多功能坐態(tài)調(diào)整電動輪椅設(shè)計含catia三維張CAD圖
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多功能坐態(tài)調(diào)整輪椅設(shè)計
摘 要
輪椅是行動不便的老年人與殘疾人群日常生活中最重要的工具，他不僅為行動不便的人代步，同時下肢不便的人可以借助輪椅來進(jìn)行鍛煉和恢復(fù)，更可以幫助他們與周圍的人群進(jìn)行交流，更好的融入社會。在這種環(huán)境下，輪椅的需求變得越來越大。但普通輪椅需要人力推動或使用者本人進(jìn)行推動來行進(jìn)、后退，且很難進(jìn)行轉(zhuǎn)彎等的操作。因使用者長時間坐在輪椅上，又無法通過自己調(diào)整坐態(tài)，更是加劇了使用者的疲勞程度。對于下肢不便的人來說，輪椅可以達(dá)到的高度又是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，高處的東西自己完全碰不到，又無法通過自己站起來。量身定做或現(xiàn)有的電動輪椅價格又過高，很多人無法接受，使用統(tǒng)一型號的輪椅，舒適度會大大降低。為了幫助這些需要輪椅的人群，我設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉，極為舒適的多功能坐態(tài)調(diào)整的電動輪椅。
通過對國內(nèi)外電動輪椅的研究成果與國內(nèi)外市場的調(diào)查分析后，確定了本次畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容與方向。國內(nèi)成品電動輪椅功能普遍單一。國外成品電動輪椅造價過高，結(jié)構(gòu)反鎖，操作復(fù)雜，無法滿足老年人的需求。本次設(shè)計使用簡單的結(jié)構(gòu)，通過電推桿與電機來控制輪椅的上升下降與座椅調(diào)節(jié)，通過六輪行走機構(gòu)來滿足輪椅需要的行走要求。同時簡化了輪椅的操作，使用操作桿與簡單按鍵來控制輪椅的所有功能。
本次設(shè)計根據(jù)老年人與殘疾人群的心理與生理需求，運用人性化的設(shè)計，整合，修改了現(xiàn)有電動輪椅的外觀，結(jié)構(gòu)與功能，使用catia建模，計算分析，設(shè)計出了一種新型多功能坐態(tài)調(diào)整輪椅。可以使老年人或殘疾人群在脫離家屬，護(hù)理人員時完成盡可能多的動作。
關(guān)鍵詞：輪椅；多功能；老年人；坐態(tài)調(diào)整
Abstract
Wheelchair is the most important tool in the daily life of the elderly and disabled. It is not only for the people with mobility, but also for those with lower extremities for exercise and recovery. More can help them communicate with the surrounding groups, better integration into society. In this environment, wheelchair demand is growing. But ordinary wheelchairs need human push or the user to push forward, backward, and difficult to make turns and so on. Sitting in wheelchairs for a long time, unable to adjust the sitting state, exacerbated the fatigue of the users. For people with lower extremities, wheelchair can reach a height is far from enough, the height of things themselves can not touch, can not stand up through their own. Customized or the existing electric wheelchair prices are too high, many people can not accept, the use of a unified model of wheelchairs, comfort will be greatly reduced. To help these people in need of wheelchairs, I have designed an electric wheelchair with simple structure, easy operation, low price and extremely comfortable multi-function seat adjustment.
The main contents and direction of the graduation design are determined by the research results of electric wheelchairs at home and abroad and the investigation and analysis of the domestic and foreign markets. Domestic finished electric wheelchair function is generally single. Foreign finished electric wheelchair is too expensive, structural lock, complex operation, unable to meet the needs of the elderly. The design uses simple structure, through electric push rod and motor to control the rise and fall of the wheelchair, through the six-wheel walking mechanism to meet the needs of the wheelchair walking requirements. At the same time, it simplifies the operation of the wheelchair, and controls all the functions of the wheelchair by using the lever and the simple button.
According to the psychological and physiological needs of the elderly and the disabled, this design modifies the appearance, structure and function of the existing electric wheelchair by using the humanized design and integration, and uses catia to model, calculate and analyze. A new multi-function seat adjusting wheelchair is
designed. The elderly or disabled can perform as many actions as possible when they are separated from their families and nursing staff.
