基于人因工程的多功能輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要：輪椅是殘障人士的代步工具，其在幫助殘障人士出行和參與康復(fù)訓(xùn)練、社交活動等方面發(fā)揮著重要的作用，目前市面上銷售的輪椅大多不能解決殘障人士及老年人在上下樓梯遇到的問題，如今我們國家的老年人越來越多，老年人人口數(shù)量不斷攀升。而人因工程需要考究人、機、環(huán)境的相互配合，老年人對輪椅的要求也在提高，因此，設(shè)計一個適應(yīng)沒有電梯的爬樓梯輪椅是必須的。這次畢業(yè)設(shè)計主要研究多功能輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括多功能輪椅的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做簡單介紹，同時利用Pro/E軟件對多功能輪椅各零件進(jìn)行了三維造型和虛擬裝配。多功能輪椅采用行星輪裝置，輪椅有平地行駛運動和爬樓梯運動這兩種功能，在此基礎(chǔ)上，每個運動都有一個電機控制，而且輪椅上還裝有減速裝置、減震裝置以及轉(zhuǎn)彎裝置，使得輪椅的穩(wěn)定性和安全性大大增加。關(guān)鍵詞：人因工程；多功能輪椅；結(jié)構(gòu)設(shè)計；Pro/E目錄1緒論 11.1研究的目的與意義 11.2在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 11.2.1輪椅在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 11.2.2輪椅的發(fā)展趨勢 21.3課題研究的主要內(nèi)容 32多功能輪椅的總體方案設(shè)計 42.1輪椅的概述 42.2輪椅設(shè)計的原則 52.3輪椅的總體方案設(shè)計 52.3.1設(shè)計方案一 52.2.2設(shè)計方案二 62.2.3設(shè)計方案三 72.5輪椅的工作原理 82.6輪椅的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 83前底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 93.1轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的設(shè)計 93.2前底座行星輪裝置的設(shè)計 113.3方向盤機構(gòu)的設(shè)計 114后底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 124.1行星輪裝置的設(shè)計 124.1.1前（后）蓋和小輪的設(shè)計 134.1.2齒輪的選用 144.2電動機的選擇 174.2.1電動機的選用原則 174.2.2電動機功率的計算 174.2.3電動機的選擇 184.3傳動機構(gòu)的設(shè)計 194.3.1后鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 194.3.2后輪空心軸的設(shè)計 225輪椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計 245.1座椅的選用 245.1.1基于人因工程爬樓梯輪椅的座寬 255.1.2基于人因工程爬樓梯輪椅的座高 265.2輪椅架和減震器的設(shè)計 26本文總結(jié) 28參考文獻(xiàn) 30附錄 311緒論1.1研究的目的與意義輪椅不僅是殘疾人進(jìn)行行走和康復(fù)的工具，而且也是老年人的鍛煉身體、參加活動的出行器械。目前，我國人已經(jīng)逐漸步入老齡化，人年老后，身體機能下降，由于行動不便對輪椅的需求數(shù)量增加，只有一種功能的輪椅已經(jīng)很難滿足老人上下樓梯的需求，其中的原因是農(nóng)村樓房基本上都沒有安裝電梯，哪里的樓基本上都是五六層，對于行動不便的人來說，上下樓是很不方便的，如果用普通輪椅的話，還要單獨建造道路。因此，現(xiàn)在開發(fā)簡便、結(jié)構(gòu)簡單的爬樓梯輪椅是很重要的。我國目前有十五億人口，其中有超過十萬老年人和殘疾人需要輪椅，過去老式的輪椅功能單一，不能實現(xiàn)上下樓梯的功能，給家人也帶來許多不便。因此，給老年人和殘疾人一個自由、寬廣的空間，制造出爬樓梯的輪椅，這有著很好的發(fā)展前景，到現(xiàn)在，雖然有部分爬樓梯輪椅，但是價格有些偏貴。老年人和殘疾人的收入來源都很固定，甚至沒有收入，全靠親屬養(yǎng)活。因此，我所要設(shè)計的輪椅需要滿足：結(jié)構(gòu)輕巧，輕而簡單，價格能夠相對便宜，讓老年人和殘疾人能夠感受到社會的溫暖，促進(jìn)社會更加文明和諧，社會更加人性化。這次畢業(yè)設(shè)計的研究也有現(xiàn)實意義，能夠讓我們了解國內(nèi)外產(chǎn)品的發(fā)展動態(tài)，讓我們的知識了解的更加全面，能夠培養(yǎng)我們的思維。而且讓我們對二維軟件、三維軟件設(shè)計更加熟悉，畫出來可以縮短研發(fā)周期，降低成本，為新產(chǎn)品開發(fā)奠定基礎(chǔ)。