多功能坐态调整电动轮椅设计 全自动多功能坐态调整轮椅设计【含8张CAD图纸、三维图纸】

摘 要轮椅是行动不便的老年人与残疾人群日常生活中最重要的工具，他不仅为行动不便的人代步，同时下肢不便的人可以借助轮椅来进行锻炼和恢复，更可以帮助他们与周围的人群进行交流，更好的融入社会。在这种环境下，轮椅的需求变得越来越大。但普通轮椅需要人力推动或使用者本人进行推动来行进、后退，且很难进行转弯等的操作。因使用者长时间坐在轮椅上，又无法通过自己调整坐态，更是加剧了使用者的疲劳程度。对于下肢不便的人来说，轮椅可以达到的高度又是远远不够的，高处的东西自己完全碰不到，又无法通过自己站起来。量身定做或现有的电动轮椅价格又过高，很多人无法接受，使用统一型号的轮椅，舒适度会大大降低。为了帮助这些需要轮椅的人群，我设计了一个结构简单，操作方便，价格低廉，极为舒适的多功能坐态调整的电动轮椅。通过对国内外电动轮椅的研究成果与国内外市场的调查分析后，确定了本次毕业设计的主要内容与方向。国内成品电动轮椅功能普遍单一。国外成品电动轮椅造价过高，结构反锁，操作复杂，无法满足老年人的需求。本次设计使用简单的结构，通过电推杆与电机来控制轮椅的上升下降与座椅调节，通过六轮行走机构来满足轮椅需要的行走要求。同时简化了轮椅的操作，使用操作杆与简单按键来控制轮椅的所有功能。本次设计根据老年人与残疾人群的心理与生理需求，运用人性化的设计，整合，修改了现有电动轮椅的外观，结构与功能，使用 catia 建模，计算分析，设计出了一种新型多功能坐态调整轮椅。可以使老年人或残疾人群在脱离家属，护理人员时完成尽可能多的动作。关键词：轮椅；多功能；老年人；坐态调整AbstractWheelchair is the most important tool in the daily life of the elderly and disabled. It is not only for the people with mobility, but also for those with lower extremities for exercise and recovery. More can help them communicate with the surrounding groups, better integration into society. In this environment, wheelchair demand is growing. But ordinary wheelchairs need human push or the user to push forward, backward, and difficult to make turns and so on. Sitting in wheelchairs for a long time, unable to adjust the sitting state, exacerbated the fatigue of the users. For people with lower extremities, wheelchair can reach a height is far from enough, the height of things themselves can not touch, can not stand up through their own. Customized or the existing electric wheelchair prices are too high, many people can not accept, the use of a unified model of wheelchairs, comfort will be greatly reduced. To help these people in need of wheelchairs, I have designed an electric wheelchair with simple structure, easy operation, low price and extremely comfortable multi-function seat adjustment.The main contents and direction of the graduation design are determined by the research results of electric wheelchairs at home and abroad and the investigation and analysis of the domestic and foreign markets. Domestic finished electric wheelchair function is generally single. Foreign finished electric wheelchair is too expensive, structural lock, complex operation, unable to meet the needs of the elderly. The design uses simple structure, through electric push rod and motor to control the rise and fall of the wheelchair, through the six-wheel walking mechanism to meet the needs of the wheelchair walking requirements. At the same time, it simplifies the operation of the wheelchair, and controls all the functions of the wheelchair by using the lever and the simple button.According to the psychological and physiological needs of the elderly and the disabled, this design modifies the appearance, structure and function of the existing electric wheelchair by using the humanized design and integration, and uses catia to model, calculate and analyze. A new multi-function seat adjusting wheelchair is designed. The elderly or disabled can perform as many actions as possible when they are separated from their families and nursing staff.Keywords:wheel chair;multifunctional;old people;sitting regulation目 录 第一章 绪 论 11.1 研究背景目的和意义 11.2 国内外研究状况 21.3 论文结构及研究内容 41.4 本章小结 5第二章 总体设计方案 62.1 设计要求 62.2 设计方案 62.3 本章小结 8第三章 机械结构设计 93.1 行驶机构与底盘 93.1.1 行走机构的结构设计 .93.2.2 行走机构的运动原理 .113.2.3 电机与减速器校核计算 .123.2 座椅机构 153.2.1 电机的选用 .153.2.2 结构及工作原理 .163.2.3 连接机构齿轮的选取 193.3 抬升机构 213.3.1 结构及工作原理 .213.3.2 运动行程与受力分析 .243.4 本章小结 .26第四章 控制系统 274.1 控制系统的设计 .274.2 本章总结 30第五章 总结 31参考文献 32致谢 331第一章 绪 论1.1 研究背景目的和意义随着中国快速的发展，医疗条件的改善与提高，人们对生活高质量的需求也越发提高。国内的学者研究并指出了中国的人口老龄化越发严重，在近几年内将呈现几何倍数的增长。自然灾害与意外伤害的原因，下肢不便人群的数目越发的增多。除此之外，还有一些天生残障致使下肢不便的人群因医疗条件的改善，人数也越发增多。