Keywords:wheel chair;multifunctional;old people;sitting regulation
目 錄
第一章 緒 論 1
1.1研究背景目的和意義 1
1.2國內(nèi)外研究狀況 2
1.3論文結(jié)構(gòu)及研究內(nèi)容 4
1.4本章小結(jié) 5
第二章 總體設(shè)計方案 6
2.1設(shè)計要求 6
2.2設(shè)計方案 6
2.3本章小結(jié) 8
第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
3.1行駛機構(gòu)與底盤 9
3.1.1行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
3.2.2行走機構(gòu)的運動原理 11
3.2.3電機與減速器校核計算 12
3.2座椅機構(gòu) 15
3.2.1電機的選用 15
3.2.2結(jié)構(gòu)及工作原理 16
3.2.3 連接機構(gòu)齒輪的選取 19
3.3抬升機構(gòu) 21
3.3.1結(jié)構(gòu)及工作原理 21
3.3.2運動行程與受力分析 24
3.4 本章小結(jié) 26
第四章 控制系統(tǒng) 27
4.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計 27
4.2本章總結(jié) 30
第五章 總結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
第一章 緒 論
1.1研究背景目的和意義
隨著中國快速的發(fā)展，醫(yī)療條件的改善與提高，人們對生活高質(zhì)量的需求也越發(fā)提高。國內(nèi)的學(xué)者研究并指出了中國的人口老齡化越發(fā)嚴(yán)重，在近幾年內(nèi)將呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長。自然災(zāi)害與意外傷害的原因，下肢不便人群的數(shù)目越發(fā)的增多。除此之外，還有一些天生殘障致使下肢不便的人群因醫(yī)療條件的改善，人數(shù)也越發(fā)增多。
這三大類人群，都不同程度的喪失了行走，視覺，動手，語言能力。他們是國家重點關(guān)注的人群，對于每個家庭來說，任何一個成員任何一個生命都不可以去輕易放棄。他們的生活需要專業(yè)的醫(yī)療與護(hù)理，針對他們社會提供福利慢慢成為社會的負(fù)擔(dān)。國家對這三類人群提供的醫(yī)療與護(hù)理福利，對經(jīng)濟也產(chǎn)生了很大的壓力，在不久的將來可能會使經(jīng)濟產(chǎn)生負(fù)增長等不利影響。
正常人對生活質(zhì)量的追求都在慢慢提高，而這三類人群也在慢慢提高自己對生活質(zhì)量的要求。為了減少護(hù)理人員，以減輕社會與家庭的經(jīng)濟壓力，還可以使這三類人群的生活質(zhì)量得到提高，同時可以幫助他們進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以一個多功能，全自動的輪椅極為重要。輪椅作為下肢不便人群最重要生活工具，其作用不應(yīng)僅僅是代步，最重要的幾點有：要提高使用者的生活自由度，可以讓下肢不便的人群參與人群活動，進(jìn)入社會。還要具備可以進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的功能。
服務(wù)類的服務(wù)類電動機械裝置每年以50%速度在增長著，全自動機械裝置有著人類的反應(yīng)速度與判斷能力，同時具有機械裝置獨有的工作時間長，精度性與速度高，可靠性穩(wěn)定性高，對環(huán)境需求不高，惡劣環(huán)境下都可進(jìn)行工作等優(yōu)點。
在中國這么一個人口老齡化嚴(yán)重的國家，每年需求的輪椅數(shù)在快速增長，設(shè)計一個好的輪椅，可以更好的滿足這群人。
一個全自動的電動輪椅是下肢不便人群提供更好的代步工具，最重要的是讓他們可以獨自，獨立的正常生活。在未來，全自動電動輪椅一定是不可缺少的，各個國家也在加速電動輪椅的研發(fā)工作，可以看到，輪椅產(chǎn)業(yè)后面隱藏著巨大的經(jīng)濟效益。
專家指出，服務(wù)類電動機械裝置將成為個人電腦，家電后第三類人類最需要的工具，同時電動的輪椅會提供很好的社會效應(yīng)，幫助很多家庭減輕經(jīng)濟壓力，
2
同時也為國家減輕壓力。
在人性化方面，全自動的電動輪椅對于下肢不變的人群來說不只是在服務(wù)他們，同時也是一種陪伴。全自動輪椅對這群人有著很深的意義，對社會，對國人類幸福感的提升也有著很深的意義。
1.2國內(nèi)外研究狀況
我國主要從事于全自動輪椅的機構(gòu)非常少，同時因為起步較晚，基礎(chǔ)也非常薄弱，主要是在電動輪椅的機構(gòu)與操作性上無法與國外一些專業(yè)機構(gòu)比較。但經(jīng)過我國科研人員的不懈努力，同樣也研制出了一些帶有自身特色，獨特功能的電動輪椅。
在中國主要從事全自動輪椅的機構(gòu)有中國科學(xué)院，一些高等院校與醫(yī)療器械機構(gòu)。但國產(chǎn)電動輪椅的控制器大多使用的是國外進(jìn)口的成品控制器，所以國內(nèi)的電動輪椅造價普遍很高，但利潤非常低。單單國外的控制器的價格就要占據(jù)整個電動輪椅一半以上的造價。而一些精密的零件，國內(nèi)生產(chǎn)廠家又無法通過自身進(jìn)行制造，所以現(xiàn)在國產(chǎn)電動輪椅在國際市場上沒有產(chǎn)生競爭力。國際上的電動輪椅主要還是由國外的電動輪椅制造產(chǎn)商占據(jù)。
在國內(nèi)全電動輪椅市場，電動輪椅的類型幾乎相同，功能也幾乎一樣，如圖1-1所示。國內(nèi)市場中主流的電動輪椅，大多只有前進(jìn)后退功能。而商家多數(shù)使用輕盈的材料與可折疊性來吸引顧客。
