畢業(yè)論文--履帶輪式爬樓梯電動輪椅畢業(yè)設(shè)計

1、畢業(yè)論文-履帶輪式爬樓梯電動輪椅畢業(yè)設(shè)計 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 摘 要 隨著社會的發(fā)展和人類文明程度的進步，老年人與殘障人員愈來愈需要運用 現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量，而爬樓梯對于老年人和殘疾人行動不方便 的，非常困難，所以要增加輪椅自動化程度，于是我們在原輪椅的基礎(chǔ)上進行改 進和加裝爬樓機構(gòu)，本文設(shè)計的電動輪椅具有爬樓功能，爬樓時用履帶驅(qū)動，平 地時可像普通輪椅用輪驅(qū)動也可輪椅稍后仰用履帶驅(qū)動。此車在輪椅的基礎(chǔ)上安 裝履帶裝置、升降機構(gòu)、電機、以及控制電路、控制設(shè)備，以降低勞動強度、提 高效率，減少他們的困難、提高生活質(zhì)量、滿足市場需求為目的。爬樓梯車具有 適應(yīng)性強、機動靈活、活

2、動范圍大等特點，在我國國民經(jīng)濟的發(fā)展中，爬樓梯電 動輪椅的需求量逐年增加，市場發(fā)展?jié)摿薮?，爬樓梯電動輪椅行業(yè)具有廣闊的 發(fā)展機遇和良好的投產(chǎn)前景。 關(guān)鍵詞：爬樓梯，電動，輪椅，履帶輪式 I 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 目 錄 第一章 綜述.1 1.1 爬樓梯輪椅的意義 . 1 1.2國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況. 2 國外爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況.2 國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況.4 1.3本項目的設(shè)計目的與主要研究內(nèi)容. 5 課程設(shè)計目的 . 5 課題研究內(nèi)容 . 6 1.4設(shè)計進程安排. 6 第二章 履帶爬樓裝置機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 .8 2.1爬樓機構(gòu)的比較. 8 2.2設(shè)計思路. 9 2.3履帶輪

3、式輪椅爬樓原理. 10 2.4履帶爬樓過程分析. 11 2.5爬樓性能參數(shù). 13 2.6履帶爬樓機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計. 13 2.7 升降機構(gòu)的設(shè)計 . 16 2.8 本章小結(jié) . 18 第三章 電氣系統(tǒng)設(shè)計. 19 3.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機選擇 . 19 3.2 電池選擇 . 20 3.3 電動車電機轉(zhuǎn)速控制 . 21 驅(qū)動方式對電動車性能影響 . 21 現(xiàn)有電動車電機存在主要問題及探索 . 21 3.4 直流電機機械特性 . 22 3.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 23 3.6 本章小結(jié) . 28 第四章 典型零部件設(shè)計及校核計算 .29 4.1 傳動系統(tǒng)動力參數(shù)計算 . 29 4.2 軸的計

4、算 . 30 III 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 第五章 技術(shù)經(jīng)濟分析報告.39 5.1 履帶輪式輪椅技術(shù)分析 . 39 5.2 履帶輪式輪椅經(jīng)濟分析 . 39 5.3 履帶輪式輪椅結(jié)論和展望 . 40 參考文獻.41 致 謝 .42 IV 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 第一章 綜 述 1.1 爬樓梯輪椅的意義 輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，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，但樓梯卻使輪椅受到很大限制，因此研 發(fā)價格低廉、簡單易用的爬樓梯輪椅是康復(fù)工程工作者面臨的一項比較緊迫的任 務(wù)。樓梯的出現(xiàn)是人類建筑史上的一個重要的成就，它不僅縮小了房屋的建筑面 積、

5、充分利用了有限的生存空間，而且為進出高層建筑物提供了方便的通道。尤 其是在人口數(shù)量日益增長、經(jīng)濟飛速發(fā)展的現(xiàn)代化社會中，為了提高人均住房面 積，改善人們的生活質(zhì)量，高樓別墅不斷涌現(xiàn)。然而，在發(fā)揮優(yōu)勢的同時，樓梯 對老年人、肢體殘障人士的出行帶來了很多不便，對他們的行動造成了障礙，影 響了他們與外界的溝通和交流。這個問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多顯得日 益突出。1 老年人和殘疾人比例的顯著增加給經(jīng)濟、社會的發(fā)展都帶來了很大的影響， 醫(yī)療、護理、社會服務(wù)等各方面需求的壓力也越來越大。為關(guān)心老年人、殘疾人 的生活，改善他們的生活質(zhì)量，減輕醫(yī)療護理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助 殘運動裝置也應(yīng)運而生

