電動助力式爬樓輪椅設(shè)計【含CAD圖紙、說明書、開題報告】
畢業(yè)設(shè)計(論文)學(xué)生開題報告課題名稱電動助力式爬樓輪椅設(shè)計課題類型指導(dǎo)教師學(xué)生姓名學(xué) 號專業(yè)班級本課題的研究現(xiàn)狀、研究目的及意義1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀:國外對爬樓輪椅車產(chǎn)品較多是德國PERFEKTA公司的產(chǎn)品。其為履帶式傳動,采用12V-15Ah的蓄電池,12V/170W的直流電機(jī),自重42kg,可爬樓梯的最大坡度為35度。這種輪椅車除了可以單獨使用外,還可以作為普通輪椅的搬運工具,直接把輪椅放在上面上下樓梯,因此作為車站、機(jī)場等處移動輪椅乘客的專用工具比較方便。而且,熟練操作者能夠自行乘坐輪椅上下樓梯。在平地能自由移動,也可以折疊存放。這種輪椅的形式,采用的是履帶式,是利用履帶的附著力好,容易爬坡的優(yōu)點設(shè)計的。但是,由于履帶與樓梯接觸時,只是與樓梯的前棱接觸,又由于人們對美學(xué)的要求好多樓梯的前棱做成了弧形,即使是傳統(tǒng)的樓梯,如果經(jīng)過多年的磨損,前棱也會被磨禿,這樣一來,對于這種輪椅就很容易打滑,而且極不安全。為了解決打滑問題,美國又發(fā)明了一種新型輪椅iBOT3000獨立機(jī)動系統(tǒng)。從外表看上去,iBOT與普通輪椅不大一樣。它有6個輪子,前面一對為直徑10厘米的實心腳輪,后面兩對為直徑30厘米的充氣輪胎,并通過復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)來保持平衡,當(dāng)輪椅上分布的傳感器感受到重心變化時,它們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谧蜗旅娴目刂坪兄???刂坪欣镉袔讉€處理器和預(yù)先設(shè)計好的程序,這些程序會“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整,保持平衡。iBOT共有3種運動模式,一是正常模式,跟普通輪椅一樣,6輪同時著地;如果遇到崎嶇的路面、沙土地或斜坡,它就進(jìn)入四輪驅(qū)動狀態(tài),靠4個后輪行走;二是直立模式,只靠一對后輪接觸地面,很像中國武術(shù)中的“金雞獨立”,iBOT可以保持這種站立姿勢,也能“直立行走”;三是爬樓模式,兩對后輪交替爬到上一級(或下一級)臺階上。但其價格為29000美元,較為昂貴,鑒于我們國內(nèi)的消費水平,還無法普遍接受如此高昂的費用。國內(nèi)研究現(xiàn)狀:我國對此類裝置的研究雖然起步較晚,但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專利,然而投入實際使用的還很少。我國在上世紀(jì)80年代對輪組式爬樓輪椅裝置已有研究,1987年專利號為86210653的國家專利中介紹了一種平地、爬樓梯的多用輪椅,前滾輪和后滾輪都用多個星形輪組成,除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古名族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了iBOT的爬樓方式,采用星形輪系作為爬樓梯機(jī)構(gòu),設(shè)計了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動爬樓輪椅。改輪椅爬樓時需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐,使其能調(diào)整重心的位置,安全爬樓。東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院設(shè)計的爬樓輪椅采用了四組星形輪,每三個一組,共十二個輪子,除能爬樓梯外還具有遙控的功能。國內(nèi)研究的比較多的是手動爬樓梯的輪椅,清華大學(xué)精密儀器及機(jī)械學(xué)院系康復(fù)工程研究中心已經(jīng)取得了手動爬樓輪椅的專利,它是在普通輪椅上加設(shè)一套爬樓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng),既可以在平地上行駛,又可以僅憑借使用者雙臂的力量使輪椅上下樓梯。它結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉,符合我國國情,但是設(shè)計中仍存在一些問題,如輪椅在爬樓過程中的穩(wěn)定性、如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實現(xiàn)手動操作省力與省時的問題以及反向自鎖問題等,其研究也僅停留在理論水平的基礎(chǔ)上,并未投入實際應(yīng)用。2. 