畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué)生姓名張三專業(yè)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化班級機(jī)械A(chǔ)1512班擬選題目行星輪式爬樓梯輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計選題依據(jù)及研究意義目前，大多數(shù)年老體弱者及肢體傷殘者都選擇輪椅作為他們的代步工具，尤其是隨著無障礙設(shè)施的增多，輪椅的使用范圍越來越廣。輪椅也由手動輪椅、電動輪椅趨向智能輪椅的方向發(fā)展，但是它們一般僅適合在平地上使用，很少有具備爬樓和翻越路障的能力，樓梯和路障使輪椅的使用受到了很大的限制，而國內(nèi)城市以多層公寓式樓房居多，尤其是在中小城市中，電梯的使用還沒有普及到所有的居民住宅，這也給輪椅用戶造成不便。隨著無障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動范圍逐步加大，樓梯卻使輪椅受到很大限制，這促使人們迫切的研究輪椅。連續(xù)型爬樓梯輪椅工作效率高，爬樓梯的速度較快；間歇型的爬樓梯輪椅因兩套支撐裝置交替支撐，爬樓梯的速度慢一些；星形輪式爬樓梯輪椅的活動范圍廣，運(yùn)動靈活，但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高；履帶型爬樓梯輪椅的技術(shù)比較成熟，傳動效率比較高，行走重心波動很小，運(yùn)動非常平穩(wěn)，但是運(yùn)動不夠靈活，對樓梯有一定的損壞，這限制了其在日常生活中的推廣應(yīng)用。國內(nèi)外對輪椅的研究結(jié)果有很多，但尚沒有體積小巧、操作簡單、價格低廉，適用于居民樓梯和廣大殘疾人及老年人的爬樓梯輪椅。盡管IBOT4000這種多功能高智能的輪椅是發(fā)展方向，我國“863”等國家計劃也支持一些單位研發(fā)了具有視覺、聲音及語音控制等功能的智能輪椅，但是從我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和需求人群的經(jīng)濟(jì)條件來看，研究一種價格適宜、小巧輕便的多功能爬樓梯裝置才具有重大的意義和實用價值。選題研究現(xiàn)狀爬樓梯輪椅攀爬樓梯功能的實現(xiàn)主要源于其攀爬機(jī)構(gòu)的設(shè)計。國外在此方面的研究工作起步較早并且相繼投入了大量的人力和物力，先后取得了不少突破性的科研成果。其中美國、歐洲和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。國內(nèi)在近些年內(nèi)也取得了十分顯著的成果，有關(guān)于爬樓梯輪椅的專利不斷涌現(xiàn)。但由于受到各方面因素的限制，這些設(shè)計大多停留在研究層面，占有市場份額的成熟產(chǎn)品相對較少。總結(jié)目前國內(nèi)外現(xiàn)有爬樓梯輪椅研究現(xiàn)狀，按攀爬樓梯功能的實現(xiàn)原理，爬樓梯輪椅的主要類型為履帶式、輪組式和步行式。1.履帶式爬樓梯輪椅履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，其原理簡單，技術(shù)也比較成熟。英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為35°，上下樓梯速度為每分鐘15-20個臺階。法國Topchair公司生產(chǎn)的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能。履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運(yùn)動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處：重量大、運(yùn)動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞，且平地使用時所受阻力較大，轉(zhuǎn)彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。2.輪組式爬樓梯輪椅輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組式。按照所使用的輪組的對數(shù)不同又可分為單輪組式和雙輪組式。單輪組式是指裝置中僅使用了一對輪組；而雙輪組式是指在裝置的前后各使用了一對輪組。每個輪組依照星形輪系的運(yùn)動方式，各個小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。平地行走時，各小輪自轉(zhuǎn)，而爬樓梯時，各小輪一起公轉(zhuǎn)。美國發(fā)明家DeanKamen發(fā)明的一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅-IBOT3000。它有6個輪子，前面有一對實心腳輪，后面有兩對行星結(jié)構(gòu)的充氣輪胎，通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上下樓梯。IBOT3000幾乎能適用于所有樓梯，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是在輪椅重心安裝了陀螺儀，控制器根據(jù)陀螺儀的信號調(diào)整重心的位置，使輪椅能在不同狀態(tài)下保持平衡。經(jīng)過數(shù)十年的研究開發(fā)，它己經(jīng)由IBOT3000發(fā)展到了IBOT4000，功能也越來越強(qiáng)大，是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，它的售價在3萬美元左右，相當(dāng)于一輛中檔橋車的價格，難以被普通使用者接受。我國在上世紀(jì)八十年代對輪組式爬樓梯裝置已有研究，1987年專利號為86210653的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運(yùn)行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實現(xiàn)上下樓。輪組式爬樓梯裝置的活動范圍廣，運(yùn)動靈活，但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高，重心起伏較大，會使乘坐者感到不適。此外，輪組式爬樓梯裝置體積較大，很難在普通住宅樓梯上使用。3.步行式爬樓梯輪椅其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成，上樓時先將輪椅抬高，再水平向前移動，如此重復(fù)這兩個過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作，外觀可視為足式機(jī)器人，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。