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Mechanisms And Machine Theory
Introduction to Mechanism：
The function of a mechanism is to transmit or transform motion from one rigid body to another as part of the action of a machine. There are three types of common mechanical devices that can be used as basic elements of a mechanism.
1、Gear system, in which toothed members in contact transmit motion between rotating shafts.
2、Cam system, where a uniform motion of an input member is converted into a nonuniform motion of the output member.
3、Plane and spatial linkages are also useful in creating mechanical motions for a point or rigid body.
A kinematic chain is a system of links, that is, rigid bodies , which are either jointed together or are in contact with one another in a manner that permits them to move relative to one another. If one of the links is fixed and the movement of any other link to a new position will cause each of the other links to move to definite predictable position, the system is a constrained kinematic chain. If one of the links is held fixed and the movement of any other link to a new position will not cause each of the other links to move to a definite predictable position then the system is an unconstrained kinematic chain,
A mechanism or linkage is a constrained kinematic chain, and is a mechanical device that has the purpose of transferring motion and/or force from a source to an output. A linkage consists of links (or bars), generally considered rigid, which are connected by joints, such as pin Cor revolute) or prismatic joints, to form open or closed chains (or loops). Such kinematic chains, with at least one link fixed, become mechanisms if at least two other links remain mobility, or structures if no mobility remains. In other words, a mechanism permits relative motion between its "rigid links"; a structure does not. Since linkages make simple mechanisms and can be designed to perform complex tasks, such as nonlinear motion and force transmission they will receive much attention in mechanism study.
Mechanisms are used in a great variety of machines and devices. The simplest closed-loop linkage is the four-bar linkage, which has three moving links (plus one fixed link) and four pin joints. The link that is connected to the power source or prime mover and has one moving pivot and one ground pivot is called the input link. The output link connects another moving pivot to another ground pivot. The coupler or floating link connected the two moving pivots, thereby "coupling" the input to the output link.
The four-bar linkage has some special configurations created by making one or more links infinite in length. The slider-crank (or crank and slider) mechanism is a four-bar chain with a slider replacing an infinitely long output link. The internal combustion engine is built based on this mechanism. Other forms of four-link mechanisms exist in which a slider is guided on a moving link rather than on a fixed link. These are called inversions of the slider-crank, produced when another link (the crank, coupler, or slider) is fixed link.
Although the four-bar linkage and slider-crank mechanism are very useful and found in thousands of applications, we can see that these linkages have limited performance level. Linkages with more members are often used in more demanding circumstances. However it is often difficult to visualize the movement of a multiloop linkage, especially when other components appear in the same diagram. The first step in the motion analyses of more complicated mechanisms is to sketch the equivalent kinematic or skeleton diagram. The skeleton diagram serves a purpose similar to that of the electrical schematic or circuit diagram .
Organization movement analysis second step: Draws a graphic chart, is must determine the organization the number of degrees of freedom. Based on degree of freedom, but Italy refers needs certain independent inputs the movement number, by determined organization all components are opposite in the ground position. The people have thousands of different types conceivably the link motion gear. You may imagine a bag containing massive link motion gear the component: Two pole groups, three pole groups, four pole groups and so on, as well as components, rotation, motion, cam follower, gear, tooth chain, chain wheel, leather belt, belt pulley and so on. (Sphere movement, screw vice-as well as the permission three dimensional relative motion other connections not yet includes, here, discusses in parallel planes merely plane motion). Moreover you conceivable put these components various types link motion gear possibility which forms in the same place. How exists helps the people to control forms these organizations the rule? In fact, the majority organization duty is requests a sole input to transmit to a sole output. Therefore the single degree of freedom organization uses most one kind of organization type. For example, namely may see by the intuition: Four pole organizations are a single degree of freedom link motion gear.
The picture motion diagram and the determination organization degree of freedom process, is the movement analysis and the synthesis process first stage. In the movement analysis, adds on its characteristic according to the organization geometry shape which possibly knew (for example input angle, speed, angle acceleration and so on) studies the determination concrete organization. On the other hand, the movement synthesis is designs an organization to complete the duty process which an institute requests. In this, chooses the new organization the type and the size is a movement synthesis part. Conceives the relative motion ability, can guess the reason that designs an organization the reason and makes the improvement to a concrete design ability is like this a successful organization scientist's symbol. Although these abilities come from the congenital creativity, however more is because has grasped the technology which enhances from the practice.
The movement analysis：
simple one of most useful organizations is four pole organizations. In on following elaboration majority of content centralism discussion link motion gear, but this procedure is also suitable for the more complex link motion gear.
We already knew four pole organizations have a degree of freedom. About four pole organizations, has the useful more contents which must know? Indeed is some! These pull the Xiao husband criterion including the standard, the transformation concept, the blind spot position (divergence point), branch office, transmission angle, with theirs movement characteristic, including position, speed and acceleration.
Four pole organizations may have one kind of being called as crank rocker organization form, one kind of double rocking lever organization, one kind of double crank (tension bar) does the organization, which one form send in is called as the organization, is decided in two pole movement scopes which (fixed component) connects with the rack. The crank rocker organization input component, the crank may revolve through 360° and the continuous rotation, but outputs the component to make the undulation merely (i.e. swing member). As an exceptional case, in the parallel four pole organization, inputs the pole the length to be equal to outputs the pole the length, the go-between length and the fixed link (rack) length, also is equal. Its input and the output all may make the complete alternation rotation or transform the being called as antiparallel quadrangle organization the overlapping structure. The standard pulls the Xiao husband criterion (theorem) to indicate that,If in four pole organizations, between two poles can do willfully relatively rotates continuously, that, its longest pole length is smaller than sum of with the shortest pole length or is equal to sum of the other two pole length.
Should pay attention: The same four pole organization, may have the different form, which pole is this decided in was stipulated (i.e. makes fixed link) as the rack. The movement transformation process is in the fixed organization transmission chain different member has the different organization rate process. Besides has about the component rotation scope knowledge, but also must have how causes the organization before the manufacture on energy “the revolution” the good measure, that will be very useful. Hardenbergh (Hartenberg) speaks of: “The revolution” is terminology, its significance passes to outputs the component the movement validity. It meant the revolution is steady, in which can in output in the component to have a strength or the torque biggest force component is effective. Not only although the final output strength or the torque are the connecting rod geometric figure functions, moreover also is generally the power or the force of inertia result, that is frequently big to like static strength several times. In order to analyze the idling or in order to easy to obtain how can cause any organization “the revolution” the index, the transmission angle concept is extremely useful. In organization movement period, the transmission angle value is changing. The transmission angle 0° may occur in the special position. Will output the pole but in this special position the movement with not to exert inputs on the pole the strength many to have nothing to do with greatly. In fact, as a result of the movement vice-friction influence, the general basis practical experience, with the transmission angle planning board which is bigger than the rating. The weight link motion gear transmission movement ability matrix foundation definition already studied. A determining factor value (it includes regarding some assigns organization graph, position output movement variable to input variable derivative) is a this link motion gear in concrete position mobility criterion.
