畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)生開題報(bào)告
課題名稱
電動(dòng)助力式爬樓輪椅設(shè)計(jì)
課題類型
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
專業(yè)班級(jí)
本課題的研究現(xiàn)狀、研究目的及意義
1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外研究現(xiàn)狀：國外對(duì)爬樓輪椅車產(chǎn)品較多是德國PERFEKTA公司的產(chǎn)品。其為履帶式傳動(dòng)，采用12V-15Ah的蓄電池，12V/170W的直流電機(jī)，自重42kg，可爬樓梯的最大坡度為35度。這種輪椅車除了可以單獨(dú)使用外，還可以作為普通輪椅的搬運(yùn)工具，直接把輪椅放在上面上下樓梯，因此作為車站、機(jī)場(chǎng)等處移動(dòng)輪椅乘客的專用工具比較方便。而且，熟練操作者能夠自行乘坐輪椅上下樓梯。在平地能自由移動(dòng)，也可以折疊存放。這種輪椅的形式，采用的是履帶式，是利用履帶的附著力好，容易爬坡的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的。但是，由于履帶與樓梯接觸時(shí)，只是與樓梯的前棱接觸，又由于人們對(duì)美學(xué)的要求好多樓梯的前棱做成了弧形，即使是傳統(tǒng)的樓梯，如果經(jīng)過多年的磨損，前棱也會(huì)被磨禿，這樣一來，對(duì)于這種輪椅就很容易打滑，而且極不安全。
為了解決打滑問題，美國又發(fā)明了一種新型輪椅iBOT3000獨(dú)立機(jī)動(dòng)系統(tǒng)。從外表看上去，iBOT與普通輪椅不大一樣。它有6個(gè)輪子，前面一對(duì)為直徑10厘米的實(shí)心腳輪，后面兩對(duì)為直徑30厘米的充氣輪胎，并通過復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)來保持平衡，當(dāng)輪椅上分布的傳感器感受到重心變化時(shí)，它們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谧蜗旅娴目刂坪兄小？刂坪欣镉袔讉€(gè)處理器和預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，這些程序會(huì)“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整，保持平衡。iBOT共有3種運(yùn)動(dòng)模式，一是正常模式，跟普通輪椅一樣，6輪同時(shí)著地；如果遇到崎嶇的路面、沙土地或斜坡，它就進(jìn)入四輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，靠4個(gè)后輪行走；二是直立模式，只靠一對(duì)后輪接觸地面，很像中國武術(shù)中的“金雞獨(dú)立”，iBOT可以保持這種站立姿勢(shì)，也能“直立行走”；三是爬樓模式，兩對(duì)后輪交替爬到上一級(jí)（或下一級(jí)）臺(tái)階上。但其價(jià)格為29000美元，較為昂貴，鑒于我們國內(nèi)的消費(fèi)水平，還無法普遍接受如此高昂的費(fèi)用。
國內(nèi)研究現(xiàn)狀：我國對(duì)此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專利，然而投入實(shí)際使用的還很少。
我國在上世紀(jì)80年代對(duì)輪組式爬樓輪椅裝置已有研究，1987年專利號(hào)為86210653的國家專利中介紹了一種平地、爬樓梯的多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個(gè)星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古名族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了iBOT的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓梯機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓輪椅。改輪椅爬樓時(shí)需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院設(shè)計(jì)的爬樓輪椅采用了四組星形輪，每三個(gè)一組，共十二個(gè)輪子，除能爬樓梯外還具有遙控的功能。國內(nèi)研究的比較多的是手動(dòng)爬樓梯的輪椅，清華大學(xué)精密儀器及機(jī)械學(xué)院系康復(fù)工程研究中心已經(jīng)取得了手動(dòng)爬樓輪椅的專利，它是在普通輪椅上加設(shè)一套爬樓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，既可以在平地上行駛，又可以僅憑借使用者雙臂的力量使輪椅上下樓梯。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，符合我國國情，但是設(shè)計(jì)中仍存在一些問題，如輪椅在爬樓過程中的穩(wěn)定性、如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作省力與省時(shí)的問題以及反向自鎖問題等，其研究也僅停留在理論水平的基礎(chǔ)上，并未投入實(shí)際應(yīng)用。
2. 研究目的及意義
隨著社會(huì)的發(fā)展以及人類文明的進(jìn)步，特別是城市的快速擴(kuò)張和建設(shè)，以及人口老齡化問題越來越嚴(yán)重和殘障者數(shù)量的不斷增加，對(duì)輔助步行工具的需求日益提高。而高樓大廈鱗次櫛比，越來越多的天橋，公園的臺(tái)階，小區(qū)上下樓等，卻越來越困擾著輪椅使用者。輪椅作為殘障者的唯一出行工具，受到了越來越多的制約，傳統(tǒng)輪椅已經(jīng)不能滿足多數(shù)人的需求。而隨著科技的發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步，輪椅，應(yīng)該被加以改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的環(huán)境。
近十幾年來，國內(nèi)外的許多大學(xué).公司和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)爬樓梯的裝置進(jìn)行了深入的研究，提出了各種各樣的產(chǎn)品或解決方案?？傮w而言，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同，通常采用三種結(jié)構(gòu)原理：一種是采用行星輪機(jī)構(gòu)，他們不僅繞自身的軸旋轉(zhuǎn)還饒一個(gè)所有輪的共同軸線旋轉(zhuǎn)；一種是履帶輪型爬梯輪椅；一種是步進(jìn)支撐式爬樓輪椅?，F(xiàn)如今，我國的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，考慮老年人及殘疾人對(duì)出行方便性的需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大現(xiàn)實(shí)意義。
本課題的研究?jī)?nèi)容
