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摘要根据对轮椅结构大致的了解， 通过对爬楼轮椅上楼部分的联想以及猜测，和对传动机构进行分析式设计， 设定爬楼轮椅的爬楼方案是由腿足和轮子交替作为支撑， 以同一个台阶作为公共支撑的起步点，轮子和腿足进行交互循环运动，以达到上下楼的目的。 内部传动构件由蜗杆蜗轮部分组成。轴的设计中，考虑材料如何选择、径向载荷分析、轴向结构设计、主要径向受力以及转矩分析、轴承和键选择。并对以上所述的相关内容进行校核、修改、补苴罅漏。 27353
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毕业论文关键词 爬楼轮椅 传动 蜗杆蜗轮 轴
Title Climbing stairs wheelchair three-dimensional modeling design
Abstract According to the general understanding of the structure of the wheelchair, by climbing stairs wheelchair upstairs part of the association as well as speculation, and analyzing the transmission mechanism design,the climbing stairs wheelchair Palou program of legs and foot and wheels alternately as a support to the same level of public support as a starting point are set, the wheels and interacting legs and foot of climing stairs wheelchair is circulared to move, in order to achieve the purpose of the stairs. Internal driving member is a worm gear parts. Designing axis, considerring how the material selection, analysising radial load and axial structural design, the main radial force and torque is to analysis,and select the bearings and keys, and check above the relevant content,modify,fill the gaps. Keywords climbing stairs power worm axis
目录
1引言.1
1.1国内国外目前现状.1
1.2涉及到的领域以及知识概念.2
1.3未来发展前景.3
2爬楼轮椅结构设计5
2.1拟定爬楼方案5
2.2拟定传动方案7
2.3电动机的选择8
2.3.1电动机的类型以及结构形式8
2.3.2电机效率、各轴传动比、转矩等一系列必要参数的确定8
2.4传动零部件的设计9
2.4.1减速箱外零部件的设计9
2.4.2减速箱内零部件的设计.11
3安全情况分析23
3.1重心位置23
3.2人身安全23
结论.25
致谢.29
参考文献30
1 引言 在科技日益飞跃的现代社会里，随着老龄化人数的不断增多，老龄化水平达到14.8%[1]。而且我国第二次全国残疾人抽样调查报告中主要数据指出：全国共有残疾人口8000多万，占全国人口总数的6.34%[2]。随着时代的变迁，世界发展已经越来越迅速，经济以飞跃式迅速前进，我国高层建筑越来越多，一些常年卧床不起的重病患者或突发性疾病病患者，无法满足医院卧姿运送的要求，而大多数高层民宅上的电梯空间目前还不能容纳足够的医疗担架空间，致使病人需要抬着上下楼，考虑到楼梯倾斜角度以及楼梯上下楼的速度以及距离，担架不能满足以上要求。进而对轮椅的需求，特别是能上下楼的那种，已经越来越高，越来越强烈。更有甚者，部分地区已经产生了对自动化控制的渴望，也就是说不再用人去操作，让轮椅走自己的路。 1.1 国内国外目前现状 迄今为止，爬楼轮椅发展历史较为悠久，在一百多年以前，英国开始研制第一辆智能轮椅，引起许多国家投入较多资金到智能轮椅项目中的研究，譬如美国麻省理工学院Wheelesley 项目[3]，还有法国VAHM 项目[4]，再之德国乌尔姆大学MAid 项目[5]，再者西班牙SIAMO 项目[6]等。但是由于各个研究部门的研究目标及研究方法花样繁多，每种轮椅所能解决的问题以及达到的能力不尽相同。而在研究的初期，研究人员赋予轮椅的功能大多数都是较为低级的控制，比如说一些简单的运动、速度控制，还有简单躲避障碍的能力研发等。不过随着自动控制技术的发展，机器人技术的日益先进，自动化机器人技术现已大量用于轮椅的研发。因而智能轮椅在更现实的基础的层面上，有着更好的灵活性、交互性、适应性以及自主性。 在近几十年里，国内外的许多高等院校、公司企业和研究机构都已经对爬楼梯的结构装置进行了更为深入的研究和开发，而且生产了各种各样的产品，并提出了大量的解决方案。