履带车轮组合式爬楼电动轮椅设计

履带车轮组合式爬楼电动轮椅设计,履带,车轮,组合式,电动,轮椅,设计 答辩人：廉文革答辩人：廉文革指导老师：金山海指导老师：金山海 讲师讲师答辩时间：答辩时间：20182018年年5 5月月1919日日履带式爬楼梯电动轮椅 随着老龄化的加重，可以爬楼的电动轮椅具有广阔的市场前倾，其不仅可以满足残疾人和老年人多的需求，而且可以减少对家庭带来的负担，所以说智能爬楼梯点动轮椅具有很高的使用价格和研究的必要性。背景背景方案结构图方案结构图方案结构图方案结构图平坦路面平坦路面爬楼梯爬楼梯控制器选用控制器选用EM-101-BI MOTOR 电机控制器降低了驱动器对外部电子设备的干扰降低了驱动器对外部电子设备的干扰换向可靠、噪音小、干扰小、寿命长换向可靠、噪音小、干扰小、寿命长可以启动停止、前进后退、可控制方向可调速可以启动停止、前进后退、可控制方向可调速控制流程图控制流程图 CADCAD装配图装配图谢谢观看谢谢观看 本科毕业设计说明书 二〇一八 年 五 月 本科毕业设计说明书 摘 要 随着我国科学技术的飞速发展，智能装备制造业的兴起，一些传统的设备、工具等重新被设计改造，使其更加智能化、人性化、可操作性更强。轮椅人们日常的生活中时常见到，他主要的服务对象是老年人或者下肢有残疾障碍的人士。在传统轮椅的使用当中，需要陪护使用人员，即在后方必须有一个人力单元将轮椅推行，而且面对障碍物如楼梯等场地时很多时候需要绕行或者抬起，以越过障碍物，这极大的造成了对患者的二次伤害。 本次设计针对传统的轮椅使用情况为背景，根据这一现象设计一种可以爬楼梯的智能轮椅，其主要功能有使用陀螺仪的原理根据体感控制小车前进或者后退拐弯等操作，轮椅集成上楼履带，在需要上楼爬坡的时候，控制履带上升，使履带面着地，在履带的强力摩擦下实现爬楼梯的功能。 在本文首先对已有的轮椅结构设计的思路上进行了深入分析，根据自我的观点去设计机构方面的方案，并对其进行参数选型计算，然后通过三维建模的方法将设计给进行图纸化后进一步进行优化设计方案，最后以三维设计软件来导出二维的工程图纸，实现设计本身的最终目的。 关键词：智能化轮椅 爬楼梯轮椅 三维设计 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 录 引 言 1 第一章 绪 论 2 1.1课题研究的背景资料 2 1.2课题的国内外发展现状分析 2 1.2.1国外的发展现状分析 2 1.2.2国内爬楼梯轮椅的发展状况 3 1.3课题研究的目的及意义 4 1.4本章小结 4 第二章 设计方案 5 2.1设计要求 5 2.2设计方案 5 2.2.1方案介绍 5 2.2.2工作原理 6 2.2.3轮椅的整体模型 7 2.3本章小结 7 第三章 机械结构设计计算和选型 8 3.1底盘行走结构设计 8 3.2履带爬楼机构设计 8 3.3座椅机构设计 11 3.3.1电机的选用 11 3.3.2减速器的选用 12 3.4链传动设计 13 3.5链轮传动轴的设计 17 3.5.1传动轴的设计计算 17 3.5.2传动轴的校核 18 3.5.3轴承的选用校核 19 3.6联轴器的选择 20 3.7本章小结 22 第四章 控制系统的设计 23 4.1 控制系统的概述及其特点 23 4.2 控制面板 23 4.3 履带爬楼梯轮椅控制流程图 24 4.4 本章小结 24 总 结 25 参考文献 26 致 谢 27 引 言 此次毕业设计的目的是为了让我们能够进一步地深化学习与认知机械的专业性知识，并且能提升学生自我在机械设计方面的综合性能力的一种检验方法。这次毕业设计它所包含的范围是机器上的学习知识的综合性运用和在电机方面的参考性知识。在这种学习的方法和设计的思考过程中和在提取了学长学姐们的研究的基础上，我进一步地推进了此次的研究过程。而且将许许多多的重要零件，通过自身的初步理解，研究和检阅各种刊物和书籍来进入设计。