6、。 日本的身體殘疾者中，肢體殘疾者占60%，而且有近半數(shù)是下肢殘疾者。造 成下肢殘疾的原因，過去多是戰(zhàn)爭和工傷，近年來則越來越多的是交通事故和運 動、娛樂中的事故，尤其是年青人。另一方面，老年人中隨著年齡的增加，因體 力下降和腦血管病變造成殘疾的情況也越來越多。下肢最重要的功能是行走。一 旦不能行走，不用說到室外，就是在室內(nèi)移動也很困難，其生活空間大受限制。 老年人若周圍沒有適當?shù)娜苏疹?，容易變成臥床不起的狀況。若是輕度殘疾，使 用手杖等簡單的輔助工具，就可以在與健康人相同的范圍內(nèi)移動。但以自身之力 不能步行時，就必須用輪椅作為移動工具。使用輪椅時，靠自身之力就可以移動 到想去之處，所以其使用

7、價值非常高。但對于使用輪椅者，還有一些問題。普通 輪椅不具備攀登樓梯和跨越路障的功能，從而限制了以輪椅代步的下肢截癱者及 年老體弱者的活動范圍，影響其走向生活和回歸社會的深度和廣度。為此，人們 從以下方面解決這一問題:房屋和各種公共建筑設(shè)施的無障礙設(shè)計，在公共場所 設(shè)置輪椅上、下樓梯的固定搬運裝置、便攜式輪椅搬運小車、爬樓梯輪椅，這種 輪椅可在平地上行駛，且具備爬樓梯的功能?？稍O(shè)計成手動型或電機驅(qū)動型。由 于它們具有機動靈活、適用性廣等優(yōu)點，吸引了眾多學(xué)者從事該項研究。本文就 1 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 是為了能解決以上所遇到的問題而專門設(shè)計的一種爬樓輪椅。目前,國外已有許 多種爬樓梯輪椅

8、的發(fā)明專利問世。然而,它們多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格昂貴,不完全適 合于發(fā)展中國家使用者的經(jīng)濟承受能力。為此,我們設(shè)計了一種實現(xiàn)爬樓梯功能 的爬樓梯輪椅。與已有的其它專利相比,其結(jié)構(gòu)更為簡單、制造成本也更為低廉, 而且,它可以很容易地從爬樓梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換到平地行走狀態(tài)。所以,它對于輪椅使用 者是非常適合的,特別對于發(fā)展中國家的使用者更是如此 。隨著社會的發(fā)展和人 類文明程度的提高，人們別是身體有各種殘障的社會成員愈來愈需要運用現(xiàn)代高 新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量，拓展生活自由度。另一方面，因為各種交通事故， 天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力（如行走，動 手能力等）。因此，用于幫助殘

9、疾人行走的智能移動輪椅的研究越來越熱烈。此 方面的研究對我國這樣一個人口結(jié)構(gòu)即將進入老齡化的國家更是具有非常重要 的社會和現(xiàn)實意義。 1.2 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況 國外爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克，其原理簡單，技術(shù) 也比較成熟。如圖 1.1 a 所示是英國 Baronmead 公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底 圖 1.1 國外爬樓梯輪椅 部是履帶式的傳動結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為 35 度，上下樓梯速度為每分鐘 15 一 20 個臺階。圖 1.1 b 是法國 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行使用，當

10、遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過 適當操作將兩側(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。日本長崎大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基 礎(chǔ)上，研究了一種雙履帶式的爬樓梯裝置，如圖 1.1 c ，即左右兩側(cè)各有兩組履 帶相互連接在一起，解決了在水平狀態(tài)與樓梯傾角切換時，座椅傾角過大而影響 2 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 使用安全的問題。圖中履帶式爬樓梯裝置履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率比較高，行走時重 心波動很小，運動非常平穩(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。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動輪椅使用。 早期的爬樓梯輪椅一般都采用步行式，其

