[机械自动化论文]多功能自动轮椅行走系统设计

2024年6月521:52:23发布者:视频作业论文全搞定 16 views 举报
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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

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

I

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 设的电子控制

装置来 驾驶 轮椅车 进后 退 等行为 命令 。我 为它是老年人 下肢 障碍

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 老人 可缺

步工具。因为在 日常生活当 中大多数轮椅都是手动的,都 有或多或

的缺点及 便 满足日常生活 中用 的需 并且长时间 的使用

使用者 感觉到 。在 目前 的轮椅市场中电动轮椅的 价格昂贵 ,普通的

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

在我们中国,多功能电动轮椅的 相关技术研究相 较晚 ,而 也很 不完

90 年 之后开始发展 速。我国国内的 厂商生产 的大部分都是

式和四 的轮椅, 并且 都有 防倾倒 ,可 速调速等的功能。而 近年来,

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

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 中在国

外,其中 有先进 生产技术 的国 如英 国, 国, 国等等......他

生产 的多功能电动轮椅除一般都有的功能之外,它们的 点还 包括 自动行

难忘 地图 ,自动 导航和 户互 动等等 高级 功能。也有 多类型的

结构 包括四 轮, 轮, 和履带式 。除能 适应城 市中平 坦路况 外,有些

还能 登山

1.2.2 电动轮椅的发展趋势

近些年,多方 专家 表明 人工智能是 社会 的一大发展 趋势 ,人

工智能 出现在各行各 然多功能电动轮椅的 生产 离不 开。 如果将

工智能 融入 在多功能电动轮椅 中, 出来的多功能轮椅 不仅 能够

的人们 来便捷 和舒适 ,更能够 助使用者自 的自 给社会

来更 的一 造福整 社会

1.2.3 应用领域

随着科学技术 的发展,也 随着 造技术 的发展,电动轮椅的 大功能

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

内工人的便捷 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 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 型。 速装置的电动轮椅可 增加

扭矩 功能, 希望 助老年人 残疾人。我 希望 我的这 次毕业 设计能够

助更多的老人 残疾人。

1.31 具体研究内容

1. 分了 电动轮椅的 结构和结构特 点, 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 进的方 特别 是调速 原理

2. 收集 在这一 领域当 中, 包括相关 家标准和 新研究 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 的总体设计进行更进一步的优化以及

化。

1 轮椅驱动 其转向系统的设计。

2 轮椅车 身骨架 的设计。

3 轮椅的 三维建模

4.对本 设计进行 校核和校验

1.32 主要研究途径和技术路线

用所 学习 知识并且借鉴 国内外 者的 教材知识 参考 电动轮椅

信息 ,通 过绘 草图 ,分析, 设计等方 式探讨 了轮椅的机械系统。

然后 确定 若干 个方案,最后再 由资料 上查得的 数进行对 的转 矩范

的计 算并校核 ,最后再来 确定 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 机辅助设计 软件( CAD

P ROE )构建 轮椅 各个部 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 转向系统 包括 了以下几方 :电动轮椅的电动机 电动机

控制 器、减 装置 还有 外的 动部分装置等等。电动轮椅机械系统设计

关键 就是 其能 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 点。

电动轮椅机械系统的设计需 在现有电动轮椅驱动 转向 解决 方案的基

上进行 进, 并提 出各种选 方案, 并结合 本篇论文中需 进行设计的电

动轮椅 应该 具有的 点以及分析各个方案的优缺点,选 出来一种最 合适

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 成多功能电动轮

椅的 主要 功能。它 包括 以下几方 的装置: 电机, 连接到 控制系统 控制

电机 转的电机控制 连接到 电机 以及 的其他

驱动 转向系统的设计 下: 轮椅 求能够稳 定地移 动或

退 灵活且 可以 可能 ,可以 速制动, 并且 可以 安全 舒适 。因

为是通 控制 控制直 电机转速 转向 而控制轮椅的行 速度 行进或

退 的。 于直 电机的 转速 对于其他的电机一般 较高 远远 于轮

椅在平稳行 后轮所 求的转速,因此它比轮椅 行平稳 后轮所需

的转速 得多。 是然而直 电机的 定输 出转 不足 以驱动电动轮

椅的后轮 克服 地面 摩擦阻 我们 在直 电机的 端增加 一个

速装置,以 降低输 出转速 并增加输 出转 此外, 速机的 加输

有其他 动机 ,以 降低 负载 化的 度, 而使 负载

稳。

基于以上总 的设计 求,设计了几种可行的 驾驶和 转向系统选 ,然

后对各方案的优缺点进行分析比 ,最后再 确定 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 灵活 ,也

