輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計【三維SW】【含7張CAD圖紙】,三維SW,含7張CAD圖紙,輪式,樓梯,輪椅車,設(shè)計,三維,SW,CAD,圖紙 任務(wù)書 論文(設(shè)計)題目：輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計 工作日期：2017年12月18日 ~ 2018年05月25日 1.選題依據(jù): 該設(shè)計的機(jī)械部分主要由底盤小車和輪椅系統(tǒng)組成，底盤小車具有平地行走和爬樓梯和越障礙物的功能，由行星輪機(jī)構(gòu)和萬向輪機(jī)構(gòu)完成，座椅系統(tǒng)主要多自由度可調(diào)姿態(tài)平臺組成，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)組成。該題目屬于機(jī)械設(shè)計范疇，符合機(jī)制專業(yè)本科畢業(yè)生畢設(shè)設(shè)計題目要求。 2.論文要求(設(shè)計參數(shù)): 本設(shè)計的行星輪式爬樓梯輪椅的整體機(jī)械部分分為底盤系統(tǒng)和座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。底盤系統(tǒng)主要包括行星輪機(jī)構(gòu)和導(dǎo)引萬向輪組合機(jī)構(gòu)組成。座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由座椅旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。 1.要求自行輪椅的運(yùn)動平順性，平地行走速度不大于15km/h。 2．要求可靠的上下樓梯能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，傳動效率高。 3. 階髙度為180 mm±5 mm,最小樓梯坡度為35°,容許誤差為1°。所有樓梯的梯級突邊都在由兩個相距10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的區(qū)域內(nèi)。 4.要求使用行星輪減速器及蝸輪蝸桿式大減速比裝置形成自鎖功能，使輪輻電機(jī)驅(qū)動 輪組翻滾時，輪組中心齒輪不轉(zhuǎn)動。 。5. 用Solidworks軟件構(gòu)建底盤系統(tǒng)及座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中必須有一個系統(tǒng)的3D設(shè)計圖，并作爆炸視圖和動畫演示。 6.繪制或者生成主要零部件的二維工程圖。 7.撰寫設(shè)計說明書，字?jǐn)?shù)不少于6000字。 3.個人工作重點(diǎn): 1.行星輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計 2.萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計 3.座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)。4.利用Solidworks軟件繪制零件圖及裝配圖。 4.時間安排及應(yīng)完成的工作: 第1周：了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價值，查閱有關(guān)文獻(xiàn)。 第2周：查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)，了解研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線 第3周：撰寫文獻(xiàn)綜述并完成開題報告 第4周：修改開題報告及文獻(xiàn)綜述準(zhǔn)備開題答辯。 第5周：輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制設(shè)計草圖 第6周：底盤系統(tǒng)設(shè)計計算，行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計及計算，繪制草圖 第7周：萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計，繪制草圖。 第8周：底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。第9周：座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計計算機(jī)校核第10周：繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖 第11周：繪制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三維工程圖 第12周：修改并完成總體裝配圖并生成avi爆炸視圖的視頻文件第13周：撰寫設(shè)計說明書 第14周：提交論文、圖紙、查重報告，準(zhǔn)備答辯 5.應(yīng)閱讀的基本文獻(xiàn): [1] 房立新等.行星輪式爬樓梯電動輪椅[P].中國專利號：CN102125488A，2011年7月. [2] 趙樹明.爬樓梯智能輪椅[P].中國專利號：CN201564701U，2010. [3] 王中發(fā).實(shí)用機(jī)械設(shè)計[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998. [4]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].第5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010。 [5]濮量貴、 陳國定、吳立言 《機(jī)械設(shè)計》[M ].高等教育出版社，2013年5月第9版[6]陳永當(dāng)，任慧娟，武欣竹.. 基于Solid Works Simulation的有限元分析方法[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2011(9). [7]白象忠.材料力學(xué)[M].北京:中國建材工業(yè)出版社，2003 [8]朱孝錄 《機(jī)械傳動設(shè)計手冊》 [M ].電子工業(yè)出版社出版，2007年10月第五版[9]聞邦椿 《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計實(shí)用手冊》[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2015年7月第1版[10] 電動自行車實(shí)用技術(shù).北京：人民郵電出版社，2008. 指導(dǎo)教師簽字： XX 教研室主任意見： 同意 簽字：XX 2017年12月14日 教學(xué)指導(dǎo)分委會意見： 同意 簽字：XX 2017年12月15日 學(xué)院公章 進(jìn)度檢查表 第 -4 周 工作進(jìn)展情況 第-4周：了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價值，查閱有關(guān)文 獻(xiàn)。 第-3周：查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)，了解研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線 第-2周：撰寫文獻(xiàn)綜述并完成開題報告 2018年01月08日 指導(dǎo)教師意見 當(dāng)面講解設(shè)計題目要求和理論意義及應(yīng)用價值。