目录1 绪论 (1)1.1课题的研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)2 自动轮椅总体设计 (4)2.1概述 (4)2.2 总体结构设计 (4)2.3行星轮机构设计 (5)3动力系统的设计 (9)3.1动力系统参数设计 (9)3.2驱动电机参数设计 (9)3.3电池选择 (11)4关键零件的设计计算 (12)4.1配齿计算 (12)4.2 链传动计算 (16)参考文献： (19)1 绪论1.1课题的研究背景及意义随着人口的急剧膨胀，我国的人口老龄化也随之加快，给社会及家庭带来的压力也不断增大。

在《人口老龄化发展趋势预测研究报告》中全国老龄委最新发布的资料说明了一个问题：我们所处的21世纪将会是人口老龄化的时期。

而我国早在20世纪末就已经步入了老龄化时代，相对于其他国家较早，这更应该引起我们的重视。

中国不仅是进入老龄化较早的国家，同时也是老年人口最多的国家。

在这个占有世界近1/5人口的国度里的问题就不仅仅是自身的问题了，它也会影响到世界老龄化程度以及进程，这个问题应该值得关注。

另外，由于各种生产事故、交通事故、各种灾害等意外事故导致大量残疾人的出现，这也是整个社会一直面临的问题。

在残疾人数量统计的相关报告表明：世界以及我国的一次大量增加，据官方不完全统计，汉川地震造成残疾人数超过7000人，青海玉树地震造成残疾的数量也是一个巨大数据。

随着现代科学技术的发展人们的寿命在延长的时间变长。

另外由于现代高节奏的生活致使汽车的使用率大幅度提高，交通事故随之增加，导致残疾发生的风险也在加大。

以上情况都验证了一个观点，就是残疾人口的数量将不断增加。

轮椅是现在大多数年老体弱者及肢体伤残人士使用较为广泛的代步工具。

轮椅的发展也随着社会的需求变得多种多样，人类的智慧引领轮椅行业的发展，智能轮椅在越来越高的使用需求中得到了更多的重视，随着科技的飞速发展，将逐步替代手动轮椅和电动而国内城市尤其是在中小城市中以多层公寓式楼房居多，电梯的使用还没有普及到所有的居民住宅，也给轮椅使用者造成诸多不便。

由于考虑到使用区域的广泛性，设计一款使用方便、重量适宜、价格合理的电动爬楼梯轮椅可能会大大的改善老年人和残疾人的生活质量，让他们的出行更为方便，楼梯和路障将不再成为他们出行的障碍。

1.2国内外研究现状爬楼梯装置的研究已经有了较长的历史，早在19世纪90年代就已经有了此类专利的出现。

自此，美、英、日德等发达国家就开始向此领域冲击，经过不断努力开发，也出现了一些成果。

由于起步较早，它们在这方面的技术也相对成熟，已经推出此类产品。

但现存产品都还存在各种瑕疵，还没有一种能做到尽善尽美。

我国对此类装置的研究起步较晚，在近几年也有一些成果产生，但距离形成成熟产品还有很长的路要走。

1.2.1履带式履带式爬楼装置是目前使用较广的一种方式，其原理简单，有多款成熟产品问世。

其中较为出名的是法国TopChiar公司研制的悍马-H8型，如图1a。

悍马-H8在结构上将平地电动轮椅和爬楼机构融为一体，平地运动时履带机构收起，由后轮驱动，爬楼时履带机构放下，和轮椅底部成一定角度，爬楼时可调节，使乘坐者始终处于较舒适的状态，由履带机构驱动轮椅爬楼，由于功能强大，售价也不菲，约20万人民币;也有一类履带式爬楼装置设计成独立模块，和普通轮椅配合使用，图1b为加拿大T09-ROBh型爬楼装置，该装置可和普通轮椅的后轮、背部固定起来，由专人操纵辅助完成上下楼，虽然功能没有悍马-H8强大，但价格相对便宜，约3万人民币，平时可放在固定楼道附近使用。

