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畢 業(yè) 設 計（論 文）
電動助力式爬樓輪椅設計
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Design of electric climbing wheelchair
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May 2017
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本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。
作者簽名： 年 月 日
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本學位論文作者完全了解學院有關保管、使用學位論文的規(guī)定，同意學院保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士學位論文評選機構將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。
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作者簽名： 年 月 日
導師簽名： 年 月 日
摘 要
當前中國社會人口老齡化的問題越來越突出。本文主要考慮到老年人人群以及殘疾人人群行動不便，還有部分老式樓房沒有電梯的特點，設計具有爬樓梯功能的電動輪椅，從而提高他們的生活質量。
本次設計主要針對電動爬樓梯輪椅進行設計。首先，通過對電動爬樓梯輪椅的結構及運動原理進行分析，并在此基礎上提出總體設計方案，本設計決定采用星輪式的爬樓輪椅。其次是對輪椅主要結構參數(shù)進行設計計算以及對各主要零部件進行設計及校核，主要包括對輪椅座椅骨架的設計，座椅調平機構的設計以及輪椅傳動機構的設計。最后，通過制圖軟件繪制電動爬樓梯輪椅的裝配圖及主要部件零件圖。
本電動爬樓梯輪椅在普通輪椅的基礎上安裝了星輪式爬樓裝置、座椅調平機構、電機及其相關控制系統(tǒng)。這樣可以方便使用人群，減少他們出行的困難，提高他們的生活質量。
在中國國民經(jīng)濟發(fā)展中，電動爬樓梯輪椅的需求逐年增加，市場潛力巨大，電動爬樓輪椅行業(yè)發(fā)展機遇廣闊，生產(chǎn)前景良好。
關鍵詞：行星輪 座椅調平機構 控制系統(tǒng) 輪椅
II
Abstract
The current problem of aging population in China is becoming more and more prominent. This article mainly takes into account the elderly people and the disabled population mobility, there are some old buildings without the characteristics of the elevator, designed to climb the stairs function of electric wheelchairs, thereby enhancing their quality of life.
This design is mainly for electric climbing stairs wheelchair design. First of all, through the analysis of the structure and movement principle of the electric climbing staircase wheelchair, and on this basis, put forward the overall design plan, the design decided to use the wheel-type climbing wheelchair. Followed by the design and calculation of the main structural parameters of the wheelchair and the design and verification of the major components, including the design of the wheelchair seat frame, seat leveling mechanism design and wheelchair transmission mechanism design. Finally, through the mapping software to draw electric climbing wheelchair assembly diagram and the main parts of the assembly map.
The electric climbing staircase wheelchair in the ordinary wheelchair on the basis of the installation of a star-type climbing equipment, seat leveling mechanism, motor and its related control system. This makes it easy to use the crowd, reduce the difficulty of their travel, and improve their quality of life.
