履带—轮组式电动多功能轮椅设计说明书

履带-轮组式电动多功能轮椅
设计说明书
目录
设计任务书 (1)
第一章绪论 (1)
1.1设计的背景和意义 (1)
1.2现有产品简介及产品分析 (1)
1.3本章小结 (1)
第二章设计方案选择 (1)
2.1轮椅机构形式的选择 (1)
2.2轮组的选择 (1)
2.3履带的收放机构 (1)
2.4座椅调平机构 (1)
2.5本章小结 (1)
第三章轮椅的结构设计与运动分析 (1)
3.1轮椅的结构设计 (1)
3.1.1 轮组 (1)
3.1.2 履带及其收放机构 (1)
3.2轮椅的运动分析 (1)
3.2.1 轮椅的平地行驶及越障功能 (1)
3.2.2 轮椅爬楼梯过程的分析 (1)
第四章轮椅驱动与传动系统的设计 (1)
4.1轮椅的驱动系统 (1)
4.2电机参数的确定 (1)
4.3轮椅中间主体的传动设计 (1)
第五章轮椅运动控制系统设计 (1)
5.1轮椅的功能分析 (1)
5.2轮椅的控制系统 (1)
第六章总结 (1)
参考文献 (1)
设计任务书
技术要求：
1）功能：直线行驶、匀速、加速、减速、转弯、爬楼梯等；
2）较强的爬梯适应能力，应对楼梯结构的多变性；
3）良好的机动性，使其能够在平地行驶、爬楼梯、跨越障碍等动作状态间很好的过渡转换；
4）结构紧凑, 操作方便, 工作可靠；
5）良好的稳定性，利用滚轴滑轨机构进行座椅调平, 使其在越障、跨沟和爬楼梯时始终保持水平；
6）较强的越障能力和路面适应性；
7）抗冲击能力强；
8）具有更大的作用面，可以适应各种复杂多
样的路面。

履带—轮组式电动多功能轮椅技术参数如下表：
第一章绪论
1.1 设计的背景和意义
年老体弱、下肢残障者在日常生活中的最大障碍就是步行能力的减弱甚至丧失。

这些人行动不方便，需要有能正常行走的人加以照顾。

目前，大部分年老体弱、肢体伤残者的代步工具都是普通的轮椅，普通的轮椅都是靠人力推动的，而且普通轮椅不能过障碍物，也不能越沟，更无法攀登楼梯，从而限制了轮椅使用者的活动围，影响其参与社会生活。

尤其是国城市以多层公寓式楼房居多，电梯并没有普及到所有的居民住宅，这给轮椅乘坐者造成诸多不便。

为了给上述弱势群体带来方便，更好的关怀老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，除了增加房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，扩大轮椅的使用围之外，改进现有的普通轮椅，使其兼备平地行驶、越沟、过障碍、爬楼梯等多种功能，将是更加行之有效的一种措施。

为了上述需求，给老年人和残疾人提供性能优越的代步工具，解决障碍、楼梯等对他们生活造成的不便，同时考虑使用者的经济承受能力，研究一种价格适宜、平稳安全的电动多功能轮椅具有重大的意义和实用价值。

1.2 现有产品简介及产品分析
目前市场上具备爬楼梯、越障等功能的轮椅主要有两种类型——履带式和轮
组式。

如图1，轮组式的轮椅大都采用三叶轮式和四叶轮式，机构精巧，能实现平
（图1）轮组式的轮椅
地行驶、越沟、过障、爬楼梯等功能，而且平地行驶时，轮椅比较平稳，人坐着也比较平稳，但无法克服爬楼梯时两台阶间的震荡，上下楼梯时该类型轮椅重心起伏较大，会使乘坐者感到不适而且难以实现在平地上的独立行走，需要其他人的时刻陪护和推拉。

如图2为履带式爬楼梯轮椅，履带式爬楼梯轮椅技术较成熟，操作简单，对楼梯的形状、尺寸适应性强，爬楼梯时波动小，乘坐的人比较舒服，而且平地行驶也比较平稳；但履带式轮椅越障时不够平稳，重心波动大，乘坐者会感到不舒服，而且，履带式轮椅在平地行驶时阻力比较大，所以消耗的功率就比较大。

