轮组式爬楼梯轮椅机器人传动系统设计

喜欢这套资料就充值下载吧。资源目录里展示的都可在线预览哦。下载后都有，请放心下载，文件全都包含在内，有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763 河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告 河北工业大学201x届本科毕业设计（论文）中期报告 毕业设计（论文）题目：轮组式爬楼梯轮椅机器人传动系统设计 专业（方向）：机械设计制造及其自动化 学生信息：学号： 姓名：班级： 指导教师信息：姓名：职称： 报告提交日期： 内容要求： 1确定方案 先比较履带式和轮组式的爬楼梯轮椅，履带式机构与地面接触面积大，下陷度小，行走时重心平稳，上下楼稳定，但他的体积大，较笨重，传动效率低。轮组式正好相反， 。 在和前期报告中的想法比较、对比之后确定了最可行的方案。和ibot基本相似，装置底部安装两组直径30cm的车轮，前轮较小作为支撑和控制方向使用，后边是四个爬楼辅助轮，以行星轮的方式连接，既可以绕主轴公转，也可以独自旋转，通过电机进行驱动及完成爬楼目的。装置在平地无障碍情况下运动与普通的电动轮椅类似，前轮采用万向轮，后轮作为驱动轮，前轮会根据后轮的行进方向自动调整以使其与后轮保持一致。爬楼梯时由后轮四个辅助轮翻转实现。前轮离开地面，由四个爬楼辅助轮支撑着地，以上楼为例，装置在台阶上运动，在驱动轴的作用下，所有后轮由中轴上的电动机驱动，随着中轴进行公转，两对轮交替进行翻爬楼梯。 考虑到轮椅车运动的灵活性、控制的难易程度、能量利用率、使用安全性等，最终采用iBOT的爬楼梯功能采用行星轮式。传动结构图如图1-1所示。 图 1-1 三维实体如图1-2. 图1-2 前轮采用万向轮进行支撑和辅助换向，后轮采用以上结构。两侧车轮各两个行星轮，其转动分别靠一个直流电动机驱动，电动机通过减速器将转动传递到主轴上，然后通过齿轮传递到行星轮。为了减小驱动之轮的大小，满足车轮之间的间距，在主轴和行星轮之间加入两个过度齿轮。这样在电动机的驱动下，两个车轮转动的方向、转速总是一致的。两个行星轮均可单独作为驱动轮，当乘坐者选择只让两个后轮着地时可以减少转弯的半径，运动更加灵活。在崎岖的道路上行走时，可将后部分的四个轮子全部着地变成四轮驱动轮椅，增加轮椅的动力性能。 2 基本参数的确定 根据GB 12996国家标准规定，电动轮椅车正常行驶速度小于18km/h，爬坡角度大于6°，最小回转半径为2m。根据《住宅设计规范》所示，楼梯梯段净宽不应小于1．10m，不超过六层的住宅，一边设有栏杆的梯段净宽不应小于1．00m；楼梯踏步宽度不应小于0．28m，踏步高度不应大于0．175m。扶手高度不应小于0．90m。楼梯水平段栏杆长度大于0．50m时，其扶手高度不应小于1．05m。楼梯栏杆垂直杆件间净空不应大于0．11m；楼梯平台净宽不应小于楼梯梯段净宽，且不得小于1．20m。楼梯平台的结构下缘至人行通道的垂直高度不应低于2．00m。入口处地坪与室外地面应有高差，并不应小于0．10m。在此取后轮直径为280mm。 根据我国对楼梯尺寸标准的要求，认为在踏步宽度最小的情况下，轮椅车攀爬楼梯的难度最大，所以对车轮直径的验证级两车轮中心距的确定均在踏步宽度为280mm，高度为130mm的台阶上进行。 图2.1 如图2.1所示，为了满足爬楼的条件，两后轮中心距应该满足L==308.7mm，圆整为L=310mm。两轮之间通过传动齿轮的固定支架相连，定轴轮系采用五个参数相同的圆柱齿轮进行传动，可降低生产成本简化结构。如图2.2所示，大圆为车轮小圆为定轴轮系。相邻两齿轮的中心距a=310/4=77.5mm。初步设定整个轮椅质量为40KG，承载的人的质量为80KG，平坦路面行驶速度为V1=1.5~2m/s，爬30°坡时的速度为V2=0.5M/s，上下楼梯是翻转速度为n=0.5~0.75r/s。 图2.2 3.电机的选取 3.1行走机构 水平路面受力分析：假设轮椅和人的质量分别为50kg和80kg，经受力分析如图 N1=N2=G/4， F1=μN1，F2=μN2，μ为滚动摩擦，查手册μ=0.05. 可得平地行走时功率P1=μGV=0.05×（50+80）×10×2=130W。 爬30°坡受力分析：受力分析如图 所需的总功率为P2=GVsin30°=（50+80）×10×0.5×sin30°=325W。 根据行走机构平面和爬坡分析结果，同时考虑行星轮减速器和轴承等的传动效率，选取两个250W的直流电动机。爬坡时所需功率较大，爬坡时移动速度为0.5m/s，则车轮转速为： r/min 中心轴传动转矩T= 初步设定末级圆锥齿轮传动比为2，查阅样本初选行星轮减速箱减速比为74：1，算得所需电机转矩为M==0.307N·m。 