履帶-輪組式電動(dòng)多功能輪椅設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、履帶-輪組式電動(dòng)多功能輪椅設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄 TOC o 1-5 h z 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1第一章緒論2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 設(shè)計(jì)的背景和意義2 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 現(xiàn)有產(chǎn)品簡(jiǎn)介及產(chǎn)品分析2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 本章小結(jié)3第二章設(shè)計(jì)方案選擇4 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 輪椅機(jī)構(gòu)形式的選擇4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Docum

2、ent 輪組的選擇4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 履帶的收放機(jī)構(gòu)5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 本章小結(jié)8第三章輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8輪組8履帶及其收放機(jī)構(gòu)10 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 輪椅的運(yùn)動(dòng)分析14輪椅的平地行駛及越

3、障功能14輪椅爬樓梯過(guò)程的分析16第四章輪椅驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 輪椅的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)19 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 電機(jī)參數(shù)的確定20 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 輪椅中間主體的傳動(dòng)設(shè)計(jì)22第五章 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)23 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 輪椅的功能分析23 HYPERLINK l bookmark38 o Current Docu

4、ment 輪椅的控制系統(tǒng)23第六章 總結(jié)28參考文獻(xiàn)28設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)技術(shù)要求：1）功能：直線行駛、勻速、加速、減速、轉(zhuǎn)彎、爬樓梯等；2）較強(qiáng)的爬梯適應(yīng)能力，應(yīng)對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)的多變性；3）良好的機(jī)動(dòng)性，使其能夠在平地行駛、爬樓梯、跨越障礙等動(dòng)作狀態(tài)間很 好的過(guò)渡轉(zhuǎn)換；4）結(jié)構(gòu)緊湊.操作方便.工作可靠；5）良好的穩(wěn)霜性，利用金軸滑軌機(jī)廟進(jìn)行座椅調(diào)平，使其在越障、跨溝和爬 樓梯時(shí)始終保持水平；6）較強(qiáng)的越障能力和路面適應(yīng)性；7）抗沖擊能力強(qiáng)；8）具有更大的作用面，可以適應(yīng)各種復(fù)雜多樣的路面。履帶一輪組式電動(dòng)多功能輪椅技術(shù)參數(shù)如下表:總體結(jié)構(gòu)履帶一輪組式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)指標(biāo)自重5OKg結(jié)構(gòu)尺寸1200*700*50

5、0機(jī)動(dòng)扌日標(biāo)平地最小速度正常速度爬坡速度4ms最小通過(guò)坡度30樓梯通過(guò)能力能通過(guò)普通標(biāo)準(zhǔn)樓梯轉(zhuǎn)向能力零半徑續(xù)航能力1小時(shí)以上跨過(guò)障礙物的最大高度跨過(guò)凹溝的最大寬度防護(hù)能力防水防塵，抗沖擊。第一章緒論設(shè)計(jì)的背景和意義年老體弱、下肢殘障者在日常生活中的最大障礙就是步行能力的減弱甚至喪 失。這些人行動(dòng)不方便，需要有能正常行走的人加以照顧。目前，大部分年老體 弱.肢體傷殘者的代步工具都是普通的輪椅，普通的輪椅都是靠人力推動(dòng)的，而 且普通輪椅不能過(guò)障礙物，也不能越溝，更無(wú)法攀登樓梯，從而限制了輪椅使用 者的活動(dòng)范圍，影響其參與社會(huì)生活。尤其是國(guó)內(nèi)城市以多層公寓式樓房居多， 電梯并沒(méi)有普及到所有的居民住宅

6、，這給輪椅乘坐者造成諸多不便。為了給上述弱勢(shì)群體帶來(lái)方便，更好的關(guān)懷老年人、殘疾人的生活，改善他 們的生活質(zhì)量，除了增加房屋和各種公共建筑設(shè)施的無(wú)障礙設(shè)計(jì)，擴(kuò)大輪椅的使 用范圍之外，改進(jìn)現(xiàn)有的普通輪椅，使其兼?zhèn)淦降匦旭?、越溝、過(guò)障礙、爬樓梯 等多種功能，將是更加行之有效的一種措施。為了上述需求，給老年人和殘疾人提供性能優(yōu)越的代步工具，解決障礙、樓 梯等對(duì)他們生活造成的不便，同時(shí)考慮使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，研究一種價(jià)格適 宜、平穩(wěn)安全的電動(dòng)多功能輪椅具有重大的意義和實(shí)用價(jià)值?，F(xiàn)有產(chǎn)品簡(jiǎn)介及產(chǎn)品分析目前市場(chǎng)上具備爬樓梯、越障等功能的輪椅主要有兩種類(lèi)型一一履帶式和輪 組式。如圖1,輪組式的輪椅大都采用