图1.2履带式爬楼梯轮椅
1.3 本章小结
由上述对现有的产品进行详细了解和分析可知，履带式和轮组式轮椅都有各自的优点，有都有各自的缺点。

履带式轮椅在爬楼梯方面具有优越性，在爬楼梯时无重心、波动稳定性好，但是，当在平地上行驶时阻力会很大，所以功耗较大，可能还要增加辅助电机，使轮椅的结构变得复杂；而且，当在平地上遇到障碍时，轮椅就会产生波动、变得不平稳。

轮组式轮椅在平地行驶时具有优越性，路况比较平坦时，轮椅行驶比较平稳，在平地上遇到障碍时，越障也比履带式轮椅波动小；但是，在爬楼梯方面轮组式轮椅却有着很大的缺陷，轮组式轮椅在爬楼梯时重心波动很大，稳定性很差。

第二章设计方案选择
2.1 轮椅机构形式的选择
在第一章对现有轮椅进行详细分析之后，了解到了各种形式轮椅的优缺点，在此基础上，利用它们的优点，避开它们的缺点，就可以设计出一种更加具有优
越性的电动多功能轮椅——轮组-履带式电动多功能轮椅。

这种轮椅结合了轮组式和履带式轮椅的优点，在这种轮椅上既装有轮组，又装有履带。

在平地行驶、跨沟、越障时，使用轮组，而在爬楼梯时，轮椅会放下履带，使用履带爬楼梯。

2.2 轮组的选择
轮组式的轮椅大都采用三叶轮式和四叶轮式，四叶轮爬楼梯比三叶轮平稳，但是四叶轮的结构比三叶轮复杂，而且轮组-履带式电动多功能轮椅是使用履带爬楼梯的，所以采用三叶轮。

而三叶轮也有多种形式，主要有链传动的（如图2.1），齿轮传动的（如图2.2）。

链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮组成，通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。

但是，链传动有很多缺点：
运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜用
在载荷变化很大、高速和急速反向的传动中。

图2.1 链传动三叶轮
1
2
3
4
5 6
1 车轮
2 小轮链轮
3 中心链轮
4 支架 5
张紧轮轮 6 传动链条
齿轮传动具有一下优点：效率高，在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率
1
2
3
4
5
1 驱动齿轮
2 过度齿轮
3 中心齿轮
4 转臂
5 小车轮
图2.1 齿轮传动三叶轮
为最高；机构紧凑，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小，这一点正好适合用在轮组中，减小了轮组的体积，这样也可以减小轮椅的体积；工作可靠，寿命长，这一点应用在轮椅上，可以使轮椅的使用寿命加长，也提高了轮椅的安全性；传动比稳定，传动比稳定往往是对传动性能的基本要求，齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特点，这一特点也适合用在轮椅上。

2.3 履带的收放机构
由于履带只在爬楼梯时使用，而在平地行驶时使用的是轮组，所以履带平时
是收起来的，只在爬楼梯时才放下，故在设计履带时，要考虑到履带的收放机构，也就是说履带要有专门的收放机构。

如图2.3即为履带及其收放装置的机构简图，其中液压缸1（也可以采用气
图2.3 履带及其收放机构简图
5
1
2
3
4
6
1 液压缸
2 轮椅支架 3
摆臂履带 4 车身主履带 5 驱动系统 6
传动系统
压缸）是收放机构的主要部分，利用液压缸1的往复伸缩就可以实现履带的收放，并且可以使履带产生一定的倾斜角度，这样履带就可以跨上楼梯的第一级，进而实现爬楼梯的功能。

2.4 座椅调平机构
在上下楼时爬楼梯轮椅整体是倾斜的,而且在跨越障碍、越过凹坑
时轮椅也会产生倾斜，在倾斜的轮椅会使乘坐者感到不适。

为了克服这一弊端和轮椅爬楼过程中重心的起伏, 要设计一种可以减缓波动的机构，波动小了，乘坐者才会感到舒适。

如果座椅和座椅支架是固定在一起的，当轮椅因越障、跨沟、爬楼梯而产生倾斜时，乘坐的人也会一直倾斜着，所以只有把座椅和座椅支架做成滑动连接的才能实现当轮椅发生倾斜时而乘坐的人可以始终保持水平乘坐，这样，乘坐的人才不会感到不舒服。

