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河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
河北工業(yè)大學(xué)201x屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：輪組式爬樓梯輪椅機器人傳動系統(tǒng)設(shè)計
專業(yè)（方向）：機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生信息：學(xué)號： 姓名：班級：
指導(dǎo)教師信息：姓名：職稱：
報告提交日期：
內(nèi)容要求：
1確定方案
先比較履帶式和輪組式的爬樓梯輪椅，履帶式機構(gòu)與地面接觸面積大，下陷度小，行走時重心平穩(wěn)，上下樓穩(wěn)定，但他的體積大，較笨重，傳動效率低。輪組式正好相反， 。
在和前期報告中的想法比較、對比之后確定了最可行的方案。和ibot基本相似，裝置底部安裝兩組直徑30cm的車輪，前輪較小作為支撐和控制方向使用，后邊是四個爬樓輔助輪，以行星輪的方式連接，既可以繞主軸公轉(zhuǎn)，也可以獨自旋轉(zhuǎn)，通過電機進行驅(qū)動及完成爬樓目的。裝置在平地?zé)o障礙情況下運動與普通的電動輪椅類似，前輪采用萬向輪，后輪作為驅(qū)動輪，前輪會根據(jù)后輪的行進方向自動調(diào)整以使其與后輪保持一致。爬樓梯時由后輪四個輔助輪翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)。前輪離開地面，由四個爬樓輔助輪支撐著地，以上樓為例，裝置在臺階上運動，在驅(qū)動軸的作用下，所有后輪由中軸上的電動機驅(qū)動，隨著中軸進行公轉(zhuǎn)，兩對輪交替進行翻爬樓梯。
考慮到輪椅車運動的靈活性、控制的難易程度、能量利用率、使用安全性等，最終采用iBOT的爬樓梯功能采用行星輪式。傳動結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。
圖 1-1
三維實體如圖1-2.
圖1-2
前輪采用萬向輪進行支撐和輔助換向，后輪采用以上結(jié)構(gòu)。兩側(cè)車輪各兩個行星輪，其轉(zhuǎn)動分別靠一個直流電動機驅(qū)動，電動機通過減速器將轉(zhuǎn)動傳遞到主軸上，然后通過齒輪傳遞到行星輪。為了減小驅(qū)動之輪的大小，滿足車輪之間的間距，在主軸和行星輪之間加入兩個過度齒輪。這樣在電動機的驅(qū)動下，兩個車輪轉(zhuǎn)動的方向、轉(zhuǎn)速總是一致的。兩個行星輪均可單獨作為驅(qū)動輪，當(dāng)乘坐者選擇只讓兩個后輪著地時可以減少轉(zhuǎn)彎的半徑，運動更加靈活。在崎嶇的道路上行走時，可將后部分的四個輪子全部著地變成四輪驅(qū)動輪椅，增加輪椅的動力性能。
2 基本參數(shù)的確定
根據(jù)GB 12996國家標準規(guī)定，電動輪椅車正常行駛速度小于18km/h，爬坡角度大于6°，最小回轉(zhuǎn)半徑為2m。根據(jù)《住宅設(shè)計規(guī)范》所示，樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于1．10m，不超過六層的住宅，一邊設(shè)有欄桿的梯段凈寬不應(yīng)小于1．00m；樓梯踏步寬度不應(yīng)小于0．28m，踏步高度不應(yīng)大于0．175m。扶手高度不應(yīng)小于0．90m。樓梯水平段欄桿長度大于0．50m時，其扶手高度不應(yīng)小于1．05m。樓梯欄桿垂直桿件間凈空不應(yīng)大于0．11m；樓梯平臺凈寬不應(yīng)小于樓梯梯段凈寬，且不得小于1．20m。樓梯平臺的結(jié)構(gòu)下緣至人行通道的垂直高度不應(yīng)低于2．00m。入口處地坪與室外地面應(yīng)有高差，并不應(yīng)小于0．10m。在此取后輪直徑為280mm。
根據(jù)我國對樓梯尺寸標準的要求，認為在踏步寬度最小的情況下，輪椅車攀爬樓梯的難度最大，所以對車輪直徑的驗證級兩車輪中心距的確定均在踏步寬度為280mm，高度為130mm的臺階上進行。
圖2.1
如圖2.1所示，為了滿足爬樓的條件，兩后輪中心距應(yīng)該滿足L==308.7mm，圓整為L=310mm。兩輪之間通過傳動齒輪的固定支架相連，定軸輪系采用五個參數(shù)相同的圓柱齒輪進行傳動，可降低生產(chǎn)成本簡化結(jié)構(gòu)。如圖2.2所示，大圓為車輪小圓為定軸輪系。相鄰兩齒輪的中心距a=310/4=77.5mm。初步設(shè)定整個輪椅質(zhì)量為40KG，承載的人的質(zhì)量為80KG，平坦路面行駛速度為V1=1.5~2m/s，爬30°坡時的速度為V2=0.5M/s，上下樓梯是翻轉(zhuǎn)速度為n=0.5~0.75r/s。
圖2.2
3.電機的選取
3.1行走機構(gòu)
水平路面受力分析：假設(shè)輪椅和人的質(zhì)量分別為50kg和80kg，經(jīng)受力分析如圖
N1=N2=G/4， F1=μN1，F(xiàn)2=μN2，μ為滾動摩擦，查手冊μ=0.05.