7、三葉輪式和四葉輪式，機(jī)構(gòu)精巧，能實(shí)現(xiàn)平（圖1） 輪組式的輪椅地行駛、越溝、過(guò)障、爬樓梯等功能，而且平地行駛時(shí)，輪椅比較平穩(wěn)，人坐 著也比較平穩(wěn)，但無(wú)法克服爬樓梯時(shí)兩臺(tái)階間的震蕩，上下樓梯時(shí)該類(lèi)型輪椅 重心起伏較大，會(huì)使乘坐者感到不適而且難以實(shí)現(xiàn)在平地上的獨(dú)立行走，需要 其他人的時(shí)刻陪護(hù)和推拉。如圖2為履帶式爬樓梯輪椅，履帶式爬樓梯輪椅技術(shù)較成熟，操作簡(jiǎn)單，對(duì) 樓梯的形狀、尺寸適應(yīng)性強(qiáng)，爬樓梯時(shí)波動(dòng)小，乘坐的人比較舒服，而且平地行 駛也比較平穩(wěn)；但履帶式輪椅越障時(shí)不夠平穩(wěn)，重心波動(dòng)大，乘坐者會(huì)感到不舒 服，而且，履帶式輪椅在平地行駛時(shí)阻力比較大，所以消耗的功率就比較大。圖履帶式爬樓梯輪椅本章小結(jié)

8、由上述對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)了解和分析可知，履帶式和輪組式輪椅都有各 自的優(yōu)點(diǎn)，有都有各自的缺點(diǎn)。履帶式輪椅在爬樓梯方面具有優(yōu)越性，在爬樓梯 時(shí)無(wú)重心、波動(dòng)穩(wěn)定性好，但是，當(dāng)在平地上行駛時(shí)阻力會(huì)很大，所以功耗較大， 可能還要增加輔助電機(jī)，使輪椅的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜；而且，當(dāng)在平地上遇到障礙時(shí)， 輪椅就會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)、變得不平穩(wěn)。輪組式輪椅在平地行駛時(shí)具有優(yōu)越性，路況比 較平坦時(shí)，輪椅行駛比較平穩(wěn)，在平地上遇到障礙時(shí)越障也比履帶式輪椅波動(dòng) 小；但是，在爬樓梯方面輪組式輪椅卻有著很大的缺陷，輪組式輪椅在爬樓梯時(shí) 重心波動(dòng)很大，穩(wěn)定性很差。第二章設(shè)計(jì)方案選擇輪椅機(jī)構(gòu)形式的選擇在第一章對(duì)現(xiàn)有輪椅進(jìn)行詳細(xì)分析之后，

9、了解到了各種形式輪椅的優(yōu)缺點(diǎn), 在此基礎(chǔ)上，利用它們的優(yōu)點(diǎn)，避開(kāi)它們的缺點(diǎn)，就可以設(shè)計(jì)出一種更加具有優(yōu) 越性的電動(dòng)多功能輪椅一一輪組-履帶式電動(dòng)多功能輪椅。這種輪椅結(jié)合了輪組 式和履帶式輪椅的優(yōu)點(diǎn)，在這種輪椅上既裝有輪組，又裝有履帶。在平地行駛、 跨溝、越障時(shí)，使用輪組，而在爬樓梯時(shí)，輪椅會(huì)放下履帶，使用履帶爬樓梯。輪組的選擇輪組式的輪椅大都采用三葉輪式和四葉輪式，四葉輪爬樓梯比三葉輪平穩(wěn), 但是四葉輪的結(jié)構(gòu)比三葉輪復(fù)雜，而且輪組-履帶式電動(dòng)多功能輪椅是使用履帶 爬樓梯的，所以采用三葉輪。而三葉輪也有多種形式，主要有鏈傳動(dòng)的（如圖）， 齒輪傳動(dòng)的（如圖）。鏈傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)，它由鏈條和鏈輪組