座椅支架与滑轨的连接方式如图2.4所示。

12
其主要由圆弧形轨道及滚轴组成。

滑轨焊接在底架上, 滚轴通过螺纹连接固定在座椅底部的支架上, 其轴端安装有轴承可以在滑轨里滑动,从而实现座椅的平。

该滑道滑轨式座椅的外形结构简图如图2.5所示：座椅支架通过轴承与圆弧
1
2
1 座椅支架
2 圆弧形轨道
图2.5 座椅机构简图
形轨道形成滑动连接，圆弧形轨道与轮椅底盘连接成一体，这样，当底盘与圆弧形轨道发生倾斜时，轴承就会沿圆弧形轨道滑动，使座椅始终保持水平，乘坐的人也就可以始终保持水平。

2.5 本章小结
通过上述分析，可以初步确定轮椅的主要机构。

轮组采用三叶式、齿轮传动
的行星轮式结构，每个小车轮既可以绕各自的轴自转，又可以绕机架传动轴公转，平地行驶时小车轮自转，越障、跨沟时小车轮不再自转，而是绕传动轴公转；轮椅除了采用轮组外，还要增设履带装置，并且，还设有履带的收放机构，当遇到楼梯时，放下履带，平地行驶时，收起履带；轮椅支架与底盘用轴承实现连接，能够在底盘发生倾斜时，也能保持水平。

第三章轮椅的结构设计与运动分析
3.1 轮椅的结构设计
轮椅的结构设计主要包括轮组、履带、车架等的设计。

3.1.1 轮组
由第二章可知，轮椅的轮组采用三叶式齿轮传动的星形轮结构。

轮组机构的外
图3.1 轮组机构示意图
形图如图3.1所示：轮组主要由车轮、齿轮、转臂组成。

小车轮具有两种运动方式：小车轮的自传，小车轮绕驱动轴的公转。

这两种运动方式实现了轮椅的不同运行方式。

如图3.2所示为轮组的转臂，转臂的作用为：用于安装齿轮，对齿轮
图3.2 轮组转臂
进行定位；转臂的另一个主要功能是带动小车轮绕转轴公转；除此之外，转臂还起到强化机构、支撑轮椅支架等功能。

轮组是用齿轮传动的，一个轮组中包含有七个齿轮，如图3.3所示为轮组的
2
3 4
5
6
3.3 轮组局部结构图
7
1
一支，其中1为小车轮，；2为驱动齿轮，用来驱动小车轮自传；3为轮组的转臂，用来驱动小车轮绕驱动轴公转；4为过度齿轮；7为中心齿轮；6为传动轴一，一端与中心齿轮配合，通过轴承空套在转臂3上，一端与链轮配合，并通过轴承空套在主车架上；5为传动轴二，一端通过螺栓与转臂3固连，一端与链轮配合，并通过轴承空套的主车架上；传动轴一与传动轴二通过轴承相互空套；过渡齿轮4，驱动齿轮2各自通过轴承空套在转臂3上；小车轮1通过螺栓与驱动齿轮2固连，三个小车轮的中心轴线呈等角分布。

由于转臂3，过渡齿轮4，驱动齿轮2（包括小车轮6）都是空套在相应的轴上，因此驱动轮系包含三个结构完全相同的差动轮系，这三个差动轮系共用中心轮和行星架，并且沿周向对称分布，增设过渡齿轮4，可以保证同时着地的两个小车轮1具有和中心齿轮7相同的旋向，朝同一方向滚动前进。

3.1.2 履带及其收放机构
在第二章已经对履带的机构作了简要介绍，如图2.3为履带及其收放机构的简图。

履带的收放是通过液压缸的往复运动实现的。

其原理的AutoCAD图如图3.4所示：履带的收放
机
图3.4 履带及其收放机构
构采用的是分离式液压千斤顶，千斤顶是由一个支撑油缸和一个手动泵组成，它们之间由一根油管连接，通过反复压动手动泵来实现履带的收放和履带倾斜角度的变化。