11、爬樓梯執(zhí)行機構(gòu)由鉸鏈桿件機構(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，外觀可視為足式機器人，采用多 條機械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。 圖 1.2 步行式爬樓梯裝置 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器人開發(fā)風(fēng) 險企業(yè) Tmsuk 聯(lián)合開發(fā)的雙足行走機器人“WL-16RIII ”，如圖 1.2 a 所示，它由 兩條機械腿支撐一個座椅構(gòu)成，每條機械腿有 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 一

12、16RIII 兩腿前后伸展距離最長為 1.02 米，左右最長 1.36 米，每條腿上下運動幅度最大 0.34 米。日本長崎大學(xué)機械工 程系研究了一種高階爬樓梯裝置如圖 1.2 b ，它由一系列液壓操作桿和前后兩組 星型輪構(gòu)成，集步行式與輪組式設(shè)計理念于一體。裝置通過星型輪的翻轉(zhuǎn)上下樓 梯，座椅底部的傳感器檢測裝置的平衡情況，控制操作桿自動調(diào)節(jié)使裝置在爬樓 過程中始終位于穩(wěn)定裕度內(nèi)。在平地使用時，操作桿可以折疊于座椅底部，節(jié)省 了使用空間。它的最大優(yōu)點是爬樓幅度較高，甚至能自行上下貨車。 步行式爬樓梯裝置爬樓時運動平穩(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，在平地行走時運動幅

13、度不大，動作緩慢:此外，座椅距 3 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 地面的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實際應(yīng)用還有很大的距離。 國外比較具有代表意義的是德國Alber 公司開發(fā)的scalamohile 爬樓梯輔助裝 置，如圖 1.3 a 所示。它是獨立于輪椅的一種輔助裝置，左右兩側(cè)各有兩組爬樓 梯輪。它可以方便地和輪椅結(jié)合，依靠這兩組輪子的輪流翻轉(zhuǎn)上下樓梯。同時， 每個輪子上都設(shè)有自動剎車裝置，防止在樓梯邊緣打滑。這種裝置體積小、重量 輕，便于存放和攜帶，幾乎適用于所有樓梯。Scalamobile 的不足之處是必須在 旁人輔助下使用。 除了在輪椅上安裝輔助設(shè)備外，還出現(xiàn)了一批承載輪椅上下

14、的平臺裝置，這 些裝置大多基于樓梯軌道運行，原理簡單，易于實現(xiàn)。圖 l.3 b 是加拿大 GaraventaLift 公司生產(chǎn)的軌道式爬樓梯裝置“GSLArtira ”，它需要在樓梯上安裝 軌道，將輪椅直接置于平臺裝置上沿軌道實現(xiàn)上下樓的運動。這類裝置在歐美國 a b 圖 1.3 家比較具有使用潛力，因為歐美以獨立別墅居多，以獨門獨戶為單位，使這種平 臺裝置與住房的結(jié)合易于實現(xiàn);而國內(nèi)城市以多層公寓式樓房居多，統(tǒng)一鋪設(shè)軌 道需要很大的代價，不切實際。此外，戶外樓梯各式各樣，針對不同形式的樓梯， 需要設(shè)計不同的軌道，代價過高，不易推廣。1 國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況 我國對此類裝置的研究雖然起步較

15、晚，但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專 利，然而投入實際使用的還很少。 我國在上世紀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。內(nèi)蒙古民族大學(xué) 4 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 物理與機電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了 iBOT 的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓 梯機構(gòu)，設(shè)計了一種雙聯(lián)星形機構(gòu)電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時需要人工輔助 圖 1.4 或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。東南大學(xué)機械學(xué) 院設(shè)計的爬樓輪椅采用了四組星形輪，每三個一組

16、，共十二個輪子，除能爬樓梯 外還具有遙控的功能。國內(nèi)研究的比較多的是手動爬樓梯的輪椅，清華大學(xué)精密 儀器及機械學(xué)系康復(fù)工程研究中心已經(jīng)取得了手動爬樓梯輪椅的專利，如圖1.4 所示。它是在普通輪椅上加設(shè)一套爬樓梯執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，既可以在平地行 駛，又可以僅憑借使用者雙臂的力量使輪椅上、下樓梯。它結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉， 符合我國的國情:但是設(shè)計中仍存在一些問題，如輪椅在爬樓過程中的穩(wěn)定性、 如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實現(xiàn)手動操作省力與省時的問題以及反向自鎖問 題等，其研究也僅停留在理論水平的基礎(chǔ)上，并未投入實際應(yīng)用。 1.3 本項目的設(shè)計目的與主要研究內(nèi)容 課題設(shè)計目的 履帶輪式輪椅具有適應(yīng)性

