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履带轮式爬楼梯电动轮椅设计带图纸

履带-轮式爬楼梯电动轮椅设计【带图纸】

毕业设计说明书论文QQ36296518原创通过答辩

履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计摘要随着社会的发展和人类文明程度的进

步，老年人与残障人员愈来愈需要运用

现代高新技术来改善他们的生活质量，而爬楼梯对于老年人和残疾人行动不方便

的，非常困难，所以要增加轮椅自动化程度，于是我们在原轮椅的基础上进行改

进和加装爬楼机构，本文设计的电动轮椅具有爬楼功能，爬楼时用履带驱动，平

地时可像普通轮椅用轮驱动也可轮椅稍后仰用履带驱动。

此车在轮椅的基础上安

装履带装置、升降机构、电机、以及控制电路、控制设备，以降低劳动强度、提

高效率，减少他们的困难、提高生活质量、满足市场需求为目的。

爬楼梯车具有

适应性强、机动灵活、活动范围大等特点，在我国国民经济的发展中，爬楼梯电

动轮椅的需求量逐年增加，市场发展潜力巨大，爬楼梯电动轮椅行业具有广阔的

发展机遇和良好的投产前景。

关键词:

爬楼梯，电动，轮椅，履带轮式I履带,轮式爬楼

梯电动轮椅设计

AbstractWiththesocialdevelopmentandimprovementinthelevelofhumancivilization,

oldmenandphysicallydisabledmembersofsocietymoreandmoreneedtouse

modernhigh-techtoimprovetheirqualityoflife,buttheelderlyandhandicappedare

unabletoclimbthestairs,sowehadtoincreasetheautomaticleveloftheelectric

wheelchairtoreducetheirdifficulty.Sowehavetheoriginalonthebasisofa

wheelchairtoimproveandtheinstallationofClimbingstairsinstitutions,thepaper

designwiththeelectricwheelchairhasClimbingstairsfunction,whenClimbingstairs

itusetrack-driven,thegroundcanbeusedlikeanordinarywheelchair-wheel-drive

canalsobetrack-driven,whenthechairbetilted.wehavefitinthenewequipments

includethetrackeddevice,thebodymovements,theelectromotor,controlcircuitand

controlequipment,etc,toreducethelaborintensityanddifficulty,andtoimprovethe

efficiencyandlivingquantity,sothatcansatisfytherequirementsofthemarket.The

automaticelectricwheelchairhasnewcharacteristicsofhighadaptability,mobility

andorbit,etc.Asthedevelopmentofthenationaleconomy,therequirementof

automaticelectricwheelchairwillbeincreasedyearbyyear.Sothedeveloping

potentialoftheautomaticelectricwheelchairinthemarketisvast,ithasagood

developingopportunityandwellinvestedprospect.Keywords:

Climbingthe

stairs,electricity,wheelchair,Track-Wheel履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

目录第一章综

述.....................................................................................................1

1.1爬楼梯轮椅的意义.............................................1

1.2国内外爬楼梯轮椅的发展状况....................................2

1.2.1国外爬楼梯轮椅的发展状况

.........................................2

1.2.2国内爬楼梯轮椅的发展状况

.........................................4

1.3本项目的设计目的与主要研究内容................................5

1.3.1课程设计目的..............................................5

1.3.2课题研究内容..............................................6

1.4设计进程安排..................................................6

第二章履带爬楼装置机械系统结构设

计...........................................................8

2.1爬楼机构的比较................................................8

2.2设计思路......................................................9

.........................................102.3履带轮式轮椅爬楼原理

2.4履带爬楼过程分析.............................................11

2.5爬楼性能参数.................................................13

2.6履带爬楼机构的结构设计.......................................13

2.7升降机构的设计..............................................16

2.8本章小结....................................................18

第三章电气系统设

计.............................................................................

