多功能电动轮椅行走系统设计

摘 要

据调查，我国现在大概有近 6000 万的残疾人，其中肢残的人数大约有

877 万，中国还有 1.49 亿的 60 岁及以上的老年人，人数排世界的首位，使

得无论是老年人还是先天或后天肢体残疾人，他们对于轮椅或者还有除此之

外的辅助性步行工具这些的需求真的越来越紧迫。所以这些年我国的轮椅市

场就打开了，而轮椅的发展也开始智能化，多功能化，便捷化。

总的来说，多功能电动轮椅车它的电源是某一种类型的电池，它的驱动

能源装置是使用电动机驱动，电动轮椅车为什么比普通的轮椅车更受人追捧，

因为电动轮椅一般基本都有这些优点：操作很简单容易上手，速度平稳安全，

噪音小还没有污染，绿色环保等等，我的这篇论文第一点首先是对于国内外

的各种轮椅进行分析，然后再记录下它们的优缺点。最后自己设计几种可行

的方案，进行一一对比，直至选出来一个最优的方案。

关键字： 电动轮椅；转向及驱动；机械系统；

I

BACHELOR'S DEGREE THESIS OF CISAU

ABSTRACT

According to the survey, there are about 60 million disabled people in China

now. The disabled number about 8 million 770 thousand, Chinese aged 60 and

older population has reached 149 million. 21.4% of the world's elderly population,

the top of the world. So that the demand for wheelchairs and other auxiliary

walking tools is increasingly urgent for both the elderly and the disabled.

In general, the power of a multi-function electric wheelchair is a type of

battery, its driving energy device is driven by an electric motor, and why the

electric wheelchair is more popular than the ordinary wheelchair, because the

electric wheelchair generally has these advantages.The operation is simple and

easy to handle, the speed is stable and safe, the noise is not polluted, green and so

on. The first point of my thesis is to analyze all kinds of wheelchairs at home and

abroad, and then record their advantages and disadvantages. Finally, we design

several feasible schemes and compare them until we choose an optimal plan.

Key words: wheelchair; drive and steering system; mechanical syste

II

目 录

一、引言............................................... 1

1.1 选题的目的及其研究意义 .....................................................................................1

1.2 国内外多功能电动轮椅的研究现状和发展趋势 ........................................... 1

1.2.1 电动轮椅的现状 ........................................................................................... 1

1.2.2 电动轮椅的发展趋势 .................................................................................. 2

1.2.3 应用领域 ......................................................................................................... 2

1.3 主要研究内容、途径及技术路线 ...................................................................... 2

1.31 具体研究内容 ................................................................................................. 2

1.32 主要研究途径和技术路线 .......................................................................... 2

二、电动轮椅驱动及转向系统的设计及主要参数的计算 .......... 4

2.1 设计内容 ..................................................................................................................... 4

2.2 驱动及转向系统设计 .............................................................................................. 4

2.2.1 轮椅驱动和转向系统方案分析和选择 .................................................. 4

2.2.2 前轮转向方式中驱动和转向系统设计 .................................................. 6

2.3 主要尺寸 .................................................................................................................... 7

三、驱动电机选型 .................................................... 9

四、蓄电池选用 ...................................................... 13

五、减速器设计 ...................................................... 14

5.1 计算传动装置的参数 ........................................................................................... 14

5.2 齿轮的设计计算 .................................................................................................... 15

5.2.1 齿轮材料和热处理的选择 ...................................................................... 15

5.2.2 按齿面接触强度计算 ................................................................................ 15

5.2.3 齿轮几何尺寸的设计计算 ...................................................................... 16

5.2.4 按齿根弯曲强度设计齿轮 ...................................................................... 17

5.2.5 几何尺寸计算 .............................................................................................. 19

六、链轮设计 ........................................................ 21

七、电动轮椅整体设计 .............................................. 23

7.1 车身骨架设计 ......................................................................................................... 23

I

7.2 控制系统设计 ......................................................................................................... 24

