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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薮螅罉翘蓦妱虞喴涡袠I(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AbstractWith the social development and improvement in the level of human civilization, oldmen and physically disabled members of society more and more need to use modern high-tech to improve their quality of life,but the elderly and handicapped are unable to climb the stairs, so we had to increase the automatic level of the electric wheelchair to reduce their difficulty. So we have the original on the basis of a wheelchair to improve and the installation of Climbing stairs institutions, the paper design with the electric wheelchair has Climbing stairs function, when Climbing stairs it use track-driven, the ground can be used like an ordinary wheelchair-wheel-drive can also be track-driven, when the chair be tilted.we have fit in the new equipments include the tracked device,the body movements, the electromotor, control circuit and control equipment, etc, to reduce the labor intensity and difficulty, and to improve the efficiency and living quantity, so that can satisfy the requirements of the market. The automatic electric wheelchair has new characteristics of high adaptability, mobility and orbit, etc. As the development of the national economy, the requirement of automatic electric wheelchair will be increased year by year. So the developing potential of the automatic electric wheelchair in the market is vast, it has a good developing opportunity and well invested prospect.Key words：Climbing the stairs,electricity, wheelchair, Track-WheelII履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計目 錄第一章 綜述 11.1 爬樓梯輪椅的意義 .11.2 國內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r .21.2.1 國外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 21.2.2 國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 41.3 本項目的設(shè)計目的與主要研究內(nèi)容51.3.1 課程設(shè)計目的 51.3.2 課題研究內(nèi)容 61.4 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 .82.1 爬樓機構(gòu)的比較 82.2 設(shè)計思路 92.3 履帶輪式輪椅爬樓原理 .102.4 履帶爬樓過程分析 .112.5 爬樓性能參數(shù) 132.6 履帶爬樓機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 132.7 升降機構(gòu)的設(shè)計162.8 本章小結(jié) 18第三章 電氣系統(tǒng)設(shè)計 .193.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機選擇 .193.2 電池選擇 203.3 電動車電機轉(zhuǎn)速控制 213.3.1 驅(qū)動方式對電動車性能影響 213.3.2 現(xiàn)有電動車電機存在主要問題及探索 213.4 直流電機機械特性 .223.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計233.6 本章小結(jié) 28第四章 典型零部件設(shè)計及校核計算 294.1 傳動系統(tǒng)動力參數(shù)計算 .294.2 軸的計算 30III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 .395.1 履帶輪式輪椅技術(shù)分析 .395.2 履帶輪式輪椅經(jīng)濟分析 .395.3 履帶輪式輪椅結(jié)論和展望 40參考文獻 .41致 謝 .42IV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、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。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(dāng)?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?fàn)顩r1.2.1 國外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r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(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。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 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]1.2.2 國內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r我國對此類裝置的研究雖然起步較晚，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(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，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1.3.1 課題設(shè)計目的履帶輪式輪椅具有適應(yīng)性強、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罉翘葺喴涡袠I(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1.3.2 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?fàn)顩r，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，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(dāng)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(dāng)繼續(xù)施加動力時，則滑輪將向滑道的后方滑動?；喼行奶岣?，從而將車輪抬起。