本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目輪式可爬樓梯輪椅設(shè)計學(xué)院名稱專業(yè)名稱班級姓名學(xué)號指導(dǎo)教師畢業(yè)時間2025年7月1日西安明德理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章前言1.1研究背景和意義1.1.1人口老齡化與適老化改造需求我國正經(jīng)歷全球規(guī)模最大、速度最快的人口老齡化進(jìn)程，國家統(tǒng)計局2020年第七次人口普查數(shù)據(jù)結(jié)果顯示中國60歲以上人口已達(dá)2.64億，占總?cè)丝诘?8.73%，較2010年增長5.4個百分點，預(yù)計到2035年，這一比例將突破30%，形成超4億老年人口的規(guī)模。老齡化社會帶來的居住環(huán)境適老化改造需求日益凸顯，根據(jù)第四次中國城鄉(xiāng)老年人生活條件調(diào)查顯示，56.6%的老年人認(rèn)為現(xiàn)有居住環(huán)境不適老化，其中農(nóng)村地區(qū)占比達(dá)64.5%。老舊小區(qū)普遍存在設(shè)施陳舊、無障礙缺失等問題，60歲以上居民中85%居住在無電梯的多層住宅中，日常出行嚴(yán)重受限，作為多層建筑的主要垂直通道，樓梯的安全性將直接影響老年人生活質(zhì)量。世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計顯示全球每年因樓梯跌倒導(dǎo)致的死亡人數(shù)超過40萬，而我國老年人跌倒事故中約30%發(fā)生在樓梯場景。國家高度重視適老化改造工作：《“十四五”國家老齡事業(yè)發(fā)展和養(yǎng)老服務(wù)體系規(guī)劃》明確提出實施老年人居家適老化改造工程，2021年住建部等部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快發(fā)展保障性租賃住房的意見》，將適老化改造納入城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造重點任務(wù)。住建部數(shù)據(jù)表明我國現(xiàn)存約16萬個老舊小區(qū)，涉及4200萬戶家庭，其中60%以上的老年居民居住在無電梯的多層住宅中。然而，現(xiàn)有政策多聚焦于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對便攜式輔助裝置的研發(fā)支持不足；老年人的爬樓方式依然主要依賴于拐杖或人力輔助：其中，傳統(tǒng)拐杖存在著力面積?。▋H3-5cm2）、防滑性能差（摩擦系數(shù)<0.5），使用時重心偏移量可達(dá)20cm以上，遠(yuǎn)超安全閾值（15cm），存在安全隱患且效率低下，而人力輔助往往需要有專業(yè)的護(hù)工長期陪伴老年人生活，費用高昂，并非普通家庭中可以實現(xiàn)的方式；另一方面，雖然舊樓加裝電梯雖能根本解決問題，但是面臨平均2-3年的長審批周期長、單部電梯30萬元以上的巨額成本、以及鄰里鄰居多戶間協(xié)調(diào)難度大等現(xiàn)實困境，電動輪椅的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的手動輪椅成為行動不便人群的主要輔助行動工具REF_Ref26708\r\h[11]。1.1.2現(xiàn)有爬樓輔助技術(shù)的局限性當(dāng)前國內(nèi)外爬樓輔助裝置主要分為輪組式、履帶式和步行式三類。最具有影響力的是豐田推出的iBOT輪椅，它采用六輪行星機構(gòu)通過重心調(diào)節(jié)實現(xiàn)平穩(wěn)爬樓，但售價高達(dá)數(shù)十萬元，且存在重心高、能耗大的缺陷。如REF_Ref17479\h圖1-1所示。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC1豐田公司的iBOT輪椅此外，日本TMSUK公司開發(fā)了RODEM機器人能適應(yīng)復(fù)雜地形，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難，尚未實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。圖1-2TMSUK公司的RODEM機器人國內(nèi)在爬樓輔助技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究近年來取得了許多新的進(jìn)展：青島科技大學(xué)常永泰（2023）設(shè)計的多功能輪椅通過連桿機構(gòu)優(yōu)化了越障能力REF_Ref20217\r\h[1]；江西理工大學(xué)孫國林（2023）提出的履帶式爬梯輪椅通過動力學(xué)仿真提升了機器人的穩(wěn)定性REF_Ref23160\r\h[2]；但是現(xiàn)有裝置仍在安全性、適應(yīng)性和智能化水平等方面存在著諸多不足：傳統(tǒng)星輪結(jié)構(gòu)爬樓時沖擊載荷大，加速度峰值超過0.8g，非常容易導(dǎo)致中老年人長時間乘坐不適，此外多數(shù)裝置僅適配特定的樓梯尺寸，無法滿足不同用戶在不同場景中多變的需求，更重要的是，在人工智能及數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)的當(dāng)下，爬樓輔助技術(shù)相關(guān)裝置仍缺乏實時狀態(tài)監(jiān)測與自適應(yīng)控制的功能，需要依賴人工手動操作，推高了老年人學(xué)習(xí)和使用的門檻。