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摘 要
隨著我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能裝備制造業(yè)的興起，一些傳統(tǒng)的設(shè)備、工具等重新被設(shè)計(jì)改造，使其更加智能化、人性化、可操作性更強(qiáng)。輪椅人們?nèi)粘５纳钪袝r常見到，他主要的服務(wù)對象是老年人或者下肢有殘疾障礙的人士。在傳統(tǒng)輪椅的使用當(dāng)中，需要陪護(hù)使用人員，即在后方必須有一個人力單元將輪椅推行，而且面對障礙物如樓梯等場地時很多時候需要繞行或者抬起，以越過障礙物，這極大的造成了對患者的二次傷害。
本次設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)的輪椅使用情況為背景，根據(jù)這一現(xiàn)象設(shè)計(jì)一種可以爬樓梯的智能輪椅，其主要功能有使用陀螺儀的原理根據(jù)體感控制小車前進(jìn)或者后退拐彎等操作，輪椅集成上樓履帶，在需要上樓爬坡的時候，控制履帶上升，使履帶面著地，在履帶的強(qiáng)力摩擦下實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。
在本文首先對已有的輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路上進(jìn)行了深入分析，根據(jù)自我的觀點(diǎn)去設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)方面的方案，并對其進(jìn)行參數(shù)選型計(jì)算，然后通過三維建模的方法將設(shè)計(jì)給進(jìn)行圖紙化后進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最后以三維設(shè)計(jì)軟件來導(dǎo)出二維的工程圖紙，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)本身的最終目的。
關(guān)鍵詞：智能化輪椅 爬樓梯輪椅 三維設(shè)計(jì)
Abstract
With the rapid development of science and technology in China and the rise of intelligent equipment manufacturing industry, some traditional equipment and tools have been re designed and modified to make it more intelligent, humanized and more operable. Wheelchair people often see in their daily lives that their main service targets are elderly or disabled persons with disabilities in the lower extremities. In the use of the traditional wheelchair, it is necessary to accompany the use of the personnel, that is, in the rear, there must be a human unit to carry out the wheelchair, and in the face of obstacles such as staircase, many times need to bypass or lift, to cross the obstacle, which greatly causes the two injury to the patient.
This design aims at the background of the use of the traditional wheelchair. According to this phenomenon, design an intelligent wheelchair that can climb stairs. The main function of this design is to use the principle of gyroscope to control the forward or backward turning of the car according to the sense of body. The wheelchair is integrated up the caterpillar, and the caterpillar can be controlled when it needs to climb up the stairs. The rise of the track makes the crawler face to the ground and achieves the function of stair climbing under the strong friction of the track.
This paper first analyzes the structure design idea of the existing wheelchair, designs the structure scheme according to his own idea, and calculates the parameter selection of the wheelchair. Finally, the design drawings are designed and the design scheme is optimized by the way of three-dimensional modeling. Finally, the two dimension engineering drawings are derived through the three-dimensional design software to realize the final goal of the design. Low.