17、強、機動靈活、活動范圍大等特點，在我國國民經(jīng) 濟的發(fā)展中，殘疾人對爬樓車的需求量逐年增加，市場發(fā)展?jié)摿薮螅罉翘葺?椅行業(yè)具有廣闊的發(fā)展機遇和良好的投產(chǎn)前景。爬樓輪椅是目前殘疾人廣泛采用 的爬樓梯的工具，因其比固定上樓裝置具有靈活性大、使用輕便、成本低廉，所 以市場廣闊設(shè)計開發(fā)電動爬樓車，實現(xiàn)減輕殘疾人要求、提高適應(yīng)人群、滿足市 場的需求為目的。 5 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 課題研究內(nèi)容 步行式爬樓梯裝置體積龐大，缺乏靈活性且控制復(fù)雜，技術(shù)要求較高;其它 附加的輔助裝置雖然穩(wěn)定性相對較好，然而由于其不能和輪椅融為一體，限制了 它的使用范圍。輪式爬樓梯裝置技術(shù)要求很高。在比較了各類爬樓梯裝

18、置的優(yōu)缺 點后參考模塊化可重組履帶結(jié)構(gòu)原理，將爬樓功能與普通輪椅相結(jié)合設(shè)計了一種 爬樓梯裝置。它在平地行走時利用輪式機構(gòu)，爬樓梯時放下履帶機構(gòu)進行工作。 （1）分析爬樓梯時各部分元件以及樓梯的受力根據(jù)傳統(tǒng)履帶方式爬樓梯的力學(xué) 分析用AutoCAD繪制履帶傳動機構(gòu)裝配圖。 （2）根據(jù)重量尺寸，選擇電機。設(shè)計控制系統(tǒng)控制電機驅(qū)動履帶完成爬樓梯的 功能。 設(shè)計后應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能： 1.適用性廣，應(yīng)能攀登多種尺寸的樓梯; 2.操作過程盡量簡單，平地行駛與上下樓梯兩種工況的轉(zhuǎn)換簡單易行; 3.乘坐要平穩(wěn)舒適，爬樓梯時坐位應(yīng)基本保持水平狀態(tài) 4.輪椅結(jié)構(gòu)盡量簡單，造價低廉。 擬解決的主要問題： 1.爬樓機

19、構(gòu)的設(shè)計。 2.爬樓梯運動過程分析。 3.電機，電池的選擇。 4.電動輪椅的運動控制系統(tǒng)設(shè)計。 1.4 設(shè)計進程安排 根據(jù)上述的設(shè)計方案，本項目的主要設(shè)計工作分為以下四個階段： 1. 調(diào)研階段 包括調(diào)查國內(nèi)外電動爬樓車的發(fā)展狀況，調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)、研究分析現(xiàn) 有爬樓車的結(jié)構(gòu)性能、并進行設(shè)計方案論證等，在此階段我主要對我國所生產(chǎn)的 手動爬樓車進行了分析研究，初步明確了設(shè)計思路，并初步定下了設(shè)計方案。 2. 各個模塊的研究分析階段 本設(shè)計課題主要包括三個方面的內(nèi)容：電機的設(shè)計選擇；履帶裝置的設(shè)計計 算；升降裝置的選擇。此階段是本次畢業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)定型階段，在此階段，我通 過不斷對比手動輪椅和電動輪

20、椅的各種優(yōu)缺點，進行比較和改進。以及在電機的 選用上，分析比較了在這種場合中使用交流電機還是使用直流電機，使用交流電 6 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 機就不用在輪椅上安裝電池，這會給使用帶來很大的不便，那樣要移動多少距離 就得要多長的電線，而且還有安全危險。所以選用了直流電機安裝電池的方法。 在傳動方面，比較了各種傳動方式的優(yōu)缺點，最后選用了橡膠履帶傳動，因為在 爬樓車方面，要求安全系數(shù)比較高，摩擦力大不容出現(xiàn)打滑事故。而傳統(tǒng)履帶重 量大且易磨損樓梯并且需要齒面彎曲疲勞強度設(shè)計。 3. 設(shè)計階段 在該階段，主要工作就是對已經(jīng)確定下來的各個模塊進行適用性分析，主要 考慮各個模塊的力學(xué)，運動學(xué)性能