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1國內(nèi)爬樓輔助技術(shù)研究進(jìn)展國內(nèi)爬樓輔助技術(shù)的研究起步較晚，按照不同原理可以分為輪組式、履帶式、腿足式、復(fù)合式爬樓梯輪椅，以及其它輔助爬樓梯裝置REF_Ref7539\r\h[10]。輪組式爬樓輪椅是目前應(yīng)用較為廣泛的一種爬樓輪椅，其主要利用一組或多組行星輪交替工作執(zhí)行翻轉(zhuǎn)運動，以實現(xiàn)爬樓功能REF_Ref18409\r\h[13]。青島科技大學(xué)常永泰（2023）設(shè)計的多功能輪椅采用星輪結(jié)構(gòu)，通過連桿機構(gòu)優(yōu)化越障能力。該裝置采用行星輪系傳動，最大爬樓角度達(dá)25°，平地行駛速度3km/h。仿真結(jié)果表明，其重心偏移量控制在12cm以內(nèi)，安全系數(shù)達(dá)1.8倍。但存在星輪齒面磨損嚴(yán)重（壽命約500次循環(huán)）的問題REF_Ref20217\r\h[1]；江西理工大學(xué)孫國林（2023）提出的前進(jìn)式履帶爬梯輪椅，通過動力學(xué)仿真優(yōu)化履帶張緊力，最大載重能力提升至120kg，其試驗數(shù)據(jù)顯示爬樓過程中振動加速度峰值控制在0.6g以下，較傳統(tǒng)履帶式降低25%。但平地行駛阻力較大（滾動阻力系數(shù)0.08），能耗較高REF_Ref23160\r\h[2]；燕山大學(xué)開發(fā)的四足爬樓輪椅，通過關(guān)節(jié)聯(lián)動實現(xiàn)階梯跨越。其采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，步幅調(diào)節(jié)范圍15-30cm，最大爬樓高度20cm。但步速僅0.3m/s，且液壓系統(tǒng)噪聲達(dá)85dB，影響用戶體驗REF_Ref7699\r\h[5]。此外，國內(nèi)企業(yè)也推出了商業(yè)化產(chǎn)品。黑龍江某公司的智能醫(yī)療輪椅集成康復(fù)理療功能，通過壓力傳感器監(jiān)測坐姿，自動調(diào)整支撐力。但其爬樓模塊采用分離式設(shè)計，需人工裝卸，操作不便；上海某公司開發(fā)的電動爬樓機采用雙履帶結(jié)構(gòu)，爬樓速度0.5m/s，續(xù)航里程8km，但售價仍高達(dá)5萬元，商用普及受限。圖1-3智能醫(yī)療輪椅1.2.2國外爬樓輔助裝置發(fā)展歷程國外爬樓輔助裝置研發(fā)始于20世紀(jì)末，技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢：1999年，美國DEKA公司推出的輔助輪椅采用六輪行星機構(gòu)，通過重心調(diào)節(jié)實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)和樓梯攀爬，最大爬樓高度達(dá)25cm，水平續(xù)航里程10km。該裝置通過陀螺儀實時監(jiān)測姿態(tài)，動態(tài)調(diào)整重心位置，確保爬樓穩(wěn)定性。但售價高達(dá)18萬元，且能耗較大；日本TMSUK公司與早稻田大學(xué)合作開發(fā)的WL-16R步行式機器人，采用四足仿生結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)15-30cm臺階高度，最大載重80kg。其關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)包含12個伺服電機，通過逆運動學(xué)算法規(guī)劃步態(tài)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高，尚未實現(xiàn)商業(yè)化。英國WheelchairAccess公司推出的便攜式爬樓機采用折疊設(shè)計，自重僅15kg，可通過背包攜帶，但載重能力僅80kg，且爬樓速度較慢（0.3m/s），無法滿足緊急需求。近年來，國外研究重點轉(zhuǎn)向輕量化與智能化，輪椅附加爬樓裝置通過棘輪機構(gòu)實現(xiàn)階梯攀爬，成本僅為傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/3，但越障能力有限，翻躍超過30mm的樓梯臺階時會有明顯的擺幅REF_Ref10495\r\h[14]。