10、成，通過(guò)鏈輪 輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。但是，鏈傳動(dòng)有很多缺點(diǎn)：運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不 能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時(shí)有噪聲；不宜用在載荷變 化很大、髙速和急速反向的傳動(dòng)中。1車(chē)輪 2 小輪鏈輪3中心鏈輪4支架5張緊輪輪6傳動(dòng)鏈條圖鏈傳動(dòng)三葉輪齒輪傳動(dòng)具有一下優(yōu)點(diǎn)：效率髙，在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，以齒輪傳動(dòng)的效率驅(qū)動(dòng)齒輪 過(guò)度齒輪 中心齒輪 轉(zhuǎn)臂 小車(chē)輪為最髙；機(jī)構(gòu)緊湊，在同樣的使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小, 這一點(diǎn)正好適合用在輪組中，減小了輪組的體積，這樣也可以減小輪椅的體積; 工作可靠，壽命長(zhǎng)，這一點(diǎn)應(yīng)用在輪椅上，可以使輪椅的使用壽命加長(zhǎng)，也提高 了輪椅的安全性；

11、傳動(dòng)比穩(wěn)定，傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求，齒輪 傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于具有這一特點(diǎn)，這一特點(diǎn)也適合用在輪椅上。履帶的收放機(jī)構(gòu)由于履帶只在爬樓梯時(shí)使用，而在平地行駛時(shí)使用的是輪組，所以履帶平時(shí)是收起來(lái)的，只在爬樓梯時(shí)才放下，故在設(shè)計(jì)履帶時(shí)，要考慮到履帶的收放機(jī)構(gòu), 也就是說(shuō)履帶要有專(zhuān)門(mén)的收放機(jī)構(gòu)。圖履帶及其收放機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖即為履帶及其收放裝置的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中液壓缸1（也可以采用氣壓缸） 是收放機(jī)構(gòu)的主要部分，利用液壓缸1的往復(fù)伸縮就可以實(shí)現(xiàn)履帶的收放，并且 可以使履帶產(chǎn)生一定的傾斜角度，這樣履帶就可以跨上樓梯的第一級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 爬樓梯的功能。座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)在上下樓時(shí)爬樓梯輪椅整體是傾

12、斜的，而且在跨越障礙、越過(guò)凹坑時(shí)輪椅也會(huì)產(chǎn)生傾斜，在傾斜的輪椅會(huì)使乘坐者感到不適。為了克服這一弊端和 輪椅爬樓過(guò)程中重心的起伏要設(shè)計(jì)一種可以減緩波動(dòng)的機(jī)構(gòu)，波動(dòng)小了，乘坐 者才會(huì)感到舒適。如果座椅和座椅支架是固定在一起的，當(dāng)輪椅因越障、跨溝、 爬樓梯而產(chǎn)生傾斜時(shí)，乘坐的人也會(huì)一直傾斜著，所以只有把座椅和座椅支架做 成滑動(dòng)連接的才能實(shí)現(xiàn)當(dāng)輪椅發(fā)生傾斜時(shí)而乘坐的人可以始終保持水平乘坐，這 樣，乘坐的人才不會(huì)感到不舒服。座椅支架與滑軌的連接方式如圖所示O1軸承2座椅支架3滑軌4滾軸圖滾道滑軌式座椅原理圖其主要由圓弧形軌道及滾軸組成?；壓附釉诘准苌蠞L軸通過(guò)螺紋連接固定在 座椅底部的支架上其軸端安裝有

13、軸承可以在滑軌里滑動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)座椅的平。該滑道滑軌式座椅的外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示：座椅支架通過(guò)軸承與圓弧1座椅支架 2圓弧形軌道圖座椅機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖形軌道形成滑動(dòng)連接，圓弧形軌道與輪椅底盤(pán)連接成一體，這樣，當(dāng)?shù)妆P(pán)與圓弧 形軌道發(fā)生傾斜時(shí)，軸承就會(huì)沿圓弧形軌道滑動(dòng)，使座椅始終保持水平，乘坐的人也就可以始終保持水平。本章小結(jié)通過(guò)上述分析，可以初步確定輪椅的主要機(jī)構(gòu)。輪組采用三葉式、齒輪傳動(dòng) 的行星輪式結(jié)構(gòu)，每個(gè)小車(chē)輪既可以繞各自的軸自轉(zhuǎn)，又可以繞機(jī)架傳動(dòng)軸公轉(zhuǎn), 平地行駛時(shí)小車(chē)輪自轉(zhuǎn)，越障、跨溝時(shí)小車(chē)輪不再自轉(zhuǎn)，而是繞傳動(dòng)軸公轉(zhuǎn)；輪 椅除了采用輪組外，還要增設(shè)履帶裝置，并且，還設(shè)有履帶的收放機(jī)構(gòu)，當(dāng)遇到 樓

