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摘 要
本課題設(shè)計的目的是通過設(shè)計出一種能夠在普通小區(qū)，公共場合爬樓梯的輔助機構(gòu)。我們首先對國內(nèi)外助殘輪椅市場的現(xiàn)狀做了簡單的總結(jié)，最終結(jié)果顯示現(xiàn)如今市面上的助殘輪椅大部分價格昂貴，一般消費者不能承受。進而對比國內(nèi)外的各種爬樓梯輪椅，取其優(yōu)點，綜合考慮，確立設(shè)計思想。
本設(shè)計在傳統(tǒng)電動輪椅基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進行改變后，采用兩個電機驅(qū)動平地行走機構(gòu)和翻轉(zhuǎn)輪系；通過一對電機驅(qū)動行星輪轉(zhuǎn)動，并保持后側(cè)2個輪的輪轂電機抱死，從而行星架轉(zhuǎn)動帶動車輪交替著地實現(xiàn)爬樓。姿態(tài)調(diào)整裝置用于在上下樓梯時自動調(diào)整和控制輪椅的重心。設(shè)計功能的實現(xiàn)主要由平地行走、翻轉(zhuǎn)輪系傳動結(jié)構(gòu)、位姿調(diào)整和驅(qū)動系統(tǒng)幾部分組成。輪椅的整體形狀與市場上普通的電動輪椅相似。平衡系統(tǒng)可以在電氣控制時運用陀螺儀。
關(guān)鍵詞： 爬樓梯；機械設(shè)計；輪椅；行星輪
Abstract
The purpose of this design is to design a kind of auxiliary mechanism that can climb stairs in common areas, so as to ultimately design a kind of climbing wheelchair robot with reasonable prices, advanced performance, and economy. We first made a brief summary investigation of the domestic and foreign wheelchairs for the disabled. The final result shows that most of the disabled wheelchairs available in the market today are expensive and cannot be afforded by the average consumer. Then compare domestic and foreign wheelchairs for climbing stairs, take advantage of them, and consider comprehensively to establish design ideas.
This design is based on the structure of the traditional electric wheelchair, two motors are used to drive the flat walking mechanism and the turning wheel train; the pair of motors drives the planet wheels to turn and keeps the two wheels of the rear wheel hub motor locked. As a result, the rotation of the planet carrier drives the wheels to alternately climb stairs. The posture adjustment device is used to automatically adjust the control center of gravity when the wheelchair goes up and down the stairs. The realization of the design function is mainly composed of several parts such as flat walking, turning wheel train transmission structure, posture adjustment and driving system.
The overall shape of the wheelchair is similar to that of a general electric wheelchair on the market. The balance system can use a gyroscope during electrical control.
Key words：Wheelchair, control system, two-wheeled type, mechanical structure
目 錄
引 言 2
第一章 緒論 3
1.1 研究背景 3
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4
1.2.1 履帶式爬樓輪椅 4
1.2.2 步進支撐式爬樓輪椅 5
1.2.3 行星輪式爬樓輪椅 6
1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 7
1.4 設(shè)計意義 7
1.5 設(shè)計內(nèi)容 8
第二章 總體方案 8
2.1 設(shè)計要求 8
2.2 總體布局 9
2.3 本章小結(jié) 9
第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.1 輪椅總體尺寸 10
3.2 椅背、椅身設(shè)計 11
3.2.1尺寸設(shè)計 11
3.3 位姿調(diào)整機構(gòu) 12
3.4 車輪結(jié)構(gòu) 13
3.4.1 車輪尺寸 13
3.5 翻轉(zhuǎn)爬樓機構(gòu) 13
3.5.1爬樓機構(gòu)組成 13
3.5.2翻轉(zhuǎn)電機的選取 14
3.5.3 減速器選型 15
3.5.4翻轉(zhuǎn)機構(gòu)機構(gòu)的軸設(shè)計 15
3.5.5翻轉(zhuǎn)齒輪的設(shè)計 17
3.5.6齒輪材料的選取 17
3.6平地行走機構(gòu) 18
3.6.1總體設(shè)計 18
3.6.2功率計算 18
3.6.3電動機的選取 20
3.6.4 減速器選型 21
3.6.5平地行走機構(gòu)的軸設(shè)計 21
3.6.6定軸輪系齒輪設(shè)計 22