If the organization has a degree of freedom (e.g. four pole organizations), then stipulated a location parameter, if the input angle, completely determined this organization stops position (neglect branch office's possibility). We may study one about four pole organization component absolute angular position analysis expression. When analyzes certain positions and (or) certain different organization time, this will be must be much more useful than the geometric figure analysis program, because this expression will cause the automated computation easy to program. The realization organization speed analysis relative velocity law is the speed polygon is one of several effective methods. This end (goes against) the spot to represent on the organization all spots, has the zero speed. From this the line which stipples respectively to the speed polygon in is representing the absolute speed which this organization photograph well should select respectively. In a line connection speed polygon random two points represents is taking on this organization two corresponding spot relative velocity.
機(jī)構(gòu)和機(jī)器原理
機(jī)構(gòu)介紹：
一個機(jī)構(gòu)的功能是傳送或從一個剛體變換運動到另一個機(jī)器的動作的一部分。有三種類型的普通的機(jī)械裝置的，可以用來作為一種機(jī)構(gòu)的基本元素。
1．齒輪裝置。那是在回轉(zhuǎn)軸之間進(jìn)行接觸傳動的嚙合構(gòu)件。
2．凸輪裝置。把輸入構(gòu)件的均勻運動轉(zhuǎn)換成輸出構(gòu)件的非均勻運動的裝置。
3．平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)也是能使一個點或一個剛體產(chǎn)生機(jī)械運動的有用裝置。
運動鏈?zhǔn)且粋€構(gòu)件系統(tǒng)裝置即若干個剛體，它們或者彼此鉸接或者互相接觸，方式上是允許它們彼此間產(chǎn)生相對運動。如果構(gòu)件中的某一構(gòu)件被固定而使任何其他一個構(gòu)件運動到新的位置將會引起其他各個構(gòu)件也運動到確定的預(yù)期的位置上的話，該系統(tǒng)裝置就是一個可約束的運動鏈。如果構(gòu)件中的某一構(gòu)件仍保持固定而使任一運動到達(dá)一新的位置而不會使其他各個構(gòu)件運動到一個確定的預(yù)期的位置上的話，則該系統(tǒng)裝置是一個非約束運動鏈。
機(jī)構(gòu)或連桿構(gòu)件是一個可約束的傳動鏈而且是一個從輸入到輸出以傳遞運動和（或）力為目的的機(jī)械裝置。連桿機(jī)構(gòu)是由通常被認(rèn)為是剛體構(gòu)件或桿組成的，它們是以銷軸鉸接的，例如用柱銷（圓形的）或棱柱體銷軸鉸接，以便成形開式或閉式（回環(huán)式）的運動鏈。這樣的運動鏈在至少有一個構(gòu)件被固定的條件下：如果至少有兩個構(gòu)件能保持運動，就變?yōu)闄C(jī)構(gòu)，如果沒有一個構(gòu)件能夠運動，則就成為結(jié)構(gòu)。換句話說，機(jī)構(gòu)是允許其“剛性構(gòu)件”之間相對運動，而結(jié)構(gòu)則不能。由于連桿機(jī)構(gòu)做成一簡單機(jī)構(gòu)而且能設(shè)定實現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)，例如非線性運動和力的傳遞運動。它們在機(jī)構(gòu)學(xué)研究中將受到更多的關(guān)注。
機(jī)構(gòu)被用于許多許多的機(jī)器和裝置中。最簡單的封閉式的連桿機(jī)構(gòu)就是四桿機(jī)構(gòu)，四桿機(jī)構(gòu)有三個運動構(gòu)件（加上一個固定構(gòu)件）并且有四個銷軸。連接動力源的構(gòu)件即原動件，而具有一個移動鉸和一個固定鉸者叫做輸入構(gòu)件。輸出構(gòu)件將一個移動鉸和另一個固定鉸連系起來。連接構(gòu)件即浮動構(gòu)件將兩個移動的鉸（回轉(zhuǎn)副）連系起來，因而連接構(gòu)件就將輸入傳送到輸出。
四桿機(jī)構(gòu)若使一個或幾個構(gòu)件無限長而產(chǎn)生某些特殊的構(gòu)造。曲柄滑塊（即曲柄和滑塊）機(jī)構(gòu)就是一個四桿機(jī)構(gòu)特例。其以一個滑塊替換一個無限長的輸出件。內(nèi)燃機(jī)就是建立在這一機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上。有著另一種形式的四桿機(jī)構(gòu)，其中滑塊是在一運動的構(gòu)件上導(dǎo)移運動而不是在一固定構(gòu)件上。這些就被稱為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的變換，它是其中一個構(gòu)件（曲柄、連桿或滑塊）被固定時形成的。
雖然四桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是非常有用而且在成千上萬的應(yīng)用中都可找到。但是我們還看到，這些連桿機(jī)構(gòu)其性能水平的發(fā)揮已經(jīng)受到限制。具有更多構(gòu)件的連桿機(jī)構(gòu)常常用于更多要求的情況中。然而可以設(shè)想多回環(huán)的連桿機(jī)構(gòu)的運動常常是更為困難的，特別是當(dāng)其他零件出現(xiàn)在同一圖中的時候，要進(jìn)行更復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運動分析：第一步是繪制一等效運動圖即示意圖。這示意圖用于電路圖解類似的目的，即僅僅表示機(jī)構(gòu)的主要本質(zhì)的意圖，然而它要體現(xiàn)影響其運動的關(guān)鍵的尺寸。運動圖可用兩種形式中的一種：一是草圖，二是比例準(zhǔn)確的運動圖。
機(jī)構(gòu)運動分析的第二步：畫一個圖解圖，是要確定機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)。依據(jù)自由度，可意指需要若干個獨立輸入的運動的數(shù)目，以確定機(jī)構(gòu)所有的構(gòu)件相對于地面的位置。人們可以想象存在數(shù)以千計的不同類型的連桿機(jī)構(gòu)。你可想象一個袋子包容大量的連桿機(jī)構(gòu)的組元：二桿組，三桿組，四桿組等等，以及構(gòu)件，回轉(zhuǎn)副，移動副，凸輪隨動件，齒輪，齒鏈，鏈輪，皮帶，皮帶輪等等。（球形運動副，螺旋副以及允許三維相對運動的其他連接尚未包括進(jìn)去，這里，僅僅討論平行平面內(nèi)的平面運動）。而且你可以想象一下把這些組元放在一起而形成的各種類連桿機(jī)構(gòu)的可能性。存在如何幫助人們控制所形成這些機(jī)構(gòu)的規(guī)律嗎？實際上，大多數(shù)機(jī)構(gòu)的任務(wù)是要求一個單一的輸入被傳遞到一個單一的輸出。因此單一自由度的機(jī)構(gòu)是使用最多的一種機(jī)構(gòu)類型。例如，由直觀可以看出：四桿機(jī)構(gòu)就是一個單一自由度的連桿機(jī)構(gòu)。
