輪式可爬樓梯輪椅車(chē)設(shè)計(jì),輪式可爬樓梯輪椅車(chē)設(shè)計(jì),輪式,樓梯,輪椅車(chē),設(shè)計(jì) 附錄1 星輪式爬樓梯輪椅 摘要：為了實(shí)現(xiàn)輪椅爬樓梯的功能，本文設(shè)計(jì)了一種星輪爬梯機(jī)構(gòu)。通過(guò)鎖緊聯(lián)軸器、星輪爬升機(jī)構(gòu)的作用形成定軸輪系或行星輪系以實(shí)現(xiàn)平面行走和爬樓梯功能。通過(guò)穿越障礙分析得到輪椅能通過(guò)的最大高度和最小寬度的障礙物。在SolidWorks三維仿真中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析來(lái)驗(yàn)證材料強(qiáng)度。 關(guān)鍵詞：爬樓梯輪椅；行星輪機(jī)構(gòu)；越障分析；Solidworks三維仿真分析 1引言 近些年來(lái)，輪椅正在朝著智能化發(fā)展。根據(jù)文獻(xiàn)[ 1-2 ]，輪椅已經(jīng)擁有多功能護(hù)理功能和升降功能，甚至可以在智能家居環(huán)境中使用。它不僅滿(mǎn)足了殘疾人士的基本需求，同時(shí)也為他們的生活提供了便捷。然而，在市場(chǎng)上的殘疾人輪椅采用的是普通輪式機(jī)構(gòu)，只有地上行走的功能。當(dāng)遇到上樓和下樓的情況時(shí)，這種輪椅就不能滿(mǎn)足爬樓梯功能。 在國(guó)內(nèi)外主要有兩種用以爬樓梯的輪椅車(chē)，一種是連續(xù)型爬樓梯輪椅車(chē)，一種是間斷型爬樓梯輪椅車(chē)。連續(xù)型爬樓梯輪椅車(chē)有能量傳遞效率高，行走時(shí)重心的偏離波動(dòng)小，運(yùn)動(dòng)流暢和適用的地形范圍廣泛這些優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)它也有一些缺點(diǎn)，比如它的重量太重，運(yùn)動(dòng)不夠靈活，在爬樓梯的時(shí)候?qū)翘莸倪吘墪?huì)施加巨大的壓力所以對(duì)樓梯有較大的損壞，在平坦的道路上前行時(shí)會(huì)受到很大的阻力，轉(zhuǎn)向還不方便。連續(xù)型爬樓梯輪椅車(chē)雖然有行走機(jī)構(gòu)光滑的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)、功能也適用于不同大小的樓梯。但是它比連續(xù)型爬樓梯輪椅車(chē)控制要求高，操作更復(fù)雜，在地面上移動(dòng)緩慢[ 3 ]。 因此，為了解決上述問(wèn)題以及給老年人和殘障人士的出行提供一個(gè)性能更加優(yōu)越的交通工具，設(shè)計(jì)一款價(jià)格低廉、安全可靠的爬樓梯輪椅車(chē)是一個(gè)有很大意義和實(shí)用價(jià)值的行為。它不僅要解決用戶(hù)上下樓梯的不便，還要考慮到他們的負(fù)擔(dān)能力。 2機(jī)械設(shè)計(jì) 2.1總體設(shè)計(jì) 圖1 爬樓梯輪椅車(chē)整體結(jié)構(gòu)圖 本文中設(shè)計(jì)了一種行星輪式爬樓梯輪椅車(chē)。如圖1所示，行星輪式爬樓梯輪椅車(chē)主要由機(jī)架、行星輪機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)部件構(gòu)成。兩個(gè)由固定在機(jī)架上的兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)軸控制著行星齒輪傳動(dòng)裝置，從而使輪椅車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)爬樓梯和行走的功能。 2.2行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖2所示，行星輪式爬樓梯機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸1、管軸2、旋轉(zhuǎn)臂3，太陽(yáng)輪4，傳動(dòng)齒輪5，驅(qū)動(dòng)齒輪6和車(chē)輪7。傳動(dòng)軸的一端與太陽(yáng)輪相連并通過(guò)一個(gè)軸承懸空放置在旋轉(zhuǎn)臂上，另一個(gè)與錐齒輪軸配合。主軸上空套的管軸一端與旋轉(zhuǎn)臂固定連接，另一端連接自鎖裝置。過(guò)度齒輪5和驅(qū)動(dòng)齒輪6分別懸空安裝在手臂3和車(chē)輪7上，三個(gè)軸的中軸線是等距分布的。 四組齒輪間通過(guò)各自軸的作用間接承受了整個(gè)輪椅車(chē)的重量，輪子上的齒輪繞著它自身的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)自鎖裝置分離傳動(dòng)軸和管軸時(shí)，輪椅車(chē)可以在地面上平穩(wěn)行駛。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)可以使與地面接觸的車(chē)輪獲得和齒輪同樣的角速度。 