講解開題報告的內(nèi)容及寫作方法，講解文獻(xiàn)資料的查閱及文獻(xiàn)綜述的寫作要求。充分領(lǐng)會選題的內(nèi)容及意義。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年01月11日 第 -1 周 工作進(jìn)展情況 第-1周 修改開題報告及文獻(xiàn)綜述，熟悉所做項目內(nèi)容并準(zhǔn)備開題答辯 。 2018年01月11日 指導(dǎo)教師意見 該生工作態(tài)度認(rèn)真，學(xué)習(xí)努力刻苦，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，多次修改并完成了開題報告。工作時間安排合理，技術(shù)路線規(guī)劃切實(shí)可行，文獻(xiàn)綜述格式正確，內(nèi)容較為充分。 該生較好地完成開題報告及開題答辯。同意開題. 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年01月11日 第 5 周 工作進(jìn)展情況 第1周：完成輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制設(shè)計草圖 第2周：完成底盤系統(tǒng)設(shè)計計算，行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計及計算，繪制草圖 第3周：完成萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計，繪制草圖。 第4周：完成底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。 第5周：完成座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算及校核 。 2018年03月27日 指導(dǎo)教師意見 基本按照計劃進(jìn)行，部分計算需要進(jìn)一步驗算校核，圖紙的技術(shù)要去需要完善。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年04月07日 第 10 周 工作進(jìn)展情況 第6周：繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖第7周：繪制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三維工程圖 第8周：修改并完成總體裝配圖并生成avi爆炸視圖的視頻文件第9周：完成設(shè)計說明書的撰寫 2018年05月09日 指導(dǎo)教師意見 總體設(shè)計基本按要求完成。需要注意幾個問題：三維圖生成二維圖紙過程中，一些不合理的尺寸需要按照國標(biāo)的要求進(jìn)一步修改。技術(shù)要求要標(biāo)注全，部分地方需要改進(jìn)。三維爆炸視圖基本合理。設(shè)計說明書格式尚有錯誤 ，需要進(jìn)一步修改。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年05月12日 過程管理評價表 評價內(nèi)容 具體要求 總分 評分 工作態(tài)度 態(tài)度認(rèn)真，刻苦努力，作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn) 3 3 遵守紀(jì)律 自覺遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，主動聯(lián)系指導(dǎo)教師,接受指導(dǎo) 3 3 開題報告 內(nèi)容詳實(shí)，符合規(guī)范要求 5 4 任務(wù)完成 按時、圓滿完成各項工作任務(wù) 4 4 過程管理評分合計 14 過程管 理評語 該同學(xué)工作態(tài)度認(rèn)真，刻苦踏實(shí)，作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)習(xí)態(tài)度端正 ，能多次主動聯(lián)系老師，虛心接受指導(dǎo)。 該生能自覺遵守校規(guī)校紀(jì)，在畢業(yè)設(shè)計階段一直在專心做設(shè)計 ，沒有參加其他的工作，按擬定的進(jìn)度計劃開展畢業(yè)設(shè)計工作。 該生有較強(qiáng)的文獻(xiàn)資料檢索能力，占有資料較為全面，開題報告的撰寫內(nèi)容詳實(shí)，格式基本符規(guī)范要求，文獻(xiàn)綜述較為全面，外文翻譯基本正確可信。 中期檢查按時達(dá)到計劃進(jìn)度的設(shè)計任務(wù)。整個畢業(yè)設(shè)計全程基本按照計劃圓滿完成各階段的任務(wù)。最后的論文設(shè)計圖紙等按時提交。 指導(dǎo)教師簽字:XX 日期:2018-05-23 指導(dǎo)教師評價表 評價內(nèi)容 具體要求 總分 評分 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究價值和實(shí)踐意義,有一定的開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 5 能力水平 有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表達(dá)與外語能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計算機(jī)應(yīng)用能力 5 4 完成質(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計算、設(shè)計、實(shí)驗等正確合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 8 指導(dǎo)教師評分合計 17 指導(dǎo)教 師評語 該題目來源于生產(chǎn)實(shí)際，屬于機(jī)械設(shè)計范疇，符合機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求，有較強(qiáng)的實(shí)踐意義，有一定的社會需求。該題目難度、深度適宜，繪圖量較大，尤其是基于三維繪圖的設(shè)計，工作量很飽滿。 該生有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識的能力和較高科研方法運(yùn)用能力。有較好的中文外文表達(dá)能力，文獻(xiàn)資料檢索能力較強(qiáng)，計算機(jī)應(yīng)用能力尤其是三維繪圖能力較強(qiáng)。 該設(shè)計文題相符，概念準(zhǔn)確，分析、計算、校核基本正確、合理，結(jié)論明確可信。論文結(jié)構(gòu)、格式、圖、表等基本符合規(guī)范要求 。 同意參加答辯” 指導(dǎo)教師簽字:XX 日期:2018-05-23 評閱人評價表 評價內(nèi)容 具體要求 總分 評分 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究價值和實(shí)踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 4 能力水平 有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表 達(dá)與外語能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計算機(jī)應(yīng)用能力 5 4 完成質(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計算、設(shè)計、實(shí)驗等正確 合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 8 評閱人評分合計 16 評閱人 評語 輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要代步工具。