14、梯時(shí)，放下履帶，平地行駛時(shí)，收起履帶；輪椅支架與底盤(pán)用軸承實(shí)現(xiàn)連接, 能夠在底盤(pán)發(fā)生傾斜時(shí)，也能保持水平。第三章輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括輪組、履帶、車(chē)架等的設(shè)計(jì)。輪組由第二章可知，輪椅的輪組采用三葉式齒輪傳動(dòng)的星形輪結(jié)構(gòu)。輪組機(jī)構(gòu)的外形圖如圖所示：輪組主要由車(chē)輪、齒輪、轉(zhuǎn)臂組成。小車(chē)輪具有兩種運(yùn)動(dòng)方式: 小車(chē)輪的自傳，小車(chē)輪繞驅(qū)動(dòng)軸的公轉(zhuǎn)。這兩種運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了輪椅的不同運(yùn)行 方式。如圖所示為輪組的轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂的作用為用于安裝齒輪，對(duì)齒輪圖輪組轉(zhuǎn)臂進(jìn)行定位；轉(zhuǎn)臂的另一個(gè)主要功能是帶動(dòng)小車(chē)輪繞轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)；除此之外，轉(zhuǎn)臂還 起到強(qiáng)化機(jī)構(gòu)、支撐輪椅支架等功能。輪組是用齒

15、輪傳動(dòng)的，一個(gè)輪組中包含有七個(gè)齒輪，如圖所示為輪組的一支，其中1為小車(chē)輪2為驅(qū)動(dòng)齒輪，用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)輪自傳；3為輪組的轉(zhuǎn)臂， 用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)輪繞驅(qū)動(dòng)軸公轉(zhuǎn)；4為過(guò)度齒輪；7為中心齒輪；6為傳動(dòng)軸一， 一端與中心齒輪配合，通過(guò)軸承空套在轉(zhuǎn)臂3上，一端與鏈輪配合，并通過(guò)軸承 空套在主車(chē)架上；5為傳動(dòng)軸二，一端通過(guò)螺栓與轉(zhuǎn)臂3固連，一端與鏈輪配合， 并通過(guò)軸承空套的主車(chē)架上；傳動(dòng)軸一與傳動(dòng)軸二通過(guò)軸承相互空套；過(guò)渡齒輪 4,驅(qū)動(dòng)齒輪2各自通過(guò)軸承空套在轉(zhuǎn)臂3上；小車(chē)輪1通過(guò)螺栓與驅(qū)動(dòng)齒輪2 固連，三個(gè)小車(chē)輪的中心軸線呈等角分布O由于轉(zhuǎn)臂3,過(guò)渡齒輪4,驅(qū)動(dòng)齒輪 2 （包括小車(chē)輪6）都是空套在相應(yīng)的軸上，

16、因此驅(qū)動(dòng)輪系包含三個(gè)結(jié)構(gòu)完全相 同的差動(dòng)輪系，這三個(gè)差動(dòng)輪系共用中心輪和行星架，并且沿周向?qū)ΨQ(chēng)分布，增 設(shè)過(guò)渡齒輪4,可以保證同時(shí)著地的兩個(gè)小車(chē)輪1具有和中心齒輪7相同的旋向, 朝同一方向滾動(dòng)前進(jìn)。履帶及其收放機(jī)構(gòu)在第二章已經(jīng)對(duì)履帶的機(jī)構(gòu)作了簡(jiǎn)要介紹，如圖為履帶及其收放機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。履帶的收 放是通過(guò)液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。其原理的AutoCAD圖如圖所示：履帶的收放機(jī)圖履帶及其收放機(jī)構(gòu)構(gòu)釆用的是分離式液壓千斤頂，千斤頂是由一個(gè)支撐油缸和一個(gè)手動(dòng)泵組成，它們之間由一 根油管連接，通過(guò)反復(fù)壓動(dòng)手動(dòng)泵來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶的收放和履帶傾斜角度的變化。根據(jù)輪椅高度和所設(shè)計(jì)履帶高度選擇千斤頂。7為千斤頂高度最小時(shí)的

