健身康復式輪椅設計含6張CAD圖
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一、課題來源、研究目的（選題的意義和預期應用價值）
康復醫(yī)療是指運用物理醫(yī)療手段對肢體障礙及相關重癥患者在恢復階段進行的一種輔助性醫(yī)療手段?？祻褪捷喴蔚闹饕δ苁悄M肢體運動幫助有運動障礙的人群完成運動功能的恢復訓練并能幫助無法康復的人群進行肢體運動，促進血液循環(huán)，減少并發(fā)癥。目前世界上康復式輪椅的研究處于剛起步狀態(tài)，能在市場上銷售的更是少之又少。在國內該領域尚處于萌芽狀態(tài)，要普及到有需要的人群更是任重而道遠?？祻褪捷喴危翰捎秒妱踊蚴謩釉O計，在普通代步輪椅的設計理念上添加了康復式理念。讓使用者在實現(xiàn)代步功能時，完成普通康復訓練。在我國2006 年吳鋒申請專利——“組合式康復訓練輪椅”。
輪椅使用者在生活中一般因為腿腳不方便，外出較困難。在非平坦的路面上靠雙手轉動輪椅太累且不能行走較遠路程，而且速度較慢。此外長時間的使用輪椅會讓使用者感覺到疲勞。且由于身體的壓迫，血液無法正常循環(huán)，更加不利于患者的康復。
目前市場上的輪椅存在兩個主要問題：一是國內輪椅發(fā)展緩慢，很多國內器材商對使用人群（殘疾人和老年人）的關注度不高，不愿意花費資金研發(fā)更為人性化的輪椅設備；二是輪椅設計大同小異，很多針對肢體殘疾者的輪椅都是一樣的，只是作為一個代步工具，對殘疾人的身體沒有起到很多作用。以上兩個最大問題導致了我國的輪椅市場是由普通單調產(chǎn)品和國外進口產(chǎn)品組成。國外進口的輪椅功能先進，但價格極其昂貴。因此，本課題研究設計的輪椅應以方便使用者為主要目標，幫助使用者解決生活中遇到的困難，給使用者提供一個簡易的康復醫(yī)療平臺。本課題本著節(jié)省材料、成本低廉、安全簡易、效率高的原則，立足于康復式輪椅的設計與研制，完成的基本工作如下：通過對人體的物理特性調查取樣分析，為裝置關鍵部件和試驗研究等層面提供了性能依據(jù)，在經(jīng)過理論的指導合理的設計出機械裝置的結構，主要設計包括有驅動設計，傳動設計，電器控制設計等，通過對各工作部件的設計,試制出機械裝置并進行模擬試驗，以求得最佳試驗性能參數(shù)，進而對健身康復式輪椅的性能作出優(yōu)化設計。查閱有關國內外資料以整體舒適性為主要設計目標，結合大量的人體機能標準對座椅舒適性進行研究以方便接下來的設計。在對座椅舒適性理論進行歸納總結基礎上，把舒適性理論運用到本課題的輪椅舒適性研究中。設計主要包含以下幾個方面：
降低生產(chǎn)成本，能讓更多的普通患者使用。
二、與本課題相關的國內外研究現(xiàn)狀（文獻綜述），預計可能創(chuàng)新的方面
近幾個世紀以來，我們的生活變化相當大。我們的生活越來越好，逐漸地走向屬于我們新的世紀。經(jīng)濟的快速發(fā)展令我們向往新的生活。聯(lián)合國發(fā)表報告 ，全世界人口老齡化進程正在加快，今后50年內，60歲以上的人口比例預計將會翻一番 。 由于各種災難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們存在不同程度的能力喪失，如行走、視力、動手及語言等。這一特殊群體的醫(yī)療和護理，將成為經(jīng)濟和社會發(fā)展的巨大壓力。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提高行動自由度，讓他們能參加到健全人的正常生活中區(qū)，重新融入社會 , 目前許多國家對 健身康復式輪椅進行了研究 ， 使 健身康復式輪椅具有記憶地圖、避障、自動行走、與用戶交互等功能。
健身康復式輪椅是將智能機器人技術應用于電動輪椅，融合多種領域的研究，包括機器視覺、機器人導航和定位、模式識別、多傳感器融合及用戶接口等，涉及機械、控制、傳感器、人工智能等技術。本文將對健身康復式輪椅的國內外研究現(xiàn)狀進行總結，并對關鍵技術進行分析 ，最后再總結下健身康復式輪椅的發(fā)展趨勢。1986年英國開始研制第一輛健身康復式輪椅來 ,許多國家投入較多資金研究 健身康復式輪椅。如美國麻省理工學院 WHEELESLEY 項目、法國 VAHM 項目、德國烏爾姆大學 MAID( 老年人及殘疾人助動器 ) 項目、Bremen Autonomous Wheelchair 項目、西班牙 SIAMO 項目、加拿大AAI公司TAO項目、歐盟 TIDE 項目、 KISS 學院 TINMAN 項目、臺灣中正大學電機系 LUOSON 項目、我國 863 智 能機器人 健身康復式輪椅項目及第三軍醫(yī)大學外科研究所項目等。由于各個實驗室的目標及研究方法不盡相同 , 每種輪椅解決的問題及達到的能力不同。
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3、 研究的主要內容與可行性分析