在设计过程中把自己平时的知识创新和理论性基础知识相互结合缘故，对这次的设计上有了非常大的帮助的同时也让我自己深化了机械方面的认识。不仅如此，在我们组老师的帮助下，探索了国内外机械方面的很多相关知识和资料，而且同小组成员一起深入研究与检查设计过程中的种种问题后，学到了很多的相关知识。虽然过程很艰难，但通过这一过程，也让自己对我今后在机械领域的学习与工作上有了更加坚定的基础。而且在这次设计上重温了大学四年里所学过的机械原理以及机械设计、理论力学、材料力学等教材，对机械领域的学习做了一次完美的收工。并且通过重温，自身对于我们国家的工业生产业和制造业等多领域的了解有了很大的自我突破。在研究这次轮椅方面的设计过程中发现到，随着我们社会的的进步，在人们意识不断提高的基础上，发现轮椅是年迈者和体弱多病者以及下肢残疾者们不可或缺的代替步行的重要工具，随着社会上对此关注增多，导致无障碍道路设施增多的同时轮椅使用者的活动能力领域也自然的日渐加大增多，可是楼梯的存在使得轮椅受到了非常严重的局限性，因此开发一个价钱合理、简单好操作的能够爬楼梯的轮椅将面临严峻的未来，所以设计并开发出一台这样的轮椅，它的意义是非常重要的。 1 第一章 绪 论 1.1课题研究的背景资料 随着我国经济的发展，城市化进程逐步推进，加上现今的棚户区改造项目，平房换楼房，农民住新楼的政策逐步实施，我国楼房的使用率将继续逐步扩大，楼房不仅可以节约土地使用空间，缩小了人们生活的居住区面积，在有限的土地使用面积上居住更多的居民。但是楼房由于居住空间的影响其不可避免的对人们的生活带来了一定的影响，比如老年人和残疾人因其特殊性，在爬楼上楼的过程中十分的麻烦，因此制约了老年人和残疾人对外交流的便利性，使他们更少的参与户外的活动与交流，所以说楼房在节约空间的同时也有其一定的弊端。尤其在老旧的居民区内，没有设置垂直升降楼梯，一些行动不便的老年人和残疾人几乎和外界隔绝，其上下楼梯的便利性使人们急需解决的问题。但反观过来，自从楼梯被我们人类社会发明并创造出来之后，给我们人类社会的建筑学术领域上取得了一次非常傲人的成绩。因为，楼梯的出现不仅减小了房子本身的相对性建筑面积，而且最大化的利用了我们人类有限的发展空间与资源，也为出入那些高楼层的建筑提供了非常方便使用的通道。我们都知道轮椅是对于那些年纪比较大的老年群众和从小因各种疾病导致体弱多病的人群以及天生性或后天由于突如其来的意外导致下肢残疾的人群们不可或缺的代替步行的重要行走工具。而且在使用时往往需要医护人员或者家属陪同，以推行的方式使老年人和残疾人外出的方式，大大的制约的老年人和残疾人的出行自由和便利性，同时也使社会的医疗、护理、社会服务等方面的需求压力继续增大，总成资源的浪费与人力、物力、资金的无限输出。如果说一种简单的高效的自动运行的具有爬楼梯功能的轮椅的出现可以完全改变着一种现象的发生，老年人或者残疾人坐在轮椅上就可以依靠身体躯干的前驱与后仰控制轮椅的前进后退，依靠身体躯干的左倾与右倾实现对应方向的转弯，并且具有爬楼梯的功能，这样就可以完全依靠老年人和残疾人自主行走。 1.2课题的国内外发展现状分析 1.2.1国外的发展现状分析 我们都知道随着科技的进步这类技术逐渐被运用在民用设施当中，履带式爬楼梯的装置就跟我们熟知的坦克装甲车中的履带是差不多的，它们之间的原理既简单又相似而且技术也很算很成熟。由国外一家公司研究并开发出的，其底部是利用了履带传动装置，而且最大爬楼的坡度约为34.5度左右，上楼梯和下楼梯的速度是每分钟平均约为17到18个台阶。不仅如此，如果遇到楼梯这样的特别路段时，使用者可以通过一定熟练的操作来把两侧的橡胶型履带慢慢地放到地面上，紧接着把这4个轮胎收回去就能依靠着履带不需要别人的帮助也能够自动地完成爬楼梯这项操作。在这些的基础上，通过了解我还发现，日本公司也研发了一种类似的爬楼轮椅，其结构更加简单，性能更加高效，有效的保证爬楼梯时的重心，在上楼的过程中更加平稳，实现了上楼爬楼的稳定性能。 其实像很早以前的那种爬楼梯轮椅，它基本上采用的都是步行状态，并且它的执行的机构装置是由铰链杆件装置机构来完成的。