rear wheel to go forward, it has the characteristics of the four wheel drive power. On both sides of the four wheel hub motor controlling through the speed of left and right sides of the ZuoSu can implement different turning operation. Climb building with planetary wheel rotation, a motor driver and keep back 2 wheel hub motor lock, thereby planet carrier rotation driven wheel alternate landing on the stairs. The appearance of the wheelchair likes general electric wheelchair on the market, its balanced system can apply in the electric control gyroscope, etc., here we only do mechanical structure design, and don’t make introduce. Keywords： climb machine wheelchair robot design 目 次 1. 緒論 - 3 - 1．1 引言 - 3 - 1．2 爬樓梯輪椅機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) - 4 - 1.2.1 履帶式爬樓輪椅 - 4 - 1.2.2 步進(jìn)支撐式爬樓輪椅 - 5 - 1.2.3 行星輪式爬樓輪椅 - 6 - 1.3 產(chǎn)品用途及適用范圍 - 8 - 1.4 本課題主要研究?jī)?nèi)容 - 8 - 2. 總體方案的確定 - 9 - 2. 1總體布局的確定 - 9 - 2. 2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 - 10 - 2. 3 其他可行方案 - 10 - 3. 總裝圖的確定 - 12 - 3. 1 傳動(dòng)方案的確定 - 12 - 3. 2傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì) - 12 - 3.2.1傳動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)組成 - 12 - 3.2.2傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理 - 12 - 3. 3主要技術(shù)參數(shù)的確定 - 14 - 3.3.1 車輪大小及相關(guān)參數(shù)的確定 - 14 - 3.3.2 電動(dòng)機(jī)的選取 - 15 - 3.3.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 18 - 部件裝配圖的確定 - 19 - 4.1 定軸輪系的選用與校核 - 19 - 4.1.1材料的選取 - 19 - 4.1.2 確定許用彎曲應(yīng)力 - 19 - 4.1.3 確定載荷系數(shù) - 20 - 4.1.4 重合度的計(jì)算 - 20 - 4.1.5齒根抗彎疲勞強(qiáng)度校核 - 20 - 4.2中心軸強(qiáng)度計(jì)算 - 21 - 4.2.1中心軸的尺寸設(shè)計(jì)及校核 - 21 - 結(jié)論 - 23 - 參考文獻(xiàn) - 24 - 致謝 - 25 - 1. 緒論 1．1 引言 如今我們國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì)，老年人有將近2億人，而且殘疾人也已經(jīng)超過了八千萬， 全國(guó)老齡化工作委員辦公室常務(wù)副主任李本公透露，我國(guó)到2044年左右老齡化人口將突破4億。這些老齡化的人口在中國(guó)改革開放中為我們國(guó)家付出了自己的力量，現(xiàn)在他們?cè)谏鐣?huì)上處于劣勢(shì)地位，這個(gè)時(shí)候真是我們?nèi)鐣?huì)關(guān)注他們的時(shí)候，而且還有一些因工作傷殘的和先天殘疾的人很需要一款適合各種場(chǎng)合的輪椅，方便他們的日常出行。現(xiàn)在輪椅就是一款很重要的交通工具，它不但可以幫助他們?nèi)粘Ｐ凶?，還可以有效的鍛煉身體，并及時(shí)的幫助他們最大程度的恢復(fù)健康，奉獻(xiàn)社會(huì)的愛心。普通輪椅大部分都是由輪椅椅架、車輪、制動(dòng)裝置及座椅這四部分構(gòu)成?，F(xiàn)在我國(guó)比較主流的電動(dòng)輪椅是在傳統(tǒng)普通輪椅的基礎(chǔ)上，加上動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分、智能控制部分、移動(dòng)電源等部件，升級(jí)形成的，更高級(jí)別的輪椅具有人機(jī)互動(dòng)功能，方便的實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、站立、平躺、等多種功能的新一代智能化輪椅。