1.2在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1輪椅在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀輪椅有電動和手動兩種模式，它的功能就是代替不方便走路的人行走。輪椅可以用來幫助傷員、病員、殘疾人和老年人康復(fù)、鍛煉、就診、外出活動，而且更重要的是能夠方便家屬照顧和帶殘缺人出去進(jìn)行戶外鍛煉以及疏導(dǎo)患者心理。據(jù)近幾年的數(shù)據(jù)表示，中國每年因為交通事故而受傷的人少則有數(shù)十萬，多則有幾十萬，其中大約有一半人需要輪椅來恢復(fù)和進(jìn)行日?；顒?，還有我國老年人人口正在極具增加，隨著人民生活水平的提高，老年市場對于輪椅的需求量也大大增加，未來輪椅的發(fā)展前景也很可觀。而外國對多功能輪椅的研究相對開始的比較早，最早的研究是1892年美國人Bray發(fā)明創(chuàng)造的爬樓梯輪椅。隨后各國都紛紛投入科研力量對多功能輪椅進(jìn)行研究，其中美國、英國、德國和日本對輪椅的技術(shù)掌握的相對全面，并且對市場也投入使用，而我國對這方面的研究是比較晚的，近幾年對多功能輪椅的研究才迅速崛起，但真正投入市場的產(chǎn)品還是比較少的。由于很多方面的影響，爬樓梯輪椅有很多都停留在實驗室研究的階段，國產(chǎn)的爬樓梯輪椅在市面還是很難看到的，因為它們在爬樓方面的穩(wěn)定性和安全性都不能得到很好的保障，現(xiàn)在的爬樓梯輪椅大多都是依賴進(jìn)口，消費市場也大多集中在中高端市場，普通老百姓根本消費不起?？偨Y(jié)國內(nèi)外的爬樓梯研究技術(shù)，可以得出目前爬樓梯輪椅有履帶式、輪組式、步行式三種類型，而隨著中國乃至世界都開始步入老齡化時代，老年人對于輪椅的需求量只會與日俱增，并且還有許多患者需要借助輪椅恢復(fù)和行走。今后10年，全球輪椅、助步器類產(chǎn)品將迎來“高速增長時代”。1.2.2輪椅的發(fā)展趨勢人的年齡越來越大，逐漸步入老年的時候，身體機能也在逐步衰老，老年人的腿腳也逐漸不靈活了，他們需要借助輪椅等輔助工具來進(jìn)行行走和活動。近年來，電動爬樓梯輪椅已成為一個新興產(chǎn)業(yè)，輪椅服務(wù)的人群有高齡人口、殘疾人和患者，它既有其獨特的發(fā)展特點，即減輕了使用者的體力消耗，又增加了電子系統(tǒng)，輪椅操作更方便。隨著我國的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，人們對輪椅的要求不僅僅局限于平地行走，他們想要更加多功能的輪椅。因此，輪椅的發(fā)展方向是向著單人操作的發(fā)展的，未來的爬樓梯輪椅會更加智能、輕巧、實用性強，還有一個大眾都比較關(guān)心的問題，爬樓梯輪椅的價格會大大改善，能夠更加適用于普通家庭，輪椅更加輕巧、便宜、智能化是當(dāng)前發(fā)展的主要趨勢。未來的輪椅發(fā)展趨勢主要有以下幾點：（1）爬樓梯輪椅的安全性，因為在上下樓梯的過程中，要保持絕對的安全，即使是遇到特殊情況，輪椅會發(fā)生失效的狀況，也能夠及時鎖住輪椅，保障使用者的安全。（2）爬樓梯輪椅座椅的舒適性，不僅在平地行駛時要保持穩(wěn)定，而且在上下樓梯時，要保持乘坐者的重心不會失衡，也不會太顛簸，避免讓乘客產(chǎn)生恐懼感。（3）爬樓梯輪椅的智能性，輪椅上下樓梯可以自己單獨一個人完成操作，能夠單獨控制電機的切換和重心的平衡，不需要另外一個人來輔助。（4）使用新材料、新技術(shù)，爬樓梯輪椅的質(zhì)量一定要輕便，材料的強度硬度也要得到保障，最重要的一點：爬樓梯輪椅的售賣價格不能太貴，它要面向普通大眾。1.3課題研究的主要內(nèi)容本課題旨在設(shè)計一款從用戶自身出發(fā)，消除老年人和肢體殘障人生活中因肢體不方便所遇到的障礙，輔助用戶生活的多功能輪椅。全文圍繞多功能輪椅的功能設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行研究，使多功能輪椅在功能上突破市場上現(xiàn)有輪椅，結(jié)構(gòu)上滿足輪椅工作性能，同時對輪椅的結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化的要求，以提高輪椅的穩(wěn)定性、靈活性。具體研究內(nèi)容如下：經(jīng)過市場調(diào)研，采用人因工程的設(shè)計理念，輪椅不僅要舒適，而且要穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上，完成對多功能輪椅的總體設(shè)計和細(xì)節(jié)設(shè)計。設(shè)計的輪椅要美觀，使用便利，結(jié)構(gòu)輕巧有在平地行駛的功能，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)上下樓梯的功能。輪椅的零件要用三維軟件設(shè)計，還要進(jìn)行三維造型和虛擬裝配，來檢驗設(shè)計方案的可行性。要求對多功能輪椅各組成零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，要求零件結(jié)構(gòu)合理，尺寸正確。畫出各零件的三維模型和二維工程圖。完成多功能輪椅的三維裝配與仿真，要求裝配關(guān)系正確。