根据轮椅高度和所设计履带高度选择千斤顶。

为千斤顶高度最小时的长度,为千斤顶伸出一定长度，顶起履带并使其发生一定角度时的长度。

D
C
图3.5 千斤顶升降简图
，
AB 为履带，通过千斤顶履带转过一定角度∠，因为大部分楼梯坡度为,所以上楼梯时，至少把履带旋转, 即∠
根据正余弦定理：
取:
解得：
即千斤顶的行程至少为160mm
分离式液压千斤顶要配有液压控制系统，该液压系统基本原理如图3.6所示：液压系统基本原理：系统由油箱，过滤器1，液压泵2，溢流阀3，换向阀4，节流阀5，换向阀6，液压缸以及连接这些原件的油管，接头等组成。

该系统的工作原理是液压泵从油箱吸油，泵输出的压力油→换向阀4→节流阀5→换向阀6→液压缸左腔，推动活塞运动，通过活塞杆推动重物。

这时液压缸7的右腔的油液→换向阀6→回油管→油箱。

若将换向阀7切换位置向左移，则压力油→换向阀
图3.6 液压控制系统
6→液压缸右腔，推动活塞使其复位，放下重物并使液压缸左腔油液→换向阀6→回油管→油箱。

其中节流阀的功能是调节工作速度，溢流阀的功能是是调节和稳
定系统的最大工作压力。

为了克服各种阻力，液压缸必须提供足够的动力，而这个动力是由液压缸中的油液压力所产生的。

要克服的阻力越大，缸中的油液压力就越高，阻力越小，压力就低。

即液压缸的压力取决于负载。

履带的选择
履带驱动轮的选择关系到轮椅爬楼梯的性能指标。

履带的驱动轮分布主要有后轮驱动和前轮驱动两种。

履带两端的导向轮哪一个用来驱动更为合适与履带机构的形状有关。

对于该轮椅的履带，以驱动轮在后方比较有利，这时履带的上分支受力较小，导向轮受力也较小，主履带承载分支处于微紧状态，运行阻力较小，如图3.7a所示。

反之，前轮为驱动轮时，履带的上分支及导向轮承载最大载荷，履带承载分支部分长度处于压缩弯折状态，运行阻力较大，见图3.7b。

为了节省空间，本题目中的传动系统采用了行星减速器设计。

从结构上实现
图 3.8 2K-H 型行星齿轮传动机构
a
b
H
c
图 3.7b 前轮驱动
了电机直接驱动后轮。

行星减速器采用2K-H 型行星齿轮传动。

原理如图3.8所示：a、b为太阳轮；c为行星轮；H为转臂。

该机构的优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但价格略贵。

3.2 轮椅的运动分析
经过前面几章的分析可知，电动多功能轮椅不仅要具备在平地上行驶的功能，而且还要具备越障、跨沟、爬楼梯等复杂功能，下面将对轮椅的这几种功能作详细的分析。

3.2.1 轮椅的平地行驶及越障功能
平地行驶是轮椅最基本的功能，在此基础上对轮椅进行加速、减速，并实现转弯的功能。

如图3.7所示为轮椅在平地上行驶时的示意图（此时为了表达方便，在图中并未画出履带结构）。

此时，每个轮组各有两个小车轮着地，如图3.3所
图3.9 平地行驶
示：传动轴一带动中心齿轮转动，中心齿轮经过度齿轮带动驱动齿轮转动，如此就实现了小车轮的自传运动，进而使轮椅能够在平地上行驶。

当两侧运动单元中的小车轮等速运动时，轮椅直线行走；当两侧小车轮反向转动时，轮椅就会在原地转向，不同速度运转实现不同的转向半径，于是就实现了轮椅的转弯功能。

当轮椅在平地上遇到障碍时，如果障碍物尺寸较小，可利用小车轮尺寸优势直接通过；当前进的车轮碰上较高障碍而停止不动时，驱动轮系就演变成行星轮系，轮辐带着另外两个车轮绕前轮的驱动轴轴线回转，实现翻越障碍的目的。

如图3.8所示为轮椅跨越障碍物的过程示意图。

由图可知轮椅在跨越障碍时底盘（圆弧形滑轨）会随驱动轴轴心高度的变化而发生倾斜，但是通过调平机构的调整，座椅在整个过程中始终保持水平，进一步验证了这种轮椅机构能够实现调平的功能。