Key words: intelligent wheelchair stair climbing wheelchair 3D design
目 錄
引 言 1
第一章 緒 論 2
1.1課題研究的背景資料 2
1.2課題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析 2
1.2.1國外的發(fā)展現(xiàn)狀分析 2
1.2.2國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 3
1.3課題研究的目的及意義 4
1.4本章小結(jié) 4
第二章 設(shè)計(jì)方案 5
2.1設(shè)計(jì)要求 5
2.2設(shè)計(jì)方案 5
2.2.1方案介紹 5
2.2.2工作原理 6
2.2.3輪椅的整體模型 7
2.3本章小結(jié) 7
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和選型 8
3.1底盤行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.2履帶爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.3座椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.3.1電機(jī)的選用 11
3.3.2減速器的選用 12
3.4鏈傳動設(shè)計(jì) 13
3.5鏈輪傳動軸的設(shè)計(jì) 17
3.5.1傳動軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.5.2傳動軸的校核 18
3.5.3軸承的選用校核 19
3.6聯(lián)軸器的選擇 20
3.7本章小結(jié) 22
第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23
4.1 控制系統(tǒng)的概述及其特點(diǎn) 23
4.2 控制面板 23
4.3 履帶爬樓梯輪椅控制流程圖 24
4.4 本章小結(jié) 24
總 結(jié) 25
參考文獻(xiàn) 26
致 謝 27
引 言
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是為了讓我們能夠進(jìn)一步地深化學(xué)習(xí)與認(rèn)知機(jī)械的專業(yè)性知識，并且能提升學(xué)生自我在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的綜合性能力的一種檢驗(yàn)方法。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)它所包含的范圍是機(jī)器上的學(xué)習(xí)知識的綜合性運(yùn)用和在電機(jī)方面的參考性知識。在這種學(xué)習(xí)的方法和設(shè)計(jì)的思考過程中和在提取了學(xué)長學(xué)姐們的研究的基礎(chǔ)上，我進(jìn)一步地推進(jìn)了此次的研究過程。而且將許許多多的重要零件，通過自身的初步理解，研究和檢閱各種刊物和書籍來進(jìn)入設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中把自己平時的知識創(chuàng)新和理論性基礎(chǔ)知識相互結(jié)合緣故，對這次的設(shè)計(jì)上有了非常大的幫助的同時也讓我自己深化了機(jī)械方面的認(rèn)識。不僅如此，在我們組老師的幫助下，探索了國內(nèi)外機(jī)械方面的很多相關(guān)知識和資料，而且同小組成員一起深入研究與檢查設(shè)計(jì)過程中的種種問題后，學(xué)到了很多的相關(guān)知識。雖然過程很艱難，但通過這一過程，也讓自己對我今后在機(jī)械領(lǐng)域的學(xué)習(xí)與工作上有了更加堅(jiān)定的基礎(chǔ)。而且在這次設(shè)計(jì)上重溫了大學(xué)四年里所學(xué)過的機(jī)械原理以及機(jī)械設(shè)計(jì)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等教材，對機(jī)械領(lǐng)域的學(xué)習(xí)做了一次完美的收工。并且通過重溫，自身對于我們國家的工業(yè)生產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)等多領(lǐng)域的了解有了很大的自我突破。在研究這次輪椅方面的設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)到，隨著我們社會的的進(jìn)步，在人們意識不斷提高的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)輪椅是年邁者和體弱多病者以及下肢殘疾者們不可或缺的代替步行的重要工具，隨著社會上對此關(guān)注增多，導(dǎo)致無障礙道路設(shè)施增多的同時輪椅使用者的活動能力領(lǐng)域也自然的日漸加大增多，可是樓梯的存在使得輪椅受到了非常嚴(yán)重的局限性，因此開發(fā)一個價錢合理、簡單好操作的能夠爬樓梯的輪椅將面臨嚴(yán)峻的未來，所以設(shè)計(jì)并開發(fā)出一臺這樣的輪椅，它的意義是非常重要的。
2
第一章 緒 論
1.1課題研究的背景資料
