多功能坐態(tài)調(diào)整電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)含catia三維張CAD圖
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多功能坐態(tài)調(diào)整輪椅設(shè)計(jì)
摘 要
輪椅是行動(dòng)不便的老年人與殘疾人群日常生活中最重要的工具，他不僅為行動(dòng)不便的人代步，同時(shí)下肢不便的人可以借助輪椅來(lái)進(jìn)行鍛煉和恢復(fù)，更可以幫助他們與周?chē)娜巳哼M(jìn)行交流，更好的融入社會(huì)。在這種環(huán)境下，輪椅的需求變得越來(lái)越大。但普通輪椅需要人力推動(dòng)或使用者本人進(jìn)行推動(dòng)來(lái)行進(jìn)、后退，且很難進(jìn)行轉(zhuǎn)彎等的操作。因使用者長(zhǎng)時(shí)間坐在輪椅上，又無(wú)法通過(guò)自己調(diào)整坐態(tài)，更是加劇了使用者的疲勞程度。對(duì)于下肢不便的人來(lái)說(shuō)，輪椅可以達(dá)到的高度又是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，高處的東西自己完全碰不到，又無(wú)法通過(guò)自己站起來(lái)。量身定做或現(xiàn)有的電動(dòng)輪椅價(jià)格又過(guò)高，很多人無(wú)法接受，使用統(tǒng)一型號(hào)的輪椅，舒適度會(huì)大大降低。為了幫助這些需要輪椅的人群，我設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉，極為舒適的多功能坐態(tài)調(diào)整的電動(dòng)輪椅。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外電動(dòng)輪椅的研究成果與國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的調(diào)查分析后，確定了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與方向。國(guó)內(nèi)成品電動(dòng)輪椅功能普遍單一。國(guó)外成品電動(dòng)輪椅造價(jià)過(guò)高，結(jié)構(gòu)反鎖，操作復(fù)雜，無(wú)法滿(mǎn)足老年人的需求。本次設(shè)計(jì)使用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，通過(guò)電推桿與電機(jī)來(lái)控制輪椅的上升下降與座椅調(diào)節(jié)，通過(guò)六輪行走機(jī)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足輪椅需要的行走要求。同時(shí)簡(jiǎn)化了輪椅的操作，使用操作桿與簡(jiǎn)單按鍵來(lái)控制輪椅的所有功能。
本次設(shè)計(jì)根據(jù)老年人與殘疾人群的心理與生理需求，運(yùn)用人性化的設(shè)計(jì)，整合，修改了現(xiàn)有電動(dòng)輪椅的外觀(guān)，結(jié)構(gòu)與功能，使用catia建模，計(jì)算分析，設(shè)計(jì)出了一種新型多功能坐態(tài)調(diào)整輪椅。可以使老年人或殘疾人群在脫離家屬，護(hù)理人員時(shí)完成盡可能多的動(dòng)作。
關(guān)鍵詞：輪椅；多功能；老年人；坐態(tài)調(diào)整
Abstract
Wheelchair is the most important tool in the daily life of the elderly and disabled. It is not only for the people with mobility, but also for those with lower extremities for exercise and recovery. More can help them communicate with the surrounding groups, better integration into society. In this environment, wheelchair demand is growing. But ordinary wheelchairs need human push or the user to push forward, backward, and difficult to make turns and so on. Sitting in wheelchairs for a long time, unable to adjust the sitting state, exacerbated the fatigue of the users. For people with lower extremities, wheelchair can reach a height is far from enough, the height of things themselves can not touch, can not stand up through their own. Customized or the existing electric wheelchair prices are too high, many people can not accept, the use of a unified model of wheelchairs, comfort will be greatly reduced. To help these people in need of wheelchairs, I have designed an electric wheelchair with simple structure, easy operation, low price and extremely comfortable multi-function seat adjustment.
The main contents and direction of the graduation design are determined by the research results of electric wheelchairs at home and abroad and the investigation and analysis of the domestic and foreign markets. Domestic finished electric wheelchair function is generally single. Foreign finished electric wheelchair is too expensive, structural lock, complex operation, unable to meet the needs of the elderly. The design uses simple structure, through electric push rod and motor to control the rise and fall of the wheelchair, through the six-wheel walking mechanism to meet the needs of the wheelchair walking requirements. At the same time, it simplifies the operation of the wheelchair, and controls all the functions of the wheelchair by using the lever and the simple button.
According to the psychological and physiological needs of the elderly and the disabled, this design modifies the appearance, structure and function of the existing electric wheelchair by using the humanized design and integration, and uses catia to model, calculate and analyze. A new multi-function seat adjusting wheelchair is
designed. The elderly or disabled can perform as many actions as possible when they are separated from their families and nursing staff.