In China's national economic development, the demand for electric climbing stair wheelchair increased year by year, the market has great potential, electric climbing wheelchair industry development opportunities are vast, the production prospects are good.
Keywords： planet wheel seat leveling mechanism control system wheelchair
目 錄
摘要 …………………………………………………………………………………I
Abstract……………………………………………………………………………II
1 緒論 ………………………………………………………………………………1
1.1 課題研究目的及意義 ………………………………………………………1
1.2 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀 ……………………………………………1
1.2.1 星輪式 …………………………………………………………………2
1.2.2 履帶式 …………………………………………………………………2
1.2.3 腿足式 …………………………………………………………………3
1.2.4 復合式 …………………………………………………………………4
1.3 本課題的主要研究內(nèi)容 ……………………………………………………5
1.4 設計進程的安排 ……………………………………………………………5
2 機械結構總體方案設計 …………………………………………………………7
2.1 爬樓機構的選擇 ……………………………………………………………7
2.2 爬樓輪椅總體結構概述 ……………………………………………………8
2.3 輪椅座椅骨架設計 …………………………………………………………9
2.4 星輪爬升機構設計…………………………………………………………11
2.5 座椅調平機構的設計………………………………………………………13
3 電氣系統(tǒng)總體方案設計…………………………………………………………16
3.1 電機的選擇…………………………………………………………………16
3.1.1 電機類型選擇…………………………………………………………16
3.1.2 電機功率計算…………………………………………………………17
3.1.3 電機相關參數(shù)…………………………………………………………18
3.2 蓄電池的選擇………………………………………………………………20
3.3 控制系統(tǒng)設計………………………………………………………………20
3.3.1 電機驅動原理…………………………………………………………20
3.3.2 電機調速原理…………………………………………………………21
3.3.3 PLC控制系統(tǒng)…………………………………………………………24
3.3.4 PLC相關參數(shù)…………………………………………………………25
4 傳動部件的設計…………………………………………………………………27
4.1 傳動系統(tǒng)動力參數(shù)計算……………………………………………………28
4.2 齒輪傳動的設計……………………………………………………………29
4.3 傳動軸的設計………………………………………………………………32
4.3.1 輸出軸的設計…………………………………………………………32
4.3.2 車輪軸的設計…………………………………………………………35
結論…………………………………………………………………………………38
致謝…………………………………………………………………………………39
參考文獻……………………………………………………………………………40
1 緒論
1.1 課題研究目的及意義
隨著社會發(fā)展和人類文明的進步，特別是城市快速擴張和建設，人口老齡化問題日益嚴重，殘疾人人數(shù)不斷增加，對輔助步行工具的需求也日益增加。而目前我國高層建筑云集，天橋越來越多，公園的臺階，沒有電梯的小區(qū)樓房臺階，這些都困擾著輪椅使用者。輪椅作為殘疾人人群唯一的出行工具，卻受到越來越多的限制，對于這些臺階及障礙，此時傳統(tǒng)的輪椅已經(jīng)無法滿足大多數(shù)人的需求。而隨著科學技術的發(fā)展，我們應改進輪椅，使其功能更加完善，以此來適應現(xiàn)代社會環(huán)境。
近年來，國內(nèi)外許多大學，公司和研究機構對爬樓裝置進行了深入研究，提出了各種產(chǎn)品或解決方案。一般來說，根據(jù)不同的爬樓機構，可分為以下幾種機構：一種是采用星輪式爬樓機構，星輪不僅圍繞著自己的軸線旋轉，而且還共同圍繞一根旋轉軸旋轉；一種是履帶式爬樓機構；還有腿足式爬樓機構和復合式爬樓機構。現(xiàn)在，中國輪椅行業(yè)發(fā)展緩慢，在國內(nèi)可以爬樓梯的多功能輪椅，還沒有成熟的產(chǎn)品。但隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人民生活水平的提高，考慮到老年人和殘疾人的出行便利需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅將具有重大的現(xiàn)實意義。
1.2 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀
電動爬樓輪椅的研究歷史悠久，早在19世紀90年代就已經(jīng)出現(xiàn)了這樣的專利。此后，美國，英國，日本，德國等發(fā)達國家開始攻堅這個領域，通過不斷的鉆研，已經(jīng)取得了一定成效。由于起步較早，他們在這項技術上比較成熟，已經(jīng)推出了這樣的產(chǎn)品。但同時這些產(chǎn)品仍然存在一些瑕疵，需要改進。
國內(nèi)的研究近一二十年也取得了顯著成效。近年來，相繼出現(xiàn)了一些成果，但產(chǎn)品距離成熟還有很長的路要走。
目前已有多種多樣的爬樓梯電動輪椅存在，按照目前市場上主流的爬樓機構可分為履帶式，星輪式，腿足式和復合式這四種。同時每種爬樓機構都有自己的優(yōu)點和缺點。
1.2.1 星輪式
星輪式爬樓輪椅的爬樓機構由呈現(xiàn)“Y”，“五星”或“十”字型的多個相同小輪組成，其特點是：每個星輪和星輪架都可繞主軸旋轉，每個星輪也可以圍繞其自己的輪軸旋轉。在爬樓時，星輪本身自鎖不轉，星輪架圍繞主軸旋轉，完成爬樓動作。在平地行駛中，星輪架相對于主軸自鎖不轉，每個星輪可繞自己的輪軸自轉，然后通過與地面接觸的星輪自轉來實現(xiàn)地面驅動功能。
由美國發(fā)明家Dean Kamen發(fā)明了一種可以自動調整重心的星輪式爬樓輪椅—IBOT3000（圖1.1）。 它共有六個輪子，在一對導向輪在前面，后面是兩對行星機構的充氣輪胎，通過兩個輪子交替翻轉來上下樓梯。
圖1.1 IBOT3000
1.2.2 履帶式
履帶爬樓機構的技術已是趨于成熟，由于坦克、履帶裝甲車的履帶越障技術已經(jīng)實際應用較長時間，此類型的爬樓輪椅就參照了其中履帶的應用。運用了履帶越障能力強，運動平穩(wěn)，控制簡單，能夠適應各種尺寸的樓梯等優(yōu)點。
設計成型的產(chǎn)品也已經(jīng)問世，并早在十幾年前就已經(jīng)占據(jù)了一定市場份額。其中較為出名的是法國TopChiar公司研制的悍馬—H8（圖1.2a）以及T09—ROBY（圖1.2b）。兩者在結構上都是普通電動輪椅和爬樓機構合一，在平地行駛時履帶機構收起，由后輪驅動；遇到樓梯時，放下履帶機構驅動輪椅，后輪收起，履帶機構與輪椅座椅形成一定角度，角度可調整，從而保持座椅的水平。
（a）法國悍馬—H8 （b）T09—ROBY
圖1.2 履帶式爬樓機構
1.2.3 腿足式
腿足式爬樓輪椅在國外已有將近一百年的歷史，經(jīng)過人們不斷的改進和完善，現(xiàn)在腿足式爬樓輪椅都存在較高的安全性，且傳動機構復雜。該輪椅的爬樓原理是模仿人身體的爬樓動作，該爬樓輪椅主要靠兩套支撐裝置交替支撐來實現(xiàn)輪椅爬樓梯的功能。
目前世界各國都在對腿足式爬樓輪椅進行研究，其中日本的研究技術比較成熟，其經(jīng)過數(shù)十年研究，已經(jīng)出現(xiàn)了很多成熟產(chǎn)品。其中較為出名的是日本的豐田公司研發(fā)的“iFoot”（圖1.3a）和“WL—16RII”（圖1.3b），這兩種爬樓輪椅的行駛裝置類似于人體的兩條腿，這可以使輪椅乘坐者能夠像正常人一樣到處運動，它們都可為老年人和殘疾人人群提供新的行動能力，減少他們出行的困難。
由于腿足式爬樓輪椅的安全性比其它類型的爬樓輪椅高，所以在國外得到廣泛應用。但由于其復雜的傳動機構及控制系統(tǒng)，我國目前仍然不掌握這種技術。盡管如此，為了老年人及殘疾人人群的安全著想，我們還是應該優(yōu)先考慮一個更安全而不是更便宜的爬樓輪椅。相信隨著人類科學技術的發(fā)展以及人們消費水平的提高，腿足式爬樓輪椅在未來將逐漸成為更多殘疾人和老年人人群的首選。
（a）iFoot （b）WL—16RII
圖1.3 腿足式爬樓機構
1.2.4 復合式
目前，鑒于履帶式，星輪式和腿足式爬樓機構的優(yōu)缺點，新的爬樓機構的創(chuàng)新點是結合上述機構，將星輪式、履帶式和腿足式的優(yōu)點相互結合。目前普遍的組合有兩種：一個是輪履，腿履復合體，例如英國公司生產(chǎn)的Stairmatic(圖1.4a)；二是輪——履復合體，如EPFL生產(chǎn)的ShrimpRobot（圖1.4b）。該設計主要是依靠腿型機構來完成爬樓及跨越障礙，利用履帶的穩(wěn)定性和輪組的靈活性來實現(xiàn)功能的完整?？偠灾?，雖然復合式爬樓梯輪椅有其自身的優(yōu)勢，但同時自身還有一些瑕疵需要解決，而且其昂貴的價格也難以承受。
（a）Stairmatic （b）ShrimpRobot
圖1.4 復合式爬樓機構
1.3 本課題的主要研究內(nèi)容
爬樓梯電動輪椅的爬樓實現(xiàn)機構是本設計內(nèi)容的重點。設計合理可靠的爬樓機構對于實現(xiàn)電動爬樓梯輪椅的功能和安全性至關重要。另外，在爬樓機構設計過程中，爬樓梯電動輪椅爬樓一般需要較大的扭矩，這是爬樓輪椅一般面臨的問題，所以需要確定適當?shù)膫鲃酉到y(tǒng)來實現(xiàn)大傳動比“減速增扭”功能，但同時需要考慮輪椅本身空間結構的限制，其中需要關注其傳動系統(tǒng)的設計，以達到其傳動功能的要求。最后，從使用者舒適程度出發(fā)，應該盡量減少上下樓梯過程中重心調整造成的波動，從發(fā)生傾翻危險的實際情況出發(fā)優(yōu)化重心調整方案。
為了更好的完成這些設計任務，本設計應做到以下幾點：
1.設計后應能夠實現(xiàn)的功能：
（1）實用性好，應能攀爬不同尺寸的臺階；
（2）控制結構盡量簡單，平地行駛與上下臺階兩種工作情況容易切換；
（3）使乘坐者感到平穩(wěn)舒適，爬樓梯時應使座椅保持在水平狀態(tài)；
（4）在保證安全的前提下，輪椅結構要盡量簡單緊湊，造價要低。
2.本設計需要解決的主要問題：
（1）爬樓機構的設計；
（2）爬樓過程中重心如何調整分析；
（3）電機，蓄電池的選型；
（4）電動輪椅的運動控制系統(tǒng)設計。
1.4 設計進程的安排
根據(jù)本課題的研究內(nèi)容，設計工作可概括為以下四個階段：
1. 收集資料階段