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程逐步推進(jìn)，加上現(xiàn)今的棚戶區(qū)改造項(xiàng)目，平房換樓房，農(nóng)民住新樓的政策逐步實(shí)施，我國樓房的使用率將繼續(xù)逐步擴(kuò)大，樓房不僅可以節(jié)約土地使用空間，縮小了人們生活的居住區(qū)面積，在有限的土地使用面積上居住更多的居民。但是樓房由于居住空間的影響其不可避免的對人們的生活帶來了一定的影響，比如老年人和殘疾人因其特殊性，在爬樓上樓的過程中十分的麻煩，因此制約了老年人和殘疾人對外交流的便利性，使他們更少的參與戶外的活動與交流，所以說樓房在節(jié)約空間的同時也有其一定的弊端。尤其在老舊的居民區(qū)內(nèi)，沒有設(shè)置垂直升降樓梯，一些行動不便的老年人和殘疾人幾乎和外界隔絕，其上下樓梯的便利性使人們急需解決的問題。但反觀過來，自從樓梯被我們?nèi)祟惿鐣l(fā)明并創(chuàng)造出來之后，給我們?nèi)祟惿鐣慕ㄖW(xué)術(shù)領(lǐng)域上取得了一次非常傲人的成績。因?yàn)椋瑯翘莸某霈F(xiàn)不僅減小了房子本身的相對性建筑面積，而且最大化的利用了我們?nèi)祟愑邢薜陌l(fā)展空間與資源，也為出入那些高樓層的建筑提供了非常方便使用的通道。我們都知道輪椅是對于那些年紀(jì)比較大的老年群眾和從小因各種疾病導(dǎo)致體弱多病的人群以及天生性或后天由于突如其來的意外導(dǎo)致下肢殘疾的人群們不可或缺的代替步行的重要行走工具。而且在使用時往往需要醫(yī)護(hù)人員或者家屬陪同，以推行的方式使老年人和殘疾人外出的方式，大大的制約的老年人和殘疾人的出行自由和便利性，同時也使社會的醫(yī)療、護(hù)理、社會服務(wù)等方面的需求壓力繼續(xù)增大，總成資源的浪費(fèi)與人力、物力、資金的無限輸出。如果說一種簡單的高效的自動運(yùn)行的具有爬樓梯功能的輪椅的出現(xiàn)可以完全改變著一種現(xiàn)象的發(fā)生，老年人或者殘疾人坐在輪椅上就可以依靠身體軀干的前驅(qū)與后仰控制輪椅的前進(jìn)后退，依靠身體軀干的左傾與右傾實(shí)現(xiàn)對應(yīng)方向的轉(zhuǎn)彎，并且具有爬樓梯的功能，這樣就可以完全依靠老年人和殘疾人自主行走。
1.2課題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析
1.2.1國外的發(fā)展現(xiàn)狀分析
我們都知道隨著科技的進(jìn)步這類技術(shù)逐漸被運(yùn)用在民用設(shè)施當(dāng)中，履帶式爬樓梯的裝置就跟我們熟知的坦克裝甲車中的履帶是差不多的，它們之間的原理既簡單又相似而且技術(shù)也很算很成熟。由國外一家公司研究并開發(fā)出的，其底部是利用了履帶傳動裝置，而且最大爬樓的坡度約為34.5度左右，上樓梯和下樓梯的速度是每分鐘平均約為17到18個臺階。不僅如此，如果遇到樓梯這樣的特別路段時，使用者可以通過一定熟練的操作來把兩側(cè)的橡膠型履帶慢慢地放到地面上，緊接著把這4個輪胎收回去就能依靠著履帶不需要別人的幫助也能夠自動地完成爬樓梯這項(xiàng)操作。在這些的基礎(chǔ)上，通過了解我還發(fā)現(xiàn)，日本公司也研發(fā)了一種類似的爬樓輪椅，其結(jié)構(gòu)更加簡單，性能更加高效，有效的保證爬樓梯時的重心，在上樓的過程中更加平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了上樓爬樓的穩(wěn)定性能。
其實(shí)像很早以前的那種爬樓梯輪椅，它基本上采用的都是步行狀態(tài)，并且它的執(zhí)行的機(jī)構(gòu)裝置是由鉸鏈桿件裝置機(jī)構(gòu)來完成的。所以一般在上樓梯的時候，首先要把輪椅抬高一定角度之后，方可進(jìn)行水平方向的移動，這種反復(fù)式的過程雖然可以爬完一段樓層，但是步行式的爬樓梯裝置還是給人帶來了一定的負(fù)擔(dān)，整體效果不佳。
圖1-1國外爬樓梯輪椅
1.2.2國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r
對于我們國家而言，在對此種裝置的接觸與研究的起步算是較晚的，但是最近這些年來，我們國家也陸陸續(xù)續(xù)地涌現(xiàn)了許多相關(guān)方面的專利和設(shè)計(jì)，而且也是在國內(nèi)掀起了一場技術(shù)上的改革和進(jìn)步的熱潮，可是在真正投入和實(shí)際使用方面來講還是占極少數(shù)的。
在上世紀(jì)的年代，我們國家就已經(jīng)對此研究過相應(yīng)的結(jié)果，當(dāng)時也介紹了一種既能夠在平面地區(qū)上使用又可以在上樓梯時可使用的多用輪椅，并且它的前，后滾輪都是用好幾個星形輪來組成的。但是，當(dāng)年也是在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)仍然存在著一些細(xì)節(jié)上的問題，簡單舉個例子來說，比如其在爬樓梯整個過程中的穩(wěn)定性不佳，所以沒有能夠投入到實(shí)際相關(guān)的使用中。
1.3課題研究的目的及意義
世界老齡化已經(jīng)成為一種普遍的現(xiàn)象，一些老年人和殘疾人的數(shù)量節(jié)節(jié)攀升，不僅增大了社會服務(wù)的投入，增加了社會的負(fù)擔(dān)，而且其特殊性也大大的降低了他們的生活需求，為了增肌其生活的多樣性，可以隨時隨地與外界溝通，隨時根據(jù)自己的意愿進(jìn)行適當(dāng)?shù)某鲂校瑘?jiān)強(qiáng)社會服務(wù)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，有必要設(shè)計(jì)一種高性能的只能爬樓輪椅。隨著老齡化的加重，其市場發(fā)展?jié)摿σ簿薮?，可以爬樓的電動輪椅具有廣闊的市場前傾，其不僅可以滿足殘疾人和老年人多的需求，而且可以減少對家庭帶來的負(fù)擔(dān)，所以說智能爬樓梯點(diǎn)動輪椅具有很高的使用價格和研究的必要性，其光擴(kuò)的市場前景必定會帶領(lǐng)其更好的發(fā)展。其中履帶式爬樓梯電動輪椅，它具有特別強(qiáng)的適應(yīng)性能，擁有非常好的靈活性，而且活動領(lǐng)域廣泛，使用起來方便上手操作、價錢合理，所以在我們國家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時，這群特殊人群對這類輪椅的需求也將一步一步逐年地增加，這樣將會形成在市場上不同凡響的發(fā)展?jié)摿?，最終這類輪椅也將會具有更加廣闊的發(fā)展空間和美好的發(fā)展前景。
1.4本章小結(jié)
在進(jìn)行這次的設(shè)計(jì)之前，首先對前人們對此的研究來進(jìn)一步分析，從而大致了解本次履帶式爬樓梯電動輪椅的根本性意義，然后再次結(jié)合了國外和國內(nèi)的研究經(jīng)過和成果，簡單地?cái)⑹隽嗽O(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，為后續(xù)的分析提供基礎(chǔ)。
