智能轮椅机械部分资料Word格式.docx

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胡天华

学号：

20121100016

指导教师：

李奕

2016年5月

智能轮椅的设计（机械部分）

DesignOfIntelligentwheelchair

（Mechanicalpart）

摘要

轮椅在老年人以及残疾人的生活中扮演着重要的角色，随着社会的发展，特别是城市的快速扩张和建设，以及人口老龄化问题越来越严重和残障者数量的不断增加，对辅助步行工具的需求日益提高。

而高楼大厦鳞次栉比，越来越多的天桥，公园的台阶，小区上下楼等，却越来越困扰着轮椅使用者。

轮椅作为残障者的唯一出行工具，受到了越来越多的制约，传统轮椅已经不能满足多数人的需求。

而随着科技的发展及技术的进步，轮椅，应该被加以改进以适应现代社会的环境。

综上所述，本文在经过研究论证的基础上，采用行星轮机构，针对本文中所使用的双电机分别驱动左右轮的方案，在平地行驶时，使用电机驱动，四轮着地。

通过控制两侧车轮的转速从而实现转弯控制。

爬楼时，通过行星轮翻转来实现上下楼梯行走。

关键词：

爬楼轮椅行星轮机构设计

Abstract

Wheelchairplayinthelifeofthedisabledandtheelderlyinanimportantrole,alongwiththedevelopmentofsociety,especiallytherapidexpansionandconstructionofthecity,aswellasanincreasinglyseriousproblemofpopulationagingandtheincreasingnumberofpersonswithdisabilities,toassistwalkingtheincreasingdemandfortools.Androwuponrowoftallbuildings,moreandmorebridges,stairsparkonacelldownstairs,etc.,areincreasinglyplaguedwheelchairusers.Astheonlyhandicappedwheelchairtraveltools,hasbeenmoreandmorerestricted,conventionalwheelchairscannotmeetmostpeople'

sneeds.Withtheadvancementoftechnologyandthedevelopmentoftechnology,thewheelchairshouldbemodifiedtoadapttotheenvironmentofmodernsociety.

Inconclusion,onthebasisthroughfeasibilitystudiesontheuseofplanetarygearmechanism,fordualmotorusedherein,theleftandrightwheelsaredrivenscheme,whenthegroundrunning,usemotordrive,four-wheelground.Havingfour-wheeldrivecharacteristics.Bycontrollingtherotationalspeedofthewheelsonbothsides,toachieveturncontrol.Whenclimbingstairs,drivingmotorisrotatedbyanotherplanetrocker,twopairsofwheelsalternatelytheground,inordertoachieveanddownstairs

Keywords:

ClimbingstairswheelchairplanetarygearMechanismDesign

AbstractⅡ

1绪论

1.1引言

据联合国报告指出，全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以的人口比例预计将会翻倍，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们存在不同程度的能力丧失，如行走、视力、动手及语言等[1][2]。

为了提供老年及残障人士性能出色的出行工具，帮助他们外出方便，目前美国，德国，日本，法国，加拿大，西班牙及中国等国家对智能轮椅进行了研究，使智能轮椅具有记忆地图，避障，自动行走等功能，智能轮椅是将智能机器人技术运用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器视觉，机器人导航和定位，模式识别，多传感器融合及用户接口等，设计机械，控制，传感器，人工智能等技术，也称智能轮椅式移动机器人[3][4]

随着社会的发展，特别是城市的快速扩张和建设，以及人口老龄化问题越来越严重和残障者数量的不断增加，对辅助步行工具的需求日益提高。

自二十世纪以来，在欧美，越来越多的人开始关注这方面的问题，对许多机构进行了深入的探讨和论证，然后得出了非常多的结论，也提出了多种多样的解决方案。

总体而言，根据爬升结构的不同，通常采用三种结构原理[5]一种是采用行星轮机构，他们不仅绕自身的轴旋转还饶一个所有轮的共同轴线旋转；

一种结构是履带型爬梯轮椅；

一种结构是步进支撑式。

我国起初在这方面由于各种原因并没有多少的重视，所以研究缓慢，但是随着经济等快速发展，在相关产业带动下，研究爬楼轮椅对我国而言有巨大的现实意义。

1.2智能轮椅发展趋势

上下智能爬楼机构/轮椅的研究已经具有相当长的历史，先后提出了各种构思的机构，如果按照机构形式分类，可以分为星轮式、履带式、步进式等[6]