Keywords:wheel chair;multifunctional;old people;sitting regulation
目 錄
第一章 緒 論 1
1.1研究背景目的和意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況 2
1.3論文結(jié)構(gòu)及研究?jī)?nèi)容 4
1.4本章小結(jié) 5
第二章 總體設(shè)計(jì)方案 6
2.1設(shè)計(jì)要求 6
2.2設(shè)計(jì)方案 6
2.3本章小結(jié) 8
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1行駛機(jī)構(gòu)與底盤(pán) 9
3.1.1行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.2.2行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理 11
3.2.3電機(jī)與減速器校核計(jì)算 12
3.2座椅機(jī)構(gòu) 15
3.2.1電機(jī)的選用 15
3.2.2結(jié)構(gòu)及工作原理 16
3.2.3 連接機(jī)構(gòu)齒輪的選取 19
3.3抬升機(jī)構(gòu) 21
3.3.1結(jié)構(gòu)及工作原理 21
3.3.2運(yùn)動(dòng)行程與受力分析 24
3.4 本章小結(jié) 26
第四章 控制系統(tǒng) 27
4.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 27
4.2本章總結(jié) 30
第五章 總結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
第一章 緒 論
1.1研究背景目的和意義
隨著中國(guó)快速的發(fā)展，醫(yī)療條件的改善與提高，人們對(duì)生活高質(zhì)量的需求也越發(fā)提高。國(guó)內(nèi)的學(xué)者研究并指出了中國(guó)的人口老齡化越發(fā)嚴(yán)重，在近幾年內(nèi)將呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長(zhǎng)。自然災(zāi)害與意外傷害的原因，下肢不便人群的數(shù)目越發(fā)的增多。除此之外，還有一些天生殘障致使下肢不便的人群因醫(yī)療條件的改善，人數(shù)也越發(fā)增多。
這三大類(lèi)人群，都不同程度的喪失了行走，視覺(jué)，動(dòng)手，語(yǔ)言能力。他們是國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的人群，對(duì)于每個(gè)家庭來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)成員任何一個(gè)生命都不可以去輕易放棄。他們的生活需要專(zhuān)業(yè)的醫(yī)療與護(hù)理，針對(duì)他們社會(huì)提供福利慢慢成為社會(huì)的負(fù)擔(dān)。國(guó)家對(duì)這三類(lèi)人群提供的醫(yī)療與護(hù)理福利，對(duì)經(jīng)濟(jì)也產(chǎn)生了很大的壓力，在不久的將來(lái)可能會(huì)使經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生負(fù)增長(zhǎng)等不利影響。
正常人對(duì)生活質(zhì)量的追求都在慢慢提高，而這三類(lèi)人群也在慢慢提高自己對(duì)生活質(zhì)量的要求。為了減少護(hù)理人員，以減輕社會(huì)與家庭的經(jīng)濟(jì)壓力，還可以使這三類(lèi)人群的生活質(zhì)量得到提高，同時(shí)可以幫助他們進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以一個(gè)多功能，全自動(dòng)的輪椅極為重要。輪椅作為下肢不便人群最重要生活工具，其作用不應(yīng)僅僅是代步，最重要的幾點(diǎn)有：要提高使用者的生活自由度，可以讓下肢不便的人群參與人群活動(dòng)，進(jìn)入社會(huì)。還要具備可以進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的功能。
服務(wù)類(lèi)的服務(wù)類(lèi)電動(dòng)機(jī)械裝置每年以50%速度在增長(zhǎng)著，全自動(dòng)機(jī)械裝置有著人類(lèi)的反應(yīng)速度與判斷能力，同時(shí)具有機(jī)械裝置獨(dú)有的工作時(shí)間長(zhǎng)，精度性與速度高，可靠性穩(wěn)定性高，對(duì)環(huán)境需求不高，惡劣環(huán)境下都可進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn)。
在中國(guó)這么一個(gè)人口老齡化嚴(yán)重的國(guó)家，每年需求的輪椅數(shù)在快速增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)好的輪椅，可以更好的滿(mǎn)足這群人。
一個(gè)全自動(dòng)的電動(dòng)輪椅是下肢不便人群提供更好的代步工具，最重要的是讓他們可以獨(dú)自，獨(dú)立的正常生活。在未來(lái)，全自動(dòng)電動(dòng)輪椅一定是不可缺少的，各個(gè)國(guó)家也在加速電動(dòng)輪椅的研發(fā)工作，可以看到，輪椅產(chǎn)業(yè)后面隱藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
專(zhuān)家指出，服務(wù)類(lèi)電動(dòng)機(jī)械裝置將成為個(gè)人電腦，家電后第三類(lèi)人類(lèi)最需要的工具，同時(shí)電動(dòng)的輪椅會(huì)提供很好的社會(huì)效應(yīng)，幫助很多家庭減輕經(jīng)濟(jì)壓力，
2
同時(shí)也為國(guó)家減輕壓力。
在人性化方面，全自動(dòng)的電動(dòng)輪椅對(duì)于下肢不變的人群來(lái)說(shuō)不只是在服務(wù)他們，同時(shí)也是一種陪伴。全自動(dòng)輪椅對(duì)這群人有著很深的意義，對(duì)社會(huì)，對(duì)國(guó)人類(lèi)幸福感的提升也有著很深的意義。
1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況
我國(guó)主要從事于全自動(dòng)輪椅的機(jī)構(gòu)非常少，同時(shí)因?yàn)槠鸩捷^晚，基礎(chǔ)也非常薄弱，主要是在電動(dòng)輪椅的機(jī)構(gòu)與操作性上無(wú)法與國(guó)外一些專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)比較。但經(jīng)過(guò)我國(guó)科研人員的不懈努力，同樣也研制出了一些帶有自身特色，獨(dú)特功能的電動(dòng)輪椅。
在中國(guó)主要從事全自動(dòng)輪椅的機(jī)構(gòu)有中國(guó)科學(xué)院，一些高等院校與醫(yī)療器械機(jī)構(gòu)。但國(guó)產(chǎn)電動(dòng)輪椅的控制器大多使用的是國(guó)外進(jìn)口的成品控制器，所以國(guó)內(nèi)的電動(dòng)輪椅造價(jià)普遍很高，但利潤(rùn)非常低。單單國(guó)外的控制器的價(jià)格就要占據(jù)整個(gè)電動(dòng)輪椅一半以上的造價(jià)。而一些精密的零件，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠(chǎng)家又無(wú)法通過(guò)自身進(jìn)行制造，所以現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)電動(dòng)輪椅在國(guó)際市場(chǎng)上沒(méi)有產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)際上的電動(dòng)輪椅主要還是由國(guó)外的電動(dòng)輪椅制造產(chǎn)商占據(jù)。
在國(guó)內(nèi)全電動(dòng)輪椅市場(chǎng)，電動(dòng)輪椅的類(lèi)型幾乎相同，功能也幾乎一樣，如圖1-1所示。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中主流的電動(dòng)輪椅，大多只有前進(jìn)后退功能。而商家多數(shù)使用輕盈的材料與可折疊性來(lái)吸引顧客。