對其進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計分析，符合本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值 ，難度和工作量適中。傅洪濤同學(xué)對可爬樓梯輪椅車的傳動系統(tǒng) ，尾架系統(tǒng)等進(jìn)行了總體設(shè)計，也進(jìn)行了相關(guān)的參數(shù)設(shè)計與分析 ，工作內(nèi)容較為豐富。設(shè)計說明書內(nèi)容較為完整、層次基本清晰、格式符合基本規(guī)范、公式引用及計算合理，繪制的工程圖樣符合基本標(biāo)準(zhǔn)要求。提交的設(shè)計資料反映出該生具備一定的知識綜合應(yīng)用能力、文字表達(dá)能力和使用工程軟件進(jìn)行設(shè)計的能力。 評閱人簽字：XX 評閱人工作單位：XX日期：null 答辯紀(jì)錄 學(xué)生姓名：XX 專業(yè)班級：XX 畢業(yè)論文(設(shè)計)題目： 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計 答辯時間：2018年05月 日 時 分 ~ 時 分 答辯委員會(答 主任委員(組長)： XX 辯小組)成員 委 員(組 員)： XXXX 答辯委員會(答辯小組)提出的問題和答辯情況 問題1：為什么選該結(jié)構(gòu)？ 回 答： 結(jié)構(gòu)簡單，速度快，價格低；但上樓梯振動大。問題2：電池的容量？蓄電量多大？ 回 答： 適合七樓；持續(xù)性無考慮。問題3：輪椅車的座椅部分安全否？ 回 答： 椅子沿滑軌固定，重心會變化。問題4：6.1圖的位置？ 回 答： 在A0圖表示 問題5：滑軌的尺寸如何計算；滑軌如何改進(jìn)？ 回 答： 厚度為T；間隙配合。 問題6：輪子幾個？是什么輪？ 回 答： 橡膠圈，減震，耐磨，增大摩擦力。 記錄人： 2018年05月24日 答辯委員會評價表 評價內(nèi)容 具體要求 總分 評分 自述總結(jié) 思路清晰,語言表達(dá)準(zhǔn)確,概念清楚,論點(diǎn)正確,分析歸納合理 10 9 答辯過程 能夠正確回答所提出的問題,基本概念清楚,有理論根據(jù) 10 8 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究價值和實(shí)踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 5 完成質(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計算、設(shè)計、實(shí)驗等正確 合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 9 能力水平 有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表 達(dá)與外語應(yīng)用能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計算機(jī)應(yīng)用能力 10 8 答辯委員會評分合計 39 答辯委員會評語 傅洪濤同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計工作期間，工作努力，態(tài)度認(rèn)真，能遵守各項紀(jì)律 ，表現(xiàn)良好。 能按時、全面、獨(dú)立地完成與畢業(yè)設(shè)計有關(guān)的各環(huán)節(jié)工作，具有一定的綜合分析問題和解決問題的能力。 論文立論正確，理論分析得當(dāng)，解決問題方案實(shí)用，結(jié)論正確。 論文使用的概念正確，語言表達(dá)準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，條理清楚。 論文中使用的圖表，設(shè)計中的圖紙在書寫和制作時，能夠執(zhí)行國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化較好。 具有一定的獨(dú)立查閱文獻(xiàn)資料及外語應(yīng)用能力，原始數(shù)據(jù)搜集得當(dāng)，實(shí)驗或計算結(jié)論準(zhǔn)確。 答辯過程中，能夠簡明和正確地闡述論文的主要內(nèi)容，思路清晰，論點(diǎn)基本正確；回答問題準(zhǔn)確，有應(yīng)變力；有較好的語言表達(dá)能力。 答辯成績： 39 答辯委員會主任： XX 2018年05月30日 成績評定 項目分類 成績評定 過程管理評分 14 指導(dǎo)教師評分 17 評閱人評分 16 答辯委員會評分 39 總分 86 成績等級 B 成績等級按“A、B、C、D、F”記載 成績審核人簽章： XX 學(xué)院審核人簽章： XX 附錄1 星輪式爬樓梯輪椅 摘要：為了實(shí)現(xiàn)輪椅爬樓梯的功能，本文設(shè)計了一種星輪爬梯機(jī)構(gòu)。通過鎖緊聯(lián)軸器、星輪爬升機(jī)構(gòu)的作用形成定軸輪系或行星輪系以實(shí)現(xiàn)平面行走和爬樓梯功能。通過穿越障礙分析得到輪椅能通過的最大高度和最小寬度的障礙物。在SolidWorks三維仿真中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析來驗證材料強(qiáng)度。 關(guān)鍵詞：爬樓梯輪椅；行星輪機(jī)構(gòu)；越障分析；Solidworks三維仿真分析 1引言 近些年來，輪椅正在朝著智能化發(fā)展。根據(jù)文獻(xiàn)[ 1-2 ]，輪椅已經(jīng)擁有多功能護(hù)理功能和升降功能，甚至可以在智能家居環(huán)境中使用。它不僅滿足了殘疾人士的基本需求，同時也為他們的生活提供了便捷。然而，在市場上的殘疾人輪椅采用的是普通輪式機(jī)構(gòu)，只有地上行走的功能。當(dāng)遇到上樓和下樓的情況時，這種輪椅就不能滿足爬樓梯功能。 在國內(nèi)外主要有兩種用以爬樓梯的輪椅車，一種是連續(xù)型爬樓梯輪椅車，一種是間斷型爬樓梯輪椅車。連續(xù)型爬樓梯輪椅車有能量傳遞效率高，行走時重心的偏離波動小，運(yùn)動流暢和適用的地形范圍廣泛這些優(yōu)點(diǎn)。同時它也有一些缺點(diǎn)，比如它的重量太重，運(yùn)動不夠靈活，在爬樓梯的時候?qū)翘莸倪吘墪┘泳薮蟮膲毫λ詫翘萦休^大的損壞，在平坦的道路上前行時會受到很大的阻力，轉(zhuǎn)向還不方便。連續(xù)型爬樓梯輪椅車雖然有行走機(jī)構(gòu)光滑的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)動、功能也適用于不同大小的樓梯。但是它比連續(xù)型爬樓梯輪椅車控制要求高，操作更復(fù)雜，在地面上移動緩慢[ 3 ]。 因此，為了解決上述問題以及給老年人和殘障人士的出行提供一個性能更加優(yōu)越的交通工具，設(shè)計一款價格低廉、安全可靠的爬樓梯輪椅車是一個有很大意義和實(shí)用價值的行為。它不僅要解決用戶上下樓梯的不便，還要考慮到他們的負(fù)擔(dān)能力。 2機(jī)械設(shè)計 2.1總體設(shè)計 圖1 爬樓梯輪椅車整體結(jié)構(gòu)圖 本文中設(shè)計了一種行星輪式爬樓梯輪椅車。