机械设计制造及其自动化康复式电动轮椅设计

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1、梧 州 学 院毕 业 论 文论文题目 康复式电动轮椅设计 系 别 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师（签名） 完成时间 2013 年 5 月 摘 要进入21世界以来，人们的生活水平日益提高，对生活健康看得越来越重，康复式医疗理念也日渐深入人心。康复式医疗器材就在此背景下应运而生，其中的康复式轮椅结合了代步与康复医疗的功能，在康复医疗体系中占有非常重要的地位。本课题是康复式电动轮椅设计，以直流电机为动力源，通过齿轮配合，分解成两个独立运动单元。一个为轮椅提供行走动力，使轮椅能够按照一定速度运动，完成代步功能；另一个为仿生运动机构提供动力，仿生运动机构由传动轴，曲柄

2、摇杆机构组成，组合完成康复医疗功能。本论文是对康复式电动轮椅设计过程说明。其主要内容有电机的选择与PWM控制系统的设计；车架设计及受力分析；传动系统设计及对轴、键类零件受力分析；康复医疗系统设计及仿生运动功能的实现；标准件的列表和参数。 关键词：康复式电动轮椅； 仿生运动机构； 曲柄摇杆机构； PWM控制系统The Design of Electric Wheelchair For Recovery AbstractWith the development of peoples life standard in the 21st century, health becomes a more a

3、nd more important thing in the common life. And rehabilitation treatment, as a healthy concept is getting popular in our life .Under the background rehabilitation wheelchairs among the medical equipment for rehabilitation come into being. Rehabilitation wheelchairs play a very important role in the

4、whole healthcare system, for it integrates the functions of walk and rehabilitation. Rehabilitation wheelchair, as the theme of the design, is divided into two units, with a DC motor as the power resource and matched with wheel gears. The former keeps the wheelchair moving in a certain speed; and th

5、e latter supplies the bionic motion mechanism which is consists of crank joystick mechanism, with power, it helps to perfect the function of rehabilitation. The instruction contains the design process of this rehabilitation wheelchair. The main content includes :the choose of the motor and the desig

6、n of pwm control system; the framework of the wheelchair and force analysis;the design of the driving system and the force analysis of the countershafts and the key parts ;the design of healthcare system and the realization of bionic motion;the list for the standard parts and parameters. Key words:

7、rehabilitation wheelchair bionic motion mechanism crank joystick mechanism PWM control system 目录第一章 绪论11.1本课题的研究背景11.2本课题国内外研究动态11.3本课题研究意义及主要内容1第二章 主要零部件及总体方案设计32.1轮椅的总功能原理图32.2档位调节机构与传动示意图32.3模拟肢体运动机构示意图42.4轮椅方向控制机构3D图5第三章 直流电机的选择及PWM电路控制设计63.1轮椅转速及极限转矩的确定63.2选择电动机的类型及参数83.3脉宽调制PWM电路设计原理9第四章 车架设计及

8、受力分析144.1轮椅车架尺寸设计144.2轮椅车架主要承载件受力分析及材料确定15第五章 传动系统设计及对零件受力分析205.1传动系统各零件的参数确定205.2传动系统零部件的校核计算225.3齿轮的设计及校核计算25第六章 轮椅控制系统设计286.1控制把手设计286.2方向控制系统设计296.3档位控制系统设计306.4刹车系统设计31第七章 仿生运动分析及功能实现327.1仿生运动分析及实现327.2仿生运动机构零部件的校核计算367.3齿轮的设计及校核计算37第八章 总装配图41参考文献42附录43致谢46II第一章 绪论1.1本课题的研究背景康复医疗是指运用物理医疗手段对肢体障碍

9、及相关重症患者在恢复阶段进行的一种辅助性医疗手段8。康复式轮椅的主要功能是模拟肢体运动帮助有运动障碍的人群完成运动功能的恢复训练并能帮助无法康复的人群进行肢体运动，促进血液循环，减少并发症。1.2本课题国内外研究动态目前世界上康复式轮椅的研究处于刚起步状态，能在市场上销售的更是少之又少。在国内该领域尚处于萌芽状态，要普及到有需要的人群更是任重而道远。康复式轮椅：采用电动或手动设计，在普通代步轮椅的设计理念上添加了康复式理念。让使用者在实现代步功能时，完成普通康复训练。在我国，2006年吴锋申请专利“组合式康复训练轮椅”。1.3本课题研究意义及主要内容1.3.1本课题的研究意义轮椅使用者在生活中

10、一般因为腿脚不方便，外出较困难。在非平坦的路面上靠双手转动轮椅太累且不能行走较远路程，而且速度较慢。此外长时间的使用轮椅会让使用者感觉到疲劳。且由于身体的压迫，血液无法正常循环，更加不利于患者的康复。目前市场上的轮椅存在两个主要问题：一是国内轮椅发展缓慢，很多国内器材商对使用人群（残疾人和老年人）的关注度不高，不愿意花费资金研发更为人性化的轮椅设备；二是轮椅设计大同小异，很多针对肢体残疾者的轮椅都是一样的，只是作为一个代步工具，对残疾人的身体没有起到很多作用。以上两个最大问题导致了我国的轮椅市场是由普通单调产品和国外进口产品组成。国外进口的轮椅功能先进，但价格极其昂贵。因此，本课题研究设计的轮