可見(jiàn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的電動(dòng)輪椅根本無(wú)法達(dá)到多數(shù)使用者的要求，且價(jià)格普遍在千元左右，一些大品牌的全自動(dòng)輪椅，最低價(jià)格也要在萬(wàn)元左右。即使因?yàn)槠放贫岣吡藘r(jià)格，性能，功能也沒(méi)多少改變。
除了這些市面上常見(jiàn)的電動(dòng)輪椅外，中國(guó)科學(xué)院里的自動(dòng)化研究所制作了一款具有視覺(jué)與語(yǔ)音導(dǎo)航功能一體的，通過(guò)語(yǔ)音可以與使用者進(jìn)行人機(jī)交互的輪椅。該輪椅運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖像處理，視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別的最新研究成果。有點(diǎn)像蘋(píng)果手機(jī)中的Siri，通過(guò)使用者簡(jiǎn)單的語(yǔ)音口令，就可以進(jìn)行人機(jī)交互。更加的解放了使用者，使使用者的體驗(yàn)更好。
還有上海交通大學(xué)制作的全自動(dòng)輪椅，配有激光測(cè)距雷達(dá)與圖像識(shí)別傳感器。激光測(cè)距等傳感器的使用，使輪椅具有記憶功能，可根據(jù)使用者日常的行為進(jìn)行自主導(dǎo)航。并且避障靈敏度相當(dāng)高，在多障礙的工作條件下可以根據(jù)傳感器自主的規(guī)劃行進(jìn)路線(xiàn)，保證了使用者的安全性。且該全自動(dòng)輪椅配備了電子顯示屏，語(yǔ)音識(shí)別，通過(guò)電子顯示屏與語(yǔ)音識(shí)別，可以更好的完成人機(jī)交互，完成使用者的各種需求。
圖1-1 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中主流全自動(dòng)輪椅
但這些輪椅的造價(jià)極為昂貴，光是制造成本就要幾十萬(wàn)，根本無(wú)法做到產(chǎn)品化生產(chǎn)，跟不用說(shuō)去普及。
國(guó)外全自動(dòng)電動(dòng)輪椅的研究可以說(shuō)是非常先進(jìn)，很多大的汽車(chē)企業(yè)在很早之前就投入到全自動(dòng)多功能輪椅的研制中。大部分輪椅也做到了產(chǎn)品化。
最為典型的國(guó)家就是日本。本田，松下等公司在很早以前就已經(jīng)研制出可以產(chǎn)品化生產(chǎn)的電動(dòng)輪椅。在諸多產(chǎn)品化的電動(dòng)輪椅中，日本的saito-kobo公司生產(chǎn)的輪椅尤為典型。該公司從1994年就開(kāi)始研制全自動(dòng)輪椅，圖1-2所示為該公司投入生產(chǎn)的全自動(dòng)輪椅。
首先在日本狹小的房屋中，該輪椅使用六輪來(lái)確保輪椅可以發(fā)揮出強(qiáng)大的動(dòng)力與極小的轉(zhuǎn)彎半徑，由于中輪驅(qū)動(dòng)，以身體為中心，轉(zhuǎn)彎半徑非常小。座椅可以向前傾斜，使使用者可以更方便的接近桌子和洗臉臺(tái)等位置，在下坡時(shí)，座椅可以向后傾斜，以保證使用者的安全。使用平躺功能，可以使輪椅靠背下降，通過(guò)后輪支撐，前輪離地，方便使用者充分休息。輪椅前端的腳板推桿可以伸長(zhǎng)直到與地面接觸，方便使用者脫離輪椅，進(jìn)行其他活動(dòng)。最后就是輪椅上升的功能，通過(guò)該功能，使用者可以觸碰到更高處的東西。
在日本，這種全自動(dòng)的輪椅已經(jīng)產(chǎn)品化生產(chǎn)，因全部零件都是自己國(guó)家制造，所以?xún)r(jià)格較中國(guó)輪椅來(lái)說(shuō)，非常的低，在日本人經(jīng)濟(jì)可承受范圍內(nèi)。
圖1-2 日本saito-kobo公司生產(chǎn)的全自動(dòng)輪椅
1.3論文結(jié)構(gòu)及研究?jī)?nèi)容
本文主要介紹了全制動(dòng)坐態(tài)調(diào)整輪椅的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)，通過(guò)網(wǎng)上資料，與各方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合CATIA三維建模，來(lái)設(shè)計(jì)出輪椅的結(jié)構(gòu)。在通過(guò)后期的計(jì)算分析，驗(yàn)證了各機(jī)構(gòu)的合理性。全文可分為五大部分：
1） 第一章節(jié)為緒論，對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的電動(dòng)輪椅進(jìn)行比較分析，從我國(guó)的實(shí)際國(guó)情出發(fā)，分析出了我國(guó)電動(dòng)輪椅存在的許多不足點(diǎn)，針對(duì)這些不足點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了新型的電動(dòng)輪椅。
2） 第二章節(jié)為本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，總體方案，與總結(jié)。
3） 第三章為整個(gè)多功能全自動(dòng)坐態(tài)調(diào)整輪椅設(shè)計(jì)詳解，將整個(gè)輪椅的機(jī)構(gòu)分成四大部分：抬升機(jī)構(gòu)，座椅機(jī)構(gòu)，行駛機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)。首先介紹了每個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了每個(gè)結(jié)構(gòu)的工作原理。本次設(shè)計(jì)需要使用電推桿等成品件，也對(duì)這些成品零件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最后對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)與需要使用的電機(jī)進(jìn)行計(jì)算校核來(lái)確保使用的安全性。
4） 第四章節(jié)為整個(gè)輪椅的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)程序說(shuō)明圖來(lái)簡(jiǎn)要的分析與介紹了控制系統(tǒng)。
5） 第五章總結(jié)了全文，并說(shuō)明整個(gè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)與依然存在的缺陷，對(duì)該輪椅的使用做出了說(shuō)明，對(duì)未來(lái)電動(dòng)輪椅的設(shè)計(jì)提出了展望。
1.4本章小結(jié)
本章對(duì)國(guó)內(nèi)外電動(dòng)輪椅市場(chǎng)與現(xiàn)階段電動(dòng)輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，結(jié)合前人的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)述了現(xiàn)階段電動(dòng)輪椅開(kāi)發(fā)研究的情況，為后面設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。
第二章 總體設(shè)計(jì)方案
2.1設(shè)計(jì)要求
本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅，需要在室內(nèi)燈狹小的場(chǎng)所使用，所以輪椅尺寸要參考電動(dòng)輪椅車(chē)外形尺寸的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，表1-1所示。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的電動(dòng)輪椅功能過(guò)于單一，幾乎只有電動(dòng)行駛功能，為了滿(mǎn)足更多人對(duì)電動(dòng)輪椅功能的需求，本次設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下條件:
1) 需要在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定的直線(xiàn)行駛與轉(zhuǎn)彎。
2) 輪椅座椅部分要有升高與擺動(dòng)功能，靠背，靠腿，腳踏板需要進(jìn)行小幅度擺動(dòng)。
3) 使用自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，可以使使用者使用搖桿和按鍵就可以簡(jiǎn)單的操作輪椅的各種功能。