可見國內(nèi)市場的電動輪椅根本無法達(dá)到多數(shù)使用者的要求，且價格普遍在千元左右，一些大品牌的全自動輪椅，最低價格也要在萬元左右。即使因為品牌而提高了價格，性能，功能也沒多少改變。
除了這些市面上常見的電動輪椅外，中國科學(xué)院里的自動化研究所制作了一款具有視覺與語音導(dǎo)航功能一體的，通過語音可以與使用者進(jìn)行人機交互的輪椅。該輪椅運用了計算機圖像處理，視覺和語音識別的最新研究成果。有點像蘋果手機中的Siri，通過使用者簡單的語音口令，就可以進(jìn)行人機交互。更加的解放了使用者，使使用者的體驗更好。
還有上海交通大學(xué)制作的全自動輪椅，配有激光測距雷達(dá)與圖像識別傳感器。激光測距等傳感器的使用，使輪椅具有記憶功能，可根據(jù)使用者日常的行為進(jìn)行自主導(dǎo)航。并且避障靈敏度相當(dāng)高，在多障礙的工作條件下可以根據(jù)傳感器自主的規(guī)劃行進(jìn)路線，保證了使用者的安全性。且該全自動輪椅配備了電子顯示屏，語音識別，通過電子顯示屏與語音識別，可以更好的完成人機交互，完成使用者的各種需求。
圖1-1 國內(nèi)市場中主流全自動輪椅
但這些輪椅的造價極為昂貴，光是制造成本就要幾十萬，根本無法做到產(chǎn)品化生產(chǎn)，跟不用說去普及。
國外全自動電動輪椅的研究可以說是非常先進(jìn)，很多大的汽車企業(yè)在很早之前就投入到全自動多功能輪椅的研制中。大部分輪椅也做到了產(chǎn)品化。
最為典型的國家就是日本。本田，松下等公司在很早以前就已經(jīng)研制出可以產(chǎn)品化生產(chǎn)的電動輪椅。在諸多產(chǎn)品化的電動輪椅中，日本的saito-kobo公司生產(chǎn)的輪椅尤為典型。該公司從1994年就開始研制全自動輪椅，圖1-2所示為該公司投入生產(chǎn)的全自動輪椅。
首先在日本狹小的房屋中，該輪椅使用六輪來確保輪椅可以發(fā)揮出強大的動力與極小的轉(zhuǎn)彎半徑，由于中輪驅(qū)動，以身體為中心，轉(zhuǎn)彎半徑非常小。座椅可以向前傾斜，使使用者可以更方便的接近桌子和洗臉臺等位置，在下坡時，座椅可以向后傾斜，以保證使用者的安全。使用平躺功能，可以使輪椅靠背下降，通過后輪支撐，前輪離地，方便使用者充分休息。輪椅前端的腳板推桿可以伸長直到與地面接觸，方便使用者脫離輪椅，進(jìn)行其他活動。最后就是輪椅上升的功能，通過該功能，使用者可以觸碰到更高處的東西。
在日本，這種全自動的輪椅已經(jīng)產(chǎn)品化生產(chǎn)，因全部零件都是自己國家制造，所以價格較中國輪椅來說，非常的低，在日本人經(jīng)濟可承受范圍內(nèi)。
圖1-2 日本saito-kobo公司生產(chǎn)的全自動輪椅
1.3論文結(jié)構(gòu)及研究內(nèi)容
本文主要介紹了全制動坐態(tài)調(diào)整輪椅的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計，通過網(wǎng)上資料，與各方面的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合CATIA三維建模，來設(shè)計出輪椅的結(jié)構(gòu)。在通過后期的計算分析，驗證了各機構(gòu)的合理性。全文可分為五大部分：
1） 第一章節(jié)為緒論，對國內(nèi)外市場的電動輪椅進(jìn)行比較分析，從我國的實際國情出發(fā)，分析出了我國電動輪椅存在的許多不足點，針對這些不足點，設(shè)計出了新型的電動輪椅。
2） 第二章節(jié)為本次設(shè)計的設(shè)計要求，總體方案，與總結(jié)。
3） 第三章為整個多功能全自動坐態(tài)調(diào)整輪椅設(shè)計詳解，將整個輪椅的機構(gòu)分成四大部分：抬升機構(gòu)，座椅機構(gòu)，行駛機構(gòu)與控制機構(gòu)。首先介紹了每個機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，詳細(xì)介紹了每個結(jié)構(gòu)的工作原理。本次設(shè)計需要使用電推桿等成品件，也對這些成品零件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最后對整個結(jié)構(gòu)與需要使用的電機進(jìn)行計算校核來確保使用的安全性。
4） 第四章節(jié)為整個輪椅的控制系統(tǒng)設(shè)計，通過程序說明圖來簡要的分析與介紹了控制系統(tǒng)。
5） 第五章總結(jié)了全文，并說明整個設(shè)計的創(chuàng)新點與依然存在的缺陷，對該輪椅的使用做出了說明，對未來電動輪椅的設(shè)計提出了展望。
1.4本章小結(jié)
本章對國內(nèi)外電動輪椅市場與現(xiàn)階段電動輪椅的優(yōu)缺點進(jìn)行分析比較，結(jié)合前人的設(shè)計，簡述了現(xiàn)階段電動輪椅開發(fā)研究的情況，為后面設(shè)計提供了基礎(chǔ)。
第二章 總體設(shè)計方案
2.1設(shè)計要求
本次設(shè)計的電動輪椅，需要在室內(nèi)燈狹小的場所使用，所以輪椅尺寸要參考電動輪椅車外形尺寸的國家標(biāo)準(zhǔn)，表1-1所示。國內(nèi)市場的電動輪椅功能過于單一，幾乎只有電動行駛功能，為了滿足更多人對電動輪椅功能的需求，本次設(shè)計應(yīng)滿足以下條件:
1) 需要在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定的直線行駛與轉(zhuǎn)彎。
2) 輪椅座椅部分要有升高與擺動功能，靠背，靠腿，腳踏板需要進(jìn)行小幅度擺動。
3) 使用自動控制機構(gòu)，可以使使用者使用搖桿和按鍵就可以簡單的操作輪椅的各種功能。
2.2設(shè)計方案