此次研究的內容旨在設計該輪椅的主要機構和總體布局。通過電機轉動，帶動后輪傳動軸的運動，使輪椅運行；電機轉動的同時帶動傳動軸，利用曲柄搖桿原理帶動腳踏板擺動，實現(xiàn)康復式運動功能。該輪椅的主體設計中，除了電機部分，需要采用?PWM 電路控制之外，將大量采用機械機構，包括了齒輪傳動、雙搖桿、曲柄搖桿、軸承支承等。之所以采用機械機構的主要原因是因為機械結構操作簡單，維修方便，安全耐用，符合康復式輪椅的安全、穩(wěn)定經(jīng)濟實用的性質。本著節(jié)省材料、成本低廉、安全簡易、效率高的原則，立足于康復式輪椅的設計與研制，完成的基本工作如下：通過對人體的物理特性調查取樣分析，為裝置關鍵部件和試驗研究等層面提供了性能依據(jù)，在經(jīng)過理論的指導合理的設計出機械裝置的結構，主要設計包括有驅動設計，傳動設計，電器控制設計等，通過對各工作部件的設計,試制出機械裝置并進行模擬試驗，以求得最佳試驗性能參數(shù)，進而對健身康復式輪椅的性能作出優(yōu)化設計。查閱有關國內外資料以整體舒適性為主要設計目標，結合大量的人體機能標準對座椅舒適性進行研究以方便接下來的設計。在對座椅舒適性理論進行歸納總結基礎上，把舒適性理論運用到本課題的輪椅舒適性研究中。查閱有關國內外資料以整體舒適性為主要設計目標，結合大量的人體機能標準對座椅舒適性進行研究以方便接下來的設計。在對座椅舒適性理論進行歸納總結基礎上，把舒適性理論運用到本課題的輪椅舒適性研究中。設計主要包含以下幾個方面：降低生產(chǎn)成本，能讓更多的普通患者使用。
四、本課題研究的主要方法和步驟
研究的主要方法：
（1） 文獻研究法：根據(jù)研究主題，通過搜索文檔獲取技術數(shù)據(jù)]，通過以往的研究成果分析出最佳技術方案。
（2） 定量分析法：根據(jù)調查結果制定出技術攻關，依據(jù)工作原理制定出力學或者材料學分析論證。
（3） 模擬法：通過使用3D建模平臺組裝零件，創(chuàng)建類似的模型，然后用于研究機械模型的一些基本特征。
研究的主要步驟：
（1）根據(jù)設計參數(shù)要求，理清設計思路，抓住設計要領。
（2）初擬總體設計方案。
（3）動力源選擇與控制系統(tǒng)的設計。
（4）車架設計及受力分析。
（5）傳動系統(tǒng)設計及對軸、鍵類零件受力分析。
（6）康復醫(yī)療系統(tǒng)設計及仿生運動功能的實現(xiàn)。
（7）標準件的列表和參數(shù)。
（8）確定各零件結構尺寸，完成零件圖。
（9）完成裝配圖。
（10）完成模擬仿真。
（11）總結。
課題研究的目的和意義→國內外研究狀況→本文研究的主要內容→總體方案設計→輪椅舒適性設計的原理→機械零件設計要求→總體方案設計→輪椅三維建模分析使用環(huán)境分析→座椅尺寸分析與設計→輪椅主要結構設計與主要參數(shù)設計計算。
五、研究進度安排
1.2019年11月06日--2019年11月20日，調研、查閱相關資料，確定設計方案。
2.2019年12月25日--2020年01月11日，主要零部件的計算。
3.2020年01月12日--2020年02月23日，完成初稿。
4.2020年02月24日--2020年03月15日，完成第二稿。
5.2020年03月16日--2020年04月12日，完成定稿，準備答辯。
六、指導教師意見
指導教師簽字：
年 月 日
七、院（部）本科畢業(yè)論文（設計）工作領導小組意見
組長簽字：
年 月 日
5
摘 要：本著節(jié)約材料，低成本，簡單安全，高效的原則，本文以康復輪椅的設計與開發(fā)為基礎。完成的基礎工作如下：通過對國內外技術調查的抽樣分析，該設備的關鍵部件和實驗研究為其他層次的性能提供了依據(jù)。機械裝置的結構經(jīng)過理論指導合理設計。主要設計包括驅動設計，變速箱設計，電氣控制設計等。通過對每個工作部件進行設計來對機械裝置進行試制，并進行仿真測試，以找到最佳的測試性能參數(shù)，然后優(yōu)化其性能。健身康復輪椅。在對座椅舒適性理論進行總結的基礎上，將舒適性理論應用于該主題的輪椅舒適性研究。
關鍵詞：康復 輪椅 舒適性理論
I
Abstract: Based on the principle of saving materials, low cost, safe and simple, and high efficiency, this paper is based on the design and development of rehabilitation wheelchairs. The basic work is as follows: Through the sampling and analysis of the physical characteristics of the human body, it is the key component of the device. And the experimental research and other aspects provide the performance basis, and the structure of the mechanical device is designed reasonably under the guidance of the theory. The main design includes the drive design, the transmission design, the electrical control design, etc. Through the design of each working part, the machine is prototyped. The device is also subjected to a simulation test to obtain the optimal test performance parameters, thereby optimizing the performance of the fitness rehabilitation wheelchair. Based on the summarization of the seat comfort theory, the comfort theory is applied to the wheelchair comfort study of this topic.