在轮椅跨越障碍物的过程中，过障碍的轮组的驱动轴一（如图3.3）由电磁离合器（后面将会介绍到）锁死，所以中心齿轮也被锁死，小车轮不再做自传运动（主要目的是防止小车轮滑移），而只绕驱动轴做公转运动，如此就实现了轮椅跨越障碍的功能。

a b
c d
图 3.10 轮椅跨越障碍
轮椅在遇到较窄的深沟时（深沟宽度小于2倍轮辐长），为克服前进中的阻力，与越障机理一样，驱动轮系演变成了行星轮系，完成跨沟的过程，如图3.9所示：
a
b
c d
图 3.11 轮椅跨沟过程
跨沟的原理和跨越障碍时的原理类似，由图可知，在整个跨越过程中座椅也是始终保持水平的，由此可知调平机构同样适用于跨沟过程。

3.2.2 轮椅爬楼梯过程的分析
爬楼梯是电动多功能轮椅所具备的一种独特的功能，很多普通轮椅都不具备这种功能，这也是这种轮椅的最大优势。

爬楼梯分为两个过程——下楼过程和上楼过程。

下面分别对这两个过程作详细的介绍。

下楼过程：当走到楼梯口要下楼梯时，用户需要开启液压控制系统，放下履带并使其倾斜一定角度，直至履带抵触到台阶面将轮组脱离地面，启动履带的驱
动系统，进而通过履带主动轮的转动带动轮椅下楼梯。

当到达地面时，再次通过液压控制系统将履带收起，轮组着地，进行平地行走。

上楼过程：当上楼时，则采用背部先上，同样先旋转外侧小轮，再将履带放下，离合器啮合，履带着地，轮组收起，启动履带控制系统，带动履带上楼梯。

图3.12 轮椅爬楼梯简化图
如图3.12所示为轮椅爬楼梯的简化图（图中将爬楼梯简化为爬坡）。

下面对履带爬梯过程进行详细分析:假设履带轮廓为长圆形。

即中段为长度L的直线履带，两端为直径为D的半圆形履带。

履带的质量分布均匀，重心在几何对称中心。

又设单级楼梯的高度为H，宽度为W。

履带式爬楼梯的过程可以分为两个
图3.13履带翻越楼梯的第一阶段
在第一阶段，如图3.13。

履带前端与楼梯接触后，在地面摩擦推力和前段摩
擦举力的作用下，重心不断升高，同时履带的中心线与地面夹角不断变大，重心缓慢前移。

以第一楼梯的尖角A 点为支点，履带翻越楼梯的第一阶段的条件可以用下式进行描述：
（1） 其中，1T 为履带推力，G 为重力，21,L L 分别为1T 、G 对A 点的力臂，ω为履带抬起的角速度,为转动惯量，根据上式，可以得到一下定性的的结论：在履带攀越第一阶楼梯时，攀越成功的必要条件是重心在行进方向上“超越”了翻越支点A ，即02>L 。

重力提供了全部的翻转力矩，履带的移动会加快重心的“超越”，提供更大的翻转力矩，加速翻转过程。

翻转临界点是重心处于A 点正上方的时候，此时02=L ,履带轴线和水平地面的夹角称为翻转临界角*θ，当“翻越”发生前，即ω为逆时针时，转动角惯量ω*L 要小，以便于克服重力翻转力矩，因此应该降低履带的运行速度：当“翻越”发生时，ω为顺时针，此时履带的后端接地点已经离开地面，不再存在，因此可以加快履带运行速度，使得2L 迅速变大，加快翻越过程。

根据条件（1），即所谓重心“超越”条件，利用几何原理，得到下式：
()[]θθSec K Sin L H -+≤121
L D K 2=
计算结果表明，当7=D L 时，最大翻越高度约等于L 35.0，此时*θ约等于50度。