3.6.7末端齒輪設(shè)計 23
3.7 控制手柄 23
3.7.1功能介紹 23
3.7.2基本原理 24
3.8 本章小結(jié) 24
第四章 控制系統(tǒng) 25
4.1 硬件選用 25
4.1.1單片機 25
4.2控制系統(tǒng)設(shè)計 27
4.2.1概述 27
4.2.2流程圖設(shè)計 28
4.3 本章小結(jié) 28
第五章 總結(jié) 27
參考文獻 28
致謝 29
引 言
本次設(shè)計的主要目的是開發(fā)出一款新型的電動爬樓輪椅，能幫助殘疾者和老年人在不依靠他人幫助的情況下，就能獨自完成上下樓梯。這款智能輪椅的功能齊全，在日常生活中可以做普通電動輪椅車使用，爬樓時則可以上下樓梯。另外，針對中國的實際情況，要求它的價格能夠能被中國市場接受。
我國對爬樓輪椅的研究以蘇和平教授發(fā)明的爬樓輪椅較為出名。前輪作為驅(qū)動輪，后輪用于翻轉(zhuǎn)。這個方案將前面的萬向輪用驅(qū)動輪代替，增加了輪椅車的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了安全快速地轉(zhuǎn)彎。該機構(gòu)的缺點是：由于左右后輪相連就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎不方便，不適合普通住宅室內(nèi)的使用。還有其他學(xué)者研究出四行星輪爬樓輪椅，但是其體積很大以至于使用上受到很多限制。
因此 設(shè)計一種活動靈活且使用安全的智能爬樓輪椅，很有現(xiàn)實意義。
第一章 緒論
1.1 研究背景
據(jù)統(tǒng)計，2015年中國老年人總數(shù)達到2.22億，占中國總?cè)丝诘奈宸种弧?預(yù)計到2020年，中國的老年人數(shù)量將繼續(xù)增長，將會達到2.5億；2025年中國老年人口將達到3億高峰，中國將成為一個完全超齡的國家，中國的殘疾人數(shù)量也將達到1億。。些老年人口和殘疾人在社會上處于劣勢，需要一款適合各種場合的輪椅，方便他們能不依靠他人而獨自出行。
普通輪椅基本上由輪椅體，越障輪和制動裝置幾部分構(gòu)成。現(xiàn)在市場上比較流行的電動輪椅則是在其基礎(chǔ)上，加上可移動可充電電池，動力驅(qū)動、智能電子控制系統(tǒng)等部件，能實現(xiàn)智能化人機互動等多種功能的新型智能輪椅。傳統(tǒng)的輪椅缺少動力源，給老年人和殘疾人帶來很大的步行障礙，新型智能爬樓輪椅的設(shè)計變得尤為緊迫。本設(shè)計對輪組式爬樓梯輪椅機構(gòu)傳動系統(tǒng)進行了設(shè)計和計算，實現(xiàn)輪椅的翻轉(zhuǎn)運動，爬樓梯的動作，并可以轉(zhuǎn)彎。
在我國，很多人居住的仍然是普通的樓房，而低于6層的樓房一般不會安裝電梯，這使得行動不便的人們的出行極為不便。雖然普通的輪椅解決了一些人的生活出行問題，但是當(dāng)有臺階時，必須得有親人朋友在身邊，需要他們幫忙抬著乘坐者上去。因此，因此，研究可以上下樓梯的智能輪椅變得極為重要。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外早在1892年就已經(jīng)開始了對于爬樓梯輪椅的研究。通過查閱資料，目前的爬樓輪椅按其傳動方式可分為履帶式、階梯式和輪式三種。
1.2.1 履帶式爬樓輪椅
履帶機構(gòu)的爬樓輪椅，在市場上的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成功了，其原理類似于坦克，技術(shù)也比較完善。比如在戰(zhàn)場和特殊場合的防暴機器人、發(fā)生重大公共突發(fā)事件時的搶險機器人，還有發(fā)射升空的探月機器人上都使用過履帶輪。
履帶式機構(gòu)的優(yōu)點如下：很寬的履帶使其越障能力強，能在不好的地面上平穩(wěn)地行走，適應(yīng)能力強，攀爬和翻越溝洼的能力比輪式強；而且履帶的摩擦力大，不容易空轉(zhuǎn)打滑。走路時，履帶式重心波動小，而且運動穩(wěn)定性有較高水平。
另一方面，履帶式也一些不足。要使履帶運行平穩(wěn)且不打滑，那么設(shè)計就會增大自身的體積，相應(yīng)地就會增大占地面積，這就造成了居民樓使用不便的情況；重量大、但是運動不夠靈活；其次，輪椅在實際生活中平地行走的時間遠超于爬樓時間，這樣看來，履帶式就沒有輪組式實用，而且履帶式運動緩慢、效率低，也是一大缺點；第三，履帶式輪椅的運動不靈活，，攀爬過程中產(chǎn)生了很大的壓力，對樓梯造成了較大的破壞。 最后，履帶式輪椅在平地上使用時的阻力相對較高，并且不能在平地上自由轉(zhuǎn)動。 總之，這些問題使履帶式輪椅無法在日常生活中得到廣泛的應(yīng)用。
法國的Top Chair公司生產(chǎn)了一種新型的履帶和輪組混合使用的履帶式輪椅，如下圖：平地行走時底部的車輪工作，而遇到特殊地形例如需要爬樓時，則轉(zhuǎn)換為履帶行走，這樣乘坐者就能獨自上下樓梯。但由于它的價格較高，因此并沒有普及到普通家庭。
圖1-1 履帶式爬樓輪椅
1.2.2 步進支撐式爬樓輪椅
查閱支撐式輪椅發(fā)現(xiàn)，早期的爬樓梯輪椅一般通過模仿人們爬上建筑物時的動作，兩套支撐桿支撐。 在樓上時，先提起輪椅使其沿垂直方向移動; 然后將其水平向前移動以完成一次爬樓動作動作。
這種機構(gòu)的優(yōu)點如下：機構(gòu)爬樓幅度較大，使用范圍廣，能應(yīng)用于不同尺寸的樓梯；但是它的動作非常緩慢，無法在崎嶇的地面上快速行走，甚至在平坦路面上行走時的速度也不是很大；它具有復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，需要高度的控制性。，因此價格也十分昂貴，不能在大眾中推廣。 如圖所示是日本高西惇夫教授發(fā)明的行走機器人。
圖1-2雙足行走機器人
1.2.3 行星輪式爬樓輪椅
按使用輪的個數(shù)可分為兩輪、三輪或者是四輪式結(jié)構(gòu)；根據(jù)車輪組的對數(shù)可分為單輪和雙輪類型。輪式結(jié)構(gòu)在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用十分廣泛，例如一般的電動輪椅，或者普通的輪椅。普通的輪椅很容易在地面上行走，但在惡劣的路況下行走并不容易。
美國著名發(fā)明家迪恩·卡門發(fā)明了一種新型輪椅一iBOT。它有很多獨特的能力，特殊的“金雞獨立”行走方式，以及上下樓梯能力。iBOT輪椅安裝在前面的萬向輪可以朝著任意方向行走；兩對行星輪組結(jié)構(gòu)的輪胎位于萬向輪后側(cè)，行星輪組不斷翻轉(zhuǎn)就能可以上下樓梯了。IBOT能夠在平地、斜坡、沙灘、樓梯、等各種環(huán)境的路面上行走。而且后輪在陀螺儀的作用下可以保持平衡并且直立行走。