Key Words: Rehabilitation Wheelchair Comfort theory
III
青島濱海學院機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）
目錄
1 緒論 1
1.1康復式輪椅的研究背景及意義 1
1.2國內外研究現(xiàn)狀 2
1.3研究目的及內容安排 3
2 輪椅的總體設計 3
2.1設計要求 3
2.2總體設計 3
2.3本章小結 5
3 局部設計 6
3.1底架設計 6
3.2座椅調整機構設計 7
3.3傳動系統(tǒng)運動單元（越障機構）設計 9
3.4輪椅各項參數(shù) 18
3.5本章小結 19
4 輪椅車的運動特性分析 20
4.1輪椅車的平地運動分析 20
4.2輪椅車康復式梯運動分析 20
4.3輪椅車的行駛性能分析 21
4.4本章小結 24
總 結 25
參考文獻 26
致 謝 27
ii
1 緒論
1.1康復式輪椅的研究背景及意義
我們的社會在不斷發(fā)展。生活水平的提高帶來了科學技術的進步，再次推動著人們的生活質量。然而，科學技術的快速發(fā)展也帶來了一些不可避免的事故。事故的頻繁發(fā)生使殘疾人的數(shù)量越來越多，而現(xiàn)在人口老齡化現(xiàn)象越來越嚴重。這些人喪失了自由行動的能力，生活十分不便。雖然我國的服務設施越來越多，高層樓也安裝有電梯，但是并不是所有地方都擁有這些服務，很多高樓至今沒有安裝電梯，他們的出行是一個巨大的問題。老年人和殘疾人士時社會上的弱勢群體，他們有很多常人沒有的苦惱，關注他們的生活是一個很有必要的重要問題。
在2006年第二次全國殘疾人抽樣調查報告中寫道，直至2006年4月我國殘疾人口數(shù)量占全國總人口比例的百分之六。其中肢體殘疾人數(shù)高達兩千多萬人。另外，在2015年的全國%1人口抽樣調查中顯示，60歲以上的人口數(shù)量為兩千多萬人，占全國總人口數(shù)的百分之十六，其中65歲以上的人就有14374萬人。同2010年第六次全國人口普查相比，60歲以上人口比例上升了百分之三，65歲及以上人口比例上升了百分之一點六。
殘疾人士和老年人的逐年增加給社會的發(fā)展帶來很大的影響。他們的家庭負擔變得沉重，就連他們的日常生活都受到了影響。因此，為了他們的生活，專家對這類人群的出行以及日常生活的關注也越來越多。
輪椅是殘疾人士以及老年人出行的時候必須具備的的代步工具，但是我國最普遍的輪椅都是最普通的那一種，出行需要手動前行，活動范圍不大，而且還不能康復式梯或者通過障礙物，為了解決這些問題，讓殘疾人士及老年人可以相對自由便捷的出行，有必要對現(xiàn)有的普通輪椅進行一番合理的改進。
1.2國內外研究現(xiàn)狀
關于康復式梯輪椅的研究，國外的研究相對要早一些，取得了很多成果，有些國家這方面的技術已經(jīng)變得比較成熟，有的國家已經(jīng)開始銷售康復式梯輪椅。我國對康復式梯輪椅的研究比較晚，成熟的技術也不多，較少投入市場。
目前，國內晚現(xiàn)有的康復式梯輪椅主要分為四個類型，分別是：各類輪組式，履帶式，直立行走式以及輔助式機構等。
1）輪組式
輪組式康復式梯輪椅輪組為行星系機構，在平地行駛的時候，行星輪的兩個小輪著地自轉行走，在遇到障礙或是樓梯時，輪組發(fā)生翻轉，行星輪公轉爬上電梯。根據(jù)行星輪輪數(shù)的不同，可以將輪組式康復式梯輪椅分為兩輪式，三輪式，四輪式等。
2） 履帶式
履帶式康復式梯輪椅的技術相對成熟一些，很多履帶使結構都可以作為參考，履帶結構行走效率高，重心波動不大，對地形的要求不高，但是，履帶使結構容易破壞地面，而且轉彎能力較差。
3） 直立行走式
直立行走式康復式梯輪椅模擬人上樓梯時的模式，通過機械腿模擬人的運動使輪椅移動，這種輪椅穩(wěn)定性高，適用范圍廣，但是操作復雜，行走緩慢。
4） 輔助式機構
輔助式機構是在輪椅上通過添加一些輔助機構來實現(xiàn)輪椅的康復式梯過程。比如在輪椅車兩側額外添加一對康復式梯輪，或者增加一些其他裝置。
1.3研究目的及內容安排
本設計的目的是為了研究出一種既可以在平地上行駛又可以康復式梯以及通過地形復雜路面的電動輪椅車。
內容安排如下：
1. 總結了輪椅車設計的研究背景以及研究意義，通過調查當前國內外對康復式梯輪椅的研究情況，歸納出四種常見的康復式梯輪椅，簡單介紹并總結其優(yōu)缺點。
2. 分析出輪椅車設計的總體方案，并從局部各個部位進行具體設計，設計座椅調整機構，計算出行星輪機構的基本尺寸，分析其康復式梯原理，并對驅動電機具體參數(shù)進行設計，合理選用驅動器，控制器以及蓄電池。