2多功能輪椅的總體方案設(shè)計2.1輪椅的概述輪椅可以用于殘疾人、老年和一些行動不便的人使用，可以實現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和爬樓梯，也可以在室內(nèi)外使用，操作比較容易方便。電動輪椅分類：1、普通電動輪椅：輪椅一般是8寸的輪子，并且只有前行和后退的功能。2、兩用電動輪椅：操作人員可電動或手動行走。后輪通常是24英寸或22英寸的車輪。3、可躺輪椅：除電動行駛功能外，還可實現(xiàn)平躺，從90°到180°之間任意一個角度，還能鍛煉身體。4、站立和躺著電動輪椅：除了正常功能外，還可以實現(xiàn)站立和躺著，隨著這種電動輪椅的出現(xiàn)，很多腿腳殘疾或中風(fēng)偏癱的患者都可以實現(xiàn)自己的夢想，而且通過平躺站立，可以幫助使用者鍛煉身體，避免長時間坐在輪椅上，容易產(chǎn)生褥瘡。5、其他特殊功能電動輪椅：如定位系統(tǒng)，手電筒功能，一件通訊等特殊功能。有一次，我不經(jīng)意間看見搬運工人運用帶有行星輪的手拉車來搬運貨物，如圖2.1。其工作原理是：平路行駛時，行星輪中的小輪旋轉(zhuǎn)，能夠在平地上實現(xiàn)前進(jìn)和后退；上下樓梯時，拉著運貨小車，小輪抵住墻角，行星輪就開始轉(zhuǎn)動了，下樓梯也是一樣的原理。由此，我聯(lián)想到輪椅上能不能用到這種行星輪機構(gòu)，于是我就進(jìn)行了輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖2.1手拉車2.2輪椅設(shè)計的原則多功能輪椅設(shè)計不僅要考慮整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、舒適性，還要考慮人體在內(nèi)的輪椅主要部件的尺寸結(jié)構(gòu)，即輪椅的總長、總高、總寬，以達(dá)到最佳舒適效果。本次畢業(yè)設(shè)計采用三維設(shè)計軟件Pro/E進(jìn)行輔助設(shè)計和優(yōu)化，Pro/E進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設(shè)計分別有自底向上和自頂向下兩種設(shè)計方法。本課題主要采用Pro/E的自底向上的產(chǎn)品設(shè)計方法。自底向上的產(chǎn)品設(shè)計是先對產(chǎn)品的各個部分進(jìn)行設(shè)計，然后將各個部分單獨組裝成一個完整的產(chǎn)品的設(shè)計方法，設(shè)計方法相對簡單，層次較低，設(shè)計思路相對清晰，設(shè)計原則相對容易被廣大用戶接受，但設(shè)計理念不夠先進(jìn)，設(shè)計方法不夠靈活，這種方法主要應(yīng)用在成熟的產(chǎn)品設(shè)計過程中，可以達(dá)到更高的設(shè)計效率。自頂向下的設(shè)計是自底向上設(shè)計的反面，在設(shè)計中，首先勾畫出產(chǎn)品的總體設(shè)計比例或創(chuàng)建裝配的二維部件布局圖，然后根據(jù)比例分別繪制出產(chǎn)品的零件模型。在現(xiàn)代虛擬產(chǎn)品設(shè)計中，通常先對整個產(chǎn)品的外部概念和功能概念進(jìn)行設(shè)計，然后逐步將產(chǎn)品設(shè)計細(xì)化到單個零件。2.3輪椅的總體方案設(shè)計2.3.1設(shè)計方案一結(jié)合本章2.1和2.2的知識，我想出了初步的模型圖2.4設(shè)計方案一這個方案的結(jié)構(gòu)有十字架和單腳架的結(jié)構(gòu)，前面的十字行星輪轉(zhuǎn)動是爬樓梯的主運動，后面的行星輪有四個小輪。輪椅上下樓時，可以轉(zhuǎn)變單腳架的角度，從而改變上樓的方向，前面的十字架可以根據(jù)樓梯的寬窄而改變長短，中間的驅(qū)動輪主要用于在平路上行走，有轉(zhuǎn)向和驅(qū)動的功能。爬升腳（綠色部分）；轉(zhuǎn)向輪（黑色部分）；星盤（紅色部分）；小輪（灰色部分）；動力配置（圖2.4中金色部分）輪椅上下樓梯時，座椅采用升降機構(gòu)，使老人和殘疾人坐在更舒適的位置，可通過調(diào)節(jié)升降機構(gòu)的高度和爬升角的角度來調(diào)節(jié)座椅水平。然而在上下樓梯時，后輪的行星輪機構(gòu)，驅(qū)動輪帶動輪轂旋轉(zhuǎn)，后面的行星輪的小輪會發(fā)生移動，從而造成輪椅打滑，為了解決這個問題，查閱文獻(xiàn)和資料，制作出如圖2.5的自鎖機構(gòu)。圖2.5自鎖機構(gòu)抬升圓臺（圖2.5綠色）；枝干（圖2.5紅色）；小齒輪（圖2.5黃色）從圖中可以看出，自鎖機構(gòu)中的小圓輪都帶有齒輪，中心帶有圓臺，四根支柱與齒輪上的齒相連接。上下樓梯時，軸帶動圓臺升高或降低，升高使四個支柱靠近齒輪，支柱與齒輪形成嚙合，從而實現(xiàn)自鎖的功能。圓臺下降，嚙合解除，自鎖就消失了。然而這個設(shè)計方案還是有一些缺點，它的承重主要集中在后端，加上老年人本身和輪椅自身的重量，使得輪椅后端承重太重，電動機的驅(qū)動力難以達(dá)到要求。