輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)【三維SW】【含7張CAD圖紙】

輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)【三維SW】【含7張CAD圖紙】,三維SW,含7張CAD圖紙,輪式,樓梯,輪椅車,設(shè)計(jì),三維,SW,CAD,圖紙 任務(wù)書 論文(設(shè)計(jì))題目：輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì) 工作日期：2017年12月18日 ~ 2018年05月25日 1.選題依據(jù): 該設(shè)計(jì)的機(jī)械部分主要由底盤小車和輪椅系統(tǒng)組成，底盤小車具有平地行走和爬樓梯和越障礙物的功能，由行星輪機(jī)構(gòu)和萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)完成，座椅系統(tǒng)主要多自由度可調(diào)姿態(tài)平臺(tái)組成，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)組成。該題目屬于機(jī)械設(shè)計(jì)范疇，符合機(jī)制專業(yè)本科畢業(yè)生畢設(shè)設(shè)計(jì)題目要求。 2.論文要求(設(shè)計(jì)參數(shù)): 本設(shè)計(jì)的行星輪式爬樓梯輪椅的整體機(jī)械部分分為底盤系統(tǒng)和座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。底盤系統(tǒng)主要包括行星輪機(jī)構(gòu)和導(dǎo)引萬(wàn)向輪組合機(jī)構(gòu)組成。座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由座椅旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。 1.要求自行輪椅的運(yùn)動(dòng)平順性，平地行走速度不大于15km/h。 2．要求可靠的上下樓梯能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，傳動(dòng)效率高。 3. 階髙度為180 mm±5 mm,最小樓梯坡度為35°,容許誤差為1°。所有樓梯的梯級(jí)突邊都在由兩個(gè)相距10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的區(qū)域內(nèi)。 4.要求使用行星輪減速器及蝸輪蝸桿式大減速比裝置形成自鎖功能，使輪輻電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輪組翻滾時(shí)，輪組中心齒輪不轉(zhuǎn)動(dòng)。 。5. 用Solidworks軟件構(gòu)建底盤系統(tǒng)及座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中必須有一個(gè)系統(tǒng)的3D設(shè)計(jì)圖，并作爆炸視圖和動(dòng)畫演示。 6.繪制或者生成主要零部件的二維工程圖。 7.撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，字?jǐn)?shù)不少于6000字。 3.個(gè)人工作重點(diǎn): 1.行星輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)。4.利用Solidworks軟件繪制零件圖及裝配圖。 4.時(shí)間安排及應(yīng)完成的工作: 第1周：了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價(jià)值，查閱有關(guān)文獻(xiàn)。 第2周：查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)，了解研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線 第3周：撰寫文獻(xiàn)綜述并完成開題報(bào)告 第4周：修改開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述準(zhǔn)備開題答辯。 第5周：輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制設(shè)計(jì)草圖 第6周：底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算，行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算，繪制草圖 第7周：萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制草圖。 第8周：底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。第9周：座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)校核第10周：繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖 第11周：繪制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三維工程圖 第12周：修改并完成總體裝配圖并生成avi爆炸視圖的視頻文件第13周：撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第14周：提交論文、圖紙、查重報(bào)告，準(zhǔn)備答辯 5.應(yīng)閱讀的基本文獻(xiàn): [1] 房立新等.行星輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅[P].中國(guó)專利號(hào)：CN102125488A，2011年7月. [2] 趙樹明.爬樓梯智能輪椅[P].中國(guó)專利號(hào)：CN201564701U，2010. [3] 王中發(fā).實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998. [4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010。 [5]濮量貴、 陳國(guó)定、吳立言 《機(jī)械設(shè)計(jì)》[M ].高等教育出版社，2013年5月第9版[6]陳永當(dāng)，任慧娟，武欣竹.. 基于Solid Works Simulation的有限元分析方法[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2011(9). [7]白象忠.材料力學(xué)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2003 [8]朱孝錄 《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 [M ].電子工業(yè)出版社出版，2007年10月第五版[9]聞邦椿 《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2015年7月第1版[10] 電動(dòng)自行車實(shí)用技術(shù).北京：人民郵電出版社，2008. 指導(dǎo)教師簽字： XX 教研室主任意見： 同意 簽字：XX 2017年12月14日 教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)意見： 同意 簽字：XX 2017年12月15日 學(xué)院公章 進(jìn)度檢查表 第 -4 周 工作進(jìn)展情況 第-4周：了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價(jià)值，查閱有關(guān)文 獻(xiàn)。 