主要查找信息包括目前國內(nèi)外電動爬樓梯輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀，各相關技術產(chǎn)品專利。并找出其中幾種主流式爬樓機構，分析研究它們的機構性能以及爬樓過程。在這個階段，我主要收集整理國內(nèi)外電動爬樓梯輪椅相關信息，從這些設計中提取靈感，并初步明確設計思路，定下設計方案。
2. 分析研究階段
該階段主要包括三個方面的內(nèi)容：爬升機構的設計，電機、蓄電池的選擇，座椅升降機構的設計。在此階段，主要對國內(nèi)外各種主流形式的爬樓機構進行功能比較，選擇其中性價較高的爬樓機構來進行研究設計。在電機選擇上，主要分析比較了在戶外行駛條件下應該使用交直流電機中的哪一種。使用交流電機就需要有一根電線來接電，那樣電線的長度就限制了輪椅的行駛距離，這樣非常不安全。所以最終選用了直流電機，并在其上安裝蓄電池來供電。在座椅升降機構方面，通過比較多種機構后，最終選擇了滾道滑軌式座椅調平機構，該機構主要通過滾軸軸端安裝的軸承在滑軌里滑動，調整行駛過程中的重心波動，從而實現(xiàn)座椅的調平。
3. 設計階段
在這個階段，主要工作是對輪椅各個模塊上進行設計計算，主要考慮到各個模塊的機械性能，運動性能等，并對傳動模塊進行校核計算。確定輪椅機械結構方面的具體尺寸及裝配方法，繪制機械機構裝配圖、部分零件圖及電路控制圖。
4. 總結階段
在畢業(yè)設計的最后，我們要梳理自己收集的信息，分析自己做的研究，完成論文的撰寫，繪制機械裝配圖和主要零部件圖，并進行修改。
2 機械結構總體方案設計
2.1 爬樓機構的選擇
作為爬樓梯電動輪椅，其驅動機構主要由兩部分組成，其中一部分是爬樓梯機構，另一部分是平地行駛機構。本課題設計工作的重點在于爬樓機構的設計，平地行駛機構的設計以及如何將爬樓梯功能與普通電動輪椅的功能相結合。
通過對國內(nèi)外爬樓梯裝置的分析研究，大致將爬升機構分為星輪式、履帶式、腿足式及復合式。通過比較它們的優(yōu)缺點，得出下表2.1。
表2.1 典型爬升機構性能對照表
爬升機構
星輪式
履帶式
腿足式
臺階適應能力
一般
強
強
穩(wěn)定性
一般
強
差
控制難易度
簡單
一般
困難
機構復雜程度
簡單
一般
復雜
行走阻力
小
大
大
對臺階有無損傷
無
有
無
噪音
小
大
小
靈活程度
較好
一般
好
價格
低
中
高
通過對比以上各種爬升機構的優(yōu)缺點，考慮到控制的難易程度、使用的安全性、運動的靈活性等，最終確定采用星輪機構作為爬升機構。
該爬樓機構的主要優(yōu)點有：
（1）平穩(wěn)的行駛能力。輪椅在地面行駛時，由于其結構的特點，任何時候都有六個小輪與地面接觸，利用星輪的定軸輪系來傳遞動力，使小輪快速地向前或向后。當面臨障礙物時，車輪變成行星輪系進行翻轉向前推進。
（2）可靠的爬樓梯能力。當輪椅上下樓梯時，電機控制三個星輪繞中心軸旋轉，同時行星齒輪減速器和蝸輪蝸桿式大減速比裝置形成自鎖功能，使控制動作得到準確保證。這一特點對于控制輪椅爬樓梯特別重要。
（3）控制方式易于實現(xiàn)。任意時刻輪椅左側和右側輪組的輪子速度相同，從而可以精確控制輪椅的運動。
（4）通過電機的調速控制器來實現(xiàn)輪椅的轉彎，向前或向后直線前進，爬坡，爬樓等功能。轉彎中所需的半徑即為車身寬度。
2.2 爬樓輪椅總體結構概述
該輪椅的總體結構如圖2.1所示，我在其上做了改進。本課題電動爬樓輪椅主要由爬樓機構（星輪式機構）、輪椅框架、座椅、傳動機構、座椅調平機構以及轉向機構組成。
圖2.1 星輪式爬樓輪椅結構簡圖
（1）爬樓機構：本輪椅采用一組星輪式爬樓機構，行星輪左右分別對稱安裝，通過行星輪的公轉和自轉實現(xiàn)平地行駛與爬樓功能的轉換。
（2）輪椅框架：輪椅框架是整個輪椅的基礎，應結合輪椅整體布局的要求進行設計，同時輪椅框架還應具有足夠的強度和剛度，確保輪椅在各種復雜路況下安全行駛。輪椅框架的質量應盡可能小，盡量降低輪椅總體的重心，這樣可以使輪椅行駛起來更穩(wěn)定。
（3）座椅：輪椅座椅應該使乘坐者感覺舒適，所以這個設計應該充分考慮到用戶的具體身體狀況。
（4）傳動機構：采用電機接齒輪的傳動方式，使電機的傳動力可以有效地傳遞到驅動輪椅運動的行星輪機構上，從而驅動輪椅前進。
（5）座椅調平機構：設計一個滾道滑座調平機構。主要由圓弧形軌道和滾軸組成?；壨ㄟ^焊接固定在輪椅底座上，滾軸與輪椅座椅底部的托架采用螺紋連接。其軸端裝有滾動軸承，使其可以在滑軌中滑動以實現(xiàn)座椅的調平。
（6）轉向機構：鑒于車輪數(shù)量的設計較多，如果直接使用前輪和后輪都是行星輪的形式，那么就有8個輪子與地面接觸，那就必須同時轉動8個輪子才能轉向，所需的轉向力就會很大，導致轉向困難，同時其行走阻力也很大。為了解決這一困難，我把輪椅前邊的行星輪改成了2個轉向輪，這樣一來就同時有6個輪子著地，減小了轉向力及行走阻力。
2.3 輪椅座椅骨架設計
電動輪椅主體骨架包括電動輪椅主體和支撐結構，承載著輪椅重量和乘坐者的重量，電動輪椅所有部件必須安裝在輪椅主體骨架上。
輪椅座椅的設計應考慮到電機及傳動機構的布置，為傳動機構留出足夠的空間，使輪椅的重心合理分布。輪椅座椅尺寸要符合人體坐姿尺寸，讓乘坐者感到舒適，具體人體坐姿尺寸見下表。
表2.2 坐姿人體尺寸
測量項目
男（18—60歲）
女（18—55歲）
坐高/mm
858
908
947
958
809
855
891
901
坐姿肘高/mm
228
263
291
298
215
251
277
284
坐姿大腿厚/mm
112
130
146
151
113
130
146
151
坐姿膝高/mm
456
493
523
532
424
458
485
493
小腿加足高長/mm
383
413
439
448
342
382
399
405
坐深/mm
421
457
486
494
401