可得平地行走時功率P1=μGV=0.05×（50+80）×10×2=130W。
爬30°坡受力分析：受力分析如圖
所需的總功率為P2=GVsin30°=（50+80）×10×0.5×sin30°=325W。
根據(jù)行走機構(gòu)平面和爬坡分析結(jié)果，同時考慮行星輪減速器和軸承等的傳動效率，選取兩個250W的直流電動機。爬坡時所需功率較大，爬坡時移動速度為0.5m/s，則車輪轉(zhuǎn)速為：
r/min
中心軸傳動轉(zhuǎn)矩T=
初步設(shè)定末級圓錐齒輪傳動比為2，查閱樣本初選行星輪減速箱減速比為74：1，算得所需電機轉(zhuǎn)矩為M==0.307N·m。
查詢電動機，可見瑞士maxon EC系列的無刷直流電動機性價比高，根據(jù)網(wǎng)站篩選選擇型號為EC 45，250W的電動機，產(chǎn)品編號為136207。通過網(wǎng)站的配套篩選功能，選取配套的行星輪減速箱，型號為GP 42，直徑42mm，減速比74:1，產(chǎn)品編號為203123。
3.2翻轉(zhuǎn)機構(gòu)
行星輪系需要不斷翻轉(zhuǎn)來爬樓，所以輪椅和輪系只能通過軸承連接，這樣就造成輪椅的重心不穩(wěn)，容易向前或向后翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)爬樓的過程就是將重心不斷向上向前移動的過程，所以保持重心位置的確定十分關(guān)鍵，既不能在輪椅運行的時候失去平衡，也不能給電機帶來太大的負擔(dān)，通過綜合考慮最終將輪椅車和人整體的重心置于距離后輪軸心185mm處。爬樓梯時，乘坐的人需要靠到后背上，經(jīng)計算，爬樓所需克服的阻力矩為M=（50+80）×10×0.185=240.5Nm，當(dāng)爬樓時回轉(zhuǎn)速度，求得爬樓所需功率P2=M·=180.4W。
爬樓時每側(cè)的功率P=180.4/2=90.2W，轉(zhuǎn)矩：
T=
初步取末級圓柱齒輪傳動比為2，行星輪減速器的減速比為186：1，則所需電機的轉(zhuǎn)矩大約為
M=Nm
與行走機構(gòu)類似，選取瑞士maxon無刷直流電動機，型號為EC 45，250W，編號136207.選用配套的行星輪減速箱，型號為GP 52 C，產(chǎn)品編號為223099，減速比為186：1。
4.傳動機構(gòu)尺寸設(shè)計
定軸輪系齒輪選擇斜齒圓柱齒輪，后面兩輪的前后中心距是L=310mm，各齒輪大小相同，則每兩個小齒輪的中心距a=310/4=77.5mm。由計算，可初步選用齒數(shù)Z=15，m=5，β=15°，分度圓直徑d1=77.65mm，取齒寬系數(shù)=0.4，則尺寬b=30mm。末端直齒圓錐齒輪，選取Z1=20，Z2=40，m1=1.5。
翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的末級直齒圓錐齒輪，取Z1=14，Z2=28，m2=1.5。
5 小結(jié)
大體的結(jié)構(gòu)圖如下，具體裝備圖及齒輪和軸的校核將寫到最后的說明書中。
參考文獻：
《機械設(shè)計手冊第五版》 成大先主編
《機械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》哈爾濱工業(yè)大學(xué) 宋寶玉主編
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《基于行星輪系的爬樓梯輪椅的研究》http://www.docin.com/p-144122687.html
《機械行星式無級變速器設(shè)計》 http://max.book118.com/html/2013/0223/3374983.shtm
《電動輪椅》沐風(fēng)網(wǎng)
《一種雙聯(lián)行星輪機構(gòu)電動爬樓梯輪椅的設(shè)計[J]》 蘇和平，王人成
《中華人民共和國國家標準，電動輪椅車 GB12996-91》 國家技術(shù)監(jiān)督局
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