1.3本课题研究目的及任务

在经过严密仔细的调查推理之下、严谨细致的研究态度下，要求设计一台满足设计标准的自动爬梯轮椅。

使爬梯轮椅在爬楼梯时轮椅能够被充分的抬起，连续以相同的幅度上升（下降）直到足以攀登上（下）第二级台阶，确保椅子的角度不变，确保了坐轮椅的人不翻到；

在没有楼梯时，具有平地行走能力与转弯能力，并且可以实现水平方向移动；

轮椅应具有安全可靠、舒适轻便、价格低廉的特点；

总结和巩固在校4年所学的知识，使之进一步深化和系统化；

要求完成：

1、完成系统整体方案的设计；

2、完成机械的结构设计，绘制系统装配图及典型零件零件图；

3、完成设计说明书，要求不少于40页；

4、完成与设计相关的外文资料的翻译，要求不少于5000字符。

1.4本章小结

通过查阅资料，对于爬楼梯的机构有了更多的了解，初步确定设计的方案。

2上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定

2.1可实现上下楼梯功能机构的比较

目前比较主流的爬楼机构为履带式，星轮式，步进式。

通过对比分析，选择一种合适运动机构，然后通过对下列机构的特点进行对比和分析，结合优缺点，选择最为适合本次设计要求的机构。

2.1.1履带式机构

顾名思义，履带式机构就是通过履带爬行，相当于坦克的行进方式，但是由于履带的结构构造，当履带式在爬梯过程中，重心会出现偏移，所以在楼梯上，不论是上坡还是下坡，都容易出现侧倾，这是非常危险的。

履带式爬楼轮椅不适合在楼梯阶沿太光滑及斜度大于30－35度的环境使用，履带的损耗会非常严重，从而导致不得不经常更换或者是维修，带来许多的经济负担，而如果使用高质量高硬度的履带，虽然履带磨损率得到了保障，但相应的会对楼梯阶沿造成损伤，尤其是木制楼梯。

履带式爬楼轮椅平地行走时阻力较大，转角处拐弯不灵活[7]对此，国内外提出过各种各样的改进机构，但目前仍不是很理想。

图1履带式轮椅

如果电动爬梯轮椅使用履带式作为爬梯机构，那么会带来以下几个问题：

1.传动效率低，体积巨大，虽然跨越障碍时具有优势，但在平地行驶时有很大的缺点，；

2.爬楼梯时，台阶和履带的磨损比较严重。

3.转弯半径大，尤其在房间内，转弯很不方便。

另外，由于其转弯时两侧履带速度不一样，甚至需要两侧履带做相反方向转动，履带会在地面上产生滑动，对地面磨损严重。

2.1.2轮式机构

星轮式的爬楼机构由均匀分布在“丫”型、“五角星”或“十”字形系杆上的若干个小轮构成。

各个小轮既可以绕自己的轴线自转，又可以随着杆一起绕中心轴公转。

当平地行走时候，各小轮绕自我轴线自转，而爬楼梯时，各小轮一起绕中心轴公转，从而实现爬梯的功能。

但是就现在的研究表明，不论是上述何种轮式机构，由于各种原因，仍然会出现各种问题，例如打滑等，具有不安全的因素。

目前国内在这方面的研究没有完善，许多问题没有考虑周全，比如考虑防滑制动装置等，在上下楼的过程中需要外力来帮助以防止出现各种意外，但是对于总重量接近于100公斤的轮椅而言，一旦出现打滑将会非常危险，严重时还会威胁生命，造成严重后果。

因此，如何提高星轮式爬梯轮椅的安全性还有待于商讨，但是因为其结构简单和价格低廉，在低端市场仍有一定的需求。

2.1.3步进式机构

步进式机构又称腿式机构，顾名思义，是模仿动物的足来运动。

所以它的地形适应能力最强，能够应对大部分环境下的行走问题，但是，步进式机器人一般具有繁复的机械结构而且效率低下，控制复杂，如果要稳定的行走，还有很多难题需要解决。

2.2方案比较及分析

通过综合分析，各机构特点如下表所示；

表1爬楼机构特点总结

价格

安全性

传动效率

操作性

复杂程度

履带式

中

高

低

步行式

星轮式

图2机构传动简图

2.3上下楼梯轮椅机构确定

经过比较了履带式、行星轮式、步进式三种爬梯机构，分析了其中的优点和缺点。

重点考虑到机构的安全性，能量的利用率和控制的容易与否。

此外，还借鉴了各种国内外的研究方案，最终，我们采取了行星轮式的爬梯机构。

第一，顾名思义，圆形在平地滚动的运动模型是最简单的,所以，轮式机构在平地运动时有着其他机构不能比拟的优势。

所以为了保障轮椅车在大部分情况下的考量，优先考虑轮式机构；

第二，因为星轮式机构具有攀爬楼梯的功能，而且可以使轮椅在平地行走时和爬楼梯时使用同一个机构，人为降低非常大的设计难度。

本次设计采用双行星轮，左右布局对称。

平时在平地上直线行走时，电机的运行模式相同，使得轮椅的运动方向得以控制；

转弯时，分别控制两个电机的转速，使内侧电机的转速低于外侧电机，或是使两电机转向相反，从而灵活的转向；

爬楼时，另外一对电机驱动行星轮系绕轴心公转实现上下楼梯的功能。

该机构的传动简图如图2-7所示。

一个直流电机分别驱动两侧各两个行星轮。

主传动轴的传动由电动机通过减速箱传递，然后由齿轮分配到了两个行星轮，为了尽可能减少传动齿轮的尺寸，在主传动轴与行星轮之间增加一个过渡齿轮。

行星轮的翻转运动靠另外一个直流电动机驱动行