輪椅是傷殘人的代步工具，但由于傳統(tǒng)的輪椅缺少動(dòng)力源，對(duì)老年人及殘疾人帶來很大的代步障礙，因此研究與設(shè)計(jì)一種自帶動(dòng)力源的爬樓梯輪椅就成顯得尤為緊迫。本課題對(duì)輪組式輪椅爬樓梯輪椅機(jī)器人機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，通過該傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)輪椅的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而控制爬樓輪椅實(shí)現(xiàn)爬樓梯的動(dòng)作及運(yùn)動(dòng)要求，并可以自由的轉(zhuǎn)彎。 目前我國(guó)雖然城鎮(zhèn)化水平正在逐步提高，但是由于各種因素的影響，很多人居住的仍然是普通的樓房，然而在我國(guó)低于6層的普通樓房一般都是不會(huì)安裝電梯，更沒有無障礙通道了，這就使得老弱病殘的人們的出行極為不便。而在各種公共場(chǎng)所中，雖然無障礙通道的設(shè)施越來越多，但仍然存在很多問題，尤其是遇到階梯時(shí)，往往感到相當(dāng)無奈。 普通輪椅雖然解決了很多老人和傷殘人們的出行問題，但是日過沒有動(dòng)力提供裝置就會(huì)讓使用者很不方便，必須得有親人朋友在身邊，當(dāng)有臺(tái)階時(shí)，需要他們抬上去，因此，我們對(duì)于可以上下樓梯的輪椅的研究十分重要，不僅可以幫助了有需求的人出行問題，還能減小給家人帶來的負(fù)擔(dān)。 1．2 爬樓梯輪椅機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 對(duì)于爬樓梯輪椅機(jī)器人的研究，在國(guó)外的起步比較早，國(guó)內(nèi)如今也開始研究，并有一些產(chǎn)品，通過查閱資料，目前的爬樓輪椅按照其傳動(dòng)方式可分為：履帶式、步進(jìn)支撐式和星輪式三種。 1.2.1 履帶式爬樓輪椅 對(duì)于履帶輪機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用在市場(chǎng)上已經(jīng)比較成功了，比如在戰(zhàn)場(chǎng)和特殊場(chǎng)合的防暴機(jī)器人、發(fā)生重大公共突發(fā)事件時(shí)的搶險(xiǎn)機(jī)器人，還有發(fā)射升空的探月機(jī)器人上都使用過履帶輪，并且履帶式在爬樓梯輪椅中應(yīng)用也比較廣泛。履帶式機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很多，履帶很寬，可以與地面有較大的接觸面積，所以不容易陷入地面，能在不好的地面上行走，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其是在攀爬和翻越溝洼的能力比輪式的優(yōu)越，而且履帶的摩擦力大，不容易空轉(zhuǎn)打滑。 另一方面，履帶式也有自身不可忽略的不足。第一履帶既然運(yùn)行平穩(wěn)，不打滑，肯定就會(huì)增大自身的體積，占地面積相應(yīng)增大，在居民樓使用就很不方便；第二，履帶式輪椅在爬樓時(shí)很穩(wěn)定，但輪椅大部分時(shí)間不是爬樓，它們?cè)谄降匦凶叩臅r(shí)間更多，這樣，就沒有輪組式的好了，運(yùn)動(dòng)緩慢，效率低；第三，履帶式輪椅對(duì)樓梯有較大的損害；最后，履帶式的輪椅不能在平地上自由的轉(zhuǎn)彎。 下面列舉法國(guó)的Top Chair公司的履帶式輪椅，它是比較有名的，Top Chair的輪椅采用了履帶和輪組混合的方式，在平地運(yùn)動(dòng)時(shí)使用輪組，上下樓梯時(shí)則轉(zhuǎn)換為履帶，但它的價(jià)格較高并未普及到普通家庭。如圖1.1所示。 圖 1.1履帶式爬樓輪椅 1.2.2 步進(jìn)支撐式爬樓輪椅 查閱支撐式輪椅發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)式爬樓輪椅在其他國(guó)家的起點(diǎn)較早，差不多有100多年的歷史，后又經(jīng)過后人們不斷的完善和改進(jìn)，這種爬樓輪椅機(jī)器人通過仿生學(xué)原理，模仿人的動(dòng)作爬樓，它使用兩套支撐桿支撐，當(dāng)一套支撐桿著地時(shí)，另一套支撐桿上樓梯或下樓，如此交替爬樓。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是有靈活的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以像人一樣靈活的運(yùn)動(dòng)，不過，它的地形適應(yīng)能力在所有輪椅中算是最弱的了，不能在崎嶇的地形中快速行走，同時(shí)它的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)應(yīng)的價(jià)格就比較高，不適合大眾需求。此類產(chǎn)品的代表有日本Tmsuk公司和早稻田大學(xué)的高西惇夫教授共同開發(fā)的雙足行走機(jī)器人，代號(hào)為“WL-16R”，可以在高1.28米的輪椅機(jī)器人上部固定人坐的椅子，而且座椅旁邊有各種控制輪椅行走的控制桿。雖然WL-16R改進(jìn)了許多，但是仍然沒有解決機(jī)構(gòu)復(fù)雜、適應(yīng)能力差、承載能力低的劣勢(shì)，所以不容易在市場(chǎng)普及。如圖1.2所示。 