研究目的及意義隨著社會的發(fā)展以及人類文明的進(jìn)步,特別是城市的快速擴(kuò)張和建設(shè),以及人口老齡化問題越來越嚴(yán)重和殘障者數(shù)量的不斷增加,對輔助步行工具的需求日益提高。而高樓大廈鱗次櫛比,越來越多的天橋,公園的臺階,小區(qū)上下樓等,卻越來越困擾著輪椅使用者。輪椅作為殘障者的唯一出行工具,受到了越來越多的制約,傳統(tǒng)輪椅已經(jīng)不能滿足多數(shù)人的需求。而隨著科技的發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步,輪椅,應(yīng)該被加以改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)代社會的環(huán)境。 近十幾年來,國內(nèi)外的許多大學(xué).公司和研究機(jī)構(gòu)都對爬樓梯的裝置進(jìn)行了深入的研究,提出了各種各樣的產(chǎn)品或解決方案??傮w而言,根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同,通常采用三種結(jié)構(gòu)原理:一種是采用行星輪機(jī)構(gòu),他們不僅繞自身的軸旋轉(zhuǎn)還饒一個所有輪的共同軸線旋轉(zhuǎn);一種是履帶輪型爬梯輪椅;一種是步進(jìn)支撐式爬樓輪椅?,F(xiàn)如今,我國的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢,能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,考慮老年人及殘疾人對出行方便性的需求,研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大現(xiàn)實意義。本課題的研究內(nèi)容爬樓梯電動輪椅的爬樓實現(xiàn)機(jī)構(gòu)是本設(shè)計內(nèi)容的重點。設(shè)計合理可靠的爬樓機(jī)構(gòu)對于實現(xiàn)電動爬樓梯輪椅的功能和安全性至關(guān)重要。另外,在爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中,爬樓梯電動輪椅爬樓一般需要較大的扭矩,這是爬樓輪椅一般面臨的問題,所以需要確定適當(dāng)?shù)膫鲃酉到y(tǒng)來實現(xiàn)大傳動比“減速增扭”功能,但同時需要考慮輪椅本身空間結(jié)構(gòu)的限制,其中需要關(guān)注其傳動系統(tǒng)的設(shè)計,以達(dá)到其傳動功能的要求。最后,從使用者舒適程度出發(fā),應(yīng)該盡量減少上下樓梯過程中重心調(diào)整造成的波動,從發(fā)生傾翻危險的實際情況出發(fā)優(yōu)化重心調(diào)整方案。為了更好的完成這些設(shè)計任務(wù),本設(shè)計應(yīng)做到以下幾點:1.設(shè)計后應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能:(1)實用性好,應(yīng)能攀爬不同尺寸的臺階;(2)控制結(jié)構(gòu)盡量簡單,平地行駛與上下臺階兩種工作情況容易切換;(3)使乘坐者感到平穩(wěn)舒適,爬樓梯時應(yīng)使座椅保持在水平狀態(tài);(4)在保證安全的前提下,輪椅結(jié)構(gòu)要盡量簡單緊湊,造價要低。2.本設(shè)計需要解決的主要問題:(1)爬樓機(jī)構(gòu)的設(shè)計;(2)爬樓過程中重心如何調(diào)整分析;(3)電機(jī),蓄電池的選型;(4)電動輪椅的運動控制系統(tǒng)設(shè)計。本課題設(shè)計確定采用爬樓梯優(yōu)勢較強(qiáng)的輪式機(jī)構(gòu)。本論文采用的行星輪式爬樓梯輪椅的整體結(jié)構(gòu),行星輪結(jié)構(gòu)在前進(jìn)過程中通過中心軸驅(qū)動中心輪帶動行星輪從而帶動輪椅前迸,通過翻轉(zhuǎn)電機(jī)帶動行星架實現(xiàn)爬樓梯動作。其傳動機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。 圖1 行星輪系傳動機(jī)構(gòu)簡圖 爬樓輪椅在爬樓梯時,由于重心波動導(dǎo)致輪椅座椅是傾斜的,而這則會使乘坐者感到不舒服。所以為了消除這個弊端,本文設(shè)計了一種滑軌式的座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)。其中主要由圓弧形軌道和滾軸組成,軌道焊接在輪椅底部的支架上。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 滾道滑軌式座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)圖 本課題研究的實施方案、進(jìn)度安排1. 