當(dāng)前車(chē)輪撞到比輪子高的障礙物停止移動(dòng)時(shí)，通過(guò)鎖緊聯(lián)軸器與管軸鎖緊的傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)管軸和手臂3旋轉(zhuǎn)，從而使得三個(gè)車(chē)輪繞著中心太陽(yáng)輪的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)翻越障礙物的功能（即爬樓梯）。 圖2 行星輪機(jī)構(gòu) 3穿越障礙分析 除了有一個(gè)很強(qiáng)的爬樓梯技巧之外，爬樓梯輪椅車(chē)當(dāng)然需要有一個(gè)越障的能力和一個(gè)障礙閃避系統(tǒng)[ 4 ]。本文僅對(duì)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)翻越障礙的能力以及爬樓梯時(shí)輪椅的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。 圖3 越障分析 如圖3所示，當(dāng)翻越障礙時(shí)車(chē)輪組必須滿(mǎn)足以下的關(guān)系： a≤（3R2 - r2） （1） 其中，a是障礙物的高度；b是障礙物的寬度；r是車(chē)輪的半徑；R是車(chē)輪組中心與車(chē)輪中心之間的距離；x是梯子和行星齒輪的中心之間的距離。 為了保證兩個(gè)輪子之間不存在障礙物和前輪在攀爬障礙物后可靠地與材料接觸，當(dāng)可爬樓梯輪椅車(chē)爬上障礙物時(shí)，障礙物的寬度需要滿(mǎn)足以下要求： B+2r≤R （2） 根據(jù)文獻(xiàn)[ 5 ]，對(duì)行星輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：R = 140mm，r= 85毫米，t= 45毫米。然后通過(guò)公式（1）和（2）我們可以得到： amax ==227(mm) bmax = R- 2r=72(mm) 可以得出結(jié)論，行星輪式可爬樓梯機(jī)構(gòu)可以跨越障礙物的最大高度為227毫米，能跨越障礙物的最小寬度為72mm，它有一個(gè)相對(duì)較高的越障能力，并且可以滿(mǎn)足輪椅車(chē)在日常平坦道路上行走的要求。 4應(yīng)力應(yīng)變分析 為了在本文中驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，本文選擇SolidWorks三維仿真軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。SolidWorks三維仿真軟件主要由三部分組成：前處理模塊、模塊劃分和后處理模塊。由于本文所采用的模型是用SolidWorks三維軟件建模的，可以直接用Solidworks三維進(jìn)行仿真分析。分析步驟為： （1）零件和材料特性的定義； （2）定義夾具類(lèi)型； （3）定義外部負(fù)載； （4）有限元網(wǎng)格劃分； （5）解決； （6）視圖求解結(jié)果。 根據(jù)上面的步驟，以下部分的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果顯示在圖4-圖9。 圖4 傳動(dòng)軸應(yīng)力分析 圖5 傳動(dòng)軸應(yīng)變分析 圖6 管軸應(yīng)力分析 通過(guò)以上分析，我們可以了解到零件上關(guān)鍵位置的最大位移和最大應(yīng)力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要對(duì)應(yīng)力進(jìn)行了檢驗(yàn)。 通過(guò)分析關(guān)鍵零件圖的結(jié)果，最大應(yīng)力在傳動(dòng)軸如圖4所示的雜志部分的輸入部分上，最大應(yīng)力位于軸的直徑變化部分上，應(yīng)力為41.5 MPa。以上材料的關(guān)鍵部件是45鋼。經(jīng)過(guò)查驗(yàn)材料手冊(cè)，45鋼的屈服強(qiáng)度為355兆帕。它大于零件的最大應(yīng)力，具有較高的安全系數(shù)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)利用Solidworks三維仿真軟件進(jìn)行行星輪可爬樓梯輪椅車(chē)的有限元分析，既能檢查出滿(mǎn)足要求的強(qiáng)度，又可以為輪椅的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。 圖7 管軸應(yīng)變分析 圖8 車(chē)輪應(yīng)力分析 圖9 車(chē)輪應(yīng)變分析 5結(jié)論 本文分析了常用的可爬樓梯輪椅車(chē)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種行星輪式可爬樓梯輪椅車(chē)，通過(guò)使用行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)擁有爬樓梯和平地行走兩種功能。通過(guò)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)，并對(duì)越障能力的分析，我們可以獲得這種越障能力高，適應(yīng)各種不同尺寸樓梯能力強(qiáng)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，安全性好的行星輪式可爬樓梯輪椅車(chē)。 附錄2