爬樓梯電動(dòng)輪椅的爬樓實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)是本設(shè)計(jì)內(nèi)容的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)合理可靠的爬樓機(jī)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)爬樓梯輪椅的功能和安全性至關(guān)重要。另外，在爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，爬樓梯電動(dòng)輪椅爬樓一般需要較大的扭矩，這是爬樓輪椅一般面臨的問題，所以需要確定適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比“減速增扭”功能，但同時(shí)需要考慮輪椅本身空間結(jié)構(gòu)的限制，其中需要關(guān)注其傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到其傳動(dòng)功能的要求。最后，從使用者舒適程度出發(fā)，應(yīng)該盡量減少上下樓梯過程中重心調(diào)整造成的波動(dòng)，從發(fā)生傾翻危險(xiǎn)的實(shí)際情況出發(fā)優(yōu)化重心調(diào)整方案。
為了更好的完成這些設(shè)計(jì)任務(wù)，本設(shè)計(jì)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：
1.設(shè)計(jì)后應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能：
（1）實(shí)用性好，應(yīng)能攀爬不同尺寸的臺(tái)階；
（2）控制結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，平地行駛與上下臺(tái)階兩種工作情況容易切換；
（3）使乘坐者感到平穩(wěn)舒適，爬樓梯時(shí)應(yīng)使座椅保持在水平狀態(tài)；
（4）在保證安全的前提下，輪椅結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單緊湊，造價(jià)要低。
2.本設(shè)計(jì)需要解決的主要問題：
（1）爬樓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
（2）爬樓過程中重心如何調(diào)整分析；
（3）電機(jī)，蓄電池的選型；
（4）電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
本課題設(shè)計(jì)確定采用爬樓梯優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的輪式機(jī)構(gòu)。本論文采用的行星輪式爬樓梯輪椅的整體結(jié)構(gòu),行星輪結(jié)構(gòu)在前進(jìn)過程中通過中心軸驅(qū)動(dòng)中心輪帶動(dòng)行星輪從而帶動(dòng)輪椅前迸,通過翻轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)行星架實(shí)現(xiàn)爬樓梯動(dòng)作。其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
圖1 行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
爬樓輪椅在爬樓梯時(shí)，由于重心波動(dòng)導(dǎo)致輪椅座椅是傾斜的，而這則會(huì)使乘坐者感到不舒服。所以為了消除這個(gè)弊端，本文設(shè)計(jì)了一種滑軌式的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)。其中主要由圓弧形軌道和滾軸組成，軌道焊接在輪椅底部的支架上。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 滾道滑軌式座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)圖
本課題研究的實(shí)施方案、進(jìn)度安排
1. 實(shí)施方案
根據(jù)本課題的研究?jī)?nèi)容，實(shí)施方案主要分為以下四個(gè)階段：
(1)收集資料階段
主要查找信息包括目前國內(nèi)外電動(dòng)爬樓梯輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀，各相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品專利。并找出其中幾種主流式爬樓機(jī)構(gòu)，分析研究它們的機(jī)構(gòu)性能以及爬樓過程。在這個(gè)階段，我主要收集整理國內(nèi)外電動(dòng)爬樓梯輪椅相關(guān)信息，從這些設(shè)計(jì)中提取靈感，并初步明確設(shè)計(jì)思路，定下設(shè)計(jì)方案。
(2)分析研究階段
該階段主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：爬升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電機(jī)、蓄電池的選擇，座椅升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在此階段，主要對(duì)國內(nèi)外各種主流形式的爬樓機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能比較，選擇其中性價(jià)較高的爬樓機(jī)構(gòu)來進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。在電機(jī)選擇上，主要分析比較了在戶外行駛條件下應(yīng)該使用交直流電機(jī)中的哪一種。使用交流電機(jī)就需要有一根電線來接電，那樣電線的長(zhǎng)度就限制了輪椅的行駛距離，這樣非常不安全。所以最終選用了直流電機(jī)，并在其上安裝蓄電池來供電。在座椅升降機(jī)構(gòu)方面，通過比較多種機(jī)構(gòu)后，最終選擇了滾道滑軌式座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要通過滾軸軸端安裝的軸承在滑軌里滑動(dòng)，調(diào)整行駛過程中的重心波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)座椅的調(diào)平。
(3)設(shè)計(jì)階段
在這個(gè)階段，主要工作是對(duì)輪椅各個(gè)模塊上進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，主要考慮到各個(gè)模塊的機(jī)械性能，運(yùn)動(dòng)性能等，并對(duì)傳動(dòng)模塊進(jìn)行校核計(jì)算。確定輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的具體尺寸及裝配方法，繪制機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖、部分零件圖及電路控制圖。
(4)總結(jié)階段
在畢業(yè)設(shè)計(jì)的最后，我們要梳理自己收集的信息，分析自己做的研究，完成論文的撰寫，繪制機(jī)械裝配圖和主要零部件圖，并進(jìn)行修改。
2.進(jìn)度安排
第1周---第4周 收集有關(guān)資料，寫出開題報(bào)告；
第5周 進(jìn)行爬樓梯輪椅的功能原理設(shè)計(jì)方案，通過方案對(duì)比確定最
佳方案；
第6周---第7周 進(jìn)行受力分析及電機(jī)選取，并進(jìn)行英文文獻(xiàn)翻譯；
第8周---第10周 進(jìn)行爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制裝配草圖、CAD二維裝配
圖和部分零件圖；
第11周 進(jìn)行爬樓梯輪椅的虛擬裝配和運(yùn)行仿真，并對(duì)輪椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)
行優(yōu)化；
第12周---第13周 撰寫論文，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯；
第14周---第15周 答辯
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指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日