所以一般在上楼梯的时候，首先要把轮椅抬高一定角度之后，方可进行水平方向的移动，这种反复式的过程虽然可以爬完一段楼层，但是步行式的爬楼梯装置还是给人带来了一定的负担，整体效果不佳。 图1-1国外爬楼梯轮椅 1.2.2国内爬楼梯轮椅的发展状况 对于我们国家而言，在对此种装置的接触与研究的起步算是较晚的，但是最近这些年来，我们国家也陆陆续续地涌现了许多相关方面的专利和设计，而且也是在国内掀起了一场技术上的改革和进步的热潮，可是在真正投入和实际使用方面来讲还是占极少数的。 在上世纪的年代，我们国家就已经对此研究过相应的结果，当时也介绍了一种既能够在平面地区上使用又可以在上楼梯时可使用的多用轮椅，并且它的前，后滚轮都是用好几个星形轮来组成的。但是，当年也是在设计过程中发现仍然存在着一些细节上的问题，简单举个例子来说，比如其在爬楼梯整个过程中的稳定性不佳，所以没有能够投入到实际相关的使用中。 1.3课题研究的目的及意义 世界老龄化已经成为一种普遍的现象，一些老年人和残疾人的数量节节攀升，不仅增大了社会服务的投入，增加了社会的负担，而且其特殊性也大大的降低了他们的生活需求，为了增肌其生活的多样性，可以随时随地与外界沟通，随时根据自己的意愿进行适当的出行，坚强社会服务机构的负担，有必要设计一种高性能的只能爬楼轮椅。随着老龄化的加重，其市场发展潜力也巨大，可以爬楼的电动轮椅具有广阔的市场前倾，其不仅可以满足残疾人和老年人多的需求，而且可以减少对家庭带来的负担，所以说智能爬楼梯点动轮椅具有很高的使用价格和研究的必要性，其光扩的市场前景必定会带领其更好的发展。其中履带式爬楼梯电动轮椅，它具有特别强的适应性能，拥有非常好的灵活性，而且活动领域广泛，使用起来方便上手操作、价钱合理，所以在我们国家经济飞速发展的同时，这群特殊人群对这类轮椅的需求也将一步一步逐年地增加，这样将会形成在市场上不同凡响的发展潜力，最终这类轮椅也将会具有更加广阔的发展空间和美好的发展前景。 1.4本章小结 在进行这次的设计之前，首先对前人们对此的研究来进一步分析，从而大致了解本次履带式爬楼梯电动轮椅的根本性意义，然后再次结合了国外和国内的研究经过和成果，简单地叙述了设计的相关内容，为后续的分析提供基础。 28 第二章 设计方案 2.1设计要求 本次设计着重针对老年人和残疾人因在爬楼上楼的过程中遇到的问题为基础使用，设计出一个体积合适，操作简易，而且可以实现爬楼梯功能轮椅是有效提高老年人和残疾人们的生活质量，从而进一步提供了他们与对外交流的便利性。 设计一个履带式爬楼梯电动轮椅需要做到以下几点： （1） 合理的整体三维设计方案； （2） 设计计算分析； （3） 整体运行安全，实用性强，性价比高。 2.2设计方案 履带式机构的爬楼梯轮椅，其应用比算较多一点，这类轮椅是采用了连续不断的行走形式，因此传动的效率相比之下会高得多。而且在上楼梯和下楼梯的过程中，它所谓的重心一直都是沿着楼梯台阶沿中的连线相互平行的直线性运动，具有非常平稳的运动，弥补了轮式爬楼梯轮椅自身所存在的一些缺点，提升了轮椅的整体使用性能。终上所述，我们就可以非常明显地得出履带爬楼梯轮椅机构比其他形式的轮椅机构更加具有优越性的这一结论，因此在本次的设计中采用了履带这一优异的特性，进行了详细的分析与理解。 2.2.1方案介绍 本次的设计方案是采用平地路面和上楼驱动单元分离的形式，即在平地时由车轮附着底面，实现轮椅的前后运动，采用体感控制的驱动形式，方便上肢残疾的患者操作。在爬楼时，放下履带，使履带与楼梯接触，在传动力的作用下，实现爬楼的过程。且该装置控制转弯的原理是通过两个轮对应的速度的不同差异来实现自身转弯的相应动作，提升了轮椅整体的使用灵活功能和操作者对该轮椅的方便入手。 2.2.2工作原理 图2-1 方案结构图 由上图可知，履带爬楼轮椅的履带及后轮都是单独电机提供动力的，这样大大提高了履带爬楼轮椅的的灵活性。