查询电动机，可见瑞士maxon EC系列的无刷直流电动机性价比高，根据网站筛选选择型号为EC 45，250W的电动机，产品编号为136207。通过网站的配套筛选功能，选取配套的行星轮减速箱，型号为GP 42，直径42mm，减速比74:1，产品编号为203123。 3.2翻转机构 行星轮系需要不断翻转来爬楼，所以轮椅和轮系只能通过轴承连接，这样就造成轮椅的重心不稳，容易向前或向后翻转，翻转爬楼的过程就是将重心不断向上向前移动的过程，所以保持重心位置的确定十分关键，既不能在轮椅运行的时候失去平衡，也不能给电机带来太大的负担，通过综合考虑最终将轮椅车和人整体的重心置于距离后轮轴心185mm处。爬楼梯时，乘坐的人需要靠到后背上，经计算，爬楼所需克服的阻力矩为M=（50+80）×10×0.185=240.5Nm，当爬楼时回转速度，求得爬楼所需功率P2=M·=180.4W。 爬楼时每侧的功率P=180.4/2=90.2W，转矩： T= 初步取末级圆柱齿轮传动比为2，行星轮减速器的减速比为186：1，则所需电机的转矩大约为 M=Nm 与行走机构类似，选取瑞士maxon无刷直流电动机，型号为EC 45，250W，编号136207.选用配套的行星轮减速箱，型号为GP 52 C，产品编号为223099，减速比为186：1。 4.传动机构尺寸设计 定轴轮系齿轮选择斜齿圆柱齿轮，后面两轮的前后中心距是L=310mm，各齿轮大小相同，则每两个小齿轮的中心距a=310/4=77.5mm。由计算，可初步选用齿数Z=15，m=5，β=15°，分度圆直径d1=77.65mm，取齿宽系数=0.4，则尺宽b=30mm。末端直齿圆锥齿轮，选取Z1=20，Z2=40，m1=1.5。 翻转机构的末级直齿圆锥齿轮，取Z1=14，Z2=28，m2=1.5。 5 小结 大体的结构图如下，具体装备图及齿轮和轴的校核将写到最后的说明书中。 参考文献： 《机械设计手册第五版》 成大先主编 《机械设计课程设计指导书》哈尔滨工业大学 宋宝玉主编 《两轮式爬楼梯电动轮椅车》 http://www.doc88.com/p-988347161346.html 《基于行星轮系的爬楼梯轮椅的研究》http://www.docin.com/p-144122687.html 《机械行星式无级变速器设计》 http://max.book118.com/html/2013/0223/3374983.shtm 《电动轮椅》沐风网 《一种双联行星轮机构电动爬楼梯轮椅的设计[J]》 苏和平，王人成 《中华人民共和国国家标准，电动轮椅车 GB12996-91》 国家技术监督局 9 河北工业大学201x届本科毕业设计说明书 河北工业大学 毕业设计说明书 作 者： 学 号： 系： 机械工程 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 轮组式爬楼梯轮椅机器人传动系统设计 指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 201x 年 6 月 7 日 毕业设计（论文）中文摘要 轮组式爬楼轮椅机器人传动系统设计 摘要： 这次设计的目的是通过设计出一种能够在普通小区，公共场合爬楼梯的辅助机构，以便为最终设计一种价格公道，性能先进，经济实用的爬楼梯机器人轮椅做好功课。我们首先对国内外助残轮椅市场的现状做了简单的总结，最终结果显示现如今市面上的助残轮椅大部分价格昂贵，一般消费者不能承受。进而对比国内外的各种爬楼梯轮椅，取其优点，综合考虑，确立设计思想。 本文采用行星轮机构，在平地行走时通过4个轮毂电机带动4个后轮前进，具有四轮驱动动力足的特点。通过控制两侧4个轮毂电机的转速使左右两侧的作速不同可以实现转弯操作。爬楼时通过一对电机驱动行星轮转动，并保持后侧2个轮的轮毂电机抱死，从而行星架转动带动车轮交替着地实现爬楼。 整个轮椅的外形与市面上一般的电动轮椅类似，平衡系统可以在电气控制时运用陀螺仪等，这里只做机械结构设计，就不再介绍了。 