新加坡Kesari（2021）提出新型輪椅采用混合驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合輪式與履帶式優(yōu)點，通過模糊控制算法優(yōu)化動力分配，保證了輪椅穩(wěn)定性，但因為系統(tǒng)復(fù)雜度增加，導(dǎo)致耗電量相對較高，反應(yīng)速度相對較慢REF_Ref7833\r\h[15]。因此國外產(chǎn)品技術(shù)成熟度高，但成本高昂且適配性不足，在當(dāng)下條件下難以適應(yīng)我國老舊小區(qū)復(fù)雜的樓梯環(huán)境。1.2.3現(xiàn)有技術(shù)的共性問題分析盡管國內(nèi)外研究成果豐碩，但現(xiàn)有裝置普遍存在以下技術(shù)瓶頸：傳統(tǒng)星輪結(jié)構(gòu)爬樓時沖擊載荷大，加速度峰值超過0.8g（國際標(biāo)準(zhǔn)建議值≤0.5g），易導(dǎo)致乘坐不適REF_Ref7859\r\h[3]；朱陽等（2020）通過仿真發(fā)現(xiàn)，星輪式爬樓輪椅在臺階過渡時產(chǎn)生的瞬時沖擊，可能引發(fā)腰椎損傷風(fēng)險REF_Ref7885\r\h[7]；多數(shù)裝置僅適配特定樓梯尺寸，如王宇飛等（2021）設(shè)計的升降輪機構(gòu)，僅適用于踏步高度15-18cm的樓梯，無法滿足老舊小區(qū)多樣化需求REF_Ref7859\r\h[3]。張玉葉等（2022）通過運動仿真發(fā)現(xiàn)，簡易星輪結(jié)構(gòu)在20cm臺階上出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，越障成功率僅65%REF_Ref7961\r\h[8]；缺乏實時狀態(tài)監(jiān)測與自適應(yīng)控制功能，依賴人工操作。劉競一等（2021）基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真表明，傳統(tǒng)爬樓輪椅在突發(fā)障礙物前的反應(yīng)時間超過2秒，存在安全隱患REF_Ref7987\r\h[4]；國外產(chǎn)品售價普遍在10萬元以上，國內(nèi)產(chǎn)品雖成本降低，但功能單一。阮超明等（2020）開發(fā)的電動智能爬樓輪椅，材料成本占比達(dá)60%，導(dǎo)致終端售價居高不下REF_Ref7699\r\h[5]。1.2.4技術(shù)瓶頸的根源分析現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的根源在于多學(xué)科交叉融合不足：傳統(tǒng)機構(gòu)學(xué)理論難以解決復(fù)雜地形下的動態(tài)穩(wěn)定性問題。王濤等（2021）通過穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，星輪式結(jié)構(gòu)在爬樓過程中存在3個不穩(wěn)定相位，需引入主動控制技術(shù)REF_Ref8049\r\h[6]，加之材料性能制約難以同時兼顧輕量化與高強度，影響裝置便攜性；更重要的是，控制算法層面，傳統(tǒng)PID控制難以應(yīng)對非線性、時變的爬樓工況，何玉林等（2020）提出的模糊PID控制算法，使爬樓穩(wěn)定性提升15%，但計算復(fù)雜度增加REF_Ref7699\r\h[5]；產(chǎn)品界面設(shè)計，適老性不足，未充分考慮老年人生理特征。調(diào)查顯示，65歲以上用戶對智能設(shè)備的操作失誤率高達(dá)40%，仍需不斷簡化交互流程。1.3本文研究的主要內(nèi)容根據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計一種基于三星輪式機構(gòu)的新型爬樓輪椅，并通過理論計算與仿真分析驗證其可行性。技術(shù)指標(biāo)：參數(shù)數(shù)值輪椅長×寬×高不大于1.2m×0.8m×1m爬樓角度23°到45°輪椅承重100kg到130kg平地速度1.5m/s爬樓速度V=12臺階/min電機額定功率125W到200W

第2章上下樓梯輔助裝置總體設(shè)計方案2.1方案設(shè)計主要內(nèi)容本章對爬樓輪椅的整體方案進(jìn)行設(shè)計，后續(xù)設(shè)計也是基于本章的設(shè)計為基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)展開，對爬樓輪椅的運動方案進(jìn)行選擇，對爬樓輪椅的底盤和運動形式進(jìn)行設(shè)計，對總體的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，確保爬樓輪椅具有可靠的功能與安全性，能充分適應(yīng)各種樓梯的運行環(huán)境。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使得輪椅機構(gòu)合理，實用，并且操控良好。