轮式可爬楼梯轮椅车设计【三维SW】【含7张CAD图纸】

轮式可爬楼梯轮椅车设计【三维SW】【含7张CAD图纸】,三维SW,含7张CAD图纸,轮式,楼梯,轮椅车,设计,三维,SW,CAD,图纸 任务书 论文(设计)题目：轮式可爬楼梯轮椅车设计 工作日期：2017年12月18日 ~ 2018年05月25日 1.选题依据: 该设计的机械部分主要由底盘小车和轮椅系统组成，底盘小车具有平地行走和爬楼梯和越障碍物的功能，由行星轮机构和万向轮机构完成，座椅系统主要多自由度可调姿态平台组成，由旋转机构和平移机构组成。该题目属于机械设计范畴，符合机制专业本科毕业生毕设设计题目要求。 2.论文要求(设计参数): 本设计的行星轮式爬楼梯轮椅的整体机械部分分为底盘系统和座椅调节系统组成。底盘系统主要包括行星轮机构和导引万向轮组合机构组成。座椅调节系统主要由座椅旋转机构和座椅调节机构组成。 1.要求自行轮椅的运动平顺性，平地行走速度不大于15km/h。 2．要求可靠的上下楼梯能力，机械结构合理，传动效率高。 3. 阶髙度为180 mm±5 mm,最小楼梯坡度为35°,容许误差为1°。所有楼梯的梯级突边都在由两个相距10 mm、倾斜角度与楼梯坡度相同的平行平面所形成的区域内。 4.要求使用行星轮减速器及蜗轮蜗杆式大减速比装置形成自锁功能，使轮辐电机驱动 轮组翻滚时，轮组中心齿轮不转动。 。5. 用Solidworks软件构建底盘系统及座椅调节系统，其中必须有一个系统的3D设计图，并作爆炸视图和动画演示。 6.绘制或者生成主要零部件的二维工程图。 7.撰写设计说明书，字数不少于6000字。 3.个人工作重点: 1.行星轮机构的设计 2.万向轮机构设计 3.座椅调节系统的设计，旋转机构和平移机构。4.利用Solidworks软件绘制零件图及装配图。 4.时间安排及应完成的工作: 第1周：了解题目研究的主要内容和理论意义及应用价值，查阅有关文献。 第2周：查阅文献、阅读文献，了解研究的内容及实现的技术路线 第3周：撰写文献综述并完成开题报告 第4周：修改开题报告及文献综述准备开题答辩。 第5周：轮式可爬楼梯轮椅车总体结构设计，绘制设计草图 第6周：底盘系统设计计算，行星轮机构设计及计算，绘制草图 第7周：万向轮机构设计，绘制草图。 第8周：底盘系统的三维工程图建模及装配。第9周：座椅系统可调机构设计计算机校核第10周：绘制可调节系统三维工作图 第11周：绘制旋转系统三维工程图 第12周：修改并完成总体装配图并生成avi爆炸视图的视频文件第13周：撰写设计说明书 第14周：提交论文、图纸、查重报告，准备答辩 5.应阅读的基本文献: [1] 房立新等.行星轮式爬楼梯电动轮椅[P].中国专利号：CN102125488A，2011年7月. [2] 赵树明.爬楼梯智能轮椅[P].中国专利号：CN201564701U，2010. [3] 王中发.实用机械设计[M].北京：北京理工大学出版社，1998. [4]成大先.机械设计手册[M].第5版.北京:化学工业出版社，2010。 [5]濮量贵、 陈国定、吴立言 《机械设计》[M ].高等教育出版社，2013年5月第9版[6]陈永当，任慧娟，武欣竹.. 基于Solid Works Simulation的有限元分析方法[J]. CAD/CAM与制造业信息化，2011(9). [7]白象忠.材料力学[M].北京:中国建材工业出版社，2003 [8]朱孝录 《机械传动设计手册》 [M ].电子工业出版社出版，2007年10月第五版[9]闻邦椿 《现代机械设计实用手册》[M].机械工业出版社，2015年7月第1版[10] 电动自行车实用技术.北京：人民邮电出版社，2008. 指导教师签字： XX 教研室主任意见： 同意 签字：XX 2017年12月14日 教学指导分委会意见： 同意 签字：XX 2017年12月15日 学院公章 进度检查表 第 -4 周 工作进展情况 第-4周：了解题目研究的主要内容和理论意义及应用价值，查阅有关文 献。 第-3周：查阅文献、阅读文献，了解研究的内容及实现的技术路线 第-2周：撰写文献综述并完成开题报告 2018年01月08日 指导教师意见 当面讲解设计题目要求和理论意义及应用价值。讲解开题报告的内容及写作方法，讲解文献资料的查阅及文献综述的写作要求。充分领会选题的内容及意义。 指导教师(签字)：XX 2018年01月11日 第 -1 周 工作进展情况 第-1周 修改开题报告及文献综述，熟悉所做项目内容并准备开题答辩 。 2018年01月11日 指导教师意见 该生工作态度认真，学习努力刻苦，查阅了大量的文献资料，多次修改并完成了开题报告。工作时间安排合理，技术路线规划切实可行，文献综述格式正确，内容较为充分。 该生较好地完成开题报告及开题答辩。同意开题. 指导教师(签字)：XX 2018年01月11日 第 5 周 工作进展情况 第1周：完成轮式可爬楼梯轮椅车总体结构设计，绘制设计草图 第2周：完成底盘系统设计计算，行星轮机构设计及计算，绘制草图 第3周：完成万向轮机构设计，绘制草图。 