这三大类人群，都不同程度的丧失了行走，视觉，动手，语言能力。他们是国家重点关注的人群，对于每个家庭来说，任何一个成员任何一个生命都不可以去轻易放弃。他们的生活需要专业的医疗与护理，针对他们社会提供福利慢慢成为社会的负担。国家对这三类人群提供的医疗与护理福利，对经济也产生了很大的压力，在不久的将来可能会使经济产生负增长等不利影响。正常人对生活质量的追求都在慢慢提高，而这三类人群也在慢慢提高自己对生活质量的要求。为了减少护理人员，以减轻社会与家庭的经济压力，还可以使这三类人群的生活质量得到提高，同时可以帮助他们进行康复训练，所以一个多功能，全自动的轮椅极为重要。轮椅作为下肢不便人群最重要生活工具，其作用不应仅仅是代步，最重要的几点有：要提高使用者的生活自由度，可以让下肢不便的人群参与人群活动，进入社会。还要具备可以进行康复训练的功能。服务类的服务类电动机械装置每年以 50%速度在增长着，全自动机械装置有着人类的反应速度与判断能力，同时具有机械装置独有的工作时间长，精度性与速度高，可靠性稳定性高，对环境需求不高，恶劣环境下都可进行工作等优点。在中国这么一个人口老龄化严重的国家，每年需求的轮椅数在快速增长，设计一个好的轮椅，可以更好的满足这群人。一个全自动的电动轮椅是下肢不便人群提供更好的代步工具，最重要的是让他们可以独自，独立的正常生活。在未来，全自动电动轮椅一定是不可缺少的，各个国家也在加速电动轮椅的研发工作，可以看到，轮椅产业后面隐藏着巨大的经济效益。专家指出，服务类电动机械装置将成为个人电脑，家电后第三类人类最需2要的工具，同时电动的轮椅会提供很好的社会效应，帮助很多家庭减轻经济压力，3同时也为国家减轻压力。在人性化方面，全自动的电动轮椅对于下肢不变的人群来说不只是在服务他们，同时也是一种陪伴。全自动轮椅对这群人有着很深的意义，对社会，对国人类幸福感的提升也有着很深的意义。1.2 国内外研究状况我国主要从事于全自动轮椅的机构非常少，同时因为起步较晚，基础也非常薄弱，主要是在电动轮椅的机构与操作性上无法与国外一些专业机构比较。但经过我国科研人员的不懈努力，同样也研制出了一些带有自身特色，独特功能的电动轮椅。在中国主要从事全自动轮椅的机构有中国科学院，一些高等院校与医疗器械机构。但国产电动轮椅的控制器大多使用的是国外进口的成品控制器，所以国内的电动轮椅造价普遍很高，但利润非常低。单单国外的控制器的价格就要占据整个电动轮椅一半以上的造价。而一些精密的零件，国内生产厂家又无法通过自身进行制造，所以现在国产电动轮椅在国际市场上没有产生竞争力。国际上的电动轮椅主要还是由国外的电动轮椅制造产商占据。在国内全电动轮椅市场，电动轮椅的类型几乎相同，功能也几乎一样，如图 1-1 所示。国内市场中主流的电动轮椅，大多只有前进后退功能。而商家多数使用轻盈的材料与可折叠性来吸引顾客。可见国内市场的电动轮椅根本无法达到多数使用者的要求，且价格普遍在千元左右，一些大品牌的全自动轮椅，最低价格也要在万元左右。即使因为品牌而提高了价格，性能，功能也没多少改变。除了这些市面上常见的电动轮椅外，中国科学院里的自动化研究所制作了一款具有视觉与语音导航功能一体的，通过语音可以与使用者进行人机交互的轮椅。该轮椅运用了计算机图像处理，视觉和语音识别的最新研究成果。有点像苹果手机中的 Siri，通过使用者简单的语音口令，就可以进行人机交互。更加的解放了使用者，使使用者的体验更好。还有上海交通大学制作的全自动轮椅，配有激光测距雷达与图像识别传感器。激光测距等传感器的使用，使轮椅具有记忆功能，可根据使用者日常的行为进行自主导航。并且避障灵敏度相当高，在多障碍的工作条件下可以根据传感器自主的规划行进路线，保证了使用者的安全性。且该全自动轮椅配备了电子显示屏，语音识别，通过电子显示屏与语音识别，可以更好的完成人机交互，4完成使用者的各种需求。图 1-1 国内市场中主流全自动轮椅但这些轮椅的造价极为昂贵，光是制造成本就要几十万，根本无法做到产品化生产，跟不用说去普及。国外全自动电动轮椅的研究可以说是非常先进，很多大的汽车企业在很早之前就投入到全自动多功能轮椅的研制中。大部分轮椅也做到了产品化。最为典型的国家就是日本。本田，松下等公司在很早以前就已经研制出可以产品化生产的电动轮椅。在诸多产品化的电动轮椅中，日本的 saito-kobo 公司生产的轮椅尤为典型。该公司从 1994 年就开始研制全自动轮椅，图 1-2 所示为该公司投入生产的全自动轮椅。首先在日本狭小的房屋中，该轮椅使用六轮来确保轮椅可以发挥出强大的动力与极小的转弯半径，由于中轮驱动，以身体为中心，转弯半径非常小。座椅可以向前倾斜，使使用者可以更方便的接近桌子和洗脸台等位置，在下坡时，座椅可以向后倾斜，以保证使用者的安全。使用平躺功能，可以使轮椅靠背下降，通过后轮支撑，前轮离地，方便使用者充分休息。轮椅前端的脚板推杆可5以伸长直到与地面接触，方便使用者脱离轮椅，进行其他活动。最后就是轮椅上升的功能，通过该功能，使用者可以触碰到更高处的东西。在日本，这种全自动的轮椅已经产品化生产，因全部零件都是自己国家制造，所以价格较中国轮椅来说，非常的低，在日本人经济可承受范围内。图 1-2 日本 saito-kobo 公司生产的全自动轮椅1.3 论文结构及研究内容本文主要介绍了全制动坐态调整轮椅的结构与功能设计，通过网上资料，与各方面的国家标准要求，结合 CATIA 三维建模，来设计出轮椅的结构。在通过后期的计算分析，验证了各机构的合理性。全文可分为五大部分：1）第一章节为绪论，对国内外市场的电动轮椅进行比较分析，从我国的实际国情出发，分析出了我国电动轮椅存在的许多不足点，针对这些不足点，设计出了新型的电动轮椅。2）第二章节为本次设计的设计要求，总体方案，与总结。3）第三章为整个多功能全自动坐态调整轮椅设计详解，将整个轮椅的机构分成四大部分：抬升机构，座椅机构，行驶机构与控制机构。首先介绍了每个机构的结构特点，详细介绍了每个结构的工作原理。本次设计需要使用电推杆等成品件，也对这些成品零件进行了详细的介绍。最后对整个结构与需要使用的电机进行计算校核来确保使用的安全性。4）第四章节为整个轮椅的控制系统设计，通过程序说明图来简要的分析与6介绍了控制系统。5）第五章总结了全文，并说明整个设计的创新点与依然存在的缺陷，对该轮椅的使用做出了说明，对未来电动轮椅的设计提出了展望。1.4 本章小结本章对国内外电动轮椅市场与现阶段电动轮椅的优缺点进行分析比较，结合前人的设计，简述了现阶段电动轮椅开发研究的情况，为后面设计提供了基础。第二章 总体设计方案2.1 设计要求本次设计的电动轮椅，需要在室内灯狭小的场所使用，所以轮椅尺寸要参考电动轮椅车外形尺寸的国家标准，表 1-1 所示。国内市场的电动轮椅功能过7于单一，几乎只有电动行驶功能，为了满足更多人对电动轮椅功能的需求，本次设计应满足以下条件:1) 需要在室内环境下进行稳定的直线行驶与转弯。2) 轮椅座椅部分要有升高与摆动功能，靠背，靠腿，脚踏板需要进行小幅度摆动。3) 使用自动控制机构，可以使使用者使用摇杆和按键就可以简单的操作轮椅的各种功能。2.2 设计方案首先根据表 2-1，粗略的设计出电动轮椅大致规格。再对人体进行实际的测量，因为本次设计轮椅需要有向后摆动的动作，根据电动轮椅车外形尺寸国家标准，在电动轮椅靠背向后摆动时，头部无法全部靠在轮椅靠背上，会使使用者形成后仰动作，很容易造成危险。所以本次设计，增加了轮椅靠背的长度，即增高了电动轮椅的总高，以保证使用者的正常使用，不会造成任何危险。表 2-1 电动轮椅车外形尺寸的国家标准 单位 mm室内型、室外形 道路型总长 1 1200 1600总宽 b 700 750总高 h 1090 1150根据表 1-1，再结合实际用途，我设计的轮椅尺寸为：长 700mm(正常坐姿下)，宽 600mm，高为 1370mm。本轮椅主要机构可分为，座椅机构，抬升机构，行驶机构和控制机构。基于 CATIA 制作出三维模型图，如图 2-1 所示，1 为控制机构， 2 为座椅机构，3 为抬升机构，4 为行驶机构。8图 2-1 轮椅的 CATIA 模型与主要机构划分与主要尺寸根据机构的划分，通过各个机构的配合来完成轮椅所设计的功能。电动轮椅各个机构在保证各机构基础功能以外，还满足设计要求的所需功能，如图 2-2所示，控制机构可控制轮椅的各项功能。座椅机构可以完成靠背的摆动，靠腿的摆动以及脚踏板的摆动。抬升机构可以完成座椅的上升与下降，并且可以完成座椅前端的上下摆动。行驶机构可以完成前后，直线，转弯行驶，底盘处用来连接机构，安放电池，控制器等装置。本次设计主要通过电机的旋转与电推杆来完成设计所需要的各项功能。