21、，進行剛度和強度校核，并確定各個機械結(jié)構(gòu) 的具體尺寸和具體裝配方法，繪制機械機構(gòu)裝配圖、電路控制圖等。 4. 總結(jié)階段 在設(shè)計的最后，要對自己所做過的材料進行整理，對自己所做過的研究進行 分析，完成畢業(yè)論文設(shè)計說明書的撰寫，修改整理機械設(shè)計圖和電路控制圖，對 設(shè)計的產(chǎn)品進行經(jīng)濟分析及適用性分析。 7 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 第二章 履帶爬樓裝置機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 爬樓機構(gòu)的比較 爬樓機構(gòu)按其運動執(zhí)行機構(gòu)可以分為星型輪機構(gòu)和履帶輪機構(gòu)兩種，其中履 帶輪機構(gòu)相對比較成熟在可以爬樓梯防暴機器人等類似裝置中應(yīng)用的比較廣泛。 星型輪式爬樓梯輪椅的爬樓梯機構(gòu)由均勻分布在“Y”形或“+”字形系桿上

22、 的若干個小輪構(gòu)成。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)。在平地行走時，各小輪自轉(zhuǎn)；而爬樓梯時，各小輪一起公轉(zhuǎn)。從而 實現(xiàn)爬樓梯的功能。星型輪多的優(yōu)點是輪椅爬樓梯時的穩(wěn)定性好，缺點是體積較 大，很難在普通住宅樓梯上使用。這也是星型輪式爬樓梯輪椅盡管發(fā)明專利很多， 真正實施和推廣很少的主要原因。 還有一種爬行機構(gòu)是由三組帶有滑道的輪組構(gòu)成的。當車輪抵住臺階之后， 臺階自然會對輪組中的一個產(chǎn)生阻力，當繼續(xù)施加動力時，則滑輪將向滑道的后 方滑動?；喼行奶岣撸瑥亩鴮④囕喬?。如此反復(fù)進行，從而達到上臺階的目 的。這種輪椅的不足是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。 履帶型機構(gòu)的爬樓梯輪椅應(yīng)用較

23、多，它采用比星型輪機構(gòu)更為連續(xù)的行走方 式，傳動效率比較高。在上下樓梯過程中，輪椅的重心總是沿著與樓梯臺階沿的 連線相平行的直線運動，其重心的波動很小，運動非常平穩(wěn)。2 通過對比可以看出履帶爬行機構(gòu)的優(yōu)越性，本設(shè)計就是采用的履帶型爬樓機 構(gòu)。 2.2 設(shè)計思路 本次畢設(shè)查閱很多的文獻資料，國內(nèi)沒有成熟的產(chǎn)品，結(jié)合前蘇聯(lián)的專利和 國內(nèi)一個發(fā)明，根據(jù)大學(xué)中所學(xué)所用過的知識以及相關(guān)文獻設(shè)計了履帶輪式輪 椅。 主要資料： 履帶爬行式前蘇聯(lián)的專利 1553-120 屬履帶式。爬樓梯時，用手輪來調(diào)整座 椅的水平。動力由大輪經(jīng)鏈條帶動爬梯傳動鏈。該輪椅具有較好的穩(wěn)定性與安全 性。六輪移動式（4 個行走輪和2

24、 個爬行輪都為驅(qū)動輪，在平面上運行時，機器 人擺起兩個擺臂，以普通的 4 輪方式行駛，爬樓梯時，將通過兩個擺臂的擺動， 帶動兩個爬行輪.協(xié)調(diào)自身的姿態(tài)以適應(yīng)樓梯地形。） 8 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 圖2.1 市民發(fā)明的爬樓輪椅 圖2.1為一位市民發(fā)明的爬樓梯輪椅，這種輪椅是在普通輪椅的基礎(chǔ)上加裝 了一個履帶機構(gòu)并且在履帶后部加裝了以一個回轉(zhuǎn)機構(gòu)，上下樓梯時需要人力輔 助把輪椅傾斜一定的角度使輪椅上的人保持平穩(wěn)以此來實現(xiàn)上下樓功能。但此發(fā) 明不具備轉(zhuǎn)向和調(diào)速功能。 本文設(shè)計的這種履帶輪式爬樓梯輪椅在現(xiàn)實生活中應(yīng)用比較適應(yīng)當前中國 國情。整體設(shè)計主要分為以下幾個部分：機械結(jié)構(gòu)、機械傳動、動力裝