首先病人坐在座椅7上，双脚放在脚踏板9上，然后根据需要操纵控制杆8，正常平路行驶时只需要开启后轮11电机，电机可以实现正反转，实现轮椅的前后运动，拐弯的时候可以关闭左边或者右边的后轮，一个轮子运动实现轮椅的拐弯灵活性。 然后是履带爬楼轮椅的爬楼梯功能，在病人需要到轮椅进行爬楼梯时，首先到达楼梯底下时，关闭后轮电机通过控制杆根据楼梯的角度调节液压缸的行程，带动履带整体摆动到一个适合的角度（在上楼梯时人坐直基本与地平面垂直状态），然后打开履带轮的电机，电机通过链传动带动传动轴，进而带动履带轮，采用履带提供动力进行轮椅的爬楼梯工作。轮椅到达楼梯上地表面后，关闭履带轮电机，调节液压缸行程回到最初状态，继续向前行驶。这样就完成了履带爬楼轮椅的爬楼梯工作了。 2.2.3轮椅的整体模型 图2-2 履带式爬楼梯轮椅的整体三维模型 2.3本章小结 先对履带的应用方面，即应用在消防，军队，安检，巡查，防爆以及救援等领域上进行了相对的查阅，并在本章根据履带式爬楼梯电动轮椅的实际应用来自我制定了两套方案对其的选择对比性分析，并对其原理简要地说明。 第三章 机械结构设计计算和选型 3.1底盘行走结构设计 底盘结构设计主要包括是行走电机、车轮、行走传动机构、脚踏、辅助机构等。其主要结构方式是无刷直流电机带动减速机进行减速、分别带动两个车轮进行旋转，其中车轮采取两轮的结构形式，左右各一个轮，运用陀螺仪技术进行前进后退的控制。 3.2履带爬楼机构设计 履带爬楼结构单元主要的结构是通过行走电机链接减速机通过链轮传送至履带传动轴，实现履带的转动。采用调节液压缸的行程，控制履带的角度，实现轮椅的爬楼梯功能。下图以最为普遍的楼梯斜度（30°）对轮椅爬楼梯的状态进行分析。 1. 爬楼梯前的履带及液压缸的状态如下图所示： 分别为1-履带 2-液压缸 3-液压缸链接耳 4-座椅底板 图3-1 轮椅爬楼梯前的履带及液压缸的状态 由上图可知，在轮椅未进行爬楼梯前，履带与地面及轮椅底板为平行状态，液压缸轴线与轮椅底板的角度为，根据液压缸的安装位置得到。 2. 爬楼梯时的履带及液压缸的状态如下图所示： 分别为1-履带 2-液压缸 3-液压缸链接耳 4-座椅底板 图3-2 轮椅爬楼梯时的履带及液压缸的状态及受力分析 由上图可知，在轮椅未进行爬楼梯前，履带与楼梯斜面为平行状态，而要保证病人的平稳上楼梯，轮椅的底座应与地面继续保持平行状态，这时得到上图所示，液压缸轴线与轮椅底板的角度为。由于实际生活中会存在少数超过斜度楼梯，所以设计时设定的略大，设定为。 得到爬楼梯时，液压缸的受力为： 上式中：G为轮椅的重力与人体的重力之和，轮椅自重，载重（设定最重），得到；为液压缸轴系与轮椅底座的角度，。 代入公式得到： 需要液压缸的最小行程： 上式中：L为轮椅爬楼梯时气缸的长度，单位为mm；为轮椅正常行驶时气缸的长度，=275mm。 根据轮椅两种状态的角度计算L： 得到： 取整168mm。 则由以上计算得到的参，得到液压缸的负载为2333N，行程选择180mm。履带及液压缸的三维模型如下图所示： 图3-3 履带的三维模型图 图3-4 液压缸的三维模型图 3.3座椅机构设计 3.3.1电机的选用 在本设计中，链传动组件将前后两个外轮组件和两个内轮组件连接起来，相当于四个履带由两个相同的行走电动机两两驱动，也就是说一个行走电机驱动一侧的履带行走。 行走电机所需的功率计算： 式中：为安全系数，考虑超载或功耗波动等影响，取1.5； 为传动装置的总传动效率； 为行走电机的功率。 则智能爬楼轮椅行进所需功率： 式中：为只当单个行走的电机作用在单侧履带式机器人的牵引力，； 为整个履带式机器人的行走速度，。 假设履带与地面之间的滚动摩擦系数，已知履带机器人自身重量为，且两个行走电机作用于履带机器人上的牵引力与摩擦力相等，则计算 可以从设计的参数了解到，整台履带机器人的行走的速度是，取最大值为计算得出 我们选定行走电机的品牌为瑞士直流无刷电机，型号为，其工作额定功率为，额定转速为,行走电机的具体参数见图3-5； 图3-5 行走电机详细参数 由设计三维图可知内轮的直径为，且设计要求整个履带机器人的行进速度为，所以履带行走的最大转速 3.3.2减速器的选用 已知选定的行走电机型号为，其工作为，为,且履带的转速为，如果我们直接通过减速器减速则减速器总传动比为。