408
461
469
1.座椅寬度
座椅寬度是指座椅左右之間的距離。設計時要注意座椅的寬度需比人體坐姿時的臀部寬度大，這樣可以使乘坐者自由地調整坐姿。所以根據(jù)表2.2最終確定座椅寬度為420mm。
2.座椅深度
座椅深度是指座椅前后之間的距離。人體臀圍到大腿全長的3/4大概就是這個深度的大小。綜合上表最后確定為450mm。
3.座椅靠背的高和寬
座椅靠背的高度應該接近于人體坐姿的高度。靠背的寬度應該約等于人體肩寬的大小。經(jīng)查閱資料，最終取靠背高度為700mm，靠背寬度為420mm。
4.座椅靠背傾角
此傾角是指座椅靠背和水平面之間所夾的角度?？勘潮３忠欢ǖ膬A斜角度可使乘坐者的脊椎時刻處于放松狀態(tài)，該角度一般為95°~120°。所以最終取100°。
5.扶手尺寸
座椅扶手主要考慮到兩個尺寸，即扶手的高度以及左右扶手的間距?？紤]到人體兩肘之間的寬度以及肘部平放時的高度，參照上表2.2，最后確定扶手的高度取為210mm，左右扶手間的間距取為420mm。
6.腳踏板高度
腳踏板的高度即指其與座椅之間的距離。其位置最好是能使其與大腿保持大于90°的夾角，并且盡量使人體小腿平行于上身。這樣可使腿部時刻處于放松狀態(tài)以及保證腿腳有足夠的活動空間。所以參照表2.2最后確定為420mm。
2.4 星輪爬升機構設計
輪椅的爬樓機構選用星輪輪組結構。星輪輪組結構中小輪數(shù)量越少，結構就越簡單，但是驅動輪組翻越障礙所需的轉矩也越大，在行駛過程中輪椅重心波動的問題也越大，穩(wěn)定性也就越差。但隨著小輪數(shù)量的增加，整個輪組的結構又將變得復雜。因此，經(jīng)過研究分析，最終確定該輪椅的前輪即導向輪采用一個小輪來形成一個輪組機構，后輪一個輪組機構由三個小輪組成。
圖2.2 三星輪機構簡圖
我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調標準》規(guī)定：室內(nèi)樓梯踏步高度不宜大于，并不宜小于；樓梯踏步寬度不宜大于，并不宜小于，計算樓梯的臺階角度在之間，我們一般取來計算；樓梯踏步高與寬的關系要滿足：。輪椅要適應規(guī)定的尺寸范圍，才能夠順利的上下樓梯，即強調輪椅的適應能力。輪椅車輪應能在最小寬度的臺階上穩(wěn)定的支撐輪椅，并能做一定距離的滾動。根據(jù)這個條件，星輪直徑，所以綜合以上因素選擇星輪直徑為。
在樓梯踏步尺寸最小的情況下，輪椅車攀爬樓梯的難度最大，所以對車輪直徑可行性的驗證以及兩輪中心距的確定均在踏步寬度為，踏步高度為的臺階上進行。星輪機構爬樓狀態(tài)，如圖2.3所示。其中，為星輪架臂長，為星輪半徑，為星輪架臂寬，為星輪中心距，為星輪中心與樓梯邊緣的距離。
（a）星輪組爬樓示意 （b）星輪示意
（c）星輪架示意
圖2.3 星輪機構爬樓梯示意簡圖
根據(jù)圖2.3，可以得出以下式子：
（2—1）
（2—2）
取，又由已知條件可知，得到：
同理取時，同上可得：
所以最終在這個范圍中取星輪架臂長。
當輪組結構中兩個星輪相切時，此時星輪半徑為最大，其最大值的計算公式為：
（2—3）
代入，得出，所以確定是合理的。
當星輪半徑以及星輪架臂長取一定值時，根據(jù)圖2.3可推導出：
（2—4）
代入相關數(shù)值解得，即星輪架臂寬。
結合以上公式(2—1)、(2—2)、(2—3)、(2—4)的計算結果，最終確定星輪的主要參數(shù)為：
2.5 座椅調平機構的設計
爬樓輪椅在爬樓梯時，由于重心波動導致輪椅座椅是傾斜的，而這則會使乘坐者感到不舒服。所以為了消除這個弊端，我查閱了相關文獻，最終設計了一種滑軌式的座椅調平機構。其中主要由圓弧形軌道和滾軸組成，其中圓弧形軌道的弧度取120°，軌道焊接在輪椅底部的支架上（位置關系如圖2.4所示）。
圖2.4 滑軌與輪椅座椅位置關系
。在其軸端裝有滾動軸承，使其可以在滑軌中滑動以實現(xiàn)座椅的調平，具體結構如圖2.5所示。
圖2.5 滾道滑軌式座椅調平機構圖
軸承選用滾動軸承6204 GB/T 276—1994，以下對滾軸軸端進行校核，主要是校核軸端的彎曲應力及切應力。因為45號鋼的綜合力學性能良好，所以該滾軸材料采用45號鋼并進行調質處理，取該滾軸軸端直徑，并對其進行校核。受力簡圖如下圖2.6所示：
800N
20cm
20cm
A B
400N 400N
圖2.6 滾軸兩軸端受力簡圖
校核滾軸軸端的正應力強度，可得軸端最大彎矩值為：
通過查閱相關資料得知圓形截面的彎曲截面系數(shù)公式為：
（2—5）
把以上相關數(shù)據(jù)代入式解得：
最大正應力的計算公式為：
（2—6）
把以上相關數(shù)據(jù)代入式解得：
校核滾軸軸端的切應力強度，從圖中可知：
通過查閱相關資料得知最大切應力公式為：
（2—7）
把以上相關數(shù)據(jù)代入式解得：
綜上所述，當滾軸軸端直徑時，滾軸軸端的正應力和切應力強度均滿足要求，所以是安全的。
3 電氣系統(tǒng)總體方案設計
根據(jù)平地或爬樓等不同實際環(huán)境下的具體要求，參考國標 GB12996—1991——電動輪椅車標準，確定控制系統(tǒng)的相關參數(shù)。
國標標準中對電動輪椅車的主要技術性能規(guī)定如表所示。
表3.1 電動輪椅國家標準
項目內(nèi)容
性能指標
室內(nèi)型
室外型
速度（km/h）
≤4.5
≤6.0
爬坡能力
≥8°
≥8°
一次充電最大行程（km）
≥10
≥20
參考表3.1確定本輪椅的技術指標如下：平地時最大運行速度為，最大爬樓速度為每分鐘個臺階。該電動輪椅攜帶蓄電池自主供電。
3.1 電機的選擇
3.1.1 電機類型選擇
考慮到電動輪椅的戶外使用條件，我們需要選擇永勵直流電機。該電機根據(jù)有無機械換向裝置可分為有刷直流電機和無刷直流電機。
無刷直流電機具有以下優(yōu)點：
屬于靜態(tài)電機，電機空載時的電流?。?