17、長(zhǎng)度，Lr 為千斤頂伸出一定長(zhǎng)度，頂起履帶并使其發(fā)生一定角度時(shí)的長(zhǎng)度。 = , i=J, 力為履帶，通過(guò)千斤頂履帶轉(zhuǎn)過(guò)一定角度Znnf 口,因?yàn)榇蟛糠謽翘萜露葹?0, 所以上樓梯時(shí)，至少把履帶旋轉(zhuǎn)30。， 即Z口口口=30根據(jù)正余弦定理：_ ZEZ ej, r=orf+oo, 2-2? z?。篖JLJ = 3 8 OmnI LJLJ= LJLJ = 32Omnl解得：B T-BC= 160mm即千斤頂?shù)男谐讨辽贋?6Omnl分離式液壓千斤頂要配有液壓控制系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)基本原理如圖所示：液 壓系統(tǒng)基本原理：系統(tǒng)由油箱，過(guò)濾器1,液壓泵2,溢流閥3,換向閥4,節(jié)流 閥5,換向閥6,液壓缸以及連接

18、這些原件的油管，接頭等組成。該系統(tǒng)的工作 原理是液壓泵從油箱吸油，泵輸出的壓力油一換向閥4-節(jié)流閥5-換向閥6- 液壓缸左腔，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，通過(guò)活塞桿推動(dòng)重物。這時(shí)液壓缸7的右腔的油液f換向閥6-回油管f油箱。若將換向閥7切換位置向左移，則壓力油一換向閥6-液壓缸右腔，推動(dòng)活塞使其復(fù)位，放下重物并使液壓缸左腔油液一換向閥6- 回油管一油箱。其中節(jié)流閥的功能是調(diào)節(jié)工作速度，溢流閥的功能是是調(diào)節(jié)和穩(wěn) 定系統(tǒng)的最大工作壓力。為了克服各種阻力，液壓缸必須提供足夠的動(dòng)力，而這個(gè)動(dòng)力是由液壓缸中 的油液壓力所產(chǎn)生的。要克服的阻力越大，缸中的油液壓力就越高，阻力越小, 壓力就低。即液壓缸的壓力取決于負(fù)載。履

19、帶的選擇履帶驅(qū)動(dòng)輪的選擇關(guān)系到輪椅爬樓梯的性能指標(biāo)。履帶的驅(qū)動(dòng)輪分布主要有后 輪驅(qū)動(dòng)和前輪驅(qū)動(dòng)兩種。履帶兩端的導(dǎo)向輪哪一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)更為合適與履帶機(jī)構(gòu) 的形狀有關(guān)。對(duì)于該輪椅的履帶，以驅(qū)動(dòng)輪在后方比較有利，這時(shí)履帶的上分支 受力較小，導(dǎo)向輪受力也較小，主履帶承載分支處于微張緊狀態(tài)，運(yùn)行阻力較小， 如圖所示。反之，前輪為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，履帶的上分支及導(dǎo)向輪承載最大載荷，履帶承載分支部分長(zhǎng)度處于壓縮彎折狀態(tài)，運(yùn)行阻力較大，見(jiàn)圖。為了節(jié)省空間，本題目中的傳動(dòng)系統(tǒng)采用了行星減速器設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)2K-H型行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)了電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)后輪。行星減速器采用2K-H型行星齒輪傳動(dòng)。原理如圖所示： a、b為太陽(yáng)輪

20、；C為行星輪；H為轉(zhuǎn)臂。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間 隙小.精度較髙，使用壽命很長(zhǎng)，額定輸出扭矩可以做的很大，但價(jià)格略貴。輪椅的運(yùn)動(dòng)分析經(jīng)過(guò)前面幾章的分析可知，電動(dòng)多功能輪椅不僅要具備在平地上行駛的功能, 而且還要具備越障、跨溝、爬樓梯等復(fù)雜功能，下面將對(duì)輪椅的這幾種功能作詳 細(xì)的分析。輪椅的平地行駛及越障功能平地行駛是輪椅最基本的功能，在此基礎(chǔ)上對(duì)輪椅進(jìn)行加速、減速，并實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)彎的功能。如圖所示為輪椅在平地上行駛時(shí)的示意圖（此時(shí)為了表達(dá)方便，在 圖中并未畫(huà)出履帶結(jié)構(gòu)）。此時(shí)，每個(gè)輪組各有兩個(gè)小車(chē)輪著地，如圖所77777777777777圖平地行駛示：傳動(dòng)軸一帶動(dòng)中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，中心齒輪經(jīng)