八、总结 ............................................................. 26

致谢 ................................................................... 28

参考文献 ............................................................. 29

II

一、引言

多功能电动轮椅的组成其实有两个部分，第一是作为能源的电池，第二

是作为控制的电子控制装置。 轮椅车的使用者它能够通过所加设的电子控制

装置来驾驶轮椅车做出前进后退等行为命令。我认为它是老年人和下肢障碍

人群的理想辅助运输工具。

1.1 选题的目的及其研究意义

我国轮椅市场的发展有些缓慢。轮椅是下肢有功能障碍者和老人不可缺

少的代步工具。因为在日常生活当中大多数轮椅都是手动的，都存有或多或

少的缺点及不便处，不能满足日常生活中用户的需要。并且长时间的使用会

让使用者感觉到很累。在目前的轮椅市场中电动轮椅的价格昂贵，普通的 家

庭消费 不 起 。

1.2 国内外多功能电动轮椅的研究现状和发展趋势

1.2.1 电动轮椅的现状

1. 国内电动轮椅发展简 况

在我们中国，多功能电动轮椅的 相关技术研究相 对 较晚 ，而且也很不 完

善 ， 但 是 从 90 年代之后开始发展 迅 速。我国国内的 厂商 生 产 的大部分都是 六

轮 式 和 四 轮 式 的轮椅，并且都有 防倾倒 ，可 变 速调速等的功能。而且近年来，

手 扶 电动轮椅， 站立式梯凳 等多功能轮椅 逐渐显 现。

2. 国外电动轮椅发展简 况

性能比 较高 的的多功能电动轮椅车的先进生 产厂家 大多部分都 集 中在国

外，其中 那 些 拥 有先进生 产技术 的国 家 比 如英 国， 德 国， 美 国等等 ...... 他们

生 产 的多功能电动轮椅除一般都有的功能之外，它们的 特 点还 包括 自动行 走 ，

令人 难忘 的 地图 ，自动 导航 和用户 互 动等等 高级 功能。也有 许 多类型的 结构 ，

包括四 轮， 三 轮， 六 轮和 履带式 。除能 适应城 市中平 坦路况 外，有些还能 登

山 越 野 。

1.2.2 电动轮椅的发展趋势

近些年，多方 面 的 专家 都 表明 人工智能是 未 来 社 会的一大发展 趋势 ，人

工智能 将 出现在各行各 业 ，当然多功能电动轮椅的生 产 也 离 不开。 如果将 人

工智能 融入 在多功能电动轮椅当中， 那 这 样 制 造 出来的多功能轮椅不 仅 能够

给 需要的人们 带 来便捷和 舒适 ，更能够 帮 助使用者自 身 的自理能 力 ， 给社 会

带 来更 好 的一 面 ， 造福整 个 社 会。

1.2.3 应用领域

随着科学技术 的发展，也 随着 制 造技术 的发展，电动轮椅的 强 大功能不

仅仅只适 用于老年人和残疾 伤患 ，在某些 条件 的 情况 下，它也可以作为大型

车间内工人的便捷代步工具。

1

1.3 主要研究内容、途径及技术路线

为了 改变 中国多功能电动轮椅发展的现 状 ， 解决 人们对 高品质 生活的追

求，本文设计了一个 降低 输出速度的 模 型。 带 有 减 速装置的电动轮椅可 增 加

输出 扭矩 功能， 希望 能 帮 助老年人和残疾人。我 希望 我的这 次毕业 设计能够

帮 助更多的老人和残疾人。

1.31 具体研究内容

1. 充 分了 解 电动轮椅的 结构 和 结构特 点，并对当前多功能电动轮椅的优

缺点进行调查，分析和 研究 ，并 提 出可以 改 进的方 面 。 特别 是调速 原 理。

2. 收集 在这一 领域 当中， 包括相关 国 家标准 和最 新研究 成 果 在内的各种

各类多功能电动轮椅车的 资料 。

3. 设计 若干 个方案来进行分析和 研究 ，并且 从若干 个方案 里面 选出一种

合适 的总体设计方案，最后再对于最 终 的总体设计进行更进一步的优化以及

细 化。

（ 1 ） 轮椅驱动和其转向系统的设计。

（ 2 ） 轮椅车 身骨架 的设计。

（ 3 ） 轮椅的 整 体 三维建模 。

4. 对本 次 设计进行 校核 和 校验 。

1.32 主要研究途径和技术路线

利 用所 学习 的 课 本 知识 并且 借鉴 国内外 学 者的 教材知识 ， 参考 电动轮椅

