智能小Q轮椅设计计划书.docx

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智能小Q轮椅设计计划书

机械与电气工程学院

全国大学生机械设计大赛

设

计

计

划

书

作品名称：

智能小Q轮椅

设计团队：

指导老师:

2020年6月30日

一、设计背景及意义

1.1设计背景

全国大学生机械创新设计大赛于2007年首次举办，现已成为最具影响的全国大学生竞赛项目之一。

全国各大高校在教学中注重培养大学生的创新设计意识、综合设计能力与团队协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求通过创新思维，进行机械设计和工艺制作等实际工作能力；吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。

1.2设计意义

智慧城市、智慧社会是目前社会发展的主旋律，而针对人口老龄化的健康养老问题，也已经成为当前我国必须要面对和解决的社会问题。

在针对这项问题中，老人的出行安全也是其中一个比较大的基本点。

其中在中国交通安全中老人普遍面临的一个问题是：

“在外出时公路上车水马龙，老人随着年龄的增长，反应力以及行动力逐渐降低，无法保证出行的交通安全”。

正是基于这一点，我们设计了这款智能小Q轮椅，它加载有多种智能传感器设备，能够对于户外各种突发的情况作出智能的反应，同时具有室外室内两种模式，可以大大提高老年人的生活质量。

二、智能轮椅的总体结构

2.1总体结构说明

该智能助老轮椅主要包括座椅、底座和靠背，座椅固定安装在底座的顶面上，靠背安装在底座的后侧。

在结构设计方面，首先确定各个零部件尺寸和连接方式。

其次确定各个零件之间的配合方式，如锥齿轮组的配合，然后计算各零件周期受力情况和大小，校核达到合理的要求后进行装配，从而确保达到结构要求。

外形设计方面，在良好的结构基础上，需要美观、简洁、流线型、人性化等，从而达到更好整体效果。

靠背的上方设置有遮挡机构，遮挡机构包括遮挡板和定位杆，遮挡板通过定位杆固定连接在靠背上，在使用轮椅时，可以对使用者进行遮阳或挡雨，提高使用时的舒适性。

靠背的前侧安装有安全带，安全带可以起到保护使用者的目的，安全带的上方安装有话筒和耳机，通过话筒可以进行实时通话，耳机用于接听电话，满足使用者在不携带手机的情况下实现与家人的通话，或者便于拨打急救电话。

靠背的两侧对称安装有扶手，扶手的端部水平设置有手臂托架，手臂托架便于使用者将手臂放置在手臂托架上进行放松，两侧的手臂托架上分别设置有转向摇杆和驱动摇杆，转向摇杆用于控制轮椅的左右转向，驱动摇杆用于控制轮椅前进或后退，位于转向摇杆一侧的手臂托架上设置有速度调节按钮，用于控制轮椅前进的速度，提高使用时的安全性和可靠性。

两个手臂托架之间安装有挡板，挡板的一侧通过合页转动连接在一侧的手臂托架上，挡板的另一侧通过限位块可以实现与另一侧手臂托架之间的固定连接，便于挡板的打开或关闭。

挡板的内侧面上设置有限位槽，限位槽内转动连接有控制面板，控制面板上设置有显示屏和按钮，显示屏用于显示地图的位置，并通过按钮可以选择目的地，根据当前位置和目的地之间的距离设定相应的行走路径，为使用者提供优化便捷的路线。

控制面板内设置有PLC控制器、信号发射器、信号接收器、拨号模块、电源模块、驱动模块、显示模块、天气预报模块、WIFI连接模块、地图数据库和GPS定位器，PLC控制器分别控制信号发射器、信号接收器、拨号模块、电源模块、驱动模块、显示模块、天气预报模块、WIFI连接模块、地图数据库和GPS定位器工作，信号发射器和信号接收器用于将无线信号进行传输，拨号模块可以实现按键拨号、语音拨号和紧急号码拨号，提高了轮椅使用的便捷性，电源模块可以将蓄电池组的电量进行显示，便于使用者及时充电，驱动模块可以控制轮椅前进后退或转向，显示模块可以通过触摸屏进行显示，便于使用者直观的看到相应的信息，天气预报模块可以提醒使用者天气、温度相关的信息，WIFI连接模块可以实现无线网络连接，是控制面板联网操作，地图数据库可以存储相应的地图数据信息，便于使用者将目的地输入控制面板，优化选择合适的出行路线，起到提示导航的作用，GPS定位器可以实时传输地理信息位置，便于家属及时寻找，提高安全性。