........19

3.1履带爬楼梯装置执行电机选择..................................19

3.2电池选择....................................................20

3.3电动车电机转速控制..........................................21

3.3.1驱动方式对电动车性能影响..................................21

3.3.2现有电动车电机存在主要问题及探索...........................21

3.4直流电机机械特性............................................22

3.5控制系统的设计..............................................23

3.6本章小结....................................................28

第四章典型零部件设计及校核计

算................................................................29

4.1传动系统动力参数计算........................................29

4.2轴的计算....................................................30III履

带,轮式爬楼梯电动轮椅设计第五章技术经济分析报

告..............................................................................39

5.1履带轮式轮椅技术分析........................................39

5.2履带轮式轮椅经济分析........................................39

5.3履带轮式轮椅结论和展望......................................40

参考文

献........................................................................................................41

致

谢.............................................................................................................42IV履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

第一章综述1.1爬楼梯轮椅的意义轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少

的代步工具，随着无障碍设施的

增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任务。

楼梯的出现是人类建筑史上的一个重要的成就，它不仅缩小了房屋的建筑面积、充分利用了有限的生存空间，而且为进出高层建筑物提供了方便的通道。

尤其是在人口数量日益增长、经济飞速发展的现代化社会中，为了提高人均住房面积，改善人们的生活质量，高楼别墅不断涌现。

然而，在发挥优势的同时，楼梯对老年人、肢体残障人士的出行带来了很多不便，对他们的行动造成了障碍，影响了他们与外界的沟通和交流。

这个问题随着老年人和残疾人数量的增多显得日益突出。

[1]

老年人和残疾人比例的显着增加给经济、社会的发展都带来了很大的影响，医疗、护理、社会服务等各方面需求的压力也越来越大。

为关心老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，减轻医疗护理事业的压力，各式各样的助老、助残运动装置也应运而生。

日本的身体残疾者中，肢体残疾者占60%，而且有近半数是下肢残疾者。

造成下肢残疾的原因，过去多是战争和工伤，近年来则越来越多的是交通事故和运动、娱乐中的事故，尤其是年青人。

另一方面，老年人中随着年龄的增加，因体力下降和脑血管病变造成残疾的情况也越来越多。

下肢最重要的功能是行走。

一旦不能行走，不用说到室外，就是在室内移动也很困难，其生活空间大受限制。

老年人若周围没有适当的人照顾，容易变成卧床不起的状况。

若是轻度残疾，使用手杖等简单的辅助工具，就可以在与健康人相同的范围内移动。

但以自身之力不能步行时，就必须用轮椅作为移动工具。

使用轮椅时，靠自身之力就可以移动到想去之处，所以其使用价值非常高。

但对于使用轮椅者，还有一些问题。

普通轮椅不具备攀登楼梯和跨越路障的功能，从而限制了以轮椅代步的下肢截瘫者及年老体弱者的活动范围，影响其走向生活和回归社会的深度和广度。

为此，人们从以下方面解决这一问题:

房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，在公共场所设置轮椅上、下楼梯的固定搬运装置、便携式轮椅搬运小车、爬楼梯轮椅，这种轮椅可在平地上行驶，且具备爬楼梯的功能。

可设计成手动型或电机驱动型。

由于它们具有机动灵活、适用性广等优点，吸引了众多学者从事该项研究。

本文就1履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计是为了能解决以上所遇到的问题而专门设计的一种爬楼轮椅。

目前,国外已有许

多种爬楼梯轮椅的发明专利问世。

然而,它们多数结构复杂,价格昂贵,不完全适合于发展中国家使用者的经济承受能力。

为此,我们设计了一种实现爬楼梯功能的爬楼梯轮椅。

与已有的其它专利相比,其结构更为简单、制造成本也更为低廉,而且,它可以很容易地从爬楼梯状态转换到平地行走状态。

所以,它对于轮椅使用者是非常适合的,特别对于发展中国家的使用者更是如此。

随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们别是身体有各种残障的社会成员愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量，拓展生活自由度。