第-3周：查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)，了解研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線 第-2周：撰寫文獻(xiàn)綜述并完成開題報(bào)告 2018年01月08日 指導(dǎo)教師意見 當(dāng)面講解設(shè)計(jì)題目要求和理論意義及應(yīng)用價(jià)值。講解開題報(bào)告的內(nèi)容及寫作方法，講解文獻(xiàn)資料的查閱及文獻(xiàn)綜述的寫作要求。充分領(lǐng)會(huì)選題的內(nèi)容及意義。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年01月11日 第 -1 周 工作進(jìn)展情況 第-1周 修改開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述，熟悉所做項(xiàng)目?jī)?nèi)容并準(zhǔn)備開題答辯 。 2018年01月11日 指導(dǎo)教師意見 該生工作態(tài)度認(rèn)真，學(xué)習(xí)努力刻苦，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，多次修改并完成了開題報(bào)告。工作時(shí)間安排合理，技術(shù)路線規(guī)劃切實(shí)可行，文獻(xiàn)綜述格式正確，內(nèi)容較為充分。 該生較好地完成開題報(bào)告及開題答辯。同意開題. 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年01月11日 第 5 周 工作進(jìn)展情況 第1周：完成輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制設(shè)計(jì)草圖 第2周：完成底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算，行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算，繪制草圖 第3周：完成萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制草圖。 第4周：完成底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。 第5周：完成座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 。 2018年03月27日 指導(dǎo)教師意見 基本按照計(jì)劃進(jìn)行，部分計(jì)算需要進(jìn)一步驗(yàn)算校核，圖紙的技術(shù)要去需要完善。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年04月07日 第 10 周 工作進(jìn)展情況 第6周：繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖第7周：繪制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三維工程圖 第8周：修改并完成總體裝配圖并生成avi爆炸視圖的視頻文件第9周：完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫 2018年05月09日 指導(dǎo)教師意見 總體設(shè)計(jì)基本按要求完成。需要注意幾個(gè)問題：三維圖生成二維圖紙過(guò)程中，一些不合理的尺寸需要按照國(guó)標(biāo)的要求進(jìn)一步修改。技術(shù)要求要標(biāo)注全，部分地方需要改進(jìn)。三維爆炸視圖基本合理。設(shè)計(jì)說(shuō)明書格式尚有錯(cuò)誤 ，需要進(jìn)一步修改。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年05月12日 過(guò)程管理評(píng)價(jià)表 評(píng)價(jià)內(nèi)容 具體要求 總分 評(píng)分 工作態(tài)度 態(tài)度認(rèn)真，刻苦努力，作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn) 3 3 遵守紀(jì)律 自覺遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，主動(dòng)聯(lián)系指導(dǎo)教師,接受指導(dǎo) 3 3 開題報(bào)告 內(nèi)容詳實(shí)，符合規(guī)范要求 5 4 任務(wù)完成 按時(shí)、圓滿完成各項(xiàng)工作任務(wù) 4 4 過(guò)程管理評(píng)分合計(jì) 14 過(guò)程管 理評(píng)語(yǔ) 該同學(xué)工作態(tài)度認(rèn)真，刻苦踏實(shí)，作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)習(xí)態(tài)度端正 ，能多次主動(dòng)聯(lián)系老師，虛心接受指導(dǎo)。 該生能自覺遵守校規(guī)校紀(jì)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段一直在專心做設(shè)計(jì) ，沒有參加其他的工作，按擬定的進(jìn)度計(jì)劃開展畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。 該生有較強(qiáng)的文獻(xiàn)資料檢索能力，占有資料較為全面，開題報(bào)告的撰寫內(nèi)容詳實(shí)，格式基本符規(guī)范要求，文獻(xiàn)綜述較為全面，外文翻譯基本正確可信。 中期檢查按時(shí)達(dá)到計(jì)劃進(jìn)度的設(shè)計(jì)任務(wù)。整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)全程基本按照計(jì)劃圓滿完成各階段的任務(wù)。最后的論文設(shè)計(jì)圖紙等按時(shí)提交。 指導(dǎo)教師簽字:XX 日期:2018-05-23 指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)表 評(píng)價(jià)內(nèi)容 具體要求 總分 評(píng)分 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究?jī)r(jià)值和實(shí)踐意義,有一定的開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 5 能力水平 有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表達(dá)與外語(yǔ)能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力 5 4 完成質(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 8 指導(dǎo)教師評(píng)分合計(jì) 17 指導(dǎo)教 師評(píng)語(yǔ) 該題目來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)范疇，符合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求，有較強(qiáng)的實(shí)踐意義，有一定的社會(huì)需求。