如圖1所示，行星輪式爬樓梯輪椅車主要由機(jī)架、行星輪機(jī)構(gòu)和傳動部件構(gòu)成。兩個由固定在機(jī)架上的兩個電機(jī)分別驅(qū)動的傳動軸控制著行星齒輪傳動裝置，從而使輪椅車能夠?qū)崿F(xiàn)爬樓梯和行走的功能。 2.2行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計 如圖2所示，行星輪式爬樓梯機(jī)構(gòu)包括傳動軸1、管軸2、旋轉(zhuǎn)臂3，太陽輪4，傳動齒輪5，驅(qū)動齒輪6和車輪7。傳動軸的一端與太陽輪相連并通過一個軸承懸空放置在旋轉(zhuǎn)臂上，另一個與錐齒輪軸配合。主軸上空套的管軸一端與旋轉(zhuǎn)臂固定連接，另一端連接自鎖裝置。過度齒輪5和驅(qū)動齒輪6分別懸空安裝在手臂3和車輪7上，三個軸的中軸線是等距分布的。 四組齒輪間通過各自軸的作用間接承受了整個輪椅車的重量，輪子上的齒輪繞著它自身的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)自鎖裝置分離傳動軸和管軸時，輪椅車可以在地面上平穩(wěn)行駛。通過電機(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動可以使與地面接觸的車輪獲得和齒輪同樣的角速度。 當(dāng)前車輪撞到比輪子高的障礙物停止移動時，通過鎖緊聯(lián)軸器與管軸鎖緊的傳動軸驅(qū)動管軸和手臂3旋轉(zhuǎn)，從而使得三個車輪繞著中心太陽輪的軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)翻越障礙物的功能（即爬樓梯）。 圖2 行星輪機(jī)構(gòu) 3穿越障礙分析 除了有一個很強(qiáng)的爬樓梯技巧之外，爬樓梯輪椅車當(dāng)然需要有一個越障的能力和一個障礙閃避系統(tǒng)[ 4 ]。本文僅對行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)翻越障礙的能力以及爬樓梯時輪椅的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。 圖3 越障分析 如圖3所示，當(dāng)翻越障礙時車輪組必須滿足以下的關(guān)系： a≤（3R2 - r2） （1） 其中，a是障礙物的高度；b是障礙物的寬度；r是車輪的半徑；R是車輪組中心與車輪中心之間的距離；x是梯子和行星齒輪的中心之間的距離。 為了保證兩個輪子之間不存在障礙物和前輪在攀爬障礙物后可靠地與材料接觸，當(dāng)可爬樓梯輪椅車爬上障礙物時，障礙物的寬度需要滿足以下要求： B+2r≤R （2） 根據(jù)文獻(xiàn)[ 5 ]，對行星輪傳動機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù)為：R = 140mm，r= 85毫米，t= 45毫米。然后通過公式（1）和（2）我們可以得到： amax ==227(mm) bmax = R- 2r=72(mm) 可以得出結(jié)論，行星輪式可爬樓梯機(jī)構(gòu)可以跨越障礙物的最大高度為227毫米，能跨越障礙物的最小寬度為72mm，它有一個相對較高的越障能力，并且可以滿足輪椅車在日常平坦道路上行走的要求。 4應(yīng)力應(yīng)變分析 為了在本文中驗證設(shè)計機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)，本文選擇SolidWorks三維仿真軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。SolidWorks三維仿真軟件主要由三部分組成：前處理模塊、模塊劃分和后處理模塊。由于本文所采用的模型是用SolidWorks三維軟件建模的，可以直接用Solidworks三維進(jìn)行仿真分析。分析步驟為： （1）零件和材料特性的定義； （2）定義夾具類型； （3）定義外部負(fù)載； （4）有限元網(wǎng)格劃分； （5）解決； （6）視圖求解結(jié)果。 根據(jù)上面的步驟，以下部分的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果顯示在圖4-圖9。 圖4 傳動軸應(yīng)力分析 圖5 傳動軸應(yīng)變分析 圖6 管軸應(yīng)力分析 通過以上分析，我們可以了解到零件上關(guān)鍵位置的最大位移和最大應(yīng)力。在設(shè)計過程中，主要對應(yīng)力進(jìn)行了檢驗。 通過分析關(guān)鍵零件圖的結(jié)果，最大應(yīng)力在傳動軸如圖4所示的雜志部分的輸入部分上，最大應(yīng)力位于軸的直徑變化部分上，應(yīng)力為41.5 MPa。以上材料的關(guān)鍵部件是45鋼。經(jīng)過查驗材料手冊，45鋼的屈服強(qiáng)度為355兆帕。它大于零件的最大應(yīng)力，具有較高的安全系數(shù)，滿足設(shè)計要求。通過利用Solidworks三維仿真軟件進(jìn)行行星輪可爬樓梯輪椅車的有限元分析，既能檢查出滿足要求的強(qiáng)度，又可以為輪椅的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。 圖7 管軸應(yīng)變分析 圖8 車輪應(yīng)力分析 圖9 車輪應(yīng)變分析 5結(jié)論 本文分析了常用的可爬樓梯輪椅車的特點(diǎn)，設(shè)計了一種行星輪式可爬樓梯輪椅車，通過使用行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)擁有爬樓梯和平地行走兩種功能。通過行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計，并對越障能力的分析，我們可以獲得這種越障能力高，適應(yīng)各種不同尺寸樓梯能力強(qiáng)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，安全性好的行星輪式可爬樓梯輪椅車。 附錄2 一、選題依據(jù) 1．論文（設(shè)計）題目 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計 2．研究領(lǐng)域機(jī)械設(shè)計 3．論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 理論意義：對于年老體弱者以及下肢傷殘者，輪椅是其必不可少的行走輔助設(shè)備， 由于我國無障礙設(shè)施的滯后，這類人群的出行問題十分突出。鑒于目前的輪椅、電動 輪椅能在坡度小于 12 度平坦的路面上行駛，但遇到樓梯臺階、溝槽、坎就無法跨越， 使輪椅具有爬樓梯能力是解決這類問題的關(guān)鍵。研究這類問題具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。 應(yīng)用價值：從市場的角度看，輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要的代步工具，隨 著人們生活水平的提高，輪椅被看作是一個潛力巨大的市場。從全球范圍來看爬樓梯 輪椅的研究已經(jīng)有近百年的歷史，提出了各種輪椅爬樓梯的解決方案。在這些方案中， 行星輪式爬樓梯輪椅可以兼顧平地行走和爬樓梯，是比較理想的爬樓梯解決方案。所 以，研究輪式可爬樓梯輪椅車無論從經(jīng)濟(jì)價值，可行性都具有很高的應(yīng)用價值。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi)，國外起步比較早，1982 年美國科學(xué)家 Bray 發(fā)明了第一個爬樓梯輪椅，此后各個國家紛紛推出了各自的產(chǎn)品，取得了很多成果，很多已經(jīng) 上市，我國在這方面研究比較晚。