关键词： 爬楼梯 机械 轮椅 机器人 设计 河北工业大学201x届本科毕业设计说明书 毕业设计（论文）外文摘要 Title Wheel Type Stair Climbing Robot Transmission Design Abstract The purpose of this design is to make an auxiliary mechanism, and can be used in the general community, public climb stairs and then make a basis for designing a stair climbing wheelchair robot, which is economical and practical and with a reasonable price, advanced performance. At first we made a simple summary to the current assistive wheelchair market situation at home and abroad, the final result shows that most assistive wheelchairs on market are expensive, the general consumers can't afford. And then contrast the various kinds of stair climbing wheelchair at home and abroad, take its advantage and consider it comprehensively, then established this design thought. This paper adopts planetary gear, walking on the ground by four wheel motor drive the rear wheel to go forward, it has the characteristics of the four wheel drive power. On both sides of the four wheel hub motor controlling through the speed of left and right sides of the ZuoSu can implement different turning operation. Climb building with planetary wheel rotation, a motor driver and keep back 2 wheel hub motor lock, thereby planet carrier rotation driven wheel alternate landing on the stairs. The appearance of the wheelchair likes general electric wheelchair on the market, its balanced system can apply in the electric control gyroscope, etc., here we only do mechanical structure design, and don’t make introduce. Keywords： climb machine wheelchair robot design 目 次 1. 绪论 - 3 - 1．1 引言 - 3 - 1．2 爬楼梯轮椅机器人的国内外研究现状及发展趋势 - 4 - 1.2.1 履带式爬楼轮椅 - 4 - 1.2.2 步进支撑式爬楼轮椅 - 5 - 1.2.3 行星轮式爬楼轮椅 - 6 - 1.3 产品用途及适用范围 - 8 - 1.4 本课题主要研究内容 - 8 - 2. 总体方案的确定 - 9 - 2. 1总体布局的确定 - 9 - 2. 2 驱动方式的选择 - 10 - 2. 3 其他可行方案 - 10 - 3. 总装图的确定 - 12 - 3. 1 传动方案的确定 - 12 - 3. 2传动系统结构详细设计 - 12 - 3.2.1传动系统总体结构设组成 - 12 - 3.2.2传动系统工作原理 - 12 - 3. 3主要技术参数的确定 - 14 - 3.3.1 车轮大小及相关参数的确定 - 14 - 3.3.2 电动机的选取 - 15 - 3.3.3 传动结构的设计 - 18 - 部件装配图的确定 - 19 - 4.1 定轴轮系的选用与校核 - 19 - 4.1.1材料的选取 - 19 - 4.1.2 确定许用弯曲应力 - 19 - 4.1.3 确定载荷系数 - 20 - 4.1.4 重合度的计算 - 20 - 4.1.5齿根抗弯疲劳强度校核 - 20 - 4.2中心轴强度计算 - 21 - 4.2.1中心轴的尺寸设计及校核 - 21 - 结论 - 23 - 参考文献 - 24 - 致谢 - 25 - 1. 