25、置、電器 設(shè)備。設(shè)計內(nèi)容包括各個裝置設(shè)備的由來、結(jié)構(gòu)、校核等。 機械結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)主要包括底盤、履帶裝置、升降裝置三部分。下面分別介紹三部分的結(jié) 構(gòu)和所用材料。底盤：底盤是是履帶裝置的支撐體，主要由高強度工程塑料制成。 履帶裝置：采用類似于V帶傳動來連接橡膠履帶。通過軸用鍵連接驅(qū)動輪，驅(qū)動 輪與橡膠履帶嚙合而達到行走的目的。因為考慮到要有轉(zhuǎn)向功能，所以采用雙履 帶機構(gòu)，中間通過底盤連接，兩側(cè)履帶分別安裝電機，通過兩側(cè)速度差來完成轉(zhuǎn) 向的目的。升降裝置：采用螺旋千斤頂或分離式液壓千斤頂使座椅頂起或放下。 傳動方面： 傳動件主要有橡膠履帶、驅(qū)動輪兩部分。履帶連接爬樓裝置中的主軸和副軸 兩根軸，履帶與軸

26、之間用驅(qū)動輪連接，軸和蝸輪蝸桿減速器之間用聯(lián)軸器傳動。 動力方面： 動力件主要是電動機，為輪椅提供動力。由于爬樓輪椅的運動特性，要求爬 樓輪椅用的電源為移動式的，所以就必須選用低壓直流電機。因為爬樓梯時履帶 9 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 速度不能過快，否則會有傾倒的危險。一般直流電機的轉(zhuǎn)速為幾千轉(zhuǎn)，所以需選 用傳動比較大的蝸輪蝸桿減速器減速器使履帶速度在一個安全范圍內(nèi)。 控制方面： 根據(jù)直流電機機械特性選擇合適的直流電機控制器，進行接線使履帶輪式輪 椅實現(xiàn)起停，前進，后推轉(zhuǎn)向的功能。 2.3 履帶輪式輪椅爬樓原理 圖2.2 履帶輪式爬樓梯原理圖 圖2.3 平地時履帶輪式輪椅狀態(tài) 在平地時，輪

27、椅與履帶保持水平，用輪椅大輪驅(qū)動，履帶前部的升降機構(gòu)已 處于最低位置。使履帶裝置不接觸地面。如需用履帶驅(qū)動，則將升降機構(gòu)伸長一 小段距離使輪椅稍后傾，讓輪椅大輪離開地面。 10 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 圖2.4 上樓梯時履帶輪式輪椅狀態(tài) 上下樓梯時，驅(qū)動履帶前部的升降裝置，手動控制升降裝置上升到一定角度， 保持輪椅水平，這是履帶輪椅就可以完成上下樓的功能。 2.4 履帶爬樓過程分析 如下圖所示，假設(shè)傳統(tǒng)履帶形式輪廓為長圓形。即中段為長度L的直線履帶， 兩端為直徑為D的半圓履帶。履帶的質(zhì)量分布均勻，重心在幾何對稱中心。又設(shè) 單級樓梯的高度為H ，寬度為W。履帶爬越樓梯的過程可以分為兩個階段。

28、第一 圖2.5 履帶翻越樓梯第一階段 個階段是從平地攀上第一級樓梯。姿態(tài)由水平態(tài)變?yōu)榕榔聭B(tài)。第二階段是履帶在 各階樓梯上平穩(wěn)爬行，姿態(tài)不變。以下分不同階段分析： 11 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 在第一階段，履帶前端與樓梯接觸后，在地面摩擦推力和前端摩擦舉力的作 用下，重心不斷升高，同時履帶的中心軸線與地面夾角不斷變大，重心緩慢前 移。以第一階樓梯的尖角A點為支點，履帶翻越第一階樓梯的條件可以用下式描 述： * TL t+L GL t 1 1 2 其中，T 為履帶推力，G為重力，L L 分別為T G對A點的力臂，為履帶抬起的 1 1、 2 1、 * 角速度，L 為轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)上式，可以得到以下