第4周：完成底盘系统的三维工程图建模及装配。 第5周：完成座椅系统可调机构的设计计算及校核 。 2018年03月27日 指导教师意见 基本按照计划进行，部分计算需要进一步验算校核，图纸的技术要去需要完善。 指导教师(签字)：XX 2018年04月07日 第 10 周 工作进展情况 第6周：绘制可调节系统三维工作图第7周：绘制旋转系统三维工程图 第8周：修改并完成总体装配图并生成avi爆炸视图的视频文件第9周：完成设计说明书的撰写 2018年05月09日 指导教师意见 总体设计基本按要求完成。需要注意几个问题：三维图生成二维图纸过程中，一些不合理的尺寸需要按照国标的要求进一步修改。技术要求要标注全，部分地方需要改进。三维爆炸视图基本合理。设计说明书格式尚有错误 ，需要进一步修改。 指导教师(签字)：XX 2018年05月12日 过程管理评价表 评价内容 具体要求 总分 评分 工作态度 态度认真，刻苦努力，作风严谨 3 3 遵守纪律 自觉遵守学校有关规定，主动联系指导教师,接受指导 3 3 开题报告 内容详实，符合规范要求 5 4 任务完成 按时、圆满完成各项工作任务 4 4 过程管理评分合计 14 过程管 理评语 该同学工作态度认真，刻苦踏实，作风严谨，学习态度端正 ，能多次主动联系老师，虚心接受指导。 该生能自觉遵守校规校纪，在毕业设计阶段一直在专心做设计 ，没有参加其他的工作，按拟定的进度计划开展毕业设计工作。 该生有较强的文献资料检索能力，占有资料较为全面，开题报告的撰写内容详实，格式基本符规范要求，文献综述较为全面，外文翻译基本正确可信。 中期检查按时达到计划进度的设计任务。整个毕业设计全程基本按照计划圆满完成各阶段的任务。最后的论文设计图纸等按时提交。 指导教师签字:XX 日期:2018-05-23 指导教师评价表 评价内容 具体要求 总分 评分 选题质量 符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满 5 5 能力水平 有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力 5 4 完成质量 文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规 10 8 指导教师评分合计 17 指导教 师评语 该题目来源于生产实际，属于机械设计范畴，符合机械设计制造及其自动化专业培养目标要求，有较强的实践意义，有一定的社会需求。该题目难度、深度适宜，绘图量较大，尤其是基于三维绘图的设计，工作量很饱满。 该生有较强的综合运用知识的能力和较高科研方法运用能力。有较好的中文外文表达能力，文献资料检索能力较强，计算机应用能力尤其是三维绘图能力较强。 该设计文题相符，概念准确，分析、计算、校核基本正确、合理，结论明确可信。论文结构、格式、图、表等基本符合规范要求 。 同意参加答辩” 指导教师签字:XX 日期:2018-05-23 评阅人评价表 评价内容 具体要求 总分 评分 选题质量 符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的 开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满 5 4 能力水平 有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表 达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力 5 4 完成质量 文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确 合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规 10 8 评阅人评分合计 16 评阅人 评语 轮椅是肢体残疾人和老年人的重要代步工具。对其进行相关的设计分析，符合本专业培养目标的要求，具有一定的实际应用价值 ，难度和工作量适中。傅洪涛同学对可爬楼梯轮椅车的传动系统 ，尾架系统等进行了总体设计，也进行了相关的参数设计与分析 ，工作内容较为丰富。设计说明书内容较为完整、层次基本清晰、格式符合基本规范、公式引用及计算合理，绘制的工程图样符合基本标准要求。提交的设计资料反映出该生具备一定的知识综合应用能力、文字表达能力和使用工程软件进行设计的能力。 评阅人签字：XX 评阅人工作单位：XX日期：null 答辩纪录 学生姓名：XX 专业班级：XX 毕业论文(设计)题目： 轮式可爬楼梯轮椅车设计 答辩时间：2018年05月 日 时 分 ~ 时 分 答辩委员会(答 主任委员(组长)： XX 辩小组)成员 委 员(组 员)： XXXX 答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况 问题1：为什么选该结构？ 