（1） 利用電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向，其性能優(yōu)良、磨損較小、故障率低；
（2）
電機體積較小。
（3） 電機傳動效率相對較高；
（4）
但是雖然目前電動輪椅大部分都是采用無刷直流電機作為驅動電機，并且還有很多相應的控制器。但其還有如下缺點：
低速啟動時會有輕微的振動；
（1）
（2） 電機價格較高，相應的控制器結構復雜，成本也高；
（3） 容易形成共振。
變速相對平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動；
而相比于無刷直流電機，有刷直流電機則具有以下優(yōu)點：
升溫慢，可靠性好；
（1）
價格比無刷直流電機便宜，控制器結構也簡單。
（2）
（3）
基于有刷直流電機的平穩(wěn)可靠性以及低成本，本電動爬樓輪椅最終選用有刷直流電機。同時也要注意碳刷的保養(yǎng)，以及及時更換碳刷。
3.1.2 電機功率計算
爬樓梯電動輪椅的運動形式可分為平地行駛、爬坡運動和爬樓梯三種形式，根據(jù)不同的運動狀況，采用理想狀態(tài)下的假設情況來計算電機所需的功率。
根據(jù)具體設計要求確定該輪椅的具體參數(shù)如下：
輪椅總重量：60kg以下；輪椅承重量：80kg以下；
平地行駛最大速度：
最大爬坡角度：20°；此時最大速度為：
爬樓梯速度：
1. 行走功率計算
取平地運動時的滾動摩擦系數(shù)取0.03，重力加速度g取，則所需的電機功率為：
2.爬坡功率計算
假設爬坡時的最大坡度為20°，爬坡速度為0.3m/s，此時電機的功率為：
3.爬樓功率計算
爬樓梯的動作實際上就是將整體質量往上一級臺階抬升的過程，輪椅在爬樓過程中需要克服車體和人的重力進行做功。經(jīng)初步估計爬樓過程中重力作用線與驅動軸之間的垂直距離，所以計算所需克服的阻力矩為：
驅動輪的角速度為：
爬樓速度最大為，從而確定驅動軸轉速為：
爬樓所需功率為：
綜上所述：三種運動形式中爬坡時的功率最大，為142.8W，所以所選電機的額定總功率應大于142.8W，所以我初步選用額定功率為144W的電機。
3.1.3 電機相關參數(shù)
經(jīng)計算所需扭矩及功率等參數(shù)，又綜合考慮質量價格等諸多因素，最終我選用蘭州萬里航空機電有限責任公司生產(chǎn)的輪椅車專用電機DG—M4，具體相關參數(shù)見下圖及下表。
圖3.1 DG—M4外形
圖3.2 電機輸出軸的接口尺寸
表3.2 DG—M4電機參數(shù)
電機類型
永磁直流電動機，直流24V
離合器類型
電磁離合器，直流24V
額定電流
6A
空載電流
最大3.3A
最大輸出功率
65R/M時230W
持續(xù)扭矩
1.1Nm/A
最大扭矩
使用40A控制器時44Nm
使用50A控制器時55Nm
離合器制動扭矩
輸出軸，大于50Nm
輸出軸空載轉速
正常120RPM
減速比
i＝32.88
絕緣等級
F
重量
5.5kg
電機殼體顏色
黑色
推薦輪子尺寸
31.75cm (12.5〞)
該電動機構由具有電磁離合器（制動）裝置的永磁電動機和具有一級直齒和一級蝸輪蝸桿副傳動的全封閉變速箱組成。蝸輪蝸桿副傳動對于爬樓裝置來說，可以實現(xiàn)自鎖，這對爬樓這一動作提供了安全保障。通過計算平地行駛電機，爬樓翻轉電機均可以是DG-M4。
3.2 蓄電池選擇
為滿足爬樓電動輪椅的使用要求，本輪椅必須能實現(xiàn)自主供電，所以決定采用蓄電池作為輪椅供電電源。電池的種類根據(jù)使用次數(shù)不同大致上可以分為一次電池和二次電池。一次電池就是指只能使用一次而不可再補充能量的電池；而可以重復補充能量的電池就稱為二次電池。由于爬樓電動輪椅的電池是需要重復使用的以及從環(huán)保的角度來想，所以本次設計決定采用二次電池即蓄電池。二次電池的種類也相當多，其中包括鎳錫電池、鎳氫電池、鋰離子電池等等。
考慮到電池的容量、電壓的大小、使用壽命等因素，本次設計選用鋰離子電池。經(jīng)查閱相關資料，得知鋰離子電池有以下優(yōu)點：
（1） 能量密度高，其體積能量密度和質量能量密度分別可達450W.h/和150W.h/kg，而且還在不斷提高；