34
第二章 設(shè)計(jì)方案
2.1設(shè)計(jì)要求
本次設(shè)計(jì)著重針對老年人和殘疾人因在爬樓上樓的過程中遇到的問題為基礎(chǔ)使用，設(shè)計(jì)出一個體積合適，操作簡易，而且可以實(shí)現(xiàn)爬樓梯功能輪椅是有效提高老年人和殘疾人們的生活質(zhì)量，從而進(jìn)一步提供了他們與對外交流的便利性。
設(shè)計(jì)一個履帶式爬樓梯電動輪椅需要做到以下幾點(diǎn)：
（1） 合理的整體三維設(shè)計(jì)方案；
（2） 設(shè)計(jì)計(jì)算分析；
（3） 整體運(yùn)行安全，實(shí)用性強(qiáng)，性價比高。
2.2設(shè)計(jì)方案
履帶式機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅，其應(yīng)用比算較多一點(diǎn)，這類輪椅是采用了連續(xù)不斷的行走形式，因此傳動的效率相比之下會高得多。而且在上樓梯和下樓梯的過程中，它所謂的重心一直都是沿著樓梯臺階沿中的連線相互平行的直線性運(yùn)動，具有非常平穩(wěn)的運(yùn)動，彌補(bǔ)了輪式爬樓梯輪椅自身所存在的一些缺點(diǎn)，提升了輪椅的整體使用性能。終上所述，我們就可以非常明顯地得出履帶爬樓梯輪椅機(jī)構(gòu)比其他形式的輪椅機(jī)構(gòu)更加具有優(yōu)越性的這一結(jié)論，因此在本次的設(shè)計(jì)中采用了履帶這一優(yōu)異的特性，進(jìn)行了詳細(xì)的分析與理解。
2.2.1方案介紹
本次的設(shè)計(jì)方案是采用平地路面和上樓驅(qū)動單元分離的形式，即在平地時由車輪附著底面，實(shí)現(xiàn)輪椅的前后運(yùn)動，采用體感控制的驅(qū)動形式，方便上肢殘疾的患者操作。在爬樓時，放下履帶，使履帶與樓梯接觸，在傳動力的作用下，實(shí)現(xiàn)爬樓的過程。且該裝置控制轉(zhuǎn)彎的原理是通過兩個輪對應(yīng)的速度的不同差異來實(shí)現(xiàn)自身轉(zhuǎn)彎的相應(yīng)動作，提升了輪椅整體的使用靈活功能和操作者對該輪椅的方便入手。
2.2.2工作原理
圖2-1 方案結(jié)構(gòu)圖
由上圖可知，履帶爬樓輪椅的履帶及后輪都是單獨(dú)電機(jī)提供動力的，這樣大大提高了履帶爬樓輪椅的的靈活性。首先病人坐在座椅7上，雙腳放在腳踏板9上，然后根據(jù)需要操縱控制桿8，正常平路行駛時只需要開啟后輪11電機(jī)，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)輪椅的前后運(yùn)動，拐彎的時候可以關(guān)閉左邊或者右邊的后輪，一個輪子運(yùn)動實(shí)現(xiàn)輪椅的拐彎靈活性。
然后是履帶爬樓輪椅的爬樓梯功能，在病人需要到輪椅進(jìn)行爬樓梯時，首先到達(dá)樓梯底下時，關(guān)閉后輪電機(jī)通過控制桿根據(jù)樓梯的角度調(diào)節(jié)液壓缸的行程，帶動履帶整體擺動到一個適合的角度（在上樓梯時人坐直基本與地平面垂直狀態(tài)），然后打開履帶輪的電機(jī)，電機(jī)通過鏈傳動帶動傳動軸，進(jìn)而帶動履帶輪，采用履帶提供動力進(jìn)行輪椅的爬樓梯工作。輪椅到達(dá)樓梯上地表面后，關(guān)閉履帶輪電機(jī)，調(diào)節(jié)液壓缸行程回到最初狀態(tài)，繼續(xù)向前行駛。這樣就完成了履帶爬樓輪椅的爬樓梯工作了。
2.2.3輪椅的整體模型
圖2-2 履帶式爬樓梯輪椅的整體三維模型
2.3本章小結(jié)
先對履帶的應(yīng)用方面，即應(yīng)用在消防，軍隊(duì)，安檢，巡查，防爆以及救援等領(lǐng)域上進(jìn)行了相對的查閱，并在本章根據(jù)履帶式爬樓梯電動輪椅的實(shí)際應(yīng)用來自我制定了兩套方案對其的選擇對比性分析，并對其原理簡要地說明。
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和選型
3.1底盤行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括是行走電機(jī)、車輪、行走傳動機(jī)構(gòu)、腳踏、輔助機(jī)構(gòu)等。其主要結(jié)構(gòu)方式是無刷直流電機(jī)帶動減速機(jī)進(jìn)行減速、分別帶動兩個車輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其中車輪采取兩輪的結(jié)構(gòu)形式，左右各一個輪，運(yùn)用陀螺儀技術(shù)進(jìn)行前進(jìn)后退的控制。
3.2履帶爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
履帶爬樓結(jié)構(gòu)單元主要的結(jié)構(gòu)是通過行走電機(jī)鏈接減速機(jī)通過鏈輪傳送至履帶傳動軸，實(shí)現(xiàn)履帶的轉(zhuǎn)動。采用調(diào)節(jié)液壓缸的行程，控制履帶的角度，實(shí)現(xiàn)輪椅的爬樓梯功能。下圖以最為普遍的樓梯斜度（30°）對輪椅爬樓梯的狀態(tài)進(jìn)行分析。
1. 爬樓梯前的履帶及液壓缸的狀態(tài)如下圖所示：
分別為1-履帶 2-液壓缸 3-液壓缸鏈接耳 4-座椅底板
圖3-1 輪椅爬樓梯前的履帶及液壓缸的狀態(tài)
由上圖可知，在輪椅未進(jìn)行爬樓梯前，履帶與地面及輪椅底板為平行狀態(tài)，液壓缸軸線與輪椅底板的角度為，根據(jù)液壓缸的安裝位置得到。
2. 爬樓梯時的履帶及液壓缸的狀態(tài)如下圖所示：
分別為1-履帶 2-液壓缸 3-液壓缸鏈接耳 4-座椅底板
圖3-2 輪椅爬樓梯時的履帶及液壓缸的狀態(tài)及受力分析
由上圖可知，在輪椅未進(jìn)行爬樓梯前，履帶與樓梯斜面為平行狀態(tài)，而要保證病人的平穩(wěn)上樓梯，輪椅的底座應(yīng)與地面繼續(xù)保持平行狀態(tài)，這時得到上圖所示，液壓缸軸線與輪椅底板的角度為。由于實(shí)際生活中會存在少數(shù)超過斜度樓梯，所以設(shè)計(jì)時設(shè)定的略大，設(shè)定為。
得到爬樓梯時，液壓缸的受力為：