11、椅应以方便使用者为主要目标，帮助使用者解决生活中遇到的困难，给使用者提供一个简易的康复医疗平台。降低生产成本，能让更多的普通患者使用。本课题研究对象是康复式电动轮椅设计，运用机械原理、机械设计、人机工程学等知识及CAD 、CAM、CAE等软件设计零件实体模型，并实现功能的模拟仿真。1.3.2本课题的设计的主要内容（1）根据设计参数要求，理清设计思路，抓住设计要领。（2）初拟总体设计方案。（3）动力源选择与控制系统的设计。（4）车架设计及受力分析。（5）传动系统设计及对轴、键类零件受力分析。（6）康复医疗系统设计及仿生运动功能的实现。（7）标准件的列表和参数。（8）确定各零件结构尺寸，完成零件图

12、。（9）完成装配图。（10）完成模拟仿真。（11）总结。第二章 主要零部件及总体方案设计2.1轮椅的总功能原理图如图2-1所示为该课题所设计的轮椅总装示意图，包含该轮椅的主要机构和总体布局。通过电机转动，带动后轮传动轴的运动，使轮椅运行；电机转动的同时带动传动轴，利用曲柄摇杆原理带动脚踏板摆动，实现康复式运动功能。该轮椅的主体设计中，除了电机部分，需要采用PWM电路控制之外，将大量采用机械机构，包括了齿轮传动、双摇杆、曲柄摇杆、轴承支承等。之所以采用机械机构的主要原因是因为机械结构操作简单，维修方便，安全耐用，符合康复式轮椅的安全、稳定经济实用的性质。图2-1功能原理图2.2档位调节机构与传动

13、示意图该装置拟采用齿轮传动，如图2-2所示：电机安装在可移动导轨上。当电机处于工位一时，主传动轴与后轮轴同时转动，使轮椅实现在行走中进行康复训练；当电机处于工位二时，接通电机与后轮轴，使轮椅在不进行康复训练的同时正常行走；当电机处于工位三时，电机只与主传动轴接通，使轮椅在不行走时也能进行康复训练，满足患者足不出户也能达到康复训练的效果；图2-2档位控制与传动系统示意图2.3模拟肢体运动机构示意图该装置拟采用六杆机构。如图2-3所示传动轮在转动时带动连杆左右移动并使脚踏摇杆在一定角度内完成循环摆动动作，利用平行四边形原理，使活动踏板能模拟人在行走时脚板与小腿间所成的夹角，从而完成整个膝关节和踝关

14、节的模拟循环运动动作。计算杆杆件的自由度，查文献10可知自由度计算公式为： （2-1）由公式2-1可知，F为自由度数；n为活动杆件；PL为低副；PH为高副。再根据图2-3所示，。代入公式2-1得：所以可知该杆件有唯一原动件。符合设计要求。图2-3康复式仿生运动功能示意图2.4轮椅方向控制机构3D图该装置拟采用双摇杆接摇杆滑块机构，如图2-4所示，掰动手柄左右摇动，可控制轮椅前轮的方向，从而控制轮椅的运行方向。图2-4方向控制示意图第三章 直流电机的选择及PWM电路控制设计3.1轮椅转速及极限转矩的确定3.1.1轮椅的各级转速确定康复式轮椅的一个主要功能是模仿正常人的行走姿态，所以其运行速度将模

15、拟人走路的三种速度，分别是散步、正常行走、慢跑。经过测试取平均值得到这三种行走姿态的速度分别为：根据轮椅的设计要求，后轮的直径D=550mm，根据求周长公式可得L=1.72m。所以轮椅的主动轮转速分别为：电动轮椅的主传轮的传动齿轮与电机传动齿轮的传动比。根据以上数据求得电机输出转速：3.1.2各级传动效率计算根据轮椅传动示意图可查表常用传动零件和装置的传动效率1。可知当控制档位处于第一工位时传动效率为：四对滚动轴承： 两对齿轮联轴器： 由总传动效率公式可求：当档位控制处于第二工位时传动效率：三对滚动轴承： 一对齿轮联轴器： 由总传动效率公式可求：当档位控制处于第三工位时传动效率：一对滚动轴承：