圖 1.2輪腿式 1.2.3 行星輪式爬樓輪椅 輪式結(jié)構(gòu)在我們?nèi)粘Ｉ钪邢喈?dāng)普遍，尤其是陸路交通運(yùn)輸中，在國(guó)外的爬樓輪椅機(jī)器人研究中應(yīng)用更廣泛。在輪椅中，普通輪椅及一般的電動(dòng)輪椅也基本上是采用輪式結(jié)構(gòu)，它的體積小，承載能力強(qiáng)，重量輕，價(jià)格便宜，方便控制，能夠很快實(shí)現(xiàn)快速的移動(dòng)，拐彎方便。普通的輪椅用的都是很簡(jiǎn)單的圓形車輪，在平地上很容易走，但是路況不好的時(shí)候就會(huì)“拋錨”，不能適應(yīng)差的路況。而且普通輪椅的車輪直徑較大，爬樓時(shí)著力點(diǎn)不在樓梯臺(tái)階上就很危險(xiǎn)，欽此目前通用的爬樓輪椅機(jī)器人基本應(yīng)用“十字形”的或“Y字型”的行星輪組，這樣就可以減小車輪尺寸，同時(shí)也可以是小輪繞著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)交替支撐從而實(shí)現(xiàn)爬樓的功能，如圖1.3所示。 圖 1.3輪組式 其中用這種方法并獲得成功的就是美國(guó)強(qiáng)生旗下的Independence Technology研發(fā)的的iBOT系列輪椅。iBOT是一種很不一樣的電動(dòng)的輪椅，它有很多其他輪椅沒有的能力。iBOT中使用了陀螺儀，整個(gè)車身能保持良好的平衡，使人一直處于水平位置，提高了使用者的舒適感。而且它還可以在路面不平時(shí)只讓后面的兩個(gè)輪著地，從而實(shí)現(xiàn)了金雞獨(dú)立的功能，在陀螺儀的作用下保持著平衡。iBOT輪椅總共有六個(gè)車輪，輪椅的前面有一對(duì)為直徑10cm的實(shí)心萬向輪，可以向任意方向行走，輪椅后面有兩對(duì)四個(gè)直徑30cm的充氣的車輪。 　　iBOT運(yùn)動(dòng)方式有3種，一種是正常的平地行走方式，6個(gè)車輪同時(shí)著地，也可以中間一組車輪離地，只讓前后兩邊的車輪著地；一般路況好的情況下中間車輪可以不著地，當(dāng)路況不好時(shí)就要6輪著地，四驅(qū)動(dòng)力足，攀越能力好。第二種運(yùn)動(dòng)方式是直立方式，此時(shí)前輪和中間的輪都離地，只讓最后一對(duì)車輪著地，輪椅可以在這種姿勢(shì)下前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)彎。最后一種就是爬樓梯，前面的實(shí)心小輪離地，后面兩組車輪交替爬樓。 iBOT和其他電動(dòng)輪椅相同的地方是它也需要電源，在輪椅的中間可以放電池，由電池提供輪椅行走所用的動(dòng)力，行走時(shí)在平坦的輪上比較省電，在崎嶇的路面四驅(qū)時(shí)費(fèi)電，總體比較方便，適合在公共場(chǎng)合使用，但是價(jià)格也是比較貴，具體輪椅如圖1.4所示。 圖 1.4ibot 1.3 產(chǎn)品用途及適用范圍 本次設(shè)計(jì)的題目是輪組式爬樓機(jī)器人，主要用于幫助老弱病殘的人等日常行動(dòng)有不變的人群可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，在不需要他人協(xié)助的情況下能獨(dú)自一人的出行，上下樓，翻越溝壑等。它的功能很全，不只做殘疾人和其他行動(dòng)不方便的人的行走工具，同時(shí)也有其它的一些功能。本產(chǎn)品仿造ibot，但和他還是有區(qū)別的。 1.4 本課題主要研究?jī)?nèi)容 本課題對(duì)輪組式輪椅爬樓梯機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，通過控制輪椅翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)爬樓梯的動(dòng)作。依據(jù)所學(xué)的機(jī)械知識(shí)，在原有的電動(dòng)輪椅基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)一種新的電動(dòng)輪組式輪椅機(jī)器人機(jī)構(gòu)，并且要根據(jù)機(jī)械原理知識(shí)、計(jì)算機(jī)繪圖知識(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行理論分析及計(jì)算，能夠?qū)ΜF(xiàn)有技術(shù)提出改進(jìn)性意見，且具有可操作性。 1. 閱讀老師提供的文獻(xiàn)資料，對(duì)有關(guān)爬樓梯輪椅文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，并提出研究思路。 2. 利用UG等三維造型軟件進(jìn)行零件圖設(shè)計(jì)計(jì)算，并完成裝配圖造型設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真功能。 3. 利用AUTOCAD軟件繪制2D裝配圖（零號(hào)圖）1.5 張及零件圖不少于3張 2. 總體方案的確定 2. 1總體布局的確定 本設(shè)計(jì)要求為輪組式，所以采用美國(guó)iBOT的兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)，主要由以下四部分組成：車身、執(zhí)行電機(jī)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。