2.2.2設(shè)計方案二根據(jù)在學(xué)校所學(xué)的知識和查找相關(guān)的資料，參照以前有過的多功能輪椅樣式，設(shè)計出如圖2.6所示的輪椅，這種爬樓梯輪椅運用行星輪結(jié)構(gòu)，使得輪椅整體結(jié)構(gòu)小，重心十分穩(wěn)定，輪式結(jié)構(gòu)在平地使用靈活輕快，行星輪結(jié)構(gòu)可以運用多種不同大小的樓梯，安全性高，平穩(wěn)性好，操作簡單易上手。輪椅運用了兩對行星輪機構(gòu)，采用前后交叉輪盤的機構(gòu)。輪椅整體可以分為兩個部分，前面部分屬于從動裝置，只有一個行星輪裝置，后面部分是主動裝置、是驅(qū)動輪,裝有從動鏈輪和鏈條，在兩個部分連接的地方裝有方向盤，利用車本身轉(zhuǎn)動，依靠方向盤的擺動控制輪椅的轉(zhuǎn)動方向。圖2.6設(shè)計方案二方案二的結(jié)構(gòu)還是有不到位地方：（1）圓柱電機沒有合適的減速電機來使用，上樓時的扭矩過小，不易爬上樓梯；（2）轉(zhuǎn)彎設(shè)備不是太靈活，不能很好的控制，缺乏一定的安全性和穩(wěn)定性；綜上所述：優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該采取減速措施以及合適的轉(zhuǎn)彎裝置。2.2.3設(shè)計方案三根據(jù)方案一所設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)，改正不足的地方，查閱相關(guān)的資料和文獻(xiàn)，設(shè)計出如圖2.7所示的整體結(jié)構(gòu)。圖2.7設(shè)計方案三這種方案對設(shè)計方案二中的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機構(gòu)進(jìn)行了改善，使得輪椅整體結(jié)構(gòu)更小，重心穩(wěn)定，降低了噪音，提高了機械結(jié)構(gòu)的傳動效率，而且使得操作更加靈活，降低了輪椅的重量和成本。該方案的轉(zhuǎn)彎機構(gòu)運用平常小轎車的前輪轉(zhuǎn)彎設(shè)備的設(shè)計，可以實現(xiàn)不同半徑的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動，使得輪椅更加容易控制，安全性和穩(wěn)定性也提高了，并且電機傳動中還采用了一級減速裝置。綜上所述，輪椅結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和輪椅的總體設(shè)計的架構(gòu)，最終選擇設(shè)計方案三來做這次的結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.5輪椅的工作原理爬樓梯輪椅的工作原理：平地行駛時，后輪的矩形電機帶動后輪盤中的齒輪，后輪盤的任意兩個小輪著地，控制前面帶有方向盤的轉(zhuǎn)彎機構(gòu)，從而實現(xiàn)平地前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎；上下樓梯時，行星輪的小輪抵住墻角，小輪停止轉(zhuǎn)動，此時圓柱形電機工作，通過鏈傳動來使后軸行星輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)上樓梯的功能。2.6輪椅的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計輪椅由以下三大機構(gòu)構(gòu)成：1、前底座裝置：前底座帶有一個方向盤把手，相似于汽車的方向盤，通過轉(zhuǎn)動方向盤來帶動轉(zhuǎn)彎裝置，從而實現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎。2、后底座裝置：后底座帶有兩個電動機，通過驅(qū)動裝置帶動鏈輪，實現(xiàn)平地行走和爬樓梯功能；還需要承受使用者的重量，保持輪椅的穩(wěn)定性。3、輪椅的構(gòu)架：考慮到人體的結(jié)構(gòu)，需要設(shè)置輪椅的座椅寬度、座椅的高度和輪椅的總體尺寸。3前底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計前底座的結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)彎機構(gòu)、方向盤機構(gòu)、行星輪等裝置組成，如圖3.1圖3.1前底座3.1轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的設(shè)計轉(zhuǎn)彎機構(gòu)運用方向盤的把手使得使用者對輪椅前進(jìn)的方向更好控制，它的整體設(shè)計可以讓小車完成更加復(fù)雜的運動，在平路上行駛時，行星傳動的兩個小輪都能接觸地面，扭矩由直流電機控制，方向盤控制旋轉(zhuǎn)方向，電動輪椅能以不同的轉(zhuǎn)速和速度達(dá)到不同的轉(zhuǎn)速，后輪驅(qū)動為小輪轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)輪椅的不同角度的轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3.2圖3.2轉(zhuǎn)彎機構(gòu)轉(zhuǎn)彎機構(gòu)由連桿（兩個）、連接件（四個）和輪組鎖（兩個）等結(jié)構(gòu)組成。