3. 分析了輪椅車的康復式梯過程，并且分別從輪椅車的爬坡性能，最大越障高度，側傾角以及轉彎半徑進行行駛性能分析。
2 輪椅的總體設計
2.1設計要求
康復式輪椅在設計的時候應該充分考慮到輪椅使用者的自身情況，住所所在的樓梯結構以及輪椅自身結構情況。具體分別為以下幾點：
1） 輪椅在平地和樓梯兩種地形的變化出運動形式的改變應盡可能的平滑穩(wěn)定；
2） 操作要做到簡單方便，不宜太過復雜；
3） 在康復式梯的過程中座椅應該做到始終與地面保持平行并且可以做到平穩(wěn)的爬行，要保證輪椅使用者的安全；
4） 輪椅的輪組機構應該符合我國建筑樓梯模數(shù)協(xié)調標準的規(guī)定；
5） 輪椅的設計應該盡可能的讓人感到舒適。
2.2總體設計
總體設計出來的的康復式梯輪椅總體設計圖如下圖所示。
4.傳動系統(tǒng)運動單元
3.座椅調平機構
2.座椅
1.底架
圖2.1康復式梯輪椅總體設計
圖2.2 輪椅車總體設計
從圖中可以看出，輪椅主要由四個部分組成：一個底架1，一個座椅2，一個連接底架和座椅以及調整座椅重心的的調節(jié)機構3，兩臺電動機和連接電動機的傳動系統(tǒng)運動單元（越障機構）4。輪椅的傳動系統(tǒng)運動單元通過傳感器感應障礙物的方式來改變它的運動方式，從車輪滾動(“前進模式”)到支架行走(“自動康復式梯模式”)。
（1）底架。
底架是整個輪椅的基體，它對整個輪椅結構起支撐的作用，因此需要有足夠的強度與剛度讓輪椅在載人的時候不會散架出現(xiàn)意外。底架的重心根據(jù)實際情況需要盡可能的低，保證輪椅的穩(wěn)定性，讓輪椅不至于出現(xiàn)側翻或者顛簸太過的不舒適的體驗。
（2） 座椅。
座椅的設計要考慮到輪椅使用者的操作方便性和乘坐的舒適性，要根據(jù)人機工程學的方面來設計座椅。扶手的高度設計要符合人們的日常生活習慣，還需要有腳踏板，讓使用者可以將腳放在上面，穩(wěn)定使用者的中心，保證安全。
（3） 座椅調整機構。
此結構設計考慮到輪椅使用者在遇到障礙物或者康復式梯時處于傾斜狀態(tài)，對人身安全有很大的隱患，因此通過此結構來調節(jié)平衡(圖1b)，讓人在處于上述狀態(tài)時可以保持平衡，減小危險因素。此調節(jié)機構由傳感器感應座椅與地面的平行度改變座椅的狀態(tài)，不需要人手動調節(jié)，十分方便快捷。
（4） 傳動系統(tǒng)運動單元（越障機構）。
本設計采用兩對三輪組式行星輪機構，安裝在輪椅后方實現(xiàn)后輪驅動。在平地行走時，行星輪車輪通過齒輪傳動在地面上行走，在碰到障礙時行星輪架的力矩變大，此時行星輪架開始翻轉越過障礙物。行星輪通過改變車輪的自轉和公轉來改變行駛方式在各種道路上行駛；行星輪車輪之間通過齒輪連接。
2.3本章小結
本章對輪椅車總體框架進行了大致的設計，寫出了輪椅車設計的設計要求，介紹了輪椅車各部分的結構以及工作原理。分別對輪椅車的底架，座椅，座椅調整機構以及傳動系統(tǒng)運動單元進行了大致的介紹。
3 局部設計
3.1底架設計
如圖3.2所示，底架主要由一個底盤1組成，底盤帶有兩個機動運動單元（越障機構）2，兩個配套電機3，兩個三輪單元（前輪）4，驅動器5，控制器6和電池組7。
7.電池組
6.控制器
5.驅動器
4.三輪單元
3.電機
2.越障機構
1.底盤
圖3.2 底架
三輪單元由圍繞中軸旋轉的支架組成，三個閑置的車輪放置在支架頂點上。車輪的尺寸是根據(jù)設計的大車輪而選擇的。輪椅車后邊的大的車輪可以更好地吸收不均勻地形引起的振動，而可以小輪減少整體的高度。因此，后邊兩個機動運動單元和旋轉輪要選擇較大一些的車輪，大部分時間都是與地面接觸，而前方的三輪單元則可以選擇一些尺寸比較小的車輪。
3.2座椅調整機構設計
圖3.3為我設計的座椅調整機構。
圖3.3 座椅調整機構
座椅后面部分使用兩個桿件固定在底架上，起支撐輪椅椅座的作用，輪椅使用者與椅座的重心幾乎都在桿件附近，桿件要選取強度較高的材料，桿件與座椅連接的部分使用絞連接，如圖3.4。前端部分使用液壓傳動裝置來控制液壓桿伸縮上下調整座椅，如圖3.5。液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較高。
圖3.4 支撐桿 圖3.5 液壓桿
座椅與地面的平行度使用雙軸傾角傳感器來檢測，實時檢測座椅與地面的角度然后控制液壓傳動系統(tǒng)調節(jié)角度，以保證乘坐者的人身安全，如圖3.6.