回 答： 结构简单，速度快，价格低；但上楼梯振动大。问题2：电池的容量？蓄电量多大？ 回 答： 适合七楼；持续性无考虑。问题3：轮椅车的座椅部分安全否？ 回 答： 椅子沿滑轨固定，重心会变化。问题4：6.1图的位置？ 回 答： 在A0图表示 问题5：滑轨的尺寸如何计算；滑轨如何改进？ 回 答： 厚度为T；间隙配合。 问题6：轮子几个？是什么轮？ 回 答： 橡胶圈，减震，耐磨，增大摩擦力。 记录人： 2018年05月24日 答辩委员会评价表 评价内容 具体要求 总分 评分 自述总结 思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理 10 9 答辩过程 能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据 10 8 选题质量 符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的 开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满 5 5 完成质量 文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确 合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规 10 9 能力水平 有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表 达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力 10 8 答辩委员会评分合计 39 答辩委员会评语 傅洪涛同学在毕业设计工作期间，工作努力，态度认真，能遵守各项纪律 ，表现良好。 能按时、全面、独立地完成与毕业设计有关的各环节工作，具有一定的综合分析问题和解决问题的能力。 论文立论正确，理论分析得当，解决问题方案实用，结论正确。 论文使用的概念正确，语言表达准确，结构严谨，条理清楚。 论文中使用的图表，设计中的图纸在书写和制作时，能够执行国家相关标准，规范化较好。 具有一定的独立查阅文献资料及外语应用能力，原始数据搜集得当，实验或计算结论准确。 答辩过程中，能够简明和正确地阐述论文的主要内容，思路清晰，论点基本正确；回答问题准确，有应变力；有较好的语言表达能力。 答辩成绩： 39 答辩委员会主任： XX 2018年05月30日 成绩评定 项目分类 成绩评定 过程管理评分 14 指导教师评分 17 评阅人评分 16 答辩委员会评分 39 总分 86 成绩等级 B 成绩等级按“A、B、C、D、F”记载 成绩审核人签章： XX 学院审核人签章： XX 附录1 星轮式爬楼梯轮椅 摘要：为了实现轮椅爬楼梯的功能，本文设计了一种星轮爬梯机构。通过锁紧联轴器、星轮爬升机构的作用形成定轴轮系或行星轮系以实现平面行走和爬楼梯功能。通过穿越障碍分析得到轮椅能通过的最大高度和最小宽度的障碍物。在SolidWorks三维仿真中进行应力应变分析来验证材料强度。 关键词：爬楼梯轮椅；行星轮机构；越障分析；Solidworks三维仿真分析 1引言 近些年来，轮椅正在朝着智能化发展。根据文献[ 1-2 ]，轮椅已经拥有多功能护理功能和升降功能，甚至可以在智能家居环境中使用。它不仅满足了残疾人士的基本需求，同时也为他们的生活提供了便捷。然而，在市场上的残疾人轮椅采用的是普通轮式机构，只有地上行走的功能。当遇到上楼和下楼的情况时，这种轮椅就不能满足爬楼梯功能。 在国内外主要有两种用以爬楼梯的轮椅车，一种是连续型爬楼梯轮椅车，一种是间断型爬楼梯轮椅车。连续型爬楼梯轮椅车有能量传递效率高，行走时重心的偏离波动小，运动流畅和适用的地形范围广泛这些优点。同时它也有一些缺点，比如它的重量太重，运动不够灵活，在爬楼梯的时候对楼梯的边缘会施加巨大的压力所以对楼梯有较大的损坏，在平坦的道路上前行时会受到很大的阻力，转向还不方便。连续型爬楼梯轮椅车虽然有行走机构光滑的优点，运动、功能也适用于不同大小的楼梯。但是它比连续型爬楼梯轮椅车控制要求高，操作更复杂，在地面上移动缓慢[ 3 ]。 因此，为了解决上述问题以及给老年人和残障人士的出行提供一个性能更加优越的交通工具，设计一款价格低廉、安全可靠的爬楼梯轮椅车是一个有很大意义和实用价值的行为。它不仅要解决用户上下楼梯的不便，还要考虑到他们的负担能力。 2机械设计 2.1总体设计 图1 爬楼梯轮椅车整体结构图 本文中设计了一种行星轮式爬楼梯轮椅车。如图1所示，行星轮式爬楼梯轮椅车主要由机架、行星轮机构和传动部件构成。两个由固定在机架上的两个电机分别驱动的传动轴控制着行星齿轮传动装置，从而使轮椅车能够实现爬楼梯和行走的功能。 2.2行星轮机构设计 如图2所示，行星轮式爬楼梯机构包括传动轴1、管轴2、旋转臂3，太阳轮4，传动齿轮5，驱动齿轮6和车轮7。