9图 2-2 各机构功能详分2.3 本章小结本章根据现实生活中对轮椅功能的要求，制定了一系列设计要求。根据国家标准与实际测量，设计了轮椅的结构与尺寸，并简要的介绍了该电动轮椅的运行原理。10第 3 章 机械结构设计3.1 行驶机构与底盘3.1.1 行走机构的结构设计轮式移动机构在国内市场最为普遍的结构布局为三种：三轮式，四路式与六轮式。三轮结构的轮式移动机构的优点有，结构简单，操控简单，转弯半径小，造价低廉。但缺点极为明显，在行进中很容易侧翻，稳定性极差，极易对使用者造成二次伤害。四轮结构的轮式移动机构为最常见的移动机构，是最为主流的移动机构，如小汽车等都是使用四轮移动机构。优点是平稳性很高，可高速行进。而唯一的缺点就是转弯半径不大，无法进行很精确的移动。而六轮结构的轮式移动并不常见，但在一些特定情况，三轮移动机构与四轮移动机构无法完成的动作就需要六轮移动机构来代替完成。比如站在科技顶端的火星探测车就是使用六轮移动机构来确保车体可以再火星复杂的地面上行进，与精确的探测。再有大型汽车，皮卡类，都需要六轮来确保自身的行进动作。六轮结构的移动机构的自由度，稳定性都极高，拥有一切三轮车与四轮车的有点，同时转弯半径又小，所以本次设计我选用的是简化的六轮结构的轮式移动机构作为行进机构。设计要求是满足在路况良好的室外或室内使用，因此采用六轮结构的轮式机构。这种结构的在室内使用最大的优点就是转弯半径非常小，结构简单，操控方便，同时六轮更加的平稳，如图 3-1 所示。六个轮子可分为前中后三种轮，本次设计，前轮为支撑轮，中轮为驱动轮，后轮为转向轮。前轮通过轴直接固定在轮椅的底盘上，后轮为 360 度自由旋转轮，中轮与轮椅专用电机固定，为轮椅行走提供动力。电动轮椅专用电机选择减速器电机一体的轮椅专用电机，图 3-2 为该电机图片，表 3-1 为该减速器基本参数。直接选用这种一体式减速器电机，可以确保电机工作的稳定性，保证输出扭矩。还可节省空间，使布局更为紧凑。除此之外，在底盘处，安防一个 24V 可为轮椅提供电量的电池与可编程电机控制器。11图 3-1 行驶机构与底盘结构图图 3-2 电动轮椅专用减速器电机表 3-1 电动轮椅专用减速器电机基本参数12功率 200W电压 24V电流 4.5A转速 4600减速比 32:1额定转矩 29Nm刹车方式 电磁铁吸附噪音 75db(A)3.2.2 行走机构的运动原理本次设计使用的驱动模式为双轮差速驱动模式，这种结构极为简单，操作方便。可以通过改变两个中轮的转速，来完成所需的各种动作。图 3-3 为该结构的运动示意图。O 1 为行走机构的中心点，即质点。 V 代表的是行走机构中心点的运动速度， 为行走机构中心点的角速度，V L 代表行走机构中轮中左轮的转速，V R 代表行走机构中轮中右轮的转速，L 为轮椅两驱动轮之间的距离，D L 代表行走机构中轮中左轮的直径，D R 代表行走机构中轮中右轮的直径。同时设NL,NR 为行走机构中轮左右轮的转速，C 为轮子的速度系数。tCnVLL(3-1)DRR(3-2)又因为该机构满足刚体运动的规律，可列出下列方程。 rLV(3-3)R(3-4)L(3-5)2RV(3-6)13由该方程极易求出轮椅行走机构在运动时的速度。行走机构在转弯时，通过转向轮的转动来实现行走机构的转向。车轮的偏转程度决定了这个轮椅转弯半径的大小。因为该机构的转向轮为 360自由旋转轮，所以最小的转弯为旋转轮中心与驱动轮中心的距离,在图 3-3 中，L 表示出来。图 3-3 行驶机构运动示意图3.2.3 电机与减速器校核计算直流伺服电机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽，能实现方便的可逆调速，过载能力好等特点，因而常常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，直流伺服电机的诞生，更好的在工业、国防和民用等领域内得到广泛应用。在本设计中，因轮椅行进的需要，选用直流伺服电机与减速器一体的电动轮椅专用电机。因选用成品电机，所以需要对其进行校核计算，确保可以再本设计中使用。初步选用的电机减速器的参数为表 3-1。已知电机的额定转速 nnom=4600r/min，减速器的减速度比为 i=32，根据公式14，得到驱动轮的转速 n1。 1inom（3-7）（3-8）本轮椅的驱动轮直径 D=160mm，驱动轮转动一圈所行驶的的路程为 L。mDL502450214.36（3-9）由公式可求出本轮椅行驶的最高速度。（3-10）（3-11）（3-12）所以该电机通过减速器后，带动轮椅轮自，最高可达到的速度为4.32km/h，电动轮椅在室内与室外平坦道路上行驶时，最高速度不超过 6km/h就可以保证使用者安全，即为合格。使用者的重量最大不糊超过 100kg,我取使用者重量为 100kg 进行计算，椅子，靠背，靠腿板，脚板，电机等重量取 50kg 计算。因此整个电动自动轮椅的极限载重 G150kg,本设计后轮转向轮是在轮椅椅子向后仰时提供支撑作用，在行驶过程中，不起到支撑作用，所以该重量 G 由底盘上的两个驱动轮与两个支撑轮来共同支撑。根据资料可以假设底盘上的四个轮子所受到的压力是相等的。驱动轮在进行旋转时，其与地面的摩擦力为 F1,支撑轮受到载重与重量的作用，与地面的摩擦力为 F2.只有当 F1F 2 的时候，整个机构才可以正常行驶，驱动轮才不会打滑造成空转。已知条件为驱动轮直径 D1=160mm,支撑轮直径 D2=160mm.ir75.43260n1iomV1nsrDV2.1minr.75024.31 hk3.6.15取轮胎与地面的摩擦系数 =0.02，每个轮子承受的正压力均为 N1Ng5.36748.91501（3-12）摩擦力 F1 为1F.2. （3-13）每个驱动轮受到的外界力矩表示为 T1（3-14）每个支撑轮收到的外界力矩表示为 T2 m84.1503.7212 NDFT（3-15）每个电机所要承受的力矩表示为 T3（3-16）驱动轮得转动惯量表示为 J1，电动机重量取 2kg（3-17）减速器的转动惯量表示为 J2,取 J2=0.0001因此电动机减速器驱动的轴所受到力为 J(3-18)驱动轮的切向加速度表示为 m(3-19)驱动电机的角速度表示为 (3-20)驱动电机的总功率表示为 P(3-21)84.503.71 52.68.34213 2221064.8.mkgmD221 k065.1.064. g25.1sdra860714.3260nWJT3.552m316P 额定功率 =200Wp=88.3W,所以该电动机满足轮椅运动需求。在正常平坦道路中行驶，电机的输出功率 P 输出=100W，而 P 需求=88.3WIn=4.5AP 消耗=Px= RI2所以求得电机的电枢内阻 Ra(3-22)电机的电势常数表示为 KeSVnRIUKan 4.0658.0425.95.9e(3-23)电机的额定转矩可以表示为 Tn m214n NIP(3-24)电机自然的摩擦力扭矩可以表示为 Trc 59.1420.rcIKTne (3-24)运动时，电机轴上的等效转矩可以表示为 Trms，电机效率取 0.91.5957.1(3-25)所以该电机可以满足长期运行需求。经过计算分析，该电动轮椅专用电机符合本设计需求。3.2 座椅机构3.2.1 电机的选用因设计要求，该座椅机构需要完成靠背部分小幅度摆动，靠腿部分的摆动，以及脚踏板的摆动。通过多个电机带动靠板，使各种靠板可以进行小幅度摆动，以满足设计需求。为满足设计需求，本次设计选用的是涡轮蜗杆式的电动马达来提供靠板摆2222223rms 5.139.0651.09.8. ii mrrc J58.043.81022a nxIP17动所需要的扭力。当使用者使用轮椅时，要考虑到轮椅上使用者的体重，在靠板达到要求高度时，要可以承受住使用者体重，以免造成危险。涡轮蜗杆机构，有用独特的自锁功能，同样的，涡轮蜗杆减速马达存在着自锁的功能，当马达断电自锁时，马达可以承受二至三倍的额定承载力，锁住额定负载两至三倍转不动。所以本次设计选用高负载，高扭矩，低转速的直流涡轮蜗杆式的减速电动机。但在靠背的摆动中，需要电机的功率过高，为保证安全使用，本设计在靠背的摆动中，选用电动推杆。我选用的电机的型号为 JM-039，如图 3-4 所以，本电机为电机市场中承载力几乎最大的电机，参数为表 3-2 所示。