（2） 平均輸出電壓高，為Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍；
（3） 自放電量小，平均每月少于10％，小于Ni-Cd，Ni-MH的一半；
（4） 可以快速的充電和放電，充電容量高達額定容量的80％；
（5） 工作溫度范圍寬，-30?+45℃，隨著電解液和正負極的改善，有希望能擴展至，低溫可擴展至；
（6） 電池殘留容量檢測更方便；無需維護，使用壽命長，對環(huán)境污染較小。
最終選擇型號GX—M3610—B2的鋰離子電池。其主要參數(shù)如表3.4所示。
表3.4 鋰電池主要參數(shù)
額定電壓
電池容量
最大放電電流
工作溫度
24V
20Ah
10~15A
-20℃~55℃
3.3 控制系統(tǒng)設計
3.3.1 電機驅動原理
電機速度控制系統(tǒng)中常用的方法是速度負反饋法，這種控制方法可以得到良好的調節(jié)速度性能。在電機控制系統(tǒng)中，檢測電機的轉速通常使用速度傳感器，但其成本相對較高。由于本控制系統(tǒng)的速度控制過程要求不高，所以可以使用電壓負反饋法來估算電機的轉速大小。
電壓負反饋法雖然可以較為精確的控制電機調速，但其控制系統(tǒng)的動態(tài)性能卻不夠理想。因此，為了得到良好的電機調速性能，通過查閱資料選取了5個N溝道MOSFET管搭建的H橋電路進行控制，其原理圖如3.3所示，其中，V+、V-分別為電機兩端電壓。電機正常運轉時，將V+、V-電壓值送入單片機，計算后可得出電樞電壓，即。然后通過計算電阻R兩端的電壓差即可計算出電機的轉速大小。
圖3.3 調速系統(tǒng)原理圖
從圖中可以看出，當M1、M4、M5導通時，M3、M2關斷，此時電機為正轉即下樓過程；當M2、M3導通時，M1、M4、M5關斷，此時電機反轉即上樓過程。
3.3.2 電機調速原理
為了更好的控制電機轉速，通過查閱資料我找到了由東莞市杰勝電機有限公司生產(chǎn)的直流調速器，主要通過改變輸出占空比，從而改變電機轉速。其相關產(chǎn)品信息及參數(shù)見下圖。
圖3.4 調速器外觀圖
表3.5 調速器相關參數(shù)
產(chǎn)品信息
品名
直流調速器
型號
JS—30AB
電壓
DC 12V—50V
最大電流
30A
功率
支持0~1.5kW
調速范圍
0~100%
尺寸
37×83×110mm
圖3.5 調速器內(nèi)部結構圖
該直流調速器有以下注意事項：
（1）直流調速板調速器輸入為直流，不能直接連接交流電（如：家用電220V）；（2）直流電源正負極不能接反，否則會損壞調速器；
（3）電動機可以不分正負極，當行駛方向和期望不一致時，可以通過跳線順序改變方向；
（4）電位器調節(jié)旋鈕可通過改變調速器輸出占空比來改變電機的轉速；
根據(jù)直流電機轉速方程：
（5）該調速器只能用于直流有刷電機的速度控制，不適用于無刷直流電機的轉速控制，也不能作為調壓器或穩(wěn)壓器使用。
（3—1）
可推導出有三種方法調節(jié)電動機的轉速：
（1） 調節(jié)電樞電壓；
（2） 改變勵磁磁通量；
（3） 改變電樞回路電阻。
對于需要在一定范圍內(nèi)無級調速的系統(tǒng)來說，最好是調整電壓。改變電樞電阻只能是有級調速，而勵磁磁通的調速范圍不大。因此，直流調速系統(tǒng)的自動控制通常由電壓調節(jié)為主。
直流調速器的控制原理是控制原理，是通過改變功率管的通斷時間來改變電機的電樞電壓，然后改變電樞上的占空比來實現(xiàn)電機轉速調節(jié)。因此，該裝置也稱為“開關驅動裝置”。
的輸出波形如圖3.6所示，周期為，一個周期內(nèi)的導通時間為，則加在電機兩端的平均電壓為：
（3—2）
其中，稱為占空比，為電源電壓。
圖3.6 原理圖
由式可知直流電機的轉速與電機兩端電壓成正比，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，所以控制波形的占空比越大，電機轉速越快。
3.3.3 PLC控制系統(tǒng)
1. 輸入/輸出分配表
表3.6 輪椅平地，爬樓行駛控制的PLC輸入/輸出分配情況
輸入
輸出
輸入繼電器
輸入元件
作用
輸出繼電器
輸出元件
作用
X00
平地啟動按鈕
Y00
平地行駛
X01
爬樓啟動按鈕
Y01
爬樓過程
X02
停止按鈕
