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1、新型助残爬楼轮椅设计说明书09农机一班 马 09农机二班 张海指导教师：苑进1作品内容简介本作品是一款全新设计的自动爬楼轮椅，主要外形与一般轮椅无差别，主要修改为其轮子及其驱动设备，本作品不采用现有各种爬楼梯轮椅设备，主采用十字轮等轻型移动设备。它采用电力驱动，实现了自动爬楼以及整车采用模块化设计，由前驱动轮、后从动轮、电动机、棘轮机构、蜗轮蜗杆传动机构、齿轮传动机构、带传动机构等部件组成。整机主要结构为四个十字形的轮架。其中两个前驱动轮通过蜗轮蜗杆传动机构与电动机连接，实现动力传递，并可经过齿轮、带传动将动力传给滚轮进行平地行走。两驱动轮经过差速转换可以实现转弯等动作。通过棘轮机构可进行平地
2、行走与爬楼两种状态的切换。从动轮在驱动轮的带动下可以自动翻越楼梯台阶，实现爬楼功能。另外，由于十字轮的特殊结构，轮椅可以轻松跨越160mm的障碍物。关键词：十字轮、平地-爬楼转换、越障2. 方案设计说明2.1 性能指标l 轮椅设计用于高效爬上尺寸为280160mm左右的普通居民楼楼梯。l 可以轻松翻越160mm以内高度的障碍物。2.2 爬楼基本结构设计考虑到机构体积和爬楼效率问题，爬楼结构基本单元选用了十字形的轮架式结构（如右图所示）。十字轮的基本尺寸依靠280160mm左右的普通居民楼楼梯尺寸确定。确定过程详见附录。1) 方案1摩擦型爬楼机构图2.1 摩擦型爬楼机构如图2.1,十字轮采用带传
3、动，动力源于对称点的轮子内的电机，爬楼时依靠轮子和楼梯壁的摩擦力实现。但是摩擦力很可能无法大到能够带动整车的程度。2) 方案2前翻后推式机构图2.3 前翻后推式机构如图2.3,十字轮中心有电机形成主动力，在爬楼过程中提供动力，后轮采用伸缩式结构，爬楼时进行辅助推动。缺点是后轮难以控制，车身难以保持稳定。3) 最终方案前后双十字轮机构图2.4 双十字轮机构如图2.4,采用两个十字轮结构，前轮为主动力源，后轮从动。运动的过程为A、B、C、D点形成的可变平行四边形的运动。综合各方面因素考虑，最终选定方案3为爬楼结构的最终方案。2.3 平地行走方案设计实现平地行走的部件是滚轮，滚轮安装在十字轮每根支脚
4、的顶端，如图2.5所示：图2.5 平地行走方案要实现平地行走，必须要将主轴动力传递至每个滚轮。同时平地行走必须不影响十字轮的正常爬楼梯。为此我们考虑了三种方案。1) 方案1端面齿轮传动如图2.6所示，主轴动力通过主轴的端面齿轮传递到传动轴上，传动轴的动力又通过滚轮的端面齿轮传动至滚轮上。传动轴固定在支脚上，每条支脚设有传动轴，这样每个滚轮可得到动力。图2.6 端面齿轮传动这个方案所设计的结构尺寸比较大，且端面齿轮的加工比较困难。这个方案没有涉及从爬楼状态到平地行走状态的切换办法。2） 方案2同步带传动如图2.7所示，主轴动力通过同步带传动传至滚轮。主轴上设一大同步带轮，带轮有四道沟槽，可用于限
5、位四根同步带，每根同步带分别与每个滚轮的小同步带轮配合。并且这个机构可方便地进行爬楼状态与平地行走状态切换，只要控制主轴与大带轮的连接即可。不但如此，还可通过将大带轮制动实现滚轮的制动。图2.7 同步带传动这个方案在同步带结构方面比较累赘，空间尺寸较大。 2) 最终方案齿轮与带传动如图2.8太阳轮（中心大齿轮）和主轴固连，行星轮（四周小齿轮）和带轮2固连，滚轮与带轮1固连，这样一来，当主轴旋转时带动太阳轮旋转，通过齿轮传动以及带传动使得滚轮转动。该方案简单易行，实现容易，而且还可以方便地由齿轮传动确定传动比，使得平地行走速度快于爬楼速度。固我们将其定为最终方案。我们选定的齿轮传动比为55:27