21、過(guò)度齒輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如此就實(shí)現(xiàn)了小車(chē)輪的自傳運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使輪椅能夠在平地上行駛。當(dāng)兩側(cè)運(yùn)動(dòng)單元中 的小車(chē)輪等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪椅直線行走；當(dāng)兩側(cè)小車(chē)輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪椅就會(huì)在原 地轉(zhuǎn)向，不同速度運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向半徑，于是就實(shí)現(xiàn)了輪椅的轉(zhuǎn)彎功能。當(dāng)輪椅在平地上遇到障礙時(shí)，如果障礙物尺寸較小，可利用小車(chē)輪尺寸優(yōu)勢(shì) 直接通過(guò)；當(dāng)前進(jìn)的車(chē)輪碰上較高障礙而停止不動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪系就演變成行星輪 系，輪輻帶著另外兩個(gè)車(chē)輪繞前輪的驅(qū)動(dòng)軸軸線回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)翻越障礙的目的。如 圖所示為輪椅跨越障礙物的過(guò)程示意圖。由圖可知輪椅在跨越障礙時(shí)底盤(pán)（圓弧 形滑軌）會(huì)隨驅(qū)動(dòng)軸軸心高度的變化而發(fā)生傾斜，但是通過(guò)調(diào)平機(jī)構(gòu)的調(diào)整，座 椅

22、在整個(gè)過(guò)程中始終保持水平，進(jìn)一步驗(yàn)證了這種輪椅機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)平的功能。 在輪椅跨越障礙物的過(guò)程中，過(guò)障礙的輪組的驅(qū)動(dòng)軸一（如圖）由電磁離合器（后 面將會(huì)介紹到）鎖死，所以中心齒輪也被鎖死，小車(chē)輪不再做自傳運(yùn)動(dòng)（主要目 的是防止小車(chē)輪滑移），而只繞驅(qū)動(dòng)軸做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如此就實(shí)現(xiàn)了輪椅跨越障礙 的功能O圖輪椅跨越障礙輪椅在遇到較窄的深溝時(shí)（深溝寬度小于2倍輪輻長(zhǎng)），為克服前進(jìn)中的阻力, 與越障機(jī)理一樣，驅(qū)動(dòng)輪系演變成了行星輪系，完成跨溝的過(guò)程，如圖所示：圖輪椅跨溝過(guò)程跨溝的原理和跨越障礙時(shí)的原理類(lèi)似，由圖可知，在整個(gè)跨越過(guò)程中座椅也是始 終保持水平的，由此可知調(diào)平機(jī)構(gòu)同樣適用于跨溝過(guò)程。輪椅爬樓梯過(guò)

23、程的分析爬樓梯是電動(dòng)多功能輪椅所具備的一種獨(dú)特的功能，很多普通輪椅都不具備 這種功能，這也是這種輪椅的最大優(yōu)勢(shì)。爬樓梯分為兩個(gè)過(guò)程一一下樓過(guò)程和上 樓過(guò)程。下面分別對(duì)這兩個(gè)過(guò)程作詳細(xì)的介紹。下樓過(guò)程：當(dāng)走到樓梯口要下樓梯時(shí)，用戶需要開(kāi)啟液壓控制系統(tǒng)，放下履 帶并使其傾斜一定角度，直至履帶抵觸到臺(tái)階面將輪組脫離地面，啟動(dòng)履帶的驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)履帶主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輪椅下樓梯。當(dāng)?shù)竭_(dá)地面時(shí)，再次通過(guò) 液壓控制系統(tǒng)將履帶收起，輪組著地，進(jìn)行平地行走。上樓過(guò)程：當(dāng)上樓時(shí)，則采用背部先上，同樣先旋轉(zhuǎn)外側(cè)小輪，再將履帶放 下，離合器嚙合，履帶著地，輪組收起，啟動(dòng)履帶控制系統(tǒng)，帶動(dòng)履帶上樓梯。如圖所示為輪