传动轴的一端与太阳轮相连并通过一个轴承悬空放置在旋转臂上，另一个与锥齿轮轴配合。主轴上空套的管轴一端与旋转臂固定连接，另一端连接自锁装置。过度齿轮5和驱动齿轮6分别悬空安装在手臂3和车轮7上，三个轴的中轴线是等距分布的。 四组齿轮间通过各自轴的作用间接承受了整个轮椅车的重量，轮子上的齿轮绕着它自身的轴进行旋转。当自锁装置分离传动轴和管轴时，轮椅车可以在地面上平稳行驶。通过电机驱动齿轮转动可以使与地面接触的车轮获得和齿轮同样的角速度。 当前车轮撞到比轮子高的障碍物停止移动时，通过锁紧联轴器与管轴锁紧的传动轴驱动管轴和手臂3旋转，从而使得三个车轮绕着中心太阳轮的轴线进行旋转进而实现翻越障碍物的功能（即爬楼梯）。 图2 行星轮机构 3穿越障碍分析 除了有一个很强的爬楼梯技巧之外，爬楼梯轮椅车当然需要有一个越障的能力和一个障碍闪避系统[ 4 ]。本文仅对行星齿轮传动机构翻越障碍的能力以及爬楼梯时轮椅的稳定性进行了分析。 图3 越障分析 如图3所示，当翻越障碍时车轮组必须满足以下的关系： a≤（3R2 - r2） （1） 其中，a是障碍物的高度；b是障碍物的宽度；r是车轮的半径；R是车轮组中心与车轮中心之间的距离；x是梯子和行星齿轮的中心之间的距离。 为了保证两个轮子之间不存在障碍物和前轮在攀爬障碍物后可靠地与材料接触，当可爬楼梯轮椅车爬上障碍物时，障碍物的宽度需要满足以下要求： B+2r≤R （2） 根据文献[ 5 ]，对行星轮传动机构的主要设计参数为：R = 140mm，r= 85毫米，t= 45毫米。然后通过公式（1）和（2）我们可以得到： amax ==227(mm) bmax = R- 2r=72(mm) 可以得出结论，行星轮式可爬楼梯机构可以跨越障碍物的最大高度为227毫米，能跨越障碍物的最小宽度为72mm，它有一个相对较高的越障能力，并且可以满足轮椅车在日常平坦道路上行走的要求。 4应力应变分析 为了在本文中验证设计机构结构的强度，为后续的优化设计打下基础，本文选择SolidWorks三维仿真软件进行应力应变分析。SolidWorks三维仿真软件主要由三部分组成：前处理模块、模块划分和后处理模块。由于本文所采用的模型是用SolidWorks三维软件建模的，可以直接用Solidworks三维进行仿真分析。分析步骤为： （1）零件和材料特性的定义； （2）定义夹具类型； （3）定义外部负载； （4）有限元网格划分； （5）解决； （6）视图求解结果。 根据上面的步骤，以下部分的应力应变分析结果显示在图4-图9。 图4 传动轴应力分析 图5 传动轴应变分析 图6 管轴应力分析 通过以上分析，我们可以了解到零件上关键位置的最大位移和最大应力。在设计过程中，主要对应力进行了检验。 通过分析关键零件图的结果，最大应力在传动轴如图4所示的杂志部分的输入部分上，最大应力位于轴的直径变化部分上，应力为41.5 MPa。以上材料的关键部件是45钢。经过查验材料手册，45钢的屈服强度为355兆帕。它大于零件的最大应力，具有较高的安全系数，满足设计要求。通过利用Solidworks三维仿真软件进行行星轮可爬楼梯轮椅车的有限元分析，既能检查出满足要求的强度，又可以为轮椅的进一步优化奠定了基础。 图7 管轴应变分析 图8 车轮应力分析 图9 车轮应变分析 5结论 本文分析了常用的可爬楼梯轮椅车的特点，设计了一种行星轮式可爬楼梯轮椅车，通过使用行星齿轮传动机构拥有爬楼梯和平地行走两种功能。通过行星齿轮传动机构的尺寸设计，并对越障能力的分析，我们可以获得这种越障能力高，适应各种不同尺寸楼梯能力强，重量轻，结构紧凑，安全性好的行星轮式可爬楼梯轮椅车。 附录2 一、选题依据 1．论文（设计）题目 轮式可爬楼梯轮椅车设计 2．研究领域机械设计 3．论文（设计）工作的理论意义和应用价值 理论意义：对于年老体弱者以及下肢伤残者，轮椅是其必不可少的行走辅助设备， 由于我国无障碍设施的滞后，这类人群的出行问题十分突出。鉴于目前的轮椅、电动 轮椅能在坡度小于 12 度平坦的路面上行驶，但遇到楼梯台阶、沟槽、坎就无法跨越， 使轮椅具有爬楼梯能力是解决这类问题的关键。研究这类问题具有现实的理论意义。 应用价值：从市场的角度看，轮椅是肢体残疾人和老年人的重要的代步工具，随 着人们生活水平的提高，轮椅被看作是一个潜力巨大的市场。从全球范围来看爬楼梯 轮椅的研究已经有近百年的历史，提出了各种轮椅爬楼梯的解决方案。在这些方案中， 行星轮式爬楼梯轮椅可以兼顾平地行走和爬楼梯，是比较理想的爬楼梯解决方案。所 以，研究轮式可爬楼梯轮椅车无论从经济价值，可行性都具有很高的应用价值。 4．目前研究的概况和发展趋势 在爬楼轮椅的研究范围内，国外起步比较早，1982 年美国科学家 Bray 发明了第一个爬楼梯轮椅，此后各个国家纷纷推出了各自的产品，取得了很多成果，很多已经 上市，我国在这方面研究比较晚。