首先根據(jù)表2-1，粗略的設(shè)計出電動輪椅大致規(guī)格。再對人體進(jìn)行實際的測量，因為本次設(shè)計輪椅需要有向后擺動的動作，根據(jù)電動輪椅車外形尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)，在電動輪椅靠背向后擺動時，頭部無法全部靠在輪椅靠背上，會使使用者形成后仰動作，很容易造成危險。
所以本次設(shè)計，增加了輪椅靠背的長度，即增高了電動輪椅的總高，以保證使用者的正常使用，不會造成任何危險。
表2-1 電動輪椅車外形尺寸的國家標(biāo)準(zhǔn) 單位mm
室內(nèi)型、室外形
道路型
總長1
≤1200
≤1600
總寬b
≤700
≤750
總高h(yuǎn)
≤1090
≤1150
根據(jù)表1-1，再結(jié)合實際用途，我設(shè)計的輪椅尺寸為：長700mm(正常坐姿下)，寬600mm，高為1370mm。
本輪椅主要機構(gòu)可分為，座椅機構(gòu)，抬升機構(gòu)，行駛機構(gòu)和控制機構(gòu)?；贑ATIA制作出三維模型圖，如圖2-1所示，1為控制機構(gòu)，2為座椅機構(gòu)，3為抬升機構(gòu)，4為行駛機構(gòu)。
圖2-1 輪椅的CATIA模型與主要機構(gòu)劃分與主要尺寸
根據(jù)機構(gòu)的劃分，通過各個機構(gòu)的配合來完成輪椅所設(shè)計的功能。電動輪椅各個機構(gòu)在保證各機構(gòu)基礎(chǔ)功能以外，還滿足設(shè)計要求的所需功能，如圖2-2所示，控制機構(gòu)可控制輪椅的各項功能。座椅機構(gòu)可以完成靠背的擺動，靠腿的擺動以及腳踏板的擺動。抬升機構(gòu)可以完成座椅的上升與下降，并且可以完成座椅前端的上下擺動。行駛機構(gòu)可以完成前后，直線，轉(zhuǎn)彎行駛，底盤處用來連接機構(gòu)，安放電池，控制器等裝置。本次設(shè)計主要通過電機的旋轉(zhuǎn)與電推桿來完成設(shè)計所需要的各項功能。
圖2-2 各機構(gòu)功能詳分
2.3本章小結(jié)
本章根據(jù)現(xiàn)實生活中對輪椅功能的要求，制定了一系列設(shè)計要求。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)與實際測量，設(shè)計了輪椅的結(jié)構(gòu)與尺寸，并簡要的介紹了該電動輪椅的運行原理。
第3章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1行駛機構(gòu)與底盤
3.1.1行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
輪式移動機構(gòu)在國內(nèi)市場最為普遍的結(jié)構(gòu)布局為三種：三輪式，四路式與六輪式。
三輪結(jié)構(gòu)的輪式移動機構(gòu)的優(yōu)點有，結(jié)構(gòu)簡單，操控簡單，轉(zhuǎn)彎半徑小，造價低廉。但缺點極為明顯，在行進(jìn)中很容易側(cè)翻，穩(wěn)定性極差，極易對使用者造成二次傷害。
四輪結(jié)構(gòu)的輪式移動機構(gòu)為最常見的移動機構(gòu)，是最為主流的移動機構(gòu)，如小汽車等都是使用四輪移動機構(gòu)。優(yōu)點是平穩(wěn)性很高，可高速行進(jìn)。而唯一的缺點就是轉(zhuǎn)彎半徑不大，無法進(jìn)行很精確的移動。
而六輪結(jié)構(gòu)的輪式移動并不常見，但在一些特定情況，三輪移動機構(gòu)與四輪移動機構(gòu)無法完成的動作就需要六輪移動機構(gòu)來代替完成。比如站在科技頂端的火星探測車就是使用六輪移動機構(gòu)來確保車體可以再火星復(fù)雜的地面上行進(jìn)，與精確的探測。再有大型汽車，皮卡類，都需要六輪來確保自身的行進(jìn)動作。六輪結(jié)構(gòu)的移動機構(gòu)的自由度，穩(wěn)定性都極高，擁有一切三輪車與四輪車的有點，同時轉(zhuǎn)彎半徑又小，所以本次設(shè)計我選用的是簡化的六輪結(jié)構(gòu)的輪式移動機構(gòu)作為行進(jìn)機構(gòu)。
設(shè)計要求是滿足在路況良好的室外或室內(nèi)使用，因此采用六輪結(jié)構(gòu)的輪式機構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的在室內(nèi)使用最大的優(yōu)點就是轉(zhuǎn)彎半徑非常小，結(jié)構(gòu)簡單，操控方便，同時六輪更加的平穩(wěn)，如圖3-1所示。
六個輪子可分為前中后三種輪，本次設(shè)計，前輪為支撐輪，中輪為驅(qū)動輪，后輪為轉(zhuǎn)向輪。前輪通過軸直接固定在輪椅的底盤上，后輪為360度自由旋轉(zhuǎn)輪，中輪與輪椅專用電機固定，為輪椅行走提供動力。
電動輪椅專用電機選擇減速器電機一體的輪椅專用電機，圖3-2為該電機圖片，表3-1為該減速器基本參數(shù)。直接選用這種一體式減速器電機，可以確保電機工作的穩(wěn)定性，保證輸出扭矩。還可節(jié)省空間，使布局更為緊湊。
除此之外，在底盤處，安防一個24V可為輪椅提供電量的電池與可編程電機控制器。
圖3-1 行駛機構(gòu)與底盤結(jié)構(gòu)圖
圖3-2 電動輪椅專用減速器電機
表3-1 電動輪椅專用減速器電機基本參數(shù)
功率
200W
電壓
24V
電流
≤4.5A
轉(zhuǎn)速
4600
減速比
32:1
額定轉(zhuǎn)矩
29N·m
剎車方式
電磁鐵吸附
噪音
≤75db(A)
3.2.2行走機構(gòu)的運動原理
本次設(shè)計使用的驅(qū)動模式為雙輪差速驅(qū)動模式，這種結(jié)構(gòu)極為簡單，操作方便。