的 信息 ，通过 绘 制 草图 ，分析， 减 速 器 设计等方 式探讨 了轮椅的机械系统。

然后 确定 出 若干 个方案，最后再 由资料 上查得的 参 数进行对 减 速 器 的转 矩范

围 的计 算 并 校核 ，最后再来 确定 最 终 的最优方案。优化多功能轮椅的车 身骨

架结构 ， 增 加 必 要的辅助功能装置，并 利 用计 算 机辅助设计 软件（ CAD 和

PROE ）构建 轮椅和各个部 件 的 三维模 型。

2

二、电动轮椅驱动及转向系统的设计及主要参数的计算

一般 情况 下，多功能电动轮椅的 核心 部分 主 要分为两部分：驱动及转向系统。

2.1 设计内容

轮椅的驱动和转向系统 包括 了以下几方 面 ：电动轮椅的电动机 、 电动机

控制 器、减 速 器 装置 、 还有 另 外的 传 动部分装置等等。电动轮椅机械系统设计

成 败 的 关键 就是 看 其能 否 平稳的行驶和 灵 活的转向，也是电动轮椅机械系统

设计中的 重 点 难 点。

电动轮椅机械系统的设计需要在现有电动轮椅驱动和转向 解决 方案的基

础 上进行 改 进，并 提 出各种选 择 方案， 并 结合 本篇论文中需要进行设计的电

动轮椅 应该 具有的 特 点以及分析各个方案的优缺点，选 择 出来一种最 合适 的

驱动及转向方案，并且对系统的各个组成 零件 进行 详细 的设计。

2.2 驱动及转向系统设计

驱动系统还有转向系统是电动轮椅的 核心 部分，作为 完 成多功能电动轮

椅的 主 要功能。它 包括 以下几方 面 的装置： 电机， 连接 到控制系统并控制

电机 旋 转的电机控制 器 ， 连接 到电机输出 端 的 减 速 器 以及 变 速 器 组 件 的其他

部 件 。 驱动和转向系统的设计要求 如 下： 轮椅要求能够稳 定地移 动或 撤

退， 灵 活且可以 尽 可能 宽 ，可以 快 速制动，并且可以 确 保 乘坐 安全 舒适 。因

为是通过控制 器 控制直 流 电机转速和转向 从 而控制轮椅的行驶速度和行进或

后退的。 由 于直 流 电机的 额定 转速 相 对于其他的电机一般 较高 ， 远远高 于轮

椅在平稳行驶的时 候 后轮所要求的转速，因此它比轮椅运行平稳时后轮所需

的转速 高 得多。 但 是然而直 流 电机的 额定 输出转 矩 的 值 不足以驱动电动轮

椅的后轮 克服地面 的 摩擦阻力 。 我们 必须 在直 流 电机的输出 端增 加一个 减

速装置，以 降低 输出转速并 增 加输出转 矩 。 此外， 减 速机的 附 加输出 与 后

桥 之间还 必须 有其他 传 动机 构 ，以 降低负载变 化的 严重程 度， 从 而使 负载 平

稳。

基于以上总 结 的设计要求，设计了几种可行的驾驶和转向系统选 项 ，然

后对各方案的优缺点进行分析比 较 ，最后再 确定 最 终 方案。

2.2.1 轮椅驱动和转向系统方案分析和选择

多功能电动轮椅驱动及转向系统的设计方案其实 非 常的 灵 活，也 非 常的

多 样 ， 由 于电动轮椅通常使用后轮作为驱动装置，因此， 根 据电动轮椅的

不 同 转向方 式 ，我们有两种可以 采纳 使用的转向方案： 1. 前轮转向方 式 ， 如

图 2.1 所 示 ， 2. 后轮转向方 式 ， 如图 2.3 所 示

3

图 2 .1 前轮转向 式

轮椅的控制系统对步进电机进行输 送脉冲信号 的行为，使得步进电机转

到 特定 的 角 度，轮椅的步进电机通过 齿 轮 齿条 平行 四边形 机 构 ，进一步驱动

轮椅的两前轮 同 步 偏 转 （如图 1.2 ） ，轮椅两前轮 偏 转 轴 的 顶端 都装的有 盘

形 的 弹簧 ， 弹簧 的 另 一 端 都在轮椅车 身 上进行 固定 ，转向 完 成之后，控制系

统不再向电动轮椅中的步进电机输 送脉冲信号 ，这时 候 步进电机无输出，电

动轮椅的两前轮在 弹簧力 的作用下就会 回复 到 初 始的位置。

图 2 . 2 前轮转向机 构

轮椅的后轮驱动 轴 是 由 一 根轴 组成的， 轴 中间装的有 链 轮，电动轮椅的

直 流 电机 经 过 减 速 器 通过 链条与链 轮 相连 ，因为电动轮椅行驶的时 候 要保 持

平稳，速度比 较低 ，因此这 样 不需要 差 速 器 也能够 正 常行驶。

这一种方案的优点是 将 电动轮椅的驱动系统和转向系统分 离 ，并且在行