按照爬楼轮椅的原理，大致可以分为： （1）行星轮式 行星轮式是交通运输工具中应用广泛的一种运动机构，在国外一些 爬楼机器人中也广泛采用了轮式结构。 （2）履带式 第二种是履带式，履带式原理比较简单，和履带式坦克装甲车类似。 （3）腿足式 早期的爬楼轮椅一般都采用腿足式，其爬楼机构由铰链杆件机构组成。 （4）其他装置 现有的辅助式机构基本可以分为两种。第一种是在已有的普通轮椅的基础上附加可以实现爬楼功能的辅助装置来实现爬楼的目的。第二种是轨道式爬楼 梯装置，通过在普通楼梯上安装轨道实现普通轮椅实现上楼和下楼。 未来的研究将向以下几个方面发展。 ( 1) 质量轻 作为代步工具，爬楼梯轮椅车的能源系统一般采用的是机载电源，所以要求系统整体重量轻，以延长续航时间。同时，减轻重量也可相应提高上下楼梯时 的灵活性，降低控制的难度。 ( 2) 可靠性 高爬楼梯轮椅面向的对象是老年人以及肢体残疾人士，爬楼梯轮椅的设计应从细微处出发，设计安全、舒适、性能稳定的产品，爬楼梯过程中应保证重心 波动小，安全保证措施响应及时。 ( 3) 功能齐全 爬楼梯轮椅在功能设计上应最大程度的满足人性化要求，构建良好的人机交互界面，使产品真正意义上融入到使用者生活的各个方面。 ( 4) 价格低 爬楼梯轮椅投入市场被用户接受的一个重要因素是价格因素，爬楼梯轮椅要实现批量生产，必须采用模块化的设计思想，这样用户不仅可以自主选择配置 合适的轮椅，同时，也可降低生产成本，缩短研发周期，提高性价比。 二、论文（设计）研究的内容 1.重点解决的问题 （1）行星轮机构的设计 （2）万向轮机构设计 （3）座椅调节系统的设计，旋转机构和平移机构。 （4）利用 Solidworks 软件绘制零件图及装配图。 2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） （1）轮式可爬楼梯轮椅车总体结构设计 （2）底盘系统设计计算 （3）行星轮机构设计及计算 （4）万向轮机构设计 （5）座椅系统可调机构设计计算机校核 3.本论文（设计）预期取得的成果 在初步准确完成所需要设计的项目并完善工程图的情况下。使轮式可爬楼梯轮椅 可以实现平地行走和越障爬楼的功能，对崎岖的路面具有较好的适应能力，并且座椅 可具有可调姿态机构，使人坐起来更加舒适，推轮椅的人也更加省力。同时底盘小车 具有平地行走和爬楼梯和越障碍物的功能，座椅系统主要有多自由度可调姿态功能。 最终使得产品能够得到社会广泛认可，能够投入市场进行批量生产。 三、论文（设计）工作安排 1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数） 主要是搜集文献，查阅相关设计手册和书籍，进行市场调研并参观现有研究成 果，在老师指导下开展设计研究工作，利用计算机辅助设计，力学计算，三维软件 等进行仿真模拟。 设计参数： （1）要求自行轮椅的运动平顺性，平地行走速度不大于 15km/h。 （2）要求可靠的上下楼梯能力，机械结构合理，传动效率高。 （3）台阶髙度为 180 mm±5 mm,最小楼梯坡度为 35°,容许误差为 1°。所有楼梯的梯级突边都在由两个相距 10 mm、倾斜角度与楼梯坡度相同的平行平面所形成的区域内。 2.论文（设计）进度计划 第 1 周：了解题目研究的主要内容和理论意义及应用价值，查阅有关文献。 第 2 周：查阅文献、阅读文献，了解研究的内容及实现的技术路线 第 3 周：撰写文献综述并完成开题报告 第 4 周：修改开题报告及文献综述准备开题答辩。 第 5 周：轮式可爬楼梯轮椅车总体结构设计，绘制设计草图 第 6 周：底盘系统设计计算，行星轮机构设计及计算，绘制草图 第 7 周：万向轮机构设计，绘制草图。 第 8 周：底盘系统的三维工程图建模及装配。 第 9 周：座椅系统可调机构设计计算机校核 第 10 周：绘制可调节系统三维工作图 第 11 周：绘制旋转系统三维工程图 第 12 周：修改并完成总体装配图并生成 avi 爆炸视图的视频文件第 13 周：撰写设计说明书 第 14 周：提交论文、图纸、查重报告，准备答辩 四、需要阅读的参考文献 [1] 房立新等.行星轮式爬楼梯电动轮椅[P].中国专利号：CN102125488A，2011 年 7 月. [2] 赵树明.爬楼梯智能轮椅[P].中国专利号：CN201564701U，2010. [3] 郑晓瑛． 中国残疾人口现状与未来发展趋势［J］． 北京大学校报， 2008． [4] 刘静． 自动爬楼梯轮椅的虚拟设计与运动仿真［J］． 机械研究与应用，2012 ( 6) : 133． [5] 隋春平，吴镇伟． 一种基于差动机构的履腿复合式移动机器人:CN，201010563 622．7［P］． 2010．11．29． [6] 傅晓锦，朱世奇． 双履带轮越障轮椅: CN，201210205979．