16、 一对齿轮联轴器： 由总传动效率公式可求：3.1.3轮椅主动轮转矩计算根据电机负载转矩公式2。可知当电机负载启动时，且电流约等于2-4倍。因此，当轮椅处于爬坡启动时，会产生最大启动转矩。受力分析如图3-1：图3-1爬坡受力图假设轮椅行走时路况最差的是泥路，根据预设路况查滚动摩擦系数3可知：,取最大值Kmax=0.2。转矩公式： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）有上述公式综合可得：查文献2可知转矩与功率和转速的关系公式为：当轮椅以V=7.2km/h爬坡时，n=70r/min输出最大。由此可知主动轮输出功率：设该直流有刷电动机的额定转速，由上述3.1.1中可知电机输出转速。即该电机属

17、减速型直流有刷电机，其减速比为。由此可知该减速器类型为二级减速器，即有3对齿轮啮合减速。可求传递功率为：所以： 电动机额定功率：，近似取值为0.4Kw。电动机额定转矩：3.2选择电动机的类型及参数由于电动轮椅所用的场合为低速、平稳、低振动，且要求生产成本较经济。直流有刷电机虽然有碳刷易磨损，更换较为麻烦；运行电流大，电机磁钢易退磁，降低了电机与电池的寿命等缺点，但其变速平稳，几乎感觉不到振动；温升低，可靠性好；成本低廉等优点，非常符合电动轮的电机选用要求。由上述优点确定选用有刷直流电机，其型号为Bswt-44-132，具体参数如表3-1所示。表3-1电机型号参数型号额定电流（mA）额定电压（V

18、）额定转矩（Nm）质量（Kg）体积（mm）44-13211.13637.5160x60x603.3脉宽调制PWM电路设计原理调速采用PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制。通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的3。直接通过单片机控制有刷直流电机的正反转以及调速等功能。PWM电路控制相比较PLC控制而已，首先其控制方法更简单，成本也较低，在小型控制电路中也更能体现其优势；其次就是该控制电路比PLC控制电路使用寿命更长，单片机属于微型处理器，对电压要求更低，不会因为电压不稳定而无法控制轮椅正常运行，为使用者提供了更好的安全保障。3.3.1电路功能要求设计一种以单片

19、机AT89C52为控制核心的直流电机调速系统，通过控制器ULN2003使电机转动，转速测量元件为ST151。以实现控制命令通过按钮的输入驱动电机，并通过调整PWM方波控制转速，利用数码管显示当前转速等功能。功能要求：（1）电机速度分350r/m、700r/m、1400r/m共3档。 （2）通过按钮选择速度。 （3）检测并显示各档速度。所需元器件如表3-2所示表3-2元器件清单名称型号参数数量PCB电路板单面板80*401单片机AT89C521电容30PF210UF2数码管共阴、四位一体1测速仪器ST1511晶振12HZ1电阻0.1100若干二极管若干按键若干用户通过按键键入控制指令（开关与转速

20、调节），控制器在收到指令后改变输出的PWM方波，驱动器在接收到不同的方波时使电机做出不同的转速响应。从而改变电机的转速，来实现设计时预定参数。传感器ST151可以根据电机的转速测量并反馈回4位共阴极数码管上，从而使使用者能够直观的知道当前的车速，以免发生意外。3.3.2电路设计直流电机控制结构图3-2：图3-2电路设计框图3.3.3硬件系统设计（1）时钟电路单片机时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，可以为单片机提供运行时钟。如果运行时钟为0的话，单片机就不工作；反之超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。时钟电路由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。本系统同样采用由一个晶振与两个

21、电容组成的振荡电路，单片机的XTAL1与XTAL2引脚分别接晶振的两个引脚，电容并联串入电路中，由此为控制器提供时钟源。具体接线图如3-3所示。图3-3时钟电路（2）按键电路五个按钮分别控制电机的转停、正反转以及各档转速。P0口为电机正反转的控制按键，按键一按下，P0输出高电平，P0=1与PWM方波一致，电机正转，反之按键松开，P0=0与PWM方波相反，电机反转。按键二为电机启停。按键二按下，P1=1，电机启动，反之按键松开,P1=0，电机停止。其他按键分别为电机转速按键，按键三为档位一，按键四为档位二，按键五为档位三。具体接线图如3-4所示。图3-4按键电路（3）显示部分显示系统采用测速器反

22、馈数码管来实现。数码管的位选端单片机的P2.0P2.3管脚，端选段AG与DP分别接单片机的P0.0P0.7管脚。具体接线图如3-5所示。图3-5显示电路（4）电机控制与驱动部分电机通过改变PWM方波进行转速控制。PWM方波通过微控制器输出。具体接线图如3-6所示。图3-6电机控制与驱动电路（5） 复位电路如图3-7所示，复位按钮为整个系统提供复位功能。图3-7复位电路（6）完整仿真电路图如图3-8所示，为电路整体设计图。图3-8总电路3.3.4软件系统设计AT89C52单片机电机转速控制系统的部分C语言程序见附录。第四章 车架设计及受力分析4.1轮椅车架尺寸设计在设计轮椅车架尺寸时，课题要求适