iBOT運動方式有3種，一是平地行走，此時車輪全部著地，驅(qū)動力強，攀爬能力好。二是直立方式，金雞獨立行走，此時只有最后一對車輪著地，輪椅能夠前進后退，轉(zhuǎn)彎。陀螺儀使人與輪椅的重心一直保持在一定位置，即使在不同狀態(tài)，整個車身也能保持平衡。第三種運動方式就是爬樓梯，前面的實心萬向小輪離地，后面兩組車輪繞中軸交替爬樓。iBOT和其他電動輪椅相同的地方是它也需要電源，在輪椅座椅下可以放兩塊電池，提供輪椅行的動力，適合在公共場合使用，但是由于采用了復(fù)雜的控制系統(tǒng)和多個傳感器，所以價格也是比較貴，因此在2009年已經(jīng)停產(chǎn)。
圖1-3 新型輪式爬樓輪椅
1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國對爬樓輪椅的研究較晚，其中蘇和平教授發(fā)明的爬樓輪椅較為出名。前輪作為驅(qū)動輪，通過改變前輪的轉(zhuǎn)速獲得不同的速度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，電機轉(zhuǎn)速相同時輪椅走直線，后輪的翻轉(zhuǎn)由后輪電機控制。這個方案將前面的萬向輪用驅(qū)動輪代替，增加了輪椅車的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了安全快速地轉(zhuǎn)彎。該機構(gòu)的缺點是：由于左右后輪相連就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎不方便，不適合普通住宅室內(nèi)的使用。
另一種設(shè)計方案如圖5所示：前后兩套四個行星輪，電機控制前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，后
輪為主動輪實現(xiàn)行走。這個方案結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較輕。但是由于結(jié)構(gòu)簡單而導(dǎo)致了輪椅導(dǎo)致承重能力差，電機驅(qū)動力不足會使爬樓運動十分困難。
圖1-4 國內(nèi)輪組式輪椅
1.4 設(shè)計意義
本次設(shè)計的主要目的是開發(fā)出一款新型的電動爬樓輪椅，能幫助殘疾者和老年人在不依靠他人幫助的情況下，就能獨自完成上下樓梯。這種智能輪椅的功能是它可以在日常生活中用作普通的電動輪椅，也可以上下樓梯。 另外，根據(jù)中國的現(xiàn)實情況，要求其價格能夠被中國廣大購買者接受。
本課題的重點是發(fā)明一臺輪式上下樓梯輪椅，并確保在使用過程中的安全性
1.5 設(shè)計內(nèi)容
本課題對旋轉(zhuǎn)式雙輪輪椅的爬樓機構(gòu)進行設(shè)計與計算，以較低的成本實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式雙輪輪椅的傳動機構(gòu)設(shè)計，傳感器設(shè)計和驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計等。在傳統(tǒng)的電動輪椅基礎(chǔ)上自主設(shè)計一種新的旋轉(zhuǎn)式輪椅，根據(jù)機械原理知識、CAD，CATIA繪圖知識對設(shè)計的產(chǎn)品進行理論分析及計算，實現(xiàn)以下功能：
（1） 它可以在日常生活中用作普通的電動輪椅
（2） 在沒有他人幫助情況下，能夠上下樓梯。
（3） 在上下樓梯、攀爬斜坡時，位姿調(diào)整機構(gòu)能夠調(diào)節(jié)重心，使其保持水平。1.6 本章小結(jié)
通過對國內(nèi)外研究資料的查找，了解設(shè)計意義，明確設(shè)計內(nèi)容，進而對研究有一定整體性概念，
第二章 總體方案
2.1 設(shè)計要求
對于行動不便的人來說，輪椅是不可或缺的移動代步工具，但在攀爬建筑物時，幾乎所有類型的輪椅都在不同程度上受到限制。在國內(nèi)外的許多改良輪椅專利發(fā)明中，最著名的是迪恩發(fā)明的兩輪組式IBOT輪椅，它的平衡系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)重心，并且有緊湊的結(jié)構(gòu)，是今后智能輪椅發(fā)展的主流趨勢。但是其高昂的價格讓它的真正受益者并不多，并且由于銷量不佳而停產(chǎn)。多輪爬樓輪椅具有運動平穩(wěn)的特點，可以靈活的運動，但是相對來說因為多輪輪椅的體積較大，因此在普通居民樓上的推廣使用難度很大，這就是為什么國內(nèi)外有很多與爬樓輪椅相關(guān)的發(fā)明專利，但是很少能真正大面積推廣到生活中的主要原因。
因此我們需要設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式雙輪輪椅，需要滿足以下幾點：
（1） 價格能讓市場接受，并且性能安全可靠。
（2） 體積小，可以在大多數(shù)場合下應(yīng)用。
（3） 既能作為普通輪椅使用，也可以爬樓梯。
2.2 總體布局
本設(shè)計在傳統(tǒng)電動輪椅基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進行改變后，采用兩個電機驅(qū)動平地行走機構(gòu)和翻轉(zhuǎn)輪系；翻轉(zhuǎn)爬樓的功能可以由定軸行星輪系實現(xiàn)；上下樓時改變的重心可以通過位姿調(diào)整裝置來自動調(diào)整控制重心。設(shè)計功能的實現(xiàn)主要由平地行走、翻轉(zhuǎn)輪系傳動結(jié)構(gòu)、位姿調(diào)整和驅(qū)動系統(tǒng)幾部分組成。輪椅主要由（1）椅架、（2）位姿調(diào)整機構(gòu)、（3）車輪、（4）翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、（5）行走機構(gòu)等幾部分組成。繪制三維模型圖如圖：
圖2-1 旋轉(zhuǎn)式雙輪輪椅組成
輪椅車底部共安裝六個車輪，前面兩輪為兩個萬向輪，體積較小，起輔助支撐和控制方向的作用；后邊則是四個爬樓主動輪，以行星輪的方式連接.輪椅在平地運動情況下與普通電動輪椅方式相似，通過調(diào)節(jié)兩邊電機轉(zhuǎn)速不同進行轉(zhuǎn)彎操作。后置的固定軸輪系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)以實現(xiàn)攀爬樓梯的功能。行星輪的特點就是既繞主軸公轉(zhuǎn)，也可以獨自旋轉(zhuǎn)，這樣，攀爬過程可以通過電機的驅(qū)動完成。位姿調(diào)整機構(gòu)可以改變?nèi)说闹匦摹?