連桿的結(jié)構(gòu)如圖3.3圖3.3連桿連桿的作用：連桿的兩端分別與主動和從動構(gòu)件鉸接，并且用來傳遞運動和力。主動構(gòu)件是方向盤機構(gòu)，從動構(gòu)件是行星輪裝置。連接件的結(jié)構(gòu)如圖3.4和圖3.5所示圖3.4連接件1圖3.5連接件2連接件的作用：在連桿構(gòu)件與輪組鎖構(gòu)件之間起連接作用的小構(gòu)件。輪組鎖結(jié)構(gòu)如圖3.6所示圖3.6輪組鎖輪組鎖的作用：連接兩個連接件，并且也連接行星輪裝置，使得構(gòu)件與構(gòu)件之間可以組合。還可以在危急關(guān)頭鎖住前行星輪，不至于輪椅傾倒。3.2前底座行星輪裝置的設(shè)計圖3.7行星輪裝置行星輪裝置有行星架和四個小輪組成。作用：平地運動時，四個小輪中的任意兩個小輪落地，小輪轉(zhuǎn)動就可以實現(xiàn)運動；爬樓梯時，行星架中的凹槽卡在樓梯墩上，從而實現(xiàn)爬樓梯的動作。3.3方向盤機構(gòu)的設(shè)計圖3.8方向盤機構(gòu)方向盤機構(gòu)的功能：將駕駛者作用在轉(zhuǎn)向盤邊緣上的力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩后傳遞給轉(zhuǎn)向軸。方向盤調(diào)整的作用：方向盤的調(diào)節(jié)對駕駛員來說是一種安全配置，這會提高輪椅行駛的安全系數(shù)，增加方向盤的靈活性，使得使用者操作更加自如。還能夠運用調(diào)節(jié)功能適應(yīng)不同身材和不同駕駛習(xí)慣的人，讓他們找到自己喜歡的高度。適合的高度讓駕駛者能夠保持舒適的腿部空間，也讓使用者的臂膀不會太累。圖3.9前底蓋圖3.10前底架前底蓋的作用：裝飾作用，使得輪椅的前部分更加美觀；防塵減阻作用，不讓輪椅前面轉(zhuǎn)動部分落入灰塵，減小輪椅的阻力；放撞擊作用，如果輪椅與物體相撞，可以減少沖擊力。前底架的作用：支撐起前底蓋，連接連桿與方向盤的機構(gòu)，并且還穩(wěn)定了方向盤的軸部分，不讓其傾斜。

4后底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計后底座有行星輪裝置、兩個電動機、傳動機構(gòu)、后底盤等結(jié)構(gòu)組成。如圖4.1所示。圖4.1后底座4.1行星輪裝置的設(shè)計圖4.2行星輪裝置圖4.3去除行星輪前蓋的模型行星輪裝置的組成：行星輪前蓋和后蓋、四個小輪、兩個小齒輪、兩個大齒輪、輪組套筒、兩個鏈條。行星輪爬樓梯的原理：輪椅在平路上行駛時，經(jīng)常會遇到一些障礙物，有一定高度的物體，前后輪遇到障礙物，小輪不動，從小輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾行禽喯档暮筝嗱?qū)動，輪輻與其他的輪子一起繞著軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)通過障礙物。行星輪裝置主要用來進(jìn)行平地行駛和爬樓梯，平地運動的時候，有傳送帶的小輪與十字架另一端的小輪運動，爬樓梯的時候，運用行星輪上下樓梯，輪椅在上下樓梯的時候，輪椅通過電動機的轉(zhuǎn)換來控制行星輪軸，使得行星輪的轉(zhuǎn)盤發(fā)生轉(zhuǎn)動，電動機還能夠控制減速器來實現(xiàn)減速，使得輪椅行駛的更加穩(wěn)定和安全，然后實現(xiàn)輪椅上下樓梯的功能。4.1.1前（后）蓋和小輪的設(shè)計圖4.4前蓋和后蓋功能：前蓋和后蓋設(shè)計的結(jié)構(gòu)是相同的，用來固定小輪與小齒輪，還有用中心小軸套上輪組套筒來連接兩個大齒輪，大齒輪與小齒輪通過鏈條連接，需要計算齒輪的齒數(shù)和模數(shù)。圖4.5小輪小輪的功能：用于支撐起行星輪機構(gòu)，在平地運動時，小輪滾動實現(xiàn)前進(jìn)和后退，和連接小齒輪實現(xiàn)上樓梯的功能。4.1.2齒輪的選用圖4.6小齒輪圖4.7大齒輪行星輪中的小齒輪與大齒輪通過鏈條連接，帶動小輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)運動。選用齒輪需要考慮齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和寬度這些因素，我采用假設(shè)法來進(jìn)行齒輪的計算。1、齒輪齒數(shù)的選用（1）初選小齒輪齒數(shù)Z1則大齒輪齒數(shù)Z2=iZ（2）根據(jù)齒面接觸強度公式d1t≥2.323試選載荷系數(shù)K算出小齒輪傳輸轉(zhuǎn)矩T「查表可得知齒寬的系數(shù)φd=0.6（小的齒輪當(dāng)懸臂放置）查找手冊得出材料的彈性系數(shù)Z齒面硬度查找小齒輪極限接觸的疲勞強度σHlim1=600MPa（3）計算圓周速度vv=πd1t（4）計算齒寬bb=φd?d1t=0.6×27.9=16.74mm（5）算出齒高和齒寬之比b/h模數(shù)m齒高?=2.25mt=2.853mmb/?