該題目難度、深度適宜，繪圖量較大，尤其是基于三維繪圖的設(shè)計(jì)，工作量很飽滿。 該生有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和較高科研方法運(yùn)用能力。有較好的中文外文表達(dá)能力，文獻(xiàn)資料檢索能力較強(qiáng)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力尤其是三維繪圖能力較強(qiáng)。 該設(shè)計(jì)文題相符，概念準(zhǔn)確，分析、計(jì)算、校核基本正確、合理，結(jié)論明確可信。論文結(jié)構(gòu)、格式、圖、表等基本符合規(guī)范要求 。 同意參加答辯” 指導(dǎo)教師簽字:XX 日期:2018-05-23 評(píng)閱人評(píng)價(jià)表 評(píng)價(jià)內(nèi)容 具體要求 總分 評(píng)分 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究?jī)r(jià)值和實(shí)踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 4 能力水平 有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表 達(dá)與外語(yǔ)能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力 5 4 完成質(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確 合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 8 評(píng)閱人評(píng)分合計(jì) 16 評(píng)閱人 評(píng)語(yǔ) 輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要代步工具。對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)分析，符合本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 ，難度和工作量適中。傅洪濤同學(xué)對(duì)可爬樓梯輪椅車的傳動(dòng)系統(tǒng) ，尾架系統(tǒng)等進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，也進(jìn)行了相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)與分析 ，工作內(nèi)容較為豐富。設(shè)計(jì)說(shuō)明書內(nèi)容較為完整、層次基本清晰、格式符合基本規(guī)范、公式引用及計(jì)算合理，繪制的工程圖樣符合基本標(biāo)準(zhǔn)要求。提交的設(shè)計(jì)資料反映出該生具備一定的知識(shí)綜合應(yīng)用能力、文字表達(dá)能力和使用工程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力。 評(píng)閱人簽字：XX 評(píng)閱人工作單位：XX日期：null 答辯紀(jì)錄 學(xué)生姓名：XX 專業(yè)班級(jí)：XX 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目： 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì) 答辯時(shí)間：2018年05月 日 時(shí) 分 ~ 時(shí) 分 答辯委員會(huì)(答 主任委員(組長(zhǎng))： XX 辯小組)成員 委 員(組 員)： XXXX 答辯委員會(huì)(答辯小組)提出的問題和答辯情況 問題1：為什么選該結(jié)構(gòu)？ 回 答： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度快，價(jià)格低；但上樓梯振動(dòng)大。問題2：電池的容量？蓄電量多大？ 回 答： 適合七樓；持續(xù)性無(wú)考慮。問題3：輪椅車的座椅部分安全否？ 回 答： 椅子沿滑軌固定，重心會(huì)變化。問題4：6.1圖的位置？ 回 答： 在A0圖表示 問題5：滑軌的尺寸如何計(jì)算；滑軌如何改進(jìn)？ 回 答： 厚度為T；間隙配合。 問題6：輪子幾個(gè)？是什么輪？ 回 答： 橡膠圈，減震，耐磨，增大摩擦力。 記錄人： 2018年05月24日 答辯委員會(huì)評(píng)價(jià)表 評(píng)價(jià)內(nèi)容 具體要求 總分 評(píng)分 自述總結(jié) 思路清晰,語(yǔ)言表達(dá)準(zhǔn)確,概念清楚,論點(diǎn)正確,分析歸納合理 10 9 答辯過(guò)程 能夠正確回答所提出的問題,基本概念清楚,有理論根據(jù) 10 8 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究?jī)r(jià)值和實(shí)踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 5 完成質(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確 合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 9 能力水平 有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表 達(dá)與外語(yǔ)應(yīng)用能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力 10 8 答辯委員會(huì)評(píng)分合計(jì) 39 答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ) 傅洪濤同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作期間，工作努力，態(tài)度認(rèn)真，能遵守各項(xiàng)紀(jì)律 ，表現(xiàn)良好。 能按時(shí)、全面、獨(dú)立地完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的各環(huán)節(jié)工作，具有一定的綜合分析問題和解決問題的能力。 論文立論正確，理論分析得當(dāng)，解決問題方案實(shí)用，結(jié)論正確。 論文使用的概念正確，語(yǔ)言表達(dá)準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，條理清楚。 論文中使用的圖表，設(shè)計(jì)中的圖紙?jiān)跁鴮懞椭谱鲿r(shí)，能夠執(zhí)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化較好。 具有一定的獨(dú)立查閱文獻(xiàn)資料及外語(yǔ)應(yīng)用能力，原始數(shù)據(jù)搜集得當(dāng)，實(shí)驗(yàn)或計(jì)算結(jié)論準(zhǔn)確。 答辯過(guò)程中，能夠簡(jiǎn)明和正確地闡述論文的主要內(nèi)容，思路清晰，論點(diǎn)基本正確；回答問題準(zhǔn)確，有應(yīng)變力；有較好的語(yǔ)言表達(dá)能力。 