在液壓桿向上伸縮時，輪椅前端被液壓桿頂上去，由于座椅后部分和桿件鉸接在一塊無法移動，此時伸縮桿頂部與座椅發(fā)生相對位移，如下圖3.7所示。座椅與液壓桿頂部連接點在A點，當伸縮桿上移時，座椅與伸縮桿的連接點發(fā)生位移，由A’點移動到了B點。因此在輪椅底部設計了一條滑軌，用一個小輪結構連接座椅與液壓桿。小輪不會滑向滑軌后方，因此在固定部分后端開口，讓小輪與軸可以滑進去。如圖3.8。
圖3.6 雙軸傾角傳感器
圖3.7 位移分析 圖3.8 滑軌設計
3.3傳動系統(tǒng)運動單元（越障機構）設計
3.3.1結構介紹
通過查找已知的各種康復式梯機構并對各類機構分析了解之后，思考了前人的設計產(chǎn)品的特點，最終決定使用行星輪結構。原因主要有兩點：
1） 輪式機構結構比較簡單、運動起來靈活、重量不會太重、傳動效率比較高，其他的移動機構在這些方面明顯比不過輪式結構；而該輪椅的適用范圍是平地上和樓梯上，在康復式梯時，移動要盡量做到穩(wěn)定，安全，所以，我使用輪式結構。
2） 本設計選擇了行星輪作為行駛機構。行星輪機構由行星架和行星架上的車輪組成，每個車輪都是既可以自行轉動，又可以環(huán)繞行星架的中心進行公轉，這樣剛好可以實現(xiàn)輪椅車康復式梯的功能。行星輪結構可以使用比樓梯臺階低的車輪上臺階，而且它還既可以在平坦地面上行走，又可以上樓梯，機構的結構也很簡單。
行星輪的數(shù)量可以自行設置的，它可以隨自己要求放置輪子，行星輪中車輪的數(shù)量如果很多，輪椅會很穩(wěn)定，但這樣輪椅體積就要變的很大，而且結構也會變得很復雜。為了使結構簡單，康復式梯也比較容易，本設計采用三個車輪構成的行星輪，其中三個車輪均勻分布在星型輪的圓周上。在平路上行走時，車輪自轉；遇到障礙物或者樓梯時，行星輪架會開始公轉，當行星輪碰到樓梯的臺階時，電機帶動行星輪架轉動，使行星輪上邊的車輪接觸到臺階的上邊。此后接觸臺階的車輪一邊前進，行星輪一邊繼續(xù)轉動，直到碰到下一個臺階的前端，成功爬上一階臺階。
此機構設計是用來處理平坦或起伏的地面以及樓梯和障礙物等的。這個運動單元是為了讓它可以適應不同運動而設計出來的。它只使用一個傳動系統(tǒng)，簡單地通過鎖定或解鎖運動鏈中的某些自由度來達到目的。該傳動系統(tǒng)選用了行星齒輪傳動系統(tǒng)。
如圖9所示，運動單元軸向連接到車架(0)。該運動單元由下列部件組成：電機(1)、運動單元車架(2)、中心齒輪(3)、第一行星齒輪(4)、第二行星齒輪(5)和車輪(6)。
圖3.9 結構圖
3.3.2計算行星輪架的尺寸
行星輪機構是整個輪椅的最重要的地方，所以確定行星輪車輪以及行星輪架的大小就是整個機構設計的關鍵環(huán)節(jié)。在輪椅康復式梯的過程中，行星輪兩個輪要可以都碰觸到樓梯，而且樓梯最少也要能夠支撐行星輪架的兩個車輪同時停留在樓梯上。如果車輪尺寸太大則輪椅就不能撐在樓梯上，而且輪椅的整體大小變得太大，而且輪椅重心也會變得太高影響使用者的人身安全；車輪直徑太小則輪架會磕到樓梯上使機構無法正常進行康復式梯行為。
我國發(fā)布的《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調標準》規(guī)定：樓梯踏步的高度不能大于210mm，并不小于140mm，各級踏步高度均應相同：樓梯踏步的寬度，應采用220.240.260.280.300.320mm。必要時可采用250mm。輪椅要做到適應規(guī)定的尺寸范圍上下樓梯。輪椅的車輪應該可以在規(guī)定范圍的最小寬度（220mm）的臺階上平穩(wěn)的支承起輪椅整個部分。
（1）接下來首先確定行星輪架的半徑范圍R
取樓梯的踏步高度為h，樓梯的踏步寬度為d。
當h和d最小時，兩個車輪的中心距小于等于，即
（2-1）
帶入數(shù)據(jù)，求得
圖3.10 星型輪架最小半徑
當h和d最大時，車輪與樓梯如下圖3.11。
3.11 星型輪架最大半徑
則根據(jù)幾何關系，可以得知
（2-2）
帶入數(shù)據(jù)，求得
由上述計算得知。行星輪架應該大一些，因此選。
（2） 計算車輪的尺寸范圍r
車輪的最大尺寸應該小于上述求得的中心距，即
（2-3）