實施方案根據(jù)本課題的研究內(nèi)容,實施方案主要分為以下四個階段:(1)收集資料階段 主要查找信息包括目前國內(nèi)外電動爬樓梯輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀,各相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品專利。并找出其中幾種主流式爬樓機(jī)構(gòu),分析研究它們的機(jī)構(gòu)性能以及爬樓過程。在這個階段,我主要收集整理國內(nèi)外電動爬樓梯輪椅相關(guān)信息,從這些設(shè)計中提取靈感,并初步明確設(shè)計思路,定下設(shè)計方案。(2)分析研究階段 該階段主要包括三個方面的內(nèi)容:爬升機(jī)構(gòu)的設(shè)計,電機(jī)、蓄電池的選擇,座椅升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計。在此階段,主要對國內(nèi)外各種主流形式的爬樓機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能比較,選擇其中性價較高的爬樓機(jī)構(gòu)來進(jìn)行研究設(shè)計。在電機(jī)選擇上,主要分析比較了在戶外行駛條件下應(yīng)該使用交直流電機(jī)中的哪一種。使用交流電機(jī)就需要有一根電線來接電,那樣電線的長度就限制了輪椅的行駛距離,這樣非常不安全。所以最終選用了直流電機(jī),并在其上安裝蓄電池來供電。在座椅升降機(jī)構(gòu)方面,通過比較多種機(jī)構(gòu)后,最終選擇了滾道滑軌式座椅調(diào)平機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)主要通過滾軸軸端安裝的軸承在滑軌里滑動,調(diào)整行駛過程中的重心波動,從而實現(xiàn)座椅的調(diào)平。(3)設(shè)計階段 在這個階段,主要工作是對輪椅各個模塊上進(jìn)行設(shè)計計算,主要考慮到各個模塊的機(jī)械性能,運動性能等,并對傳動模塊進(jìn)行校核計算。確定輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的具體尺寸及裝配方法,繪制機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖、部分零件圖及電路控制圖。 (4)總結(jié)階段在畢業(yè)設(shè)計的最后,我們要梳理自己收集的信息,分析自己做的研究,完成論文的撰寫,繪制機(jī)械裝配圖和主要零部件圖,并進(jìn)行修改。2.進(jìn)度安排第1周-第4周 收集有關(guān)資料,寫出開題報告; 第5周 進(jìn)行爬樓梯輪椅的功能原理設(shè)計方案,通過方案對比確定最 佳方案;第6周-第7周 進(jìn)行受力分析及電機(jī)選取,并進(jìn)行英文文獻(xiàn)翻譯;第8周-第10周 進(jìn)行爬樓梯輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計,繪制裝配草圖、CAD二維裝配 圖和部分零件圖;第11周 進(jìn)行爬樓梯輪椅的虛擬裝配和運行仿真,并對輪椅的結(jié)構(gòu)進(jìn) 行優(yōu)化;第12周-第13周 撰寫論文,準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計答辯;第14周-第15周 答辯已查閱的主要參考文獻(xiàn)1田玉梅. 殘疾人和老年人的居住空間無障礙研究D.天津科技大學(xué),2003.2李日邦,王五一,譚見安,何洋,楊林生. 我國人口老齡化發(fā)展的階段、趨勢和區(qū)域差 異J. 地理研究,1999,(02):2-10. 3蘇和平,王人成. 爬樓梯輪椅的研究進(jìn)展J. 中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2005,(05): 366-367+401.4何清華,黃素平,黃志雄. 智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2003,(02):12-16.5房立新,魯濤,原魁. 行星輪式爬樓梯電動輪椅P. 北京:CN102125488A, 2011-07-20.6孟祥雨. 一種星輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計與研究D.長春工業(yè)大學(xué),2012.7項?;I,烏蘭木奇,張濟(jì)川. 手動爬樓梯輪椅J. 中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志, 1994,(02):62-66.8郭化超. 電動爬樓梯輪椅優(yōu)化設(shè)計與穩(wěn)定性研究D.長春工業(yè)大學(xué),2014.指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日
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