2.3 本章小結(jié)
本章明確了旋轉(zhuǎn)式雙輪輪椅的設(shè)計要求，并確定了總體布局和主要傳動機構(gòu)及方案，為之后的具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算做好基礎(chǔ)準備。
第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 輪椅總體尺寸
查閱《國家電動輪椅車》的標準（GB12996-91），電動輪椅車可以分成室內(nèi)型、室外型、道路型輪椅車三種類型，這三種類型中以道路型輪椅車為設(shè)計標準，取最大速度18km/h，制動性能3.5m，駐坡性能6度，縱、側(cè)向靜態(tài)穩(wěn)定性分別為 25度、15度，動態(tài)上下坡穩(wěn)定性分別為6度、5度，越障高度必須超過80mm，越溝寬度必須大于150mm，爬坡能力大于6度，最小回轉(zhuǎn)半徑為2.0m。最大充電行程應(yīng)大于45公里。
標準規(guī)定，電動輪椅車最大長度不能超過1600mm，總寬不得超過750mm，總高不能超過1150mm。由此標準設(shè)計總尺寸長x寬x高=740x655x1010mm，具體尺寸如圖3-1所示。查閱資料以及市場上電動輪椅的各種參數(shù)。設(shè)輪椅整車總質(zhì)量為50Kg，取乘坐者的最大質(zhì)量為100Kg，設(shè)輪椅在普通路面的行駛速度為V1=1.5-2m/s，爬坡30°斜坡的速度為V2 = 0.5m / s，上下樓梯轉(zhuǎn)速為n = 0.5?0.75rad / s
圖3-1 輪椅尺寸總圖
3.2 椅背、椅身設(shè)計
3.2.1尺寸設(shè)計
（1） 座位寬度: 以乘坐者坐下時身體寬度為基礎(chǔ)，在此之上加5cm。如果座位太窄則乘坐者乘坐時會感到不適;然而，太寬的座椅不容易乘坐，而且人們操縱輪椅也十分不方便的
（2）座位長度: 就座時臀部與小腿之間的水平距離，然后從測量結(jié)果中減去6.5厘米。
（3）座位高度: 測量乘客就座時從腳后跟到膝蓋的距離。在此基礎(chǔ)上增加4厘米，腳踏板的板面高度至少要離地5cm。如果座位高度過高，輪椅不能推動桌椅下的空間;如果座位太低，則乘坐者尾骨承受重量過大，感到不適。距離地面不到5厘米。
（4）坐墊：坐墊應(yīng)放置在輪椅的座位上，讓乘客感覺舒適，防止痔瘡。常見的緩沖材料是泡沫橡膠墊或凝膠墊
（5）扶手或臂托：座面上方一般為22.5?25cm
3.3 位姿調(diào)整機構(gòu)
位姿調(diào)整機構(gòu)可以改變?nèi)说闹匦?。另外，可以根?jù)輪椅的運動狀態(tài)自動調(diào)節(jié)，安裝在輪椅上的平衡系統(tǒng)把輪椅的姿態(tài)傳輸?shù)娇刂破髦?，可對座椅部分的位置進行調(diào)節(jié)，使得座椅重心保持在一定位置，避免輪椅發(fā)生側(cè)翻。
當(dāng)普通輪椅在斜坡上移動時，輪椅座椅表面和水平面將形成斜角，導(dǎo)致人們改變其焦點，并且乘客會感到不舒服。此時普通輪椅的缺點是輪椅的重心不能根據(jù)座椅表面的傾斜角度進行調(diào)整。如果傾斜角度過大，輪椅可能翻轉(zhuǎn)。為了避免這種情況并提高用戶的乘坐舒適性，在輪椅底部安裝了一個平衡控制系統(tǒng)，以實時測量輪椅的傾斜
角度，并驅(qū)動姿勢調(diào)節(jié)機構(gòu)來改變平衡椅的位置。
姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)是四桿起重機臂架系統(tǒng)的原型，并進行了設(shè)計和修改連桿式組合臂
架型變幅機構(gòu)是可以通過臂架傾角變化，改變幅度的機構(gòu)。具體設(shè)計如圖所示。圖3-2 位姿調(diào)整機構(gòu)
由平衡控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電機驅(qū)動電動推桿1伸縮，桿件1繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)時推動電動推桿2，電動推桿2推拉改變桿件2的位置，從而改變了座椅的位姿。
電動推桿具有以下優(yōu)點：
（1）限位開關(guān)，伸縮桿件達到頂點和底部都會自動停止，確保電機不會空燒。
（2）任意位置可停止，自帶帶機鎖
（3）行程范圍廣，10-1200mm可選
3.4 車輪結(jié)構(gòu)
3.4.1 車輪尺寸
（1）輪胎尺寸：
《住宅設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，單階梯段凈寬應(yīng)超過1．10m；，一邊安裝有欄桿的且不超過六層的住宅單個樓梯臺階段凈寬應(yīng)超過1m；單階樓梯寬度應(yīng)超過0.28m，踏步高度不應(yīng)超過0．175m。房屋外面的地面與房屋內(nèi)入口處的高度差應(yīng)超過0．10m。綜合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行爬樓操作，并借鑒國內(nèi)其他電動輪椅的車徑，因此在此取后輪直徑為280mm。