畫運動圖和確定機(jī)構(gòu)自由度的過程，就是運動分析和綜合過程的第一個階段。在運動分析中，根據(jù)機(jī)構(gòu)的幾何形狀加上可能知道的其特性（如輸入角、速度，角加速度等）來研究確定具體的機(jī)構(gòu)。另一方面，運動綜合則是設(shè)計一個機(jī)構(gòu)以完成一個所要求的任務(wù)的過程。于此，選擇新機(jī)構(gòu)的類型和尺寸是運動綜合的一個部分。設(shè)想相對運動的能力，能推想出之所以這樣設(shè)計一個機(jī)構(gòu)的原因和對一個具體設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)的能力是一個成功的機(jī)構(gòu)學(xué)家的標(biāo)志。雖然這些能力來自先天的創(chuàng)造性，然而更多的是因為掌握了從實踐中提高技術(shù)。
運動分析：
最簡單最有用的機(jī)構(gòu)之一是四桿機(jī)構(gòu)。以下論述中的大部分內(nèi)容集中討論連桿機(jī)構(gòu)上，而該程序也適用于更復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)。
我們已經(jīng)知道四桿機(jī)構(gòu)具有一個自由度。關(guān)于四桿機(jī)構(gòu)，有沒有要知道的有用的更多內(nèi)容呢？的確是有的！這些包括格拉肖夫準(zhǔn)則，變換的概念，死點的位置（分歧點），分支機(jī)構(gòu)，傳動角，和他們的運動特征，包括位置，速度和加速度。
四桿機(jī)構(gòu)可具有一種稱作曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的形式，一種雙搖桿機(jī)構(gòu)，一種雙曲柄（拉桿）機(jī)構(gòu)，致于稱作哪一種形式的機(jī)構(gòu)，取決于跟機(jī)架（固定構(gòu)件）相連接的兩桿的運動范圍。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件，曲柄可旋轉(zhuǎn)通過360°并連續(xù)轉(zhuǎn)動，而輸出構(gòu)件僅僅作搖動（即搖擺的桿件）。作為一個特例，在平行四桿機(jī)構(gòu)中，輸入桿的長度等于輸出桿的長度，連接桿的長度和固定桿（機(jī)架）的長度，也是相等的。其輸入和輸出都可以作整周轉(zhuǎn)動或者轉(zhuǎn)換成稱作反平行四邊形機(jī)構(gòu)的交叉結(jié)構(gòu)。格拉肖夫準(zhǔn)則（定理）表明：如果四桿機(jī)構(gòu)中，任意兩桿之間能作連續(xù)相對轉(zhuǎn)動，那么，其最長桿長度與最短桿長度之和就小于或等于其余兩桿長度之和。
應(yīng)該注意：相同的四桿機(jī)構(gòu)，可有不同的形式，這取決于哪一根桿被規(guī)定作為機(jī)架（即作固定桿）。運動變換的過程就是固定機(jī)構(gòu)傳動鏈中的不同的桿件以產(chǎn)生不同的機(jī)構(gòu)運動過程。除了具備關(guān)于構(gòu)件回轉(zhuǎn)范圍的知識之外，還要具備如何使機(jī)構(gòu)在制造之前就能“運轉(zhuǎn)”的良好措施，那將是很有用的。哈登伯格（Hartenberg）說到：“運轉(zhuǎn)”是一個術(shù)語，其意義是傳給輸出構(gòu)件的運動的有效性。它意味著運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，其中能在輸出構(gòu)件中產(chǎn)生一個力或扭矩的最大分力是有效的。雖然最終的輸出力或扭矩不僅是連桿幾何圖形的函數(shù)，而且一般也是動力或慣性力的結(jié)果，那常常是大到如靜態(tài)力的幾倍。為了分析低速運轉(zhuǎn)或為了易于獲得如何能使任一機(jī)構(gòu)“運轉(zhuǎn)”的指數(shù)，傳動角的概念是非常有用的。在機(jī)構(gòu)運動期間，傳動角的值在改變。傳動角0°可發(fā)生在特殊位置上。在此特殊位置上輸出桿將不運動而與施加到輸入桿上的力多大無關(guān)。事實上，由于運動副摩擦的影響，一般根據(jù)實際經(jīng)驗，用比規(guī)定值大的傳動角去設(shè)計機(jī)構(gòu)。衡量連桿機(jī)構(gòu)傳遞運動能力的矩陣基礎(chǔ)的定義已經(jīng)研究出來。一個決定性因素的值（它含有對于某個給定機(jī)構(gòu)圖形，位置的輸出運動變量對輸入變量的導(dǎo)數(shù)）是該連桿機(jī)構(gòu)在具體位置中的可動性的一個尺度。
如果機(jī)構(gòu)具有一個自由度（例如四桿機(jī)構(gòu)），則規(guī)定的一個位置參數(shù)，如輸入角，就將完全確定該機(jī)構(gòu)休止的位置（忽視分支機(jī)構(gòu)的可能性）。我們可研究一個關(guān)于四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件絕對角位置的分析表達(dá)式。當(dāng)分析若干位置和（或）若干不同機(jī)構(gòu)時候，這將是比幾何圖形分析程序要有用得多，因為該表達(dá)式將使自動化計算易于編程。實現(xiàn)機(jī)構(gòu)速度分析的相對速度法即速度多邊形是幾種有效的方法之一。這端（頂）點代表著機(jī)構(gòu)上所有的點，具有零速度。從該點到速度多邊形上的各點畫的線代表著該機(jī)構(gòu)上相應(yīng)各點的絕對速度。一根線連接速度多邊形上的任意兩點就代表著作為該機(jī)構(gòu)上兩個對應(yīng)的點的相對速度。
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 1
1.1 引言 1
1.2 比較國內(nèi)外輪椅發(fā)展情形 1
1.3 本畢設(shè)的研究方向 3
2 輪椅方案設(shè)計選擇 5
2.1 概述 5
2.2 方案設(shè)計 6
2.3 設(shè)計方案三 10
2.4 本章小結(jié) 12
3 關(guān)鍵零部件檢驗跟校核 13
3.1 功率估算 13
3.2 分別計算齒輪1跟2的齒數(shù)及模數(shù) 14
3.3 后鏈輪的計算 16
3.4 計算各軸的強度 18
4 電動驅(qū)動輪椅的適應(yīng)條件 20
4.1 輪椅使用條件 20
4.2 電機(jī)的選用 20
5 爬樓梯輪椅機(jī)構(gòu)運動分析 21
結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
附 錄 25
致 謝 31
12
助老助殘爬樓梯輪椅的設(shè)計
摘 要
發(fā)明樓梯在人類發(fā)展的歷史具有深遠(yuǎn)的影響。不僅減少建筑面積,還能完全使用有限的空間。然而給人們帶來些許生活上的不方便。伴隨著我們國家人口大國的老齡化加速,老年人口的數(shù)量日益增長。那些具有殘疾的老年人對殘疾人輪椅的要求也逐漸升高。所以,設(shè)計一個能夠適應(yīng)樓梯的輪椅勢在必行。
本論文主要是對爬樓梯輪椅進(jìn)行研究和設(shè)計分析,主要包括國內(nèi)外爬樓梯輪椅的開發(fā)現(xiàn)狀和將來的發(fā)展情況略做介紹。利用社會調(diào)查和訪問一些殘疾家庭后設(shè)計出一種行星齒輪的爬樓梯輪椅。
本文建立了爬樓梯輪椅動力學(xué)三維建模，并安裝了兩個電動機(jī)，分別控制平地行走運動和爬樓梯運動，在此基礎(chǔ)上，還在輪椅上安裝了減速裝置、減震裝置以及轉(zhuǎn)彎裝置，增加了輪椅的穩(wěn)定性和安全性。
關(guān)鍵詞：行星輪；爬樓梯輪椅；三維建模；穩(wěn)定安全性
The wheelchair design helpage assistive walking up stairs
Abstract
Invention of stairs in the history of human development has a profound impact.Not only reduce the building area, it can fully use limited space.However, bring trifling life inconvenient.Along with our country's most populous country in the accelerated aging, the number of elderly population is growing.The requirements of people with disabilities to wheelchairs for the disabled elderly people also gradually rise.So, design a wheelchair can adapt to the stairs is imperative.