按照爬樓輪椅的原理，大致可以分為： （1）行星輪式 行星輪式是交通運(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在國外一些 爬樓機(jī)器人中也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。 （2）履帶式 第二種是履帶式，履帶式原理比較簡單，和履帶式坦克裝甲車類似。 （3）腿足式 早期的爬樓輪椅一般都采用腿足式，其爬樓機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。 （4）其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種。第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實(shí)現(xiàn)爬樓的目的。第二種是軌道式爬樓 梯裝置，通過在普通樓梯上安裝軌道實(shí)現(xiàn)普通輪椅實(shí)現(xiàn)上樓和下樓。 未來的研究將向以下幾個方面發(fā)展。 ( 1) 質(zhì)量輕 作為代步工具，爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機(jī)載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長續(xù)航時間。同時，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時 的靈活性，降低控制的難度。 ( 2) 可靠性 高爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士，爬樓梯輪椅的設(shè)計應(yīng)從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，爬樓梯過程中應(yīng)保證重心 波動小，安全保證措施響應(yīng)及時。 ( 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅在功能設(shè)計上應(yīng)最大程度的滿足人性化要求，構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活的各個方面。 ( 4) 價格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個重要因素是價格因素，爬樓梯輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價比。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題 （1）行星輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計 （2）萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計 （3）座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)。 （4）利用 Solidworks 軟件繪制零件圖及裝配圖。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） （1）輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 （2）底盤系統(tǒng)設(shè)計計算 （3）行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計及計算 （4）萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計 （5）座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計計算機(jī)校核 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 在初步準(zhǔn)確完成所需要設(shè)計的項目并完善工程圖的情況下。使輪式可爬樓梯輪椅 可以實(shí)現(xiàn)平地行走和越障爬樓的功能，對崎嶇的路面具有較好的適應(yīng)能力，并且座椅 可具有可調(diào)姿態(tài)機(jī)構(gòu)，使人坐起來更加舒適，推輪椅的人也更加省力。同時底盤小車 具有平地行走和爬樓梯和越障礙物的功能，座椅系統(tǒng)主要有多自由度可調(diào)姿態(tài)功能。 最終使得產(chǎn)品能夠得到社會廣泛認(rèn)可，能夠投入市場進(jìn)行批量生產(chǎn)。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)） 主要是搜集文獻(xiàn)，查閱相關(guān)設(shè)計手冊和書籍，進(jìn)行市場調(diào)研并參觀現(xiàn)有研究成 果，在老師指導(dǎo)下開展設(shè)計研究工作，利用計算機(jī)輔助設(shè)計，力學(xué)計算，三維軟件 等進(jìn)行仿真模擬。 設(shè)計參數(shù)： （1）要求自行輪椅的運(yùn)動平順性，平地行走速度不大于 15km/h。 （2）要求可靠的上下樓梯能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，傳動效率高。 （3）臺階髙度為 180 mm±5 mm,最小樓梯坡度為 35°,容許誤差為 1°。所有樓梯的梯級突邊都在由兩個相距 10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的區(qū)域內(nèi)。 2.論文（設(shè)計）進(jìn)度計劃 第 1 周：了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價值，查閱有關(guān)文獻(xiàn)。 第 2 周：查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)，了解研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線 第 3 周：撰寫文獻(xiàn)綜述并完成開題報告 第 4 周：修改開題報告及文獻(xiàn)綜述準(zhǔn)備開題答辯。 第 5 周：輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制設(shè)計草圖 第 6 周：底盤系統(tǒng)設(shè)計計算，行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計及計算，繪制草圖 第 7 周：萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計，繪制草圖。 第 8 周：底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。 第 9 周：座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計計算機(jī)校核 第 10 周：繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖 第 11 周：繪制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三維工程圖 第 12 周：修改并完成總體裝配圖并生成 avi 爆炸視圖的視頻文件第 13 周：撰寫設(shè)計說明書 第 14 周：提交論文、圖紙、查重報告，準(zhǔn)備答辯 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 房立新等.