2.2底盤小車的設(shè)計方案2.2.1不同種類越障機構(gòu)比較分析如表所示不同的運動機構(gòu)有著不同的性能，在圖2-1對機構(gòu)類型和其相應(yīng)性能進(jìn)行了相關(guān)闡述。圖2-1越障機構(gòu)的比較分析根據(jù)表格，前兩種越障輪椅的共同特點在于：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，操作困難，價格昂貴；另一方面，履帶式的平穩(wěn)行駛能力較弱；最后，其運轉(zhuǎn)效率也不盡人意。因此，在這篇論文中，我們采用了行星輪式的越障結(jié)構(gòu)。2.2.2行星輪個數(shù)的確定在行星輪機構(gòu)中，一般行星輪個數(shù)選擇在兩輪、三輪及以上，按照輪子的數(shù)量，將一種特殊的輪式結(jié)構(gòu)劃分為三種：兩輪、三輪和四輪REF_Ref15431\r\h[12]。這些輪子的排列方式各有特點，如下所示。例如，當(dāng)使用兩種或更加復(fù)雜的輪式結(jié)構(gòu)的輪椅通過障礙物的情況下，如圖2.2所示。a兩輪式 c三輪式 d四輪式圖2-2三種不同數(shù)目行星輪越障過程示意圖根據(jù)日常的觀察，輪椅靠近一個臺階，它的兩個前端就與這個臺階相撞。這種情況下，輪椅的行星架將圍繞它的軸心進(jìn)行運動，并且在與地面形成90度夾角的情況下繼續(xù)運動。當(dāng)輪椅車穿越障礙物的時候，它的重量會升至一個極限。在行星架翻轉(zhuǎn)過程中，第一個車輪和臺階前表面相觸時和前輪的中心距離定為臺階高度，現(xiàn)定義行星架半徑為R，則如上圖的三種情況下的臺階高度為2Ra，Rb，Rc。假設(shè)臺階的高度為H，即：2Ra=Rb=Rc=H（2.1）一目了然地可以從上圖看出三種樣式的變化分別為：（2-2）Δhb=Rb=H=0.289H（2-3）Δhc=Rc=×H=0.207H（2-4）通過分析，可以發(fā)現(xiàn)，為了減少行起伏，星輪的數(shù)量越多越好。此外，當(dāng)H下降了0.211H時，H僅下降了0.082H，這表明重心隨著星輪數(shù)量的增加而逐漸下降，最終趨于平緩。顯然，當(dāng)輪椅的行星齒輪較多時，它的重心會跟著行星軌跡而移動，具備一定的優(yōu)勢。然而，同時，由于零部件的增加，它的制作費用會提升，同時，它的尺寸會變得更大，從而阻礙它的移動，并且會使它的爬樓梯能力減弱。經(jīng)過仔細(xì)考慮，我們決定采用三星輪作為我們的選擇。2.2.3傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計為了確保其符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，輪椅車應(yīng)該擁有三種不同的特性：一是直接行駛；二是拐角；三是跨越障礙。這些特性都取決于如何調(diào)節(jié)兩個電機的轉(zhuǎn)速，以便它們的運作方式。如果想實現(xiàn)直接行駛，則應(yīng)該確保兩個電機的轉(zhuǎn)速是一致的，并且兩個電機的方向是一致的；如果想進(jìn)行跨越，則應(yīng)該調(diào)整兩個電機的方位，以便三個輪子圍繞一個中心軸旋轉(zhuǎn)。在這篇文章中，我們提出并建立了一個新的結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示。圖2-3機構(gòu)傳動簡圖通過使用減速器，電動機1能夠有效地把運動轉(zhuǎn)移至主傳動軸，并通過若干齒輪來驅(qū)動三個車輪。這種方法也適用于行星架的爬升。為了使整個機構(gòu)更加緊湊且設(shè)計合理，我們提出了一種新的內(nèi)外軸結(jié)構(gòu)：通過中心軸來控制輪轂的旋轉(zhuǎn)，而外圈軸則用來控制行星架的旋轉(zhuǎn)。這款輪椅車的輪胎選擇了Q235材料。它的行李架與一個電機箱相互配合，以確保整個汽車的平衡。這個電機箱的兩邊分別設(shè)置了一個支撐腳，支撐腳的前面和后面，支撐腳的兩邊都配備了一個可調(diào)節(jié)的萬向輪。三個輪子的位置是固定的，它們的運作是依靠電機2和齒輪的傳動來實現(xiàn)的。采用三個輪轂的設(shè)計，可以讓三個輪子以一致的速度行駛，并且可以保持一致的方向。從結(jié)構(gòu)上來看，雙輪的優(yōu)勢明顯，1可以讓輪椅的操控變得更靈活，2可以減輕操作的負(fù)擔(dān)。最大程度提升輪椅的運行舒適性。圖2-4齒輪及車輪轉(zhuǎn)向下圖2-5是本文設(shè)計的行星架外形圖。圖2-5行星架外形示意圖2.2.4小車尾架和萬向輪輪椅的尾梁起到了至關(guān)重要的作用，它不僅可以讓輪椅輕松的穿梭于各種道路，而且還可以幫助小車緩沖下降的速度，同時，它還可以通過設(shè)計的雙輪驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)小車的自主操控，從而更好的保護(hù)小車免受外界的沖擊。