上式中：G為輪椅的重力與人體的重力之和，輪椅自重，載重（設(shè)定最重），得到；為液壓缸軸系與輪椅底座的角度，。
代入公式得到：
需要液壓缸的最小行程：
上式中：L為輪椅爬樓梯時氣缸的長度，單位為mm；為輪椅正常行駛時氣缸的長度，=275mm。
根據(jù)輪椅兩種狀態(tài)的角度計(jì)算L：
得到：
取整168mm。
則由以上計(jì)算得到的參，得到液壓缸的負(fù)載為2333N，行程選擇180mm。履帶及液壓缸的三維模型如下圖所示：
圖3-3 履帶的三維模型圖
圖3-4 液壓缸的三維模型圖
3.3座椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3.1電機(jī)的選用
在本設(shè)計(jì)中，鏈傳動組件將前后兩個外輪組件和兩個內(nèi)輪組件連接起來，相當(dāng)于四個履帶由兩個相同的行走電動機(jī)兩兩驅(qū)動，也就是說一個行走電機(jī)驅(qū)動一側(cè)的履帶行走。
行走電機(jī)所需的功率計(jì)算：
式中：為安全系數(shù)，考慮超載或功耗波動等影響，取1.5；
為傳動裝置的總傳動效率；
為行走電機(jī)的功率。
則智能爬樓輪椅行進(jìn)所需功率：
式中：為只當(dāng)單個行走的電機(jī)作用在單側(cè)履帶式機(jī)器人的牽引力，；
為整個履帶式機(jī)器人的行走速度，。
假設(shè)履帶與地面之間的滾動摩擦系數(shù)，已知履帶機(jī)器人自身重量為，且兩個行走電機(jī)作用于履帶機(jī)器人上的牽引力與摩擦力相等，則計(jì)算
可以從設(shè)計(jì)的參數(shù)了解到，整臺履帶機(jī)器人的行走的速度是，取最大值為計(jì)算得出
我們選定行走電機(jī)的品牌為瑞士直流無刷電機(jī)，型號為，其工作額定功率為，額定轉(zhuǎn)速為,行走電機(jī)的具體參數(shù)見圖3-5；
圖3-5 行走電機(jī)詳細(xì)參數(shù)
由設(shè)計(jì)三維圖可知內(nèi)輪的直徑為，且設(shè)計(jì)要求整個履帶機(jī)器人的行進(jìn)速度為，所以履帶行走的最大轉(zhuǎn)速
3.3.2減速器的選用
已知選定的行走電機(jī)型號為，其工作為，為,且履帶的轉(zhuǎn)速為，如果我們直接通過減速器減速則減速器總傳動比為。經(jīng)計(jì)算的其減速比較大，如果單純用減速機(jī)進(jìn)行減速，其需要多級變速，體積龐大，因此可以外加減速機(jī)構(gòu)的形式或者套用多個減速機(jī)或使用減速電機(jī)集成減速的形式，因此為了使其結(jié)構(gòu)更加簡單高效，采用自帶減速電機(jī)的形式。
圖3-6 行走電機(jī)減速器詳細(xì)參數(shù)
我們這里選擇配套的減速器為行星輪減速器，型號為，我們已知行走電機(jī)的輸出軸直徑為，小于減速器最大允許電機(jī)軸徑，滿足要求，并根據(jù)總傳動比，我們選擇減速器的編號為，減速比為，精確減速比為。
齒輪減速機(jī)安裝在電機(jī)與鏈傳動的中間，起到降低轉(zhuǎn)速提高扭矩的作用，以滿足輪椅在爬樓過程中大扭矩的輸出的需求。減速機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式，按照傳動凡事分為齒輪副的結(jié)構(gòu)形式、蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)形式、星型減速的結(jié)構(gòu)形式，其主要的原理是齒數(shù)的嚙合組合成不同的轉(zhuǎn)速需求。通過對減速級數(shù)可分性分為單級地和多級的變速形式，一般情況下單級的變速范圍則是，單級變速的結(jié)構(gòu)形式有其優(yōu)點(diǎn)，傳動比較穩(wěn)定，而且壽命比較長后期維護(hù)簡單，可以減少后期維護(hù)維修的費(fèi)用，所以本次選擇單級的直齒的傳動減速形式作為選擇減速機(jī)的依據(jù)。
3.4鏈傳動設(shè)計(jì)
鏈傳動作為集中傳動機(jī)構(gòu)中比較常用的結(jié)構(gòu)形式具有其特有的優(yōu)勢，其傳動負(fù)載較大，在后期維護(hù)中可以對其進(jìn)行單個的拆除更換，降低后期維護(hù)成本，其在更換時不用拆卸其它的傳動機(jī)構(gòu)，可以降低維護(hù)成本和維修時間，在此期間對比同步帶的傳動形式，雖然同步帶的傳動形式更加平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速也比較大，但其使用壽命不如鏈輪傳動的結(jié)構(gòu)形式，在后期損壞后需要將同步輪等傳動機(jī)構(gòu)拆除然后更換，其維護(hù)維修成本較高，不適合此類設(shè)計(jì)工況的需求，加之本次點(diǎn)動爬樓輪椅的要求時速不高，故選擇性能相對較為穩(wěn)定，后期更換維修成本將對較低的鏈傳動機(jī)構(gòu)作為本次爬樓輪椅的傳動單元。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求已知鏈傳動的基本參數(shù)：鏈輪的轉(zhuǎn)速；傳動比i=1；主動鏈輪孔徑.。
下列計(jì)算均以，《機(jī)械設(shè)計(jì)》中鏈輪的計(jì)算過程進(jìn)行計(jì)算：
1. 選擇鏈輪的齒數(shù)
取主動鏈輪的齒數(shù)，則從動鏈輪的齒數(shù)為
2. 確定計(jì)算功率
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表可知，工況系數(shù)；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖9-13可知，主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)；單鏈排，則計(jì)算功率為
3. 選擇鏈條型號和節(jié)距
根據(jù)，；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖9-11可知，選擇鏈號為；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表9-1可知，鏈條節(jié)距為。
4. 計(jì)算鏈節(jié)數(shù)和中心距
初選中心距，?。?