車身包括座椅和支撐座椅的框架，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由齒輪組成。輪椅車底部安裝兩組車輪，前后各一組，前輪為萬向輪體積較小作為輔助支撐和控制方向使用，后邊則是四個(gè)爬樓主動(dòng)輪，以行星輪的方式連接，即可以繞主軸公轉(zhuǎn)，也可以獨(dú)自旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)完成爬樓的目的。裝置在平地?zé)o障礙情況下運(yùn)動(dòng)與普通的電動(dòng)輪椅類似，通過調(diào)節(jié)輪轂電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作。爬樓梯時(shí)通過后輪四個(gè)主動(dòng)輪翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)前輪離開地面，由四個(gè)爬樓輪支撐著地，以上樓為例，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的作用下，隨著中軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，兩對(duì)輪交替進(jìn)行翻爬樓梯。 后輪的四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為了保持滿足要求的中心距，采用五個(gè)相同參數(shù)的齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，通過傳動(dòng)齒輪的固定支架連接。這樣就能保證兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)效果相同，兩個(gè)車輪均可單獨(dú)作為驅(qū)動(dòng)輪使用，在一般陸地上選擇只用后排車輪著地，即單獨(dú)后輪驅(qū)動(dòng)，可以減少轉(zhuǎn)彎半徑，在崎嶇的道路上運(yùn)行時(shí)，選擇后輪四個(gè)輪子同時(shí)驅(qū)動(dòng)可以增強(qiáng)輪椅的驅(qū)動(dòng)性能，以及對(duì)地面的適應(yīng)能力。如2.1圖所示： 圖 2.1車輪布置 平地行走時(shí)由四個(gè)輪轂電機(jī)帶動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)，輪轂電機(jī)的速度控制小車的速度以及轉(zhuǎn)向。翻轉(zhuǎn)時(shí)采用減速箱中的一對(duì)電機(jī)，帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由輪轂電機(jī)控制其中一對(duì)車輪抱死，就可以實(shí)現(xiàn)輪椅的上下樓梯的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于翻轉(zhuǎn)時(shí)輪轂電機(jī)抱死，防止上下樓的過程中因?yàn)檐囕喌乃蓜?dòng)而發(fā)生事故。還可以通過調(diào)整后排兩個(gè)后輪的不同姿態(tài)在上下坡的時(shí)候調(diào)整重心，從而保證輪椅行駛的穩(wěn)定性。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如2.2所示： 翻轉(zhuǎn)電機(jī) 輪轂電機(jī) 輪轂電機(jī) 輪轂電機(jī) 輪轂電機(jī) 圖2.2翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 2. 2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 本文的翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式為直流電動(dòng)機(jī)通過與其配套的減速器，加上末端圓柱斜齒輪的減速輸出到傳動(dòng)軸。為了節(jié)約成本和空間，減小質(zhì)量，本課題設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅采用MAXON公司的電動(dòng)機(jī)及配套的減速器，MAXON是一家全球范圍內(nèi)高精密電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)品供應(yīng)商，其產(chǎn)品體積小適應(yīng)性強(qiáng)，效率高，噪音小，種類齊全替換方便，而且質(zhì)量有保證，十分適合用在電動(dòng)輪椅這一領(lǐng)域。電動(dòng)機(jī)通過減速器，以及末端圓柱斜齒輪的減速輸出到傳動(dòng)軸；平地正常行走采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2. 3 其他可行方案 我們?cè)谧罱K確定使用本方案之前，通過在網(wǎng)絡(luò)及圖書館查閱相關(guān)資料，提出過幾個(gè)其他的設(shè)想。如圖2.3所示： 圖2.3輪組式輪椅 這個(gè)方案采用的是讓前輪作為驅(qū)動(dòng)輪，在前輪的兩側(cè)各有一個(gè)電機(jī)控制，通過改變兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速獲得不同的速度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，電機(jī)轉(zhuǎn)速相同的情況下小車走直線，后輪的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過后輪的翻轉(zhuǎn)電機(jī)控制。