This thesis mainly is the study and design of stair climbing wheelchair analysis, mainly including the development status of stair climbing wheelchair at home and abroad and talk a little on the development of the future.Using social investigation and following a visit to some disabled family designed a planetary gear stair climbing wheelchair.
This article also elaborates a stair-climbing wheelchair through dynamic 3d module. Two electric motors which control the ground walking and stair climbing movement respectively are installed in the wheelchair. Based on this, also in a wheelchair to install the reduction gear, shock absorbing device, and turning device, increase the stability and security of the wheelchair.
Keywords:Planetarywheel;Stair-climbing wheelchair;hree-dimensional module;Stable security
1 緒 論
1.1引言
輪椅已經(jīng)作為重要的康復(fù)工具,不但是老年人跟肢體殘疾人康復(fù)工具,更加特別的是,他們利用輪椅來體育鍛煉跟進(jìn)行社會活動。它的出現(xiàn)不但是科學(xué)跟技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志,而且還是針對極多老年人跟殘疾人，給他們提供了方便及舒適，讓他們能更好的生活、工作，讓越多的人給社會奉獻(xiàn)了自己微薄之力。同時也啟迪人們對人生的探索，讓社會越發(fā)人性化，和諧化。但是卻出現(xiàn)了肢體上行動障礙和不方便等現(xiàn)象，大大的影響了他們與外界的溝通和交流，這個問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多顯得日益突出。
根據(jù)近幾年來世界經(jīng)濟(jì)和社會調(diào)查指出，世界的人口老齡化越來越嚴(yán)重，而且每一年的傷殘人士越來越多，隨著出生率的下降和生命的成長,在未來的幾年里,世界將面臨快速衰老過程,預(yù)計在2060年，將達(dá)到社會人口的30%，而且根據(jù)大量數(shù)據(jù)的殘疾人數(shù)調(diào)查結(jié)果表明，每年殘疾人數(shù)都在大量的增加。為了給他們提供更好的條件，不得不讓我們重新尋找解決問題的關(guān)鍵，那就是改造老人和殘疾人的活動環(huán)境。
由于流動性需求增加,普通輪椅很難適應(yīng)中國老人需要,因為在我們國家的建設(shè),在6層內(nèi)建筑多數(shù)沒有安裝電梯,人們使用輪椅不方便，最好建立另一個車道。為了設(shè)計一種性能優(yōu)越的能夠解決障礙和上下樓梯不便的問題,幫助他們改進(jìn)行動自由度,以更好的狀態(tài)進(jìn)入社區(qū),并且考慮我國基本國情,設(shè)計規(guī)劃出一種經(jīng)濟(jì)方便,且靈活的在地上行走和爬樓梯之間可以相互轉(zhuǎn)換的裝置,具有很大的實用價值和意義。
1.2比較國內(nèi)外輪椅的發(fā)展情形
1.2.1國內(nèi)外的對照
在歐洲跟日本,輪椅可以步行上下樓梯,爬樓梯輪椅的設(shè)計水平相對而言比較成熟,產(chǎn)品質(zhì)量跟外觀是處于領(lǐng)先地位,在控制技術(shù)和電力傳動技術(shù)領(lǐng)先其他國家和地區(qū),它們的功能和良好的掌握產(chǎn)品的外觀的同時,及其在人際關(guān)系中為其他國家提供了一個模型鑒賞。
根據(jù)市場上的調(diào)研,當(dāng)下國內(nèi)的爬樓梯輪椅擁有三個主要類別:履帶式輪椅、行走式輪椅和滾輪式輪椅。履帶式輪椅使用履帶進(jìn)行爬樓梯的原則,然而體積沉重,容易使樓梯損壞,不適用于家庭。行走式爬樓梯輪椅體積大，質(zhì)量重，對系統(tǒng)的控制技術(shù)要求比較高，而且運動過程中不易控制，但是會比較平穩(wěn)，能適合不同的臺階大小。滾輪式爬樓梯設(shè)備具有容量小，擺動靈敏等特性，但是它的穩(wěn)定控制系統(tǒng)比較繁瑣且費用較高。對于國內(nèi)的人來講，平凡家庭承受不起這樣昂貴的費用。
外國很早就有了對輪椅的研究，美國的布雷最初是在1892年發(fā)明了爬樓梯輪椅。在這以后發(fā)達(dá)國家研究輪椅的程度逐漸成型，并有些許輪椅投入使用。我國投入的比較少，但是在市場方面也慢慢的涌出一些專利的產(chǎn)品。
目前國內(nèi)外發(fā)展較好的爬樓梯輪椅，按照其上下爬樓梯的功能設(shè)計原理，可以分為履帶式、輪組式和步行式。以下是針對已有的各類裝置進(jìn)行簡要的介紹，并分析其優(yōu)缺點
（1）履帶式
上下爬樓梯的工作理念就好比裝有履帶的武裝運輸士兵車和坦克,先進(jìn)的技術(shù)和簡單的原則。英國Baronmead公司設(shè)計的由電發(fā)動的輪椅,這款車最下面是履帶驅(qū)動,最大可以爬的角度是35度,自身是34公斤體重,最大負(fù)載130公斤,每分鐘上下樓梯的速度15到20步,充滿電后可滿足連續(xù)1000層上下樓梯。最大高度的階級不超過27厘米。這類輪椅可以隨意在地面上運動,也可以裝拆分為兩部分,方便攜帶運送。