2. 硬件接線
圖3.7 PLC的外部硬件接線圖
3. 梯形圖
圖3.8 電動爬樓輪椅電機控制程序梯形圖
按下SB1時，輸入繼電器X00接通，平地行駛電機啟動；按下SB2時，輸入繼電器X01接通，爬樓電機啟動。當遇到平地行駛或爬樓情況時，只需啟動對應的電機即可，兩個電機不能同時工作，它們之間形成互鎖關系。
3.3.4 PLC相關參數(shù)
通過查閱資料，我最終選取了深圳市智力機電設備有限公司生產(chǎn)的可編程控制器FBs—PLC。
該系列的PLC指令超過300種以上，并采用最人性化，可讀性最高之多輸入/多輸出指令格式，一個指令即可達成大部分其它牌PLC數(shù)個指令才能做到的功能，使程式大為精簡，同時運算結果可直接由內(nèi)部或外部輸出取得。
所選擇的PLC相關參數(shù)如下表及下圖所示：
表3.7 FBs—10MA—C的主要參數(shù)
型號
規(guī)格
FBs—10MA—C
6點24VDC數(shù)字輸入(2點高速100KHz,2點中速20KHz,2點中速總和5KHz)；4點繼電器或晶體管輸出（2點高速100KHz,2點中速20KHz）；一個RS232或USB通訊端口（最大可擴至3個）；I/O不可擴充。
圖3.9 FBs—10MA—C外觀圖
4 傳動部件的設計
該爬樓輪椅主要由電機，傳動裝置和工作裝置等組成。傳動裝置位于電機和工作裝置之間，其作用是傳遞動力，并改變轉速和轉矩，以滿足工作裝置所需的工作要求。所以傳動裝置對整個爬樓輪椅的性能、重量、尺寸和造價都有很大的影響，因此應合理的擬定傳動方案。
根據(jù)爬樓梯輪椅的要求，我們應該考慮到爬樓梯輪椅的功能、尺寸、重量、工作環(huán)境條件、成本、工作壽命和性價比等等。
電動爬樓梯輪椅傳動方式的選擇理由如下：
（1）充分考慮提高傳動效率，降低能耗，齒輪傳動方式可保證傳動比的恒定；而且其工作壽命長，結構緊湊，傳動效率高。
（2）在爬樓過程中，傳動要求嚴格，輪椅結構要求緊湊，爬樓速度要求較低，所以最終選擇齒輪傳動。
本輪椅采用的是行星輪系的傳動機構,該傳動機構在前進過程中行駛電機1通過中心軸驅動中心輪帶動行星輪轉動從而驅動輪椅前進；通過翻轉電機2帶動行星架實現(xiàn)爬樓梯動作。其傳動機構簡圖如圖4.1所示。
圖4.1 行星輪系傳動機構簡圖
4.1 傳動系統(tǒng)動力參數(shù)計算
由表常用傳動的單級傳動比推薦值可得出：
取該爬樓輪椅翻轉機構的齒輪傳動比
類型
平帶傳動
V帶傳動
圓柱齒輪傳動
圓錐齒輪傳動
蝸桿蝸輪傳動
鏈傳動
推薦值
2~4
2~4
3~6
直齒2~3
10~40
2~5
最大值
5
7
10
直齒6
80
7
表 常用機械傳動的單級傳動比推薦值
1.各軸轉速
假設在爬樓過程中輸出軸為軸，車輪軸為1軸。
2. 各軸輸入功率
按電動機額定功率計算各軸輸入功率，即
其中：為電機與輸出軸間的傳動效率
為圓柱齒輪的傳動效率
3.各軸轉矩
為滾動軸承的傳動效率
4.2 齒輪傳動的設計
1.選擇齒輪的材料，熱處理方式及其精度等級
（1）考慮到爬樓輪椅為一般工作機器，速度不高，故齒輪選用級精度
因為傳遞功率不大，轉速不高，所以選用軟齒面齒輪傳動
（3）小齒輪：號鋼（調質），硬度為
大齒輪：號鋼（正火），硬度為
2. 按齒面接觸疲勞強度初步計算齒輪齒數(shù)
因為電動爬樓輪椅傳動機構處于封閉狀態(tài)且載荷沖擊不大，所以傳動齒輪選用閉式軟齒面齒輪，故先按齒面接觸疲勞強度進行設計，得出以下公式：
（4—1）
式中各參數(shù)選擇如下：
（1） 試選載荷系數(shù)
（2） 小齒輪的轉矩
（3） 按機械設計課本取齒寬系數(shù)
（4） 傳動比
（5） 取，
（7）許用接觸應力計算式如下：
（6） 對于標準齒輪取2.5，查閱課本得彈性影響系數(shù)
（4—2）
由應力循環(huán)次數(shù)公式：
通過查閱課本可知接觸疲勞極限
（4—3）
其中：j=1，為齒輪的工作壽命，取
代入式得：
查閱課本得接觸疲勞壽命系數(shù)
取安全系數(shù)
把以上數(shù)據(jù)代入式則得：
所以取
根據(jù)以上，把數(shù)據(jù)代入式得：
3. 確定傳動尺寸
（1） 計算圓周速度
所以齒輪選用級精度合適
（2） 計算載荷系數(shù)
由課本可知載荷系數(shù)的計算公式如下：
（4—4）
其各