（2） 萬向輪尺寸 :
萬向輪尺寸的直徑系列有12、15、18、20cm，要想輕易地越過小型障礙，選擇稍大寫的尺寸更好。但是這樣構(gòu)造會讓整個輪椅的體積變大，以至于輪椅行動不靈活；并且占用空間。綜合整個結(jié)構(gòu)考慮，取萬向輪直徑15cm。
3.5 翻轉(zhuǎn)爬樓機構(gòu)
3.5.1爬樓機構(gòu)組成
行星輪的特點就是既繞主軸公轉(zhuǎn)，也可以獨自旋轉(zhuǎn)，從而通過電機的驅(qū)動方式來完成爬樓過程。翻轉(zhuǎn)爬樓機構(gòu)模型如圖所示，主要由1輪胎， 2 、3、4、5、6五個行星輪，7、9大小翻轉(zhuǎn)齒輪，10外軸,11輸出軸，8翻轉(zhuǎn)減速電機組成。
翻轉(zhuǎn)電機8通過翻轉(zhuǎn)減速器帶動翻轉(zhuǎn)小齒輪7轉(zhuǎn)動，傳遞到翻轉(zhuǎn)大齒輪9，通過內(nèi)軸10帶動定軸輪系旋轉(zhuǎn)，此時，行走機構(gòu)鎖死，各個行星輪相對靜止，輪系繞內(nèi)軸10中心公轉(zhuǎn)從而帶動兩個車輪交替翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)爬樓運動，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能。
圖3-3 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)組成圖
3.5.2翻轉(zhuǎn)電機的選取
輪椅爬樓時需要不斷翻轉(zhuǎn)行星輪系，所以就之能用軸承來實現(xiàn)輪椅輸入值=軸和輪系之間的連接，但是這樣的連接方式就會造成輪椅的重心不穩(wěn)定，輪椅容易向前或向后傾斜翻轉(zhuǎn)。而輪椅翻轉(zhuǎn)爬樓的過程就是將重心不斷改變的過程，因此，在翻轉(zhuǎn)過程中保持重心鎖所在位置的平衡非常重要，，既不能在輪胎行星輪系翻轉(zhuǎn)時失去平衡，也不能給電機帶來太大的負擔(dān)，通過查找國內(nèi)外各種專利和資料后，綜合考慮后將輪椅和乘坐者整體的重心放在距離后輪軸心150mm處。而爬樓梯時，乘坐的人需要靠到輪椅背上，乘坐者至少有一只手可以握住扶手。
經(jīng)計算，爬樓所需克服的阻力矩為M=G×L(重心位于整體的后半部分，估算重力和驅(qū)動軸的垂直距離約為150mm）
則M=（50+100）×150×10-3=22.5N/m， （3-1）
V=ωr,得ω=V/r=0.5/0.14=3.57rad/s, （3-2）
即翻轉(zhuǎn)爬樓時輪椅輪胎的回轉(zhuǎn)速度ω=3.57rad/s，
則翻轉(zhuǎn)爬樓時所需功率P2=M·ω=29.4×3.57=105W。 （3-3）
則爬樓時一側(cè)所需的功率為P=105/2=52W，
轉(zhuǎn)矩：
T= （3-4）
爬樓裝置的減速比i=13.5，所需的轉(zhuǎn)速n2=13.18 r/min；要求電機的轉(zhuǎn)速n=177.93 r/min，所以選擇用轉(zhuǎn)速小的直流電機做為驅(qū)動爬樓裝置的電機。功率參數(shù)取250W
3.5.3 減速器選型
1．計算減速比：
平地行走時轉(zhuǎn)速n1：n1=136.5r/min （3-5）
翻轉(zhuǎn)時最大速度： n2：n2=34.11r/min （3-6）
所需的減速比i：i=n/n2=1400/34.11=41 （3-7）
2．減速器選定
，根據(jù)上面的計算和減速器參數(shù)綜合考慮，輪椅選用 RV系列蝸輪蝸桿減速器，材質(zhì)是鋁合金。型號為NMRV F 40 - 40 AS。減速器外形如圖：
圖3-4蝸輪蝸桿減速器
3.5.4翻轉(zhuǎn)機構(gòu)機構(gòu)的軸設(shè)計
1. 爬樓梯裝置的動力系統(tǒng)尺寸
爬樓梯時，輪椅的行星輪系的外殼尺寸不應(yīng)該與樓梯觸碰，因此，需要估算它的外部輪廓尺寸。由圖中關(guān)系得，外殼單側(cè)不超過68mm就不會發(fā)生碰撞
圖 3-5 外部輪廓尺寸圖
2爬樓梯裝置的從動軸計算
（1）軸徑d1的計算
查閱《機械設(shè)計手冊》，表15-3確定軸的材料為45號鋼，選定
驅(qū)動軸d計≥==100×0.38=38mm （3-8）
當(dāng)d≤100時，若軸上有鍵槽，則應(yīng)將軸徑增大 0.05～0.07，
即d1≥d計×（1.05~1.07）=39.9-40.66mm
所以選取翻轉(zhuǎn)爬樓的輸出軸 d1 =40mm
d2：取43mm
d3：此處安裝的是軸承，為了使軸承安裝的更加方便，應(yīng)使軸徑略大于d2段軸徑，，選 7205AC系列軸承內(nèi)徑為d3=d7=45 mm