2.2設(shè)計(jì)方案
首先根據(jù)表2-1，粗略的設(shè)計(jì)出電動(dòng)輪椅大致規(guī)格。再對(duì)人體進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)輪椅需要有向后擺動(dòng)的動(dòng)作，根據(jù)電動(dòng)輪椅車(chē)外形尺寸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在電動(dòng)輪椅靠背向后擺動(dòng)時(shí)，頭部無(wú)法全部靠在輪椅靠背上，會(huì)使使用者形成后仰動(dòng)作，很容易造成危險(xiǎn)。
所以本次設(shè)計(jì)，增加了輪椅靠背的長(zhǎng)度，即增高了電動(dòng)輪椅的總高，以保證使用者的正常使用，不會(huì)造成任何危險(xiǎn)。
表2-1 電動(dòng)輪椅車(chē)外形尺寸的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 單位mm
室內(nèi)型、室外形
道路型
總長(zhǎng)1
≤1200
≤1600
總寬b
≤700
≤750
總高h(yuǎn)
≤1090
≤1150
根據(jù)表1-1，再結(jié)合實(shí)際用途，我設(shè)計(jì)的輪椅尺寸為：長(zhǎng)700mm(正常坐姿下)，寬600mm，高為1370mm。
本輪椅主要機(jī)構(gòu)可分為，座椅機(jī)構(gòu)，抬升機(jī)構(gòu)，行駛機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。基于CATIA制作出三維模型圖，如圖2-1所示，1為控制機(jī)構(gòu)，2為座椅機(jī)構(gòu)，3為抬升機(jī)構(gòu)，4為行駛機(jī)構(gòu)。
圖2-1 輪椅的CATIA模型與主要機(jī)構(gòu)劃分與主要尺寸
根據(jù)機(jī)構(gòu)的劃分，通過(guò)各個(gè)機(jī)構(gòu)的配合來(lái)完成輪椅所設(shè)計(jì)的功能。電動(dòng)輪椅各個(gè)機(jī)構(gòu)在保證各機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)功能以外，還滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的所需功能，如圖2-2所示，控制機(jī)構(gòu)可控制輪椅的各項(xiàng)功能。座椅機(jī)構(gòu)可以完成靠背的擺動(dòng)，靠腿的擺動(dòng)以及腳踏板的擺動(dòng)。抬升機(jī)構(gòu)可以完成座椅的上升與下降，并且可以完成座椅前端的上下擺動(dòng)。行駛機(jī)構(gòu)可以完成前后，直線(xiàn)，轉(zhuǎn)彎行駛，底盤(pán)處用來(lái)連接機(jī)構(gòu)，安放電池，控制器等裝置。本次設(shè)計(jì)主要通過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與電推桿來(lái)完成設(shè)計(jì)所需要的各項(xiàng)功能。
圖2-2 各機(jī)構(gòu)功能詳分
2.3本章小結(jié)
本章根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)輪椅功能的要求，制定了一系列設(shè)計(jì)要求。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際測(cè)量，設(shè)計(jì)了輪椅的結(jié)構(gòu)與尺寸，并簡(jiǎn)要的介紹了該電動(dòng)輪椅的運(yùn)行原理。
第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1行駛機(jī)構(gòu)與底盤(pán)
3.1.1行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)最為普遍的結(jié)構(gòu)布局為三種：三輪式，四路式與六輪式。
三輪結(jié)構(gòu)的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)彎半徑小，造價(jià)低廉。但缺點(diǎn)極為明顯，在行進(jìn)中很容易側(cè)翻，穩(wěn)定性極差，極易對(duì)使用者造成二次傷害。
四輪結(jié)構(gòu)的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)為最常見(jiàn)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，是最為主流的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如小汽車(chē)等都是使用四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是平穩(wěn)性很高，可高速行進(jìn)。而唯一的缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)彎半徑不大，無(wú)法進(jìn)行很精確的移動(dòng)。
而六輪結(jié)構(gòu)的輪式移動(dòng)并不常見(jiàn)，但在一些特定情況，三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)與四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法完成的動(dòng)作就需要六輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)代替完成。比如站在科技頂端的火星探測(cè)車(chē)就是使用六輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)確保車(chē)體可以再火星復(fù)雜的地面上行進(jìn)，與精確的探測(cè)。再有大型汽車(chē)，皮卡類(lèi)，都需要六輪來(lái)確保自身的行進(jìn)動(dòng)作。六輪結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度，穩(wěn)定性都極高，擁有一切三輪車(chē)與四輪車(chē)的有點(diǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑又小，所以本次設(shè)計(jì)我選用的是簡(jiǎn)化的六輪結(jié)構(gòu)的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為行進(jìn)機(jī)構(gòu)。
設(shè)計(jì)要求是滿(mǎn)足在路況良好的室外或室內(nèi)使用，因此采用六輪結(jié)構(gòu)的輪式機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的在室內(nèi)使用最大的優(yōu)點(diǎn)就是轉(zhuǎn)彎半徑非常小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方便，同時(shí)六輪更加的平穩(wěn)，如圖3-1所示。
六個(gè)輪子可分為前中后三種輪，本次設(shè)計(jì)，前輪為支撐輪，中輪為驅(qū)動(dòng)輪，后輪為轉(zhuǎn)向輪。前輪通過(guò)軸直接固定在輪椅的底盤(pán)上，后輪為360度自由旋轉(zhuǎn)輪，中輪與輪椅專(zhuān)用電機(jī)固定，為輪椅行走提供動(dòng)力。
電動(dòng)輪椅專(zhuān)用電機(jī)選擇減速器電機(jī)一體的輪椅專(zhuān)用電機(jī)，圖3-2為該電機(jī)圖片，表3-1為該減速器基本參數(shù)。直接選用這種一體式減速器電機(jī)，可以確保電機(jī)工作的穩(wěn)定性，保證輸出扭矩。還可節(jié)省空間，使布局更為緊湊。
除此之外，在底盤(pán)處，安防一個(gè)24V可為輪椅提供電量的電池與可編程電機(jī)控制器。
圖3-1 行駛機(jī)構(gòu)與底盤(pán)結(jié)構(gòu)圖
圖3-2 電動(dòng)輪椅專(zhuān)用減速器電機(jī)
表3-1 電動(dòng)輪椅專(zhuān)用減速器電機(jī)基本參數(shù)
功率
200W
電壓
24V
電流
≤4.5A
轉(zhuǎn)速
4600
減速比
32:1
額定轉(zhuǎn)矩
29N·m
剎車(chē)方式
電磁鐵吸附
噪音
≤75db(A)
3.2.2行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理