（a)法国悍马-H8（b) T09-ROBY图1履带式爬楼装置履带式爬楼机构行走方式连续，抓地力强，上下楼时重心平稳，安全可靠，但体积、重量及噪声也较大。

1.2.2星轮式轮式机构在地面的运输工具中使用范围最大，国外的爬楼梯装置设计中也常常采取轮式机构。

普通的残疾人使用的轮椅及电动轮椅车也通常使用轮式机构，轮式机构体积小巧，结构简单且容易控制，运行起来既平稳速度又快，工作能效高，并且由于转向时候采取的差动传动转向半径，这种转向半径很小，且易于转向;圆柱型轮体机构常常使用在一般的轮式机构之中，在平地行走具有很大的优势，但是路况较差如崎岖路面、楼梯状况时，普通的轮式机构又不能达到使用者的要求。

普通轮式机构要想跨越台阶等障碍，其中一个必要条件就是车轮半径至少要大于台阶高度，而且跨越台阶需要的能量很大，过程不稳定，冲击较大;而且楼梯台阶的宽度有限，如果一味的增大车轮半径又会导致轮椅在台阶上失去了支撑点，这也是目前常规轮椅采用大的后轮而无法实现上下楼梯功能的主要原因。

通常来讲，轮子的个数和轮式机构对路况的适应性能力强弱成正比，可是，如果轮子个数很多，那么势必会是小车体积增大，重量增加。

所以要是轮式机构完成爬楼梯的性能，就要改进它的机构。

能爬楼梯及可以越障的轮式机器人通常使用行星轮机构，行星轮的形态一般排列成十字形或Y型，这样来实现它的功能。

强生公司的IBOT，如右图）所采用的就是行星轮式爬升机构。

1.2.3腿足式腿足式爬楼轮椅的主要特点是爬楼动作是一个由腿足完成的不连续过程。

早期的爬楼梯装置多数都采用这种不连续方式。

18世纪90年代Bray发明制造的爬楼梯轮椅采用的方式就是不连续方式。

在爬楼过程中，两套支撑装置中的一套作为支撑，另一套爬升，运动轨迹为上升、平移、着陆，类似人的两条腿一样爬楼。

腿足式爬楼梯装置实际上就是模仿人类爬楼的动作。

腿足式爬楼轮椅的研究日本的技术比较成熟，经过数十年研究，出了很多专利甚至产品。

在日本的丰田公司，“iFoot”，和“iUnit"可以让轮椅使用者能够像正常人一样随心所欲地到处运动。

“iFoot”，外观犹如一个长着机器腿的大椅子，或者说是一个从日本卡通片中逃出来的机器人，如图1.2.3 （a)所示，它能够像人一样两条腿走路。

如果你觉得太慢，那么还有“iUnit"可供选择，这种设计有四个轮子，使用者坐在距离地面较低的轮椅里面。

但是这种装置还处在概念阶段，没有到可以上市的程度。

另一个正在研制中的轮椅和“iFoot”比较像，尽管外观上不像“iFoot”那样漂亮，但它更实用。

这是日本研发的又一腿足式爬楼装置，名字"WL-16RII"，如图1.2.3 （b）。

也是有两条腿的椅子，座椅底安装了陀螺仪系统，每条腿上也都装有压力传感器，通过信息采集以及陀螺仪联合控制处理来保持平衡，可以上下楼梯，并且可以调高或者调低，可为老年人和残疾人提供新的行动能力。

不过，这种轮椅目前也没能上市。

（a） iFoot (b) WL-16RII图2腿足式爬楼装置综上所述，国内外在爬楼梯装置方面的研究已经有较长的历史，成果也较多，诞生了很多的专利以及产品，但是它们或者结构复杂、或者造价昂贵，总是存在这样或那样的缺陷。

为了更好地解决老年人、残疾人活动问题，提出一种整体结构紧凑、质量适中、安全性好、操作方便、价格适宜的爬楼梯轮椅方案是十分必要的。

此外，考虑到轮椅的主要作用是平地行驶，故在做好爬升装置的前提下更应将平地行驶功能做到最好。

可以看出，虽然爬楼梯装置的研究已经有了一定的成果，但距离完美的产品的诞生还是有很长一段路需要走的。

2 自动轮椅总体设计2.1概述根据目前爬楼梯装置的研究现状，分析已产生的各种机构的优缺点，在充分考虑结构、造价、安全性等重要因素的基础上，研究设计一种星轮式电动爬楼梯轮椅。