24、椅爬樓梯的簡(jiǎn)化圖（圖中將爬樓梯簡(jiǎn)化為爬坡）。下面對(duì)履帶 爬梯過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析:假設(shè)履帶輪廊為長(zhǎng)圓形。即中段為長(zhǎng)度厶的直線履帶， 兩端為直徑為的半圓形履帶。履帶的質(zhì)量分布均勻，重心在幾何對(duì)稱(chēng)中心。又 設(shè)單級(jí)樓梯的高度為，寬度為徒履帶式爬樓梯的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。第 一個(gè)階段是從平地攀上第一級(jí)樓梯，如圖所示姿態(tài)由水平態(tài)變?yōu)榕榔聭B(tài)；第二個(gè) 階段是履帶在各階樓梯上平穩(wěn)爬行，如圖所示，姿態(tài)不變。以下分不同階段分析。在第一階段，豳圖履接鮭嚴(yán)，在地面摩擦推力和前段摩擦舉 力的作用下，重心不斷升高，同時(shí)履帶的中心線與地面夾角不斷變大，重心緩慢 前移。以第一樓梯的尖角力點(diǎn)為支點(diǎn)，履帶翻越樓梯的第一階段的條件可

25、以用下式進(jìn)行描述：l) 7+ 0。重力提供了全部的翻轉(zhuǎn)力矩，履帶的移動(dòng)會(huì)加快重心的超越”， 提供更大的翻轉(zhuǎn)力矩，加速翻轉(zhuǎn)過(guò)程。翻轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)是重心處于A點(diǎn)正上方的時(shí)候, 此時(shí)厶=0,履帶軸線和水平地面的夾角稱(chēng)為翻轉(zhuǎn)臨界角歹，當(dāng)“翻越”發(fā)生前， 即血為逆時(shí)針時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角慣量血Z：要小，以便于克服重力翻轉(zhuǎn)力矩，因此應(yīng)該降 低履帶的運(yùn)行速度：當(dāng)“翻越”發(fā)生時(shí)，血為順時(shí)針，此時(shí)履帶的后端接地點(diǎn)已 經(jīng)離開(kāi)地面，不再存在，因此可以加快履帶運(yùn)行速度，使得厶2迅速變大，加快 翻越過(guò)程。根據(jù)條件(1),即所謂重心“超越”條件，利用幾何原理，得到下式：H 厶1/2SinG + K(I- Sec)K = D/2L計(jì)算結(jié)果

26、表明，當(dāng)LID = I時(shí)，最大翻越髙度約等于0.35L ,此時(shí)少約等于50度?？梢?jiàn)對(duì)于長(zhǎng)圓形節(jié)線履帶，只有增大長(zhǎng)高比，才能獲得更好的爬垂直效果，在尺 度不變的情況下，就要降低重心，或者重心前移。在第二階段，如圖所示履帶的姿態(tài)保持不變，為了穩(wěn)定地運(yùn)行，履帶的長(zhǎng)度一般保證能夠同時(shí)和樓梯的3個(gè)尖角接觸。由此可得：L2H2+IV2以常見(jiàn)的樓梯為例，H = 15cMjV = 30ch ,因此L 67 Cm 0取LD = 3,如果 取L = 67cm,則可爬垂直墻的最大高度約為20CnlO能滿足第一階爬樓梯的要求. 根據(jù)以上分析計(jì)算，可知用長(zhǎng)圓節(jié)線履帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬樓功能時(shí)，履帶的中心長(zhǎng)度 大于60CmO第四

27、章輪椅驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輪椅的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是輪椅的動(dòng)力來(lái)源，選擇最佳的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)該多功能輪椅的關(guān) 鍵。驅(qū)動(dòng)方式的類(lèi)型主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為動(dòng)力源，具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)快 速靈活，不污染環(huán)境，以及維修方便，價(jià)格便宜等特點(diǎn)。但是由于氣體具有可壓 縮性，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，要設(shè)緩沖裝置，不易控制。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是較早被采用的驅(qū)動(dòng)方式，它具有重量輕、慣量小、傳動(dòng)平穩(wěn). 控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓油容易泄漏，影響工作性能和污 染環(huán)境，它需要單獨(dú)的油源，所占空間較大。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、靈活、控制簡(jiǎn)單精確、無(wú)污染、效率