本次設(shè)計(jì)使用的驅(qū)動(dòng)模式為雙輪差速驅(qū)動(dòng)模式，這種結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，操作方便。
可以通過(guò)改變兩個(gè)中輪的轉(zhuǎn)速，來(lái)完成所需的各種動(dòng)作。圖3-3為該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)示意圖。O1為行走機(jī)構(gòu)的中心點(diǎn)，即質(zhì)點(diǎn)。V代表的是行走機(jī)構(gòu)中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，ω為行走機(jī)構(gòu)中心點(diǎn)的角速度，VL代表行走機(jī)構(gòu)中輪中左輪的轉(zhuǎn)速，VR代表行走機(jī)構(gòu)中輪中右輪的轉(zhuǎn)速，L為輪椅兩驅(qū)動(dòng)輪之間的距離，DL代表行走機(jī)構(gòu)中輪中左輪的直徑，DR代表行走機(jī)構(gòu)中輪中右輪的直徑。同時(shí)設(shè)NL,NR為行走機(jī)構(gòu)中輪左右輪的轉(zhuǎn)速，C為輪子的速度系數(shù)。
(3-1)
(3-2)
又因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)滿(mǎn)足剛體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，可列出下列方程。
(3-3)
(3-4)
(3-5)
(3-6)
由該方程極易求出輪椅行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。
行走機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向。車(chē)輪的偏轉(zhuǎn)程度決定了這個(gè)輪椅轉(zhuǎn)彎半徑的大小。因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向輪為360°自由旋轉(zhuǎn)輪，所以最小的轉(zhuǎn)彎為旋轉(zhuǎn)輪中心與驅(qū)動(dòng)輪中心的距離,在圖3-3中，L表示出來(lái)。
圖3-3 行駛機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖
3.2.3電機(jī)與減速器校核計(jì)算
直流伺服電機(jī)具有響應(yīng)快、低速平穩(wěn)性好、調(diào)速范圍寬，能實(shí)現(xiàn)方便的可逆調(diào)速，過(guò)載能力好等特點(diǎn)，因而常常用于實(shí)現(xiàn)精密調(diào)速和位置控制的隨動(dòng)系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)的誕生，更好的在工業(yè)、國(guó)防和民用等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，因輪椅行進(jìn)的需要，選用直流伺服電機(jī)與減速器一體的電動(dòng)輪椅專(zhuān)用電機(jī)。
因選用成品電機(jī)，所以需要對(duì)其進(jìn)行校核計(jì)算，確保可以再本設(shè)計(jì)中使用。
初步選用的電機(jī)減速器的參數(shù)為表3-1。
已知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nnom=4600r/min，減速器的減速度比為i=32，根據(jù)公式
，得到驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速n1。
（3-7）
（3-8）
本輪椅的驅(qū)動(dòng)輪直徑D=160mm，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所行駛的的路程為L(zhǎng)。
（3-9）
由公式可求出本輪椅行駛的最高速度。
（3-10）
（3-11）
（3-12）
所以該電機(jī)通過(guò)減速器后，帶動(dòng)輪椅輪自，最高可達(dá)到的速度為4.32km/h，電動(dòng)輪椅在室內(nèi)與室外平坦道路上行駛時(shí)，最高速度不超過(guò)6km/h就可以保證使用者安全，即為合格。
使用者的重量最大不糊超過(guò)100kg,我取使用者重量為100kg進(jìn)行計(jì)算，椅子，靠背，靠腿板，腳板，電機(jī)等重量取50kg計(jì)算。因此整個(gè)電動(dòng)自動(dòng)輪椅的極限載重G≤150kg,
本設(shè)計(jì)后輪轉(zhuǎn)向輪是在輪椅椅子向后仰時(shí)提供支撐作用，在行駛過(guò)程中，不起到支撐作用，所以該重量G由底盤(pán)上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與兩個(gè)支撐輪來(lái)共同支撐。
根據(jù)資料可以假設(shè)底盤(pán)上的四個(gè)輪子所受到的壓力是相等的。驅(qū)動(dòng)輪在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，其與地面的摩擦力為F1,支撐輪受到載重與重量的作用，與地面的摩擦力為F2.只有當(dāng)F1≥F2的時(shí)候，整個(gè)機(jī)構(gòu)才可以正常行駛，驅(qū)動(dòng)輪才不會(huì)打滑造成空轉(zhuǎn)。
已知條件為驅(qū)動(dòng)輪直徑D1=160mm,支撐輪直徑D2=160mm.
取輪胎與地面的摩擦系數(shù)?=0.02，每個(gè)輪子承受的正壓力均為N1
（3-12）
摩擦力F1為
?
（3-13）
每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪受到的外界力矩表示為T(mén)1
（3-14）
每個(gè)支撐輪收到的外界力矩表示為T(mén)2
（3-15）
每個(gè)電機(jī)所要承受的力矩表示為T(mén)3
（3-16）
驅(qū)動(dòng)輪得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表示為J1，電動(dòng)機(jī)重量取2kg
（3-17）
減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表示為J2,取J2=0.0001
因此電動(dòng)機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)的軸所受到力為J
(3-18)
驅(qū)動(dòng)輪的切向加速度表示為
(3-19)
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的角速度表示為Ω
(3-20)
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總功率表示為P
(3-21)
P額定功率=200W＞p=88.3W,所以該電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足輪椅運(yùn)動(dòng)需求。
在正常平坦道路中行駛，電機(jī)的輸出功率P輸出=100W，而P需求=88.3W
In=4.5A
P消耗=Px=
所以求得電機(jī)的電樞內(nèi)阻Ra
(3-22)
電機(jī)的電勢(shì)常數(shù)表示為Ke
(3-23)
電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可以表示為T(mén)n
(3-24)
電機(jī)自然的摩擦力扭矩可以表示為T(mén)rc
(3-24)
運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)矩可以表示為T(mén)rms，電機(jī)效率取0.9
＜1.59
(3-25)
所以該電機(jī)可以滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)行需求。
經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，該電動(dòng)輪椅專(zhuān)用電機(jī)符合本設(shè)計(jì)需求。
3.2座椅機(jī)構(gòu)
3.2.1電機(jī)的選用
因設(shè)計(jì)要求，該座椅機(jī)構(gòu)需要完成靠背部分小幅度擺動(dòng)，靠腿部分的擺動(dòng)，以及腳踏板的擺動(dòng)。通過(guò)多個(gè)電機(jī)帶動(dòng)靠板，使各種靠板可以進(jìn)行小幅度擺動(dòng)，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。