d4：d4略大于d3可以使齒輪的安裝更加方便，并且要小于軸承內(nèi)圈。查[王]P119表 13-3， 取d4=d6=47mm，因為軸承是成對安裝
d5：因為從動軸為齒輪軸，所以d5=da2=40 mm
3.5.5翻轉(zhuǎn)齒輪的設(shè)計
設(shè)大、小齒輪尺寬分別為b1=20mm b2=23mm。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的大、小傳動齒輪分布設(shè)置為25，20，m2=2.5，螺旋角β=12°。按照上面公式求出它們的分度圓直徑分別為37，25mm，中心距62mm，圓整為22mm。設(shè)大、小齒輪尺寬分別為b1=30mm
b2=33mm
3.5.6齒輪材料的選取
斜齒的運動平穩(wěn)性比較好，而且承載能力比較大，為使輪椅結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳功機構(gòu)采用斜齒圓柱齒輪。 同時為了使輪椅的重量降低，縮小維護成本，通過查找資料，齒輪的材料選用PA46，PA46又稱為聚己二酰丁二胺，這是一種具有較高的熔點和較快的結(jié)晶速度的新型的聚酰胺樹脂，高達70%的結(jié)晶度，高達295℃的熔點，即使長期使用下，它的使用溫度也僅有163℃，也十分安全。相比于其他的塑料如PPA、聚酯、PA6等材料，PA46在高溫情況下的機械強度和耐磨性的優(yōu)勢更加明顯?，F(xiàn)在齒輪的制造在許多方面金屬已經(jīng)被工程塑料所代替。
3.6平地行走機構(gòu)
3.6.1總體設(shè)計
平地行走結(jié)構(gòu)模型如圖所示，主要由1輪胎， 2 、3、4、9、10五個過渡齒輪、6、7大小平地行走齒輪，5外軸,11輸出軸，8行走減速電機組成。
行走電機通過減速電機帶動平地行走小齒輪7轉(zhuǎn)動，傳遞到平地行走大齒輪6，然后平地行走大齒輪6通過外軸5帶動過渡齒輪4轉(zhuǎn)動，過渡齒輪4向兩邊傳遞到過渡齒輪2和過渡齒輪10，再通過輸出軸11帶動輪胎轉(zhuǎn)動。此時所有過渡齒輪繞各自中心自轉(zhuǎn)，完成輪椅普通行走功能。輪椅在平地運動情況下的轉(zhuǎn)彎則是通過調(diào)節(jié)兩邊電機轉(zhuǎn)速不同進行轉(zhuǎn)彎操作。
圖3-6 平地行走機構(gòu)
3.6.2功率計算
爬樓梯輪椅在水平、坡度、攀爬樓梯路面三種不同行駛的狀態(tài)下對電機功率有不同要求，以此三種狀態(tài)計算路面行駛功率。
1.行走機構(gòu)
取輪椅和乘坐者的質(zhì)量分別為50kg和100kg。行走機構(gòu)可以分成在平地和斜坡的兩種方式，現(xiàn)在分別計算兩種狀況下的功率，再選取電機。
（1） 水平路面
根據(jù)標準，在平坦的道路上運動時時，設(shè)輪椅的速度V=2m/s，平地路面行走時，輪椅車輪的受力分析如下圖。
圖3-7平地行走受力分析
由于平坦路面上運動時為四個輪胎共同承受乘坐者重力，因此FN1=FN2=G/4。輪胎選用的是實心橡膠材料輪胎，查閱《機械設(shè)計手冊》可知，實心橡膠材料輪胎在優(yōu)質(zhì)路面上行駛時的動摩擦系數(shù)為μ=0.05。
參考國家電動輪椅標準(GB/T 12996—2012)，參考大多輪椅的行駛參數(shù)，選定平地路面行駛時，輪椅的最小速度,
根據(jù)轉(zhuǎn)速公式可計算車輪轉(zhuǎn)速為：
r/min。 （3-9）
摩擦力F1=F2=， （3-10）
總功率， （3-11）
由公式可得輪椅在水平路面上行走時需要的總功率則為:
P1=μGv=0.05x100x7.2=360W。
（2） 斜坡路面
輪椅在斜坡運動下，輪椅爬坡傾斜角度最大為30度，設(shè)這種情況下輪椅運動速度V=0.5m/s，在爬斜坡路面行走時，輪椅受力分析如下圖：
圖3-8爬斜坡受力分析
求出爬坡時最大功率P2=Gvsin30°=100x0.5x0.5=250W （3-12）
根據(jù)轉(zhuǎn)速公式車輪轉(zhuǎn)速為：
r/min
根據(jù)不同狀態(tài)下輪椅行走的過程，考慮到各個結(jié)構(gòu)的傳動效率，一個電機通過蝸輪蝸桿減速器鏈接輪胎，選取一個的直流電動機。
3.6.3電動機的選取
有刷和無刷兩種類型的直流電機是永勵直流電機按照是否安裝機械換向系統(tǒng)區(qū)分的。
無刷直流電機的優(yōu)點如下：
a) 傳統(tǒng)的換向裝置由電子換向來代替，性能得到優(yōu)化、磨損小、故障少
b) 空載情況下，和靜態(tài)電機一樣具有電流小的特點；
c) 高效率 小體積。
無刷直流電機的缺點如下：
a) 在低啟動速度下，電機會產(chǎn)生些許振動 ；
b) 成本高價格高；
相反，無刷電機不具備的劣勢在有刷電機上能充分得到體現(xiàn)：
a) 速度的改變非常穩(wěn)定，電機基本不會產(chǎn)生振動
b) 溫度變化低；
c) 價格低