答辯成績(jī)： 39 答辯委員會(huì)主任： XX 2018年05月30日 成績(jī)?cè)u(píng)定 項(xiàng)目分類 成績(jī)?cè)u(píng)定 過(guò)程管理評(píng)分 14 指導(dǎo)教師評(píng)分 17 評(píng)閱人評(píng)分 16 答辯委員會(huì)評(píng)分 39 總分 86 成績(jī)等級(jí) B 成績(jī)等級(jí)按“A、B、C、D、F”記載 成績(jī)審核人簽章： XX 學(xué)院審核人簽章： XX 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，一種是連續(xù)型爬樓梯輪椅車，一種是間斷型爬樓梯輪椅車。連續(xù)型爬樓梯輪椅車有能量傳遞效率高，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。如圖1所示，行星輪式爬樓梯輪椅車主要由機(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輪獲得和齒輪同樣的角速度。 當(dāng)前車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)車輪組必須滿足以下的關(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是車輪的半徑；R是車輪組中心與車輪中心之間的距離；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)可爬樓梯輪椅車爬上障礙物時(shí)，障礙物的寬度需要滿足以下要求： 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，并且可以滿足輪椅車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的有限元分析，既能檢查出滿足要求的強(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 車輪應(yīng)力分析 圖9 車輪應(yīng)變分析 5結(jié)論 本文分析了常用的可爬樓梯輪椅車的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種行星輪式可爬樓梯輪椅車，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。 附錄2 一、選題依據(jù) 1．論文（設(shè)計(jì)）題目 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì) 2．研究領(lǐng)域機(jī)械設(shè)計(jì) 3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 理論意義：對(duì)于年老體弱者以及下肢傷殘者，輪椅是其必不可少的行走輔助設(shè)備， 由于我國(guó)無(wú)障礙設(shè)施的滯后，這類人群的出行問題十分突出。鑒于目前的輪椅、電動(dòng) 輪椅能在坡度小于 12 度平坦的路面上行駛，但遇到樓梯臺(tái)階、溝槽、坎就無(wú)法跨越， 使輪椅具有爬樓梯能力是解決這類問題的關(guān)鍵。研究這類問題具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。 應(yīng)用價(jià)值：從市場(chǎng)的角度看，輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要的代步工具，隨 著人們生活水平的提高，輪椅被看作是一個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)。從全球范圍來(lái)看爬樓梯 輪椅的研究已經(jīng)有近百年的歷史，提出了各種輪椅爬樓梯的解決方案。在這些方案中， 行星輪式爬樓梯輪椅可以兼顧平地行走和爬樓梯，是比較理想的爬樓梯解決方案。所 以，研究輪式可爬樓梯輪椅車無(wú)論從經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可行性都具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi)，國(guó)外起步比較早，1982 年美國(guó)科學(xué)家 Bray 發(fā)明了第一個(gè)爬樓梯輪椅，此后各個(gè)國(guó)家紛紛推出了各自的產(chǎn)品，取得了很多成果，很多已經(jīng) 上市，我國(guó)在這方面研究比較晚。按照爬樓輪椅的原理，大致可以分為： （1）行星輪式 行星輪式是交通運(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在國(guó)外一些 爬樓機(jī)器人中也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。 （2）履帶式 第二種是履帶式，履帶式原理比較簡(jiǎn)單，和履帶式坦克裝甲車類似。 （3）腿足式 早期的爬樓輪椅一般都采用腿足式，其爬樓機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。 （4）其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種。第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)爬樓的目的。第二種是軌道式爬樓 梯裝置，通過(guò)在普通樓梯上安裝軌道實(shí)現(xiàn)普通輪椅實(shí)現(xiàn)上樓和下樓。 未來(lái)的研究將向以下幾個(gè)方面發(fā)展。 ( 1) 質(zhì)量輕 作為代步工具，爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機(jī)載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。同時(shí)，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時(shí) 的靈活性，降低控制的難度。 ( 2) 可靠性 高爬樓梯輪椅面向的對(duì)象是老年人以及肢體殘疾人士，爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)應(yīng)從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計(jì)安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，爬樓梯過(guò)程中應(yīng)保證重心 波動(dòng)小，安全保證措施響應(yīng)及時(shí)。 ( 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅在功能設(shè)計(jì)上應(yīng)最大程度的滿足人性化要求，構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活的各個(gè)方面。 ( 4) 價(jià)格低 爬樓梯輪椅投入市場(chǎng)被用戶接受的一個(gè)重要因素是價(jià)格因素，爬樓梯輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時(shí)，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價(jià)比。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題 （1）行星輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) （2）萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （3）座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)。 （4）利用 Solidworks 軟件繪制零件圖及裝配圖。 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （1）輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 （3）行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 （4）萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （5）座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)校核 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 在初步準(zhǔn)確完成所需要設(shè)計(jì)的項(xiàng)目并完善工程圖的情況下。使輪式可爬樓梯輪椅 可以實(shí)現(xiàn)平地行走和越障爬樓的功能，對(duì)崎嶇的路面具有較好的適應(yīng)能力，并且座椅 可具有可調(diào)姿態(tài)機(jī)構(gòu)，使人坐起來(lái)更加舒適，推輪椅的人也更加省力。同時(shí)底盤小車 具有平地行走和爬樓梯和越障礙物的功能，座椅系統(tǒng)主要有多自由度可調(diào)姿態(tài)功能。 最終使得產(chǎn)品能夠得到社會(huì)廣泛認(rèn)可，能夠投入市場(chǎng)進(jìn)行批量生產(chǎn)。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)） 主要是搜集文獻(xiàn)，查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)和書籍，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研并參觀現(xiàn)有研究成 果，在老師指導(dǎo)下開展設(shè)計(jì)研究工作，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，力學(xué)計(jì)算，三維軟件 等進(jìn)行仿真模擬。 設(shè)計(jì)參數(shù)： （1）要求自行輪椅的運(yùn)動(dòng)平順性，平地行走速度不大于 15km/h。 （2）要求可靠的上下樓梯能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，傳動(dòng)效率高。 （3）臺(tái)階髙度為 180 mm±5 mm,最小樓梯坡度為 35°,容許誤差為 1°。所有樓梯的梯級(jí)突邊都在由兩個(gè)相距 10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的區(qū)域內(nèi)。 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1 周：了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價(jià)值，查閱有關(guān)文獻(xiàn)。 第 2 周：查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)，了解研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線 第 3 周：撰寫文獻(xiàn)綜述并完成開題報(bào)告 第 4 周：修改開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述準(zhǔn)備開題答辯。 第 5 周：輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制設(shè)計(jì)草圖 第 6 周：底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算，行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算，繪制草圖 第 7 周：萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制草圖。 第 8 周：底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。 第 9 周：座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)校核 第 10 周：繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖 第 11 周：繪制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三維工程圖 第 12 周：修改并完成總體裝配圖并生成 avi 爆炸視圖的視頻文件第 13 周：撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 14 周：提交論文、圖紙、查重報(bào)告，準(zhǔn)備答辯 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 房立新等.行星輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅[P].中國(guó)專利號(hào)：CN102125488A，2011 年 7 月. 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[18] Zhang Li,Wu Bo,Jin Ai-min,et al.A Star-Wheel Stair-Climbing Wheelchair [J].Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing，2014.9 附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告 1 引言 在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口密度越來(lái)越大的現(xiàn)代社會(huì)里，樓梯的誕生緩解了建筑用地 日益緊張的壓力，提高了人們對(duì)空間的利用率。但是大部分人住在公寓式樓房?jī)?nèi)，而 一般的 7 層以下的樓房都沒有安裝電梯，這給老年人或者腿部殘疾人士帶來(lái)了很多的不便。在這種情況下，樓梯對(duì)于他們往往意味著一個(gè)巨大的障礙需要去克服，給他們 的出行帶來(lái)了很多不便，影響他們與外界的溝通交流。 另外這一問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多[3]日益突出。2002 年，全世界 80 歲以上老年人口達(dá)到 6.06 億，而且正在以比總?cè)丝诳斓乃俣冗f增，據(jù)聯(lián)合國(guó)估計(jì)， 2020 年將達(dá)到 10 億 這些人群在出行的時(shí)候多數(shù)是需要輪椅的，老年人和殘疾人比例的顯著增加給醫(yī)療，護(hù)理，社會(huì)服務(wù)方面的需求帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，加重了社會(huì)和 個(gè)人的家庭的負(fù)擔(dān)，而且也影響到了他們的正常生活。 輪椅對(duì)于年老體弱者及肢體傷殘者而言是他們必不可少的代步工具，其應(yīng)用需求 越來(lái)越大。但是，它們一般僅適合在平地上使用，很少具備爬樓梯和翻越路障的能力， 這給輪椅使用者帶來(lái)諸多不便。由于傷殘者對(duì)回歸社會(huì)和獨(dú)立生活的渴望，促使輪椅 的性能和質(zhì)量不斷完善和提高[4]。