该设计在满足爬楼梯轮椅的基本要求前提下，尽量做到结构简单，价格适宜，对台阶适应性强，安全性高等方面。

具体要做到以下几点:(1)能爬楼、越障，平地时可作电动轮椅使用。

(2)爬楼时重心波动较小，具有良好的稳定性和可靠性。

(3)作为电动轮椅时要符合，国标GB12996-91电动轮椅技术参数标准。

(4)轮椅车上下楼应和我们日常习惯一致，避免反向上楼给使用者带来的不便，同时确保上下楼过程的安全性。

分析现有的三种典型爬楼梯机构，综合比较其缺点，见表2-1表2-1典型爬楼机构优缺点对照表 通过对比以上各种爬升机构的优缺点，星轮式越障机构优势突出，结构简单，成本低，而且传动机构易布置，因此本课题采用星轮式越障机构。

综合考虑我国国情和普通消费者的购买能力，在三种爬楼梯机构的性能对比分析，同时满足轮椅的设计要求的基础上，开发了一种既可满足爬楼梯功能，又安全可靠，操作方便，通用性好而且价格适中的行星轮式多功能电动爬楼梯轮椅车。

2.2 总体结构设计轮椅的总体设计如图4所示，主要由越障机构（行星轮机构）、车架、座椅和座椅调节平衡机构、驱动机构和转向机构组成。

爬升机构 星轮式 履带式 腿足式 台阶适应能力 一般 强 强 稳定性 一般 强 差 控制难易 易 一般 难 机构复杂程度简单 一般 复杂 对台阶是否损伤否 是 否 行走阻力 小 大 大图4(1)越障机构：本课题采用两对星轮式机构，前后各一组行星轮并且左右分别对称安装，通过行星轮的公转和自传实现平地行驶和越障的转换，以便顺利通过各种路况；行星轮小轮之间通过链连接，每组行星轮一侧安装一对电磁离合器，通过电磁离合器的通和断来控制行星轮支架的翻转。

(2)车架：车架是整个轮椅车的基础，应结合轮椅车总布置的要求来设计，还应具有足够的强度和刚度，保证轮椅车可以顺利通过各种复杂路况；质量要尽可能小，应布置的离地面更近一些，使轮椅重心降低，有利于提高轮椅的行驶稳定性。

(3)座椅和座椅调节平衡机构：座椅起着支撑人体，使轮椅操纵方便和乘坐舒适的作用，因此这次设计要充分考虑使用者的要求。

座椅调节机构采用了一种滚道滑轨式固结在车架上，滚轴一端连接座椅，一端安装有轴承，通过轴承在圆弧轨道中的滚动，实现座椅调节的目的。

（4）驱动机构：采用电机中置，链传动和齿轮相结合的传动方式，以使电机的传动可以有效的传递给行星轮结构，驱动轮椅的运动。

（5）转向机构：鉴于设计的车轮数目较多，如果直接采用前轮转向或是后轮转向，则同时有8个轮着地，并且同时要转到6个轮才能实现转向，所需的转向力将很大，造成转向困难。

为了解决这一困难，我单独在轮椅的前边设计了转向轮并且还采用了机械传动等，在平地行驶时使用者可以方便的通过控制转向盘的传动实现对轮椅的转向，越障时依靠电机带动转向轮升高，防止转向轮影响轮椅越障。

2.3行星轮机构设计2.3.1行星轮总体结构概述行驶机构采用轮组结构。

轮组结构中的小轮个数越少，结构越简单，但是轮组的翻转力矩也越大，轮椅重心波动也就大，稳定性越差。

但随着小轮个数的增加，轮椅重心波动减小，但是整个轮组机构的结构也越来越复杂。

因此，本文轮椅的前轮由三个小轮构成轮组机构，后边是由四个小轮组成轮组机构，即都为行星轮机构。

如图平地运行状态，链传动动力，小轮着地运行。