于电动轮椅通 使用后轮作为驱动装置,因此, 据电动轮椅的

转向方 ,我们有两种可以 采纳 使用的转向方案:1. 轮转向方

2.1 所 ,2.后轮转向方 如图 2.3 所

3

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2.1 轮转向

轮椅的控制系统对步进电机进行 送脉冲 的行为,使得步进电机转

到特定 度,轮椅的步进电机通 齿 齿 平行 边形 ,进一步驱动

轮椅的两 (如图 1.2 ,轮椅两 都装的有

弹簧 弹簧 都在轮椅车 上进行 ,转向 成之后,控制系

再向电动轮椅中的步进电机 送脉冲 ,这 步进电机无 出,电

动轮椅的两 轮在 弹簧 的作用下就 回复 始的位置。

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2.2 轮转向机

轮椅的后轮驱动 根轴 组成的, 装的有 轮,电动轮椅的

电机 过减 与链 相连 ,因为电动轮椅行

平稳,速度比 较低 ,因此这 样不 也能够

这一种方案的优点是 电动轮椅的驱动系统 转向系统分 并且 在行

方向方 上的控制 速度方 上的控制 不会相互 影响 ,用

这种 结构 的控制系统设计 对比 简单,容易实现。而 转向 原理 很简单,

4

过输入 轮椅中步进电机的 脉冲 个数来控制 轮的 就可实现电

动轮椅在行进 的转向, 并且 转向的 度比 较高

这一方案的 缺点是 驾驶过 成轮椅的转向。 能实现

原地 转向的功能,而 轮椅行动 便使轮椅 便于 内使用。

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2.3 后轮转向

用电动轮椅中的两个直 电机分 来驱动轮椅的两 后轮,通 电子

速的方 的控制电动轮椅两 进行驱动车轮转速,电动轮椅的两后轮

等速转动的 ,轮椅进行直 线 ,电动轮椅的两后轮 等速转动的

电动轮椅就 向转速 对比 较低 的后轮一 进行转向。转速 差值 越大,

速转动的 时间 就越 ,转向的 度也就越大, 某一个后轮进行 转,

后轮进行 ,轮椅就可以 原地 360 度转向。

电机来作为驱动的电机,它所需 的直 电机功 大概为单

电机驱动 的一 ,这 电机的 尺寸 就可以 得更小,两个直 电机

以及 等的 结构 都可以 置在电动轮椅的后轮 轴线 上, 是这

轮椅的电机转速以及转 矩范围 ,对于电机的性能 求更

本篇论文所 设计的电动轮椅因为 样适应 外的

使用,所以 方便 、快 简单的操作,然而 轮转向的这一

方案可以实现轮椅转向的 对来说比 较高 。后轮转向方案 求电动

轮椅的电机转速及转 矩范围 ,对 电动轮椅的电机性能 求更 。所以

上所 的分析,本 的电动轮椅行 系统设计 决定 轮转向 方案。

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2.2.2 前轮转向方式中驱动和转向系统的设计

轮转向方 中的驱动及转向系统的直 电机 和相 及其

动机 等的装置,都在电动轮椅的后轮 轴线 方向上进行分 ,因为

电动轮椅的轮 可能 大,所以这就 求电动轮椅的直 电机的

和减 尺寸 大。而电动轮椅的直 电机的 尺寸 对于

电机的 以及 扭矩 等各 数都有一 影响 ,而 一般 情况

来说, 一系 电机的 和扭矩 越大, 尺寸 越大。 所以,在选

轮椅的直 电机的 应该特别 注意 一下, 要尽 可能的选 择扭矩相

大的电机,还 要考 电机 尺寸 大的 制。

轮椅行 驶时 如果前 轮可以自 转,轮椅的转向性能 和驾驶 安全性

危害 因此, 对电动轮椅的 轮的 灵活 一些 制。

弹簧 在轮椅车 上进行 ,在行进 中转向进行 成后,控制

系统 再向电动轮椅的步进电机 送脉冲 ,轮椅的步进电机这个

会零输 出,然后这个 情况 下,轮椅的两个 弹簧 的作用下就可

回复 始的位置,这 成了转向之后轮椅的 轮自动 位。

2.3 主要尺寸

电动轮椅车 骨架 是电动轮椅的 体以及 支撑 结构 骨架 承载

椅车 以及 者的 。这 我们可以得出轮椅 骨架 的大概 尺寸 范围

尺寸 大概在 500 毫米 离地面 度大概在 500-700

毫米区 ,轮椅 手的 度在 250-300 毫米 ,轮椅椅

度在 500-700 毫米 ,轮椅的 承腿 度在 300-450 毫米区

(如图 2.4

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2.4 轮椅 主要 尺寸

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