為此，目前也有很多人致力于爬樓梯輪椅的研究。 我國(guó)的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的產(chǎn)品。隨著社 會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，考慮老年人及殘疾人對(duì)出行的方便性的 需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi)，國(guó)外起步比較早，1982 年美國(guó)科學(xué)家 Bray 發(fā)明了第一個(gè)爬樓梯輪椅[16]，此后各個(gè)國(guó)家紛紛推出了各自的產(chǎn)品，取得了很多成果，很多已 經(jīng)上市。我國(guó)在這方面研究比較晚，針對(duì)電動(dòng)爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成 效，但主要還停留在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)量產(chǎn)，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空 間。 圖 1 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量的分布對(duì)比圖 爬樓輪椅專利申請(qǐng)的時(shí)間分布及分析[15]。國(guó)外在爬樓輪椅方面的專利文獻(xiàn)出現(xiàn)較 早，最早的有關(guān)爬樓輪椅的專利出現(xiàn)在 1912 年。國(guó)內(nèi)關(guān)于這一主題的申請(qǐng)最早出現(xiàn) 在 1991 年，比發(fā)達(dá)國(guó)家晚了近 80 年，在進(jìn)入 21 世紀(jì)以后才逐漸發(fā)展起來(lái)。圖 1 是 1960 年至 2016 年國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量的分布對(duì)比圖?？梢钥闯?，2008 年后該主題的專利申請(qǐng)量明顯上漲，反映出隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)老齡群體和殘疾人士 的關(guān)注度大大提高。 總體而言，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同，通常采用三種結(jié)構(gòu)原理[5]，一種結(jié)構(gòu)是采用行 星輪機(jī)構(gòu); 一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬樓梯輪椅; 一種結(jié)構(gòu)是腿足式結(jié)構(gòu)。另外還有很多種的輔助裝置。 (1)行星輪式 行星輪式是交通運(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在國(guó)外一些爬樓機(jī)器人中 也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。輪椅應(yīng)用方面，普通輪椅以及電動(dòng)輪椅都是采用的這種輪式 結(jié)構(gòu)，其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，能夠?qū)崿F(xiàn)平衡快速地移動(dòng)，能量利用效率高， 采用差動(dòng)傳動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向半徑小，轉(zhuǎn)向靈活[6-9]。對(duì)于行星輪型爬樓輪椅，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并利 用自鎖機(jī)構(gòu)保證上下樓梯時(shí)不傾倒。但該爬樓輪椅對(duì)樓梯的適應(yīng)性較差，不能滿足使 用者對(duì)舒適性和可靠性的需求。 (2）履帶式 第二種是履帶式，履帶式原理比較簡(jiǎn)單，和履帶式坦克裝甲車類似，技術(shù)也比較 成熟，它的行走方式比行星輪式爬樓輪椅更為連續(xù)，具有很高的傳動(dòng)效率，在上下樓 梯的時(shí)候，輪椅的重心始終和樓梯臺(tái)階沿的連線保持平行，輪椅的重心波動(dòng)很小，比 較平穩(wěn)。履帶式機(jī)構(gòu)支撐面積大，通過(guò)性能好，下陷度小，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力， 爬坡，越溝等性能相對(duì)于輪式機(jī)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢(shì)。在上下樓梯時(shí)采用履帶輪的方式， 保證了上下樓梯過(guò)程的連續(xù)性[8-9]。但是，所述履帶輪型爬樓輪椅無(wú)法實(shí)現(xiàn)從斜面到平 面的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，且結(jié)構(gòu)笨重，對(duì)樓梯邊沿的損害程度很大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程的阻力矩較 大，換向過(guò)程實(shí)現(xiàn)困難，能源利用效率低，這些問題在很大程度上限制了該型輪椅在 上下樓梯中的使用。 （3）腿足式 對(duì)于腿足式結(jié)構(gòu)爬樓梯輪椅，該結(jié)構(gòu)模仿人上下樓梯的動(dòng)作，采用一組或幾組腿 交替升降、支撐爬樓的原理，對(duì)樓梯的適應(yīng)性很強(qiáng)，上樓時(shí)，先將整個(gè)輪椅升高，再 水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程就直至爬完一段樓梯。腿足式爬樓梯裝置模仿了 人類爬樓的動(dòng)作，外觀其實(shí)可以視為機(jī)器人，采用多條機(jī)械臂交替升降，支撐輪椅爬 樓的原理[8-9]。但是，其承載重心偏高，傾翻危險(xiǎn)性大，對(duì)穩(wěn)定性要求極高，控制難度 很大，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有諸多問題需要解決。 （4）其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種[16]。 第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來(lái)實(shí)現(xiàn) 爬樓的目的，它們是獨(dú)立的裝置，可以輔助普通的輪椅實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。 第二種是軌道式爬樓梯裝置，通過(guò)在普通樓梯上安裝軌道實(shí)現(xiàn)普通輪椅或者 其他交通裝置實(shí)現(xiàn)上樓和下樓。 總結(jié)國(guó)內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點(diǎn)可以看出，發(fā)展至今大多數(shù)爬樓梯裝置的自主 性不高，仍需在旁人協(xié)助的條件下實(shí)現(xiàn)上下樓梯，而且在穩(wěn)定性和安全性等可靠性方 面存在的很多問題也值得深入研究。如何在保障爬樓梯輪椅整體體積小、重量輕的前 提下，結(jié)合先進(jìn)的傳感手段和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其可靠、平穩(wěn)的上下樓梯將是今后“老人 /殘障者上下樓梯助行系統(tǒng)”研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。 