如圖2-6和圖2-7所示為輪椅的尾部支撐系統(tǒng)與萬向輪的組成：圖2-6小車尾架示意簡圖 圖2-7萬向輪三維示意圖根據(jù)底盤小車的高度、載重等多方面因素，結(jié)合圖中所示的參數(shù)，最終確定GU-JB150型號的萬向輪是最佳選擇。圖2-8萬向輪參數(shù)截圖第3章上下樓梯輔助裝置電機與機構(gòu)設(shè)計計算3.1電機類型的確定在這一章中，我們將根據(jù)現(xiàn)有的要求來計算出所需的參數(shù)，并根據(jù)這些信息來選擇合適的電機。毫無疑問，電機是爬樓輪椅車的關(guān)鍵部分，它們構(gòu)成了整個車輛的動力系統(tǒng)。因此，我們將從三種不同類型的電機中挑選一款最能滿足我們的需求的電機。(1)步進(jìn)電機電機的步進(jìn)控制具有許多顯著的優(yōu)勢，例如在關(guān)閉電機的過程中，它的快慢變化都非常準(zhǔn)確。此外，采用開環(huán)控制可以使電機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而降低對汽車的需求。然而，這種控制方式也存在一些問題，例如能源浪費、電機失去同步、在高速運行中產(chǎn)生較大的振蕩和噪音等。(2)直流電機直流電機具有卓越的控制性能，可以在遭遇強烈的外部干擾時迅速做出反應(yīng)。此外，它的啟動扭矩很大，可以承載較重的負(fù)荷，從而使小車在行駛過程中更加平穩(wěn)。然而，由于傳統(tǒng)直流電機容易發(fā)生故障，因此它們的使用壽命通常只有幾千小時。(3)無刷直流電機這款電機不僅保留了傳統(tǒng)直流電機的一些優(yōu)良特性，還進(jìn)一步提升了性能。例如，在轉(zhuǎn)動過程中沒有火花產(chǎn)生，更加安全、寧靜。此外，它的使用壽命也很長，可以達(dá)到上萬次，而且維護(hù)也非常方便。經(jīng)過仔細(xì)分析，我們決定采用無刷直流電機來驅(qū)動輪式可爬樓梯輪椅車。3.2電機參數(shù)的選擇3.2.1選取電機參數(shù)小車在爬樓梯的過程中遇到的轉(zhuǎn)矩最大的情況是當(dāng)?shù)肿翘莸那拜唽⒁x開地面的時候，此時小車重心離行星架旋轉(zhuǎn)中心的距離為L，。輪椅車要抵抗的力矩為：（3-1）假設(shè)輪椅車在前進(jìn)過程中行星架的角速度于是轉(zhuǎn)速（3-2）（3-3）由于翻轉(zhuǎn)電機采用左右兩個來驅(qū)動行星架，而電機需經(jīng)過一對齒輪和一對軸承才能將轉(zhuǎn)矩傳遞到行星架那兒，所以效率為（3-4）電機功率（3-5）假設(shè)爬樓總傳動比為120。 （3-6）電機轉(zhuǎn)速 （3-7）綜上所述，電機應(yīng)選取功率大于0.33kw，轉(zhuǎn)矩大于1.96，轉(zhuǎn)速在3152.4rpm左右的電機。最終本文選取了富興86系列無刷電機，型號為FBLM86-660,下表為該電機的部分參數(shù)：表3-1電機參數(shù)表電機型號額定功率（kw）額定扭矩（）額定轉(zhuǎn)速（rpm）額定電壓（V）FBLM86-6600.662.13000483.2.2驗算平地行駛模式下的參數(shù)假設(shè)輪椅車和乘坐者的總重量由前后輪一起承擔(dān)，前輪承受40%的重量，后輪承受60%的重量。地面的滑動摩擦系數(shù)為0.02。前輪受到的壓力（3-8）后輪受到的壓力（3-9）滑動摩擦力（3-10）（3-11）假設(shè)行走模式下的總傳動比為：（3-12）又因為要有四個輪子分擔(dān)，（3-13）單個輪子的驅(qū)動力為：（3-14）驅(qū)動力校核正確。3.3電池選擇在此，我們將采用48V的充放電系統(tǒng)，并考慮到了四種常見的充放電技術(shù)：鎳氫、鋰、鎘。雖然它們都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但是它們的成本也很高，而且耗時較久，顯然不太適宜我們的需求。經(jīng)過多方權(quán)衡，我們決定采用更具經(jīng)濟(jì)效益的鉛酸蓄能電池來提供驅(qū)動力。這種電池既耐用又實惠，而且操控也相對容易。3.4對行星輪組的相關(guān)參數(shù)計算輪椅由許多不同的零部件組成，包括輪轂、行星架、齒輪、軸承、銷和墊圈。這些零部件可以根據(jù)需要選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)的型號，也可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。這使得設(shè)計更加靈活和自由。在特定的參數(shù)范圍內(nèi)，所有的零部件必須遵守相應(yīng)的規(guī)則和限制條件。在這一章中，我們將詳細(xì)討論如何在精心約束后的定軸輪系中設(shè)計各個關(guān)鍵部件的參數(shù)。表3-3顯示了每個部件的參數(shù)，圖3-2展示了它們的尺寸。圖3-2齒輪車輪相關(guān)尺寸示意圖表3-3各個零件的相關(guān)尺寸及其參數(shù)3.5翻越臺階的幾何約束關(guān)系3.5.1臺階突起不碰行星架為確保安全，我們應(yīng)該避免將行星輪和臺階接觸，以免造成破裂。