29、定性的結(jié)論： 在履帶攀越第一階樓梯時，攀越成功的必要條件是重心在行進方向上“超越” 了翻越支點A點，即L 0重力提供了全部的翻轉(zhuǎn)力矩，履帶的移動會加快重心 2 的“超越”，提供更大的翻轉(zhuǎn)力臂，加速翻轉(zhuǎn)過程翻轉(zhuǎn)臨界點是重心處于A點 正上方的時候，此時L 0，履帶軸線和水平地面的夾角稱為翻轉(zhuǎn)臨界角* 2 * 當“翻越”發(fā)生前，即為逆時針時，轉(zhuǎn)動角動量L 要小，以便于克服重 力翻轉(zhuǎn)力矩，因此應(yīng)該降低履帶的運行速度；當“翻越”發(fā)生時，為順時針， 此時履帶的后端接地點已經(jīng)離開地面，不再存在，因此可以加快履帶運行速度， 使得L2迅速變大，加快翻越過程。 根據(jù)條件I，即所謂重心“超越”條件，利用幾何原理，得

30、到下式： H L 1/ 2Sin+K 1?Sec K D / 2L 計算結(jié)果表明：當LD 3時，最大翻越高度約等于0.3L，此時* 約等于50 度；當LD 7時，最大翻越高度約等于035L，此時* 約等于50度?？梢?，對 于傳統(tǒng)的長圓形節(jié)線履帶，只有增大長高比，才能獲得更好的爬垂直墻效果，在 尺度不變的情況下，就是要降低重心，或者重心前移。 在第二階段，履帶的姿態(tài)保持不變，為了穩(wěn)定地運行，履帶的長度一般保證 能夠同時和樓梯的3個尖角接觸。為此： L 2 H 2 +W 2 以我們常用的樓梯為例，H 15cm，W 30cm，因此L 67cm。取LD 3，如果取 L 67cm，則最大爬垂直墻高度大約

31、20cm。能滿足爬第一階樓梯的要求。根據(jù)以上 分析計算，可知用傳統(tǒng)長圓節(jié)線履帶結(jié)構(gòu)實現(xiàn)爬樓功能時，履帶的中心長度很難 小于60cm，整個機器人的長度則要達到80cm以上。5 12 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 圖2.6 履帶翻越樓梯第二階段 2.5爬樓性能參數(shù) 為使這款裝置能滿足普通居民的使用需求，需要了解我國普通住宅的樓梯尺 寸。根據(jù)中華人民共和國國家標準住宅設(shè)計規(guī)范住宅樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于 1.10 米，6 層及 6 層以下住宅，一邊設(shè)有欄桿的梯段凈寬不應(yīng)小于 1 米。 樓梯 梯段凈寬系指墻面至扶手中心之間的水平距離 住宅樓梯踏步寬度不應(yīng)小于 0.26 米，踏步高度不大于 0.175 米，坡

32、度為 33.94 度，為接近舒適性標準。普 通住宅的層高一般為2.80m，按一級臺階高度是0.175m計算，共16個臺階。 裝置與履帶尺寸的設(shè)置以上述普通住宅樓梯尺寸的要求為基準。裝置的總體 寬度應(yīng)小于梯段凈寬并留有余量，從而確保輪椅有足夠的空間放置此裝置，而履 帶裝置高度應(yīng)大于踏步的高度，才能使履帶翻越樓梯。本文設(shè)計的是普通輪椅加 裝履帶機構(gòu)，其尺寸符合上述要求。 一般樓梯的坡度為30度左右，履帶輪式輪椅在平地時輪椅與履帶保持平行。 所以在上下樓梯時，驅(qū)動升降機構(gòu)上升使輪椅與履帶結(jié)構(gòu)為 30 度才能保證爬樓 時輪椅保持水平狀態(tài)。 2.6 履帶爬樓機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)所要求的尺寸即軸、軸承以及

33、鍵的校核用制圖軟Auto-cad件繪制的三視 圖。 13 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 方案1 圖 2.7 方案1 的三視圖 圖 2.8 方案1 的主視圖 方案1升降機構(gòu)采用的是螺旋千斤頂，千斤頂?shù)捻敳颗c底部經(jīng)焊接連接一個 可以與輪椅和履帶裝置連接的鉸鏈機構(gòu)，以便可以轉(zhuǎn)動。 14 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 方案2 圖 2.9 方案2 的三視圖 圖 2.10 方案 2 的主視圖 15 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 方案2采用的是升降機構(gòu)是分離式液壓千斤頂，千斤頂是由一個支撐油缸和 一個手動泵組成它們之間由一根油管連接，反復(fù)壓動手動泵使支撐裝置升降。 方案1與方案2都可以實現(xiàn)頂起放下輪椅的功能，但方