=16.74/2.853=5.87（6）計算載荷系數(shù)按照v=0.336m/s,精度達(dá)到7級，查表可以得知動載的系數(shù)K如果使用直齒輪，假設(shè)K備注：Fb??齒寬（mm）查手冊得使用系數(shù)K故載荷系數(shù)K=KAK=1×1.07×1.2×1.345=1.732、齒輪模數(shù)的選用（1）計算模數(shù)mm=d1（2）按照齒根彎曲強度計算計算式為m≥32KT彎曲的疲勞強度極限小齒輪σFE1（3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力，彎曲疲勞強度安全系數(shù)S=1.35則：σF1=KFN1（4）計算載荷系數(shù)KK==1×1.07×1.2×1.273=1.635比較分析，把模數(shù)0.957加以圓整為標(biāo)準(zhǔn)1.25mm，分度圓直徑d1小齒輪齒數(shù)Z1=d大齒輪齒數(shù)Z（5）幾何尺寸分度圓直徑dd中心距a=齒輪寬度b=?d取B（6）驗算Ft=2KAFtb所以合適，齒輪1、2ZB1=20，B4.2電動機的選擇圖4.8電機一圖4.9電機二4.2.1電動機的選用原則（1）根據(jù)負(fù)載的啟動特性及運行特性，選出最適合于這些特性的電動機，滿足生產(chǎn)機械工作過程中的各種要求。（2）選擇具有與使用場所的環(huán)境相適應(yīng)的防護(hù)方式及冷卻方式的電動機，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)能適合電動機所處的環(huán)境條件。（3）計算和確定合適的電動機容量。通常設(shè)計制造的電動機，在75%-100%額定負(fù)載時，效率最高。因此，應(yīng)使設(shè)備需求的容量與被選電動機的容量差值最小，使電動機的功率被充分利用。4.2.2電動機功率的計算我這次設(shè)計的輪椅有兩種功能，一種是在平整的路面上行駛，另一種是上下樓梯。在平路上有兩種狀態(tài)，一種是沒有坡度的路，一種是要爬坡，例如坡度為30°。假設(shè)輪椅自身的質(zhì)量是m=20kg，人的質(zhì)量是M=80kg，平路行駛輪椅速度為1m/s，爬坡時速度為0.5m/s（1）平地運行時所需功率：P=FV×μ=(20+80)×10×1×0.03=30W注釋：μ為地面的摩擦系數(shù)0.03G為重力作用下的加速度約等于10m/s2F為輪椅加人重量，F(xiàn)=M+m×10=20+80（2）爬坡時所需功率：P=F×sin3=（1000×=263W綜上所述，在平地行駛時，需要在后輪中安裝兩個功率為160W的電機，就可以滿足行走時所需要的動力。（3）爬樓梯所需功率：輪椅爬樓梯就是把人加上輪椅的重量從這一個臺階轉(zhuǎn)向上一級臺階攀爬的過程。在平地上行走時，整個輪椅加人的重心都集中在行星輪機構(gòu)的最中部，爬樓梯的時候，需要傾斜一定的角度，因此爬樓梯時，輪椅加人的重心會向后偏移一定的距離，假設(shè)人和輪椅的重心發(fā)生偏移，距軸心150mm處，用行星輪機構(gòu)把整個車加人送到上一個臺階需要克服力矩：M=F×S=1000×0.15=150N?M4-14控制行星輪上樓時旋轉(zhuǎn)速度為W=0.5r/s，就能算出爬樓需要功率：P=M×w=150×0.5=75W4-15又因為行星輪的減速增力的作用，因此在行星輪的中心軸安置一個功率是90W以上的電機就可以解決爬樓梯的問題。由上述結(jié)果可以看出上樓時，要讓后輪轉(zhuǎn)動爬上樓，需要克服力矩為150N?m功率P=550w。但是我們選擇的電機限額轉(zhuǎn)速ne1為200rmin最高4.2.3電動機的選擇表3.1電機一、二的選擇電機型號規(guī)格額定功率（w）額定轉(zhuǎn)矩（nm）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)速（rpm）額定效率（%）額定電壓（v）初始轉(zhuǎn)速（rpm）電機一36BD01616065.2245≥8036300電機二36BD01212054.2230≥80362854.3傳動機構(gòu)的設(shè)計圖4.10傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)由兩個鏈輪、三個軸（后輪空心軸、減速器軸、圓柱電機軸）和減速器組成。它的工作原理:平地上行駛時，矩形電機工作，驅(qū)動后輪行星輪的轉(zhuǎn)動軸，鏈條連接轉(zhuǎn)動軸，從而實現(xiàn)平地運動；爬樓梯時，圓柱形電機工作，矩形電機停止工作，通過鏈條傳遞到外面的行星輪，帶動行星輪運動，實現(xiàn)上下樓梯的功能。這一個傳動機構(gòu)可以實現(xiàn)上下樓梯和平地行駛運動的功能，其中分別由一個電機控制，圓柱馬達(dá)控制輪椅上下樓梯,矩形電機控制輪椅平地行走。4.3.1后鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖4.11后鏈輪后鏈輪的功能：采用鏈傳動來實現(xiàn)運動轉(zhuǎn)換的，它一共有三個軸，前軸用來連接前輪行星輪，中間軸連接大齒輪和電機，后軸連接兩個小齒輪和兩個行星輪，后輪的軸采用的是軸心線形式，外面的軸跟行星輪連接，軸跟齒輪進(jìn)行鏈輪連接。