行星轮爬楼梯轮椅设计(机械CAD图纸).doc
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1、 摘 要 轮椅是老年人和残疾人生活中非常重要的工具。随着无障碍设施的增多,轮椅使用者的活动范围逐步加大,但楼梯却使轮椅受到很大限制。国内外发明了多种星型轮式爬楼梯轮椅,美国发明家发明的一种能自动调节重心的两轮组式轮椅-IBOT,这个轮椅不仅是目前该领域中性能最高的产品,也是今后轮椅发展的方向。通过借鉴 IBOT 4000 的爬楼梯方式的研究,本文在普通轮椅的基础上安装了电机,使轮椅能调节速度和转弯,还安装了爬楼装置、驱动装置以及控制系统,设计了一种简单的爬楼梯电动轮椅。本设计能很好的解决楼梯或路障对老年人和残疾人生活造成的不便,提高行动自由度,重新更好的融入社会。 关键词 :轮椅,控制系统,两
2、轮式,机械系统 I Abstract Wheel-chair is an important tool for the elderly and the disabled. With the increased of barrier-free facilities, wheelchair users enlarged gradually the scope of activities, but staircase limited the wheelchair using .Inventors invented a variety of star-wheel stair climbing whee
3、lchair at home and abroad, the US inventor invented a wheelchair _IBOT which can automatically adjust the focus of two rounds of group-type . The IBOT 4000 not only the realm neuter genders tallest product of ability currently, but also will develop from now on of direction. Through draw lessons fro
4、m IBOT 4000 of climb the research of stairs method, this text installed electrical engineering on the foundation of common wheel chair, which made the wheel chair able to regulate speed and turn. Installed to climb building device and drive to equip and control system, designed a kind to in brief cl
5、imb the stairs dynamoelectric wheel chair. This design made a good solution to stairs or roadblocks which bring of inconvenience for the disabled, helping them enhance the freedom of action and make better to integrate into the community. Key words:Wheelchair, control system, two-wheeled type, mecha
6、nical structure 目 录 第一章 前言 . 1 1.1 研究背景 .- 1 - 1.2 研究意义 . 2 1.3 国内外爬楼梯轮椅的优缺点及发展趋势 . 2 1.4 研究的主要问题及解决的主要问题 . 7 1.5 本章小结 . 8 第二章 总体设计. 9 2.1 概述 . 9 2.2 总体结构设计 . 10 2.3 本章小结 . 15 第三章 机械结构设计 . 16 3.1 两轮式爬楼梯电动轮椅结构组成 . 16 3.2 两轮式爬楼梯电动轮椅功率计算 . 16 3.3 平地行走的机械结构 . 18 3.4 爬楼梯装置的机械结构 . 25 3.5 两轮式爬楼梯电动轮椅装配图 . 2
7、8 3.6 本章小结 . 29 第四章 重要部件的校核 . 30 4.1 从动轴的校核计算 . 30 4.2 键的校核 . 36 4.3 轴承的校核 . 36 4.4 本章小结 . 38 第五章 电气控制设计 .39 5.1 两轮式爬楼梯电动轮椅电机选型 . 39 5.2 电池选择 . 40 5.3 控制系统设计 . 40 5.4 本章小结 . 49 第六章 结论与展望 . 50 6.1 结论 . 50 6.2 展望 . 50 6.3 本章小结 . 50 第七章 技术经济分析 .51 7.1 市场前景分析 . 51 7.2 技术经济效益分析 . 51 7.3 社会效益分析 . 52 7.4 本
8、章小结 . 52 参考文献 . 53 致 谢 . 55 附 录 . 56 第一章 前 言 1.1 研究背景 125智能轮椅的相关研究开始于 1986 年。经过 20 多年的研究,世界各国的研究者相继开发了多种智能轮椅平台。但是目前的智能轮椅基本上采用与移动机器人相同的技术方案,因而成本很高,难以进入普通家庭 。 随着社会的不断发展,楼梯的出现是人类建筑史上一个重要的成就,它不仅缩小了房屋的建筑面积、利用了有限的生存空间,而且为进出高层建筑物提供了方便的通道。尤其是在人口量日益增长、经济飞速发展的现代化社会中,为了提高人均住房面积,改善人们的生活质量,高楼别墅不断涌现,然而楼梯在发挥优势的同时,