行星輪式爬樓梯電動輪椅[P].中國專利號：CN102125488A，2011 年 7 月. 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[18] Zhang Li,Wu Bo,Jin Ai-min,et al.A Star-Wheel Stair-Climbing Wheelchair [J].Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing，2014.9 附：文獻(xiàn)綜述或報告 1 引言 在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口密度越來越大的現(xiàn)代社會里，樓梯的誕生緩解了建筑用地 日益緊張的壓力，提高了人們對空間的利用率。但是大部分人住在公寓式樓房內(nèi)，而 一般的 7 層以下的樓房都沒有安裝電梯，這給老年人或者腿部殘疾人士帶來了很多的不便。在這種情況下，樓梯對于他們往往意味著一個巨大的障礙需要去克服，給他們 的出行帶來了很多不便，影響他們與外界的溝通交流。 另外這一問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多[3]日益突出。2002 年，全世界 80 歲以上老年人口達(dá)到 6.06 億，而且正在以比總?cè)丝诳斓乃俣冗f增，據(jù)聯(lián)合國估計， 2020 年將達(dá)到 10 億 這些人群在出行的時候多數(shù)是需要輪椅的，老年人和殘疾人比例的顯著增加給醫(yī)療，護(hù)理，社會服務(wù)方面的需求帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，加重了社會和 個人的家庭的負(fù)擔(dān)，而且也影響到了他們的正常生活。 輪椅對于年老體弱者及肢體傷殘者而言是他們必不可少的代步工具，其應(yīng)用需求 越來越大。但是，它們一般僅適合在平地上使用，很少具備爬樓梯和翻越路障的能力， 這給輪椅使用者帶來諸多不便。由于傷殘者對回歸社會和獨(dú)立生活的渴望，促使輪椅 的性能和質(zhì)量不斷完善和提高[4]。為此，目前也有很多人致力于爬樓梯輪椅的研究。 我國的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社 會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，考慮老年人及殘疾人對出行的方便性的 需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi)，國外起步比較早，1982 年美國科學(xué)家 Bray 發(fā)明了第一個爬樓梯輪椅[16]，此后各個國家紛紛推出了各自的產(chǎn)品，取得了很多成果，很多已 經(jīng)上市。我國在這方面研究比較晚，針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成 效，但主要還停留在實(shí)驗室或是少數(shù)量產(chǎn)，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空 間。 圖 1 國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖 爬樓輪椅專利申請的時間分布及分析[15]。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻(xiàn)出現(xiàn)較 早，最早的有關(guān)爬樓輪椅的專利出現(xiàn)在 1912 年。國內(nèi)關(guān)于這一主題的申請最早出現(xiàn) 在 1991 年，比發(fā)達(dá)國家晚了近 80 年，在進(jìn)入 21 世紀(jì)以后才逐漸發(fā)展起來。圖 1 是 1960 年至 2016 年國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖。可以看出，2008 年后該主題的專利申請量明顯上漲，反映出隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們對老齡群體和殘疾人士 的關(guān)注度大大提高。 總體而言，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同，通常采用三種結(jié)構(gòu)原理[5]，一種結(jié)構(gòu)是采用行 星輪機(jī)構(gòu); 一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬樓梯輪椅; 一種結(jié)構(gòu)是腿足式結(jié)構(gòu)。另外還有很多種的輔助裝置。 (1)行星輪式 行星輪式是交通運(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在國外一些爬樓機(jī)器人中 也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。輪椅應(yīng)用方面，普通輪椅以及電動輪椅都是采用的這種輪式 結(jié)構(gòu)，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)平衡快速地移動，能量利用效率高， 采用差動傳動時轉(zhuǎn)向半徑小，轉(zhuǎn)向靈活[6-9]。對于行星輪型爬樓輪椅，結(jié)構(gòu)簡單，并利 用自鎖機(jī)構(gòu)保證上下樓梯時不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應(yīng)性較差，不能滿足使 用者對舒適性和可靠性的需求。 (2）履帶式 第二種是履帶式，履帶式原理比較簡單，和履帶式坦克裝甲車類似，技術(shù)也比較 成熟，它的行走方式比行星輪式爬樓輪椅更為連續(xù)，具有很高的傳動效率，在上下樓 梯的時候，輪椅的重心始終和樓梯臺階沿的連線保持平行，輪椅的重心波動很小，比 較平穩(wěn)。履帶式機(jī)構(gòu)支撐面積大，通過性能好，下陷度小，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力， 爬坡，越溝等性能相對于輪式機(jī)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時采用履帶輪的方式， 保證了上下樓梯過程的連續(xù)性[8-9]。但是，所述履帶輪型爬樓輪椅無法實(shí)現(xiàn)從斜面到平 面的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，且結(jié)構(gòu)笨重，對樓梯邊沿的損害程度很大，運(yùn)動過程的阻力矩較 大，換向過程實(shí)現(xiàn)困難，能源利用效率低，這些問題在很大程度上限制了該型輪椅在 上下樓梯中的使用。 （3）腿足式 對于腿足式結(jié)構(gòu)爬樓梯輪椅，該結(jié)構(gòu)模仿人上下樓梯的動作，采用一組或幾組腿 交替升降、支撐爬樓的原理，對樓梯的適應(yīng)性很強(qiáng)，上樓時，先將整個輪椅升高，再 水平向前移動，如此重復(fù)這兩個過程就直至爬完一段樓梯。腿足式爬樓梯裝置模仿了 人類爬樓的動作，外觀其實(shí)可以視為機(jī)器人，采用多條機(jī)械臂交替升降，支撐輪椅爬 樓的原理[8-9]。但是，其承載重心偏高，傾翻危險性大，對穩(wěn)定性要求極高，控制難度 很大，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還有諸多問題需要解決。 （4）其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種[16]。 第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實(shí)現(xiàn) 爬樓的目的，它們是獨(dú)立的裝置，可以輔助普通的輪椅實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。 第二種是軌道式爬樓梯裝置，通過在普通樓梯上安裝軌道實(shí)現(xiàn)普通輪椅或者 其他交通裝置實(shí)現(xiàn)上樓和下樓。 總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點(diǎn)可以看出，發(fā)展至今大多數(shù)爬樓梯裝置的自主 性不高，仍需在旁人協(xié)助的條件下實(shí)現(xiàn)上下樓梯，而且在穩(wěn)定性和安全性等可靠性方 面存在的很多問題也值得深入研究。如何在保障爬樓梯輪椅整體體積小、重量輕的前 提下，結(jié)合先進(jìn)的傳感手段和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其可靠、平穩(wěn)的上下樓梯將是今后“老人 /殘障者上下樓梯助行系統(tǒng)”研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。 3 爬樓梯輪椅系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 爬樓梯輪椅系統(tǒng)研究內(nèi)容主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計兩大部分組成[10]。 其中機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計主要完成爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計、輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計兩方面內(nèi)容; 控制系統(tǒng)設(shè)計包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)算法兩部分，爬樓梯輪椅系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu) 如圖 2 所示。這兩部分內(nèi)容緊密聯(lián)系、相輔相成共同作用實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動路徑和運(yùn)動狀態(tài)。 圖 2 爬樓梯輪椅系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu) 3． 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的應(yīng)滿足爬樓梯助行系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、整體重量小，具有合 理的路徑規(guī)劃能實(shí)現(xiàn)連貫爬升運(yùn)動。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣程度很大范圍內(nèi)決定了系統(tǒng) 的適應(yīng)能力及控制過程的難易程度，是系統(tǒng)設(shè)計的核心所在。 3． 1． 1 爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計 爬樓梯輪椅系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是爬升機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬越樓梯這種越障運(yùn) 動的主要有星輪式、履帶式、腿足式 3 種。在這 3 種爬升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸取各自的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展組合式的爬樓梯裝置將是今后研究的創(chuàng)新方向。 結(jié)合爬樓梯運(yùn)動路徑的特點(diǎn)，采用可將獨(dú)立運(yùn)動分解為兩個有差異運(yùn)動，或?qū)? 個有差異的運(yùn)動合成為一個運(yùn)動的差動機(jī)構(gòu)、組合型機(jī)構(gòu)、新型變形機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)輪 椅從平地運(yùn)動—爬升運(yùn)動—平地運(yùn)動過程的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化。綜合考慮輪、腿、履帶機(jī) 構(gòu)的優(yōu)勢，把三者復(fù)合起來使用，可有效克服各自的不足，保障爬樓梯輪椅能夠安全、 可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過程。 3． 1． 2 輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計 電動爬樓梯輪椅的使用群體是老年人以及殘障者，因此對輪椅的使用安全性要求 極高。同時，在上下樓梯運(yùn)行過程中，質(zhì)心位置、支撐條件的不斷變化對系統(tǒng)安全、 可靠的實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)動軌跡提出了很高的要求。 為保證爬升過程的安全性，爬升裝置和輪椅以及使用者的總重心必須始終位于支 撐裝置與樓梯臺階支撐點(diǎn)之間。系統(tǒng)由平地狀態(tài)突然啟動時，由于自身的慣性作用會 發(fā)生后傾的現(xiàn)象，為了解決這一問題通常在系統(tǒng)的后部增加了一個防止后傾的裝置; 為了避免爬升過程前傾的危險，考慮擴(kuò)大支撐邊界，來增加前傾穩(wěn)定裕量是有效的解 決辦法; 為保證上下樓梯操作的安全性，需有相應(yīng)的鎖定裝置，一旦輪椅傾斜角度超出傾翻穩(wěn)定性要求范圍之外，鎖定裝置鎖定，支撐裝置支撐在樓梯臺階上。 從乘坐著舒適性角度出發(fā)，輪椅椅面要始終保持水平，如果輪椅椅面前傾乘坐者 就會有種向前栽的感覺，假如輪椅椅面后傾，乘坐者的后背就會緊緊的依靠在輪椅架 上從而輪椅有后傾的趨勢。為了使輪椅椅面保持水平，通常采用三點(diǎn)高副球鉸接機(jī)構(gòu) 的椅面平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中，一點(diǎn)高副球鉸接固定，兩點(diǎn)高副球鉸接可調(diào)，用于調(diào)節(jié) 椅面的平衡。 3． 2 控制系統(tǒng)設(shè)計 為保證爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過程，并可同時作為 電動輪椅使用，爬樓梯輪椅的控制器必須具有很強(qiáng)的功能; 除根據(jù)電動輪椅控制器所具有的速度調(diào)節(jié)、運(yùn)動控制、故障檢測等功能之外，還必須具有可以實(shí)時檢測使用者 的坐姿和位置、爬樓梯輪椅與樓梯的相對位置、爬樓梯輪椅的運(yùn)動狀態(tài)等功能，并可 以根據(jù)傳感器信息對爬樓梯輪椅的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行正確的控制或給出報警信號。 3． 2． 