帶入數(shù)據(jù)，求得
車輪尺寸最小的時候，行星輪架不可以與樓梯邊緣碰到。在h最小的時候，行星輪架最有可能與樓梯邊緣碰到，如下圖3.12。
圖3.12 星型輪最小半徑
根據(jù)幾何關系，可以得出
（2-4）
（2-5）
帶入數(shù)據(jù)，求得
因此
由上述計算可以知道
通過以上計算，選取后車輪尺寸為，。
由此得出行星輪架的所有尺寸為,,。
3.3.3行星輪架齒輪確定
該行星輪使用齒輪傳動來使輪椅車行駛。齒輪結構如下圖3.13所示。
圖3.13 齒輪傳動系統(tǒng)
由于行星輪架半徑為145mm，考慮到星型輪架半徑以及輪椅美觀，最終決定齒輪數(shù)據(jù)如下表1。（單位：mm）
表3.1 齒輪參數(shù)
齒輪
中心齒輪a
第一行星齒輪b
第二行星齒輪c
模數(shù)
2
2
2
齒數(shù)
50
35
25
分度圓直徑
100
70
50
齒頂圓直徑
104
74
54
齒根圓直徑
95
65
45
齒寬
20
20
20
行星齒輪材料使用進行調質處理后的40Cr，選取硬度為260HB，中心齒輪材料也用進行調質處理后的45鋼，選取硬度為240HB。
行星輪的傳動比為a/b=10/7,b/c=7/5,a/c=2/1。
3.3.4動力系統(tǒng)參數(shù)計算
根據(jù)輪椅車的具體設計數(shù)據(jù)以及國家電動輪椅標準，可以得到輪椅的以下參數(shù)：
輪椅的總質量：60kg
輪椅的預計載重量：100kg
平坦地面最大行駛速度：3m/s
爬坡行駛的最大角度：，此時輪椅爬坡速度為0.3m/s
康復式梯速度：1--15階臺階/min
電池組：四塊電池容量25A，電壓12V的蓄電池
（1） 電機參數(shù)設計
電機是電動輪椅車整個輪椅車動力系統(tǒng)的靈魂，電機需要為輪椅車提供行駛動力。
首先確定電機的類型。
輪椅車使用蓄電池作為供電系統(tǒng)，因此電機可以用步進電機、直流電機或者無刷直流電機等。
步進電機可以準確的進行定位和調節(jié)速度；它的轉矩大，慣性小，靈敏度高，但是步進電機能源消耗比較大，轉速比較低，而且步進電機在工作時會發(fā)生振動，還會產(chǎn)生噪音，讓輪椅車不能安定行駛。
直流電機的響應速度很快，調節(jié)范圍比較廣，靈敏度很高，可以在輪椅車發(fā)生突然情況時快速調節(jié)過來，而且直流電機的轉矩很大，還可以在需要的時候進行過載，可以滿足輪椅車爬坡，康復式梯的要求；但是傳統(tǒng)的直流電機缺點太多，比如噪聲太大，使用時間短，需要經(jīng)常進行維護。
無刷直流電機比直流電機要好，它沒有噪音，不需要維護，穩(wěn)定性高。
因此選擇電壓為48V的無刷直流電機作為輪椅車的行駛驅動電機。
然后確定電機的功率。
輪椅車具有平地行駛和上樓梯兩種不同的工作狀態(tài)，不同的工作狀態(tài)所需要的功率也不一樣，所以要先計算出兩種工作狀態(tài)下的電機需要的功率，然后再根據(jù)計算結果選擇電機的額定功率。
該康復式梯輪椅車的質量為60kg，預計最大載重量為100kg，因此該輪椅車在工作時的最大質量為160kg。
a)平地行駛的功率計算
輪椅在平地行駛時車輪與地面為滾動摩擦，滾動摩擦力計算公式為
（2-6）
為車輪與地面的滾動摩擦系數(shù)，G為輪椅整體對地面的正壓力
通過查看機械設計手冊得知，因此，輪椅車在平地行駛所需總功率為
（2-7）
帶入數(shù)據(jù)，求得
b)爬坡時的功率計算
輪椅在爬坡時的受力分析圖如下圖3.14
圖3.14 輪椅在坡上受力分析
由受力分析圖可以得出，輪椅在爬坡時需要的總功率為
（2-8）
帶入數(shù)據(jù)，求得
c）康復式梯時的功率計算
輪椅車康復式梯的動作實際上就是行星輪架將整個輪椅車向上搬運一階臺階的過程，輪椅車在康復式梯的時候需要克服輪椅車質量和承載的使用者的質量來做功。上文已得知樓梯的踏步高度最高為210mm,因此輪椅車需克服的阻力矩為
（2-9）
康復式梯速度最大為15階／min確定主軸轉速為：
n=5r/min
驅動輪角速度：
（2-10）
康復式梯所需功率為：
（2-11）
帶入數(shù)據(jù)，得
綜上所述，為了保證輪椅車的動力，所選電機功率不能低于235.5w.