3 爬樓梯輪椅系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 爬樓梯輪椅系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分組成[10]。 其中機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要完成爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容; 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法兩部分，爬樓梯輪椅系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu) 如圖 2 所示。這兩部分內(nèi)容緊密聯(lián)系、相輔相成共同作用實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 圖 2 爬樓梯輪椅系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu) 3． 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的應(yīng)滿足爬樓梯助行系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、整體重量小，具有合 理的路徑規(guī)劃能實(shí)現(xiàn)連貫爬升運(yùn)動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣程度很大范圍內(nèi)決定了系統(tǒng) 的適應(yīng)能力及控制過(guò)程的難易程度，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心所在。 3． 1． 1 爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 爬樓梯輪椅系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是爬升機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬越樓梯這種越障運(yùn) 動(dòng)的主要有星輪式、履帶式、腿足式 3 種。在這 3 種爬升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸取各自的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展組合式的爬樓梯裝置將是今后研究的創(chuàng)新方向。 結(jié)合爬樓梯運(yùn)動(dòng)路徑的特點(diǎn)，采用可將獨(dú)立運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)有差異運(yùn)動(dòng)，或?qū)? 個(gè)有差異的運(yùn)動(dòng)合成為一個(gè)運(yùn)動(dòng)的差動(dòng)機(jī)構(gòu)、組合型機(jī)構(gòu)、新型變形機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)輪 椅從平地運(yùn)動(dòng)—爬升運(yùn)動(dòng)—平地運(yùn)動(dòng)過(guò)程的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化。綜合考慮輪、腿、履帶機(jī) 構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，把三者復(fù)合起來(lái)使用，可有效克服各自的不足，保障爬樓梯輪椅能夠安全、 可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過(guò)程。 3． 1． 2 輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 電動(dòng)爬樓梯輪椅的使用群體是老年人以及殘障者，因此對(duì)輪椅的使用安全性要求 極高。同時(shí)，在上下樓梯運(yùn)行過(guò)程中，質(zhì)心位置、支撐條件的不斷變化對(duì)系統(tǒng)安全、 可靠的實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)動(dòng)軌跡提出了很高的要求。 為保證爬升過(guò)程的安全性，爬升裝置和輪椅以及使用者的總重心必須始終位于支 撐裝置與樓梯臺(tái)階支撐點(diǎn)之間。系統(tǒng)由平地狀態(tài)突然啟動(dòng)時(shí)，由于自身的慣性作用會(huì) 發(fā)生后傾的現(xiàn)象，為了解決這一問題通常在系統(tǒng)的后部增加了一個(gè)防止后傾的裝置; 為了避免爬升過(guò)程前傾的危險(xiǎn)，考慮擴(kuò)大支撐邊界，來(lái)增加前傾穩(wěn)定裕量是有效的解 決辦法; 為保證上下樓梯操作的安全性，需有相應(yīng)的鎖定裝置，一旦輪椅傾斜角度超出傾翻穩(wěn)定性要求范圍之外，鎖定裝置鎖定，支撐裝置支撐在樓梯臺(tái)階上。 從乘坐著舒適性角度出發(fā)，輪椅椅面要始終保持水平，如果輪椅椅面前傾乘坐者 就會(huì)有種向前栽的感覺，假如輪椅椅面后傾，乘坐者的后背就會(huì)緊緊的依靠在輪椅架 上從而輪椅有后傾的趨勢(shì)。為了使輪椅椅面保持水平，通常采用三點(diǎn)高副球鉸接機(jī)構(gòu) 的椅面平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中，一點(diǎn)高副球鉸接固定，兩點(diǎn)高副球鉸接可調(diào)，用于調(diào)節(jié) 椅面的平衡。 3． 2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為保證爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過(guò)程，并可同時(shí)作為 電動(dòng)輪椅使用，爬樓梯輪椅的控制器必須具有很強(qiáng)的功能; 除根據(jù)電動(dòng)輪椅控制器所具有的速度調(diào)節(jié)、運(yùn)動(dòng)控制、故障檢測(cè)等功能之外，還必須具有可以實(shí)時(shí)檢測(cè)使用者 的坐姿和位置、爬樓梯輪椅與樓梯的相對(duì)位置、爬樓梯輪椅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等功能，并可 以根據(jù)傳感器信息對(duì)爬樓梯輪椅的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行正確的控制或給出報(bào)警信號(hào)。 3． 2． 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 爬樓梯輪椅系統(tǒng)除了完成普通輪椅功能要求之外還需運(yùn)行在電動(dòng)輪椅和上下樓 梯輪椅兩種模式下，其控制功能應(yīng)分別由兩套相互獨(dú)立的開環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)完成，以實(shí) 現(xiàn)平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度寬度的樓梯功能要求，這也就導(dǎo) 致電動(dòng)爬樓梯輪椅的運(yùn)動(dòng)形式十分復(fù)雜，應(yīng)針對(duì)不同環(huán)境下輪椅需要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作設(shè)計(jì) 爬樓梯的控制系統(tǒng)。