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 爬樓梯輪椅系統(tǒng)除了完成普通輪椅功能要求之外還需運(yùn)行在電動輪椅和上下樓 梯輪椅兩種模式下，其控制功能應(yīng)分別由兩套相互獨(dú)立的開環(huán)控制系統(tǒng)來完成，以實(shí) 現(xiàn)平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度寬度的樓梯功能要求，這也就導(dǎo) 致電動爬樓梯輪椅的運(yùn)動形式十分復(fù)雜，應(yīng)針對不同環(huán)境下輪椅需要實(shí)現(xiàn)的動作設(shè)計 爬樓梯的控制系統(tǒng)。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人控制技術(shù)大量應(yīng)用于爬樓梯輪椅的控制系統(tǒng) 中，使得爬樓梯輪椅具有更好的交互性，適應(yīng)性和自主性。采用嵌入式控制系統(tǒng)可有 效解決信息集中處理使得上位機(jī)信心處理量大，負(fù)擔(dān)重，實(shí)時性差無法滿足實(shí)際使用 的缺點(diǎn)，為爬樓梯輪椅控制系統(tǒng)的研究提供了新的方向。中科院自動化所研制的嵌入 式多功能輪椅系統(tǒng)在該方面進(jìn)行了嘗試，采用 ARM + DSP + FPGA 的方式來構(gòu)建多功能輪椅的中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)系統(tǒng) 運(yùn)行穩(wěn)定，具有實(shí)時性高、功耗低，續(xù)航時間長的特點(diǎn)，為爬樓梯輪椅向產(chǎn)業(yè)化方向 發(fā)展邁進(jìn)了一大步。 3． 2． 2 控制系統(tǒng)算法 在未知和不確定的環(huán)境下，爬樓梯輪椅需要通過多種傳感器收集數(shù)據(jù)，用以界定 周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息，需要用一定算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合，比較完整地反映 環(huán)境特征和自身狀態(tài)，為系統(tǒng)運(yùn)動控制提供精確的數(shù)據(jù)信息。爬樓梯輪椅在行駛時必 須不斷地感知周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息，所以要求控制系統(tǒng)算法能夠?qū)?shí)時提供的各 種信息進(jìn)行快速有效處理，并能保證信息的完整性。 常規(guī)的 PID 控制雖然具有算法簡單、精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是僅對于可建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)具有很好的控制作用。對于爬樓梯輪椅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而 言，被控對象復(fù)雜，具有非線性、強(qiáng)耦合以及時變性的特點(diǎn)，很難達(dá)到控制系統(tǒng)的精 確魯棒性和抗干擾性能。模糊控制具有魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能較好的適應(yīng)輪椅運(yùn)行過程 中路況突變等干擾條件，但單純的模糊控制不能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[11]。使用 復(fù)合算法可以使控制器有較強(qiáng)的魯棒性和較小的靜態(tài)誤差，但復(fù)雜的算法本身就是控 制器實(shí)現(xiàn)的障礙。模糊 PID 控制器結(jié)合了模糊控制和 PID 控制器兩者的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同的偏差和偏差變化率選擇不同的比例、微分、積分參數(shù)，從而即具有模糊控制 靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID 控制器精度高的特點(diǎn)，對爬樓梯輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。模糊控制系統(tǒng)的工作原理如圖 3 所示。 圖 3 模糊控制系統(tǒng)工作原理 4 發(fā)展趨勢與展望 綜上所述，針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成效，但也要看到目前 階段主要還停留在實(shí)驗室或是少數(shù)定做，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，在研究上仍有很多空間。 未來的研究將向以下幾個方面發(fā)展[11]。 ( 1) 質(zhì)量輕 爬樓梯輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用，必須考慮其應(yīng)用的情況。作為代步工具， 爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機(jī)載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長 續(xù)航時間。同時，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時的靈活性，降低控制的難度。 ( 2) 可靠性高 爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士，爬樓梯輪椅的 設(shè)計應(yīng)從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，爬樓梯過程中應(yīng)保證重心 波動小，安全保證措施響應(yīng)及時。 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅作為使用者生活中重要的部分，在功能設(shè)計上應(yīng)最大程度的滿足人性化要求，構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活 的各個方面。 ( 4) 價格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個重要因素是價格因素，爬樓梯輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價比。 隨著人工智能技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，爬 樓梯輪椅的研究也呈現(xiàn)出全新的局面，朝著人機(jī)一體化的方向不斷發(fā)展。相信在不久 的將來，電動爬樓梯輪椅將真正融入到老年人和殘障人士的生活中，大大改善他們的 生活質(zhì)量，使他們的出行更為方便，樓梯和路障將不再是他們出行的障礙，幫助他們 重新融入到社會中去。 5 結(jié)語 本次闡述了爬樓輪椅研究的背景，研究目的和意義，分析了爬樓輪椅的幾種常見 爬樓方案，總結(jié)出了各種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了爬樓輪 椅未來的發(fā)展趨勢，由此確定了本設(shè)計方案的研究內(nèi)容和安排，敘述了爬樓梯輪椅的 關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)研究工作的展開奠定了基礎(chǔ)。