总而言之，根据需要攀爬楼梯的不同型号，一般通常采用三种结构原理[7-9]，其中一种结构是采用行星轮[10-13]机构，故而叫行星轮式爬楼轮椅，星型轮式爬楼梯轮椅的爬楼梯装置是由均匀分布在Y 形或者是十字形系轮式框架上的若干个子小轮构成。 并且各个子小轮不但可以绕各自的轴线自转，而且还可以随着系杆框架一起绕中心轴公转。当然，在平地行走的时候，各个子小轮自转；而爬楼梯时，各个子小轮一起绕着中心轴公转，从而实现爬楼梯的功能。第二种结构是履带轮[14-17]型，顾名思义履带轮型爬楼梯轮椅，因为它移动形式和坦克差不多，以履带作为行动主体，履带型爬楼梯轮椅的应用颇为广泛，它采用的事比星型轮机构更加连续的越障方式以及行走方式，并且传动效率比较高。在上下楼梯过程中，轮椅整体的重心非常平稳，波动非常之小，基本上不会产生上下的起伏，因为其重心总是沿着和台阶斜度相平行的方向上做直线运动。再有一种结构就是是腿足式[8、18、19]结构，这种结构的主要特点就是同时具有两套支撑装置，就是他的腿足部分，而且这两部腿足作为交替支撑，模拟哺乳动物的跑的形式，只不过速度没有那么快，前后腿往复运动，以实现上下楼梯的目的，并且腿足式爬楼轮椅的爬楼梯过程类还有些似于人上下楼梯的过程，因此亦有人称之为步行式爬楼梯轮椅。腿足式爬楼轮椅在爬楼梯的时候，先以其中一部分腿足作为支撑来稳定重心，接着抬高轮椅和另外一部分腿足系统，再水平向前移动，再上一个台阶；再由另外一部腿足作为轮椅的支撑，将之前的那部分腿足收回。这样周而复始，就可以实现上楼下楼的功能了。尽管步行式爬楼轮椅对楼梯的适应性很强，但是，由于其承载重心不稳定，波动幅度大，位置偏高，因而造成前倾后翻危险性很大。加之其对稳定性要求极高，因此控制难度非常之大，机构结构往往会很复杂，而且还尚有诸多问题有待于解决。 1.2 涉及到的领域以及知识概念 爬楼轮椅的设计主要是设计爬楼结构，做出这一模型。这里面主要应用机械原理和机械设计方面的知识。机械结构设计的主要目的就是要满足爬楼梯助行系统机械结构紧凑，还能较稳的上下楼，再之要求就是要整体重量小，具有合理的路径规划能实现连贯爬升运动。适应能力以及控制难易程度极度取决于机械结构设计的好坏，爬楼轮椅的机械结构设计是系统设计的核心所在。其次是控制部分设计[7、20-22]，因为需要保证爬楼梯轮椅具有良好的爬楼性能，即能够安全、高效地完成上下楼梯的过程，而且还有可靠。其控制核心必须具有很强大的功能，除电动轮椅控制器自身理所应当具有的速度调节、运动控制、故障检测等一些基本功能以外，还必须具有对使用者进行实时检测一系列参数的多方面作用，譬如人的坐姿、位置、轮椅相对位置、轮椅运动状态等，并可以正确判别传感器信息，给出正确的指令，通过该指令来对爬楼梯轮椅的驱动系统进行指挥，并给出下一步操作的指挥，比如说指挥爬楼轮椅的运动或者报警。 此外，本毕业设计的主要目的是爬楼轮椅的三文建模设计，即轮椅的机械结构，亦是其核心问题，主要应用机械原理知识（包含高等数学、力学等方面的知识），例如轴承规格及其性质，传动机构等。因为目前所学的知识有限，理论值与实际值往往存在误差，要想验证一个结果不可能只用到一种知识，稍有纰漏会影响下一项的工作，必要时用 Creo/ProE 5.0 或者MATLAB 进行仿真。 1.3 未来发展前景 综合目前国内外爬楼轮椅发展的形式来看，社会对其的要求已经不仅仅局限于结构稳定，运行稳定，操作方便这些简单的基本的因素，而是面向多元化方向发展，主要体现在以下的几个方面： (1) 爬楼轮椅主要考虑的因素就是有实用价值，必须考虑其应用的情况。爬楼轮椅作为代步工具，有较远的行程的时候，供电系统还是要考虑的，其能源系统大多数都是机载电源，所以重量轻是一个不可或缺的因素，通过减小无用功的消耗来延长续航时间。与此同时，减轻重量也可大幅度地提高爬楼轮椅上下楼梯时的灵活性，降低控制的难度。 (2) 由于爬楼梯轮椅的适用对象大多数都是肢体残疾人和老年人，可靠性是爬楼轮必须的组成部分，所以爬楼梯轮椅的设计的首要要素就是从细节做起，设计安全、稳定、可靠的产品，并且在爬楼梯过程中，还要保证必要的单向制动，重心波动小，安全永远都是第一的。 (3) 爬楼梯轮椅作为使用者生活中不可或缺的组成部分，所以功能齐全也是不可或缺的一部分，在功能设计方面，需要尽其所能的满足人性化要求，创建一个良好的人机交流环境，使产品从各个角度满足人的要求，体现生活实际的价值。 (4) 具有低廉价格的爬楼梯轮椅也是广大消费者考虑的因素，价格要靠考虑大众化，看其是否能被消费者所接受，从而决定了爬楼轮椅的生产方式，是单一针对个别情况生产还是批量生产。当然设计思想课应用有限元思文，即模块化的设计思想，先考虑局部因素，再把这些个因素综合起来进行考虑。只有这样，使用者才可能自主选择配置合适的爬楼轮椅。与此同时，也可提高生产效率，降低生产成本，缩短研发周期，提高性价比，实现一劳永逸的效果。 随着智能技术、机器人技术、计算机技术、传感器技术等日益的突飞猛进，爬楼梯轮椅的研究方向也是礼不可时代的脚步，其发展方向亦是向着全自动化、人性化。相信在不久的将来，全自动爬楼梯轮椅将会满足以上的所有功能，达到全自动化、人性化的要求，以真正融入到残疾人和老年人的生活世界，高效率地提高他们的生活质量，使他们方便出行不再成为梦想，彻彻底底地告别楼梯和路障的阻碍，给他们生活的自信，以及重新融入到社会的机会。
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