已知電機功率P=120w，轉(zhuǎn)速n=210r/min小滾輪直徑dm平地運轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速是vmax小輪上軸的轉(zhuǎn)速是n=60×1000v/πD=136.49r/min4-16已知電機額定轉(zhuǎn)速nε鏈傳動的傳動比為i=nε/n（1）選擇鏈輪齒數(shù)Z1,初步選定Z1則Z2=iZ1=21×1.54=32.34（2）修正功率PPc=Pf1?工作情況系數(shù)查手冊得知平穩(wěn)運轉(zhuǎn)下工作系數(shù)則Pc（3）確定鏈條節(jié)數(shù)選定中心距a0Lp=2==50+27+0.15=77.15取LP=78（4）確定鏈條的節(jié)距P小鏈輪齒輪系數(shù)Kz=(KL=(取單排鏈，查多排鏈系數(shù)KP=1小鏈輪傳遞功率P0=Pca=0.12/(1.11×0.937×1)=0.115kw小鏈輪轉(zhuǎn)速n1=210r/min功率P=0.115kw由查手冊鏈號可得,06B是一個單排鏈那么鏈節(jié)距為P=9.525mm（5）計算鏈長和中心距aL=LP.P=78×9.525=742.95mma=P4[a==242.2mm中心距減小量?Q==0.484~0.969mm實際中心距a=241.72~241.23mm取a`=241.5mm（6）驗算鏈速v=與原假設(shè)相符（7）計算分度圓直徑d1=P/Sin(180°/Zd2=P4.3.2后輪空心軸的設(shè)計圖4.12后輪空心軸后輪空心軸連接矩形電機、兩個行星輪和兩個鏈輪的齒輪，矩形電機控制輪椅平地行駛，空心軸需要與行星輪中的套筒配合，所以需要計算空心軸的直徑。已知空心軸轉(zhuǎn)速n=61.8r/min，功率P=0.8kw初算軸徑，確定軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理根據(jù)公式d≥A3PN初步計算軸徑d-剖切面處軸的直徑（mm）n-軸的轉(zhuǎn)速（r/min）P-軸傳遞的額定功率（kw）A-掟[τ]定的系數(shù)[τ]-軸的許用轉(zhuǎn)應(yīng)力v-空心軸的內(nèi)徑d0與外徑d之比初定空心軸內(nèi)外比v=0.75則可查表得311?vA=115則d≥115×3（0.861.8×1.13）思考到軸上需要鍵槽，需要將軸徑外加4%~5%故直徑取d=35mm后底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4.13所示圖4.13后底盤后底盤的設(shè)計原理：后底盤主要用來承受輪椅使用者的重量，還用來連接后底座和前底座，并且使后輪空心軸穿過，使之配合連接。5輪椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計輪椅結(jié)構(gòu)包括座椅、輪椅架和四個減震器。結(jié)構(gòu)如圖5.1所示圖5.1輪椅結(jié)構(gòu)5.1座椅的選用圖5.2座椅圖5.3坐姿人體尺寸項目表5.136-60歲坐姿人體尺寸（男）百分位數(shù)1510509095994.3.1坐高8328538659049419529734.3.2坐姿頸椎點高5996156256586917007194.3.3坐姿眼高7247437567958328418644.3.4坐姿肩高5385565645676306396574.3.5坐姿肘高2102262342632922996164.3.6坐姿大腿厚1021101151311481521624.3.7坐姿膝高4394554624905185275434.3.8小腿加足高3703803864094354424584.3.9坐深4074204284574864945114.3.10臀膝距5005155245545855966134.3.11坐姿下肢長892922938992104510601095表5.236-55歲坐姿人體尺寸（女）百分位數(shù)1510509095994.3.1坐高7868058168518868969154.3.2坐姿頸椎點高5615765846166476556724.3.3坐姿眼高6746927017357697787964.3.4坐姿肩高5045185255555845926084.3.5坐姿肘高2012152232512792873004.3.6坐姿大腿厚1081141181331491541644.3.7坐姿膝高4094224294554834905034.3.8小腿加足高3273383443793964014124.3.9坐深3864004064324324684874.3.10臀膝距4824965025295295725884.3.11坐姿下肢長8268488629099099729965.1.1基于人因工程爬樓梯輪椅的座寬輪椅的座位不亦太寬，雙臂可以放在兩端平面上有支撐的作用，不會引起肩部疲勞根據(jù)表4.1數(shù)據(jù)，本論文取坐姿臀寬尺寸420mm，修正量取20mm，則輪椅座寬Z根據(jù)表4.1表4.2數(shù)據(jù)，本論文座長取坐姿座長尺寸472mm，修正量取35mm，則座長Z5.1.2基于人因工程爬樓梯輪椅的座高輪椅座高的設(shè)計不僅可以讓腳掌可以很自然的放在腳踏板上，而且還可以大腿保持水平，使得人體保持最舒適的狀態(tài)。