無論是在上下樓梯還是下降的路上，都應(yīng)該避免讓兩者之一的位置發(fā)生撞擊。如果兩者的位置發(fā)生偏移，那么圖3-4就是兩者的最佳配對點。圖3-4中各尺寸的含義分別是：臺階突起D到AB的距離d1；行星架的外殼厚度通常被設(shè)定為d2，其中最薄處可達(dá)7mm;齒輪齒頂和外殼內(nèi)壁之間的間距d3應(yīng)該小于等于3毫米；d4的最低要求是，外殼與突出的頂部之間的距離不能超過1.5mm毫米。圖中可看出:（3-15）通過求解四邊形ODEB可求得（3-16）需滿足的約束條件為：（3-17）圖3-4臺階突起與行星架外殼最接近的位置3.5.2能夠跨到上一級臺階若想讓輪椅安全、有效地爬升至下一個臺階，第一個輪轂需要大大超越臺階的垂直表面，即A輪的中心軸應(yīng)當(dāng)高于臺階的表面，這一點可以從圖4-4的幾何結(jié)構(gòu)得知，其相應(yīng)的限制條件包括：（3-18）圖3-5星輪跨到下一臺階面時的極限位置3.5.3不能觸碰下一臺階的垂直面這篇論述里，我們假定了最佳的情況：在登頂時，A輪與登頂?shù)捻敳勘３制胶?，而剩余兩輪則圍繞著行星架的核點運動。因此，如果行星架的尺寸過大，可能造成A輪與登頂?shù)捻敳肯嗯觯@并非我們的原意。在此類環(huán)境，由于碰撞的作用，整輛輪椅可能受到巨大的震蕩，從而影響到老弱病患者的健康與休息。在此，我們將臺階的尺寸設(shè)置成H，但是它可能要大得多，以滿足以下的限制要求：（3-19）圖3-6跨到下一級臺階的輪轂剛好碰到垂直面的極限狀態(tài)車輪輪轂的半徑要小于H的，所以聯(lián)立4.4，4.5兩式可得：（3-20）3.6其他約束關(guān)系3.6.1齒輪間的齒數(shù)關(guān)系在本文中，我們提出了三種不同的定軸齒輪系統(tǒng)。由于它們都是相同的，我們將僅討論其中一種。所有的齒輪都被選擇了，以便使行星架的外觀更加美觀，并且能夠在保證內(nèi)部空間合理的前提下，使各個零件的結(jié)構(gòu)更加緊湊和適中。從一級齒輪到三級齒輪，其半徑的變化趨勢應(yīng)當(dāng)是逐步減少的。（3-21）采用這種設(shè)計方式，可以有效地減少齒輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的差異，從而使設(shè)計更加簡單高效。要讓小齒輪的各顆牙與大齒輪的各顆牙相互配對，以達(dá)到提高其可靠性、增加其使用壽命的目的，就必須將它們視作同等重要的實體。3.6.2三個齒輪的齒頂圓外公切線關(guān)系圖3-7三個齒輪的齒頂圓幾何關(guān)系示意圖當(dāng)一級齒輪與三級和二級齒輪與三級齒輪的外公切線處于圖4-6所示幾何關(guān)系時，有利于節(jié)約空間，優(yōu)化外形。因此，三個齒輪的半徑參數(shù)也應(yīng)滿足：（3-22）其中：（3-23）（3-24）3.6.3三個車輪輪轂不相撞如圖4-7所示的幾何關(guān)系，輪A和輪B之間的距離必須要大于輪A和輪B的半徑和。而取決于行星架的半徑R，需滿足：（3-25）圖3-8車輪之間的幾何關(guān)系示意圖3.7行星輪組零件參數(shù)的確定車輪輪轂的半徑必須小于臺階的高度和寬度，又必須大于三級齒輪的半徑。而臺階寬度一般大于其高度，由此可得r<180mm。當(dāng)、時標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪，不發(fā)生根切的最小齒數(shù)為17REF_Ref7699\r\h[5]。查《機械原理》，表10-1標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列，選用第一系列。原則上用于動力傳動的模數(shù)應(yīng)大于1.5，因為此處的負(fù)載更大，故模數(shù)選m=2。則三級齒輪的最小直徑為，則。行星架的壁厚選定為7mm，r的取值范圍縮小到26mm<r<180mm，取r=110mm接下來是確定R的取值范圍，將臺階高度H的值180mm±5及輪轂半徑r的值110mm代入到式4.6中,能夠跨到下一級臺階這種情況下取臺階的最大值185mm，不能觸碰下一臺階的垂直面這種情況下取臺階的最小值175mm，計算可得:（3-26）根據(jù)式4-7中的齒數(shù)關(guān)系，并結(jié)合R的取值范圍，可計算出各齒輪的齒數(shù)范圍。聯(lián)立以下4式：（3-27）（3-28）（3-29）（3-30）可得模數(shù)為23.8傳動系統(tǒng)整體布局圖傳動系統(tǒng)整體布局圖4-8如下所示： 圖3-9傳動系統(tǒng)整體布局圖這種輪椅擁有兩種不同的運動模式，既能夠爬上樓梯，也能在平地上行駛。通過減速器的驅(qū)動，電機1和外圈軸齒輪1相互作用，將力量傳遞給另一個相同的部件，從而實現(xiàn)了輪椅車的移步和上下臺階的操作，從而讓行星架也跟著旋轉(zhuǎn)；經(jīng)減速器減速，將電機2傳遞給中央軸的齒輪1，這兩個傳遞器相互配合，將三個車輪分別安裝在一起，其中兩個緊靠在一起旋轉(zhuǎn)，而第三個則處于靜止?fàn)顟B(tài)。