23、用人群身高为150-180cm，在具体分析研究中，取适中值175cm为研究对象。假设以黄金比例分割点计算，可知，肚脐是头顶至脚底的分割点；膝关节是脚底至肚脐的分割点，咽喉是肚脐至头顶的分割点。根据以上材料可求出车架的各个重要尺寸，如图4-1所示：图4-1车架按黄金比例计算下半身长度上半身长度小腿的长度车坐垫至地面高，所以当身体坐直时，肚脐与坐垫距离约为200mm所以，取接近整数得。由于咽喉是上半身的黄金分割点，所以求得，在使用时，当靠背位于肩膀附近时，患者将获得最舒适体验。所以，固取值为。在设计车宽时，先假设车宽为，其有效坐靠范围为小于等于450mm。可满足腰围约为1413mm的患者使用。查文

24、献 4，按人体手臂运动分解，可知手臂在自然屈肘，平放时有最舒适感，因此可以设计出：、。4.2轮椅车架主要承载件受力分析及材料确定4.2.1前后轮支承架图4-2轴力图如图4-2所示，截面1-1处所受的轴力根据轴力公式5：可求：截面1-1处所受轴力：为减轻车架重量及降低成本，拟采用Q235钢管作为该机构的材料，所以可知材料的屈服强度为。根据杆件所受的载荷和材料的许用应力，按式确定杆件的横截面积，然后再根据工程上的其他要求，确定其几何形状。钢管外径确定为20mm。由，又考虑到薄壁键焊接工艺复杂成本高，固确定内径为16mm。4.2.2坐垫支承架根据车架图可知，坐垫支承架由3根外径为的Q235钢管组成。

25、受力情况如图4-3所示：图4-3支承杆受力分析 （4-1）由公式可知，剪力方程为线性函数，所受剪力如图4-4所示：图4-4剪力图按弯矩方程列公式5得： （4-2） 弯矩图如图4-5所示：图4-5弯矩图根据杆的材料(Q235)的许用应力及杆所受载荷，先按公式5求出抗弯截面系数，再根据公式 （4-3） （4-4）整理公式求得：把上述结果代入公式（4-3）中得，。4.2.3靠背支承架根据车架图可知，坐垫支承架由4根外径为的Q235钢管组成。受力图如图4-6所示：图4-6支承杆受力分析 （4-5）由公式可知，剪力方程为线性函数，剪力图如图4-7所示：图4-7剪力图按弯矩公式5列方程得： （4-5）弯矩

26、图如图4-8所示：图4-8弯矩图根据杆的材料（不锈钢304）的许用应力及杆所受载荷4，先按公式求出抗弯截面系数，再根据公式： （4-6） （4-7）求出内径d。整理公式求得：，。第五章 传动系统设计及对零件受力分析传动系统设计包括的零部件有轴、平键、齿轮、轴承。轴承与平键键为标准件，其标准参数查查文献6。传动系统如图5-1所示：图5-1传动系统示意图5.1传动系统各零件的参数确定如图5-1所示，后轮主轴由两个深沟球轴承配合装配在车架上。根据GB/T 2761994，查文献6，可确定该轴承如表5-1所示：表5-1轴承参数轴承代号基本尺寸/mm安装尺寸/mm基本额定动载荷Cr基本额定静载荷Cor极

27、限转速/（r/min）原轴承代号dDBrsmindaminDamaxrasmax/KN脂润滑油润滑600735621414156116.210.5900012000107根据小径，安装尺寸，倒圆。可确定后轮主轴部分尺寸。根据轴的部分尺寸，根据GB/T 19952003。查相关资料可确定轴承上的平键参数如表5-2所示：表5-2平键参数轴键键槽公称直径d公称尺寸bxh宽度b深度半径r公称尺寸b极限偏差轴t毂t1正常连接轴N9毂JS9公称尺寸极限偏差公称尺寸极限偏差最小最大22308x780-0.036+0.018-0.0184+0.23.3+0.20.160.25384412x8120-0.043

28、+0.0215-0.02155+0.23.3+0.20.250.40键的长度系列6，8，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，50注：键材料的抗拉强度应不小于590MPa。由于预设齿轮宽度B=50mm，后轮轮毂宽度B1=46mm。根据平键的长度系列，可确定为L=40mm与L1=40mm。后轮主轴具体参数如图5-2所示：图5-2后轮主轴5.2.1后轮主轴的校核计算按扭转强度条件计算，轴的扭转强度公式为： （5-1）因为切应力沿半径呈线性分布，实心轴圆心附近处应力较小，材料未能尽量发挥作用，空心轴相当于把轴心处的材料边缘化，从而提高了轴的强度。在考虑经济成本与车身重量的

29、前提下，尽可能的节省材料，固可采用空心轴模式。空心圆轴截面的抗扭截面系数1： （5-2）根据平键的深度可知空心圆轴的壁厚为，即内径。后轮主轴的受力如图5-3所示：图5-3后轮主轴受力图由于后轮主轴的材料为45钢，因此，取最小值，当后轮主轴只仅受扭矩时，可求出A、B、E点的扭转强度。因此后轮主轴符合材料扭转强度条件，符合设计要求。按弯扭强度条件计算，通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件位置，以及外载荷和支承力的作用位置均已确定，如图5-3所示。AC段CD段DB段做出剪力图与弯矩图如图5-4所示。图5-4剪力与弯矩图由图5-4可知，轮椅后轮主轴的危险截面出现在AC、DB间。因此，需要对该段