為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，本次設(shè)計(jì)選用的是渦輪蝸桿式的電動(dòng)馬達(dá)來(lái)提供靠板擺動(dòng)所需要的扭力。當(dāng)使用者使用輪椅時(shí)，要考慮到輪椅上使用者的體重，在靠板達(dá)到要求高度時(shí)，要可以承受住使用者體重，以免造成危險(xiǎn)。
渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，有用獨(dú)特的自鎖功能，同樣的，渦輪蝸桿減速馬達(dá)存在著自鎖的功能，當(dāng)馬達(dá)斷電自鎖時(shí)，馬達(dá)可以承受二至三倍的額定承載力，鎖住額定負(fù)載兩至三倍轉(zhuǎn)不動(dòng)。所以本次設(shè)計(jì)選用高負(fù)載，高扭矩，低轉(zhuǎn)速的直流渦輪蝸桿式的減速電動(dòng)機(jī)。但在靠背的擺動(dòng)中，需要電機(jī)的功率過(guò)高，為保證安全使用，本設(shè)計(jì)在靠背的擺動(dòng)中，選用電動(dòng)推桿。
我選用的電機(jī)的型號(hào)為JM-039，如圖3-4所以，本電機(jī)為電機(jī)市場(chǎng)中承載力幾乎最大的電機(jī)，參數(shù)為表3-2所示。
圖 3-4 JM-039渦輪蝸桿減速電機(jī)
表3-2 JM-039渦輪蝸桿電機(jī)主要參數(shù)
商品名稱(chēng)
渦輪蝸桿減速電機(jī)
型號(hào)
JM-039
電壓
24V
功率
200W
空載轉(zhuǎn)速
20r/min
扭矩
160kg/cm
自鎖力
≥160kg
3.2.2結(jié)構(gòu)及工作原理
輪椅靠背需要向后擺動(dòng)時(shí)，按下控制機(jī)構(gòu)的靠背向后擺動(dòng)按鈕，電動(dòng)推桿接通電源，推桿產(chǎn)生拉拽力，輪椅靠背向后擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)到所需幅度時(shí)，松開(kāi)按鈕，電源關(guān)閉，推桿自鎖，防止機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)?？勘承枰蚯皵[動(dòng)時(shí)，按下控制機(jī)構(gòu)的靠背向前擺動(dòng)按鈕，電動(dòng)推桿接通電源，正負(fù)極對(duì)調(diào)，推桿產(chǎn)生推力，輪椅靠背向前擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)到所需幅度時(shí)，松開(kāi)按鈕，電源關(guān)閉，推桿自鎖，防止機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。該部分的最大擺動(dòng)幅度為向后20°，如圖3-5所示，為保證使用者安全，當(dāng)輪椅靠背擺動(dòng)幅度達(dá)到最大幅度時(shí)，控制器自動(dòng)斷電，電動(dòng)推桿形成自鎖，保護(hù)使用者安全。該部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-6所示。
圖3-5 座椅靠背前后擺動(dòng)最大幅度示意圖
圖3-6 座椅靠背與坐板連接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
輪椅靠腿需要向上擺動(dòng)時(shí)，按下控制機(jī)構(gòu)的靠腿向上擺動(dòng)按鈕，電機(jī)接通電源，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)，輪椅靠腿向上擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)到所需幅度時(shí)，松開(kāi)按鈕，電源關(guān)閉，電機(jī)自鎖，防止機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。之后靠腿需要向下擺動(dòng)時(shí)，按下控制機(jī)構(gòu)的靠背向下擺動(dòng)按鈕，電機(jī)接通電源，正負(fù)極對(duì)調(diào)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)，輪椅靠腿向下擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)到所需幅度時(shí)，松開(kāi)按鈕，電源關(guān)閉，電機(jī)自鎖，防止機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。該部分的最大擺動(dòng)幅度為上下90°，如圖3-7所示，為保證使用者安全，當(dāng)輪椅靠腿擺動(dòng)幅度達(dá)到最大幅度時(shí)，控制器自動(dòng)斷電，電機(jī)形成自鎖，保護(hù)使用者安全。該部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-8所示。
圖3-7座椅靠腿上下擺動(dòng)最大幅度示意圖
圖3-8 座椅靠腿與坐板連接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
輪椅腳踏板需要向上擺動(dòng)時(shí)，按下控制機(jī)構(gòu)的腳踏板向上擺動(dòng)按鈕，電機(jī)接通電源，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)，輪椅腳踏板向上擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)到所需幅度時(shí)，松開(kāi)按鈕，電源關(guān)閉，電機(jī)自鎖，防止機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。之后腳踏板需要向下擺動(dòng)時(shí)，按下控制機(jī)構(gòu)的腳踏板向下擺動(dòng)按鈕，電機(jī)接通電源，正負(fù)極對(duì)調(diào)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)，輪椅腳踏板向下擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)到所需幅度時(shí)，松開(kāi)按鈕，電源關(guān)閉，電機(jī)自鎖，防止機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。該部分的最大擺動(dòng)幅度為上下90°，如圖3-9所示，為保證使用者安全，當(dāng)輪椅靠腿擺動(dòng)幅度達(dá)到最大幅度時(shí)，控制器自動(dòng)斷電，電機(jī)形成自鎖，保護(hù)使用者安全。該部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-10所示。
圖3-9 座椅腳踏板上下擺動(dòng)最大幅度示意圖
圖3-10 座椅腳踏板與靠腿連接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
3.2.3 連接機(jī)構(gòu)齒輪的選取
輪椅各個(gè)板子之間使用鑲嵌式結(jié)構(gòu)連接，以保證電機(jī)不受到其他方向的應(yīng)力。各板拆料選擇輕質(zhì)復(fù)合材料，保證電機(jī)不在超載下工作。
不排除使用者因使用不便對(duì)機(jī)構(gòu)施加破壞力，所以要選用額定負(fù)載很高的電機(jī)。為了確保使用者的安全，與舒適性。因此擺動(dòng)的速度需要很慢。我將座椅靠背，靠腿，腳踏板的擺動(dòng)轉(zhuǎn)速初步定為n=5r/min。
從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速定為n2，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為n1。
（3-26）
（3-27）
那么通過(guò)公式可以計(jì)算出傳動(dòng)比i
（3-28）
所以要選擇傳動(dòng)比，即齒輪齒數(shù)比為4的齒輪進(jìn)行配合。
（3-29）
（3-30）
（3-31）
（3-32）
（3-33）
（3-34）
（3-35）
所以該電機(jī)滿(mǎn)足需求。因該渦輪蝸桿減速器的自鎖負(fù)載為160kg，當(dāng)斷電自鎖時(shí)可以足夠承受人小腿或腳所提供的重量，在生活在汽車(chē)的座位機(jī)構(gòu)也采用該型號(hào)電機(jī)，所以可以保證，該電機(jī)符合設(shè)計(jì)需求。
為防止齒輪的旋轉(zhuǎn)對(duì)使用者造成不必要的傷害，本設(shè)計(jì)在齒輪處增加了防護(hù)設(shè)施，以保證使用者的安全，如圖3-11所示。
調(diào)節(jié)座椅靠背前后的電動(dòng)推桿3.3中介紹。