经计算的其减速比较大，如果单纯用减速机进行减速，其需要多级变速，体积庞大，因此可以外加减速机构的形式或者套用多个减速机或使用减速电机集成减速的形式，因此为了使其结构更加简单高效，采用自带减速电机的形式。 图3-6 行走电机减速器详细参数 我们这里选择配套的减速器为行星轮减速器，型号为，我们已知行走电机的输出轴直径为，小于减速器最大允许电机轴径，满足要求，并根据总传动比，我们选择减速器的编号为，减速比为，精确减速比为。 齿轮减速机安装在电机与链传动的中间，起到降低转速提高扭矩的作用，以满足轮椅在爬楼过程中大扭矩的输出的需求。减速机有多种结构形式，按照传动凡事分为齿轮副的结构形式、蜗轮蜗杆的结构形式、星型减速的结构形式，其主要的原理是齿数的啮合组合成不同的转速需求。通过对减速级数可分性分为单级地和多级的变速形式，一般情况下单级的变速范围则是，单级变速的结构形式有其优点，传动比较稳定，而且寿命比较长后期维护简单，可以减少后期维护维修的费用，所以本次选择单级的直齿的传动减速形式作为选择减速机的依据。 3.4链传动设计 链传动作为集中传动机构中比较常用的结构形式具有其特有的优势，其传动负载较大，在后期维护中可以对其进行单个的拆除更换，降低后期维护成本，其在更换时不用拆卸其它的传动机构，可以降低维护成本和维修时间，在此期间对比同步带的传动形式，虽然同步带的传动形式更加平稳、转速也比较大，但其使用寿命不如链轮传动的结构形式，在后期损坏后需要将同步轮等传动机构拆除然后更换，其维护维修成本较高，不适合此类设计工况的需求，加之本次点动爬楼轮椅的要求时速不高，故选择性能相对较为稳定，后期更换维修成本将对较低的链传动机构作为本次爬楼轮椅的传动单元。根据设计的要求已知链传动的基本参数：链轮的转速；传动比i=1；主动链轮孔径.。 下列计算均以，《机械设计》中链轮的计算过程进行计算： 1. 选择链轮的齿数 取主动链轮的齿数，则从动链轮的齿数为 2. 确定计算功率 由《机械设计》表可知，工况系数； 由《机械设计》图9-13可知，主动链轮齿数系数；单链排，则计算功率为 3. 选择链条型号和节距 根据，； 由《机械设计》图9-11可知，选择链号为； 由《机械设计》表9-1可知，链条节距为。 4. 计算链节数和中心距 初选中心距，取； 链长节数，取； 由《机械设计》表9-8可知，中心距计算系数， 则链传动的最大中心距。 5. 计算链速和确定润滑方式 由链速和链号，由《机械设计》图9-14可知，要采用定期人工润滑。 6. 计算压轴力 有效圆周力：； 链轮水平布置时压轴力系数； 则压轴力。 7.链轮的几何尺寸，根据以上计算及机械设计手册得到，滚子直径：，，则由《机械设计》表9-3公式得 （1）分度圆直径： 代入公式得到： （2）齿顶圆 链轮齿顶圆： 取整：40mm。 （3）齿根圆直径： 取：136.5mm。 （4）节距多变形以上的齿高： 16.轮毂厚度h： 式中，为孔的直径，单位为mm。 当时，为；当，为； 当，为；当时，为。 根据上述数据 取整：14mm 17.轮毂长度： 取整：46mm。 18.轮毂直径： 19.齿宽： 根据设计的基本参数及以上的计算得到链轮的基本参数； 链轮的三维模型图如下所示： 图3-5链轮的三维模型图 3.5链轮传动轴的设计 3.5.1传动轴的设计计算 根据安装传动的要求，链轮传动轴结构为阶梯轴结构，如下图3-4所示： 图3-7 链轮传动轴结构视图 1.选择轴的材料 轴的材料为45钢，调质处理。由表15-1查得，，。 2.初步确定轴的最小直径。 根据《机械设计手册》按照轴的设计步骤，首先我们要确定轴的最小直径，由轴的材料选用：45钢，根据强度要求进行调质处理，取，得到： 3.