绪论 1．1 引言 如今我们国家已经进入了老龄化社会，老年人有将近2亿人，而且残疾人也已经超过了八千万， 全国老龄化工作委员办公室常务副主任李本公透露，我国到2044年左右老龄化人口将突破4亿。这些老龄化的人口在中国改革开放中为我们国家付出了自己的力量，现在他们在社会上处于劣势地位，这个时候真是我们全社会关注他们的时候，而且还有一些因工作伤残的和先天残疾的人很需要一款适合各种场合的轮椅，方便他们的日常出行。现在轮椅就是一款很重要的交通工具，它不但可以帮助他们日常行走，还可以有效的锻炼身体，并及时的帮助他们最大程度的恢复健康，奉献社会的爱心。普通轮椅大部分都是由轮椅椅架、车轮、制动装置及座椅这四部分构成。现在我国比较主流的电动轮椅是在传统普通轮椅的基础上，加上动力驱动部分、智能控制部分、移动电源等部件，升级形成的，更高级别的轮椅具有人机互动功能，方便的实现轮椅的前进、后退、转向、站立、平躺、等多种功能的新一代智能化轮椅。轮椅是伤残人的代步工具，但由于传统的轮椅缺少动力源，对老年人及残疾人带来很大的代步障碍，因此研究与设计一种自带动力源的爬楼梯轮椅就成显得尤为紧迫。本课题对轮组式轮椅爬楼梯轮椅机器人机构传动系统进行设计与计算，通过该传动系统结构设计能实现轮椅的翻转运动，从而控制爬楼轮椅实现爬楼梯的动作及运动要求，并可以自由的转弯。 目前我国虽然城镇化水平正在逐步提高，但是由于各种因素的影响，很多人居住的仍然是普通的楼房，然而在我国低于6层的普通楼房一般都是不会安装电梯，更没有无障碍通道了，这就使得老弱病残的人们的出行极为不便。而在各种公共场所中，虽然无障碍通道的设施越来越多，但仍然存在很多问题，尤其是遇到阶梯时，往往感到相当无奈。 普通轮椅虽然解决了很多老人和伤残人们的出行问题，但是日过没有动力提供装置就会让使用者很不方便，必须得有亲人朋友在身边，当有台阶时，需要他们抬上去，因此，我们对于可以上下楼梯的轮椅的研究十分重要，不仅可以帮助了有需求的人出行问题，还能减小给家人带来的负担。 1．2 爬楼梯轮椅机器人的国内外研究现状及发展趋势 对于爬楼梯轮椅机器人的研究，在国外的起步比较早，国内如今也开始研究，并有一些产品，通过查阅资料，目前的爬楼轮椅按照其传动方式可分为：履带式、步进支撑式和星轮式三种。 1.2.1 履带式爬楼轮椅 对于履带轮机构的研究和应用在市场上已经比较成功了，比如在战场和特殊场合的防暴机器人、发生重大公共突发事件时的抢险机器人，还有发射升空的探月机器人上都使用过履带轮，并且履带式在爬楼梯轮椅中应用也比较广泛。履带式机构的优点很多，履带很宽，可以与地面有较大的接触面积，所以不容易陷入地面，能在不好的地面上行走，适应能力强，尤其是在攀爬和翻越沟洼的能力比轮式的优越，而且履带的摩擦力大，不容易空转打滑。 另一方面，履带式也有自身不可忽略的不足。第一履带既然运行平稳，不打滑，肯定就会增大自身的体积，占地面积相应增大，在居民楼使用就很不方便；第二，履带式轮椅在爬楼时很稳定，但轮椅大部分时间不是爬楼，它们在平地行走的时间更多，这样，就没有轮组式的好了，运动缓慢，效率低；第三，履带式轮椅对楼梯有较大的损害；最后，履带式的轮椅不能在平地上自由的转弯。 下面列举法国的Top Chair公司的履带式轮椅，它是比较有名的，Top Chair的轮椅采用了履带和轮组混合的方式，在平地运动时使用轮组，上下楼梯时则转换为履带，但它的价格较高并未普及到普通家庭。如图1.1所示。 图 1.1履带式爬楼轮椅 1.2.2 步进支撑式爬楼轮椅 查阅支撑式轮椅发现，步进式爬楼轮椅在其他国家的起点较早，差不多有100多年的历史，后又经过后人们不断的完善和改进，这种爬楼轮椅机器人通过仿生学原理，模仿人的动作爬楼，它使用两套支撑杆支撑，当一套支撑杆着地时，另一套支撑杆上楼梯或下楼，如此交替爬楼。这种机构的优点就是有灵活的运动机构，可以像人一样灵活的运动，不过，它的地形适应能力在所有轮椅中算是最弱的了，不能在崎岖的地形中快速行走，同时它的机械结构复杂，对应的价格就比较高，不适合大众需求。此类产品的代表有日本Tmsuk公司和早稻田大学的高西惇夫教授共同开发的双足行走机器人，代号为“WL-16R”，可以在高1.28米的轮椅机器人上部固定人坐的椅子，而且座椅旁边有各种控制轮椅行走的控制杆。虽然WL-16R改进了许多，但是仍然没有解决机构复杂、适应能力差、承载能力低的劣势，所以不容易在市场普及。如图1.2所示。 图 1.2轮腿式 1.2.3 行星轮式爬楼轮椅 轮式结构在我们日常生活中相当普遍，尤其是陆路交通运输中，在国外的爬楼轮椅机器人研究中应用更广泛。在轮椅中，普通轮椅及一般的电动轮椅也基本上是采用轮式结构，它的体积小，承载能力强，重量轻，价格便宜，方便控制，能够很快实现快速的移动，拐弯方便。