图 3-4 JM-039 涡轮蜗杆减速电机表 3-2 JM-039 涡轮蜗杆电机主要参数商品名称 涡轮蜗杆减速电机型号 JM-039电压 24V功率 200W空载转速 20r/min扭矩 160kg/cm18自锁力 160kg3.2.2 结构及工作原理轮椅靠背需要向后摆动时，按下控制机构的靠背向后摆动按钮，电动推杆接通电源，推杆产生拉拽力，轮椅靠背向后摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，推杆自锁，防止机构继续运动。靠背需要向前摆动时，按下控制机构的靠背向前摆动按钮，电动推杆接通电源，正负极对调，推杆产生推力，轮椅靠背向前摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，推杆自锁，防止机构继续运动。该部分的最大摆动幅度为向后 20，如图 3-5 所示，为保证使用者安全，当轮椅靠背摆动幅度达到最大幅度时，控制器自动断电，电动推杆形成自锁，保护使用者安全。该部分的结构图，如图 3-6 所示。图 3-5 座椅靠背前后摆动最大幅度示意图19图 3-6 座椅靠背与坐板连接机构结构图轮椅靠腿需要向上摆动时，按下控制机构的靠腿向上摆动按钮，电机接通电源，电机旋转，经齿轮旋转，轮椅靠腿向上摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，电机自锁，防止机构继续运动。之后靠腿需要向下摆动时，按下控制机构的靠背向下摆动按钮，电机接通电源，正负极对调，电机旋转，经齿轮旋转，轮椅靠腿向下摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，电机自锁，防止机构继续运动。该部分的最大摆动幅度为上下 90，如图 3-7所示，为保证使用者安全，当轮椅靠腿摆动幅度达到最大幅度时，控制器自动断电，电机形成自锁，保护使用者安全。该部分的结构图，如图 3-8 所示。图 3-7 座椅靠腿上下摆动最大幅度示意图20图 3-8 座椅靠腿与坐板连接机构结构图轮椅脚踏板需要向上摆动时，按下控制机构的脚踏板向上摆动按钮，电机接通电源，电机旋转，经齿轮旋转，轮椅脚踏板向上摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，电机自锁，防止机构继续运动。之后脚踏板需要向下摆动时，按下控制机构的脚踏板向下摆动按钮，电机接通电源，正负极对调，电机旋转，经齿轮旋转，轮椅脚踏板向下摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，电机自锁，防止机构继续运动。该部分的最大摆动幅度为上下90，如图 3-9 所示，为保证使用者安全，当轮椅靠腿摆动幅度达到最大幅度时，控制器自动断电，电机形成自锁，保护使用者安全。该部分的结构图，如图 3-10 所示。图 3-9 座椅脚踏板上下摆动最大幅度示意图21图 3-10 座椅脚踏板与靠腿连接机构结构图3.2.3 连接机构齿轮的选取轮椅各个板子之间使用镶嵌式结构连接，以保证电机不受到其他方向的应力。各板拆料选择轻质复合材料，保证电机不在超载下工作。不排除使用者因使用不便对机构施加破坏力，所以要选用额定负载很高的电机。为了确保使用者的安全，与舒适性。因此摆动的速度需要很慢。我将座椅靠背，靠腿，脚踏板的摆动转速初步定为 n=5r/min。从动齿轮转速定为 n2，电机输出转速为 n1。（3-26）min/201r（3-27）那么通过公式可以计算出传动比 i 45/i21n（3-28）所以要选择传动比，即齿轮齿数比为 4 的齿轮进行配合。（3-29 ）（3-30 ）（3-31 ）（3-32 ）i52rmNFrTmKgr15.01522（3-33 ）（3-34 ）（3-35 ）所以该电机满足需求。因该涡轮蜗杆减速器的自锁负载为 160kg，当断电自锁时可以足够承受人小腿或脚所提供的重量，在生活在汽车的座位机构也采用该型号电机，所以可以保证，该电机符合设计需求。为防止齿轮的旋转对使用者造成不必要的伤害，本设计在齿轮处增加了防护设施，以保证使用者的安全，如图 3-11 所示。调节座椅靠背前后的电动推杆 3.3 中介绍。图 3-11 保护机构3.3 抬升机构3.3.1 结构及工作原理自动可升降的椅子是生活中很常见的椅子类型，市面上的自动升降椅从驱动上可分为三大类：液压，气压，机械式。但近年来气压升降椅的事故频发，被大众惊恐的称之为“炸弹” ，而电动推杆具有液压升降平稳的优点外，体积更小，更节能，更环保，方便更换等特点，被广泛的应用在医疗，教育等机构。本设计的升降机构选择使用医疗床上使用的电动推杆。WKTPmNrn 310.9521950i223图 3-12 医疗床电动推杆图 3-12 为医疗床使用的电动推杆，该电动推杆采用直流电机驱动螺杆传动，电压为 24V,具有过流，短路，过载，过放，过压，防震保护等特点，同时内部带有限位开关与机锁，确保电机不会空烧，可在任意位置停止。 为保证抬升机构可以拥有足够强度来完成设计需要，根据表 3-12 选用 JU-TGA-5 型号的电动推杆。该推杆的推力，拉力，自锁力均可达到 1500N。使用三根型号相同的电动推杆来保证抬升机构的稳定性，又可以满足设计需求中座椅前后上下摆动。三根电机底部可使用螺栓与底盘链接，每根电机使用四个型号为 m6 螺栓与底盘链接，确保抬升机构的安全稳定性。最前方的电动推杆顶部与圆柱形冷拉异型钢焊接，与座椅底部处形成一个简易导轨如图 3-13 所示。轮椅抬升机构结构图，如图 3-14 所示。表 3-3 电动推杆参数型号 空载速度 拉力（N）推力（ N）自锁力（ N）JU-TGA-55 1500 1500 1500JU-TGA-1010 1200 1200 120011JU-TGA-2020 900 900 90024JU-TGA-3030 800 800 800JU-TGA-4040 800 800 800JU-TGA-5050 500 500 500JU-TGA-6060 50 50 50JU-TGA-8080 30 30 30图 3-13 电动推杆顶部简易导轨25图 3-14 升降机构结构模型抬升机构分为两个模块，首先是上升与下降功能。上升与下降功能的原理为：上升时，按下控制按钮上升开关，控制器接通电源，电动推杆向上推动座椅缓慢上升。当达到最大行程，或者使用者需要的高度时，电动推杆电机自锁，停止上升。当使用者需要下降座椅高度时，按下控制按钮的下降开关，控制器接通电源，推杆电机正负极交换，电动推杆向下拉动座椅，当达到最小行程，或使用者需要的高度时，电动推杆电机自锁，下降停止。除了上升与下降功能以外，抬升机构的第二个模块是座椅上下摆动功能，见图 3-16。座椅前后摆动功能的原理为；按下控制按钮中座椅前后摆动控制按钮，此时只有最前面的电动推杆接通电源。通过最前方电动推杆的上升与下降，当电动推杆上升时，通过电动推杆与座椅底部连接出的简易导轨，使座椅前方抬高，当电动机下降时，可使座椅下降，满足轮椅所需要的前后摆动功能。263.3.2 运动行程与受力分析图 3-15 电动推杆行程图图 3-15 为电动推杆最大最小行程，为满足抬升机构的上升，下降，座椅前后的摆动，本设计选取行程为 300mm 的电动推杆。因本设计的抬升系统不需要很快的抬升速度，为保证推杆拥有最大推力和最大拉力，选取最慢速度5mm/s。在该速度下推杆可以达到最大功率。轮椅上升与下降的行程是由电动推杆的最大行程来决定的，因电动推杆为成品，所以可根据自身需要进行调整。考虑到安全与经济因素，又可以满足设计所需的上升下降，座椅前后的摆动，我选择使用最大行程为 705mm 的电动推杆。当算上座椅坐垫高度与轮子高度后，700mm 的高度完全满足大多数人的基本需求。当抬升机构进行上升或下降运动时，三根推杆同时承受使用者与椅子，靠背，靠腿板，脚板，电机等重量。使用者体重不大于 100KG。G1=100KG*9.8=980N （3-29）椅子，靠背，靠腿板，脚板，点等重量假设为完全足够的 50KGG2=50KG*9.8=490N （3-30）G 总=G1+G2=980+490=1470N1500N （3-31 ）由此可知，单跟电动推杆的推力，自锁力就满足要求，三根电动推杆可远远满足设计需求，可更好地保证轮椅座椅的稳定性和可靠性。图 3-16（b）为轮椅前后摆动的简化图，轮椅轮椅座椅前后摆动幅度是由电动推杆，与座椅底部简易导轨共同控制的,但是当电动推杆一直向上推动时，随,指导老师,答辩人,多功能坐态调整轮椅设计,学院：工学院,专业：机械设计制造及自动化,绪论,总体设计方案,机械结构设计,控制系统,总结,选题背景,中国老龄化严重,据统计2018年，中国有近一亿残疾人 平均15人中就有就有一位残疾人！