30、进行弯扭合成强度校核计算。轴的弯扭合成强度公式5为： （5-3）式中，为轴的计算应力；M为轴所受的弯矩；为轴的抗弯截面系数： （5-4）为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，已知材料为45钢，所以=50MPa；T为轴所受的扭矩。将已知数据代入轴的弯扭合成强度公式计算，可知：所以，满足轴的弯扭合成强度条件，符合设计要求。5.2.2轴承的校核计算轴承的寿命计算公式4为： （5-5）式中，C为基本额定动载荷，；P为当量动载荷，；为载荷系数，查表可知为中等冲击载荷，固；为纯径向载荷，；为纯轴向载荷；X和Y由的值是否大于e确定；对于轮椅后轮传动轴轴承来说，其轴向载荷很小，固取X=1和Y=0；轴承为深沟球轴

31、承，所以可知。轮椅的使用寿命预设计为20年，即理论。符合设计要求。5.3齿轮的设计及校核计算5.3.1选择齿轮材料及精度等级根据轮椅设计内容可知，设电机功率无损耗，电机功率等于输出功率；小齿轮（电机传动齿轮）转速为；大齿轮（后轮主轴传动齿轮）转速为；传动比；设计理论工作时间为20年。查文献1，常用齿轮材料的性能及应用范围，可确定小齿轮选用45钢调质，硬度为220HBW；大齿轮选用45钢正火，硬度为170HBW。初步估计齿轮线速度。查表圆柱齿轮转动各级精度的应用范围1可确定精度等级为9级。5.3.2确定齿轮许用应力试验齿轮的接触疲劳极限试验齿轮弯曲疲劳极限安全因数SH、SF取软齿面（小于等于35

32、0HBW）参数和。根据理论工作时间，求得应力循环数按接触疲劳寿命因数ZN可知碳钢经正火、调质后的接触疲劳寿命因数：按弯曲疲劳寿命因数YN可知碳钢正火、调质后的弯曲疲劳寿命因数：根据许用应力公式1分别求出齿轮的许用应力5.3.3按齿面接触疲劳强度设计小齿轮上传递的最大理论扭矩为：据设计要求工作平稳、轻微冲击取选择小齿轮的齿数，则大齿轮的齿数,采取悬臂布置，。45号碳钢的材料弹性系数。由软齿面接触强度公式可计算出因设计要求，可确定，所以取模数。查渐开线圆柱齿轮标准模数1，可知该齿轮传动中的齿轮标准模数为m=2.5mm。5.3.4计算大、小齿轮的基本参数分度圆齿顶圆齿根圆全齿高中心距根据设计需求，设

33、齿轮厚度、。5.3.5校核齿根弯曲疲劳强度查文献1正常齿标准外齿轮的齿形修正因数和应力修正因数。弯曲疲劳强度为符合设计要求。第六章 轮椅控制系统设计6.1控制把手设计控制把手的形状设计如图6-1所示：图6-1方向控制把手如图所示，操作把手的组成有：把手主体、操作手柄、铰接孔和连接空组成。操作手柄为中空设计，内设PCB板，结合第三章中PWM电路控制，设计4个按钮，由上至下分别为：正反转按钮、中速按钮（速度为2档）、高速按钮（速度为3档）、停机按钮。把手主体预设线槽，连接电机。铰接孔用来连接把手与轮椅扶手，设计时要求，铰接后能令把手沿铰接轴线自由转动角度为0600。连接孔连接方向控制杆，通过转动把

34、手控制轮椅的方向。把手的具体设计参数见工程图纸。6.2方向控制系统设计方向控制系统的图6-2如下图6-2方向控制系统如图6-2所示：控制把手与方向控制杆键连接，且锁紧；方向控制杆键与前轮车架连接。其工作原理是利用了四杆机构中的双摇杆机构，使在转动手柄带动方向控制杆转动时，带动右前轮摆动的同时带动连杆做左右往返运动，从而使左前轮同步摆动，这样设计的好处是可以使左右前轮同步摆动，摆动幅度一致，增强轮椅行驶的稳定性。具体设计参数见工程图纸。由于前轮架承载轮椅重量，在前轮架与车架连接配合处，需装配推力轴承，以达到灵活转动的效果。其具体参数如表6-1所示：表6-1推力轴承参数摘录6轴承代号基本尺寸/mm