普通的轮椅用的都是很简单的圆形车轮，在平地上很容易走，但是路况不好的时候就会“抛锚”，不能适应差的路况。而且普通轮椅的车轮直径较大，爬楼时着力点不在楼梯台阶上就很危险，钦此目前通用的爬楼轮椅机器人基本应用“十字形”的或“Y字型”的行星轮组，这样就可以减小车轮尺寸，同时也可以是小轮绕着主轴转动交替支撑从而实现爬楼的功能，如图1.3所示。 图 1.3轮组式 其中用这种方法并获得成功的就是美国强生旗下的Independence Technology研发的的iBOT系列轮椅。iBOT是一种很不一样的电动的轮椅，它有很多其他轮椅没有的能力。iBOT中使用了陀螺仪，整个车身能保持良好的平衡，使人一直处于水平位置，提高了使用者的舒适感。而且它还可以在路面不平时只让后面的两个轮着地，从而实现了金鸡独立的功能，在陀螺仪的作用下保持着平衡。iBOT轮椅总共有六个车轮，轮椅的前面有一对为直径10cm的实心万向轮，可以向任意方向行走，轮椅后面有两对四个直径30cm的充气的车轮。 　　iBOT运动方式有3种，一种是正常的平地行走方式，6个车轮同时着地，也可以中间一组车轮离地，只让前后两边的车轮着地；一般路况好的情况下中间车轮可以不着地，当路况不好时就要6轮着地，四驱动力足，攀越能力好。第二种运动方式是直立方式，此时前轮和中间的轮都离地，只让最后一对车轮着地，轮椅可以在这种姿势下前进后退，转弯。最后一种就是爬楼梯，前面的实心小轮离地，后面两组车轮交替爬楼。 iBOT和其他电动轮椅相同的地方是它也需要电源，在轮椅的中间可以放电池，由电池提供轮椅行走所用的动力，行走时在平坦的轮上比较省电，在崎岖的路面四驱时费电，总体比较方便，适合在公共场合使用，但是价格也是比较贵，具体轮椅如图1.4所示。 图 1.4ibot 1.3 产品用途及适用范围 本次设计的题目是轮组式爬楼机器人，主要用于帮助老弱病残的人等日常行动有不变的人群可以独立运动，在不需要他人协助的情况下能独自一人的出行，上下楼，翻越沟壑等。它的功能很全，不只做残疾人和其他行动不方便的人的行走工具，同时也有其它的一些功能。本产品仿造ibot，但和他还是有区别的。 1.4 本课题主要研究内容 本课题对轮组式轮椅爬楼梯机构传动系统进行设计与计算，通过控制轮椅翻转实现爬楼梯的动作。依据所学的机械知识，在原有的电动轮椅基础上自主设计一种新的电动轮组式轮椅机器人机构，并且要根据机械原理知识、计算机绘图知识对设计的产品进行理论分析及计算，能够对现有技术提出改进性意见，且具有可操作性。 1. 阅读老师提供的文献资料，对有关爬楼梯轮椅文献进行检索，并提出研究思路。 2. 利用UG等三维造型软件进行零件图设计计算，并完成装配图造型设计及运动仿真功能。 3. 利用AUTOCAD软件绘制2D装配图（零号图）1.5 张及零件图不少于3张 2. 总体方案的确定 2. 1总体布局的确定 本设计要求为轮组式，所以采用美国iBOT的两轮式爬楼梯电动轮椅结构，主要由以下四部分组成：车身、执行电机、传动结构和驱动系统。车身包括座椅和支撑座椅的框架，传动结构主要由齿轮组成。轮椅车底部安装两组车轮，前后各一组，前轮为万向轮体积较小作为辅助支撑和控制方向使用，后边则是四个爬楼主动轮，以行星轮的方式连接，即可以绕主轴公转，也可以独自旋转，通过电机的驱动完成爬楼的目的。装置在平地无障碍情况下运动与普通的电动轮椅类似，通过调节轮毂电机进行转弯操作。爬楼梯时通过后轮四个主动轮翻转实现。同时前轮离开地面，由四个爬楼轮支撑着地，以上楼为例，在电机驱动的作用下，随着中轴进行公转，两对轮交替进行翻爬楼梯。 后轮的四个驱动轮为了保持满足要求的中心距，采用五个相同参数的齿轮进行传动，通过传动齿轮的固定支架连接。这样就能保证两个车轮的转动效果相同，两个车轮均可单独作为驱动轮使用，在一般陆地上选择只用后排车轮着地，即单独后轮驱动，可以减少转弯半径，在崎岖的道路上运行时，选择后轮四个轮子同时驱动可以增强轮椅的驱动性能，以及对地面的适应能力。如2.1图所示： 图 2.1车轮布置 平地行走时由四个轮毂电机带动轮椅运动，轮毂电机的速度控制小车的速度以及转向。翻转时采用减速箱中的一对电机，带动翻转机构运动，同时由轮毂电机控制其中一对车轮抱死，就可以实现轮椅的上下楼梯的翻转运动。由于翻转时轮毂电机抱死，防止上下楼的过程中因为车轮的松动而发生事故。还可以通过调整后排两个后轮的不同姿态在上下坡的时候调整重心，从而保证轮椅行驶的稳定性。传动结构图如2.2所示： 翻转电机 轮毂电机 轮毂电机 轮毂电机 轮毂电机 图2.2翻转机构 2. 2 驱动方式的选择 本文的翻转驱动方式为直流电动机通过与其配套的减速器，加上末端圆柱斜齿轮的减速输出到传动轴。