比如法國公司設(shè)計的悍馬輪椅，最下面依靠四輪驅(qū)動在地面運行，在樓梯和其他艱難地形上將旁邊履帶慢慢擱在地面上，再把車輪提起來，這樣自己就能完成一系列動作。現(xiàn)在履帶式輪椅用途較廣，相比較星輪機(jī)構(gòu)其運用更加持續(xù)的運作及高效的傳動率。
（2）滾輪式
圖1-2 iBOT輪椅
上下樓梯的輪式根據(jù)輪組中使用的小輪子的數(shù)量可分為兩組,三個輪和四個輪的類型。滾輪輪椅特點:每個輪子和輪子架可以在每一個星輪軸轉(zhuǎn)動,每顆行星輪同時也可以繞其不動的星輪轉(zhuǎn)動。在爬樓時,每個星輪本身鎖上不轉(zhuǎn),每一個星輪圍主軸轉(zhuǎn)動,完成動作。在平坦道路,星形輪架構(gòu)主動軸鎖上不運作,每一個星輪能夠隨意的轉(zhuǎn)動,一組星輪和兩組星輪結(jié)合所以性能穩(wěn)定良好,重心的波動不大。它的優(yōu)劣勢：容量跟質(zhì)量缺陷發(fā)生在雙星輪上。一套星輪結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性不容樂觀,需要有人協(xié)助爬樓,然而雙組星輪可以自主解決爬樓梯。
（3）行走式
主要特征爬樓輪椅的行走式運動由不連續(xù)的腿跟腳形成的過程。前期輪椅裝配多數(shù)利用不連續(xù)模式。爬樓時,兩組支持設(shè)備中的一組進(jìn)行支持,腿腳型的爬樓設(shè)備實際是根據(jù)人類行為來進(jìn)行比較。上下樓梯機(jī)器運動平穩(wěn),適用于不同尺寸樓梯。然而它的控制要求相對較高,操作繁瑣,在地面運動幅度不大而且緩慢。
結(jié)合上文,國內(nèi)外同類產(chǎn)品這一主題的研究有一定的參考價值,但這讓很多輪椅存在局限性,所以研發(fā)廉價、簡單易用的爬樓梯輪椅正面臨一個緊迫的問題。所以如何設(shè)計和制造一個強大的和人性化的殘疾人輪椅成為今天最關(guān)心的問題。現(xiàn)在許多的殘疾人輪椅需要自己或他人用手推動,在許多地方很麻煩。尤其在爬樓梯的時候,要是附近無特殊斜坡,用輪椅就比較困難。
1.2.2輪椅的研發(fā)狀況
爬樓梯輪椅設(shè)備的研發(fā)是包括在智能化機(jī)器人研發(fā)的范疇里,因此這類輪椅采用機(jī)器人技術(shù)運用到智能輪椅是其發(fā)展路線。在我們國家經(jīng)過努力，研發(fā)出對有殘疾和行動不便的人群設(shè)計了一種輔助行走裝置的機(jī)器人，包括智能輪椅的發(fā)展是在我們國內(nèi)研究殘疾人輔助類型機(jī)器人設(shè)計,功能多樣化,基本上可以滿足老人和殘疾人的需求。但是，大部分還停留在試驗階段或者少數(shù)定做，還未產(chǎn)業(yè)化，市場化。所以，在以后的研究發(fā)展上還有很大的空間，未來的研究也會向智能化、人性化、模塊化的發(fā)展方向進(jìn)行。
最重要的是,外國在樓梯設(shè)備已經(jīng)有一百多年的研究,研究不同,有一些已經(jīng)投入到市場,取得了很大的成就。但是,他們開發(fā)的產(chǎn)品大多是復(fù)雜的,昂貴的,這是中國現(xiàn)在的普通人難以奢求的。
我國的研發(fā)相對而言較落后,出過專利,但由于容量和體重,穩(wěn)定和安全的限制,沒有過多的產(chǎn)品真真切切的投入運用。從國內(nèi)外爬樓梯輪椅設(shè)備發(fā)展來看,大部分的自主控制性能的爬樓梯輪椅設(shè)備不行,仍然要依靠在他人的幫助下實現(xiàn)上下樓梯運動，還有許多困難值得進(jìn)一步研發(fā)。所以,為了解決這一問題還應(yīng)該考慮中國的國情,考慮到經(jīng)濟(jì)能力的用戶,制造出價格低,功能多樣的爬樓梯輪椅。
1.3 本畢設(shè)的研究方向
針對輪椅在國內(nèi)外的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，三種類型的輪椅有著悠久的歷史和成就,并創(chuàng)造了大量的專利和產(chǎn)品,但他們要么復(fù)雜要么太貴,總有這個或那個的缺點。為了更好地解決這一類問題,制造出整體結(jié)構(gòu)適當(dāng),安全,質(zhì)量好,操作簡易,可負(fù)擔(dān)得起的爬樓梯輪椅是非常急需的。因此,攀爬裝置完成的前提下在更平坦的道路下運行應(yīng)該是最好的?？梢钥闯?盡管樓梯裝置的研究已經(jīng)取得了一定成就,但從完美的產(chǎn)品的誕生還有很長的路要前進(jìn)。
普通輪椅只可以在平地行走，爬樓梯相對而言困難。本畢設(shè)設(shè)計的輪椅可以兩用。本設(shè)計跟普通輪椅不同的地方應(yīng)用了四個小輪行星輪，搭配兩個電動機(jī)，解決了輪椅爬樓梯和平地行走都可以使用電動的問題。而且，輪椅的前端還安裝了帶有方向的轉(zhuǎn)向盤。因此，就算在沒有別人幫助的情況下，也可以完成平地行走跟爬樓梯的自由運作。為了滿足多數(shù)用戶的需求，還需要查閱資料和實地考察來進(jìn)行輪椅的設(shè)計，通過一系列的構(gòu)思繪制出輪椅的結(jié)構(gòu)，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用舒適，安全可靠，為殘疾人和老人提供必要的幫助和愛心。
2 輪椅方案設(shè)計選擇
2.1 概述
輪椅對于那些有殘疾的和老年人來說是必不可少的裝備之一。目前，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了大量的這種功能輪椅。相反，這類多數(shù)結(jié)構(gòu)多，體積大，價格高。低層家庭負(fù)擔(dān)不起這種輪椅。于是，我便想設(shè)計出一款適合中國消費水平，經(jīng)濟(jì)又平穩(wěn)舒適、又靈活運動的可平地行走和上下爬樓梯的互相轉(zhuǎn)換的輪椅裝置.