28、高、結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、無(wú)管路系統(tǒng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)。對(duì)以上三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行比較后，確定選擇電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為輪椅動(dòng)力來(lái)源, 并將蓄電池作為電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)的動(dòng)力能源。在確定了驅(qū)動(dòng)方式后，需要選擇合適的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的性能直接決定著驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)的性能，它的選擇成為設(shè)計(jì)多功能輪椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電動(dòng)機(jī)按照工作電源分類(lèi)可分為交流電機(jī)(AC)和直流電機(jī)(DC)兩種。交流電機(jī)(AC)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 造價(jià)便宜、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但是交流電機(jī)控制特性較差，調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜。 直流電機(jī)(De)的激勵(lì)電流和電樞電流二者的大小及方向可以獨(dú)立地分別控制，從 而使轉(zhuǎn)速在很寬的范圍內(nèi)可以得到精確的調(diào)節(jié)，具有良好的控制性能和調(diào)速性能O

29、 但是傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、散熱性能差，它必須有炭刷和換 向器，炭刷易產(chǎn)生電火花會(huì)引起電磁干擾，它和換向器易損壞，降低了電機(jī)的穩(wěn) 定性和壽命。無(wú)刷直流電機(jī)由電子換向器取代了普通有刷直流電機(jī)炭刷和換向器 的機(jī)械換向，消除了機(jī)械換向帶來(lái)的諸多限制，它既保持著有刷直流電機(jī)的優(yōu)秀 控制性和調(diào)速性，又具有可靠性高.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽金長(zhǎng)、體積小、噪聲低、損耗 低、無(wú)干擾性、過(guò)載能力大等優(yōu)點(diǎn)，是交流電機(jī)與直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，廣泛用 于機(jī)械、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。綜上所述，多功能輪椅選用無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具體由電動(dòng)機(jī)、減速箱、 數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器和光電編碼器組成。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為輪椅運(yùn)行

30、提供動(dòng)力，數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，并通過(guò)光電編碼器 對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的反饋進(jìn)行不斷調(diào)整，它們共同組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，控制輪椅 完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。如圖所示為驅(qū)動(dòng)閉壞系統(tǒng)的示意圖。圖驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)的確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求：實(shí)現(xiàn)最大爬坡角30S爬坡速度s,并 根據(jù)電機(jī)負(fù)載力矩計(jì)算公式：=+ lu+ yj 口 (N m)(2. 1)其中：口口表示電機(jī)負(fù)載力矩；口表示輪椅和人的總質(zhì)量；口表示要求加速度;口表示車(chē)重(N); 口為145kg,則口為；口表示履帶與地面摩擦系數(shù)(取值在之 間)；表示爬坡角度，最大30。； 口C表示主動(dòng)輪半徑，取值為；口表示總傳動(dòng) 比，其中一級(jí)傳動(dòng)比7

31、/=30,二級(jí)傳場(chǎng)比亦;H表示傳動(dòng)效率，其中一級(jí)傳 動(dòng)效率1=,二級(jí)傳動(dòng)效率2=; 口表示電機(jī)個(gè)數(shù)，=2;另外，電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì) 算公式為L(zhǎng)J = 60(rp) (2. 2)其中：表示輪椅前進(jìn)速度，按水平地面；，爬坡S計(jì)算；口口表示主動(dòng)輪半徑； 口表示總傳動(dòng)比；最后根據(jù)公式可以計(jì)算岀電動(dòng)機(jī)所需功率電機(jī)功率計(jì)算公式 為：9.5,CP1.1 匚口九2匚戶 1.3EP14CP1.5CPljeE P1.7ERST (ftXO9 B OE： CrXD) P3.1 匚 1NTO) P3.2 匚 (INTl) F?匚 16 斗 E n)P3.sc (WR) 8$ 匚 CftD) F.EX7AJL2CXlAll EGNDEVCCPO. AJ) J POA AD)POADib IPo .3 AD3)3 POJe AD4)ro.a Aoa) 3P0AD6)FO. D7)EAjUPPALEjPROOPStMra.rn4)P2.5 A13) 3 P.4 12) HP3L3 W)ZlP22 Zo)P2 r* A2:PTTa Scurre Grcup 1(nC的KWMFl MOT(勉 0X3:住LWP nc: 0X3WMP LlKTlHWE MlWL 13KX0JU工：WV RO,11CV Dmr 212IrV FO ,IGrFHn御PI ,IOFfBUICV TCfC,is期