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是，取消了前輪的萬向輪，用驅(qū)動(dòng)輪代替，增加了輪椅車的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)彎安全快速，同時(shí)減少了電機(jī)的使用，比較省電。但是由于該機(jī)構(gòu)的左右的后輪是相連的，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎不方便，而且車輪直徑較大不適合普通住宅室內(nèi)的使用。 如圖2.4所示： 圖 2.4 三輪組式輪椅 此方案采用前后兩套Y型行星輪，前輪由一個(gè)電機(jī)控制左右方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，后輪為主動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)行走。此方案的優(yōu)點(diǎn)一目了然，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較輕、便于維護(hù)。缺點(diǎn)也顯而易見，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單導(dǎo)致承重能力差，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力不足會(huì)使爬樓梯比較費(fèi)勁，反轉(zhuǎn)過程中小輪的自轉(zhuǎn)如果沒有鎖死容易發(fā)生危險(xiǎn)。 對(duì)以上各類方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較權(quán)衡，而最終選擇了如今的方案。 3. 總裝圖的確定 3. 1 傳動(dòng)方案的確定 本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)全部采用齒輪傳動(dòng)，平地行走時(shí)采用輪轂電機(jī)帶動(dòng)，四個(gè)后輪上都有輪轂電機(jī)，帶動(dòng)輪椅轉(zhuǎn)動(dòng)，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)平地的運(yùn)動(dòng)。而爬樓時(shí)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則是通過一對(duì)直流電機(jī)與齒輪箱減速器相連，通過末端圓柱齒輪的再次減速，傳動(dòng)到控制翻轉(zhuǎn)用的中軸，中軸與齒輪相連，然后后面輪轂電機(jī)抱死，使最后面的齒輪不轉(zhuǎn)，齒輪繞著中軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)兩個(gè)車輪交替翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)爬樓運(yùn)動(dòng)。 3. 2傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì) 3.2.1傳動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)組成 輪組式爬樓梯輪椅主要由三部分組成，平地行走機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)爬樓機(jī)構(gòu)，以及控制座椅位姿的四桿機(jī)構(gòu)。 3.2.2傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理 平地上行走時(shí)采用目前比較流行的輪轂電機(jī)，在輪椅的后4個(gè)輪上選用兩組輪轂電機(jī)，控制小車的行走，轉(zhuǎn)彎，加速等。如圖3.1所示。 圖3.1兩輪組式輪椅 翻轉(zhuǎn)爬樓機(jī)構(gòu)的工作原理：翻轉(zhuǎn)爬樓機(jī)構(gòu)是由減速箱中的兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)齒輪，當(dāng)電磁離合器閉合時(shí)，傳動(dòng)到翻轉(zhuǎn)輪系上，翻轉(zhuǎn)輪系的5個(gè)齒輪就開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，輪轂電機(jī)鎖定一對(duì)輪，就可以實(shí)現(xiàn)輪椅的爬樓動(dòng)作了。如圖3.2所示。 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 電機(jī) 電磁離合器 圖3.2翻轉(zhuǎn)爬樓 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由五個(gè)相同大小的齒輪組成，其機(jī)構(gòu)如下圖3.3所示. 圖3.3翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 四桿機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相似，都是通過控制電磁離合器來達(dá)到控制軸的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，控制四桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了座椅位姿的調(diào)節(jié)。