根據(jù)目前收集到的資料，發(fā)現(xiàn)滿足此類要求的資料實在是太少了，關(guān)于這方面的問題該怎么來解決呢？這個問題困惑了我好久。于是我就從網(wǎng)上找資料和實地考察簡單方便的運輸工具這兩方面出發(fā)。在有一天，我偶然之間發(fā)現(xiàn)了一種搬運工人在搬運貨物上下樓梯時所用的手拉車，突然產(chǎn)生點子，圖如下：
圖2-1 圖2-2
從以上圖看出，我們可以看到有兩個車可以攜帶貨物上下樓梯。這兩種車后輪的星輪可以旋轉(zhuǎn)帶著小輪一起旋轉(zhuǎn)。以上兩個構(gòu)造,十分簡便,為需要幫助的人提供幫助。
其工作原理是：在平路行走的時候，其轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)變?yōu)樾≥喸谵D(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)前進(jìn)和后退的平路行走功能；在上下樓梯時拉的車,不會被困在樓梯口上,當(dāng)小輪不動了，星輪就開始運轉(zhuǎn),這種方法解決了問題。所以我想象這種結(jié)構(gòu)是否可以應(yīng)用于輪椅,因此產(chǎn)生了一些設(shè)計方案。
2.2 方案設(shè)計
2.2.1 方案一
根據(jù)收集的資料以及現(xiàn)場考察收集到的資料，我構(gòu)想出以下2種初步的模型
圖2-3 模型一 圖2-4 模型二
設(shè)計第一種方案
圖2-5 設(shè)計方案一
這個是使用前面的十字星輪作爬樓梯的主傳動。前面是十字架和單腳輪,緊隨其后的是一顆行星輪四個腳。爬樓或下樓時,角度可以根據(jù)不同的狀況,調(diào)節(jié)增長或減短。無背后的推動力量,是個從動驅(qū)動，中間的驅(qū)動輪主要用于地面行走或者轉(zhuǎn)彎使用,具有轉(zhuǎn)向和驅(qū)動的功用。
爬升腳（圖2-5中綠色部分）；
轉(zhuǎn)向輪（圖2-5中黑色部分）；
星盤（圖2-5中紅色部分）；
小輪（圖2-5中灰色部分）；
動力配置（圖2-5中金色部分）
座位設(shè)計改用一種鏈接的升降機(jī)構(gòu)，上下樓梯時，能夠調(diào)整升降，按照爬升角的改變來調(diào)節(jié)座位的角度,讓殘疾人或老年人始終具有一個非常舒適的位置。轉(zhuǎn)盤的行星輪結(jié)構(gòu)形式,在爬樓梯時,電動機(jī)驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn),但與樓梯相碰的小輪也會動,從而使輪椅在原地打滑,不爬樓梯。這是一個很討厭的的麻煩。為了解決上述問題,通過翻閱資料,制定以下方案如圖2 - 6自鎖機(jī)構(gòu)。
圖2-6 自鎖機(jī)構(gòu)
抬升圓臺（圖2-6綠色）；
枝干（圖2-6紅色）；
小齒輪（圖2-6黃色）；
從圖了解到,四角小圓輪各有小齒輪,齒輪中心還有一個圓臺,四個支柱跟小齒輪上齒進(jìn)行連接。上樓時,圓臺會在軸的帶動下抬高,促使四個支柱靠近齒輪,四個支柱的最上面有一個輪齒，圓臺抬高帶著支柱緩慢靠近齒輪,完成自鎖。
上樓時,電機(jī)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動,圓臺提高,促使四個支柱靠近齒輪,分支機(jī)構(gòu)跟齒輪嚙合,圓臺不動,形成打滑。爬樓結(jié)束后電機(jī)反轉(zhuǎn),圓臺下移,嚙合解除,自鎖消失。
但是后來發(fā)現(xiàn)設(shè)計仍有缺點。因為體重主要聚集在后端,再加上老年人或者殘疾人讓車的重心完全在后端,然而上樓時輪椅前部的主要驅(qū)動力是攀登角度,所以動力是不夠的,難以完成運動。
2.2.2 設(shè)計方案二
為了解決上面的麻煩,我做了第二個,如圖2 - 7所示。在這設(shè)計中,對方案一進(jìn)行恰當(dāng)?shù)母膭印ｒ?qū)動位置在后面,采用前后交叉輪盤的機(jī)構(gòu),前端沒有驅(qū)動裝置,里面可以設(shè)置為空。后輪作為驅(qū)動輪,裝有從動鏈輪和鏈條。
本方案消除中間位置的轉(zhuǎn)動輪，前部裝置方向盤，利用車本身轉(zhuǎn)動，把整個車體分成兩塊，前面是從動裝置后面是主動裝置，在兩塊連接處，裝有方向盤，依靠方向盤的擺動控制輪椅的轉(zhuǎn)動方向。
圖2-7 設(shè)計方案二
設(shè)計的傳動機(jī)構(gòu)如下圖
圖2-8 傳動機(jī)構(gòu)
在這個方案中,采用鏈傳動機(jī)構(gòu)上安裝兩個電動機(jī),控制上下樓梯和地面行走運行。圓柱馬達(dá)在上圖中控制輪椅上下樓梯,矩形電機(jī)控制輪椅平地行走。連接后輪的軸是軸心線形式。外面的軸跟車輪連接,軸跟齒輪進(jìn)行鏈輪連接。
它的工作原理:在輪椅爬樓梯的時候,直流電機(jī)1運行,電機(jī)2停止工作,利用鏈條傳遞到外面的軸,帶動后輪轉(zhuǎn)動。當(dāng)爬樓結(jié)束或者在地面上行走,停止電機(jī)1,電機(jī)2準(zhǔn)備運行,驅(qū)動軸內(nèi)軸的轉(zhuǎn)動軸,轉(zhuǎn)動軸連接星盤里的兩個鏈輪,通過鏈條驅(qū)動兩個小輪子的轉(zhuǎn)動,以此實現(xiàn)在地面上運動。
這個是后輪盤結(jié)構(gòu)：
圖2-9后輪盤
從上圖得出，輪盤內(nèi)部用的鏈傳動?，F(xiàn)在分別把輪盤上的小輪編號為1，2，3，4，兩個大鏈輪分布在輪盤中部并排放，按照小輪厚度作為間距，2、4（對稱部位）輪在不同面有兩個小鏈輪，鏈條跟大鏈輪鏈接。這種結(jié)構(gòu)，無論是小輪2或是小輪4著地，都能推動輪椅前進(jìn)。
方案二還是有不到位地方：
（1） 由于沒有合適的減速電機(jī)作為電機(jī)1使用，使上樓時的扭矩過??；
（2） 轉(zhuǎn)彎設(shè)備不靈活好用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎時不能很好的控制；
綜上：優(yōu)化設(shè)計必須采取減速措施以及合適的轉(zhuǎn)彎裝置。對電機(jī)1的傳動方式進(jìn)行改進(jìn)以及轉(zhuǎn)彎進(jìn)行改進(jìn)，改善缺點。
2.3 設(shè)計方案三
在方案二上進(jìn)行改進(jìn)跟完善，制定出方案三，這個方案是本畢設(shè)設(shè)計的最后方案，如圖：
圖2-10設(shè)計方案三
圖2-11 傳動機(jī)構(gòu)
圖2-12 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)
此設(shè)計中，對傳動的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎構(gòu)造設(shè)計進(jìn)行完善，提高了機(jī)械的傳動效率，降低了噪音，而且減少系統(tǒng)的重量跟成本，前底座運用學(xué)習(xí)四驅(qū)車轉(zhuǎn)彎設(shè)備的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)半徑不同的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動，以使裝置轉(zhuǎn)向靈活，易于控制。在電機(jī)傳動中，采用了一級減速，通過查表得知，一級減速的限制傳動比<=7.1，本設(shè)計需要的傳動比是6.5，符合要求。除這些改動其他跟方案二完全一樣。