另一方面，因为各种交通事故，天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走，动手能力等）。

因此，用于帮助残疾人行走的智能移动轮椅的研究越来越热烈。

此方面的研究对我国这样一个人口结构即将进入老龄化的国家更是具有非常重要的社会和现实意义。

1.2国内外爬楼梯轮椅的发展状况1.2.1国外爬楼梯轮椅的发展状况

履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术

也比较成熟。

如图1.1（a）所示是英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底

图1.1国外爬楼梯轮椅

部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35度，上下楼梯速度为每分钟

15一20个台阶。

图1.1（b）是法国Topchair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。

日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基

础上，研究了一种双履带式的爬楼梯装置，如图1.1（c），即左右两侧各有两组履

带相互连接在一起，解决了在水平状态与楼梯倾角切换时，座椅倾角过大而影响

2履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计使用安全的问题。

图中履带式爬楼梯装置履带式结构传动效率比较高，行走时重

心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能

使用。

它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。

早期的爬楼梯轮椅一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。

上楼时先将轮椅抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段

楼梯。

步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多

条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。

图1.2步行式爬楼梯装置

日本早稻田大学理工学术院高西淳夫教授的研究室以及日本机器人开发风

险企业Tmsuk联合开发的双足行走机器人“WL-16RIII”，如图1.2（a）所示，它由

两条机械腿支撑一个座椅构成，每条机械腿有6个自由度，可向前、后、侧面移

动，座椅底部装有陀螺仪，每条腿上装有压力传感器，通过传感器采集信息，控

制其实时调整姿态保持重心平稳。

WL一16RIII两腿前后伸展距离最长为1.02

米，左右最长1.36米，每条腿上下运动幅度最大0.34米。

日本长崎大学机械工

程系研究了一种高阶爬楼梯装置如图1.2（b），它由一系列液压操作杆和前后两组星型轮构成，集步行式与轮组式设计理念于一体。

装置通过星型轮的翻转上下楼

梯，座椅底部的传感器检测装置的平衡情况，控制操作杆自动调节使装置在爬楼过程中始终位于稳定裕度内。

在平地使用时，操作杆可以折叠于座椅底部，节省了使用空间。

它的最大优点是爬楼幅度较高，甚至能自行上下货车。

步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制的要

履带,轮求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢:

此外，座椅距3式爬楼梯电动轮椅设计地面的高度较大，易给使用者造成心理恐惧，距离实际应用还有很大的距离。

国外比较具有代表意义的是德国Alber公司开发的scalamohile爬楼梯辅助装

置，如图1.3（a）所示。

它是独立于轮椅的一种辅助装置，左右两侧各有两组爬楼梯轮。

它可以方便地和轮椅结合，依靠这两组轮子的轮流翻转上下楼梯。

同时，每个轮子上都设有自动刹车装置，防止在楼梯边缘打滑。

这种装置体积小、重量

轻，便于存放和携带，几乎适用于所有楼梯。

Scalamobile的不足之处是必须在旁人辅助下使用。

除了在轮椅上安装辅助设备外，还出现了一批承载轮椅上下的平台装置，这

置大多基于楼梯轨道运行，原理简单，易于实现。

图l.3（b）些装

是加拿大

GaraventaLift公司生产的轨道式爬楼梯装置“GSLArtira”，它需要在楼梯上安装轨道，将轮椅直接置于平台装置上沿轨道实现上下楼的运动。

这类装置在欧美国

（a）（b）

图1.3

家比较具有使用潜力，因为欧美以独立别墅居多，以独门独户为单位，使这种平

台装置与住房的结合易于实现;而国内城市以多层公寓式楼房居多，统一铺设轨道需要很大的代价，不切实际。

此外，户外楼梯各式各样，针对不同形式的楼梯，

[1]需要设计不同的轨道，代价过高，不易推广。

1.2.2国内爬楼梯轮椅的发展状况

我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。

我国在上世纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究，1987年专利号为

86210653的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。

内蒙古民族大学4履带,轮

物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮式爬楼梯电动轮椅设计

系作为爬楼

梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。

改轮椅爬楼时需要人工辅助

图1.4

或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。

东南大学机械学院设计的爬楼轮椅采用了四组星形轮，每三个一组，共十二个轮子，除能爬楼梯外还具有遥控的功能。

国内研究的比较多的是手动爬楼梯的轮椅，清华大学精密

仪器及机械学系康复工程研究中心已经取得了手动爬楼梯轮椅的专利，如图1.4所示。

它是在普通轮椅上加设一套爬楼梯执行机构和驱动系统，既可以在平地行驶，又可以仅凭借使用者双臂的力量使轮椅上、下楼梯。

它结构简单、造价低廉，

符合我国的国情:

但是设计中仍存在一些问题，如轮椅在爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁问题等，其研究也仅停留在理论水平的基础上，并未投入实际应用。

1.3本项目的设计目的与主要研究内容1.3.1课题设计目的

履带轮式轮椅具有适应性强、机动灵活、活动范围大等特点，在我国国民经济的发展中，残疾人对爬楼车的需求量逐年增加，市场发展潜力巨大，爬楼梯轮椅行业具有广阔的发展机遇和良好的投产前景。

爬楼轮椅是目前残疾人广泛采用的爬楼梯的工具，因其比固定上楼装置具有灵活性大、使用轻便、成本低廉，所以市场广阔设计开发电动爬楼车，实现减轻残疾人要求、提高适应人群、满足市场的需求为目的。

5履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计1.3.2课题研究内容

步行式爬楼梯装置体积庞大，缺乏灵活性且控制复杂，技术要求较高;其它附加的辅助装置虽然稳定性相对较好，然而由于其不能和轮椅融为一体，限制了它的使用范围。

轮式爬楼梯装置技术要求很高。

在比较了各类爬楼梯装置的优缺点后参考模块化可重组履带结构原理，将爬楼功能与普通轮椅相结合设计了一种爬楼梯装置。

它在平地行走时利用轮式机构，爬楼梯时放下履带机构进行工作。

（1）分析爬楼梯时各部分元件以及楼梯的受力根据传统履带方式爬楼梯的力学分析用AutoCAD绘制履带传动机构装配图。

（2）根据重量尺寸，选择电机。

设计控制系统控制电机驱动履带完成爬楼梯的功能。

设计后应能够实现的功能:

1.适用性广，应能攀登多种尺寸的楼梯;

2.操作过程尽量简单，平地行驶与上下楼梯两种工况的转换简单易行;

3.乘坐要平稳舒适，爬楼梯时坐位应基本保持水平状态

4.轮椅结构尽量简单，造价低廉。

拟解决的主要问题:

1.爬楼机构的设计。

2.爬楼梯运动过程分析。

3.电机，电池的选择。

4.电动轮椅的运动控制系统设计。

1.4设计进程安排根据上述的设计方案，本项目的主要设计工作分为以下四个阶段:

1.调研阶段

包括调查国内外电动爬楼车的发展状况，调研国内外相关技术、研究分析现有爬楼车的结构性能、并进行设计方案论证等，在此阶段我主要对我国所生产的手动爬楼车进行了分析研究，初步明确了设计思路，并初步定下了设计方案。

2.各个模块的研究分析阶段

本设计课题主要包括三个方面的内容:

电机的设计选择;履带装置的设计计算;升降装置的选择。

此阶段是本次毕业设计的基础定型阶段，在此阶段，我通过不断对比手动轮椅和电动轮椅的各种优缺点，进行比较和改进。

以及在电机的选用上，分析比较了在这种场合中使用交流电机还是使用直流电机，使用交流电6履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计机就不用在轮椅上安装电池，这会给使用带来很大的不便，那样要移动多少距离

就得要多长的电线，而且还有安全危险。

所以选用了直流电机安装电池的方法。

在传动方面，比较了各种传动方式的优缺点，最后选用了橡胶履带传动，因为在爬楼车方面，要求安全系数比较高，摩擦力大不容出现打滑事故。

而传统履带重量大且易磨损楼梯并且需要齿面弯曲疲劳强度设计。

3.设计阶段

在该阶段，主要工作就是对已经确定下来的各个模块进行适用性分析，主要考虑各个模块的力学，运动学性能，进行刚度和强度校核，并确定各个机械结构的具体尺寸和具体装配方法，绘制机械机构装配图、电路控制图等。

4.总结阶段

在设计的最后，要对自己所做过的材料进行整理，对自己所做过的研究进行分析，完成毕业论文设计说明书的撰写，修改整理机械设计图和电路控制图，对设计的产品进行经济分析及适用性分析。

7履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

第二章履带爬楼装置机械系统