考慮輪椅內(nèi)部空間有限，采用減速電機，減速器和電機一體，節(jié)省空間
3.6.4 減速器選型
1．計算減速比：
平地行走時轉(zhuǎn)速n1：n1=136.5r/min
配套電機的轉(zhuǎn)速 n：n=1400 r/min
所需的減速比i：i=n/n1=1400/136.5= 10.25
2．減速器選定
根據(jù)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)減速器的選用規(guī)則，平地機構(gòu)仍舊采用RV系列的蝸輪蝸桿減速器。最終選定了功率，1400 r/min的RV系列的蝸桿減速器。
3.6.5平地行走機構(gòu)的軸設(shè)計
1．軸徑d1的計算
查找《機械設(shè)計手冊》，參考表15-3，選擇45號鋼作為軸的材料，選定
驅(qū)動軸d計≥==105×1.38=136.5mm
當(dāng)d≧100時，若軸上有鍵槽，則應(yīng)將軸徑增大 0.05～0.07，
即d1≥d計×（1.05~1.07）=143～146mm
所以選取平地行走軸 d1 =145mm
L1 的寬度應(yīng)比轱轆的寬度稍小
2．軸徑d2 的計算
軸肩高度(2-3)R，查表15-2，得R=3，h=(2-3)R=6-9 mm
d2 =151-154 mm 取d2=168mm
L2 =50 mm
3.6.6定軸輪系齒輪設(shè)計
行走機構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機構(gòu)采用由五個模數(shù)相同、齒數(shù)相同的齒輪構(gòu)成的行星輪組進行傳動，通過傳動齒輪的固定支架連接。
為了實現(xiàn)輪式輪椅連續(xù)上下樓梯的功能，同側(cè)車輪的中心距應(yīng)滿足圖中數(shù)學(xué)關(guān)系，在此以樓梯踏步寬度280mm，樓梯高度130mm為標準，進行輪椅的設(shè)計計算。如圖所示，兩個車輪之間的中心距L==308.7mm，圓整后取中心距為310mm。
圖3-9車輪中心距分析
已知兩個車輪的中心距，則可以確定連接兩個車輪的傳動齒輪（5個齒輪參數(shù)相同）的中心距。即a=310/4=77.5mm。即齒輪間中心距取77.5mm，齒輪直徑d=77.5mm。
選取斜圓柱齒輪，初步選取齒數(shù)，
則由螺旋角公式β=15° （3-13）
分度圓直徑d1==77.65mm， （3-14）
取齒寬系數(shù)=0.4，則尺寬b=d1=30mm。 （3-15）
3.6.7末端齒輪設(shè)計
考慮到裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)該緊湊，布置合理，行走裝置的齒輪取大、小齒輪齒數(shù)為36、18，模數(shù)m=2，螺旋角，
則根據(jù)計算得分度圓直徑：
,，
中心距,
圓整后選擇整數(shù)值a=55mm。
3.7 控制手柄
3.7.1功能介紹
電動輪椅遙控操縱控制桿是電動輪椅的人機接口，它的具體功能如下:
(1) 準確輸入乘坐者期望的速度及方向控制，輸出驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速信號和輪椅的轉(zhuǎn)向控制信號;
(2)遙控操縱控制桿能夠顯示電池電量、速度檔位等基本信息;
(3)電動輪椅的遙控操縱桿控制器有極高的靈敏度，以此能夠快速實現(xiàn)速度控制和轉(zhuǎn)向控制的功能;
(4)實現(xiàn)操縱桿控制器、電機控制器、編程器之間信號的實時傳遞。
3.7.2基本原理
智能電動輪椅控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用原理有操控界面原理、平穩(wěn)性能標準分析、差速控制原理等，以此實現(xiàn)對操控信號的處理，從而精準、快速地表現(xiàn)出使用者提出要求的左右、前進和后退的命令控制。
圖3-10 控制手柄
3.8 本章小結(jié)
本章對旋轉(zhuǎn)式雙輪輪椅的機構(gòu)確立了三維模型圖的，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，和尺寸計算。詳細介紹了旋轉(zhuǎn)式雙輪輪椅各部分機構(gòu)的組成，工作原理，和理論計算。
第四章 控制系統(tǒng)
4.1 硬件選用
4.1.1單片機
單片機（MCU）是一種典型的嵌入式結(jié)構(gòu)微型控制器；是具有使用VLSI技術(shù)的數(shù)據(jù)處理能力的集成電路芯片。一個不起眼的硅芯片上就已經(jīng)形成了一個十分完整的微機控制系統(tǒng)。本次設(shè)計采用兼容性強、功耗較少且性能很高的AT89S52單片機，外形如圖4-1，引腳圖如4-2所示。
圖4-1 AT89S52 外形圖 圖4-2 AT89S52的引腳排列
主要性能如下：
1、兼容性較高，能完全兼容 系列的產(chǎn)品指令和引腳。