,国内外究状况,世界最顶尖的轮椅之一,轮椅总体结构,控制机构,座椅机构,抬升机构,行驶机构,l=700mm d=600mm h=1370,行驶机构及底盘,脚轮 万向轮,电动推杆,轮椅专用减速电机,驱动轮,电池,可编程控制器,支撑轮,座椅机构,通过电动推杆来完成座椅靠背的前后小幅摆动,通过涡轮蜗杆电机来完成靠腿和脚踏板的摆动,保护设施,保护设施,通过涡轮蜗杆电机来完成靠腿和脚踏板的摆动,抬升机构,通过三根电机控制轮椅的抬升与座椅的上下摆动,推力，自锁力1500N电动推杆,控制系统的设计,感谢各位老师,摘 要轮椅是行动不便的老年人与残疾人群日常生活中最重要的工具，他不仅为行动不便的人代步，同时下肢不便的人可以借助轮椅来进行锻炼和恢复，更可以帮助他们与周围的人群进行交流，更好的融入社会。在这种环境下，轮椅的需求变得越来越大。但普通轮椅需要人力推动或使用者本人进行推动来行进、后退，且很难进行转弯等的操作。因使用者长时间坐在轮椅上，又无法通过自己调整坐态，更是加剧了使用者的疲劳程度。对于下肢不便的人来说，轮椅可以达到的高度又是远远不够的，高处的东西自己完全碰不到，又无法通过自己站起来。量身定做或现有的电动轮椅价格又过高，很多人无法接受，使用统一型号的轮椅，舒适度会大大降低。为了帮助这些需要轮椅的人群，我设计了一个结构简单，操作方便，价格低廉，极为舒适的多功能坐态调整的电动轮椅。通过对国内外电动轮椅的研究成果与国内外市场的调查分析后，确定了本次毕业设计的主要内容与方向。国内成品电动轮椅功能普遍单一。国外成品电动轮椅造价过高，结构反锁，操作复杂，无法满足老年人的需求。本次设计使用简单的结构，通过电推杆与电机来控制轮椅的上升下降与座椅调节，通过六轮行走机构来满足轮椅需要的行走要求。同时简化了轮椅的操作，使用操作杆与简单按键来控制轮椅的所有功能。本次设计根据老年人与残疾人群的心理与生理需求，运用人性化的设计，整合，修改了现有电动轮椅的外观，结构与功能，使用 catia 建模，计算分析，设计出了一种新型多功能坐态调整轮椅。可以使老年人或残疾人群在脱离家属，护理人员时完成尽可能多的动作。关键词：轮椅；多功能；老年人；坐态调整AbstractWheelchair is the most important tool in the daily life of the elderly and disabled. It is not only for the people with mobility, but also for those with lower extremities for exercise and recovery. More can help them communicate with the surrounding groups, better integration into society. In this environment, wheelchair demand is growing. But ordinary wheelchairs need human push or the user to push forward, backward, and difficult to make turns and so on. Sitting in wheelchairs for a long time, unable to adjust the sitting state, exacerbated the fatigue of the users. For people with lower extremities, wheelchair can reach a height is far from enough, the height of things themselves can not touch, can not stand up through their own. Customized or the existing electric wheelchair prices are too high, many people can not accept, the use of a unified model of wheelchairs, comfort will be greatly reduced. To help these people in need of wheelchairs, I have designed an electric wheelchair with simple structure, easy operation, low price and extremely comfortable multi-function seat adjustment.The main contents and direction of the graduation design are determined by the research results of electric wheelchairs at home and abroad and the investigation and analysis of the domestic and foreign markets. Domestic finished electric wheelchair function is generally single. Foreign finished electric wheelchair is too expensive, structural lock, complex operation, unable to meet the needs of the elderly. The design uses simple structure, through electric push rod and motor to control the rise and fall of the wheelchair, through the six-wheel walking mechanism to meet the needs of the wheelchair walking requirements. At the same time, it simplifies the operation of the wheelchair, and controls all the functions of the wheelchair by using the lever and the simple button.According to the psychological and physiological needs of the elderly and the disabled, this design modifies the appearance, structure and function of the existing electric wheelchair by using the humanized design and integration, and uses catia to model, calculate and analyze. A new multi-function seat adjusting wheelchair is designed. The elderly or disabled can perform as many actions as possible when they are separated from their families and nursing staff.Keywords:wheel chair;multifunctional;old people;sitting regulation目 录 第一章 绪 论 11.1 研究背景目的和意义 11.2 国内外研究状况 21.3 论文结构及研究内容 41.4 本章小结 5第二章 总体设计方案 62.1 设计要求 62.2 设计方案 62.3 本章小结 8第三章 机械结构设计 93.1 行驶机构与底盘 93.1.1 行走机构的结构设计 .93.2.2 行走机构的运动原理 .113.2.3 电机与减速器校核计算 .123.2 座椅机构 153.2.1 电机的选用 .153.2.2 结构及工作原理 .163.2.3 连接机构齿轮的选取 193.3 抬升机构 213.3.1 结构及工作原理 .213.3.2 运动行程与受力分析 .243.4 本章小结 .26第四章 控制系统 274.1 控制系统的设计 .274.2 本章总结 30第五章 总结 31参考文献 32致谢 331第一章 绪 论1.1 研究背景目的和意义随着中国快速的发展，医疗条件的改善与提高，人们对生活高质量的需求也越发提高。