轴的结构设计 由轴的结构安装及最小轴径要去，对阶梯轴的各段尺寸进行确定，得到轴的各段尺寸如下所示： 第一段：由最小轴径及安装履带板相关尺寸确定，取， 第二段：安装履带轮相关尺寸确定：， 第三段：安装轴承相关尺寸确定取 ：， 第四段：为了满足轴承的轴向定位需在其左侧制一轴肩及安装链轮取：， 第五段：为了满足链轮的轴向定位需在其左侧制一轴肩，取， 第六段：安装轴承相关尺寸确定取 ：， 第七段：安装履带轮相关尺寸确定：， 第八段：由最小轴径及安装履带板相关尺寸确定，取， 3.5.2传动轴的校核 （1）根据爬楼梯轮椅的基本参数及《机械设计手册》，选取每级带轮传动的效率为：=0.97，求输出轴上的功率p，转速n和转矩T，得到： ； ； 由 （2）求作用在带轮上的力 圆周力： 径向力 ： 轴向力 ： （3）求轴上载荷 在确定轴上的载荷时，我们需要确定轴在安装工作时的位置支承点，根据《机械设计手册》中对比查找得到6304型滚子轴承，确定值为：。 根据以上计算得到的数据表明，截面3-4为轴在工作中的危险截面。以下是截面2-3处的、及的值。 链轮传动轴的受力分布为： 支反力在水平面上，和； 支反力在垂直面上，和； 弯矩在水平面上，和； 弯矩在垂直面上，和； 总弯矩在水平面上，； 总弯矩在垂直面上，。 （4）按弯矩合成应力校核轴的强度 根据轴在设备正常工作时受力分析，对轴的校核，只要对轴的危险截面进行分析校核即可，也就是轴的最大受力截面及最大弯矩、扭矩的点，扭转切应力为脉动循环变应力，取，得到轴的应力： 根据经济效益的出发，初选轴的材料为45钢，需要进行调质处理，由表查得，许用应力：，因此<，故安全。 3.5.3轴承的选用校核 1.滚动轴承的概述 在市场上轴承的类型有很多，其中按摩擦性质来进行分类可分为：滑动轴承与滚动轴承两大类。 滚动轴承的结构主要包括：内圈、外圈、滚动体和保持架等。两种不同类型的轴承都有自身的优缺点： （1）滚动轴承与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、启动灵活、效率高、润滑简便、易于互换且可以通过预紧提高轴承的刚度和旋转精度等优点； （2）缺点是抗冲击能力较差、高速时有噪声、径向尺寸较大、工作寿命也不及液体摩擦的滑动轴承[13]。 2.轴承的寿命计算 根据本设计要求，轴承预计工作时间为=10000h （1） 初选轴承的型号为：6304 根据《机械设计手册》查表15.5可知：内径d=18mm，外径D=25mm，宽度10mm。基本额定动载荷=15800N，基本静载荷=7880N，极限转速13000~17000r/min。 （2） 轴承的寿命计算 轴承寿命指数ε=3，由《机械设计手册》表13-4和13-5，取=1，=1.2 由额定寿命计算公式： 12565292h>100000h 由以上计算知，预期寿命满足设计要求。 3.6联轴器的选择 联轴器的主要作用是链接两周进行传动能量的传递，其还能间接的补偿两轴之间的不同心的现行，具有一定的纠正能力，但在两周不同心较为严重的情况下会发出滋滋的声响，所以说其纠正的能力有限，但其减震，缓冲，降低尖峰载荷的功能是其优点，同时联轴器有时也兼有过载安全保护作用。 无刷直流电机联轴器，主要链接电机轴和输出车轮轴之间的链接纽带，其具有高效，较为精密的传动特点。对此在链接此类电机时应满足一下几个要求： 1.零间隙：联轴器和电机轴还有输出轴的链接的过程中需要精密配合不允许有间隙的存在； 2.高刚性：联轴器的传动时效性较高，不允许电机与输出轴之间有传动时差，降低电机的传动性能； 3.低惯量：在与此类电机链接传动的时候，由于此类电机扭矩不是很大，在很多情况下负载的质量决定了电机的传动精度与正常运用； 4.柔性好：在电机与输出轴的链接中不可避免的有微小的装配误差与制造误差，在满足刚性需求的同时联轴器要求纠正其微小误差的能力。 连轴器在机械设备中运用较为广泛，其可以有效的链接动力输出单元和传动单元，是两者之间的传输纽带，其分类按照结构的不同主要可以分为以下几种： 1. 梅花联轴器 图3-8 梅花联轴器 （1）梅花联轴器一般为铝制材料，有效的降低了动力单元的额传动负载。 （2）梅花连轴器主要分为三部分，一部分是铝制连接块与输出轴和动力单元进行配合链接，在与动力输出单元和传动单元链接的时候采用螺栓张紧的结构方式，安装简单高效，确保配合无间隙。 （3）中间采用聚氨酯的材料，有效的保证了电气绝缘性能。 （4）使用温度-20℃～60℃之间。 2.膜片联轴器 图3-9 膜片联轴器 （1）膜片联轴器的材料是铝制的，所以能够有效的降低动力单元的额传动负载。 （2）膜片联轴器主要分为三部分，一部分是铝制连接块与输出轴和动力单元进行配合链接，两者之间通过膜片链接，较梅花连轴器具有更高的刚性。 （3）膜片联轴器具有比较好的隔热能力。 （4）轴孔形式分夹紧式以及胀套式两种，其中加紧式在与动力输出单元和传动单元链接的时候采用螺栓张紧的结构方式，安装简单高效，确保配合无间隙，胀套式的结构形式可以承载较大转动力矩，一般用于速度较高的主轴的链接。 3.弹性联轴器 图3-10 弹性联轴器 （1）弹性联轴器其结构形式采用一体的构造方式，通过切割或者电加工多条间隙具有一定的柔性。 （2）在低转速的情况下可以适应动力输出轴和传动轴之间较高的偏差。 （3）高扭矩刚性和卓越灵敏度。 （4）其采用左右对称的结构形式，其传动方向不受限制，顺时针和逆时针旋转的影响较小。 （5）一般为不锈钢作为材料可以满足酸性环境、碱性环境和较为恶劣的环境中使用。 根据无刷直流电机联轴器选用技巧，选择价格较为便宜梅花联轴器，完全满足设计的需求。其两端轴径为一段链接步进电机轴径一段链接光轴直径。 根据以上的分析，我最终选择价格方面比较廉价的梅花型联轴器，并且根据扭矩，转速和被连接的轴径等等各项参数来选择联轴器。 式中：为所传递的扭矩的计算值； 为按计算的传动轴的； 为联轴器许用扭矩； 为联轴器重要程度系数，对，取； 为角度偏差系数在此取1.75。 根据以上计算选用LC-AN-015DA梅花联轴器，联轴器允许最大扭矩为32，因为故满足使用要求。 3.7本章小结 在本章中充分地分析了履带式爬楼梯电动轮椅的各部分机构的组成，工作原理以及其相应的设计计算和校核。对履带式爬楼梯电动轮椅的充分计算中，验证了其设计的合理性和稳定性。 第四章 控制系统的设计 4.1 控制系统的概述及其特点 设计履带轮式轮椅所需功能是可以启动停止、前进后退、可控制方向可调速。 根据所需功能选用的是型号为EM-101-BI MOTOR的电机控制器。 图4-1 EM-101-BI MOTOR 电机控制器 该种驱动器采用抗干扰设计，同时也降低了驱动器对外部电子设备的干扰， 在外部信号控制方面能适用于自动控制的接口控制方式，可以用模拟量和开关量 控制驱动 器的功能。并具有智能逻辑功能，可以自动判断电机的转速及电流值然 后决定于换向的时间，也可以在配接能耗制动电阻后实现停机制动和快速换向制 动。此种方式与常规换向方式相比:具有换向可靠、噪音小、干扰小、寿命长、 无弧光等特点。并且外部控制信号采用电流传输，增加了抗干扰能力和可靠性。 体积小、性价比高，并得以广泛的应用。 应用范围：适用于小功率直流电机普通换相功能的控制要求。 调速类型：用电位器调节电阻来改变电压以此实现调速功能。 4.2 控制面板 图4-2 操纵杆的三维模型图 如图所示，使用操纵摇杆可控制平地上和爬楼梯过程中的前后左右的移动，其按钮来控制平地模式和爬楼梯模式的互相转换功能。 4.3 履带爬楼梯轮椅控制流程图 根据履带爬楼轮椅的的实际工作情况，履带爬楼轮椅需要再不同的路况及方向进行行走，所以在履带爬楼轮椅的行径过程中需要到各种动作的切换，实现其爬楼梯拐弯及正常行驶的功能，其工作转换流程图如下所示： 图4-3履带爬楼轮椅行驶转换流程图 4.4 本章小结 在本章简要地说明了所采用的PLC控制系统的功能和特点。然后对控制面板进行了详细说明，并着重地说明了基本控制流程。 总 结 在本次履带式爬楼梯电动轮椅的设计中，通过对履带爬楼的过程进行相关的运动分析，从中确定了一些必要的尺寸，然后进一步展开对履带结构的设计。