鏈長節(jié)數(shù)，取；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表9-8可知，中心距計(jì)算系數(shù)，
則鏈傳動的最大中心距。
5. 計(jì)算鏈速和確定潤滑方式
由鏈速和鏈號，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖9-14可知，要采用定期人工潤滑。
6. 計(jì)算壓軸力
有效圓周力：；
鏈輪水平布置時壓軸力系數(shù)；
則壓軸力。
7.鏈輪的幾何尺寸，根據(jù)以上計(jì)算及機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得到，滾子直徑：，，則由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表9-3公式得
（1）分度圓直徑：
代入公式得到：
（2）齒頂圓
鏈輪齒頂圓：
取整：40mm。
（3）齒根圓直徑：
取：136.5mm。
（4）節(jié)距多變形以上的齒高：
16.輪轂厚度h：
式中，為孔的直徑，單位為mm。
當(dāng)時，為；當(dāng)，為；
當(dāng)，為；當(dāng)時，為。
根據(jù)上述數(shù)據(jù)
取整：14mm
17.輪轂長度：
取整：46mm。
18.輪轂直徑：
19.齒寬：
根據(jù)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)及以上的計(jì)算得到鏈輪的基本參數(shù)；
鏈輪的三維模型圖如下所示：
圖3-5鏈輪的三維模型圖
3.5鏈輪傳動軸的設(shè)計(jì)
3.5.1傳動軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)安裝傳動的要求，鏈輪傳動軸結(jié)構(gòu)為階梯軸結(jié)構(gòu)，如下圖3-4所示：
圖3-7 鏈輪傳動軸結(jié)構(gòu)視圖
1.選擇軸的材料
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得，，。
2.初步確定軸的最小直徑。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》按照軸的設(shè)計(jì)步驟，首先我們要確定軸的最小直徑，由軸的材料選用：45鋼，根據(jù)強(qiáng)度要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，取，得到：
3.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由軸的結(jié)構(gòu)安裝及最小軸徑要去，對階梯軸的各段尺寸進(jìn)行確定，得到軸的各段尺寸如下所示：
第一段：由最小軸徑及安裝履帶板相關(guān)尺寸確定，取，
第二段：安裝履帶輪相關(guān)尺寸確定：，
第三段：安裝軸承相關(guān)尺寸確定取 ：，
第四段：為了滿足軸承的軸向定位需在其左側(cè)制一軸肩及安裝鏈輪取：，
第五段：為了滿足鏈輪的軸向定位需在其左側(cè)制一軸肩，取，
第六段：安裝軸承相關(guān)尺寸確定取 ：，
第七段：安裝履帶輪相關(guān)尺寸確定：，
第八段：由最小軸徑及安裝履帶板相關(guān)尺寸確定，取，
3.5.2傳動軸的校核
（1）根據(jù)爬樓梯輪椅的基本參數(shù)及《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，選取每級帶輪傳動的效率為：=0.97，求輸出軸上的功率p，轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T，得到：
； ；
由
（2）求作用在帶輪上的力
圓周力：
徑向力 ：
軸向力 ：
（3）求軸上載荷
在確定軸上的載荷時，我們需要確定軸在安裝工作時的位置支承點(diǎn)，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中對比查找得到6304型滾子軸承，確定值為：。
根據(jù)以上計(jì)算得到的數(shù)據(jù)表明，截面3-4為軸在工作中的危險截面。以下是截面2-3處的、及的值。
鏈輪傳動軸的受力分布為：
支反力在水平面上，和；
支反力在垂直面上，和；
彎矩在水平面上，和；
彎矩在垂直面上，和；
總彎矩在水平面上，；
總彎矩在垂直面上，。
（4）按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)軸在設(shè)備正常工作時受力分析，對軸的校核，只要對軸的危險截面進(jìn)行分析校核即可，也就是軸的最大受力截面及最大彎矩、扭矩的點(diǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取，得到軸的應(yīng)力：
根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益的出發(fā)，初選軸的材料為45鋼，需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，由表查得，許用應(yīng)力：，因此<，故安全。
3.5.3軸承的選用校核
1.滾動軸承的概述
在市場上軸承的類型有很多，其中按摩擦性質(zhì)來進(jìn)行分類可分為：滑動軸承與滾動軸承兩大類。
滾動軸承的結(jié)構(gòu)主要包括：內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等。兩種不同類型的軸承都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)：
（1）滾動軸承與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小、啟動靈活、效率高、潤滑簡便、易于互換且可以通過預(yù)緊提高軸承的剛度和旋轉(zhuǎn)精度等優(yōu)點(diǎn)；
（2）缺點(diǎn)是抗沖擊能力較差、高速時有噪聲、徑向尺寸較大、工作壽命也不及液體摩擦的滑動軸承[13]。
2.軸承的壽命計(jì)算
根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，軸承預(yù)計(jì)工作時間為=10000h
（1） 初選軸承的型號為：6304