通過這種方式，我們可以讓輪椅自如移動。3.9爬樓模式的參數(shù)設(shè)計由于輪椅的運轉(zhuǎn)性能較低，因此在設(shè)計時，我們將使用7級的精度，以確保它的性能。我們的外圈軸齒輪1的齒數(shù)達(dá)到了17，而2的齒數(shù)則達(dá)到了60，并且它們的模數(shù)都是m。我們使用的是40Cr（調(diào)質(zhì)）的鋼制齒輪。傳動比是通過使用外圈軸齒輪1來實現(xiàn)的，具體參數(shù)如下：（3-31）爬樓模式下的總傳動比為：（3-32）齒寬系數(shù)選為Φd=1.4；彈性影響系數(shù)=143.7；齒輪接觸疲勞強度極限3.9.1各校核參數(shù)計算(1)傳動裝置傳動效率計算查《機械原理》第八版P76可得：一對精度為七級的齒輪傳動取=0.99，一對軸承取=0.99，故電機經(jīng)過一對齒輪和一對軸承后的效率：η=0.99*0.99=0.9801（3-33）(2)各軸功率計算驅(qū)動軸的輸入功率：（3-34）外圈軸的輸入功率：（3-35）(3)各軸轉(zhuǎn)速計算驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速：（3-36）外圈軸轉(zhuǎn)速：（3-37）(4)精度確定圓周速度:（3-38）根據(jù)機械設(shè)計手冊8-94，選擇7級精度。(5)各軸轉(zhuǎn)矩計算驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩：（3-39）外圈軸轉(zhuǎn)矩：（3-40）(6)計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)假設(shè)輪椅車的工作時間為6000h。（3-41）（3-42）(7)計算接觸疲勞許用應(yīng)力取接觸疲勞壽命系數(shù)，取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，則（3-43）（3-44）(8)計算齒寬，齒高（3-45）（3-46）(9)計算載荷系數(shù)=1.01，直齒輪=1；使用系數(shù)=1，=1.309由（3-47）=1.309查閱表得到=1.35（3-48）3.9.2校核接觸疲勞極限（3-49）（3-50）（3-51）（3-52）（3-53）（3-54）校核說明符合接觸疲勞強度。3.9.3校核彎曲疲勞極限大齒輪比小齒輪受到的轉(zhuǎn)矩更大，因此下面只校核大齒輪的彎曲疲勞強度。（3-55）大齒輪的彎曲強度疲勞極限為，,m=2,由齒數(shù)查閱齒形系數(shù)和應(yīng)力矯正系數(shù)得到:,；使用系數(shù)，，，（3-56）（3-57）校核說明符合彎曲強度3.10平地行走模式的參數(shù)設(shè)計中心軸齒輪1的齒數(shù)為17，中心軸齒輪2的齒數(shù)為30，兩者的模數(shù)m為2。齒輪材料為(調(diào)質(zhì))。中心軸齒輪1和中心軸齒輪2的傳動比為：（3-58）平地行走模式下電機箱內(nèi)的總傳動比為：（3-59）齒寬系數(shù)選為Φd=1.15；彈性影響系數(shù)=143.7；齒輪接觸疲勞強度極限3.10.1各校核參數(shù)計算(1)傳動裝置傳動效率計算查《機械原理》第八版P76可得：一對精度為七級的齒輪傳動取=0.99，故電機經(jīng)過一對齒輪和一對軸承后的效率η==0.99（3-60）(2)各軸功率計算驅(qū)動軸的輸入功率：（3-61）中心軸的輸入功率：（3-62）(3)各軸轉(zhuǎn)速計算驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速：（3-63）中心軸轉(zhuǎn)速：（3-64）(4)精度確定圓周速度:（式6-7）根據(jù)機械設(shè)計手冊8-94，選擇7級精度。(5)各軸轉(zhuǎn)矩計算驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩：（3-65）中心軸轉(zhuǎn)矩：（3-66）(6)計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)假設(shè)爬樓輪椅車的總工作時間為6000h。（3-67）（3-68）(7)計算接觸疲勞許用應(yīng)力取接觸疲勞壽命系數(shù)，取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，則（3-69）（3-70）(8)計算齒寬，齒高（3-71）（3-72）(9)計算載荷系數(shù)=1.01，直齒輪=1；使用系數(shù)=1，=1.309由（3-73）=1.309查閱表得到=1.35（3-74）3.10.2校核接觸疲勞極限（3-74）（3-75）（3-76）（3-77）（3-78）（3-79）校核說明符合接觸疲勞強度。3.10.3校核彎曲疲勞極限大齒輪比小齒輪受到的轉(zhuǎn)矩更大，因此下面只校核大齒輪的彎曲疲勞強度。（3-80）大齒輪的彎曲強度疲勞極限為，,m=2,由齒數(shù)查閱得到:,使用系數(shù)，，，（3-81）（3-82）校核說明符合彎曲強度。