在对电机和减速装置的选择中，对一些必要的参数进行了分析后选择可适当的控制方式。并且对各个零件的设计上进行详细计算和校核，整体上比较合理。 眼观现实生活中，虽然履带式爬楼梯电动轮椅可以弥补普通轮椅的不足之处，但是我们对它的研究还是停留在理论基础上，并没能够实现真正的产业化，毕竟在爬楼梯和平地运行时都存在着一定的不确定因素，还需待研究和开发。而且通过一系列的参考和浏览大批资料后分析发现，履带式轮椅它其实还是具有一定的发展空间，无论从长远还是短期来看，它的存在将会在市场上拥有很强的竞争能力。随着人工智能的发展,新型多功能轮椅的功能将会更为完善化，丰富化，而且也将真正进入老年人和残障人士的生活当中。 参考文献 [1] 陈意平，任仲伟，朱颜主编.机械制图.沈阳:东北大学出版社，2013.6 [2] 濮良贵，陈国定，吴立言主编.机械设计.西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著.9版.北京:高等教育出版社，2013.5 [3] 孙恒，陈作模，葛文杰主编.机械原理.西北工业大学机械原理与机械零件教研室编.8版.北京:高等教育出版社，2013.5 [4] 何清华，黄素平，黄志雄.智能轮椅的研究现状和发展趋势[J].机器人技术与应用，2003(2):12 一 16 [5] 韩广 ，王田苗 ，梁建宏 ，赵建昌.一种有效爬越楼梯的模块化可重组履带结构[J].机器人. 2004, 26(5):400一403 [6] 袁世奇，宫兴祯，唐宗军.一种具有全方向运动功能的电动轮椅的设计[J].沈阳.工业大学学报，2004，26(6):612一615 . 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Wheelchair which can go up stairs,US1766407-A1[P]. 致 谢 时光飞逝大学的学习生活到了这个季节将要画上一个圆满的句号，而对于我的人生来说这还只是一个逗号，同时也是我以后人生的一个开端。虽然在过程中，遇到了很多的问题和不足，但是因为有了这次机会，让我对我们专业的基本知识有了更加进一步的提升。 本次设计是对智能爬楼轮椅的设计，当拿到这个题目时是一点思路也没有，当时有点灰心、有点泄气，当看到其他同学都有所进步时，自己也开始加大对此类资料的搜集和查阅，通过查阅学习了解到现在智能轮椅常用的结构形式，和常用的零件配件。通过自学，学会了样本的查询与选择，并学会通过厂家或者第三方软件进行零件的查取操作，十分方便和有效。为自己以后工作学习打下了坚实的基础。 通过毕业设计，是对我大学学习专业课程知识的检验，通过对铝管滚花切割机的设计，查阅相关资料，了解非标机械的用途以及未来发展的趋势有了更细致的认识。而且至此提升了所学知识的运用的能力，懂得了如何高效率的运用,令自己对大学四年以来所学过的基础知识进行了更加全面性的回顾,让我明白了如何运用自己所学的知识，同时又学到了其他获取知识的方法；从而使我获得了一次大规模检索相关资料的机会，提高了运用网络和对专业计算机软件辅助的能力。 而这些基本的知识恰恰都将成为我今后最为珍贵的财富,为我今后所要从事的工作打下更加坚定的基础。 在此我要特别地感谢我的指导老师的热情关怀和悉心教导，在我什么都不懂，在我迷茫的时候，在我编写论文之际都给了很大的帮助以至于我不会在设计的过程中迷失方向，失去前进动力。在论文的编写，选题方面得到了老师无私的帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进，直到毕业设计的完成。指导老师精湛的技术和扎实的专业知识，都深深的影响着我，将对我以后的学习、生活和工作大有裨益。这些都是我所需要学习的，感谢指导老师给予了我这样一个学习机会，感谢老师！ 感谢关心我支持我的朋友们和同学们，感谢学校领导、老师们，感谢你们给予我的帮助与关怀；我以你们为榜样，我以是您的学生而自豪。再次感谢！