履带—轮组式电动多功能轮椅设计说明书

履带-轮组式电动多功能轮椅设计说明书目录设计任务书 (1)第一章绪论 (2)1.1设计的背景和意义 (2)1.2现有产品简介及产品分析 (2)1.3本章小结 (3)第二章设计方案选择 (4)2.1轮椅形式的选择 (4)2.2轮组的选择 (4)2.3履带的收放 (5)2.4座椅调平 (6)2.5本章小结 (8)第三章轮椅的结构设计与运动分析 (8)3.1轮椅的结构设计 (8)3.1.1 轮组 (8)3.1.2 履带及其收放 (10)3.2轮椅的运动分析 (14)3.2.1 轮椅的平地行驶及越障功能 (14)3.2.2 轮椅爬楼梯过程的分析 (16)第四章轮椅驱动与传动系统的设计 (19)4.1轮椅的驱动系统 (19)4.2电机参数的确定 (20)4.3轮椅中间主体的传动设计 (22)第五章轮椅运动控制系统设计 (23)5.1轮椅的功能分析 (23)5.2轮椅的控制系统 (23)第六章总结 (30)参考文献 (30)设计任务书技术要求：1）功能：直线行驶、匀速、加速、减速、转弯、爬楼梯等；2）较强的爬梯适应能力，应对楼梯结构的多变性；3）良好的机动性，使其能够在平地行驶、爬楼梯、跨越障碍等动作状态间很好的过渡转换；4）结构紧凑, 操作方便, 工作可靠；5）良好的稳定性，利用滚轴滑轨进行座椅调平, 使其在越障、跨沟和爬楼梯时始终保持水平；6）较强的越障能力和路面适应性；7）抗冲击能力强；8）具有更大的作用面，可以适应各种复杂多样的路面。

第一章绪论1.1 设计的背景和意义年老体弱、下肢残障者在日常生活中的最大障碍就是步行能力的减弱甚至丧失。

这些人行动不方便，需要有能正常行走的人加以照顾。

目前，大部分年老体弱、肢体伤残者的代步工具都是普通的轮椅，普通的轮椅都是靠人力推动的，而且普通轮椅不能过障碍物，也不能越沟，更无法攀登楼梯，从而限制了轮椅使用者的活动围，影响其参与社会生活。

尤其是国城市以多层公寓式楼房居多，电梯并没有普及到所有的居民住宅，这给轮椅乘坐者造成诸多不便。

为了给上述弱势群体带来方便，更好的关怀老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，除了增加房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，扩大轮椅的使用围之外，改进现有的普通轮椅，使其兼备平地行驶、越沟、过障碍、爬楼梯等多种功能，将是更加行之有效的一种措施。

为了上述需求，给老年人和残疾人提供性能优越的代步工具，解决障碍、楼梯等对他们生活造成的不便，同时考虑使用者的经济承受能力，研究一种价格适宜、平稳安全的电动多功能轮椅具有重大的意义和实用价值。

1.2 现有产品简介及产品分析目前市场上具备爬楼梯、越障等功能的轮椅主要有两种类型——履带式和轮组式。

如图1，轮组式的轮椅大都采用三叶轮式和四叶轮式，精巧，能实现平（图1）轮组式的轮椅地行驶、越沟、过障、爬楼梯等功能，而且平地行驶时，轮椅比较平稳，人坐着也比较平稳，但无法克服爬楼梯时两台阶间的震荡，上下楼梯时该类型轮椅重心起伏较大，会使乘坐者感到不适而且难以实现在平地上的独立行走，需要其他人的时刻陪护和推拉。

如图2为履带式爬楼梯轮椅，履带式爬楼梯轮椅技术较成熟，操作简单，对楼梯的形状、尺寸适应性强，爬楼梯时波动小，乘坐的人比较舒服，而且平地行驶也比较平稳；但履带式轮椅越障时不够平稳，重心波动大，乘坐者会感到不舒服，而且，履带式轮椅在平地行驶时阻力比较大，所以消耗的功率就比较大。

图1.2履带式爬楼梯轮椅1.3 本章小结由上述对现有的产品进行详细了解和分析可知，履带式和轮组式轮椅都有各自的优点，有都有各自的缺点。

履带式轮椅在爬楼梯方面具有优越性，在爬楼梯时无重心、波动稳定性好，但是，当在平地上行驶时阻力会很大，所以功耗较大，可能还要增加辅助电机，使轮椅的结构变得复杂；而且，当在平地上遇到障碍时，轮椅就会产生波动、变得不平稳。