可以通過改變兩個中輪的轉(zhuǎn)速，來完成所需的各種動作。圖3-3為該結(jié)構(gòu)的運動示意圖。O1為行走機構(gòu)的中心點，即質(zhì)點。V代表的是行走機構(gòu)中心點的運動速度，ω為行走機構(gòu)中心點的角速度，VL代表行走機構(gòu)中輪中左輪的轉(zhuǎn)速，VR代表行走機構(gòu)中輪中右輪的轉(zhuǎn)速，L為輪椅兩驅(qū)動輪之間的距離，DL代表行走機構(gòu)中輪中左輪的直徑，DR代表行走機構(gòu)中輪中右輪的直徑。同時設(shè)NL,NR為行走機構(gòu)中輪左右輪的轉(zhuǎn)速，C為輪子的速度系數(shù)。
(3-1)
(3-2)
又因為該機構(gòu)滿足剛體運動的規(guī)律，可列出下列方程。
(3-3)
(3-4)
(3-5)
(3-6)
由該方程極易求出輪椅行走機構(gòu)在運動時的速度。
行走機構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時，通過轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)向。車輪的偏轉(zhuǎn)程度決定了這個輪椅轉(zhuǎn)彎半徑的大小。因為該機構(gòu)的轉(zhuǎn)向輪為360°自由旋轉(zhuǎn)輪，所以最小的轉(zhuǎn)彎為旋轉(zhuǎn)輪中心與驅(qū)動輪中心的距離,在圖3-3中，L表示出來。
圖3-3 行駛機構(gòu)運動示意圖
3.2.3電機與減速器校核計算
直流伺服電機具有響應(yīng)快、低速平穩(wěn)性好、調(diào)速范圍寬，能實現(xiàn)方便的可逆調(diào)速，過載能力好等特點，因而常常用于實現(xiàn)精密調(diào)速和位置控制的隨動系統(tǒng)中，直流伺服電機的誕生，更好的在工業(yè)、國防和民用等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計中，因輪椅行進(jìn)的需要，選用直流伺服電機與減速器一體的電動輪椅專用電機。
因選用成品電機，所以需要對其進(jìn)行校核計算，確?？梢栽俦驹O(shè)計中使用。
初步選用的電機減速器的參數(shù)為表3-1。
已知電機的額定轉(zhuǎn)速nnom=4600r/min，減速器的減速度比為i=32，根據(jù)公式
，得到驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速n1。
（3-7）
（3-8）
本輪椅的驅(qū)動輪直徑D=160mm，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動一圈所行駛的的路程為L。
（3-9）
由公式可求出本輪椅行駛的最高速度。
（3-10）
（3-11）
（3-12）
所以該電機通過減速器后，帶動輪椅輪自，最高可達(dá)到的速度為4.32km/h，電動輪椅在室內(nèi)與室外平坦道路上行駛時，最高速度不超過6km/h就可以保證使用者安全，即為合格。
使用者的重量最大不糊超過100kg,我取使用者重量為100kg進(jìn)行計算，椅子，靠背，靠腿板，腳板，電機等重量取50kg計算。因此整個電動自動輪椅的極限載重G≤150kg,
本設(shè)計后輪轉(zhuǎn)向輪是在輪椅椅子向后仰時提供支撐作用，在行駛過程中，不起到支撐作用，所以該重量G由底盤上的兩個驅(qū)動輪與兩個支撐輪來共同支撐。
根據(jù)資料可以假設(shè)底盤上的四個輪子所受到的壓力是相等的。驅(qū)動輪在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，其與地面的摩擦力為F1,支撐輪受到載重與重量的作用，與地面的摩擦力為F2.只有當(dāng)F1≥F2的時候，整個機構(gòu)才可以正常行駛，驅(qū)動輪才不會打滑造成空轉(zhuǎn)。
已知條件為驅(qū)動輪直徑D1=160mm,支撐輪直徑D2=160mm.
取輪胎與地面的摩擦系數(shù)?=0.02，每個輪子承受的正壓力均為N1
（3-12）
摩擦力F1為
?
（3-13）
每個驅(qū)動輪受到的外界力矩表示為T1
（3-14）
每個支撐輪收到的外界力矩表示為T2
（3-15）
每個電機所要承受的力矩表示為T3
（3-16）
驅(qū)動輪得轉(zhuǎn)動慣量表示為J1，電動機重量取2kg
（3-17）
減速器的轉(zhuǎn)動慣量表示為J2,取J2=0.0001
因此電動機減速器驅(qū)動的軸所受到力為J
(3-18)
驅(qū)動輪的切向加速度表示為
(3-19)
驅(qū)動電機的角速度表示為Ω
(3-20)
驅(qū)動電機的總功率表示為P
(3-21)
P額定功率=200W＞p=88.3W,所以該電動機滿足輪椅運動需求。
在正常平坦道路中行駛，電機的輸出功率P輸出=100W，而P需求=88.3W
In=4.5A
P消耗=Px=
所以求得電機的電樞內(nèi)阻Ra
(3-22)
電機的電勢常數(shù)表示為Ke
(3-23)
電機的額定轉(zhuǎn)矩可以表示為Tn
(3-24)
電機自然的摩擦力扭矩可以表示為Trc
(3-24)
運動時，電機軸上的等效轉(zhuǎn)矩可以表示為Trms，電機效率取0.9
＜1.59
(3-25)
所以該電機可以滿足長期運行需求。
經(jīng)過計算分析，該電動輪椅專用電機符合本設(shè)計需求。
3.2座椅機構(gòu)
3.2.1電機的選用
因設(shè)計要求，該座椅機構(gòu)需要完成靠背部分小幅度擺動，靠腿部分的擺動，以及腳踏板的擺動。通過多個電機帶動靠板，使各種靠板可以進(jìn)行小幅度擺動，以滿足設(shè)計需求。
為滿足設(shè)計需求，本次設(shè)計選用的是渦輪蝸桿式的電動馬達(dá)來提供靠板擺動所需要的扭力。當(dāng)使用者使用輪椅時，要考慮到輪椅上使用者的體重，在靠板達(dá)到要求高度時，要可以承受住使用者體重，以免造成危險。