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查表15.5可知：內(nèi)徑d=18mm，外徑D=25mm，寬度10mm。基本額定動載荷=15800N，基本靜載荷=7880N，極限轉(zhuǎn)速13000~17000r/min。
（2） 軸承的壽命計(jì)算
軸承壽命指數(shù)ε=3，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表13-4和13-5，取=1，=1.2
由額定壽命計(jì)算公式：
12565292h>100000h
由以上計(jì)算知，預(yù)期壽命滿足設(shè)計(jì)要求。
3.6聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的主要作用是鏈接兩周進(jìn)行傳動能量的傳遞，其還能間接的補(bǔ)償兩軸之間的不同心的現(xiàn)行，具有一定的糾正能力，但在兩周不同心較為嚴(yán)重的情況下會發(fā)出滋滋的聲響，所以說其糾正的能力有限，但其減震，緩沖，降低尖峰載荷的功能是其優(yōu)點(diǎn)，同時聯(lián)軸器有時也兼有過載安全保護(hù)作用。
無刷直流電機(jī)聯(lián)軸器，主要鏈接電機(jī)軸和輸出車輪軸之間的鏈接紐帶，其具有高效，較為精密的傳動特點(diǎn)。對此在鏈接此類電機(jī)時應(yīng)滿足一下幾個要求：
1.零間隙：聯(lián)軸器和電機(jī)軸還有輸出軸的鏈接的過程中需要精密配合不允許有間隙的存在；
2.高剛性：聯(lián)軸器的傳動時效性較高，不允許電機(jī)與輸出軸之間有傳動時差，降低電機(jī)的傳動性能；
3.低慣量：在與此類電機(jī)鏈接傳動的時候，由于此類電機(jī)扭矩不是很大，在很多情況下負(fù)載的質(zhì)量決定了電機(jī)的傳動精度與正常運(yùn)用；
4.柔性好：在電機(jī)與輸出軸的鏈接中不可避免的有微小的裝配誤差與制造誤差，在滿足剛性需求的同時聯(lián)軸器要求糾正其微小誤差的能力。
連軸器在機(jī)械設(shè)備中運(yùn)用較為廣泛，其可以有效的鏈接動力輸出單元和傳動單元，是兩者之間的傳輸紐帶，其分類按照結(jié)構(gòu)的不同主要可以分為以下幾種：
1. 梅花聯(lián)軸器
圖3-8 梅花聯(lián)軸器
（1）梅花聯(lián)軸器一般為鋁制材料，有效的降低了動力單元的額傳動負(fù)載。
（2）梅花連軸器主要分為三部分，一部分是鋁制連接塊與輸出軸和動力單元進(jìn)行配合鏈接，在與動力輸出單元和傳動單元鏈接的時候采用螺栓張緊的結(jié)構(gòu)方式，安裝簡單高效，確保配合無間隙。
（3）中間采用聚氨酯的材料，有效的保證了電氣絕緣性能。
（4）使用溫度-20℃～60℃之間。
2.膜片聯(lián)軸器
圖3-9 膜片聯(lián)軸器
（1）膜片聯(lián)軸器的材料是鋁制的，所以能夠有效的降低動力單元的額傳動負(fù)載。
（2）膜片聯(lián)軸器主要分為三部分，一部分是鋁制連接塊與輸出軸和動力單元進(jìn)行配合鏈接，兩者之間通過膜片鏈接，較梅花連軸器具有更高的剛性。
（3）膜片聯(lián)軸器具有比較好的隔熱能力。
（4）軸孔形式分夾緊式以及脹套式兩種，其中加緊式在與動力輸出單元和傳動單元鏈接的時候采用螺栓張緊的結(jié)構(gòu)方式，安裝簡單高效，確保配合無間隙，脹套式的結(jié)構(gòu)形式可以承載較大轉(zhuǎn)動力矩，一般用于速度較高的主軸的鏈接。
3.彈性聯(lián)軸器
圖3-10 彈性聯(lián)軸器
（1）彈性聯(lián)軸器其結(jié)構(gòu)形式采用一體的構(gòu)造方式，通過切割或者電加工多條間隙具有一定的柔性。
（2）在低轉(zhuǎn)速的情況下可以適應(yīng)動力輸出軸和傳動軸之間較高的偏差。
（3）高扭矩剛性和卓越靈敏度。
（4）其采用左右對稱的結(jié)構(gòu)形式，其傳動方向不受限制，順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)的影響較小。
（5）一般為不銹鋼作為材料可以滿足酸性環(huán)境、堿性環(huán)境和較為惡劣的環(huán)境中使用。
根據(jù)無刷直流電機(jī)聯(lián)軸器選用技巧，選擇價格較為便宜梅花聯(lián)軸器，完全滿足設(shè)計(jì)的需求。其兩端軸徑為一段鏈接步進(jìn)電機(jī)軸徑一段鏈接光軸直徑。
根據(jù)以上的分析，我最終選擇價格方面比較廉價的梅花型聯(lián)軸器，并且根據(jù)扭矩，轉(zhuǎn)速和被連接的軸徑等等各項(xiàng)參數(shù)來選擇聯(lián)軸器。
式中：為所傳遞的扭矩的計(jì)算值；
為按計(jì)算的傳動軸的；
為聯(lián)軸器許用扭矩；
為聯(lián)軸器重要程度系數(shù)，對，取；
為角度偏差系數(shù)在此取1.75。
根據(jù)以上計(jì)算選用LC-AN-015DA梅花聯(lián)軸器，聯(lián)軸器允許最大扭矩為32，因?yàn)楣蕽M足使用要求。
3.7本章小結(jié)
在本章中充分地分析了履帶式爬樓梯電動輪椅的各部分機(jī)構(gòu)的組成，工作原理以及其相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。對履帶式爬樓梯電動輪椅的充分計(jì)算中，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性和穩(wěn)定性。
第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 控制系統(tǒng)的概述及其特點(diǎn)
設(shè)計(jì)履帶輪式輪椅所需功能是可以啟動停止、前進(jìn)后退、可控制方向可調(diào)速。
根據(jù)所需功能選用的是型號為EM-101-BI MOTOR的電機(jī)控制器。
圖4-1 EM-101-BI MOTOR 電機(jī)控制器
該種驅(qū)動器采用抗干擾設(shè)計(jì)，同時也降低了驅(qū)動器對外部電子設(shè)備的干擾，
在外部信號控制方面能適用于自動控制的接口控制方式，可以用模擬量和開關(guān)量
控制驅(qū)動 器的功能。并具有智能邏輯功能，可以自動判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速及電流值然
后決定于換向的時間，也可以在配接能耗制動電阻后實(shí)現(xiàn)停機(jī)制動和快速換向制