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 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(dāng)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。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：(T1L1)△t+ω 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L2=0，履帶軸線和水平地面的夾角稱為翻轉(zhuǎn)臨界角θ *當(dāng)“翻越”發(fā)生前，即ω為逆時針時，轉(zhuǎn)動角動量ω 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(dāng)“翻越”發(fā)生時，ω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，得到下式：H ≤ L [1/ 2 Sinθ + K (1 ? Secθ )] K = D / 2L計算結(jié)果表明：當(dāng)L／D=3時，最大翻越高度約等于0.3L，此時θ * 約等于50度；當(dāng)L／D=7時，最大翻越高度約等于0．35L，此時θ * 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L67cm。取L／D=3，如果取L=67cm，則最大爬垂直墻高度大約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(biāo)準(zhǔn)《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，坡度為 33.94 度，為接近舒適性標(biāo)準(zhǔn)。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(zhǔn)。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 30 o 所以上樓梯是至少把座椅順時針轉(zhuǎn)動 30 o ，∠BAB ' = 30o根據(jù)正余弦定理BB ' ABSin∠ BAB ' =Sin∠ BB ' A BB ' =162.89B ' C 2 = BC 2 + BB ' 2 ? 2 BC × BB ' Cos ∠ CBB ' B ' C =540mm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)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(biāo)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(biāo) GB12996 一1991—電動輪椅車標(biāo)準(zhǔn)，確定控制系統(tǒng)的參數(shù)。參考國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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，且具有無噪音、免維護、可靠性高的優(yōu)越特性點。但比有刷電機控制復(fù)雜，價格高。(3)直流電機直流電機具有良好的起動、制動和調(diào)速特性，具有很寬的調(diào)速范圍，且易于平滑調(diào)節(jié)。它具有控制特性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，滿足裝置對突發(fā)情況作出反應(yīng)的靈敏性要求;而且低速時平穩(wěn)性好，滿足了裝置在爬樓運動時低速穩(wěn)定性的要求;起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強，可以滿足裝置爬坡、翻越臺階的性能要求并且造價低，所以選用有刷直流電機。電機功率計算計算驅(qū)動電機所需的功率。設(shè)裝置本身的質(zhì)量為 45kg，承載人員的最大體重不超過 85kg，因此車體和人員的總質(zhì)量上限為 130kg。取橡膠與地面之間的摩擦系為 0.7爬樓所需功率裝置在爬樓時需要克服車體和人的重力做功，車體和人組成的整個系統(tǒng)的重19履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計心位于整車的后半部分，估算重力作用線與驅(qū)動軸之間的垂直距離 L 為 60mm。所需克服阻力矩為:M=GL=(30+75)×9.8×0.06=61.74Nm爬樓最快速度:n=30rpm驅(qū)動輪最大角速度:Ω=2πn/60=3.14rad/s爬樓時驅(qū)動電機最大所需功率 P= MΩ=193.86W所以選用中興公司的 80SRZ 直流電機分別安裝在兩條履帶上。圖 3.1 有刷直流電機參數(shù)3.2 電池選擇為滿足裝置在室內(nèi)外均能使用的要求，必須實現(xiàn)自主供電，本文采用可充電電池作為車載電源。電池的選用需要考慮以下幾個因素:電池容量、電壓大小、重量、使用壽命以及價格成本等.目前，可供選擇的蓄電池主要有下列幾種 :鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鋅電池和鏗電池。鎳氫電池、鎳鋅電池和鏗電池雖然性能優(yōu)越，使用壽命長，但是價格昂貴，一般比鉛酸電池高 4 一 5 倍，增加了裝置的制造成本。鉛酸蓄電池成本低廉、應(yīng)用歷史長、相對更加成熟，改進后的免維護鉛酸電池性能更加穩(wěn)定可靠，使用也更方便，得到了廣泛應(yīng)用。因此，本裝置選用免維護鉛酸蓄電池作為供電能源。20履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設(shè)計3.3 電動車電機轉(zhuǎn)速控制直流有刷電機,運行可靠性高,調(diào)速性能好,過載能力強,控制方法簡單,雖熱存在電刷磨損需要維護問題,但是在低速運行時,其電刷的磨損極小,一般在5000小時以內(nèi)免維護,因此它較適合用于低速的直接驅(qū)動的電力驅(qū)動系統(tǒng)中。3.3.1 驅(qū)動方式對電動車性能的影響目前電動車主要有三種:一是全電動型自行車。二是電動助力自行車(ＰＡＳ),三是電動摩托車。全電動自行車完全依靠電力就可以行駛;電動助力自行車電機的出力是需要人力的驅(qū)動為前提的,人力和電力的比通常為1∶1,即所謂的 1+1 系統(tǒng),這種系統(tǒng)在日本較為通常采用。無論它們兩者有這樣那樣的區(qū)別,至少有一點是共同的,這就是要求人力能夠正常騎行,而電動摩托車無需考慮人力騎行問題。由于受當(dāng)前電池技術(shù)的限制以及電動自行車對蓄電池容量要求不高,當(dāng)前發(fā)展電動自行車以及電動助力車是較為適宜的。目前兩輪電動車主要采用直流電機以及無刷直流電機。而開關(guān)磁阻電機以及交流異步電機主要用在電動汽車。永磁直流電機以及永磁無刷直流電機當(dāng)前都有質(zhì)量較好的產(chǎn)品,如上海新聯(lián)的永磁直流有刷電機。南京天地的永磁無刷直流電機。目前,電動車的驅(qū)動方式有四種:輪轂電機直接驅(qū)動式、中軸式、旁掛式、磨擦式由于磨擦式靠摩擦輪胎推進,對輪胎的磨損較為嚴重,此外由于泥水等因素造成打滑現(xiàn)象,給雨雪天氣行車帶來了困難和威脅,因此僅在極少場合下使用。當(dāng)前我國極大多數(shù)廠商的產(chǎn)品都采用輪轂電機直接驅(qū)動方式,采用這種方式的好處是:電動車制造商可以不對車型作大的改動,即可裝車,這種方式比較容易在試制階段采用。但是從電動車本身的兩個功能來看,采用輪轂電機直接驅(qū)動方式,由于磁阻造成的力矩,值得一提的是上述的驅(qū)動方式還可以進一步劃分,如除了輪轂直接驅(qū)動方式外,輪轂電機還有帶減速齒輪(減速比為1∶7 和1∶22 兩種)以及同步帶減速齒輪(減速比為 1∶ 25);中軸式可以繼續(xù)劃分為同軸式(減速比為 1∶50)以及非同軸式(減速比為1∶35)。用于電動自行車的電機功率 70～235Ｗ,主要為 135～180Ｗ。按照轉(zhuǎn)速可以歸為三類:一是低速電機,主要用于輪轂直接驅(qū)動方式,電機轉(zhuǎn)速為174ｒｐｍ，二是中速電機,800～1800ｒｐｍ,輪轂式齒輪減速以及 1 級減速的旁掛式(減速比為 1∶5);三是高速電機。2400～4500ｒｐｍ,主要用于輪轂式同步帶減速或齒輪減速,中軸驅(qū)動、2 級減速的旁掛式(減速比為 1∶22)以及摩擦式(減速比為1∶17)。3.3.2 現(xiàn)有電動車電機存在的主要問題及探索