日本早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院高西淳夫教授的研究室以及日本機(jī)器人開發(fā)風(fēng)險企業(yè)Tmsuk聯(lián)合開發(fā)的雙足行走機(jī)器人“WL-16RⅢ"，它由兩條機(jī)械腿支撐一個座椅構(gòu)成，每條機(jī)械腿有6個自由度，可向前、后、側(cè)面移動，座椅底部裝有陀螺儀，每條腿上裝有壓力傳感器，通過傳感器采集信息，控制其實時調(diào)整姿態(tài)保持重心平穩(wěn)。“WL-16RⅢ”兩腿前后伸展距離最長為1.02米，左右最長1.36米，每條腿上下運(yùn)動幅度最大0.34米。步行式爬樓梯裝置爬樓時運(yùn)動平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯，但它對控制的要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時運(yùn)動幅度不大，動作緩慢。此外，座椅距地面的高度較大，易給使用者造成心理恐俱，距離實際應(yīng)用還有很大的距離。從以上不難看出，履帶型爬樓梯輪椅的技術(shù)比較成熟，傳動效率比較高，行走重心波動很小，運(yùn)動非常平穩(wěn)，但是運(yùn)動不夠靈活，對樓梯有一定的損壞，這限制了其在日常生活中的推廣應(yīng)用；輪組式爬樓梯輪椅的活動范圍廣且靈活，但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高；步行式爬樓梯輪椅因兩套支撐裝置交替支撐，爬樓梯的速度一般較慢。研究內(nèi)容（包括基本思路、框架、主要研究方式、方法等）本課題研究的最終目的是設(shè)計出一款體積不大、操作較為簡單、價格適中、且整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模塊化，每個功能模塊負(fù)責(zé)一種功能，可根據(jù)不同用戶的選擇適合于廣大老弱病殘人員使用的爬樓梯輪椅。本文主要完成上下樓梯機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計。首先，爬樓梯輪椅爬樓的實現(xiàn)機(jī)構(gòu)是本設(shè)計的重點(diǎn)內(nèi)容。設(shè)計一款合理、可靠的爬升機(jī)構(gòu)對于爬樓梯輪椅的功能實現(xiàn)以及安全性提高方面至關(guān)重要。另外，在爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中，爬樓梯輪椅需要的爬升扭矩較大，這是爬樓裝置普遍面臨的問題，這就需要選擇一套功率較大的動力系統(tǒng)并設(shè)計一套效率較高的傳動系統(tǒng)。其次，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計是不可或缺的一項，這要求各功能模塊的功能實用又能與基礎(chǔ)模塊部分銜接合理。然后，爬樓梯輪椅在爬樓梯過程中的實用安全性也是其中的一個重要指標(biāo)，影響爬樓梯輪椅安全性的一個重要因素就是其本身的重量。這就要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中在構(gòu)件滿足強(qiáng)度剛度要求的前提下盡量減輕重量，使最終設(shè)計完成的產(chǎn)品既能滿足使用要求，又要結(jié)構(gòu)緊湊小巧。最后，為了驗證方案可行性與設(shè)計的可靠性，需要對于所設(shè)計關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核分析。為了很好的完成以上研究任務(wù)本文做了以下安排：首先研究分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析目前存在的爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析，取其優(yōu)點(diǎn)祛其不足對爬樓梯輪椅的工作機(jī)理進(jìn)行了設(shè)計。在這部分主要做的工作包括爬樓梯輪椅工作機(jī)構(gòu)設(shè)計、爬樓驅(qū)動裝置傳動設(shè)計、以及爬樓梯電動輪椅動力系統(tǒng)的設(shè)計。然后做的工作是爬樓梯輪椅的運(yùn)動學(xué)以及力學(xué)的建模分析，分析爬樓梯輪椅運(yùn)動以及受力情況，為以后設(shè)計打下理論基礎(chǔ)。其次就是結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，在這部分對于爬樓梯輪椅的整體結(jié)構(gòu)以及細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。最后一部分就是對爬樓梯輪椅的關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核分析，通過這部分可以驗證爬樓梯輪椅的可行性以及獲得真實的技術(shù)參數(shù)為以后控制設(shè)計打下基礎(chǔ)。并且通過關(guān)鍵部件校核分析可以確定輪椅零部件工作的可靠性，同時也為優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。論文提綱(含論文選題、論文主體框架)緒論：介紹爬樓輪椅的行業(yè)背景和發(fā)展趨勢以及現(xiàn)存行星輪式爬樓輪椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，提出改進(jìn)方案。第一章：根據(jù)已整理的文獻(xiàn)，分析爬樓輪椅的爬樓過程，總結(jié)現(xiàn)有攀爬方案。第二章：確定出行星輪式爬樓輪椅裝置的總體設(shè)計方案。第三章：利用Solidworks對行星輪式爬樓輪椅的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，將設(shè)計結(jié)構(gòu)模塊化。第四章：利用Solidworks對行星輪式爬樓輪椅進(jìn)行整體裝配。第五章：總結(jié)該設(shè)計方案的優(yōu)缺點(diǎn)及其市場意義和市場展望。致謝參考文獻(xiàn)主要參閱文獻(xiàn)[1]王麗娟.行星滾輪轉(zhuǎn)換步行式驅(qū)動爬樓梯輪椅設(shè)計[D].蘇州:蘇州大學(xué),2016.[2]戴本圣.多功能行星輪式爬樓梯輪椅的設(shè)計與研究[D].徐州:中國礦業(yè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