9、它也对老年人、肢体残障人士出行带来了很多不便,对他们的行动造成了障碍,影响了他们与外界的沟通和交流。这个问题随着老年人和残疾人数量的增多显得日益突出。 一方面,人口老龄化问题越来越严重。联合国经济和社会事务部发表的2007年界经济和社会调查报告指出:“由于人口出生率下降和寿命增长,全球大多数国家迅速老龄化,从 2005 年到 2050 年,世界人口增加的一半将为 60 岁以上的老年人,岁以上人口将从 9000 万增加到 4 亿。”我国也己经步入了老龄化社会,目前我国 60 及以上的老年人己达 1.44 亿,预计到 2050 年老龄人口将超过 4 亿,占社会总人口的 3 左右。 另一方面,残疾人
10、的数量也在大幅增加。据联合国统计,全球残疾人占世界总人的 10%。截至 2006 年,我国第二次残疾人抽样调查显示,全国各类残疾人总数己达 82 万人,占全国总人口的 6.34%,较 1987 年增加了 2132 万人。值得注意的是,由于工和交通事故、体育运动伤和自然灾害等原因造成的肢体残障者的数量大幅上升,约占有残疾人数量的 30%。在 2008 年“5.12”地震中全国受伤人数高达37 万多,这些数都表明了残疾人数量的显著增大。 老年人和残疾人比例的显著增加给经济、社会的发展都带来了很大的影响,医疗护理、社会服务等各方面需求的压力也越来越大。为关心老年人、残疾人的生活,改善他们的生活质量,
11、减轻医疗护理事业的压力,各式各样的助老、助残运动装置也应运而生 。 - 1 - 1.2 研究意义 23456目前,大多数年老体弱者及肢体伤残者都选择轮椅作为他们的代步工具,尤其是随着无障碍设施的增多,轮椅的使用范围越来越广。轮椅也由手动轮椅、电动轮椅趋向智能轮椅的方向发展,但是它们一般仅适合在平地上使用,很少有具备爬楼和翻越路障的能力,楼梯和路障使轮椅的使用受到了很大的限制,而国内城市以多层公寓式楼房居多,尤其是在中小城市中,电梯的使用还没有普及到所有的居民住宅,这也给轮椅用户造成不便 。 为了给老年人和残疾人提供性能优越的代步工具,解决楼梯或路障对他们生活造成的不便,帮助他们提高行动自由度,
12、重新融入社会 ,研究轮椅已成为现代社会最为重要的事情。轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的最优代步工具,随着无障碍设施的增多,轮椅使用者的活动范围逐步加大,楼梯却使轮椅受到很大限制,这促使人们迫切的研究轮椅。连续型爬楼梯轮椅工作效率高,爬楼梯的速度较快;间歇型的爬楼梯轮椅因两套支撑装置交替支撑,爬楼梯的速度慢一些;星形轮式爬楼梯轮椅的活动范围广,运动灵活,但是上下楼梯时平稳性不高;履带型爬楼梯轮椅的技术比较成熟,传动效率比较高,行走重心波动很小,运动非常平稳,但是运动不够灵活,对楼梯有一定的损坏,这限制了其在日常生活中的推广应用。 国内外尚没有体积小巧、操作简单、价格低廉,适用于居民楼梯和
13、广大残疾人及老年人的爬楼梯轮椅。尽管IBOT4000 这种多功能高智能的轮椅是发展方向,我国“863”等国家计划也支持一些单位研发了具有视觉、声音及语音控制等功能的智能轮椅 ,但是从我国经济发展水平和需求人群的经济条件来看,研究一种价格适宜、小巧轻便的多功能爬楼梯装置才具有重大的意义和实用价值。 1.3 国内外爬楼梯轮椅的优缺点及发展现状 1.3.1 国内外爬楼梯轮椅的优缺点 智能轮椅是智能型电动轮椅的简称。智能轮椅的种类很多,目前尚没有一个统一的或权威性的定义。高性能智能轮椅通常同时具有电动轮椅与智能机器人的多种功能。作为一种典型的服务机器人,智能轮椅不但可以为老年人和残疾人提供一种良好的代
14、步工具,而且可以具有自主导航、自主避障、人机对话等服务机器人所具- 2 - 78912有的各种功能,因而可以帮助残疾人和老年人提高自己的生活自理能力和工作能力,使他们更好地融入社会。智能轮椅是以人为中心的系统,因此其控制系统的设计并不是自主性越高越好,而是应该考虑到使用者的具体需要,不但要考虑到使用者对各种功能的需要,而且需要考虑到使用者的经济负担能力。中国开展智能轮椅的研究较晚,但也根据自己的技术优势和特点,开发出了有特色的智能轮椅。轮椅平台包括中科院自动化所的多模态交互智能轮椅、采用嵌入式控制系统智能轮椅,上海交通大学的多功能智能轮椅,中科院深圳先进技术研究院基于头部动作的智能轮椅等等。
15、国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早,最早的专利是 1892 年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅 。此后,各国纷纷开始投入此项研究,其中美国、英国、德国和日本占主导地位,技术相对比较成熟,且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚,但近年来也涌现了很多这方面的专利,然而投入实际使用的还很少 。 下面对国外、国内各种类型装置的发展作简要介绍,并分析其各自优缺点。 1履带式爬楼梯轮椅 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克,其原理简单,技术也比较成熟。英国 Baron mead 公司开发的一种电动 轮椅车,底部是履带式的传动结构,可爬楼梯的最大坡度为 35,上下楼梯速度
16、为每分钟 15-20 个台阶。法国 Top chair公司生产的电动爬楼梯轮椅,它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用,当遇到楼梯等特殊地形时,用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面,然后把这四个车轮收起,依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基础上,研究了一种代号为“Sakadankun”的双履带式的爬楼梯装置,即左右两侧各有两组履带相互连接在一起,解决了在水平状态与楼梯倾角切换时,座椅倾角过大而影响使用安全的问题,如图 1.1 所示。 履带式结构传动效率比较高,行走时重心波动很小,运动非常平稳,且使用地形范围较广,在一些不规则的楼梯上也能使
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