圖3-11 保護(hù)機(jī)構(gòu)
3.3抬升機(jī)構(gòu)
3.3.1結(jié)構(gòu)及工作原理
自動(dòng)可升降的椅子是生活中很常見(jiàn)的椅子類(lèi)型，市面上的自動(dòng)升降椅從驅(qū)動(dòng)上可分為三大類(lèi)：液壓，氣壓，機(jī)械式。但近年來(lái)氣壓升降椅的事故頻發(fā)，被大眾驚恐的稱(chēng)之為“炸彈”，而電動(dòng)推桿具有液壓升降平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)外，體積更小，更節(jié)能，更環(huán)保，方便更換等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在醫(yī)療，教育等機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)選擇使用醫(yī)療床上使用的電動(dòng)推桿。
圖3-12 醫(yī)療床電動(dòng)推桿
圖3-12為醫(yī)療床使用的電動(dòng)推桿，該電動(dòng)推桿采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿傳動(dòng)，電壓為24V,具有過(guò)流，短路，過(guò)載，過(guò)放，過(guò)壓，防震保護(hù)等特點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)部帶有限位開(kāi)關(guān)與機(jī)鎖，確保電機(jī)不會(huì)空燒，可在任意位置停止。
為保證抬升機(jī)構(gòu)可以擁有足夠強(qiáng)度來(lái)完成設(shè)計(jì)需要，根據(jù)表3-12選用JU-TGA-5型號(hào)的電動(dòng)推桿。該推桿的推力，拉力，自鎖力均可達(dá)到1500N。
使用三根型號(hào)相同的電動(dòng)推桿來(lái)保證抬升機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，又可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求中座椅前后上下擺動(dòng)。三根電機(jī)底部可使用螺栓與底盤(pán)鏈接，每根電機(jī)使用四個(gè)型號(hào)為m6螺栓與底盤(pán)鏈接，確保抬升機(jī)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。最前方的電動(dòng)推桿頂部與圓柱形冷拉異型鋼焊接，與座椅底部處形成一個(gè)簡(jiǎn)易導(dǎo)軌如圖3-13所示。輪椅抬升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-14所示。
表3-3 電動(dòng)推桿參數(shù)
型號(hào)
空載速度
拉力（N）
推力（N）
自鎖力（N）
JU-TGA-5
5
1500
1500
1500
JU-TGA-10
10
1200
1200
120011
JU-TGA-20
20
900
900
900
JU-TGA-30
30
800
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圖3-13 電動(dòng)推桿頂部簡(jiǎn)易導(dǎo)軌
圖3-14 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型
抬升機(jī)構(gòu)分為兩個(gè)模塊，首先是上升與下降功能。上升與下降功能的原理為：上升時(shí)，按下控制按鈕上升開(kāi)關(guān)，控制器接通電源，電動(dòng)推桿向上推動(dòng)座椅緩慢上升。當(dāng)達(dá)到最大行程，或者使用者需要的高度時(shí)，電動(dòng)推桿電機(jī)自鎖，停止上升。當(dāng)使用者需要下降座椅高度時(shí)，按下控制按鈕的下降開(kāi)關(guān)，控制器接通電源，推桿電機(jī)正負(fù)極交換，電動(dòng)推桿向下拉動(dòng)座椅，當(dāng)達(dá)到最小行程，或使用者需要的高度時(shí)，電動(dòng)推桿電機(jī)自鎖，下降停止。
除了上升與下降功能以外，抬升機(jī)構(gòu)的第二個(gè)模塊是座椅上下擺動(dòng)功能，見(jiàn)圖3-16。座椅前后擺動(dòng)功能的原理為；按下控制按鈕中座椅前后擺動(dòng)控制按鈕，此時(shí)只有最前面的電動(dòng)推桿接通電源。通過(guò)最前方電動(dòng)推桿的上升與下降，當(dāng)電動(dòng)推桿上升時(shí)，通過(guò)電動(dòng)推桿與座椅底部連接出的簡(jiǎn)易導(dǎo)軌，使座椅前方抬高，當(dāng)電動(dòng)機(jī)下降時(shí)，可使座椅下降，滿(mǎn)足輪椅所需要的前后擺動(dòng)功能。
3.3.2運(yùn)動(dòng)行程與受力分析
圖3-15電動(dòng)推桿行程圖
圖3-15為電動(dòng)推桿最大最小行程，為滿(mǎn)足抬升機(jī)構(gòu)的上升，下降，座椅前后的擺動(dòng)，本設(shè)計(jì)選取行程為300mm的電動(dòng)推桿。因本設(shè)計(jì)的抬升系統(tǒng)不需要很快的抬升速度，為保證推桿擁有最大推力和最大拉力，選取最慢速度5mm/s。在該速度下推桿可以達(dá)到最大功率。
輪椅上升與下降的行程是由電動(dòng)推桿的最大行程來(lái)決定的，因電動(dòng)推桿為成品，所以可根據(jù)自身需要進(jìn)行調(diào)整?？紤]到安全與經(jīng)濟(jì)因素，又可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需的上升下降，座椅前后的擺動(dòng)，我選擇使用最大行程為705mm的電動(dòng)推桿。當(dāng)算上座椅坐墊高度與輪子高度后，700mm的高度完全滿(mǎn)足大多數(shù)人的基本需求。
當(dāng)抬升機(jī)構(gòu)進(jìn)行上升或下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，三根推桿同時(shí)承受使用者與椅子，靠背，靠腿板，腳板，電機(jī)等重量。使用者體重不大于100KG。
G1=100KG*9.8=980N
（3-29）
椅子，靠背，靠腿板，腳板，點(diǎn)等重量假設(shè)為完全足夠的50KG
G2=50KG*9.8=490N
（3-30）
G總=G1+G2=980+490=1470N＜1500N
（3-31）
由此可知，單跟電動(dòng)推桿的推力，自鎖力就滿(mǎn)足要求，三根電動(dòng)推桿可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，可更好地保證輪椅座椅的穩(wěn)定性和可靠性。
圖3-16（b）為輪椅前后擺動(dòng)的簡(jiǎn)化圖，輪椅輪椅座椅前后擺動(dòng)幅度是由電動(dòng)推桿，與座椅底部簡(jiǎn)易導(dǎo)軌共同控制的,但是當(dāng)電動(dòng)推桿一直向上推動(dòng)時(shí)，隨著輪椅座椅的抬高，座椅的長(zhǎng)度將達(dá)不到電動(dòng)推桿所要支撐處的長(zhǎng)度，所以，輪椅座椅前后擺動(dòng)的幅度主要有圖3-16（b）中b到c的距離，即輪椅座椅底部簡(jiǎn)易滑軌的長(zhǎng)度決定。但當(dāng)輪椅座椅上下擺動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)，由于使用者的過(guò)度后仰，極易對(duì)使用者造成危險(xiǎn)，所以本設(shè)計(jì)將輪椅擺動(dòng)幅度最大值設(shè)定為30度，30度的上下擺動(dòng)幅度完全可以滿(mǎn)足使用者的各種需求，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
當(dāng)輪椅座椅進(jìn)行上下擺動(dòng)時(shí)，a點(diǎn)為固定點(diǎn)，a與d的距離固定，當(dāng)a角度為30度時(shí)，對(duì)輪椅抬升機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，cd長(zhǎng)度約為214mm,即電動(dòng)推桿為滿(mǎn)足最大擺動(dòng)幅度所需要行進(jìn)的行程，bc的長(zhǎng)度約為58mm，即輪椅座椅底部簡(jiǎn)易滑軌的可移動(dòng)長(zhǎng)度為58mm。
選取的電動(dòng)推桿的推動(dòng)速度為5mm/s，因抬升速度極為緩慢，所以在輪椅座椅上下的擺動(dòng)過(guò)程中，可以不用考慮橫向的作用力。