2.4 本章小結(jié)
以上是對輪椅分析選取方案設(shè)計和確定輪椅架構(gòu)，然后進(jìn)一步改進(jìn)跟設(shè)計，最終確定采用方案三來進(jìn)行輪椅設(shè)計，它的特點是：爬樓梯輪椅裝置上應(yīng)用行星輪機(jī)構(gòu)發(fā)揮了它所擁有的特點：整體結(jié)構(gòu)小，重心穩(wěn)定，輪式的結(jié)構(gòu)讓它在地面上使用時操作靈活便捷，還能夠應(yīng)用于多種不同大小的樓梯，操作簡單，安全性高，平穩(wěn)性好。
3 關(guān)鍵零部件檢驗跟校核
3.1 功率估算
根據(jù)輪椅的不同行走狀態(tài)分為地面上運作和上下樓梯運作。在行走的時候，一種是按平地路面來行駛的，另一種是爬30°坡。
假設(shè)輪椅自身的質(zhì)量是m=20kg，人的質(zhì)量是M=100kg，平路行駛輪椅速度為1m/s，爬坡時速度為0.5m/s
（1） 平地運行時所需功率：
注釋： 為地面的摩擦系數(shù)0.03
G為重力作用下的加速度10m/s
F為輪椅加人重量，
（2） 爬坡時所需功率：
=316W
綜上，在平地行駛時，需要在后輪中安裝一對功率為100-200W的電機(jī)，就可以滿足行走時所需要的動力。
（3） 爬樓梯所需功率：
爬樓梯的運行狀態(tài)就是把有分量的重物向上一級階梯爬的過程。在地面上運行時，整個輪椅的重心處在行星輪機(jī)構(gòu)最中間，爬樓時，它要傾斜一定角度，因此在爬樓時，整個模型重心位置一定會向后一定的距離，假設(shè)距軸心150mm處，這樣，當(dāng)行星輪機(jī)構(gòu)要把整個車往上一個階級送時，需要克服力矩：
控制行星輪上樓時旋轉(zhuǎn)速度為w=0.5r/s，就能算出爬樓需要功率：
再者通過行星輪的減速增力的作用，因此在行星輪的中心軸安置一個功率是150W以上的電機(jī)就可以達(dá)到需求。
由上面得知上樓時，要讓后輪轉(zhuǎn)動爬上樓需求扭矩為180功率 P=1.1kw。但是選擇的電機(jī)限額轉(zhuǎn)速 為200 最高轉(zhuǎn)矩是10
已知外輪系的大徑為500mm，后輪由電機(jī)1通過一級齒輪傳動和一級鏈輪傳動而進(jìn)行上樓梯動作。
由 m=9549 可知
Ⅲ軸轉(zhuǎn)速=66
因為3、4、5、6鏈輪之間是等比傳動，可以設(shè)定四個鏈輪d=200mm
則軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速
由電機(jī)額定轉(zhuǎn)速
1、2齒輪之間的傳動比
3.2 分別計算1跟2齒輪的齒數(shù)跟模數(shù)
（1） 初選小齒輪齒數(shù)=22
則大齒輪齒數(shù) 取
（2） 根據(jù)齒面接觸強度公式
試選載荷系數(shù)
算出小齒輪傳輸轉(zhuǎn)矩
查看表得知齒寬的系數(shù)（小的齒輪當(dāng)懸臂放置）
查找手冊得出材料的彈性系數(shù)
齒面硬度查找小齒輪極限接觸的疲勞強度 ；大齒輪極限接觸的疲勞強度
（3） 計算圓周速度v
（4） 計算齒寬b
（5） 算出齒高和齒寬之比b/h
模數(shù)
齒高
（6） 計算載荷系數(shù)
按照, 七級的高精度，查表得知動載的系數(shù)
直齒輪，假設(shè)
查手冊得使用系數(shù)
故載荷系數(shù)
（7） 計算模數(shù)m
（8） 按照齒根彎曲強度計算
計算式為
彎曲的疲勞強度極限 小齒輪 大齒輪
(9)計算彎曲疲勞許用應(yīng)力，彎曲疲勞強度安全系數(shù)S=1.35
則：
(10) 計算載荷系數(shù)k
比較分析，把模數(shù)0.957加以圓整為標(biāo)準(zhǔn)1.25mm，分度圓直徑 得到
小齒輪齒數(shù) 取
大齒輪齒數(shù)
（11） 幾何尺寸
分度圓直徑
中心距
齒輪寬度
取
（12） 驗算
所以合適
齒輪 1、2
3.3 后鏈輪的計算
已知電機(jī)功率 ，轉(zhuǎn)速
小滾輪直徑
平地運轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速是
小輪上軸的轉(zhuǎn)速是
已知電機(jī)額定轉(zhuǎn)速
鏈傳動的傳動比為
（1） 選擇鏈輪齒數(shù)
初步選定（鏈節(jié)數(shù)是偶數(shù)，想到磨損分布要均勻，鏈輪齒數(shù)大多選擇跟鏈節(jié)數(shù)互相為質(zhì)數(shù)的奇數(shù) ）
則 取
（2） 修正功率
查手冊得知
平穩(wěn)運轉(zhuǎn)下工作系數(shù)
則
（3） 確定鏈條節(jié)數(shù)
選定中心距鏈節(jié)數(shù)為
取
（4） 確定鏈條的節(jié)距 P
小鏈輪齒輪系數(shù)
取單排鏈，查多排鏈系數(shù)
小鏈輪傳遞功率
小鏈輪轉(zhuǎn)速功率
查手冊鏈號是一個單排鏈
那么鏈節(jié)距為
（5） 計算鏈長和中心距a
中心距減小量
實際中心距
取
（6） 驗算鏈速
與原假設(shè)相符
（7） 計算分度圓直徑
3.4 計算各軸的強度
3.4.1 后軸空心軸的計算
空心軸轉(zhuǎn)速，功率
初算軸徑，確定軸材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理
根據(jù)公式
初步計算軸徑
初定空心軸內(nèi)外比
則可查表得
則
思考到軸上需要鍵槽，需要將軸徑外加4%~5%
故大錐直徑取
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
按照軸受力情況選軸承為6207
已知Ⅲ軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
兩外輪系圓周力
從上文已知四個等傳動比鏈輪參數(shù)是
有效圓周力
3.4.3 軸的強度校核
確定危險截面
安全系數(shù)校核計算
彎曲應(yīng)力幅為
均勻應(yīng)力
由 式
式中，-1
取
31
4 電動驅(qū)動輪椅的適應(yīng)條件
4.1 輪椅使用條件
爬樓設(shè)備攀升角度最大是30度
車身重量20kg
負(fù)載重量100kg
爬樓速度為每分鐘10階
4.2 電機(jī)的選用
表4-1 電機(jī)一、二參數(shù)
規(guī)格
額定功率w
額定轉(zhuǎn)矩nm
額定電流A
額定轉(zhuǎn)速rpm
額定效率%
額定電壓v
初始轉(zhuǎn)速rpm
36BD012
120
5
4.2
230
≥80
36
285
36BD016
160
6
5.2
245
≥80
36
300
5 爬樓梯輪椅的運動分析
5.1 機(jī)構(gòu)動作分析
5.1.1 平地跟轉(zhuǎn)彎的運動分析
平地行駛時，行星輪的任意2個小輪著地，通過電機(jī)控制轉(zhuǎn)軸，方向盤控制轉(zhuǎn)彎方向，從而實現(xiàn)平地行駛和轉(zhuǎn)彎。其不同的轉(zhuǎn)向幅度和行駛速度，可以實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)彎半徑，后輪驅(qū)動為小輪轉(zhuǎn)動。
5.1.2越障能力分析