底座的内部设置有蓄电池组、转向桥架和驱动杆，转向桥架和驱动杆位于蓄电池组的两侧，底座内设置有驱动电机，驱动电机通过锥齿轮组连接驱动杆，驱动杆的两侧安装有驱动轮，通过连个驱动电机经锥齿轮组同步带动驱动杆旋转，大大提高了驱动轮旋转的稳定性和可靠性，底座内安装有气缸，气缸通过活塞杆连接摆臂，摆臂的一端转动连接在底座内，摆臂的另一端转动连接在转向桥架上，通过气缸带动活塞杆移动，进一步通过摆臂带动转向桥架转动，实现对转向桥架两侧的转向架进行角度调整，进而带动转向架底部的转向轮转动，实现对轮椅角度的调节，满足轮椅转弯的要求，转向架通过减震弹簧连接底座，提高抗震效果。

底座的前端面上安装有放脚板，放脚板转动连接在底座上，当需要使用时，将放脚板转动至与水平面平行即可，当不需要使用时，将放脚板进行折叠即可。

三、设计方案

3.1作品原理

TCS230颜色传感器原理：

TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。

这些二极管共分为四种类型。

其中16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器；其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。

这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。

工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。

该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。

输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。

例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS230的输出频率和计数器相匹配。

红外避障传感器原理：

避障传感器主要包括：

超声波避障传感器，红外避障传感器，激光避障传感器等等。

考虑到发射光线是光，可以希望在相当短的时间内获得较多的红外传感器测量值以及测距范围较近，大致为30cm以内，所以我们选择红外避障传感器安装在机器人上。

前方无障碍输出高电平

（1），有障碍输出口（黄色）电平会从高电平变成低电平（0），工作原理已经标在图上了。

背面图有一个电位器可以调节障碍的检测距离。

在电路设计中可以再输出端黄线加上拉电阻10K到5V，再接入单片机检测，会比较稳定，单片机检测可以采用外部硬件中断INT0 INT1等来实现。

机械原理：

利用机械中伸缩杆以及齿轮齿条传动达到使轮椅能够变形将坐着的老人毫不费力的辅助站立。

中控原理：

设置中控中心同时有序接收传感器传达的信息，及时控制轮椅伺服与驱动单元作出正确的相应操作。

3.2方案确定

在模拟情况下，设计出轮椅模型，将各项传感装置以及总控装置加载其中，进行多项测试，最终选定结果记录相关数据，设计实物以模型的参照数据来进行和计。

四、主要参数确定与关键零部件设计

4.1电机的选择

M7050电动轮椅用电动机产品介绍产品特点：

1.关键零件的选用矽钢片三三选用进口材料磁铁  1.选用进口材料铜线 

漆包线（以减少内阻）2.齿轮为钢材齿轮，达到3-4级;

3.绝缘用树脂Coating,耐温250"C, 绝缘等级达Hclass

4.使用进口油脂5.安装简单.

电气参数:

该系列产品主要应用于电动轮椅车、电动代步车和其它电动车

W.电源电压24Vdc

空载电流:

≤2.5A电机功率:

 200W

电机转速:

 3500士100npm减速比:

 27:

1

减速后输出:

130士3npm

噪声:

≤60dB

4.2传感器的相关参数

电气特性：

     U:

5VDC     I:

100mA     Sn:

3-80CM

尺寸：

直径:

17MM     传感器长度:

45MM     引线长度:

45CM

4.3轴与齿轮的设计

直齿圆柱齿轮的选择：

选择齿轮的材料及热处理、齿面硬度、精度等级、齿数

轮椅负载小，冲击小，故齿轮选择45钢，正火处理，齿面硬度200HBS,精度等级为8.

因为齿轮传动功率不大，转速低，选用软齿面齿轮传动。

选择齿数：

Z1=18i1=1.75

Z2=Z1*i1=18*1.77=32

图3-3大小齿轮啮合示例

图3-4为大小齿轮啮合图3-5大齿轮参数

锥齿轮设计:

1、该摇篮的功率较小，锥齿轮的传动中载荷冲击很小，均选用45钢正火处理，选用8级精度。

2、因为齿轮传动功率不大，转速低，选用软齿面齿轮传动。

选择齿数：

1、因为摇篮的横杆和竖杆必须是同时同一速度运转，对床身产生作用的，传动比i=1

Z1=20Z2=20

（图3-6图锥齿轮传动）

4）确定传动尺寸

计算得m=3.0

d1=mZ1=3.0*20=60mm

Z2=60mm

图3-6锥齿轮尺寸

轴的设计：

1）选择轴的材料

无特殊要求，因而选用调质处理的45钢，由表知，

=640MPa

2）求输出轴的功率P3、转速n3及扭矩T3

若取每对齿轮的机械效率

=0.97，则

=

=60*

=56.4W

又

=

=

=77/1.77=44r/min

于是

=9.55*

*

=12241N.mm

3）初步估算最小轴径

由表得，当选取的材料为45钢时，取C=110，于是得

=12mm

式中C为受载情况确定系数，另外考虑轴上键槽的多少对轴的影响，一般每增加一个键槽，轴径需扩大5％，有两个键槽的时候，轴径扩大10％。

下面对轴做计算。

轴1d1=

9.2mm

轴2d2=

11mm

轴3d3=

11.8mm

根据考虑到标准化和简便，依次对轴进行尺寸设计如图。

轴2尺寸参数

轴3尺寸参数

4）轴的结构设计

根据轴2上第一段为装齿轮段，长度按齿轮轮的宽度取值，齿轮论为26mm,与轴3中锥齿轮的定位，取长度为187.84mm.

轴2上第二段为装凸轮段，按凸轮定位点和整体长度取值，再有一定位凸台。

轴2上第三段为自由段，根据整体长度尺寸取长度为153.28mm。

轴3上为装凸轮段，根据凸轮的定位，和整长度为445mm定长度尺寸，凸轮处有一凸台。

4.4轴与齿轮的计算校核

1）计算齿轮上作用力的大小

低速级大齿轮的分度圆直径为

=3.01*32=96.32mm

则

=254.1N

标准直齿轮分度园压力角为

=

按图做受力分析：

254*tan20=92.44N.m

2）计算轴承的支反力

水平面上支反力由

提供

1>水平面上支反力

=

=45.26N

=209N

2>垂直面上支反力

=16.47N

=76.2N

3）画弯矩图

图3-7弯矩图

1>水平面上的弯矩图c-3

=22630N.mm

=22572N.mm

2>垂直面上的弯矩图c-4

MVC1=8235N.mmMVC2=8229N.mm

3）合成弯矩图c-5

MC1=24081N.mmMC2=24025N.mm

扭矩T=12632N.mm

根据规定视机构为脉动循环取a=0.6，则截面的弯矩为

扭矩

=25245N.mm

截面处的当量弯矩最大，故校核截面，按轴径d=18mm校核，根据公式

=43.2MPa

查表得，

=60MPa,因

<

符合要求。

五、使用方法及性能分析

5.1使用方法

在轮椅扶手两侧都有几个操控按钮，按下相应的按钮，设备就会进行相应的操作，可手动运行轮椅，可智能操控运行，也可在室外是室内模式间转换。

5.2性能分析

打破了人们对传统轮椅的观念，使一款仅仅是辅助出行的设备变得更加的便捷智能化，利用现有的科技手段，将轮椅升级为高科技产品系列，让老人以及行动不便的人也能够体验到高科技的魅力，将普通轮椅升级为智能轮椅，方便，安全，高效率。

六、作品市场分析

6.1适用地域

作品适用于人口老年化系数高、以及人口密度大的城市，生活经济水平高的前线城市。

6.2适用人群

本作品适用于年龄较大、行动不便的的老年人，以及行动不便的残疾人。

6.3产品市场

（数据来源：

国家统计局、智研咨询整理）

2012-2015年我国轮椅行业主要产品产量统计（万台）

就中国目前的局势来看，人口老年化还是比较严重的，而且在轮椅需求上，逐年上升，人们对生活质量的追求日益上升，其中老人也不例外，更加便捷智能的小Q轮椅能给老人的生活便捷提供巨大的帮助。

此外，国家近年来对老人的关注也越来越广泛，在老人的安全出行上，我们的产品有着很大的优势，而且市场前景广阔。

七、创新点

7.1、解决现状问题

现在社会上老人出行的不便成为大家都关注的重点，其中一个就是面对老人出门以后，他们的出行便捷度问题，我们在传统的轮椅的基础上作出了相应的改进升级，将各项智能传感器加载于其中，使一个简单的轮椅变得更加的便捷人们的使用。

7.2、方便并且保证了安全

在安全上，我们不仅轮椅的控制全部都是由操控者来进行遥杆操控的，操控简单方便，而且轮子上装有抱闸，在紧急情况下可以紧急锁死轮子，还配备有紧急避障程序。

7.3、加入多项智能装置

装有GPS导航，可以辅助智能行驶，轮椅可变形平躺方便老人上下床，还可辅助站立，让没有站立能力的人体验到站立的感觉以及帮助残疾人士站立复健运动，智能语音模块让老人操控更便捷。

八、相关图纸

图一：

（轮椅齿条蜗杆工程图）

图二：

（平躺形态联接杆）

图三：

（soildworks装配体作品设计局部截图）

图四：

（部分传动系统图）