單一推桿就可滿(mǎn)足承載，負(fù)重等要求，故擺動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)推桿完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)于期望要求。
（a）
(b)
圖3-16 輪椅座椅擺動(dòng)示意圖
3.4 本章小結(jié)
本章通過(guò)使用CATIA三維模型，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，數(shù)據(jù)等詳細(xì)地介紹了全自動(dòng)坐態(tài)調(diào)整輪椅的各部分結(jié)構(gòu)與工作原理。通過(guò)實(shí)際分析與計(jì)算驗(yàn)證，確定了各個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為以后的設(shè)計(jì)更新奠定了基礎(chǔ)。
第四章 控制系統(tǒng)
4.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制對(duì)時(shí)效性的要求很高，所以系統(tǒng)軟件必須簡(jiǎn)便，以保證電動(dòng)輪椅可以快速的完成使用者所要達(dá)到的需求。
首先控制器要使用低成本的民用控制機(jī)器，否則價(jià)格過(guò)高，與國(guó)內(nèi)使用進(jìn)口控制器而昂貴的電動(dòng)輪椅沒(méi)有任何區(qū)別。其次，因該電動(dòng)輪椅的使用者是下肢不便人群，所以輪椅的安全性極為重要。輪椅出現(xiàn)任何故障時(shí)，輪椅必須馬上停止，并且通過(guò)控制器顯示屏告知使用者，輪椅出現(xiàn)何種問(wèn)題。
因?yàn)殡妱?dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)部分為兩個(gè)互相獨(dú)立的電機(jī)，當(dāng)電機(jī)自身內(nèi)部出現(xiàn)參數(shù)不等或因路況問(wèn)題，造成兩電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，即便是兩個(gè)電機(jī)的輸入信號(hào)相同，也會(huì)形成電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，因此需要系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償來(lái)確保輪椅根據(jù)使用者控制進(jìn)行正常行駛。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由操作桿和按鍵I/O口的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)將信號(hào)轉(zhuǎn)換并向著電機(jī)輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，各結(jié)構(gòu)抬升等功能。
該控制系統(tǒng)必須要有故障檢測(cè)功能，由于該電動(dòng)輪椅適用人群的特殊性，檢測(cè)功能需要對(duì)輪椅的電量，操作桿位置，電機(jī)能否正常啟動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。每次輪椅運(yùn)行時(shí)，DPS都將對(duì)整個(gè)輪椅進(jìn)行重新檢測(cè)，若輪椅出現(xiàn)故障時(shí)，DPS會(huì)馬上將信號(hào)輸入到控制系統(tǒng)的顯示屏上。
而正常情況下，顯示屏也要顯示當(dāng)前輪椅的狀態(tài)，如電池的電量，抬升機(jī)構(gòu)的升高情況等。
本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)分為兩大模塊：操作桿模塊，按鈕模塊。按鈕模塊分為十個(gè)按鈕分別控制不同功能：座椅的抬升下降，座椅前端的上升下降，靠背的前后擺動(dòng)，靠腿的前后擺動(dòng)，腳踏板的前后擺動(dòng)。
操作桿主要控制電動(dòng)輪椅的向前向后，轉(zhuǎn)彎行駛等功能。控制框圖如圖4-1所示。
圖4-1 操作桿控制框圖
按鈕模塊功能圖幾乎一致，所以只列舉座椅的抬升功能?？刂瓶驁D如圖4-2所示。
圖4-2 座椅抬升控制框圖
4.2本章總結(jié)
本章對(duì)該設(shè)計(jì)所需的控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明，使用程序框圖對(duì)該電動(dòng)輪椅的簡(jiǎn)單控制流程。
第五章 總結(jié)
本次設(shè)計(jì)的全自動(dòng)多功能坐態(tài)調(diào)整輪椅，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)電動(dòng)輪椅市場(chǎng)中，電動(dòng)輪椅的許多不足之處，在前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了許多必要的功能，我翻閱了許多國(guó)內(nèi)外資料，通過(guò)CATIA建模，來(lái)設(shè)計(jì)出了這個(gè)全自動(dòng)多功能坐態(tài)調(diào)整輪椅。輪椅可以通過(guò)使用者簡(jiǎn)單的操作來(lái)進(jìn)行前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎，坐態(tài)調(diào)節(jié)等功能。但設(shè)計(jì)之中還存在許多不完美之處，通過(guò)控制系統(tǒng)控制輪椅各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行小幅度擺動(dòng)時(shí)，無(wú)法達(dá)到很精確的要求，電動(dòng)輪椅整體線(xiàn)路過(guò)多無(wú)法簡(jiǎn)化。在產(chǎn)品化設(shè)計(jì)當(dāng)中，輪椅的制造成本是最大的問(wèn)題，怎么降低成本，怎么在降低成本的基礎(chǔ)下使輪椅增加更多的功能，將是未來(lái)電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最大的問(wèn)題。
在此也希望未來(lái)國(guó)內(nèi)企業(yè)設(shè)計(jì)輪椅時(shí)，可以考慮很多我所考慮不到的問(wèn)題，來(lái)彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)電動(dòng)輪椅對(duì)國(guó)際市場(chǎng)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力的問(wèn)題。
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致謝
經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的幾個(gè)月，終于將畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束。同時(shí)我發(fā)現(xiàn)大學(xué)生活真的馬上就要結(jié)束了，回頭一看剛?cè)氪髮W(xué)的經(jīng)歷還是歷歷在目。
在這幾個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我學(xué)到了很多在這四年都沒(méi)有學(xué)習(xí)到的知識(shí)，我相信，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)歷將伴隨我的一生。
首先我要感謝我的導(dǎo)師，金山海老師，不論老師平時(shí)工作有多忙，依然會(huì)督促我們畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)程。每次過(guò)去請(qǐng)教，老師都會(huì)放下手頭的工作為我們指導(dǎo)。老師熱心的工作精神及其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度使我們學(xué)習(xí)的榜樣。
其次，我要感謝這四年里所有教導(dǎo)過(guò)我的老師們，老師們的教導(dǎo)，讓我學(xué)習(xí)了在社會(huì)中學(xué)習(xí)不到的文化知識(shí)，沒(méi)有這些文化的基礎(chǔ)，我未來(lái)在面對(duì)社會(huì)，也會(huì)變得手足無(wú)措。
最后我要感謝母校，讓我得到了接受高等教育的四年。
在這里對(duì)每一位幫助過(guò)我的人提出感謝。
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