6、，带传动为1:1。该方案不仅能够简单实现动力源从主轴传递到十字轮架四端的滚轮从而进行平地行走，更可以在爬楼的状态下进行滚轮的自锁（制动），这一点将在2.4节中详述。图2.8 齿轮与带传动2.4 爬楼及平地-爬楼转换图2.10 滚轮和十字轮架杆有相对运动时的“打滑”现象2.4.1 爬楼状态的制动问题以我们选定的基本结构方案3（见2.2）要实现爬楼功能，必须使得主轴的动力传给整个十字轮使得十字轮翻转从而一级一级爬上楼梯。此时，如果四周的滚轮无法和十字轮架保持相对静止，则可能在翻楼时出现“打滑”现象（见图2.10）。因此，必须保证在爬楼状态中滚轮和十字轮架杆保持锁定即相对静止，使得滚轮和十字轮架成为
7、一个整体进行爬楼。为此我们考虑了以下几种方案：1) 方案1刹车式制动刹车式制动与自行车刹车方式相似，在每个滚轮的轴上安装摩擦橡胶，通过刹车线控制。如图2.11所示：图2.11 刹车式制动该方案不足之处是刹车线的控制机构过于复杂,难以实际应用。2) 方案2撑脚式制动撑脚制动方式是将制动装置与滚轮集合在一起成一个固定的模块，并且无需控制。该方案的思想是来源于模块化设计方法，从图2.12可以看到，滚轮的上面设有一撑脚。当轮椅在平地行走时，该撑脚不会与地面接触；而当轮椅在爬楼梯时，由于十字轮采用翻转的形式上楼，撑脚会与楼梯相接触，为十字轮翻转提供支点，这样无论轮子是否在滚动，十字轮都可翻转。图2.12
8、 撑脚式制动这个方案的问题是，由于制作的误差，撑脚有时不会与楼梯接触，且很难保证撑脚能提供足够的摩擦力。3) 最终方案同步转动式自锁制动该方案就是我们在2.3节中所描述的最终方案。如图2.13所示：图2.13 同步转动式自锁制动当进入爬楼状态时，主轴带动中心太阳轮转动，但同时主轴和十字轮架也是同步转动的，因此在十字轮架上的行星轮和太阳轮之间是相对静止的，因此也就不存在齿轮啮合传动，这样一来行星轮也就不会带动带轮从而不会使滚轮相对十字轮架转动，这样一来便实现了滚轮在爬楼状态中的自锁效果，爬楼时滚轮与十字轮架形成一体，爬楼时不会出现“打滑”。2.5 越障原理说明对于我们采用的十字轮结构车架而言，越
9、障的实现很方便。只要在平地行进时切换到爬楼状态，使用十字轮整体进行翻越，就可以越过障碍物。具体原理和爬楼原理基本一致。图2.18 越障过程2.6 动力设计我们的轮椅使用了两个电机，采用蜗轮蜗杆传动的方式将动力从电机轴传递给主轴。采用蜗轮蜗杆的目的是在保证功率足够的情况下减小主轴转速提高爬楼时的转矩。而平地行走时则靠行星轮系中太阳轮到行星轮的加速效果使得平地行走速度快于爬楼的速度。5. 改进方向通过应用效果证明，本作品目前还存在一些不足，具体改进的方向如下：5.1结构优化通过结构优化设计，是结构更加紧凑，部分零件材料采用合金或者减小角钢厚度，尽可能减小整车的重量，减小电机功率，节省能源。5.3增
10、强自动化程度增加自动控制功能设计，如如何根据人体重量和所坐位置确定重心，防止侧外和后仰。6. 附录十字轮动力尺寸的确定图6.1 尺寸计算取L=280mm，H=160mm 故，若选择半径为50mm的轮子，且十字轮架杆的宽度小于38mm，爬楼的过程就不存在干扰现象。最终我们选择了半径为62.5mm的轮子，十字轮架杆宽选择了30mm。 参 考 文 献1 王文斌等，机械设计手册M.第二卷，北京：机械工业出版社，2004年2 胡人喜等，Pro/Engineer 标准实例教程，北京：机械工业出版社，2009年3 方昆凡，公差与配合实用手册M，北京：机械工业出版社，2005年4 罗善明等，带传动理论与新型带传动M，北京：国防工业出版社，2006年5 薛焱、胡腾、程跃华，中文AutoCAD2006基础教程M，北京：清华大学出版社，2005年6 郑文纬等，机械原理，北京：高等教育出版社，1997年7 濮良贵等，机械设计，北京：高等教育出版社，2006年8 王积伟等，液压传动，北京：机械工业出版社，2006年9 陈日曜，金属切削原理，北京：机械工业出版社，2002.110 李军，互换性与测量技术基础，武汉：华中科技大学出版社，2007.9