为了节约成本和空间，减小质量，本课题设计的电动轮椅采用MAXON公司的电动机及配套的减速器，MAXON是一家全球范围内高精密电机和驱动系统的产品供应商，其产品体积小适应性强，效率高，噪音小，种类齐全替换方便，而且质量有保证，十分适合用在电动轮椅这一领域。电动机通过减速器，以及末端圆柱斜齿轮的减速输出到传动轴；平地正常行走采用轮毂电机驱动。 2. 3 其他可行方案 我们在最终确定使用本方案之前，通过在网络及图书馆查阅相关资料，提出过几个其他的设想。如图2.3所示： 图2.3轮组式轮椅 这个方案采用的是让前轮作为驱动轮，在前轮的两侧各有一个电机控制，通过改变两侧电机的转速获得不同的速度来实现转弯，电机转速相同的情况下小车走直线，后轮的翻转运动通过后轮的翻转电机控制。这个方案的优点是，取消了前轮的万向轮，用驱动轮代替，增加了轮椅车的稳定性，转弯安全快速，同时减少了电机的使用，比较省电。但是由于该机构的左右的后轮是相连的，会导致转弯不方便，而且车轮直径较大不适合普通住宅室内的使用。 如图2.4所示： 图 2.4 三轮组式轮椅 此方案采用前后两套Y型行星轮，前轮由一个电机控制左右方向，实现转弯，后轮为主动轮实现行走。此方案的优点一目了然，结构简单、质量较轻、便于维护。缺点也显而易见，由于结构简单导致承重能力差，电机驱动力不足会使爬楼梯比较费劲，反转过程中小轮的自转如果没有锁死容易发生危险。 对以上各类方案的优缺点进行比较权衡，而最终选择了如今的方案。 3. 总装图的确定 3. 1 传动方案的确定 本设计的传动全部采用齿轮传动，平地行走时采用轮毂电机带动，四个后轮上都有轮毂电机，带动轮椅转动，通过电机的转速不同，可以实现转弯，实现平地的运动。而爬楼时的翻转运动，则是通过一对直流电机与齿轮箱减速器相连，通过末端圆柱齿轮的再次减速，传动到控制翻转用的中轴，中轴与齿轮相连，然后后面轮毂电机抱死，使最后面的齿轮不转，齿轮绕着中轴旋转，从而带动两个车轮交替翻转实现爬楼运动。 3. 2传动系统结构详细设计 3.2.1传动系统总体结构设组成 轮组式爬楼梯轮椅主要由三部分组成，平地行走机构，翻转爬楼机构，以及控制座椅位姿的四杆机构。 3.2.2传动系统工作原理 平地上行走时采用目前比较流行的轮毂电机，在轮椅的后4个轮上选用两组轮毂电机，控制小车的行走，转弯，加速等。如图3.1所示。 图3.1两轮组式轮椅 翻转爬楼机构的工作原理：翻转爬楼机构是由减速箱中的两个电机带动齿轮，当电磁离合器闭合时，传动到翻转轮系上，翻转轮系的5个齿轮就开始旋转，此时，轮毂电机锁定一对轮，就可以实现轮椅的爬楼动作了。如图3.2所示。 翻转机构 电机 电磁离合器 图3.2翻转爬楼 翻转机构由五个相同大小的齿轮组成，其机构如下图3.3所示. 图3.3翻转机构 四杆机构和翻转机构相似，都是通过控制电磁离合器来达到控制轴的运动，当轴旋转时，控制四杆机构摆动，实现了座椅位姿的调节。如图3.4。 图3.4座椅位姿调整 3. 3主要技术参数的确定 3.3.1 车轮大小及相关参数的确定 根据GB 12996国家标准规定，电动轮椅车在正常行驶事的速度应小于18km/h，爬坡角度大于6°，最小回转半径为2m。 根据《住宅设计规范》所示，楼梯梯段净宽不应小于1．10m，不超过六层的住宅，一边设有栏杆的梯段净宽不应小于1．00m；楼梯踏步宽度不应小于0．28m，踏步高度不应大于0．175m。扶手高度不应小于0．90m。楼梯水平段栏杆长度大于0．50m时，其扶手高度不应小于1．05m。楼梯栏杆垂直杆件间净空不应大于0．11m；楼梯平台净宽不应小于楼梯梯段净宽，且不得小于1．20m。楼梯平台的结构下缘至人行通道的垂直高度不应低于2．00m。入口处地坪与室外地面应有高差，并不应小于0．10m。为了使轮椅车的适用性更广，需要在最小踏步宽度的情况下进行爬楼操作，并借鉴国内其他电动轮椅的车径，因此在此取后轮直径为280mm。 为了实现可以连续上下楼梯，后轮两排车轮的中心距需要满足一定的要求，在此选择踏步宽度为280mm，高度为130mm的台阶为基准设计车轮的中心距。如图3.1所示，为了满足支撑点的要求，两车轮的中心距L==308.7mm，圆整为L=310mm。 图3.5车轮尺寸 已知两个车轮的中心距，连接两个车轮的五个参数相同的传动齿轮的中心距由此可以确定。即a=310/4=77.5mm。初步设定整个轮椅质量为40KG，承载的人的质量为80KG，在一般路面行驶速度为V1=1.5~2m/s，爬30°坡时的速度为V2=0.5M/s，上下楼梯是翻转速度为n=0.5~0.75r/s。 3.3.2 电动机的选取 1.