35、安装尺寸/mm基本额定动载荷Cr基本额定静载荷Cor极限转速/（r/min）原轴承代号minmin脂润滑油润滑5120420/1540140.632280.622.237.538005300382046.3档位控制系统设计档位控制系统的运动示意图6-3；图6-3档位控制示意图如图6-3所示，为四杆机构中的摇杆滑块机构，根据电机的移动范围与摇杆的长度，确定档位的位置和连杆的尺寸。电机移动范围，当摇杆处于垂直状态时，档位处于第二档位，即电机带动轮椅行走而康复医疗机构不动。摇杆拨动到左侧档位时，电机向右移动25mm，电机齿轮与后轮齿轮、传动齿轮啮合，带动轮椅行走的同时康复机构运动，达到在代步时完成模

36、拟仿生运动。摇杆拨动到右侧档位时，电机向左移动25mm，电机齿轮与传动齿轮啮合，但不与后轮齿轮啮合，这时将完成档位三的功能，即轮椅在不行走时也能为患者提供康复式医疗。这个功能将满足使用者能足不出户，也不需要较大空间就能完成仿生功能运动。该机构将在铰接处使用轴孔配合，使控制连杆与控制手柄能在连杆的径向自由转动的同时能完成铰接功能。具体设计参数见工程图纸。6.4刹车系统设计刹车系统设计如图6-4所示：图6-4刹车架如图所示，刹车把手铰接固定在轮椅的左侧，利用摇杆滑块原理，带动刹车架往复运动，刹车架前移时刹车橡胶压迫轮椅后轮主轴，达到刹车效果。刹车后通过刹车弹簧，把刹车架引导回原位，保证了刹车系统的

37、正常运行。之所以采用压迫后轮主轴的原因是轮椅在运行时速度较慢，瞬间刹车制动要求不高。且由于轮椅要求运行平稳，固采用压迫主轴的方法来减少轮椅刹车时的震动。具体参数见工程图纸。第七章 仿生运动分析及功能实现7.1仿生运动分析及实现7.1.1膝关节膝关节是有胫骨关节和骸骨关节组成的双关节结构7。胫骨关节可在三个平面中同时活动，但在矢状面活动度最大。骸骨关节面的活动同时发生在两个平面内，冠状面的活动比横截面大。在矢状面上完全伸直到完全屈曲为001400，从膝盖完全伸直到900屈曲，胫骨关节在横断面上的活动范围增加。完全伸直时，在横断面中几乎不可能活动。表7-1 成年男子小腿运动时膝关节曲折角度（0）8

38、随意运动强迫运动最小值最大值平均值最小值最大值平均值118136127128150140在模拟正常人行走姿态时，分为几个步骤，先是小腿抬起，膝关节自然弯曲，小腿向前伸并脚底落地。在这运动之间，膝关节的活动角度约为300600。在本课题中，取中值400为设计参数。运动示意图如图7-1所示：图7-1膝关节主要活动范围7.1.2踝关节踝关节基本上是个单向关节，主要在矢状面上沿一横轴活动7。踝关节在矢状面上的中活动幅度约为400，背屈时100200，其余的250350为跖屈。调查结构显示，正常人行走时，踝关节在矢状面上的总活动幅度约为240750，幅度随着年龄的增大而减小，背屈与跖屈几乎相同，分别为2

39、00和210。表7-2成年男子小腿运动时踝关节曲折角度（0）8踝关节运动形式随意运动强迫运动最小值最大值平均值最小值最大值平均值跖屈184328225536背屈254637355244运动示意图如图7-2所示：图7-2踝关节主要活动范围本课题采用曲柄摇杆机构在来实现仿生运动功能，曲柄摇杆机构的应用使传统轮椅中只能起到辅助支撑作用的脚踏板增添了运动功能，这样使得病人在乘坐轮椅的时候，可以根据需要让康复式轮椅的踏板模仿常人走路的姿态运动，从而达到康复医疗的效果。7.1.3传动轴设计传动轴尺寸如图7-3所示：图7-3传动轴如图7-3所示，传动轴20处由两个深沟球轴承配合安装在车架上。查文献深沟球轴承

40、摘录4，根据(GB/T 2761994)，确定该轴承参数如表7-3所示：表7-3轴承参数轴承代号基本尺寸/mm安装尺寸/mm基本额定动载荷Cr基本额定静载荷Cor极限转速/（r/min）原轴承代号dDBrsmindaminDamaxrasmax/KN脂润滑油润滑60042042120.625370.69.385.021500019000104根据小径，安装尺寸，倒圆。如图7-3所示：15处与传动轮配合，30处与齿轮配合。根据轴的尺寸，查文献4平键参数摘录，根据（GB/T 19952003）。可确定这两处处的平键参数如表7-4所示：表7-4平键参数轴键键槽公称直径d公称尺寸bxh宽度b深度半径r