輪椅在地面時,常見的障礙物能直接通過，小輪往前碰到一定高度的障礙,停下不動,這種狀態(tài)下小輪滾動轉(zhuǎn)變到行星輪系的后輪驅(qū)動的模式,輪輻與其他三個輪子繞著軸旋轉(zhuǎn),繼而實現(xiàn)跨越障礙，如下圖5-1：
圖5-1 輪椅越障能力
5.1.3跨溝能力分析
當(dāng)爬樓梯輪椅碰到稍微寬小的小溝（小溝寬度小于2倍的輪輻長度），要克服前進(jìn)阻力，那么它的工作原理和越障相同，后輪行星輪是主驅(qū)動的模式，完成跨溝任務(wù)，如下圖5-2：
圖5-2 輪椅跨溝能力
5.1.4 上下樓梯能力分析
在輪椅碰到臺階的時候，電機(jī)控制減震器起到減速的作用，通過切換電機(jī)控制行星輪軸，使行星輪的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，同時減震裝置以及減速裝置起到安全性、穩(wěn)定性的作用，實現(xiàn)輪椅平穩(wěn)的上下樓梯。如圖5-3所示：
5-3 輪椅上下樓梯能力
結(jié) 論
本次課題的設(shè)計通過查找大量的資料以及實地參照實物模型，分析各類爬樓梯輪椅裝置的優(yōu)缺點，根據(jù)不同方案設(shè)計跟比較，最后選取輪椅設(shè)計可行性的方案。這種方案利用電機(jī)轉(zhuǎn)換來控制轉(zhuǎn)動軸，方向盤操控方向，繼而實現(xiàn)不同地面行駛及上下樓梯的功用。進(jìn)而對輪椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加了減震裝置、轉(zhuǎn)彎裝置，使輪椅在運動時，更加的平穩(wěn)、更加的靈活。
在設(shè)計的時候，考慮到我國國情，并參照國外的發(fā)展情況，選擇輪組式的爬樓梯裝置，整個的外形設(shè)計跟普通的輪椅高度差不多，構(gòu)造簡單但是功能齊全，沒有復(fù)雜的平衡重心系統(tǒng)，造價的成本明顯有所下降，適合大眾家庭使用。
本畢設(shè)主要設(shè)計內(nèi)容和成果如下：
（1） 通過閱讀大量的爬樓梯輪椅裝置的資料，針對現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展比較的成熟的履帶式、滾輪式和行走式三種裝置，展開了研究和分析各優(yōu)缺點，思考出符合我國國內(nèi)的爬樓輪椅設(shè)備，為本文討論的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。
（2） 實地考察現(xiàn)有的簡單裝置，創(chuàng)新的提出星輪式裝置，與一般裝置不同的地方，就是鏈傳動，可以平地行駛，也可以上下爬樓梯，采用獨立的減震裝置與轉(zhuǎn)彎裝置來實習(xí)裝置在運行時，更加的平穩(wěn)與靈活。
（3） 輪椅在平地和上下樓梯,動力由電動機(jī)供應(yīng)，重心的位置是在基本保持在后輪的中心,輪椅輪子部分還需要承受一定的重量,有利于平衡輪椅,有效防止座椅向后傾斜,消除用戶的擔(dān)憂。運動過程中，其運動的軌跡得到了優(yōu)化，對使用者來說舒適度提高。在每一刻輪椅都保持穩(wěn)定，它的重量總是轉(zhuǎn)移到水平表面和支持的多邊形面。
（4） 本文章構(gòu)造了三維的模型，對裝置的運動性能進(jìn)行了分析和仿真，改善了裝置的內(nèi)外設(shè)計，為以后進(jìn)一步實體運行，設(shè)備的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
（5） 這個設(shè)計的設(shè)備能自身完成相應(yīng)動作，也能通過手扶裝置完成運動。讓裝置更加有個性，堅信在以后發(fā)展中，更多的增加科技的成分，讓裝置更加人性化，模塊化，智能化。
通過這幾個月不斷的努力，完成了輪組式爬樓梯輪椅裝置的設(shè)計，為今后的進(jìn)一步的研究發(fā)展與設(shè)計打下來良好的基礎(chǔ)，要實現(xiàn)社會的大眾化需求，還有很多實際的問題需要考慮和解決的，比如能源的利用率、安全性、大功率的要求、平穩(wěn)快速等等。
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附 錄
一、設(shè)計參數(shù)
傳遞功率P=0.3201（KW）
傳遞轉(zhuǎn)拒T=45（N.M）
齒輪1轉(zhuǎn)速n1=140（r/min）
齒輪2轉(zhuǎn)速n2=183（r/min）
傳動比i=6.5
預(yù)定壽命H=18000（小時）
二、材料及熱處理
齒面嚙合類型GFace=軟齒面
熱處理質(zhì)量級別Q=ML
齒輪1材料及熱處理Met1=34CrNi3Mo(調(diào)質(zhì))
齒輪1硬度取值范圍HBSP1=319-387
齒輪1硬度HBS1=333
齒輪1材料類別MetNI=0
齒輪2材料及熱處理Met2=45(調(diào)質(zhì))
齒輪2硬度取值范圍HBSP1=231-276
齒輪2硬度HBS2=242
齒輪2材料類別MetN2=0
三、齒輪精度
齒輪1精度JD1=7
齒輪1齒厚上偏差JDUI=F
齒輪1齒厚下偏差JDDI=L
齒輪2精度JD1=7
齒輪2齒厚上偏差JDUI=F
齒輪2齒厚下偏差JDDI=L
四、齒輪基本參數(shù)
總變位系數(shù)Xsum=0.0000
標(biāo)準(zhǔn)中心距A0=26.0000
實際中心距A=26.0000
齒頂高系數(shù)ha=1.00
頂隙系數(shù)c=0.27
壓力角a=20（度）
端面齒頂高系數(shù)hat=1.00000
端面頂隙系數(shù)ct=0.25000
端面壓力角at=20.0000000（度）
三維模型圖
三維裝配圖
后底座（部分零件圖）
座椅（部分零件圖）
輪組組件（部分零件圖）
二維工程圖
二維裝配圖
齒輪（部分零件圖）
輪組（部分零件圖）
后底座（部分零件圖）
致 謝
經(jīng)過幾個月的不懈努力，畢業(yè)設(shè)計圓滿完成。畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)生四年所學(xué)知識與能力的綜合應(yīng)用和檢測，是每一個大學(xué)生必須完成的任務(wù)。設(shè)計是在時維元講師的精心指導(dǎo)下完成的。論文的成稿凝聚著導(dǎo)師的關(guān)懷和心血。時維元導(dǎo)師淵博的知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，導(dǎo)師的諄諄告誡，使學(xué)生深受教誨，讓學(xué)生永生難忘。在此，對于給我悉心教導(dǎo)的導(dǎo)師表以衷心的感謝。
在完成課題期間，有許多同學(xué)曾經(jīng)給過我熱心的幫助。并對本設(shè)計提出了許多寶貴的意見和獨到的見解，在此對他們表示感謝。
最后，我要衷心感謝老師的指導(dǎo)，雖然老師平時很忙，但還是及時的為我們指導(dǎo)。他的批評是我設(shè)計質(zhì)量的保證，也是我們增長知識和經(jīng)驗的源泉。老師的鼓勵是我前進(jìn)的動力?？傊蠋煂ぷ鞯膽B(tài)度，對設(shè)計的要求都讓我受益匪淺，是我求學(xué)路上的寶貴財富。
本人再次向熱心幫助過我的老師以及同學(xué)表示誠摯的感謝。
學(xué)生：崔冬華
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