国内的学者研究并指出了中国的人口老龄化越发严重，在近几年内将呈现几何倍数的增长。自然灾害与意外伤害的原因，下肢不便人群的数目越发的增多。除此之外，还有一些天生残障致使下肢不便的人群因医疗条件的改善，人数也越发增多。这三大类人群，都不同程度的丧失了行走，视觉，动手，语言能力。他们是国家重点关注的人群，对于每个家庭来说，任何一个成员任何一个生命都不可以去轻易放弃。他们的生活需要专业的医疗与护理，针对他们社会提供福利慢慢成为社会的负担。国家对这三类人群提供的医疗与护理福利，对经济也产生了很大的压力，在不久的将来可能会使经济产生负增长等不利影响。正常人对生活质量的追求都在慢慢提高，而这三类人群也在慢慢提高自己对生活质量的要求。为了减少护理人员，以减轻社会与家庭的经济压力，还可以使这三类人群的生活质量得到提高，同时可以帮助他们进行康复训练，所以一个多功能，全自动的轮椅极为重要。轮椅作为下肢不便人群最重要生活工具，其作用不应仅仅是代步，最重要的几点有：要提高使用者的生活自由度，可以让下肢不便的人群参与人群活动，进入社会。还要具备可以进行康复训练的功能。服务类的服务类电动机械装置每年以 50%速度在增长着，全自动机械装置有着人类的反应速度与判断能力，同时具有机械装置独有的工作时间长，精度性与速度高，可靠性稳定性高，对环境需求不高，恶劣环境下都可进行工作等优点。在中国这么一个人口老龄化严重的国家，每年需求的轮椅数在快速增长，设计一个好的轮椅，可以更好的满足这群人。一个全自动的电动轮椅是下肢不便人群提供更好的代步工具，最重要的是让他们可以独自，独立的正常生活。在未来，全自动电动轮椅一定是不可缺少的，各个国家也在加速电动轮椅的研发工作，可以看到，轮椅产业后面隐藏着巨大的经济效益。专家指出，服务类电动机械装置将成为个人电脑，家电后第三类人类最需2要的工具，同时电动的轮椅会提供很好的社会效应，帮助很多家庭减轻经济压力，3同时也为国家减轻压力。在人性化方面，全自动的电动轮椅对于下肢不变的人群来说不只是在服务他们，同时也是一种陪伴。全自动轮椅对这群人有着很深的意义，对社会，对国人类幸福感的提升也有着很深的意义。1.2 国内外研究状况我国主要从事于全自动轮椅的机构非常少，同时因为起步较晚，基础也非常薄弱，主要是在电动轮椅的机构与操作性上无法与国外一些专业机构比较。但经过我国科研人员的不懈努力，同样也研制出了一些带有自身特色，独特功能的电动轮椅。在中国主要从事全自动轮椅的机构有中国科学院，一些高等院校与医疗器械机构。但国产电动轮椅的控制器大多使用的是国外进口的成品控制器，所以国内的电动轮椅造价普遍很高，但利润非常低。单单国外的控制器的价格就要占据整个电动轮椅一半以上的造价。而一些精密的零件，国内生产厂家又无法通过自身进行制造，所以现在国产电动轮椅在国际市场上没有产生竞争力。国际上的电动轮椅主要还是由国外的电动轮椅制造产商占据。在国内全电动轮椅市场，电动轮椅的类型几乎相同，功能也几乎一样，如图 1-1 所示。国内市场中主流的电动轮椅，大多只有前进后退功能。而商家多数使用轻盈的材料与可折叠性来吸引顾客。可见国内市场的电动轮椅根本无法达到多数使用者的要求，且价格普遍在千元左右，一些大品牌的全自动轮椅，最低价格也要在万元左右。即使因为品牌而提高了价格，性能，功能也没多少改变。除了这些市面上常见的电动轮椅外，中国科学院里的自动化研究所制作了一款具有视觉与语音导航功能一体的，通过语音可以与使用者进行人机交互的轮椅。该轮椅运用了计算机图像处理，视觉和语音识别的最新研究成果。有点像苹果手机中的 Siri，通过使用者简单的语音口令，就可以进行人机交互。更加的解放了使用者，使使用者的体验更好。还有上海交通大学制作的全自动轮椅，配有激光测距雷达与图像识别传感器。激光测距等传感器的使用，使轮椅具有记忆功能，可根据使用者日常的行为进行自主导航。并且避障灵敏度相当高，在多障碍的工作条件下可以根据传感器自主的规划行进路线，保证了使用者的安全性。且该全自动轮椅配备了电子显示屏，语音识别，通过电子显示屏与语音识别，可以更好的完成人机交互，4完成使用者的各种需求。图 1-1 国内市场中主流全自动轮椅但这些轮椅的造价极为昂贵，光是制造成本就要几十万，根本无法做到产品化生产，跟不用说去普及。国外全自动电动轮椅的研究可以说是非常先进，很多大的汽车企业在很早之前就投入到全自动多功能轮椅的研制中。大部分轮椅也做到了产品化。最为典型的国家就是日本。本田，松下等公司在很早以前就已经研制出可以产品化生产的电动轮椅。在诸多产品化的电动轮椅中，日本的 saito-kobo 公司生产的轮椅尤为典型。该公司从 1994 年就开始研制全自动轮椅，图 1-2 所示为该公司投入生产的全自动轮椅。首先在日本狭小的房屋中，该轮椅使用六轮来确保轮椅可以发挥出强大的动力与极小的转弯半径，由于中轮驱动，以身体为中心，转弯半径非常小。座椅可以向前倾斜，使使用者可以更方便的接近桌子和洗脸台等位置，在下坡时，座椅可以向后倾斜，以保证使用者的安全。使用平躺功能，可以使轮椅靠背下降，通过后轮支撑，前轮离地，方便使用者充分休息。轮椅前端的脚板推杆可5以伸长直到与地面接触，方便使用者脱离轮椅，进行其他活动。最后就是轮椅上升的功能，通过该功能，使用者可以触碰到更高处的东西。在日本，这种全自动的轮椅已经产品化生产，因全部零件都是自己国家制造，所以价格较中国轮椅来说，非常的低，在日本人经济可承受范围内。图 1-2 日本 saito-kobo 公司生产的全自动轮椅1.3 论文结构及研究内容本文主要介绍了全制动坐态调整轮椅的结构与功能设计，通过网上资料，与各方面的国家标准要求，结合 CATIA 三维建模，来设计出轮椅的结构。在通过后期的计算分析，验证了各机构的合理性。全文可分为五大部分：1）第一章节为绪论，对国内外市场的电动轮椅进行比较分析，从我国的实际国情出发，分析出了我国电动轮椅存在的许多不足点，针对这些不足点，设计出了新型的电动轮椅。2）第二章节为本次设计的设计要求，总体方案，与总结。3）第三章为整个多功能全自动坐态调整轮椅设计详解，将整个轮椅的机构分成四大部分：抬升机构，座椅机构，行驶机构与控制机构。首先介绍了每个机构的结构特点，详细介绍了每个结构的工作原理。本次设计需要使用电推杆等成品件，也对这些成品零件进行了详细的介绍。最后对整个结构与需要使用的电机进行计算校核来确保使用的安全性。4）第四章节为整个轮椅的控制系统设计，通过程序说明图来简要的分析与6介绍了控制系统。5）第五章总结了全文，并说明整个设计的创新点与依然存在的缺陷，对该轮椅的使用做出了说明，对未来电动轮椅的设计提出了展望。1.4 本章小结本章对国内外电动轮椅市场与现阶段电动轮椅的优缺点进行分析比较，结合前人的设计，简述了现阶段电动轮椅开发研究的情况，为后面设计提供了基础。第二章 总体设计方案2.1 设计要求本次设计的电动轮椅，需要在室内灯狭小的场所使用，所以轮椅尺寸要参考电动轮椅车外形尺寸的国家标准，表 1-1 所示。国内市场的电动轮椅功能过7于单一，几乎只有电动行驶功能，为了满足更多人对电动轮椅功能的需求，本次设计应满足以下条件:1) 需要在室内环境下进行稳定的直线行驶与转弯。2) 轮椅座椅部分要有升高与摆动功能，靠背，靠腿，脚踏板需要进行小幅度摆动。3) 使用自动控制机构，可以使使用者使用摇杆和按键就可以简单的操作轮椅的各种功能。2.2 设计方案首先根据表 2-1，粗略的设计出电动轮椅大致规格。再对人体进行实际的测量，因为本次设计轮椅需要有向后摆动的动作，根据电动轮椅车外形尺寸国家标准，在电动轮椅靠背向后摆动时，头部无法全部靠在轮椅靠背上，会使使用者形成后仰动作，很容易造成危险。所以本次设计，增加了轮椅靠背的长度，即增高了电动轮椅的总高，以保证使用者的正常使用，不会造成任何危险。表 2-1 电动轮椅车外形尺寸的国家标准 单位 mm室内型、室外形 道路型总长 1 1200 1600总宽 b 700 750总高 h 1090 1150根据表 1-1，再结合实际用途，我设计的轮椅尺寸为：长 700mm(正常坐姿下)，宽 600mm，高为 1370mm。本轮椅主要机构可分为，座椅机构，抬升机构，行驶机构和控制机构。基于 CATIA 制作出三维模型图，如图 2-1 所示，1 为控制机构， 2 为座椅机构，3 为抬升机构，4 为行驶机构。8图 2-1 轮椅的 CATIA 模型与主要机构划分与主要尺寸根据机构的划分，通过各个机构的配合来完成轮椅所设计的功能。