轮组式轮椅在平地行驶时具有优越性，路况比较平坦时，轮椅行驶比较平稳，在平地上遇到障碍时，越障也比履带式轮椅波动小；但是，在爬楼梯方面轮组式轮椅却有着很大的缺陷，轮组式轮椅在爬楼梯时重心波动很大，稳定性很差。

第二章设计方案选择2.1 轮椅形式的选择在第一章对现有轮椅进行详细分析之后，了解到了各种形式轮椅的优缺点，在此基础上，利用它们的优点，避开它们的缺点，就可以设计出一种更加具有优越性的电动多功能轮椅——轮组-履带式电动多功能轮椅。

这种轮椅结合了轮组式和履带式轮椅的优点，在这种轮椅上既装有轮组，又装有履带。

在平地行驶、跨沟、越障时，使用轮组，而在爬楼梯时，轮椅会放下履带，使用履带爬楼梯。

2.2 轮组的选择轮组式的轮椅大都采用三叶轮式和四叶轮式，四叶轮爬楼梯比三叶轮平稳，但是四叶轮的结构比三叶轮复杂，而且轮组-履带式电动多功能轮椅是使用履带爬楼梯的，所以采用三叶轮。

而三叶轮也有多种形式，主要有链传动的（如图2.1），齿轮传动的（如图2.2）。

链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮组成，通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。

但是，链传动有很多缺点：运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜用在载荷变化很大、高速和急速反向的传动中。

图2.1 链传动三叶轮1234561 车轮2 小轮链轮3 中心链轮4 支架5 张紧轮轮6 传动链条齿轮传动具有一下优点：效率高，在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率123451 驱动齿轮2 过度齿轮3 中心齿轮4 转臂5 小车轮图2.1 齿轮传动三叶轮为最高；紧凑，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小，这一点正好适合用在轮组中，减小了轮组的体积，这样也可以减小轮椅的体积；工作可靠，寿命长，这一点应用在轮椅上，可以使轮椅的使用寿命加长，也提高了轮椅的安全性；传动比稳定，传动比稳定往往是对传动性能的基本要求，齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特点，这一特点也适合用在轮椅上。

2.3 履带的收放由于履带只在爬楼梯时使用，而在平地行驶时使用的是轮组，所以履带平时是收起来的，只在爬楼梯时才放下，故在设计履带时，要考虑到履带的收放，也就是说履带要有专门的收放。

如图2.3即为履带及其收放装置的简图，其中液压缸1（也可以采用气压缸）是收放的主要部分，利用液压缸1的往复伸缩就可以实现履带的收放，并且可以使履带产生一定的倾斜角度，这样履带就可以跨上楼梯的第一级，进而实现爬楼梯的功能。

2.4 座椅调平在上下楼时爬楼梯轮椅整体是倾斜的,而且在跨越障碍、越过凹坑时轮椅也会产生倾斜，在倾斜的轮椅会使乘坐者感到不适。

为了克服这一弊端和轮椅爬楼过程中重心的起伏, 要设计一种可以减缓波动的，波动小了，乘坐者才会感到舒适。

如果座椅和座椅支架是固定在一起的，当轮椅因越障、跨沟、爬楼梯而产生倾斜时，乘坐的人也会一直倾斜着，所以只有把座椅和座椅支架做成滑动连接的才能实现当轮椅发生倾斜时而乘坐的人可以始终保持水平乘坐，这样，乘坐的人才不会感到不舒服。

座椅支架与滑轨的连接方式如图2.4所示。

图2.3 履带及其收放机构简图5123461 液压缸2 轮椅支架3 摆臂履带 4车身主履带 5 驱动系统 6 传动系统其主要由圆弧形轨道及滚轴组成。

滑轨焊接在底架上, 滚轴通过螺纹连接固定在座椅底部的支架上, 其轴端安装有轴承可以在滑轨里滑动,从而实现座椅的平。

该滑道滑轨式座椅的外形结构简图如图2.5所示：座椅支架通过轴承与圆弧形轨道形成滑动连接，圆弧形轨道与轮椅底盘连接成一体，这样，当底盘与圆弧形轨道发生倾斜时，轴承就会沿圆弧形轨道滑动，使座椅始终保持水平，乘坐的12图2.5 座椅机构简图1 座椅支架2 圆弧形轨道图2.4 滚道滑轨式座椅原理图123 41 轴承2 座椅支架3 滑轨4 滚轴人也就可以始终保持水平。