渦輪蝸桿機構(gòu)，有用獨特的自鎖功能，同樣的，渦輪蝸桿減速馬達(dá)存在著自鎖的功能，當(dāng)馬達(dá)斷電自鎖時，馬達(dá)可以承受二至三倍的額定承載力，鎖住額定負(fù)載兩至三倍轉(zhuǎn)不動。所以本次設(shè)計選用高負(fù)載，高扭矩，低轉(zhuǎn)速的直流渦輪蝸桿式的減速電動機。但在靠背的擺動中，需要電機的功率過高，為保證安全使用，本設(shè)計在靠背的擺動中，選用電動推桿。
我選用的電機的型號為JM-039，如圖3-4所以，本電機為電機市場中承載力幾乎最大的電機，參數(shù)為表3-2所示。
圖 3-4 JM-039渦輪蝸桿減速電機
表3-2 JM-039渦輪蝸桿電機主要參數(shù)
商品名稱
渦輪蝸桿減速電機
型號
JM-039
電壓
24V
功率
200W
空載轉(zhuǎn)速
20r/min
扭矩
160kg/cm
自鎖力
≥160kg
3.2.2結(jié)構(gòu)及工作原理
輪椅靠背需要向后擺動時，按下控制機構(gòu)的靠背向后擺動按鈕，電動推桿接通電源，推桿產(chǎn)生拉拽力，輪椅靠背向后擺動，當(dāng)擺動到所需幅度時，松開按鈕，電源關(guān)閉，推桿自鎖，防止機構(gòu)繼續(xù)運動?？勘承枰蚯皵[動時，按下控制機構(gòu)的靠背向前擺動按鈕，電動推桿接通電源，正負(fù)極對調(diào)，推桿產(chǎn)生推力，輪椅靠背向前擺動，當(dāng)擺動到所需幅度時，松開按鈕，電源關(guān)閉，推桿自鎖，防止機構(gòu)繼續(xù)運動。該部分的最大擺動幅度為向后20°，如圖3-5所示，為保證使用者安全，當(dāng)輪椅靠背擺動幅度達(dá)到最大幅度時，控制器自動斷電，電動推桿形成自鎖，保護(hù)使用者安全。該部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-6所示。
圖3-5 座椅靠背前后擺動最大幅度示意圖
圖3-6 座椅靠背與坐板連接機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
輪椅靠腿需要向上擺動時，按下控制機構(gòu)的靠腿向上擺動按鈕，電機接通電源，電機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)，輪椅靠腿向上擺動，當(dāng)擺動到所需幅度時，松開按鈕，電源關(guān)閉，電機自鎖，防止機構(gòu)繼續(xù)運動。之后靠腿需要向下擺動時，按下控制機構(gòu)的靠背向下擺動按鈕，電機接通電源，正負(fù)極對調(diào)，電機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)，輪椅靠腿向下擺動，當(dāng)擺動到所需幅度時，松開按鈕，電源關(guān)閉，電機自鎖，防止機構(gòu)繼續(xù)運動。該部分的最大擺動幅度為上下90°，如圖3-7所示，為保證使用者安全，當(dāng)輪椅靠腿擺動幅度達(dá)到最大幅度時，控制器自動斷電，電機形成自鎖，保護(hù)使用者安全。該部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-8所示。
圖3-7座椅靠腿上下擺動最大幅度示意圖
圖3-8 座椅靠腿與坐板連接機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
輪椅腳踏板需要向上擺動時，按下控制機構(gòu)的腳踏板向上擺動按鈕，電機接通電源，電機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)，輪椅腳踏板向上擺動，當(dāng)擺動到所需幅度時，松開按鈕，電源關(guān)閉，電機自鎖，防止機構(gòu)繼續(xù)運動。之后腳踏板需要向下擺動時，按下控制機構(gòu)的腳踏板向下擺動按鈕，電機接通電源，正負(fù)極對調(diào)，電機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)，輪椅腳踏板向下擺動，當(dāng)擺動到所需幅度時，松開按鈕，電源關(guān)閉，電機自鎖，防止機構(gòu)繼續(xù)運動。該部分的最大擺動幅度為上下90°，如圖3-9所示，為保證使用者安全，當(dāng)輪椅靠腿擺動幅度達(dá)到最大幅度時，控制器自動斷電，電機形成自鎖，保護(hù)使用者安全。該部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-10所示。
圖3-9 座椅腳踏板上下擺動最大幅度示意圖
圖3-10 座椅腳踏板與靠腿連接機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
3.2.3 連接機構(gòu)齒輪的選取
輪椅各個板子之間使用鑲嵌式結(jié)構(gòu)連接，以保證電機不受到其他方向的應(yīng)力。各板拆料選擇輕質(zhì)復(fù)合材料，保證電機不在超載下工作。
不排除使用者因使用不便對機構(gòu)施加破壞力，所以要選用額定負(fù)載很高的電機。為了確保使用者的安全，與舒適性。因此擺動的速度需要很慢。我將座椅靠背，靠腿，腳踏板的擺動轉(zhuǎn)速初步定為n=5r/min。
從動齒輪轉(zhuǎn)速定為n2，電機輸出轉(zhuǎn)速為n1。
（3-26）
（3-27）
那么通過公式可以計算出傳動比i
（3-28）
所以要選擇傳動比，即齒輪齒數(shù)比為4的齒輪進(jìn)行配合。
（3-29）
（3-30）
（3-31）
（3-32）
（3-33）
（3-34）
（3-35）
所以該電機滿足需求。因該渦輪蝸桿減速器的自鎖負(fù)載為160kg，當(dāng)斷電自鎖時可以足夠承受人小腿或腳所提供的重量，在生活在汽車的座位機構(gòu)也采用該型號電機，所以可以保證，該電機符合設(shè)計需求。
為防止齒輪的旋轉(zhuǎn)對使用者造成不必要的傷害，本設(shè)計在齒輪處增加了防護(hù)設(shè)施，以保證使用者的安全，如圖3-11所示。
調(diào)節(jié)座椅靠背前后的電動推桿3.3中介紹。
圖3-11 保護(hù)機構(gòu)
3.3抬升機構(gòu)