电动轮椅各个机构在保证各机构基础功能以外，还满足设计要求的所需功能，如图 2-2所示，控制机构可控制轮椅的各项功能。座椅机构可以完成靠背的摆动，靠腿的摆动以及脚踏板的摆动。抬升机构可以完成座椅的上升与下降，并且可以完成座椅前端的上下摆动。行驶机构可以完成前后，直线，转弯行驶，底盘处用来连接机构，安放电池，控制器等装置。本次设计主要通过电机的旋转与电推杆来完成设计所需要的各项功能。9图 2-2 各机构功能详分2.3 本章小结本章根据现实生活中对轮椅功能的要求，制定了一系列设计要求。根据国家标准与实际测量，设计了轮椅的结构与尺寸，并简要的介绍了该电动轮椅的运行原理。10第 3 章 机械结构设计3.1 行驶机构与底盘3.1.1 行走机构的结构设计轮式移动机构在国内市场最为普遍的结构布局为三种：三轮式，四路式与六轮式。三轮结构的轮式移动机构的优点有，结构简单，操控简单，转弯半径小，造价低廉。但缺点极为明显，在行进中很容易侧翻，稳定性极差，极易对使用者造成二次伤害。四轮结构的轮式移动机构为最常见的移动机构，是最为主流的移动机构，如小汽车等都是使用四轮移动机构。优点是平稳性很高，可高速行进。而唯一的缺点就是转弯半径不大，无法进行很精确的移动。而六轮结构的轮式移动并不常见，但在一些特定情况，三轮移动机构与四轮移动机构无法完成的动作就需要六轮移动机构来代替完成。比如站在科技顶端的火星探测车就是使用六轮移动机构来确保车体可以再火星复杂的地面上行进，与精确的探测。再有大型汽车，皮卡类，都需要六轮来确保自身的行进动作。六轮结构的移动机构的自由度，稳定性都极高，拥有一切三轮车与四轮车的有点，同时转弯半径又小，所以本次设计我选用的是简化的六轮结构的轮式移动机构作为行进机构。设计要求是满足在路况良好的室外或室内使用，因此采用六轮结构的轮式机构。这种结构的在室内使用最大的优点就是转弯半径非常小，结构简单，操控方便，同时六轮更加的平稳，如图 3-1 所示。六个轮子可分为前中后三种轮，本次设计，前轮为支撑轮，中轮为驱动轮，后轮为转向轮。前轮通过轴直接固定在轮椅的底盘上，后轮为 360 度自由旋转轮，中轮与轮椅专用电机固定，为轮椅行走提供动力。电动轮椅专用电机选择减速器电机一体的轮椅专用电机，图 3-2 为该电机图片，表 3-1 为该减速器基本参数。直接选用这种一体式减速器电机，可以确保电机工作的稳定性，保证输出扭矩。还可节省空间，使布局更为紧凑。除此之外，在底盘处，安防一个 24V 可为轮椅提供电量的电池与可编程电机控制器。11图 3-1 行驶机构与底盘结构图图 3-2 电动轮椅专用减速器电机表 3-1 电动轮椅专用减速器电机基本参数12功率 200W电压 24V电流 4.5A转速 4600减速比 32:1额定转矩 29Nm刹车方式 电磁铁吸附噪音 75db(A)3.2.2 行走机构的运动原理本次设计使用的驱动模式为双轮差速驱动模式，这种结构极为简单，操作方便。可以通过改变两个中轮的转速，来完成所需的各种动作。图 3-3 为该结构的运动示意图。O 1 为行走机构的中心点，即质点。 V 代表的是行走机构中心点的运动速度， 为行走机构中心点的角速度，V L 代表行走机构中轮中左轮的转速，V R 代表行走机构中轮中右轮的转速，L 为轮椅两驱动轮之间的距离，D L 代表行走机构中轮中左轮的直径，D R 代表行走机构中轮中右轮的直径。同时设NL,NR 为行走机构中轮左右轮的转速，C 为轮子的速度系数。tCnVLL(3-1)DRR(3-2)又因为该机构满足刚体运动的规律，可列出下列方程。 rLV(3-3)R(3-4)L(3-5)2RV(3-6)13由该方程极易求出轮椅行走机构在运动时的速度。行走机构在转弯时，通过转向轮的转动来实现行走机构的转向。车轮的偏转程度决定了这个轮椅转弯半径的大小。因为该机构的转向轮为 360自由旋转轮，所以最小的转弯为旋转轮中心与驱动轮中心的距离,在图 3-3 中，L 表示出来。图 3-3 行驶机构运动示意图3.2.3 电机与减速器校核计算直流伺服电机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽，能实现方便的可逆调速，过载能力好等特点，因而常常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，直流伺服电机的诞生，更好的在工业、国防和民用等领域内得到广泛应用。在本设计中，因轮椅行进的需要，选用直流伺服电机与减速器一体的电动轮椅专用电机。因选用成品电机，所以需要对其进行校核计算，确保可以再本设计中使用。初步选用的电机减速器的参数为表 3-1。已知电机的额定转速 nnom=4600r/min，减速器的减速度比为 i=32，根据公式14，得到驱动轮的转速 n1。 1inom（3-7）（3-8）本轮椅的驱动轮直径 D=160mm，驱动轮转动一圈所行驶的的路程为 L。mDL502450214.36（3-9）由公式可求出本轮椅行驶的最高速度。（3-10）（3-11）（3-12）所以该电机通过减速器后，带动轮椅轮自，最高可达到的速度为4.32km/h，电动轮椅在室内与室外平坦道路上行驶时，最高速度不超过 6km/h就可以保证使用者安全，即为合格。使用者的重量最大不糊超过 100kg,我取使用者重量为 100kg 进行计算，椅子，靠背，靠腿板，脚板，电机等重量取 50kg 计算。因此整个电动自动轮椅的极限载重 G150kg,本设计后轮转向轮是在轮椅椅子向后仰时提供支撑作用，在行驶过程中，不起到支撑作用，所以该重量 G 由底盘上的两个驱动轮与两个支撑轮来共同支撑。根据资料可以假设底盘上的四个轮子所受到的压力是相等的。驱动轮在进行旋转时，其与地面的摩擦力为 F1,支撑轮受到载重与重量的作用，与地面的摩擦力为 F2.只有当 F1F 2 的时候，整个机构才可以正常行驶，驱动轮才不会打滑造成空转。已知条件为驱动轮直径 D1=160mm,支撑轮直径 D2=160mm.ir75.43260n1iomV1nsrDV2.1minr.75024.31 hk3.6.15取轮胎与地面的摩擦系数 =0.02，每个轮子承受的正压力均为 N1Ng5.36748.91501（3-12）摩擦力 F1 为1F.2. （3-13）每个驱动轮受到的外界力矩表示为 T1（3-14）每个支撑轮收到的外界力矩表示为 T2 m84.1503.7212 NDFT（3-15）每个电机所要承受的力矩表示为 T3（3-16）驱动轮得转动惯量表示为 J1，电动机重量取 2kg（3-17）减速器的转动惯量表示为 J2,取 J2=0.0001因此电动机减速器驱动的轴所受到力为 J(3-18)驱动轮的切向加速度表示为 m(3-19)驱动电机的角速度表示为 (3-20)驱动电机的总功率表示为 P(3-21)84.503.71 52.68.34213 2221064.8.mkgmD221 k065.1.064. g25.1sdra860714.3260nWJT3.552m316P 额定功率 =200Wp=88.3W,所以该电动机满足轮椅运动需求。在正常平坦道路中行驶，电机的输出功率 P 输出=100W，而 P 需求=88.3WIn=4.5AP 消耗=Px= RI2所以求得电机的电枢内阻 Ra(3-22)电机的电势常数表示为 KeSVnRIUKan 4.0658.0425.95.9e(3-23)电机的额定转矩可以表示为 Tn m214n NIP(3-24)电机自然的摩擦力扭矩可以表示为 Trc 59.1420.rcIKTne (3-24)运动时，电机轴上的等效转矩可以表示为 Trms，电机效率取 0.91.5957.1(3-25)所以该电机可以满足长期运行需求。经过计算分析，该电动轮椅专用电机符合本设计需求。3.2 座椅机构3.2.1 电机的选用因设计要求，该座椅机构需要完成靠背部分小幅度摆动，靠腿部分的摆动，以及脚踏板的摆动。通过多个电机带动靠板，使各种靠板可以进行小幅度摆动，以满足设计需求。为满足设计需求，本次设计选用的是涡轮蜗杆式的电动马达来提供靠板摆2222223rms 5.139.0651.09.8. ii mrrc J58.043.81022a nxIP17动所需要的扭力。当使用者使用轮椅时，要考虑到轮椅上使用者的体重，在靠板达到要求高度时，要可以承受住使用者体重，以免造成危险。涡轮蜗杆机构，有用独特的自锁功能，同样的，涡轮蜗杆减速马达存在着自锁的功能，当马达断电自锁时，马达可以承受二至三倍的额定承载力，锁住额定负载两至三倍转不动。所以本次设计选用高负载，高扭矩，低转速的直流涡轮蜗杆式的减速电动机。但在靠背的摆动中，需要电机的功率过高，为保证安全使用，本设计在靠背的摆动中，选用电动推杆。