41、公称尺寸b极限偏差轴t毂t1正常连接轴N9毂JS9公称尺寸极限偏差公称尺寸极限偏差最小最大12175x550-0.030+0.018-0.0183+0.12.3+0.10.160.2522308x780-0.036+0.018-0.0184+0.23.3+0.20.160.25键的长度系列6，8，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40注：键材料的抗拉强度应不小于590MPa。 7.1.4仿生运动机构设计仿生运动机构的主要使用了曲柄摇杆机构，其示意图7-4：图7-4仿生运动极限位置示意图如图7-4所示，经过核对轮椅的传动部件，确定仿生机构的设计尺寸和安装尺寸。1为机架，

42、2为曲柄（传动轮），3为连杆，4为摇杆。由7.1中仿生运动分析可知，摇杆极限夹角为60度。根据安装尺寸可知2为40mm，机架杆的距离为340。固画运动示意图，分析可得B=343mm。由于人的行走时的跨步约为0.50.7m/步。固可确定摇杆的安装尺寸即摇杆C的尺寸为C=86.6785mm。脚踏杆设计为可伸缩杆，在确保摇杆正常运行的前提下，尽可能满足更多人的使用要求。其长度范围为：100248.4mm。7.2仿生运动机构零部件的校核计算7.2.1传动轴的校核计算按扭转强度条件计算，轴的扭转强度公式为： （7-1）因为切应力沿半径呈线性分布，实心轴圆心附近处应力较小，材料未能尽量发挥作用，空心轴相当

43、于把轴心处的材料边缘化，从而提高了轴的强度。在考虑经济成本与车身重量的前提下，尽可能的节省材料，固可采用空心轴。空心圆轴截面的抗扭截面系数： （7-2）根据平键的深度可知空心圆轴的壁厚为，即内径。由于传动轴的材料为45钢，因此，取最小值，由于传动轴未承重，固其仅受扭矩。其所受扭矩必小于后轮主轴扭矩，固可知。可求出B、C点的扭转强度。因此后轮主轴符合材料扭转强度条件，符合设计要求。7.2.2轴承的校核计算。轴承的寿命计算公式： （7-3）式中，C为基本额定动载荷，C=16.2KN；P为当量动载荷，查机械设计手册得；为载荷系数，查表可知为中等冲击载荷，固；为纯径向载荷，；为纯轴向载荷；X和Y由的值

44、是否大于e确定；对于传动轴轴承来说，其轴向载荷很小，固取X=1和Y=0；轴承为深沟球轴承，所以可知。轮椅的使用寿命预设计为20年，即理论。符合设计要求。7.3齿轮的设计及校核计算7.3.1选择齿轮材料及精度等级根据轮椅设计内容可知，假设设电机功率无损耗，电机功率等于输出功率；小齿轮（电机传动齿轮）转速为,传动齿轮转速为；传动比；设计理论工作时间为20年。由第五章的齿轮设计可确定小齿轮选用45钢调质，硬度为220HBW；传动齿轮选用45钢正火，硬度为170HBW。初步估计齿轮线速度。查表圆柱齿轮转动各级精度的应用范围1可确定精度等级为9级。7.3.2确定齿轮许用应力试验齿轮的接触疲劳极限试验齿轮

45、弯曲疲劳极限安全因数SH、SF取软齿面（小于等于350HBW）参数和。根据理论工作时间，求得应力循环数按接触疲劳寿命因数ZN可知碳钢经正火、调质后的接触疲劳寿命因数：按弯曲疲劳寿命因数YN可知碳钢正火、调质后的弯曲疲劳寿命因数：根据许用应力公式1分别求出齿轮的许用应力7.3.3按齿面接触疲劳强度设计小齿轮上传递的最大理论扭矩为据设计要求该级齿轮传动工作平稳、基本无冲击，固取选择小齿轮的齿数，则传动齿轮的齿数,采取悬臂布置，。45号碳钢的材料弹性系数。由软齿面接触强度公式可计算出：由第五章中小齿轮的参数可知，其标准模数为m=2.5mm。由于小齿轮与传动齿轮为标准啮合齿轮，固传动齿轮的模数也为m=

46、2.5mm。根据设计要求，确定。7.3.4计算齿轮的基本参数根据第五章中计算所得电机传动齿轮的具体参数。由于电机传动齿轮与传动齿轮啮合传动，且模数齿数相同，固其基本尺寸也相同，具体尺寸如下：分度圆齿顶圆齿根圆全齿高中心距根据设计需求，设齿轮厚度、。7.3.5校核齿根弯曲疲劳强度查表7-11正常齿标准外齿轮的齿形修正因数和应力修正因数。弯曲疲劳强度为符合设计要求。由第五章与第七章中的齿轮计算可确定本设计中所用到的三种齿轮的标准参数，其主要参数如表7-5所示。表7-5名称模数m齿数Z分度圆d齿根圆df齿顶圆da压力角a全齿高h传动精度电机齿轮2.5287063.75752011.259级传动齿轮2