如圖3.4。 圖3.4座椅位姿調(diào)整 3. 3主要技術(shù)參數(shù)的確定 3.3.1 車輪大小及相關(guān)參數(shù)的確定 根據(jù)GB 12996國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電動(dòng)輪椅車在正常行駛事的速度應(yīng)小于18km/h，爬坡角度大于6°，最小回轉(zhuǎn)半徑為2m。 根據(jù)《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》所示，樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于1．10m，不超過六層的住宅，一邊設(shè)有欄桿的梯段凈寬不應(yīng)小于1．00m；樓梯踏步寬度不應(yīng)小于0．28m，踏步高度不應(yīng)大于0．175m。扶手高度不應(yīng)小于0．90m。樓梯水平段欄桿長(zhǎng)度大于0．50m時(shí)，其扶手高度不應(yīng)小于1．05m。樓梯欄桿垂直桿件間凈空不應(yīng)大于0．11m；樓梯平臺(tái)凈寬不應(yīng)小于樓梯梯段凈寬，且不得小于1．20m。樓梯平臺(tái)的結(jié)構(gòu)下緣至人行通道的垂直高度不應(yīng)低于2．00m。入口處地坪與室外地面應(yīng)有高差，并不應(yīng)小于0．10m。為了使輪椅車的適用性更廣，需要在最小踏步寬度的情況下進(jìn)行爬樓操作，并借鑒國(guó)內(nèi)其他電動(dòng)輪椅的車徑，因此在此取后輪直徑為280mm。 為了實(shí)現(xiàn)可以連續(xù)上下樓梯，后輪兩排車輪的中心距需要滿足一定的要求，在此選擇踏步寬度為280mm，高度為130mm的臺(tái)階為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)車輪的中心距。如圖3.1所示，為了滿足支撐點(diǎn)的要求，兩車輪的中心距L==308.7mm，圓整為L(zhǎng)=310mm。 圖3.5車輪尺寸 已知兩個(gè)車輪的中心距，連接兩個(gè)車輪的五個(gè)參數(shù)相同的傳動(dòng)齒輪的中心距由此可以確定。即a=310/4=77.5mm。初步設(shè)定整個(gè)輪椅質(zhì)量為40KG，承載的人的質(zhì)量為80KG，在一般路面行駛速度為V1=1.5~2m/s，爬30°坡時(shí)的速度為V2=0.5M/s，上下樓梯是翻轉(zhuǎn)速度為n=0.5~0.75r/s。 3.3.2 電動(dòng)機(jī)的選取 1.行走機(jī)構(gòu) 假設(shè)輪椅和人的質(zhì)量分別為40kg和80kg，輪椅在水平路面行走的最大速度為2m/s，受力分析如圖3.2所示。 圖3.6平地行走 由于后輪為四個(gè)輪子所以N1=N2=G/4，查閱手冊(cè)可得輪子與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為μ=0.05，摩擦力F1=F2=μG/4，于是可得在水平路面上行走需要的總功率為P1=μGv=120W，輪椅最大爬坡角度設(shè)置為30°，爬坡時(shí)的速度為0.5m/s，受力分析如圖3.3所示： 圖3.7爬斜坡 求出爬坡時(shí)最大功率P2=Gvsin30°=300W 根據(jù)行走機(jī)構(gòu)以上分析結(jié)果，考慮到各個(gè)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)效率，選取兩個(gè)250W的直流電動(dòng)機(jī)。已知假設(shè)爬坡時(shí)的移動(dòng)速度為0.5m/s，則車輪轉(zhuǎn)速為： r/min 2.翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 行星輪系需要不斷翻轉(zhuǎn)來爬樓，所以輪椅和輪系只能通過軸承連接，這樣就造成輪椅的重心不穩(wěn)，容易向前或向后翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)爬樓的過程就是將重心不斷向上向前移動(dòng)的過程，所以保持重心位置的確定十分關(guān)鍵，既不能在輪椅運(yùn)行的時(shí)候失去平衡，也不能給電機(jī)帶來太大的負(fù)擔(dān)，通過綜合考慮最終將輪椅車和人整體的重心置于距離后輪軸心185mm處。爬樓梯時(shí)，乘坐的人需要靠到后背上，經(jīng)計(jì)算，爬樓所需克服的阻力矩為M=（50+80）×10×0.185=240.5Nm，當(dāng)爬樓時(shí)回轉(zhuǎn)速度，求得爬樓所需功率P2=M·=180.4W。 爬樓時(shí)每側(cè)的功率P=180.4/2=90.2W，轉(zhuǎn)矩： T= 初步取末級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)比為2，行星輪減速器的減速比為186：1，則所需電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大約為 M=Nm 選取瑞士maxon無刷直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為EC 45，250W，編號(hào)136207.