電機參數(shù)如下表3.15。
3.15電機
表3.2 電機參數(shù)
型號
額定功率
額定轉速
額定轉矩
額定電壓
重量
機身長度
w
r/min
V
Kg
mm
EM6648
400
3000
1.27
48
2
160
（2） 控制器的選擇
控制器控制整個輪椅車的運行，輪椅車的行駛，加速，減速，轉彎還有座椅調平機構的工作全都由控制器完成?？刂破魇盏焦ぷ髦噶詈螅?jīng)過內部的運算再將指令下達到各個工作系統(tǒng)。
輪椅車的行駛指令離不開控制器。
本設計選用控制器為海王鑫控制器。
圖3.16 控制器
下圖分別為輪椅車的座椅調節(jié)順序如圖3.16所示
圖3.16 座椅調節(jié)順序
3.4輪椅各項參數(shù)
經(jīng)過本章的各項設計，最后得出輪椅車的各項數(shù)據(jù)如下表3：
表3 輪椅車參數(shù)
項目
大小
項目
大小
輪椅車長度
950mm
輪椅車寬度
680mm
輪椅車高度
980mm
行星輪輪距
680mm
后車輪半徑
100mm
前車輪半徑
55mm
行星輪架半徑
145mm
傳動軸齒輪齒數(shù)
50
第一行星齒輪齒數(shù)
35
第二行星齒輪齒數(shù)
25
驅動電機額定功率
400W
驅動電機額定電壓
48V
蓄電池容量
25A
3.5本章小結
這章具體介紹了輪椅車各個部分的具體設計情況，更加詳細的介紹了輪椅車的底架，座椅調平機構，傳動系統(tǒng)運動單元，動力系統(tǒng)等結構，給出了輪椅車的各項參數(shù)，大體完成了輪椅車的設計過程。其中，重點介紹了傳動系統(tǒng)運動單元，選擇了行星輪機構作為輪椅車的越障系統(tǒng)，通過行星輪機構在康復式梯的幾個狀態(tài)，計算出了星型輪架以及輪椅車輪的尺寸范圍。選定了電機，控制器，驅動器以及蓄電池。
4 輪椅車的運動特性分析
4.1輪椅車的平地運動分析
根據(jù)輪椅車的實際運動情況，輪椅車在平地上的運動情況可以分為兩種：
1)平地行駛，假設將坐標系固定在車體的中心，輪椅車的簡化模型如圖19所示，將行星輪輪組簡化成一個車輪。行星輪是驅動輪，乘坐者通過將座椅右邊扶手上的搖桿向前推或者向后拉來驅動輪椅車在平地上前進或者后退，按下座椅右邊扶手上的藍色按鈕可以使輪椅車以平地行駛速度行駛。
圖4.1簡化模型
在直線行駛時，假設輪椅車行星輪的速度為，那么輪椅車與行星輪之間速度關系為：
可以看出，輪椅車直線行駛時，所有車輪的速度大小和方向都等于輪椅車行駛的速度和方向。
當輪椅車轉向的時候，乘坐者可以通過將座椅右邊扶手的搖桿向斜方向搖動來使輪椅車完成轉向。轉向時，行星輪連接的兩臺電機的轉速會發(fā)生變化，一臺電機速度減小，帶動電機連接的那一邊的行星輪車輪的速度減小從而實現(xiàn)轉向。
2） 翻越障礙
當輪椅車在行駛過程中遇到無法躲過去的障礙時，首先轉向，使后輪對著障礙物，傳感器感應到障礙之后控制離合器閉合，通過行星輪架翻轉翻越障礙。此時，前輪速度與后輪行星輪架移動速度相同。
4.2輪椅車康復式梯運動分析
輪椅車在康復式梯時，輪椅背對樓梯，按下座椅左邊扶手褐色按鈕，將速度改變?yōu)榭祻褪教菟俣?，當行星輪碰到樓梯時，行星輪輪組由自轉轉變?yōu)楣D，即定軸輪系變?yōu)榱诵行禽喯?，電機直接帶動行星輪架翻轉，兩對行星輪架同時翻轉，慢慢完成康復式梯過程?？祻褪教葸^程如下圖所示。在康復式梯的過程中，座椅下方的雙軸傾角傳感器感應座椅與地面的角度來控制液壓機構調節(jié)座椅前部分的高度，使座椅一直處于水平狀態(tài)，保證使用者的人生安全，避免因為重心改變而讓使用者提心吊膽。
1 2
3 4
圖4.3 康復式梯過程
4.3輪椅車的行駛性能分析
4.3.1爬坡性能
輪椅車在坡道上勻速行駛時，輪椅車的受力分析簡圖如下
圖21 受力分析
輪椅車上坡行駛受到的阻力大致包括坡度阻力和滾動阻力。
坡度阻力大小就是輪椅車重力在沿坡度方向向下的分力，即
（3-2）
滾動阻力計算方式如下
（3-3）
為滾動阻力系數(shù)
在輪椅爬最大坡度時，輪椅車的總驅動力應該不小于輪椅車在地面上受到的反作用力，即
（3-4）
其中為車輪與地面之間的附著系數(shù)。
通過以上三個公式最后得出：
（3-5）
化簡后 ，得
可以看出，當知道了滾動阻力系數(shù)與車輪與地面之間的附著系數(shù)時，就可以得到爬坡的最大角度。
4.3.2側傾角
車輛側傾角是評定車輛單側車輪同時越過障礙物的最大高度的能力和車輛
在傾斜路面行駛能力及車輛行駛穩(wěn)定性的重要指標。
如下圖所 示。輪椅車傾斜角度為的坡路上勻速直線行駛，此時輪椅的重心不會改變，當坡道的角度達到一定數(shù)值時，輪椅車就會發(fā)生側翻。根據(jù)受力分析，可以得到以下公式：