3.3.1結(jié)構(gòu)及工作原理
自動可升降的椅子是生活中很常見的椅子類型，市面上的自動升降椅從驅(qū)動上可分為三大類：液壓，氣壓，機械式。但近年來氣壓升降椅的事故頻發(fā)，被大眾驚恐的稱之為“炸彈”，而電動推桿具有液壓升降平穩(wěn)的優(yōu)點外，體積更小，更節(jié)能，更環(huán)保，方便更換等特點，被廣泛的應(yīng)用在醫(yī)療，教育等機構(gòu)。本設(shè)計的升降機構(gòu)選擇使用醫(yī)療床上使用的電動推桿。
圖3-12 醫(yī)療床電動推桿
圖3-12為醫(yī)療床使用的電動推桿，該電動推桿采用直流電機驅(qū)動螺桿傳動，電壓為24V,具有過流，短路，過載，過放，過壓，防震保護(hù)等特點，同時內(nèi)部帶有限位開關(guān)與機鎖，確保電機不會空燒，可在任意位置停止。
為保證抬升機構(gòu)可以擁有足夠強度來完成設(shè)計需要，根據(jù)表3-12選用JU-TGA-5型號的電動推桿。該推桿的推力，拉力，自鎖力均可達(dá)到1500N。
使用三根型號相同的電動推桿來保證抬升機構(gòu)的穩(wěn)定性，又可以滿足設(shè)計需求中座椅前后上下擺動。三根電機底部可使用螺栓與底盤鏈接，每根電機使用四個型號為m6螺栓與底盤鏈接，確保抬升機構(gòu)的安全穩(wěn)定性。最前方的電動推桿頂部與圓柱形冷拉異型鋼焊接，與座椅底部處形成一個簡易導(dǎo)軌如圖3-13所示。輪椅抬升機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-14所示。
表3-3 電動推桿參數(shù)
型號
空載速度
拉力（N）
推力（N）
自鎖力（N）
JU-TGA-5
5
1500
1500
1500
JU-TGA-10
10
1200
1200
120011
JU-TGA-20
20
900
900
900
JU-TGA-30
30
800
800
800
JU-TGA-40
40
800
800
800
JU-TGA-50
50
500
500
500
JU-TGA-60
60
50
50
50
JU-TGA-80
80
30
30
30
圖3-13 電動推桿頂部簡易導(dǎo)軌
圖3-14 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)模型
抬升機構(gòu)分為兩個模塊，首先是上升與下降功能。上升與下降功能的原理為：上升時，按下控制按鈕上升開關(guān)，控制器接通電源，電動推桿向上推動座椅緩慢上升。當(dāng)達(dá)到最大行程，或者使用者需要的高度時，電動推桿電機自鎖，停止上升。當(dāng)使用者需要下降座椅高度時，按下控制按鈕的下降開關(guān)，控制器接通電源，推桿電機正負(fù)極交換，電動推桿向下拉動座椅，當(dāng)達(dá)到最小行程，或使用者需要的高度時，電動推桿電機自鎖，下降停止。
除了上升與下降功能以外，抬升機構(gòu)的第二個模塊是座椅上下擺動功能，見圖3-16。座椅前后擺動功能的原理為；按下控制按鈕中座椅前后擺動控制按鈕，此時只有最前面的電動推桿接通電源。通過最前方電動推桿的上升與下降，當(dāng)電動推桿上升時，通過電動推桿與座椅底部連接出的簡易導(dǎo)軌，使座椅前方抬高，當(dāng)電動機下降時，可使座椅下降，滿足輪椅所需要的前后擺動功能。
3.3.2運動行程與受力分析
圖3-15電動推桿行程圖
圖3-15為電動推桿最大最小行程，為滿足抬升機構(gòu)的上升，下降，座椅前后的擺動，本設(shè)計選取行程為300mm的電動推桿。因本設(shè)計的抬升系統(tǒng)不需要很快的抬升速度，為保證推桿擁有最大推力和最大拉力，選取最慢速度5mm/s。在該速度下推桿可以達(dá)到最大功率。
輪椅上升與下降的行程是由電動推桿的最大行程來決定的，因電動推桿為成品，所以可根據(jù)自身需要進(jìn)行調(diào)整。考慮到安全與經(jīng)濟因素，又可以滿足設(shè)計所需的上升下降，座椅前后的擺動，我選擇使用最大行程為705mm的電動推桿。當(dāng)算上座椅坐墊高度與輪子高度后，700mm的高度完全滿足大多數(shù)人的基本需求。
當(dāng)抬升機構(gòu)進(jìn)行上升或下降運動時，三根推桿同時承受使用者與椅子，靠背，靠腿板，腳板，電機等重量。使用者體重不大于100KG。
G1=100KG*9.8=980N
（3-29）
椅子，靠背，靠腿板，腳板，點等重量假設(shè)為完全足夠的50KG
G2=50KG*9.8=490N
（3-30）
G總=G1+G2=980+490=1470N＜1500N
（3-31）
由此可知，單跟電動推桿的推力，自鎖力就滿足要求，三根電動推桿可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計需求，可更好地保證輪椅座椅的穩(wěn)定性和可靠性。
圖3-16（b）為輪椅前后擺動的簡化圖，輪椅輪椅座椅前后擺動幅度是由電動推桿，與座椅底部簡易導(dǎo)軌共同控制的,但是當(dāng)電動推桿一直向上推動時，隨著輪椅座椅的抬高，座椅的長度將達(dá)不到電動推桿所要支撐處的長度，所以，輪椅座椅前后擺動的幅度主要有圖3-16（b）中b到c的距離，即輪椅座椅底部簡易滑軌的長度決定。但當(dāng)輪椅座椅上下擺動幅度過大時，由于使用者的過度后仰，極易對使用者造成危險，所以本設(shè)計將輪椅擺動幅度最大值設(shè)定為30度，30度的上下擺動幅度完全可以滿足使用者的各種需求，滿足設(shè)計要求。
當(dāng)輪椅座椅進(jìn)行上下擺動時，a點為固定點，a與d的距離固定，當(dāng)a角度為30度時，對輪椅抬升機構(gòu)進(jìn)行測量，cd長度約為214mm,即電動推桿為滿足最大擺動幅度所需要行進(jìn)的行程，bc的長度約為58mm，即輪椅座椅底部簡易滑軌的可移動長度為58mm。
選取的電動推桿的推動速度為5mm/s，因抬升速度極為緩慢，所以在輪椅座椅上下的擺動過程中，可以不用考慮橫向的作用力。