選用配套的行星輪減速箱，型號(hào)為GP 52 C，產(chǎn)品編號(hào)為223099，減速比為186：1。 電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如圖3.6： 圖3.8 EC電機(jī) 3.3.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1.定軸輪系齒輪設(shè)計(jì) 定軸輪系齒輪選用斜齒圓柱齒輪，后輪的前后兩輪中心距為L(zhǎng)=310mm，每個(gè)齒輪大小相同，每?jī)蓚€(gè)小齒輪之間的中心距a=310/4=77.5mm。初步選取齒數(shù)Z=15，m=5，則螺旋角β=15°，分度圓直徑d1=mz/cosβ=77.65mm，取齒寬系數(shù)=0.4，則尺寬b=30mm。 2末端齒輪的計(jì)算 由于需要考慮到電機(jī)的布置空間，行走機(jī)構(gòu)末端齒輪取小齒輪齒數(shù)為18，大齒輪齒數(shù)為36，模數(shù)m1=2，螺旋角12°，的分度圓直徑d1=2×18/cos12°=36.8mm，d2=73.6mm，中心距a==55.2圓整為55mm。取大齒輪尺寬為20mm小齒輪為23mm翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的末級(jí)齒輪，取Z1=10，Z2=20，m2=2.5，螺旋角β=12°。同理求出分度圓直徑d1=25.6mm，d2=48.9mm，中心距a=38.3mm，圓整為38mm。取大齒輪尺寬30mm小齒輪尺寬33mm。 部件裝配圖的確定 4.1 定軸輪系的選用與校核 4.1.1材料的選取 定軸輪系的軸線都是相互平行的，所以齒輪選用圓柱齒輪，而由于斜齒具有平穩(wěn)性好，承載能力大，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)選用的齒輪都為斜齒圓柱齒輪。 同時(shí)為了使輪椅的重量降低，縮小維護(hù)成本，定軸輪系的5個(gè)齒輪選用PA46作為材料。 PA46全稱為聚己二酰丁二胺，是一種具有高熔點(diǎn)和高結(jié)晶度的新型聚酰胺樹脂，具有70%的結(jié)晶度，而且結(jié)晶速度快，熔點(diǎn)可達(dá)到295℃，長(zhǎng)期使用溫度也可達(dá)到163℃。相比于其他工程塑料如PA6、PPA、聚酯等在耐熱高溫下的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨等方便優(yōu)勢(shì)明顯。并且加工容易。PA46材料在玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上的高溫下經(jīng)過退火處理后，其硬度和強(qiáng)度性能可以提高50%，而且退火后可以降低材料的吸水量。工程塑料在許多方面已經(jīng)代替金屬用于齒輪制造，與金屬齒輪相比，對(duì)潤(rùn)滑的要求低，質(zhì)量輕，制造速度更快。 由于輪椅車本身空間有限，重量也是決定性能的一大重要因素，而且作為家庭使用的一種工具，便于維護(hù)也是需要重點(diǎn)考慮的因素。而因?yàn)殡妱?dòng)輪椅車的運(yùn)行速度并不高，產(chǎn)生的熱也相對(duì)較少，PA46材料足以完成重任并且取消潤(rùn)滑。 4.1.2 確定許用彎曲應(yīng)力 （1） 總工作時(shí)間 假設(shè)輪椅車的使用壽命為5年。每天工作10小時(shí)，一年工作300天，在整個(gè)使用期限中，預(yù)計(jì)行走時(shí)間占60%。則得出總工作時(shí)間： =(5×10×300)×60%=9000h （2） 壽命系數(shù) 應(yīng)力循環(huán)系數(shù)==3.68× 查表圖可取壽命系數(shù)=1。 （3） 查閱相關(guān)資料得到PA46的彎曲疲勞極限=90Mpa （4） 取安全因數(shù)S=1.25 （5） 應(yīng)力校正系數(shù)=1.52 （6） 計(jì)算許用彎曲應(yīng)力==109.44Mpa 4.1.3 確定載荷系數(shù) （1） 使用系數(shù)=1.1 （2） 動(dòng)載系數(shù)=1.05 （3） 齒向載荷分布系數(shù) =1.13 （4） 齒間載荷分配系數(shù) 由 =2T/d=1081.8N 可得 =39.7<100 查表取=1.74 （5） 計(jì)算載荷系數(shù) ==2.27 4.1.4 重合度的計(jì)算 （1） 端面重合度 =1.4 （2） 縱向重合度 =0.318=0.51 （3） 總重合度 =+=1.91 4.1.5齒根抗彎疲勞強(qiáng)度校核 （1） 齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù) 當(dāng)量齒數(shù)==16.64 圓整為17 查表得=2.9 =1.52 （2） 重合度系數(shù) 端面壓力角==20.65° 基圓螺旋角==14.08° 由此可得當(dāng)量齒輪端面重合度==1.488 于是得到重合度系數(shù)=0.25+0.75/=0.754 （4） 螺旋角系數(shù)=0.91 由此算出齒根彎曲應(yīng)力==45.6<[] 得出結(jié)論：齒根抗彎疲勞強(qiáng)度滿足要求。 4.2中心軸強(qiáng)度計(jì)算 4.2.1中心軸的尺寸設(shè)計(jì)及校核 估算軸的最小直徑 由表15-3查A0等于120， d=19.5 mm， 因?yàn)橛幸粋€(gè)鍵槽，所以軸徑擴(kuò)大5%，，所以取d最小為20mm。 