第4章上下樓梯輔助裝置的三維建模與運動仿真4.1關(guān)鍵零部件建模依照前文所求各項參數(shù)，使用SolidWorks對關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模。對關(guān)鍵零部件7904A5軸承的建模如圖4-1所示，利用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，選擇工作平面，建立坐標(biāo)系，根據(jù)軸承的內(nèi)外徑及寬度等各項參數(shù)進(jìn)行內(nèi)圈建模和外圈建模，根據(jù)球形直徑建立滾動體，使用配合命令對其進(jìn)行各項約束，完成7904A5軸承的建模。圖4-17904A5軸承的建模對關(guān)鍵零部件小車尾架的建模如圖4-2所示，選擇工作平面，建立坐標(biāo)系，繪制草圖圓，進(jìn)行雙面拉伸，重新建立基礎(chǔ)平面，進(jìn)行一邊尾架的外輪廓繪制，通過拉伸完成基礎(chǔ)架體結(jié)構(gòu)，對架體與中間杠連接處進(jìn)行R20的倒圓角處理，對架體四棱邊進(jìn)行倒圓角處理，根據(jù)要求尺寸完成萬向輪鏈接處圓柱拉伸，利用相切命令完成鏈接和圓孔處理，利用相交命令完成后輪卡槽處理，最后利用鏡像命令以原點為中心完成另一邊架體建模。圖4-2小車尾架的建模對傳動部分的建模如圖4-3所示，利用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，選擇工作平面，建立坐標(biāo)系，首先對車輪輪轂進(jìn)行建模，根據(jù)輪轂內(nèi)外圓直徑，通過設(shè)置不同工作平面對草圖進(jìn)行凸臺拉伸命令，完成對三個輪轂的建模，根據(jù)要求尺寸，對車輪軸與齒輪軸依次進(jìn)行建模，接下來根據(jù)要求尺寸，繪制行星輪外圓草圖，通過相切命令，將外輪廓切出，通過拉伸及相切命令，將內(nèi)輪廓切出，利用約束命令將車輪輪轂通過車輪軸齒輪軸與行星輪進(jìn)行約束配合。根據(jù)要求尺寸對上箱體與下箱體進(jìn)行草圖繪制，利用拉伸相切命令將邊緣輪廓切出，將上下箱體進(jìn)行約束配合，之后與齒輪軸行星輪進(jìn)行約束配合完成整個傳動部分的裝配過程。圖4-3行星輪傳動機構(gòu)的建模4.2關(guān)鍵零部件仿真為了驗證上下樓梯輔助裝置的運動性能，將利用SolidWorksMotion插件對裝置進(jìn)行多情況的動態(tài)仿真。打開SolidWorksMotion插件生成新的運動算例

第5章關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件受力有限元分析關(guān)于關(guān)鍵零部件7904A5軸承的受力有限元分析工作如圖5-1至圖5-6所示。打開SW軟件將模型導(dǎo)入到仿真分析軟件中，建立新算例。圖5-1仿真流程圖對零件進(jìn)行材料配置，選擇相應(yīng)的零件材料，定義零件屬性。圖5-2仿真流程圖對零件進(jìn)行固定，選擇合理表面進(jìn)行固定零部件。圖5-3仿真流程圖對零部件進(jìn)行施加外載荷。圖5-4仿真流程圖定義網(wǎng)格參數(shù)，過大的網(wǎng)格會使仿真精度較低，過小的網(wǎng)格會使電腦仿真過程時間增加，所以選擇合適的網(wǎng)格參數(shù)非常重要。圖5-5仿真流程圖運行算例，得出仿真結(jié)果圖5-6仿真流程圖

第6章全文總結(jié)本文已做的主要工作如下幾點:本文針對老年人和殘障人群在無電梯老舊建筑中上下樓梯的難題，設(shè)計了一種基于三星輪式機構(gòu)的新型爬樓輪椅，并通過理論計算與仿真分析驗證了其可行性。以下是主要工作與成果總結(jié)在裝置總體方案設(shè)計方面，我們通過分析人口老齡化趨勢及老舊小區(qū)適老化改造的迫切需求，指出現(xiàn)有爬樓輔助裝置（如履帶式、步行式）存在成本高、操作復(fù)雜、適應(yīng)性差等問題。根據(jù)綜合評分法選定三星輪式機構(gòu)作為核心越障機構(gòu)，兼顧穩(wěn)定性與成本。并對傳動系統(tǒng)、底盤小車、尾架及萬向輪的布局進(jìn)行一系列的設(shè)計思考，確保了上下樓梯輔助裝置爬樓與平地模式切換的靈活性和安全性。在選擇電機方面，基于爬樓扭矩需求（1.96N·m）和平地行駛功率（0.33kW），選用富興86系列無刷直流電機（FBLM86-660），并通過計算驗證了傳動比（120:1）的合理性。在選擇電池方面，經(jīng)過考量決定選用48V鉛酸電池，平衡成本與續(xù)航需求。通過幾何約束（臺階高度175-185mm）確定輪轂半徑（110mm）、行星架尺寸及齒輪模數(shù)（m=2），確?？珉A時無碰撞且重心穩(wěn)定。利用SolidWorks軟件完成行星架、軸承、尾架這些關(guān)鍵零部件建模并進(jìn)行傳動系統(tǒng)裝配。通過有限元分析