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)大量應(yīng)用于爬樓梯輪椅的控制系統(tǒng) 中，使得爬樓梯輪椅具有更好的交互性，適應(yīng)性和自主性。采用嵌入式控制系統(tǒng)可有 效解決信息集中處理使得上位機(jī)信心處理量大，負(fù)擔(dān)重，實(shí)時(shí)性差無(wú)法滿足實(shí)際使用 的缺點(diǎn)，為爬樓梯輪椅控制系統(tǒng)的研究提供了新的方向。中科院自動(dòng)化所研制的嵌入 式多功能輪椅系統(tǒng)在該方面進(jìn)行了嘗試，采用 ARM + DSP + FPGA 的方式來(lái)構(gòu)建多功能輪椅的中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)系統(tǒng) 運(yùn)行穩(wěn)定，具有實(shí)時(shí)性高、功耗低，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，為爬樓梯輪椅向產(chǎn)業(yè)化方向 發(fā)展邁進(jìn)了一大步。 3． 2． 2 控制系統(tǒng)算法 在未知和不確定的環(huán)境下，爬樓梯輪椅需要通過(guò)多種傳感器收集數(shù)據(jù)，用以界定 周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息，需要用一定算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合，比較完整地反映 環(huán)境特征和自身狀態(tài)，為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制提供精確的數(shù)據(jù)信息。爬樓梯輪椅在行駛時(shí)必 須不斷地感知周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息，所以要求控制系統(tǒng)算法能夠?qū)?shí)時(shí)提供的各 種信息進(jìn)行快速有效處理，并能保證信息的完整性。 常規(guī)的 PID 控制雖然具有算法簡(jiǎn)單、精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是僅對(duì)于可建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)具有很好的控制作用。對(duì)于爬樓梯輪椅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而 言，被控對(duì)象復(fù)雜，具有非線性、強(qiáng)耦合以及時(shí)變性的特點(diǎn)，很難達(dá)到控制系統(tǒng)的精 確魯棒性和抗干擾性能。模糊控制具有魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能較好的適應(yīng)輪椅運(yùn)行過(guò)程 中路況突變等干擾條件，但單純的模糊控制不能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[11]。使用 復(fù)合算法可以使控制器有較強(qiáng)的魯棒性和較小的靜態(tài)誤差，但復(fù)雜的算法本身就是控 制器實(shí)現(xiàn)的障礙。模糊 PID 控制器結(jié)合了模糊控制和 PID 控制器兩者的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同的偏差和偏差變化率選擇不同的比例、微分、積分參數(shù)，從而即具有模糊控制 靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID 控制器精度高的特點(diǎn)，對(duì)爬樓梯輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。模糊控制系統(tǒng)的工作原理如圖 3 所示。 圖 3 模糊控制系統(tǒng)工作原理 4 發(fā)展趨勢(shì)與展望 綜上所述，針對(duì)電動(dòng)爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成效，但也要看到目前 階段主要還停留在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)定做，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空間。 未來(lái)的研究將向以下幾個(gè)方面發(fā)展[11]。 ( 1) 質(zhì)量輕 爬樓梯輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用，必須考慮其應(yīng)用的情況。作為代步工具， 爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機(jī)載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長(zhǎng) 續(xù)航時(shí)間。同時(shí)，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時(shí)的靈活性，降低控制的難度。 ( 2) 可靠性高 爬樓梯輪椅面向的對(duì)象是老年人以及肢體殘疾人士，爬樓梯輪椅的 設(shè)計(jì)應(yīng)從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計(jì)安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，爬樓梯過(guò)程中應(yīng)保證重心 波動(dòng)小，安全保證措施響應(yīng)及時(shí)。 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅作為使用者生活中重要的部分，在功能設(shè)計(jì)上應(yīng)最大程度的滿足人性化要求，構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活 的各個(gè)方面。 ( 4) 價(jià)格低 爬樓梯輪椅投入市場(chǎng)被用戶接受的一個(gè)重要因素是價(jià)格因素，爬樓梯輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時(shí)，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價(jià)比。 隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，爬 樓梯輪椅的研究也呈現(xiàn)出全新的局面，朝著人機(jī)一體化的方向不斷發(fā)展。相信在不久 的將來(lái)，電動(dòng)爬樓梯輪椅將真正融入到老年人和殘障人士的生活中，大大改善他們的 生活質(zhì)量，使他們的出行更為方便，樓梯和路障將不再是他們出行的障礙，幫助他們 重新融入到社會(huì)中去。 5 結(jié)語(yǔ) 本次闡述了爬樓輪椅研究的背景，研究目的和意義，分析了爬樓輪椅的幾種常見 爬樓方案，總結(jié)出了各種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了爬樓輪 椅未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，由此確定了本設(shè)計(jì)方案的研究?jī)?nèi)容和安排，敘述了爬樓梯輪椅的 關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)研究工作的展開奠定了基礎(chǔ)。