2、1000次擦寫周期且支持多次攃錄；
3、存儲器采用三級加密程序，密保性十分安全；;
4、多達32個的可編程的輸入輸出引腳;
4.1.2驅(qū)動器選擇
本設(shè)計整個傳動機構(gòu)選擇了四個有刷式直流電機，選用與其配套的電機及控制器。圖所示出的是有刷電機的驅(qū)動控制器，這種驅(qū)動器因為采用了抗干擾設(shè)計，既能抵抗來自外部的干擾，同時它對外部電子設(shè)備的干擾也大大地降低。
在外部信號的控制上，可以應(yīng)用于自動控制這種接口控制方式。 驅(qū)動器的功能可以通過模擬量和開關(guān)量來控制。 這款驅(qū)動控制器具有智能邏輯功能，可以自動判斷當(dāng)前值和電機速度，停機駐車制動和快速換向制動器的實現(xiàn)可以通過動力剎車制動電阻器的對接來實現(xiàn)。
這種換向方法與傳統(tǒng)的換向方法相比:它的換向功能更加可靠，干擾聲音小、使用時間長。這都是傳統(tǒng)換向不具備的。以電流傳輸?shù)姆绞絺鬏斖獠靠刂菩盘栐谝欢ǔ潭壬咸岣吡丝垢蓴_性。極高的性價比和優(yōu)良的使用特性，讓它能夠得到廣泛的應(yīng)用。 常用于低功率的直流電機對于普通整流功能的控制。
調(diào)速類型：速度控制功能的實現(xiàn)可以通過電位器調(diào)節(jié)電阻，從而來改變電壓來完成。
特點：1．正反向換向功能；2．微處理判斷及控制；3．標準信號接口；4．調(diào)速馬達平穩(wěn)運轉(zhuǎn)；5．轉(zhuǎn)速控制精度高：1%；6．使能控制功能；7．全封閉抗干擾能力強；8．跟隨性好 響應(yīng)速度快；9．過壓、限流保護；10．短路、過流報警停止輸出功能。
圖4-3 有刷電機驅(qū)動控制器
4.2控制系統(tǒng)設(shè)計
4.2.1概述
選擇有刷直流電機作為旋轉(zhuǎn)式雙輪電動輪椅的執(zhí)行電機，控制器發(fā)出指令信號，經(jīng)過兩個平地行走電機的驅(qū)動器后，驅(qū)動行走機構(gòu)電機，四個輪胎同向同速轉(zhuǎn)動。通過控制器可以使電機正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)前進和后退運動。通過控制左右電機不同轉(zhuǎn)速實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向功能。
爬樓時，控制器發(fā)出指令信號后，翻轉(zhuǎn)電機驅(qū)動器接受后帶動定軸輪系，完成爬樓翻轉(zhuǎn)過程。爬樓過程中重心的穩(wěn)定由位姿調(diào)整機構(gòu)改變，驅(qū)動器接受到調(diào)整重心變化的指令后，電動推桿旋轉(zhuǎn)，不斷改變重心位置。
下圖是控制系統(tǒng)的驅(qū)動板塊：
圖4-4 控制系統(tǒng)驅(qū)動板塊
4.2.2流程圖設(shè)計
輪椅控制主要分直線運動，位姿調(diào)整。設(shè)計流程圖如下：
圖4-5 直線運動流程圖
圖4-6 位姿調(diào)整流程圖
4.3 本章小結(jié)
本章簡單地對硬件部分進行選擇，并對控制部分的總體方案以流程圖的形式進行了繪制。
第五章 總結(jié)
本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式雙輪電動輪椅，是在普通的電動輪椅的基礎(chǔ)上，增加了爬樓機構(gòu)和位姿調(diào)整機構(gòu)，使輪椅在原有的功能上還可以爬樓梯，并且能自動調(diào)節(jié)座椅傾角。旋轉(zhuǎn)式雙輪電動輪椅主要由椅架，平地行走機構(gòu)，爬樓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，位姿調(diào)整機構(gòu)，和控制系統(tǒng)組成。通過對這幾大機構(gòu)的設(shè)計，計算，建模裝配，完成整個爬樓輪椅的設(shè)計。
旋轉(zhuǎn)式雙輪電動輪椅的優(yōu)點如下：
（1） 輪椅的功能十分實用，既能平地行走，也能攀爬樓梯，還能調(diào)整乘坐者的重心。
（2） 方便老人或者行動不便者獨自活動，減輕看護者的負擔(dān)。
（3） 輪椅有極高的性價比。尤其是在我國老年人口基數(shù)不斷增加、高價格的爬樓輪椅人們負擔(dān)不起這種現(xiàn)狀下，這臺能爬樓但是價格又不貴的輪椅很容易市場接受。
本次設(shè)計對旋轉(zhuǎn)式雙輪電動輪椅的各個機構(gòu)進行了設(shè)計，但還有一些問題沒有考慮充分，還需進行優(yōu)化。比如：
（1）雙輪抬升過程中角度與重心變化關(guān)系
（2）輪椅電機數(shù)量的優(yōu)化
（3）優(yōu)化位姿調(diào)整機構(gòu)，將調(diào)整機構(gòu)從椅座下面的單獨支撐改成鏈接在傳動箱體兩側(cè)。
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