動。此種方式與常規(guī)換向方式相比:具有換向可靠、噪音小、干擾小、壽命長、
無弧光等特點(diǎn)。并且外部控制信號采用電流傳輸，增加了抗干擾能力和可靠性。
體積小、性價比高，并得以廣泛的應(yīng)用。
應(yīng)用范圍：適用于小功率直流電機(jī)普通換相功能的控制要求。
調(diào)速類型：用電位器調(diào)節(jié)電阻來改變電壓以此實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。
4.2 控制面板
圖4-2 操縱桿的三維模型圖
如圖所示，使用操縱搖桿可控制平地上和爬樓梯過程中的前后左右的移動，其按鈕來控制平地模式和爬樓梯模式的互相轉(zhuǎn)換功能。
4.3 履帶爬樓梯輪椅控制流程圖
根據(jù)履帶爬樓輪椅的的實(shí)際工作情況，履帶爬樓輪椅需要再不同的路況及方向進(jìn)行行走，所以在履帶爬樓輪椅的行徑過程中需要到各種動作的切換，實(shí)現(xiàn)其爬樓梯拐彎及正常行駛的功能，其工作轉(zhuǎn)換流程圖如下所示：
圖4-3履帶爬樓輪椅行駛轉(zhuǎn)換流程圖
4.4 本章小結(jié)
在本章簡要地說明了所采用的PLC控制系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)。然后對控制面板進(jìn)行了詳細(xì)說明，并著重地說明了基本控制流程。
總 結(jié)
在本次履帶式爬樓梯電動輪椅的設(shè)計(jì)中，通過對履帶爬樓的過程進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動分析，從中確定了一些必要的尺寸，然后進(jìn)一步展開對履帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在對電機(jī)和減速裝置的選擇中，對一些必要的參數(shù)進(jìn)行了分析后選擇可適當(dāng)?shù)目刂品绞?。并且對各個零件的設(shè)計(jì)上進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和校核，整體上比較合理。
眼觀現(xiàn)實(shí)生活中，雖然履帶式爬樓梯電動輪椅可以彌補(bǔ)普通輪椅的不足之處，但是我們對它的研究還是停留在理論基礎(chǔ)上，并沒能夠?qū)崿F(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，畢竟在爬樓梯和平地運(yùn)行時都存在著一定的不確定因素，還需待研究和開發(fā)。而且通過一系列的參考和瀏覽大批資料后分析發(fā)現(xiàn)，履帶式輪椅它其實(shí)還是具有一定的發(fā)展空間，無論從長遠(yuǎn)還是短期來看，它的存在將會在市場上擁有很強(qiáng)的競爭能力。隨著人工智能的發(fā)展,新型多功能輪椅的功能將會更為完善化，豐富化，而且也將真正進(jìn)入老年人和殘障人士的生活當(dāng)中。
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致 謝
時光飛逝大學(xué)的學(xué)習(xí)生活到了這個季節(jié)將要畫上一個圓滿的句號，而對于我的人生來說這還只是一個逗號，同時也是我以后人生的一個開端。雖然在過程中，遇到了很多的問題和不足，但是因?yàn)橛辛诉@次機(jī)會，讓我對我們專業(yè)的基本知識有了更加進(jìn)一步的提升。
本次設(shè)計(jì)是對智能爬樓輪椅的設(shè)計(jì)，當(dāng)拿到這個題目時是一點(diǎn)思路也沒有，當(dāng)時有點(diǎn)灰心、有點(diǎn)泄氣，當(dāng)看到其他同學(xué)都有所進(jìn)步時，自己也開始加大對此類資料的搜集和查閱，通過查閱學(xué)習(xí)了解到現(xiàn)在智能輪椅常用的結(jié)構(gòu)形式，和常用的零件配件。通過自學(xué)，學(xué)會了樣本的查詢與選擇，并學(xué)會通過廠家或者第三方軟件進(jìn)行零件的查取操作，十分方便和有效。為自己以后工作學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對我大學(xué)學(xué)習(xí)專業(yè)課程知識的檢驗(yàn)，通過對鋁管滾花切割機(jī)的設(shè)計(jì)，查閱相關(guān)資料，了解非標(biāo)機(jī)械的用途以及未來發(fā)展的趨勢有了更細(xì)致的認(rèn)識。而且至此提升了所學(xué)知識的運(yùn)用的能力，懂得了如何高效率的運(yùn)用,令自己對大學(xué)四年以來所學(xué)過的基礎(chǔ)知識進(jìn)行了更加全面性的回顧,讓我明白了如何運(yùn)用自己所學(xué)的知識，同時又學(xué)到了其他獲取知識的方法；從而使我獲得了一次大規(guī)模檢索相關(guān)資料的機(jī)會，提高了運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)和對專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件輔助的能力。 而這些基本的知識恰恰都將成為我今后最為珍貴的財(cái)富,為我今后所要從事的工作打下更加堅(jiān)定的基礎(chǔ)。
在此我要特別地感謝我的指導(dǎo)老師的熱情關(guān)懷和悉心教導(dǎo)，在我什么都不懂，在我迷茫的時候，在我編寫論文之際都給了很大的幫助以至于我不會在設(shè)計(jì)的過程中迷失方向，失去前進(jìn)動力。在論文的編寫，選題方面得到了老師無私的幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)，直到畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成。指導(dǎo)老師精湛的技術(shù)和扎實(shí)的專業(yè)知識，都深深的影響著我，將對我以后的學(xué)習(xí)、生活和工作大有裨益。這些都是我所需要學(xué)習(xí)的，感謝指導(dǎo)老師給予了我這樣一個學(xué)習(xí)機(jī)會，感謝老師！
感謝關(guān)心我支持我的朋友們和同學(xué)們，感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、老師們，感謝你們給予我的幫助與關(guān)懷；我以你們?yōu)榘駱樱乙允悄膶W(xué)生而自豪。再次感謝！