47、.5287063.75752011.259级后轮轴齿轮2.556140133.751452011.259级第八章 总装配图轮椅的总装配图如图8-1与图8-2所示，图中标明了主要零部件名称和安装位置，具体安装尺寸参见工程图纸。图8-1正视图图8-2后视图参考文献1李威,穆玺清.机械设计基础M.北京:机械工业出版社,2009.1-330.2郝用兴,苗满香.机电传动控制M.武汉:华中科技大学出版社,2010.19-43.3冯文旭.单片机原理及应用M.北京:机械工业出版社,2008.28-156.4成大先.机械设计手册M.北京:化工工业出版社,2004.1-1500.5龚良贵.工程力学(修订版)M.北

48、京:清华大学出版社,2005.1-218.6吴宗泽.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,2006.1-98.7章曲,谷林.人体工程学M.北京:北京理工大学出版社,2009.1-208.8孙学雁.体育器材设计M.北京:冶金工业出版社,2010.204-226.9杨家军.机械创新设计技术M.北京:科学出版社,2008.77-139.10孙桓.机械原理M.北京:高等教育出版社,2006.1-332.11王瑞元.运动生理学M.北京:人民体育出版社,2002.12李兆洪,隋凌燕,姜勇.AuToCAD2008中文版机械制图基础M.北京:人民邮电出版社,2008.13胡志良,仇性启等.基于Pro/

49、ENGINEER MECHANICA机械结构优化J.计算机应用技术.2008,3(12).41-4314莫卫强,王三武.基于Pro/MECHANICA环境的有限元分析及优化设计J.现代机械.2006，3(5).80-8115H.A.Yanco,integrating. robotic research:A survey of robotic wheelchair development”In:proc.AAAI spring sympostum on Intergrating Robotic Research,stanford unicersity.CA.1998.附录1、标准件参考表标准件是

50、指结构、尺寸、画法、标记等各个方面已经完全标准化，并由专业厂生产的常用的零（部）件，如螺纹件、键、销、滚动轴承等等4。如表10-1所示，是本课题中使用到的标准件，列表中简要说明其型号，名称，参数和使用数量。表10-1标准键基本参数6名称课题中名称型号参数出处使用数量备注车轮前轮6inch车轮D=6inch2含轮毂、钢线后轮22inch车轮D=22inch2轮轴前轮轴2含轴承、螺母深沟球轴承后轮轴承6007GB/T 276-19942传动轴轴承6007GB/T 276-19942推力球轴承前轮架轴承51204GB/T 301-19942平键大齿轮轴键GB1096-79AGB/T 1096-200

51、31后轮轴键GB1096-79AGB/T 1096-20032传动齿轮轴键GB1096-79AGB/T 1096-20032传动轮轴键GB1096-79AGB/T 1096-20032直流电机直流电机44-1321自带i=10：1减速器圆柱销钉铰接销钉GB/T 117GB/T 117-2000若干六角头螺栓紧固螺栓GT/T 5783GB/T 5783-2000若干自带同型号螺母弹簧刹车弹簧GB/T 1239GB/T 1239.2-20091标准弹簧垫圈止动垫圈GB/T 93M8/M12GB/T 93-1987若干内六角螺钉紧固螺钉GB/T 70GB/T 7031-2000若干2、 单片机C语言

52、编程参考表该程序中只列举了部分程序，其中包括了PWM的写入程序和电机转速控制程序。表10-2 C语言编程3#include sbit P2_0=P20; /数码管选定位sbit P2_1=P21;sbit P2_2=P22;sbit P2_3=P23;sbit P2_4=P24; /电机控制位sbit keysp0=P10; /电机转速为0的控制键sbit keysp34=P11; /电机转速为34的控制键sbit keysp68=P12; /电机转速为68的控制键sbit keysp136=P13; /电机转速为134的控制键unsigned char code table=0xc0,0xf

53、9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;unsigned int motorspeed; /电机转速unsigned char GE,SHI,BAI,QIAN; /电机转速motorspeed的各个位unsigned int counter=0;/光电传感器脉冲数unsigned int pwm; /pwm占空比unsigned int mid; /占空比设置值unsigned int calsp;/设定多长时间计算一次速度void display(); /数码管显示电机速度void del

54、ay(); /延迟函数void controlpwm(); /控制电机占空比void calspeed(); /计算电机速度，放于motorspeed变量中void keyscan(); /按键扫描void main()P2=P2&0x0f;mid=0;EA=1; /开启总中断EX0=1; /开启外部中断0IT0=1; /设置成下降沿触发方式TMOD=0x01; /设置定时器0为模式1，即16位计数模式TH0=(65536-10000)/256; /计数时间为10msTL0=(65536-10000)%256;ET0=1; /开启定时器0中断TR0=1; /启动定时器0while(1).void delay() /延迟函数unsigned char i=10;while(i-);3、 对应的工程图列表表10-3 工程图纸列表序号图纸名称图号01轮椅前轮架KF00102方向控制手把KF00203方向控制杆KF00304方向控制连杆KF00405刹车把手KF00506刹车架KF00607后轮齿轮KF00708电机齿轮KF00809传动齿轮KF00910电机架KF01011电机导杆