34、案1采用螺旋千斤頂 機構(gòu)由于導(dǎo)程的限制，會有些費時費力。所以重點研究方案2。 2.7 升降機構(gòu)的設(shè)計 根據(jù)普通輪輪椅高度和所設(shè)計履帶機構(gòu)高度選擇千斤頂 圖 2.11 千斤頂升降簡圖 L 為千斤頂高度最低時的長度，L 為千斤頂頂起輪椅一定角度時的長度。L BC, L B C ,AB為坐椅，通過千斤頂座椅轉(zhuǎn)動一定角度BAB 根據(jù)圖紙BC 381mm AB AB 316 因為大部分樓梯坡度為 30o 所以上樓梯是至少把座椅順時針轉(zhuǎn)動 30o ， BAB 30o 根據(jù)正余弦定理 BB AB BB 162.89 SinBAB SinBB A 2 2 2 B C 540mm B C BC +BB ?2 B

35、C BB CosCBB 所以B C -BC 160mm 千斤頂行程最少為160mm。 根據(jù)所算出行程，考慮千斤頂本身大小進行選擇，在查閱大量的相關(guān)產(chǎn)品后選擇 16 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 了德國拜爾制造的千斤頂可以承受偏載，穩(wěn)定性高，本身高度與行程合適。 圖 2.12 RC-系列 單作用千斤頂 圖 2.13 RC系列產(chǎn)品型號 選擇的是RC-59 本體高度324mm 行程232mm 承載能力5KN 液壓系統(tǒng)基本原理 系統(tǒng)由油箱 1、過濾器 2、液壓泵 3、溢流閥 4、換向閥 5、節(jié)流閥 6、換向閥 7、液壓缸8以及連接這些元件的油管、接頭等組成。 該系統(tǒng)工作原理是：液壓泵從油箱里吸油，泵輸出

36、的壓力油換向閥 5節(jié) 17 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 流閥6換向閥7液壓缸左腔，推動活塞使其頂起重物。這時液壓缸8右腔的 圖 3.13 液壓系統(tǒng)基本原理 油液換向閥 7-回油管油箱。若將換向閥7切換位置向左移，則壓力油換 向閥 7液壓缸右腔，推動活塞使其放下重物并使液壓缸左腔油液換向閥 7 回油管-油箱。 節(jié)流閥是調(diào)節(jié)工作速度的,溢流閥是調(diào)節(jié)和穩(wěn)定系統(tǒng)的最大工作壓力。 為了克服各種阻力，液壓缸必須產(chǎn)生一個足夠大的推力，而這個推力是由液 壓缸中的油液壓力所產(chǎn)生的。要克服的阻力越大，缸中的油液壓力就越高；阻力 小，壓力就低。這就說明了液壓傳動的一個基本原理，及壓力取決于負載。 2.8 本章小結(jié)

37、本章首先給出了履帶輪爬樓梯裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，重點介紹了爬樓機 構(gòu)的組成與構(gòu)造;然后對爬樓的機理和過程進行了詳細說明，設(shè)計出兩種方案并 進行比較，選擇了一個較為實用的方案即采用分離式液壓千斤頂式的履帶輪式爬 樓機構(gòu)。 18 履帶輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計 第三章 電氣系統(tǒng)設(shè)計 3.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機選擇 技術(shù)指標 根據(jù)平地或爬樓等不同使用條件下的實際需要，參考國標 GB12996 一 1991電動輪椅車標準，確定控制系統(tǒng)的參數(shù)。參考國標標準中對電動輪椅車的 主要技術(shù)性能規(guī)定： 平地時最大運行速度為6km小，裝置攜帶24V蓄電池自主供電，電池容量為 12安時 一次行程25一30km 。 電機選型 可供選擇的電機有步進電機、直流電機和無刷直流電機。 l 步進電機 步進電機具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，能夠快速起動與停止。 它通常不需要反饋就能對位移或速度進行精確控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方 便。但是步進電機能耗太大，速度也不高，且存在一個固有缺點，即在低速轉(zhuǎn)動 時振動和噪聲大，不利于整個裝置的穩(wěn)定。 2 無刷直流電機 無刷直流電機采用電子換相電路取代了機械換相裝置，不僅繼承了直流電機 的優(yōu)點，且具有無