我选用的电机的型号为 JM-039，如图 3-4 所以，本电机为电机市场中承载力几乎最大的电机，参数为表 3-2 所示。图 3-4 JM-039 涡轮蜗杆减速电机表 3-2 JM-039 涡轮蜗杆电机主要参数商品名称 涡轮蜗杆减速电机型号 JM-039电压 24V功率 200W空载转速 20r/min扭矩 160kg/cm18自锁力 160kg3.2.2 结构及工作原理轮椅靠背需要向后摆动时，按下控制机构的靠背向后摆动按钮，电动推杆接通电源，推杆产生拉拽力，轮椅靠背向后摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，推杆自锁，防止机构继续运动。靠背需要向前摆动时，按下控制机构的靠背向前摆动按钮，电动推杆接通电源，正负极对调，推杆产生推力，轮椅靠背向前摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，推杆自锁，防止机构继续运动。该部分的最大摆动幅度为向后 20，如图 3-5 所示，为保证使用者安全，当轮椅靠背摆动幅度达到最大幅度时，控制器自动断电，电动推杆形成自锁，保护使用者安全。该部分的结构图，如图 3-6 所示。图 3-5 座椅靠背前后摆动最大幅度示意图19图 3-6 座椅靠背与坐板连接机构结构图轮椅靠腿需要向上摆动时，按下控制机构的靠腿向上摆动按钮，电机接通电源，电机旋转，经齿轮旋转，轮椅靠腿向上摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，电机自锁，防止机构继续运动。之后靠腿需要向下摆动时，按下控制机构的靠背向下摆动按钮，电机接通电源，正负极对调，电机旋转，经齿轮旋转，轮椅靠腿向下摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，电机自锁，防止机构继续运动。该部分的最大摆动幅度为上下 90，如图 3-7所示，为保证使用者安全，当轮椅靠腿摆动幅度达到最大幅度时，控制器自动断电，电机形成自锁，保护使用者安全。该部分的结构图，如图 3-8 所示。图 3-7 座椅靠腿上下摆动最大幅度示意图20图 3-8 座椅靠腿与坐板连接机构结构图轮椅脚踏板需要向上摆动时，按下控制机构的脚踏板向上摆动按钮，电机接通电源，电机旋转，经齿轮旋转，轮椅脚踏板向上摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，电机自锁，防止机构继续运动。之后脚踏板需要向下摆动时，按下控制机构的脚踏板向下摆动按钮，电机接通电源，正负极对调，电机旋转，经齿轮旋转，轮椅脚踏板向下摆动，当摆动到所需幅度时，松开按钮，电源关闭，电机自锁，防止机构继续运动。该部分的最大摆动幅度为上下90，如图 3-9 所示，为保证使用者安全，当轮椅靠腿摆动幅度达到最大幅度时，控制器自动断电，电机形成自锁，保护使用者安全。该部分的结构图，如图 3-10 所示。图 3-9 座椅脚踏板上下摆动最大幅度示意图21图 3-10 座椅脚踏板与靠腿连接机构结构图3.2.3 连接机构齿轮的选取轮椅各个板子之间使用镶嵌式结构连接，以保证电机不受到其他方向的应力。各板拆料选择轻质复合材料，保证电机不在超载下工作。不排除使用者因使用不便对机构施加破坏力，所以要选用额定负载很高的电机。为了确保使用者的安全，与舒适性。因此摆动的速度需要很慢。我将座椅靠背，靠腿，脚踏板的摆动转速初步定为 n=5r/min。从动齿轮转速定为 n2，电机输出转速为 n1。（3-26）min/201r（3-27）那么通过公式可以计算出传动比 i 45/i21n（3-28）所以要选择传动比，即齿轮齿数比为 4 的齿轮进行配合。（3-29 ）（3-30 ）（3-31 ）（3-32 ）i52rmNFrTmKgr15.01522（3-33 ）（3-34 ）（3-35 ）所以该电机满足需求。因该涡轮蜗杆减速器的自锁负载为 160kg，当断电自锁时可以足够承受人小腿或脚所提供的重量，在生活在汽车的座位机构也采用该型号电机，所以可以保证，该电机符合设计需求。为防止齿轮的旋转对使用者造成不必要的伤害，本设计在齿轮处增加了防护设施，以保证使用者的安全，如图 3-11 所示。调节座椅靠背前后的电动推杆 3.3 中介绍。图 3-11 保护机构3.3 抬升机构3.3.1 结构及工作原理自动可升降的椅子是生活中很常见的椅子类型，市面上的自动升降椅从驱动上可分为三大类：液压，气压，机械式。但近年来气压升降椅的事故频发，被大众惊恐的称之为“炸弹” ，而电动推杆具有液压升降平稳的优点外，体积更小，更节能，更环保，方便更换等特点，被广泛的应用在医疗，教育等机构。本设计的升降机构选择使用医疗床上使用的电动推杆。WKTPmNrn 310.9521950i223图 3-12 医疗床电动推杆图 3-12 为医疗床使用的电动推杆，该电动推杆采用直流电机驱动螺杆传动，电压为 24V,具有过流，短路，过载，过放，过压，防震保护等特点，同时内部带有限位开关与机锁，确保电机不会空烧，可在任意位置停止。 为保证抬升机构可以拥有足够强度来完成设计需要，根据表 3-12 选用 JU-TGA-5 型号的电动推杆。该推杆的推力，拉力，自锁力均可达到 1500N。使用三根型号相同的电动推杆来保证抬升机构的稳定性，又可以满足设计需求中座椅前后上下摆动。三根电机底部可使用螺栓与底盘链接，每根电机使用四个型号为 m6 螺栓与底盘链接，确保抬升机构的安全稳定性。最前方的电动推杆顶部与圆柱形冷拉异型钢焊接，与座椅底部处形成一个简易导轨如图 3-13 所示。轮椅抬升机构结构图，如图 3-14 所示。表 3-3 电动推杆参数型号 空载速度 拉力（N）推力（ N）自锁力（ N）JU-TGA-55 1500 1500 1500JU-TGA-1010 1200 1200 120011JU-TGA-2020 900 900 90024JU-TGA-3030 800 800 800JU-TGA-4040 800 800 800JU-TGA-5050 500 500 500JU-TGA-6060 50 50 50JU-TGA-8080 30 30 30图 3-13 电动推杆顶部简易导轨25图 3-14 升降机构结构模型抬升机构分为两个模块，首先是上升与下降功能。上升与下降功能的原理为：上升时，按下控制按钮上升开关，控制器接通电源，电动推杆向上推动座椅缓慢上升。当达到最大行程，或者使用者需要的高度时，电动推杆电机自锁，停止上升。当使用者需要下降座椅高度时，按下控制按钮的下降开关，控制器接通电源，推杆电机正负极交换，电动推杆向下拉动座椅，当达到最小行程，或使用者需要的高度时，电动推杆电机自锁，下降停止。除了上升与下降功能以外，抬升机构的第二个模块是座椅上下摆动功能，见图 3-16。座椅前后摆动功能的原理为；按下控制按钮中座椅前后摆动控制按钮，此时只有最前面的电动推杆接通电源。通过最前方电动推杆的上升与下降，当电动推杆上升时，通过电动推杆与座椅底部连接出的简易导轨，使座椅前方抬高，当电动机下降时，可使座椅下降，满足轮椅所需要的前后摆动功能。263.3.2 运动行程与受力分析图 3-15 电动推杆行程图图 3-15 为电动推杆最大最小行程，为满足抬升机构的上升，下降，座椅前后的摆动，本设计选取行程为 300mm 的电动推杆。因本设计的抬升系统不需要很快的抬升速度，为保证推杆拥有最大推力和最大拉力，选取最慢速度5mm/s。在该速度下推杆可以达到最大功率。轮椅上升与下降的行程是由电动推杆的最大行程来决定的，因电动推杆为成品，所以可根据自身需要进行调整。考虑到安全与经济因素，又可以满足设计所需的上升下降，座椅前后的摆动，我选择使用最大行程为 705mm 的电动推杆。当算上座椅坐垫高度与轮子高度后，700mm 的高度完全满足大多数人的基本需求。当抬升机构进行上升或下降运动时，三根推杆同时承受使用者与椅子，靠背，靠腿板，脚板，电机等重量。使用者体重不大于 100KG。G1=100KG*9.8=980N （3-29）椅子，靠背，靠腿板，脚板，点等重量假设为完全足够的 50KGG2=50KG*9.8=490N （3-30）G 总=G1+G2=980+490=1470N1500N （3-31 ）由此可知，单跟电动推杆的推力，自锁力就满足要求，三根电动推杆可远远满足设计需求，可更好地保证轮椅座椅的稳定性和可靠性。图 3-16（b）为轮椅前后摆动的简化图，轮椅轮椅座椅前后摆动幅度是由电动推杆，与座椅底部简易导轨共同控制的,但是当电动推杆一直向上推动时，随