（3-6）
化簡，得
由上式可以看出，輪椅的重心高度與它的側傾角呈反比，可以行走的坡道的角度就越大或者是翻越的障礙物越高，但重心高度過低的話，輪椅車的底架就會變得太低，不利于輪椅車在起伏的地面上行駛。因此，設計的時候應該盡量把重心降低，增加輪椅車的穩(wěn)定性。
由上文數(shù)據(jù)可以得知，輪椅的重心高度，，通過計算最后得出。
4.3.3通過障礙最高高度
在輪椅車行駛過程中遇到障礙物時，若障礙物的高度低于某個特定的數(shù)值時時，行星輪可以直接越過障礙物，但當行星輪遇到的障礙物的高度比特定數(shù)值大時，需要通過行星輪架翻轉來越過障礙物。這一小節(jié)的目標就是求出這一特定數(shù)值。
要測出行星輪能通過的障礙的最高高度，首先應該讓行星輪的其中兩個車輪靠在臺階邊緣上，并且行星輪可以跨越的最高高度應該與靠近臺階的上部分的車輪的中心線平齊，如下圖22所示。
圖4.3最大高度
已知車輪半徑為r，行星輪架的半徑為R，跨越障礙的最高高度為，那么可以得出：
（3-7）
代入前文設計的數(shù)據(jù)，得
mm
如果輪椅車遇到的障礙物只需要一邊的輪來翻越，那么就要注意障礙物高度是否有超過351mm，輪椅車一側抬高351mm后，車體與水平路面會形成一定的傾角，通過計算得出此時傾角的度數(shù)，與側傾角進行對比，如果小于側傾角，那么遇到的障礙物超過351mm時，就讓輪椅車繞開障礙物行駛，如果大于側傾角，求出在傾斜角度為側傾角度數(shù)時的越障高度，輪椅車不可以翻越此高度的障礙物。
4.3.4轉彎半徑
本設計的輪椅車沒有專門的轉向機構，這樣機構會比較簡單，更容易設計，輪椅車的轉彎是通過與行星輪相連的兩個驅動電機控制的。通過控制兩臺電機的轉速，時它們的轉速變得不相同，從而達到輪椅車轉向的目的，也就是差速驅動。差速驅動可以分解為平移運動和原地旋轉運動。
假設左右兩個車輪的速度分別為和，那么，輪椅車的轉向半徑為：
（3-8）
上式中 ，L為車輪軸線長度。
4.4本章小結
本章分析了輪椅車在平地行駛以及康復式梯時候的運動，通過圖來模擬出了輪椅車在康復式梯時候的行星輪的轉動情況，生動形象的表達了輪椅車的運動特性。分別計算了輪椅車的最大爬坡角度，側傾角，翻越障礙物最高高度以及轉彎半徑四個行駛性能。
總 結
如今，隨著社會的發(fā)展，人口老齡化越來越嚴重，人口增長也未曾停下速度，龐大的人口基數(shù)帶來的是需求輪椅車的數(shù)量的上升。為了解決輪椅車的供求問題，以及方便殘障人士和老年人的生活出行，結合我國的實際情況，對比國內外研究的輪椅車的優(yōu)缺點，設計出一種適合我國國情的康復式梯輪椅車。
本文設計出了一種可以康復式梯的電動輪椅車，使用行星輪輪式結構，平地行駛時行星輪自轉，遇到障礙物或樓梯時行星輪繞輪軸公轉，通過改變電機轉速來讓輪椅車轉向，使用了液壓傳動系統(tǒng)調節(jié)座椅的角度，通過雙軸傾角傳感器使座椅始終保持水平狀態(tài)，讓使用者一直保持安全狀態(tài)。
輪椅車的研究涉及到很多的學科，比如機械設計，電氣專業(yè)，力學分析，計算機仿真技術等，本設計從機械設計的方面出發(fā)，大致研究了輪椅車的結構，本設計還有很大的內容沒有一一寫到，需要本人今后繼續(xù)努力，知曉更多的知識，努力拓寬自己的視野，見識更多的學海世界。
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致 謝
這篇論文是在黃老師的指導下撰寫完成的，論文中定有不足之處，尚待完善，愿聆聽老師的教誨。
不積跬步無以至千里，本課程設計能夠順利完成，得益于指導老師黃偉老師，本論文是在黃老師悉心的指導下完成的，黃老師擁有豐富的學術經(jīng)驗和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，在課程設計題目制定時，他首先肯定了我的研究課題，同時給了極大的勇氣，幫我具體的分析利弊使我最終選取健身康復式輪椅設計這個課題，使我在研究時有了具體方向。當論文開題后時，具體的設計不是很清楚，在老師的幫助下，我的設計有了明確的方向，初稿完成后，老師仔細檢查了我的寫作并指出了我的問題，為接下來的改進提供了方向，在此十分感謝老師的細心指導，才能讓我順利完成畢業(yè)論文的寫作，其次，感謝機電工程學院的全體領導和老師，在他們認真的教導下，我學到了很多專業(yè)性知識，掌握了扎實的專業(yè)技能，為論文的寫作奠定了堅實的基礎。
感謝我的同學、朋友給予我的幫助和鼓勵，使這次畢業(yè)設計順利完成，感謝參與本論文的批閱，和對本論文提出寶貴意見的老師和領導。
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