座面如果太高，雙腳會脫離腳踏板平面，大腿肌肉會受到壓迫，使得腿部的血液循環(huán)不暢；如果太低，大腿與小腿的角度會變小，使得臀部與座面接觸面積減少，增大臀部的壓力。查表4.1至表4.2數(shù)據(jù)，座高可取Z爬樓梯輪椅的扶手高度不能太高，會使肩部與頸部的肌肉保持拉伸的狀態(tài)；太低，不能讓肩部很好的放松，肩部要放在扶手上身體會發(fā)生傾斜，使得身體一側(cè)受力過大根據(jù)表4.1、表4.2數(shù)據(jù)，選取坐姿肘高310mm，修正量取20mm，則扶手高Z5.2輪椅架和減震器的設(shè)計圖5.4輪椅架輪椅架的作用：（1）充當(dāng)連接件，連接上端的座椅、后底座和前底座。（2）提供腳踏平面，讓雙腳可以放在腳踏板上，放松雙腳。（3）為減震器提供一個減震面，更便于減震器的安裝。圖5.5減震器減震器的工作原理：當(dāng)輪椅架和座椅間震動而出現(xiàn)相對運動時，減震器內(nèi)的活塞上下移動，減震器腔內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個腔經(jīng)過不同的孔隙流入另一個腔內(nèi)。此時孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內(nèi)摩擦對震動形成阻尼力，使輪椅震動能量轉(zhuǎn)化為油液熱能，再由減震器吸收散發(fā)到大氣中。在油液通道截面和等因素不變時，阻尼力隨輪椅架與座椅之間的相對運動速度增減，并與油液粘度有關(guān)。減震器的作用：減震器主要用來抑制彈簧吸震后反彈時的震蕩及來自路面的沖擊。在經(jīng)過不平路面時，雖然吸震彈簧可以過濾路面的震動，但彈簧自身還會有往復(fù)運動，而減震器就是用來抑制這種彈簧跳躍的。減震器太軟，車身就會上下跳躍，減震器太硬就會帶來太大的阻力，妨礙彈簧正常工作。本文總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計通過查閱大量的文獻(xiàn)資料和相關(guān)資料以及大量的物理模型參考資料，根據(jù)輪椅的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析了輪椅的使用者爬樓梯設(shè)備的優(yōu)缺點，各種輪椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計各有特點，通過比較不同方面，選用行星輪式的輪椅設(shè)計，這種爬梯裝置采用方向盤控制旋轉(zhuǎn)機構(gòu)來轉(zhuǎn)向；通過兩臺電機的相互轉(zhuǎn)換來控制旋轉(zhuǎn)軸，從而實現(xiàn)在平坦路面和傾斜路面上行駛以及上下樓梯的功能。并且對輪椅的組成結(jié)構(gòu)做了許多優(yōu)化，增加了減震裝置、轉(zhuǎn)彎裝置，使得輪椅運動的更加靈活和方便，結(jié)構(gòu)更加輕巧，形狀也得到了美化。在設(shè)計輪椅結(jié)構(gòu)的時候，考慮到中國的樓房建筑，以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，選擇了運用行星輪裝置的爬樓梯設(shè)備，它的整體構(gòu)造與普通的輪椅的設(shè)計高度差不多，設(shè)計輕巧，構(gòu)造簡單并且功能完善，成本比國外設(shè)計的輪椅價格低許多，適合大眾，并且輪椅也沒有太復(fù)雜重力平衡系統(tǒng)。在這次畢業(yè)設(shè)計中我可以學(xué)到很多：（1）通過學(xué)習(xí)參考文獻(xiàn)中的一些內(nèi)容，知道了爬樓梯輪椅的裝置有幾種分類，現(xiàn)在比較成熟的裝置可以分為履帶式、滾輪式和行走式等爬樓梯裝置，這幾種裝置都有自己的優(yōu)缺點。而根據(jù)中國貧民區(qū)的房屋建筑的情況，思考做出符合中國的設(shè)備，使得我的畢設(shè)有創(chuàng)作下去的思路，為畢業(yè)設(shè)計的開展做鋪墊。（2）觀察普通輪椅的構(gòu)造結(jié)合我要設(shè)計的爬樓梯裝置，采用與其他裝置不同的傳動方式，采用鏈傳動的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新出使用行星輪結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)上下樓梯和平路運動，并且這個爬樓梯裝置還使用了減震結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)，使得輪椅運動的更加平穩(wěn)和靈活（3）爬樓梯輪椅有兩種功能，分別為平地行駛和上下樓梯，輪椅都是采用電動機帶動鏈條來實現(xiàn)運動，平地上，電機帶動外輪小輪轉(zhuǎn)動，運動軌跡用方向盤控制，上下樓梯時，電機帶動外輪大輪沿著樓梯轉(zhuǎn)動，使用者的重心會跟隨上樓梯的坡度而改變，使得輪椅在上樓梯時能夠保持平衡，防止輪椅向后傾斜，輪椅的受力面也得到了優(yōu)化。（4）這次畢業(yè)設(shè)計使用CAD制作二維模型，Pro/E制作三維模型，并且對輪椅上下樓梯和平地運動都進(jìn)行了分析和運動仿真，輪椅設(shè)計的結(jié)