B C
可见对于长圆形节线履带，只有增大长高比，才能获得更好的爬垂直效果，在尺度不变的情况下，就要降低重心，或者重心前移。

在第二阶段，如图3.14所示履带的姿态保持不变，为了稳定地运行，履带的长度一般保证能够同时和楼梯的3个尖角接触。

由此可得：
222W H L +≥
以常见的楼梯为例，cm W cm H 30,15==，因此cm L 67>。

取3=D L ，如果取cm L 67=，则可爬垂直墙的最大高度约为20cm 。

能满足第一阶爬楼梯的要求.根据以上分析计算，可知用长圆节线履带结构实现爬楼功能时，履带的中心长度大于60cm 。

第四章 轮椅驱动与传动系统的设计
4.1 轮椅的驱动系统
驱动系统是轮椅的动力来源，选择最佳的驱动系统是设计该多功能轮椅的关键。

驱动方式的类型主要有气动驱动、液压驱动和电动驱动三种。

气动驱动系统以压缩空气为动力源，具有气源方便，系统结构简单，运动快速灵活，不污染环境，以及维修方便，价格便宜等特点。

但是由于气体具有可压缩性，气动驱动系统的平稳性差，要设缓冲装置，不易控制。

液压驱动系统是较早被采用的驱动方式，它具有重量轻、惯量小、传动平稳、控制环节简单等特点。

但是液压驱动系统的液压油容易泄漏，影响工作性能和污染环境，它需要单独的油源，所占空间较大。

电动驱动系统具有传动平稳、灵活、控制简单精确、无污染、效率高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点。

对以上三种驱动方式进行比较后，确定选择电动驱动系统作为轮椅动力来源，并将蓄电池作为电动机和控制系统的动力能源。

在确定了驱动方式后，需要选择合适的电动机。

电动机的性能直接决定着驱动系统的性能，它的选择成为设计多功能轮椅驱动系统的基础。

电动机按照工作电源分类可分为交流电机(AC)和直流电机(DC)两种。

交流电机(AC)具有结构简单、造价便宜、维护方便等优点，但是交流电机控制特性较差，调速系统比较复杂。

直流电机(DC)的激励电流和电枢电流二者的大小及方向可以独立地分别控制，从而使转速在很宽的围可以得到精确的调节，具有良好的控制性能和调速性能。

但是传统的有刷直流电机体积较大，结构复杂、散热性能差，它必须有炭刷和换向器，炭刷易产生电火花会引起电磁干扰，它和换向器易损坏，降低了电机的稳定性和寿命。

无刷直流电机由电子换向器取代了普通有刷直流电机炭刷和换
向器的机械换向，消除了机械换向带来的诸多限制，它既保持着有刷直流电机的优秀控制性和调速性，又具有可靠性高、结构简单、寿命长、体积小、噪声低、损耗低、无干扰性、过载能力大等优点，是交流电机与直流电机优点的结合，广泛用于机械、交通运输等领域。

综上所述，多功能轮椅选用无刷直流电机进行驱动，具体由电动机、减速箱、数字伺服驱动器和光电编码器组成。

两台电动机分别驱动两个驱动轮为轮椅运行提供动力，数字伺服驱动器对电动机的转速和转向进行控制，并通过光电编码器对电机转速和位置的反馈进行不断调整，它们共同组成一个闭环系统，控制轮椅完成前进、后退和转向等动作。

如图4.1所示为驱动闭坏系统的示意图。

图4.1 驱动闭环系统
4.2电机参数的确定
根据设计要求：实现最大爬坡角，爬坡速度0.4m/s，并
根据电机负载力矩计算公式：
= (N∙m)(2．1)
其中：表示电机负载力矩；表示轮椅和人的总质量；表示要求加速度；表示车重(N)；为145kg，则为145x9.8N；表示履带与地面摩擦系数(取值在0.055～0.3之间)；α表示爬坡角度，最大；表示主动轮半径，取值为O.2m；表示总传动比，其中一级传动比=30，二级传动比=5；η表示传动效率，其中一级传动效率=0.84，二级传动效率=0.76；表示电机个数，；另外，电机转速计算公式为：
(2．2)
其中: 表示轮椅前进速度，按水平地面1.5m/s,爬坡0.4m/s计算；表示主动轮半径；表示总传动比；最后,根据公式(2.3)可以计算出电动机所需功率,电机功率计算公式为：
(2．3)
其中η表示传动效率；。