驶方向方 面 上的控制 与 行驶速度方 面 上的控制不会 相互 影响 ， 相 对 独 立 ，用

这种 结构 的控制系统设计 相 对比 较 简单，容易实现。而且转向 原 理很简单，

4

只 需要通过输 入 轮椅中步进电机的 脉冲 个数来控制前轮的 偏 转 角 就可实现电

动轮椅在行进时的转向，并且转向的 精 度比 较高 。

这一方案的 缺点是 必须 在驾驶过 程 中 完 成轮椅的转向。 这 样 就不能实现

原地 转向的功能，而且轮椅行动不便使轮椅不便于 室 内使用。

图 2 . 3 后轮转向 式

利 用电动轮椅中的两个直 流 电机分 别 来驱动轮椅的两 侧 后轮，通过电子

差 速的方 式 独 立 的控制电动轮椅两 侧 进行驱动车轮转速，电动轮椅的两后轮

等速转动的时 候 ，轮椅进行直 线 行驶，电动轮椅的两后轮不等速转动的时 候 ，

电动轮椅就会向转速 相 对比 较低 的后轮一 侧 进行转向。转速 差值 越大，不等

速转动的时间就越长，转向的 角 度也就越大，当某一个后轮进行 正 转， 另 一

后轮进行 反 转时，轮椅就可以 原地 360 度转向。

采 用 双 直 流 电机来作为驱动的电机，它所需要的直 流 电机功 率 大概为单

直 流 电机驱动时 候 的一 半 ，这 样 电机的 尺寸 就可以 变 得更小，两个直 流 电机

以及 减 速 器 等的 结构 都可以 布 置在电动轮椅的后轮 轴 线 上， 但 是这 样 就要求

轮椅的电机转速以及转 矩范围 更 宽 ，对于电机的性能要求更 高 。

本篇论文所要设计的电动轮椅因为 必须 要能 同样适应 在 室 内 与 在户外的

使用，所以要求 必须 要有 较 方便 、快 捷 、 简单的操作，然而前轮转向的这一

方案可以实现轮椅转向的 精 度 相 对来说比 较高 。后轮转向方案 由 于要求电动

轮椅的电机转速及转 矩范围 更 宽 ，对 与 电动轮椅的电机性能要求更 高 。所以

综 上所 述 的分析，本 次 的电动轮椅行 走 系统设计 决定采 用前轮转向 式 方案。

5

2.2.2 前轮转向方式中驱动和转向系统的设计

前轮转向方 式 中的驱动及转向系统的直 流 电机和 相 对 应 的 减 速 器 及其

他 传 动机 构 等的装置，都在电动轮椅的后轮 轴 线 方向上进行分 布 ，因为 由 于

电动轮椅的轮 距 不可能会 太 大，所以这就要求电动轮椅的直 流 电机的 轴 向 尺

寸 和 减 速 器 的 轴 向 尺寸 都不能过大。而电动轮椅的直 流 电机的 轴 向 尺寸 对于

直 流 电机的 额定 功 率 以及 扭矩 等各 项参 数都有一 定 的 影响 ，而且一般 情况 下

来说， 同 一系 列 电机的 额定 功 率 和 扭矩 越大， 轴 向 尺寸 越大。 所以，在选 择

轮椅的直 流 电机的时 候 ， 应该特别 的 注意 一下， 既 要 尽 可能的选 择扭矩相 对

比 较 大的电机，还要 考 虑 到电机 轴 向 尺寸 不能过大的 限 制。

当轮椅行驶时， 如果 前轮可以自 由偏 转，轮椅的转向性能和驾驶安全性

将 受到 严重 危害 。 因此， 必须 对电动轮椅的前轮的 灵 活性 施 加一些 限 制。

弹簧 的 另 一 端 在轮椅车 身 上进行 固定 ，在行进过 程 中转向进行 完 成后，控制

系统不再向电动轮椅的步进电机输 送脉冲信号 的时 候 ，轮椅的步进电机这个

时 候 会 零 输出，然后这个 情况 下，轮椅的两个前轮会在 弹簧力 的作用下就可

以 回复 到 初 始的位置，这 样 就 完 成了转向之后轮椅的前轮自动 复 位。

2.3 主要尺寸

电动轮椅车 身 的 骨架 是电动轮椅的 主 体以及 支撑 的 结构 ， 骨架 承 载着 轮

椅车 身 以及 乘坐 者的 重 量 和。这 样 我们可以得出轮椅 骨架 的大概 尺寸 范围 ：

椅 座 的 尺寸 大概在 500 毫米 ， 座 椅 距 离地面 的 垂 直 高 度大概在 500-700

毫米区 域 之间 , 轮椅 扶 手的 垂 直 高 度在 250-300 毫米 之间 , 轮椅椅 背 的 垂 直 高

度在 500-700 毫米 之间 , 轮椅的 承腿 架 垂 直 高 度在 300-450 毫米区 域 之间。

（如图 2.4 ）

图 2 .4 轮椅 主 要 尺寸

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