單一推桿就可滿足承載，負(fù)重等要求，故擺動過程中，電動推桿完全滿足設(shè)計于期望要求。
（a）
(b)
圖3-16 輪椅座椅擺動示意圖
3.4 本章小結(jié)
本章通過使用CATIA三維模型，運動簡圖，數(shù)據(jù)等詳細(xì)地介紹了全自動坐態(tài)調(diào)整輪椅的各部分結(jié)構(gòu)與工作原理。通過實際分析與計算驗證，確定了各個機構(gòu)設(shè)計的合理性，為以后的設(shè)計更新奠定了基礎(chǔ)。
第四章 控制系統(tǒng)
4.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計
電動輪椅的運動控制對時效性的要求很高，所以系統(tǒng)軟件必須簡便，以保證電動輪椅可以快速的完成使用者所要達(dá)到的需求。
首先控制器要使用低成本的民用控制機器，否則價格過高，與國內(nèi)使用進(jìn)口控制器而昂貴的電動輪椅沒有任何區(qū)別。其次，因該電動輪椅的使用者是下肢不便人群，所以輪椅的安全性極為重要。輪椅出現(xiàn)任何故障時，輪椅必須馬上停止，并且通過控制器顯示屏告知使用者，輪椅出現(xiàn)何種問題。
因為電動輪椅的驅(qū)動部分為兩個互相獨立的電機，當(dāng)電機自身內(nèi)部出現(xiàn)參數(shù)不等或因路況問題，造成兩電機轉(zhuǎn)速不同，即便是兩個電機的輸入信號相同，也會形成電機轉(zhuǎn)速的不同，因此需要系統(tǒng)進(jìn)行自動補償來確保輪椅根據(jù)使用者控制進(jìn)行正常行駛。
系統(tǒng)運行時，由操作桿和按鍵I/O口的數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制系統(tǒng)將信號轉(zhuǎn)換并向著電機輸出信號，實現(xiàn)輪椅的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，各結(jié)構(gòu)抬升等功能。
該控制系統(tǒng)必須要有故障檢測功能，由于該電動輪椅適用人群的特殊性，檢測功能需要對輪椅的電量，操作桿位置，電機能否正常啟動進(jìn)行檢測。每次輪椅運行時，DPS都將對整個輪椅進(jìn)行重新檢測，若輪椅出現(xiàn)故障時，DPS會馬上將信號輸入到控制系統(tǒng)的顯示屏上。
而正常情況下，顯示屏也要顯示當(dāng)前輪椅的狀態(tài)，如電池的電量，抬升機構(gòu)的升高情況等。
本次設(shè)計的控制系統(tǒng)分為兩大模塊：操作桿模塊，按鈕模塊。按鈕模塊分為十個按鈕分別控制不同功能：座椅的抬升下降，座椅前端的上升下降，靠背的前后擺動，靠腿的前后擺動，腳踏板的前后擺動。
操作桿主要控制電動輪椅的向前向后，轉(zhuǎn)彎行駛等功能?？刂瓶驁D如圖4-1所示。
圖4-1 操作桿控制框圖
按鈕模塊功能圖幾乎一致，所以只列舉座椅的抬升功能?？刂瓶驁D如圖4-2所示。
圖4-2 座椅抬升控制框圖
4.2本章總結(jié)
本章對該設(shè)計所需的控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡要的說明，使用程序框圖對該電動輪椅的簡單控制流程。
第五章 總結(jié)
本次設(shè)計的全自動多功能坐態(tài)調(diào)整輪椅，彌補了國內(nèi)電動輪椅市場中，電動輪椅的許多不足之處，在前人設(shè)計的基礎(chǔ)上增加了許多必要的功能，我翻閱了許多國內(nèi)外資料，通過CATIA建模，來設(shè)計出了這個全自動多功能坐態(tài)調(diào)整輪椅。輪椅可以通過使用者簡單的操作來進(jìn)行前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎，坐態(tài)調(diào)節(jié)等功能。但設(shè)計之中還存在許多不完美之處，通過控制系統(tǒng)控制輪椅各個機構(gòu)進(jìn)行小幅度擺動時，無法達(dá)到很精確的要求，電動輪椅整體線路過多無法簡化。在產(chǎn)品化設(shè)計當(dāng)中，輪椅的制造成本是最大的問題，怎么降低成本，怎么在降低成本的基礎(chǔ)下使輪椅增加更多的功能，將是未來電動輪椅設(shè)計領(lǐng)域中最大的問題。
在此也希望未來國內(nèi)企業(yè)設(shè)計輪椅時，可以考慮很多我所考慮不到的問題，來彌補國內(nèi)電動輪椅對國際市場無競爭力的問題。
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致謝
經(jīng)過了漫長的幾個月，終于將畢業(yè)設(shè)計結(jié)束。同時我發(fā)現(xiàn)大學(xué)生活真的馬上就要結(jié)束了，回頭一看剛?cè)氪髮W(xué)的經(jīng)歷還是歷歷在目。
在這幾個月畢業(yè)設(shè)計的過程中，我學(xué)到了很多在這四年都沒有學(xué)習(xí)到的知識，我相信，這次畢業(yè)設(shè)計的經(jīng)歷將伴隨我的一生。
首先我要感謝我的導(dǎo)師，金山海老師，不論老師平時工作有多忙，依然會督促我們畢業(yè)設(shè)計的進(jìn)程。每次過去請教，老師都會放下手頭的工作為我們指導(dǎo)。老師熱心的工作精神及其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度使我們學(xué)習(xí)的榜樣。
其次，我要感謝這四年里所有教導(dǎo)過我的老師們，老師們的教導(dǎo)，讓我學(xué)習(xí)了在社會中學(xué)習(xí)不到的文化知識，沒有這些文化的基礎(chǔ)，我未來在面對社會，也會變得手足無措。
最后我要感謝母校，讓我得到了接受高等教育的四年。
在這里對每一位幫助過我的人提出感謝。
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