7［P］. [7] Axel lankenau，Thomas rofer． A versatile and safe mobility assistant ［J］． IEEE Robotics and Automation，2001( 8) : 29 － 37． [8] Lawn M J． Study of Stairs － Climbing Assistive Mechanisms for the Disabled［D］． Nagasaki: University of Nagasaki，2002． [9] 苏和平，王人成．爬楼梯轮椅的研究进展［J］．中国康复医学杂志，2005，20( 5) : 366 － 368． [10] 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，2002( 2):12－16． [11] 王占礼,郭化超,陈延伟. 爬楼梯轮椅发展及关键技术的研究［J］.长春工业大学,2013 [12] 苏和平，王人成． 爬楼梯轮椅的研究进展［J］．中国康复医学杂志，2005， 20( 5) : 366 － 368． [13] 吴昌林，金强，赵青.行星轮式爬楼轮椅的越障能力分析[J]，机械设 计,2010,27(1):48-49. [14] 金强，吴昌林，刘香香.行星轮式爬楼轮椅的应用研究[J],中国康复医学杂 志,2011,26(1):65-68. [15] 焦梦锦.爬楼轮椅专利技术综述[J].国家知识产权局专利局专利审查协作天津 中心.2017.7 [16] 范星光.爬楼轮椅的总体设计及关键问题研究[D].贵州大学.2016.6 [17] Li Xiaoman, Wang Zhengxing, Zhang Shuai, et al. The design of multi-function nursing wheelchair [J]. Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2013, 23(1):68-70. [18] Zhang Li,Wu Bo,Jin Ai-min,et al.A Star-Wheel Stair-Climbing Wheelchair [J].Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing，2014.9 附：文献综述或报告 1 引言 在经济飞速发展、人口密度越来越大的现代社会里，楼梯的诞生缓解了建筑用地 日益紧张的压力，提高了人们对空间的利用率。但是大部分人住在公寓式楼房内，而 一般的 7 层以下的楼房都没有安装电梯，这给老年人或者腿部残疾人士带来了很多的不便。在这种情况下，楼梯对于他们往往意味着一个巨大的障碍需要去克服，给他们 的出行带来了很多不便，影响他们与外界的沟通交流。 另外这一问题随着老年人和残疾人数量的增多[3]日益突出。2002 年，全世界 80 岁以上老年人口达到 6.06 亿，而且正在以比总人口快的速度递增，据联合国估计， 2020 年将达到 10 亿 这些人群在出行的时候多数是需要轮椅的，老年人和残疾人比例的显著增加给医疗，护理，社会服务方面的需求带来了严峻的挑战，加重了社会和 个人的家庭的负担，而且也影响到了他们的正常生活。 轮椅对于年老体弱者及肢体伤残者而言是他们必不可少的代步工具，其应用需求 越来越大。但是，它们一般仅适合在平地上使用，很少具备爬楼梯和翻越路障的能力， 这给轮椅使用者带来诸多不便。由于伤残者对回归社会和独立生活的渴望，促使轮椅 的性能和质量不断完善和提高[4]。为此，目前也有很多人致力于爬楼梯轮椅的研究。 我国的轮椅产业发展较缓慢，能爬楼梯的多功能轮椅在国内尚无成熟的产品。随着社 会生产力的发展，人们生活水平的不断提高，考虑老年人及残疾人对出行的方便性的 需求，研制具有爬楼梯功能的轮椅具有重大的现实意义。 2 国内外研究现状 在爬楼轮椅的研究范围内，国外起步比较早，1982 年美国科学家 Bray 发明了第一个爬楼梯轮椅[16]，此后各个国家纷纷推出了各自的产品，取得了很多成果，很多已 经上市。我国在这方面研究比较晚，针对电动爬楼梯轮椅的研究已经取得了一定的成 效，但主要还停留在实验室或是少数量产，并没有真正产业化，在研究上仍有很多空 间。 图 1 国内外专利申请量的分布对比图 爬楼轮椅专利申请的时间分布及分析[15]。国外在爬楼轮椅方面的专利文献出现较 早，最早的有关爬楼轮椅的专利出现在 1912 年。国内关于这一主题的申请最早出现 在 1991 年，比发达国家晚了近 80 年，在进入 21 世纪以后才逐渐发展起来。图 1 是 1960 年至 2016 年国内外专利申请量的分布对比图。可以看出，2008 年后该主题的专利申请量明显上涨，反映出随着我国经济社会的发展，人们对老龄群体和残疾人士 的关注度大大提高。 总体而言，根据爬升结构的不同，通常采用三种结构原理[5]，一种结构是采用行 星轮机构; 一种结构是履带轮型爬楼梯轮椅; 一种结构是腿足式结构。另外还有很多种的辅助装置。 (1)行星轮式 行星轮式是交通运输工具中应用广泛的一种运动机构，在国外一些爬楼机器人中 也广泛采用了轮式结构。轮椅应用方面，普通轮椅以及电动轮椅都是采用的这种轮式 结构，其体积小，结构简单，控制简便，能够实现平衡快速地移动，能量利用效率高， 采用差动传动时转向半径小，转向灵活[6-9]。对于行星轮型爬楼轮椅，结构简单，并利 用自锁机构保证上下楼梯时不倾倒。但该爬楼轮椅对楼梯的适应性较差，不能满足使 用者对舒适性和可靠性的需求。 (2）履带式 第二种是履带式，履带式原理比较简单，和履带式坦克装甲车类似，技术也比较 成熟，它的行走方式比行星轮式爬楼轮椅更为连续，具有很高的传动效率，在上下楼 梯的时候，轮椅的重心始终和楼梯台阶沿的连线保持平行，轮椅的重心波动很小，比 较平稳。履带式机构支撑面积大，通过性能好，下陷度小，具有较强的地形适应能力， 爬坡，越沟等性能相对于轮式机构有明显的优势。在上下楼梯时采用履带轮的方式， 保证了上下楼梯过程的连续性[8-9]。但是，所述履带轮型爬楼轮椅无法实现从斜面到平 面的姿态平稳转换，且结构笨重，对楼梯边沿的损害程度很大，运动过程的阻力矩较 大，换向过程实现困难，能源利用效率低，这些问题在很大程度上限制了该型轮椅在 上下楼梯中的使用。 （3）腿足式 对于腿足式结构爬楼梯轮椅，该结构模仿人上下楼梯的动作，采用一组或几组腿 交替升降、支撑爬楼的原理，对楼梯的适应性很强，上楼时，先将整个轮椅升高，再 水平向前移动，如此重复这两个过程就直至爬完一段楼梯。腿足式爬楼梯装置模仿了 人类爬楼的动作，外观其实可以视为机器人，采用多条机械臂交替升降，支撑轮椅爬 楼的原理[8-9]。但是，其承载重心偏高，倾翻危险性大，对稳定性要求极高，控制难度 很大，机构结构复杂，还有诸多问题需要解决。 （4）其他装置 现有的辅助式机构基本可以分为两种[16]。 第一种是在已有的普通轮椅的基础上附加可以实现爬楼功能的辅助装置来实现 爬楼的目的，它们是独立的装置，可以辅助普通的轮椅实现爬楼梯的功能。 第二种是轨道式爬楼梯装置，通过在普通楼梯上安装轨道实现普通轮椅或者 其他交通装置实现上楼和下楼。 总结国内外各类爬楼梯轮椅的特点可以看出，发展至今大多数爬楼梯装置的自主 性不高，仍需在旁人协助的条件下实现上下楼梯，而且在稳定性和安全性等可靠性方 面存在的很多问题也值得深入研究。如何在保障爬楼梯轮椅整体体积小、重量轻的前 提下，结合先进的传感手段和控制技术实现其可靠、平稳的上下楼梯将是今后“老人 /残障者上下楼梯助行系统”研究领域的发展方向。 3 爬楼梯轮椅系统关键技术 爬楼梯轮椅系统研究内容主要由机械结构设计、控制系统设计两大部分组成[10]。 其中机械机构设计主要完成爬升机构设计、辅助支撑机构设计两方面内容; 控制系统设计包括控制系统结构设计和控制系统算法两部分，爬楼梯轮椅系统的基本控制结构 如图 2 所示。这两部分内容紧密联系、相辅相成共同作用实现理想的运动路径和运动状态。 图 2 爬楼梯轮椅系统基本控制结构 3． 1 机械结构设计 机械结构设计的目的应满足爬楼梯助行系统机械结构紧凑、整体重量小，具有合 理的路径规划能实现连贯爬升运动。机械结构设计的优劣程度很大范围内决定了系统 的适应能力及控制过程的难易程度，是系统设计的核心所在。 3． 1． 1 爬升机构设计 爬楼梯轮椅系统机械结构设计的核心是爬升机构，能够实现爬越楼梯这种越障运 动的主要有星轮式、履带式、腿足式 3 种。在这 3 种爬升机构的基础上，吸取各自的优点，发展组合式的爬楼梯装置将是今后研究的创新方向。 结合爬楼梯运动路径的特点，采用可将独立运动分解为两个有差异运动，或将两 个有差异的运动合成为一个运动的差动机构、组合型机构、新型变形机构，可实现轮 椅从平地运动—爬升运动—平地运动过程的姿态平稳转化。综合考虑轮、腿、履带机 构的优势，把三者复合起来使用，可有效克服各自的不足，保障爬楼梯轮椅能够安全、 可靠、高效地实现上下楼梯的过程。 3． 1． 2 辅助支撑机构设计 电动爬楼梯轮椅的使用群体是老年人以及残障者，因此对轮椅的使用安全性要求 极高。同时，在上下楼梯运行过程中，质心位置、支撑条件的不断变化对系统安全、 可靠的实现合理的运动轨迹提出了很高的要求。 为保证爬升过程的安全性，爬升装置和轮椅以及使用者的总重心必须始终位于支 撑装置与楼梯台阶支撑点之间。系统由平地状态突然启动时，由于自身的惯性作用会 发生后倾的现象，为了解决这一问题通常在系统的后部增加了一个防止后倾的装置; 为了避免爬升过程前倾的危险，考虑扩大支撑边界，来增加前倾稳定裕量是有效的解 决办法; 为保证上下楼梯操作的安全性，需有相应的锁定装置，一旦轮椅倾斜角度超出倾翻稳定性要求范围之外，锁定装置锁定，支撑装置支撑在楼梯台阶上。 从乘坐着舒适性角度出发，轮椅椅面要始终保持水平，如果轮椅椅面前倾乘坐者 就会有种向前栽的感觉，假如轮椅椅面后倾，乘坐者的后背就会紧紧的依靠在轮椅架 上从而轮椅有后倾的趋势。为了使轮椅椅面保持水平，通常采用三点高副球铰接机构 的椅面平衡调节机构，其中，一点高副球铰接固定，两点高副球铰接可调，用于调节 椅面的平衡。 