行走机构 假设轮椅和人的质量分别为40kg和80kg，轮椅在水平路面行走的最大速度为2m/s，受力分析如图3.2所示。 图3.6平地行走 由于后轮为四个轮子所以N1=N2=G/4，查阅手册可得轮子与地面的滚动摩擦系数为μ=0.05，摩擦力F1=F2=μG/4，于是可得在水平路面上行走需要的总功率为P1=μGv=120W，轮椅最大爬坡角度设置为30°，爬坡时的速度为0.5m/s，受力分析如图3.3所示： 图3.7爬斜坡 求出爬坡时最大功率P2=Gvsin30°=300W 根据行走机构以上分析结果，考虑到各个结构的传动效率，选取两个250W的直流电动机。已知假设爬坡时的移动速度为0.5m/s，则车轮转速为： r/min 2.翻转机构 行星轮系需要不断翻转来爬楼，所以轮椅和轮系只能通过轴承连接，这样就造成轮椅的重心不稳，容易向前或向后翻转，翻转爬楼的过程就是将重心不断向上向前移动的过程，所以保持重心位置的确定十分关键，既不能在轮椅运行的时候失去平衡，也不能给电机带来太大的负担，通过综合考虑最终将轮椅车和人整体的重心置于距离后轮轴心185mm处。爬楼梯时，乘坐的人需要靠到后背上，经计算，爬楼所需克服的阻力矩为M=（50+80）×10×0.185=240.5Nm，当爬楼时回转速度，求得爬楼所需功率P2=M·=180.4W。 爬楼时每侧的功率P=180.4/2=90.2W，转矩： T= 初步取末级圆柱齿轮传动比为2，行星轮减速器的减速比为186：1，则所需电机的转矩大约为 M=Nm 选取瑞士maxon无刷直流电动机，型号为EC 45，250W，编号136207.选用配套的行星轮减速箱，型号为GP 52 C，产品编号为223099，减速比为186：1。 电动机的参数如图3.6： 图3.8 EC电机 3.3.3 传动结构的设计 1.定轴轮系齿轮设计 定轴轮系齿轮选用斜齿圆柱齿轮，后轮的前后两轮中心距为L=310mm，每个齿轮大小相同，每两个小齿轮之间的中心距a=310/4=77.5mm。初步选取齿数Z=15，m=5，则螺旋角β=15°，分度圆直径d1=mz/cosβ=77.65mm，取齿宽系数=0.4，则尺宽b=30mm。 2末端齿轮的计算 由于需要考虑到电机的布置空间，行走机构末端齿轮取小齿轮齿数为18，大齿轮齿数为36，模数m1=2，螺旋角12°，的分度圆直径d1=2×18/cos12°=36.8mm，d2=73.6mm，中心距a==55.2圆整为55mm。取大齿轮尺宽为20mm小齿轮为23mm翻转机构的末级齿轮，取Z1=10，Z2=20，m2=2.5，螺旋角β=12°。同理求出分度圆直径d1=25.6mm，d2=48.9mm，中心距a=38.3mm，圆整为38mm。取大齿轮尺宽30mm小齿轮尺宽33mm。 部件装配图的确定 4.1 定轴轮系的选用与校核 4.1.1材料的选取 定轴轮系的轴线都是相互平行的，所以齿轮选用圆柱齿轮，而由于斜齿具有平稳性好，承载能力大，结构紧凑的优点，所以本次设计选用的齿轮都为斜齿圆柱齿轮。 同时为了使轮椅的重量降低，缩小维护成本，定轴轮系的5个齿轮选用PA46作为材料。 PA46全称为聚己二酰丁二胺，是一种具有高熔点和高结晶度的新型聚酰胺树脂，具有70%的结晶度，而且结晶速度快，熔点可达到295℃，长期使用温度也可达到163℃。相比于其他工程塑料如PA6、PPA、聚酯等在耐热高温下的机械强度、耐磨等方便优势明显。并且加工容易。PA46材料在玻璃转化温度以上的高温下经过退火处理后，其硬度和强度性能可以提高50%，而且退火后可以降低材料的吸水量。工程塑料在许多方面已经代替金属用于齿轮制造，与金属齿轮相比，对润滑的要求低，质量轻，制造速度更快。 由于轮椅车本身空间有限，重量也是决定性能的一大重要因素，而且作为家庭使用的一种工具，便于维护也是需要重点考虑的因素。而因为电动轮椅车的运行速度并不高，产生的热也相对较少，PA46材料足以完成重任并且取消润滑。 4.1.2 确定许用弯曲应力 （1） 总工作时间 假设轮椅车的使用寿命为5年。每天工作10小时，一年工作300天，在整个使用期限中，预计行走时间占60%。则得出总工作时间： =(5×10×300)×60%=9000h （2） 寿命系数 应力循环系数==3.68× 查表图可取寿命系数=1。 （3） 查阅相关资料得到PA46的弯曲疲劳极限=90Mpa （4） 取安全因数S=1.25 （5） 应力校正系数=1.52 （6） 计算许用弯曲应力==109.44Mpa 4.1.3 确定载荷系数 （1） 使用系数=1.1 （2） 动载系数=1.05 （3） 齿向载荷分布系数 =1.13 （4） 齿间载荷分配系数 由 =2T/d=1081.8N 可得 =39.7<100 查表取=1.74 （5） 计算载荷系数 ==2.27 4.1.4 重合度的计算 （1） 端面重合度 =1.4 （2） 纵向重合度 =0.318=0.51 （3） 总重合度 =+=1.91 4.1.5齿根抗弯疲劳强度校核 （1） 齿形系数和应力修正系数 当量齿数==16.64 圆整为17 查表得=2.9 =1.52 （2） 重合度系数 端面压力角==20.65° 基圆螺旋角==14.08° 由此可得当量齿轮端面重合度==1.488 于是得到重合度系数=0.25+0.75/=0.754 （4） 螺旋角系数=0.91 由此算出齿根弯曲应力==45.6<[] 得出结论：齿根抗弯疲劳强度满足要求。 4.2中心轴强度计算 4.2.1中心轴的尺寸设计及校核 估算轴的最小直径 由表15-3查A0等于120， d=19.5 mm， 因为有一个键槽，所以轴径扩大5%，，所以取d最小为20mm。 校核： （1） 按扭转强度校核轴杆 轴杆的扭转强度条件为： 式中：------扭转切应力 T------轴杆所受的扭矩 WT------轴杆的抗扭截面系数 n------轴杆的转速 P------电动机送递的功率 d------计算截面处的直径 tT=19.1 所以 d>= 所以最小直径d=20符合要求。 结论 大学四年终于毕业了，这是我四年来第一次自己独立完成一件作品，我知道这其中存在很多问题，仍有很多地方值得改进，但我仍自我感觉很好了，这毕竟是我一个没有任何经验的学生第一次做的毕设。从接到毕设题目，我就开始查阅各种资料，学习很多在课本中没有学到的但在毕设中需要的知识。像电磁阀的原理，陀螺仪的原理，差速器的原理，ug的运动仿真等等，我设计的机械部分的机构足以实现ibot的任何功能，如果再加上电气部分的控制，就可以实现ibot的几乎全部功能，在ug的仿真运动中我看到自己的不足，很难实现轮椅的爬楼梯功能，对step函数的理解不到位，今后还要更加认真学习。 轮组轮椅在平地行走时，由在座椅下面的蓄电池提供动力，整个车的重心在距后轮185mm处，平地时前轮也能承受一定的力，也保持轮椅的稳定。而翻转爬楼梯时，由陀螺仪保持平衡，只是后轮着地翻转，如果节约成本不适用陀螺仪，也可以让一个人在后面做辅助保持平衡，并不需要很大的力气。 这次设计的主要任务是完成机械部分的设计，能实现平地行走，金鸡独立，爬楼的功能就行，至于电气控制本文没有设计，具体的内容需要到以后的设计中再改进。 虽然至今我国还没有完全统一的建筑楼梯指标，但是设计此车时充分考虑次情况，使它基本可以适应各种尺寸的楼梯，综合考虑，体积小，价格低，运动效率高。所以我相信它将是一款很好的产品，必将得到市场的认可。 参考文献 [1]白忠哲，美国机器人企业介绍-DEKA研发公司与Segway LLC [2]高峰，新型轮椅能爬楼梯 [3]嘉年乐，国外智能电动轮椅研究现状 [4]机械设计课程设计指导书 [5]马永为，基于行星轮系的爬楼梯轮椅研究 [6]成大先主编，机械设计手册第五版 [7]两轮式爬楼梯电动轮椅车， [8]机械行星式无级变速器设计， [9]苏和平，王人成，一种双联行星轮机构电动爬楼梯轮椅的设计[J] [10]《中华人民共和国国家标准，电动轮椅车 GB12996-91》 国家技术监督局 [11]电动轮椅使用说明书 [12]枫网，轮椅使用的注意事项， [13]濮良贵，纪名刚，陈定国，吴力言，西北工业大学机械原理及机械零件教研室 编著，《机械设计》第八版 [14]中国建筑工业出版社，住宅设计规范，公告第1093号，2012-08-01 [15]《电动轮椅》沐风网 [16]何清华，黄素平，黄志雄，中南大学机电工程学院，智能轮椅的发展现状和发展趋势， [17] 《机械设计课程设计指导书》哈尔滨工业大学 宋宝玉主编 [18] 《一种双联行星轮机构电动爬楼梯轮椅的设计[J]》 苏和平，王人成 [19] 《基于行星轮系的爬楼梯轮椅的研究》 致谢 本论文的内容是在指导老师曹东兴教授的悉心指导下完成的，曹东兴教授具有深厚的学术造诣、并且有科学的工作方法、严谨的治学态度以及毁人不倦的教师风范给了我极大的帮助和影响，让我学到了很多知识。在我此次做毕业设计的时间内，曹东兴教授和学校里的其他很多老师们都给了我极大的关怀和帮助，在此向曹东兴教授以及其他帮助过我的老师们致以崇高敬意和真诚的感谢。 另一方面在我的设计进程中，我身边的舍友同学、学长和朋友们也给了我宝贵的建议和指导，在此由衷的感谢他们，希望他们的毕业设计也能取得良好的成果，未来的工作也能蒸蒸日上。同时还要感谢一直陪伴我鼓励我的家人，有了你们对于我精神和生活上的支持，我才能顺利的完成学业和课题。 最后，对所有的评阅老师、教授、专家学者们表示真挚的谢意。 201x年6 月 7 日  - 25 -