2.5 本章小结通过上述分析，可以初步确定轮椅的主要。

轮组采用三叶式、齿轮传动的行星轮式结构，每个小车轮既可以绕各自的轴自转，又可以绕机架传动轴公转，平地行驶时小车轮自转，越障、跨沟时小车轮不再自转，而是绕传动轴公转；轮椅除了采用轮组外，还要增设履带装置，并且，还设有履带的收放，当遇到楼梯时，放下履带，平地行驶时，收起履带；轮椅支架与底盘用轴承实现连接，能够在底盘发生倾斜时，也能保持水平。

第三章轮椅的结构设计与运动分析3.1 轮椅的结构设计轮椅的结构设计主要包括轮组、履带、车架等的设计。

3.1.1 轮组由第二章可知，轮椅的轮组采用三叶式齿轮传动的星形轮结构。

轮组的外图3.1 轮组机构示意图形图如图3.1所示：轮组主要由车轮、齿轮、转臂组成。

小车轮具有两种运动方式：小车轮的自传，小车轮绕驱动轴的公转。

这两种运动方式实现了轮椅的不同运行方式。

如图3.2所示为轮组的转臂，转臂的作用为：用于安装齿轮，对齿轮进行定位；转臂的另一个主要功能是带动小车轮绕转轴公转；除此之外，转臂还起到强化、支撑轮椅支架等功能。

轮组是用齿轮传动的，一个轮组中包含有七个齿轮，如图3.3所示为轮组的一支，其中1为小车轮，；2为驱动齿轮，用来驱动小车轮自传；3为轮组的转臂，用来驱动小车轮绕驱动轴公转；4为过度齿轮；7为中心齿轮；6为传动轴一，一端与中心齿轮配合，通过轴承空套在转臂3上，一端与链轮配合，并通过轴承空套在主车架上；5为传动轴二，一端通过螺栓与转臂3固连，一端与链轮配合，并通过轴承空套的主车架上；传动轴一与传动轴二通过轴承相互空套；过渡齿轮4，驱动齿轮2各自通过轴承空套在转臂3上；小车轮1通过螺栓与驱动齿轮22 3456 3.3 轮组局部结构图7 1 图3.2 轮组转臂固连，三个小车轮的中心轴线呈等角分布。

由于转臂3，过渡齿轮4，驱动齿轮2（包括小车轮6）都是空套在相应的轴上，因此驱动轮系包含三个结构完全相同的差动轮系，这三个差动轮系共用中心轮和行星架，并且沿周向对称分布，增设过渡齿轮4，可以保证同时着地的两个小车轮1具有和中心齿轮7相同的旋向，朝同一方向滚动前进。

3.1.2 履带及其收放在第二章已经对履带的作了简要介绍，如图2.3为履带及其收放的简图。

履带的收放是通过液压缸的往复运动实现的。

其原理的AutoCAD图如图3.4所示：履带的收放机图3.4 履带及其收放构采用的是分离式液压千斤顶，千斤顶是由一个支撑油缸和一个手动泵组成，它们之间由一根油管连接，通过反复压动手动泵来实现履带的收放和履带倾斜角度的变化。

根据轮椅高度和所设计履带高度选择千斤顶。

L为千斤顶高度最小时的长度,L′为千斤顶伸出一定长度，顶起履带并使其发生一定角度时的长度。

图3.5 千斤顶升降简图L =LL ， L‘=L ′LAB 为履带，通过千斤顶履带转过一定角度∠LL’L ，因为大部分楼梯坡度为30o ,所以上楼梯时，至少把履带旋转30o , 即∠LL’L =30o根据正余弦定理：LL′LLL∠LLL′=LLLLL∠LL′LL′L 2=LL 2+LL′2−2LL ∙LL′LLL∠LLL′取:LL =380mm LL =LL′=320mm解得：B‘C −BC =160mm即千斤顶的行程至少为160mm分离式液压千斤顶要配有液压控制系统，该液压系统基本原理如图3.6所示：液压系统基本原理：系统由油箱，过滤器1，液压泵2，溢流阀3，换向阀4，节流阀5，换向阀6，液压缸以及连接这些原件的油管，接头等组成。