3． 2 控制系统设计 为保证爬楼梯轮椅能够安全、可靠、高效地实现上下楼梯的过程，并可同时作为 电动轮椅使用，爬楼梯轮椅的控制器必须具有很强的功能; 除根据电动轮椅控制器所具有的速度调节、运动控制、故障检测等功能之外，还必须具有可以实时检测使用者 的坐姿和位置、爬楼梯轮椅与楼梯的相对位置、爬楼梯轮椅的运动状态等功能，并可 以根据传感器信息对爬楼梯轮椅的驱动系统进行正确的控制或给出报警信号。 3． 2． 1 控制系统结构设计 爬楼梯轮椅系统除了完成普通轮椅功能要求之外还需运行在电动轮椅和上下楼 梯轮椅两种模式下，其控制功能应分别由两套相互独立的开环控制系统来完成，以实 现平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度宽度的楼梯功能要求，这也就导 致电动爬楼梯轮椅的运动形式十分复杂，应针对不同环境下轮椅需要实现的动作设计 爬楼梯的控制系统。 随着机器人技术的发展，移动机器人控制技术大量应用于爬楼梯轮椅的控制系统 中，使得爬楼梯轮椅具有更好的交互性，适应性和自主性。采用嵌入式控制系统可有 效解决信息集中处理使得上位机信心处理量大，负担重，实时性差无法满足实际使用 的缺点，为爬楼梯轮椅控制系统的研究提供了新的方向。中科院自动化所研制的嵌入 式多功能轮椅系统在该方面进行了尝试，采用 ARM + DSP + FPGA 的方式来构建多功能轮椅的中央控制系统、传感器系统、视觉系统和运动控制系统，整个控制系统系统 运行稳定，具有实时性高、功耗低，续航时间长的特点，为爬楼梯轮椅向产业化方向 发展迈进了一大步。 3． 2． 2 控制系统算法 在未知和不确定的环境下，爬楼梯轮椅需要通过多种传感器收集数据，用以界定 周围环境及自身状态信息，需要用一定算法对数据进行分析、融合，比较完整地反映 环境特征和自身状态，为系统运动控制提供精确的数据信息。爬楼梯轮椅在行驶时必 须不断地感知周围环境及自身状态信息，所以要求控制系统算法能够对实时提供的各 种信息进行快速有效处理，并能保证信息的完整性。 常规的 PID 控制虽然具有算法简单、精度高、可靠性强的优点，但是仅对于可建立精确数学模型的控制系统具有很好的控制作用。对于爬楼梯轮椅电机调速系统而 言，被控对象复杂，具有非线性、强耦合以及时变性的特点，很难达到控制系统的精 确鲁棒性和抗干扰性能。模糊控制具有鲁棒性强的优点，能较好的适应轮椅运行过程 中路况突变等干扰条件，但单纯的模糊控制不能很好的消除系统的稳态误差[11]。使用 复合算法可以使控制器有较强的鲁棒性和较小的静态误差，但复杂的算法本身就是控 制器实现的障碍。模糊 PID 控制器结合了模糊控制和 PID 控制器两者的优点，可根据不同的偏差和偏差变化率选择不同的比例、微分、积分参数，从而即具有模糊控制 灵活、适应性强的优点，又具有 PID 控制器精度高的特点，对爬楼梯轮椅运动控制系统具有良好的控制效果。模糊控制系统的工作原理如图 3 所示。 图 3 模糊控制系统工作原理 4 发展趋势与展望 综上所述，针对电动爬楼梯轮椅的研究已经取得了一定的成效，但也要看到目前 阶段主要还停留在实验室或是少数定做，并没有真正产业化，在研究上仍有很多空间。 未来的研究将向以下几个方面发展[11]。 ( 1) 质量轻 爬楼梯轮椅要走向实际应用，必须考虑其应用的情况。作为代步工具， 爬楼梯轮椅车的能源系统一般采用的是机载电源，所以要求系统整体重量轻，以延长 续航时间。同时，减轻重量也可相应提高上下楼梯时的灵活性，降低控制的难度。 ( 2) 可靠性高 爬楼梯轮椅面向的对象是老年人以及肢体残疾人士，爬楼梯轮椅的 设计应从细微处出发，设计安全、舒适、性能稳定的产品，爬楼梯过程中应保证重心 波动小，安全保证措施响应及时。 3) 功能齐全 爬楼梯轮椅作为使用者生活中重要的部分，在功能设计上应最大程度的满足人性化要求，构建良好的人机交互界面，使产品真正意义上融入到使用者生活 的各个方面。 ( 4) 价格低 爬楼梯轮椅投入市场被用户接受的一个重要因素是价格因素，爬楼梯轮椅要实现批量生产，必须采用模块化的设计思想，这样用户不仅可以自主选择配置 合适的轮椅，同时，也可降低生产成本，缩短研发周期，提高性价比。 随着人工智能技术、计算机技术、多传感器信息融合技术等技术的不断发展，爬 楼梯轮椅的研究也呈现出全新的局面，朝着人机一体化的方向不断发展。相信在不久 的将来，电动爬楼梯轮椅将真正融入到老年人和残障人士的生活中，大大改善他们的 生活质量，使他们的出行更为方便，楼梯和路障将不再是他们出行的障碍，帮助他们 重新融入到社会中去。 5 结语 本次阐述了爬楼轮椅研究的背景，研究目的和意义，分析了爬楼轮椅的几种常见 爬楼方案，总结出了各种不同方案的优缺点，分析了国内外发展现状，阐述了爬楼轮 椅未来的发展趋势，由此确定了本设计方案的研究内容和安排，叙述了爬楼梯轮椅的 关键技术，为后续研究工作的展开奠定了基础。