校核： （1） 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核軸桿 軸桿的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： 式中：------扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 T------軸桿所受的扭矩 WT------軸桿的抗扭截面系數(shù) n------軸桿的轉(zhuǎn)速 P------電動(dòng)機(jī)送遞的功率 d------計(jì)算截面處的直徑 tT=19.1 所以 d>= 所以最小直徑d=20符合要求。 結(jié)論 大學(xué)四年終于畢業(yè)了，這是我四年來第一次自己獨(dú)立完成一件作品，我知道這其中存在很多問題，仍有很多地方值得改進(jìn)，但我仍自我感覺很好了，這畢竟是我一個(gè)沒有任何經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生第一次做的畢設(shè)。從接到畢設(shè)題目，我就開始查閱各種資料，學(xué)習(xí)很多在課本中沒有學(xué)到的但在畢設(shè)中需要的知識(shí)。像電磁閥的原理，陀螺儀的原理，差速器的原理，ug的運(yùn)動(dòng)仿真等等，我設(shè)計(jì)的機(jī)械部分的機(jī)構(gòu)足以實(shí)現(xiàn)ibot的任何功能，如果再加上電氣部分的控制，就可以實(shí)現(xiàn)ibot的幾乎全部功能，在ug的仿真運(yùn)動(dòng)中我看到自己的不足，很難實(shí)現(xiàn)輪椅的爬樓梯功能，對(duì)step函數(shù)的理解不到位，今后還要更加認(rèn)真學(xué)習(xí)。 輪組輪椅在平地行走時(shí)，由在座椅下面的蓄電池提供動(dòng)力，整個(gè)車的重心在距后輪185mm處，平地時(shí)前輪也能承受一定的力，也保持輪椅的穩(wěn)定。而翻轉(zhuǎn)爬樓梯時(shí)，由陀螺儀保持平衡，只是后輪著地翻轉(zhuǎn)，如果節(jié)約成本不適用陀螺儀，也可以讓一個(gè)人在后面做輔助保持平衡，并不需要很大的力氣。 這次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)平地行走，金雞獨(dú)立，爬樓的功能就行，至于電氣控制本文沒有設(shè)計(jì)，具體的內(nèi)容需要到以后的設(shè)計(jì)中再改進(jìn)。 雖然至今我國(guó)還沒有完全統(tǒng)一的建筑樓梯指標(biāo)，但是設(shè)計(jì)此車時(shí)充分考慮次情況，使它基本可以適應(yīng)各種尺寸的樓梯，綜合考慮，體積小，價(jià)格低，運(yùn)動(dòng)效率高。所以我相信它將是一款很好的產(chǎn)品，必將得到市場(chǎng)的認(rèn)可。 參考文獻(xiàn) [1]白忠哲，美國(guó)機(jī)器人企業(yè)介紹-DEKA研發(fā)公司與Segway LLC [2]高峰，新型輪椅能爬樓梯 [3]嘉年樂，國(guó)外智能電動(dòng)輪椅研究現(xiàn)狀 [4]機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 [5]馬永為，基于行星輪系的爬樓梯輪椅研究 [6]成大先主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版 [7]兩輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅車， [8]機(jī)械行星式無級(jí)變速器設(shè)計(jì)， [9]蘇和平，王人成，一種雙聯(lián)行星輪機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)[J] [10]《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)輪椅車 GB12996-91》 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局 [11]電動(dòng)輪椅使用說明書 [12]楓網(wǎng)，輪椅使用的注意事項(xiàng)， [13]濮良貴，紀(jì)名剛，陳定國(guó)，吳力言，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室 編著，《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版 [14]中國(guó)建筑工業(yè)出版社，住宅設(shè)計(jì)規(guī)范，公告第1093號(hào)，2012-08-01 [15]《電動(dòng)輪椅》沐風(fēng)網(wǎng) [16]何清華，黃素平，黃志雄，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，智能輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)， [17] 《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》哈爾濱工業(yè)大學(xué) 宋寶玉主編 [18] 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