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1、履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 摘 要 隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明程度的進(jìn)步，老年人與殘障人員愈來愈需要運(yùn)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(duì)于老年人和殘疾人行動(dòng)不方便 的，非常困難，所以要增加輪椅自動(dòng)化程度，于是我們?cè)谠喴蔚幕A(chǔ)上進(jìn)行改 進(jìn)和加裝爬樓機(jī)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅具有爬樓功能，爬樓時(shí)用履帶驅(qū)動(dòng)，平 地時(shí)可像普通輪椅用輪驅(qū)動(dòng)也可輪椅稍后仰用履帶驅(qū)動(dòng)。此車在輪椅的基礎(chǔ)上安 裝履帶裝置、升降機(jī)構(gòu)、電機(jī)、以及控制電路、控制設(shè)備，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提 高效率，減少他們的困難、提高生活質(zhì)量、滿足市場(chǎng)需求為目的。爬樓梯車具有 適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)

2、動(dòng)靈活、活動(dòng)范圍大等特點(diǎn)，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，爬樓梯電 動(dòng)輪椅的需求量逐年增加，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，爬樓梯電?dòng)輪椅行業(yè)具有廣闊的 發(fā)展機(jī)遇和良好的投產(chǎn)前景。 關(guān)鍵詞：爬樓梯，電動(dòng)，輪椅，履帶輪式 I 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) Abstract With the social development and improvement in the level of human civilization, oldmen and physically disabled members of society more a

3、nd 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 th

4、e basis o f a wheelchair to improve and the installatio n 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-dr

5、ive 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

6、 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

7、 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-Wheel 履帶－輪式爬樓梯

8、電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 目 錄 第一章 綜述.....................................................................................................1 1.1 爬樓梯輪椅的意義 ............................................. 1 1.2 國(guó)內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r .................................... 2 1.2.1 國(guó)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r ......................

9、................... 2 1.2.2 國(guó)內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r ......................................... 4 1.3 本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的與主要研究?jī)?nèi)容 ................................ 5 1.3.1 課程設(shè)計(jì)目的 .............................................. 5 1.3.2 課題研究?jī)?nèi)容 .............................................. 6 1.4 設(shè)計(jì)進(jìn)程安排 ..............

10、.................................... 6 第二章 履帶爬樓裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...........................................................8 2.1 爬樓機(jī)構(gòu)的比較 ................................................ 8 2.2 設(shè)計(jì)思路 ...................................................... 9 2.3 履帶輪式輪椅爬樓原理 .............................

11、............ 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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................................... 13 2.7 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .............................................. 16 2.8 本章小結(jié) .................

12、................................... 18 第三章 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) ..................................................................................... 19 3.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機(jī)選擇 .................................. 19 3.2 電池選擇 .................................................... 20 3.3 電動(dòng)車電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 .............

13、............................. 21 3.3.1 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電動(dòng)車性能影響 .................................. 21 3.3.2 現(xiàn)有電動(dòng)車電機(jī)存在主要問題及探索 ........................... 21 3.4 直流電機(jī)機(jī)械特性 ............................................ 22 3.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .............................................. 23 3.6 本章小結(jié) .............

14、....................................... 28 第四章 典型零部件設(shè)計(jì)及校核計(jì)算 ................................................................ 29 4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 ........................................ 29 4.2 軸的計(jì)算 .................................................... 30 III 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 第五章

15、 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)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(jì)分析 ........................................ 39 5.3 履帶輪式輪椅結(jié)論和展望 ...................................... 40 參考文獻(xiàn) .................

16、....................................................................................... 41 致 謝 ............................................................................................................. 42 IV 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 第一章 綜 述 1.1 爬樓梯輪椅的意義 [1] 輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工

17、具，隨著無障礙設(shè)施的 增多，輪椅使用者的活動(dòng)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(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用的爬樓梯輪椅是康復(fù)工程工作者面臨的一項(xiàng)比較緊迫的任 務(wù)。樓梯的出現(xiàn)是人類建筑史上的一個(gè)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(jìn)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(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代化社會(huì)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(shì)的同時(shí)，樓梯 對(duì)老年人、肢體殘障人士的出行帶來了很多不便，對(duì)他們的行動(dòng)造成了障礙，影 響了他們與外界的溝通和交流。這個(gè)問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量

18、的增多顯得日 益突出。 老年人和殘疾人比例的顯著增加給經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展都帶來了很大的影響， 醫(yī)療、護(hù)理、社會(huì)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(hù)理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助 殘運(yùn)動(dòng)裝置也應(yīng)運(yùn)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(zhēng)和工傷，近年來則越來越多的是交通事故和運(yùn) 動(dòng)、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?cè)斐蓺埣驳那闆r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

19、在室內(nèi)移動(dòng)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)娜苏疹櫍菀鬃兂膳P床不起的狀況。若是輕度殘疾，使 用手杖等簡(jiǎn)單的輔助工具，就可以在與健康人相同的范圍內(nèi)移動(dòng)。但以自身之力 不能步行時(shí)，就必須用輪椅作為移動(dòng)工具。使用輪椅時(shí)，靠自身之力就可以移動(dòng) 到想去之處，所以其使用價(jià)值非常高。但對(duì)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(dòng)范圍，影響其走向生活和回歸社會(huì)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(jì)，在公共場(chǎng)所 設(shè)置輪椅上、下樓梯的固定搬運(yùn)裝置、便攜

20、式輪椅搬運(yùn)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(jì)成手動(dòng)型或電機(jī)驅(qū)動(dòng)型。由 于它們具有機(jī)動(dòng)靈活、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，吸引了眾多學(xué)者從事該項(xiàng)研究。本文就 1 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 是為了能解決以上所遇到的問題而專門設(shè)計(jì)的一種爬樓輪椅。目前,國(guó)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(jià)格昂貴,不完全適 合于發(fā)展中國(guó)家使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種實(shí)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(jiǎn)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

21、以,它對(duì)于輪椅使用 者是非常適合的,特別對(duì)于發(fā)展中國(guó)家的使用者更是如此 。隨著社會(huì)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(huì)成員愈來愈需要運(yùn)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?yàn)楦鞣N交通事故， 天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬(wàn)的人喪失一種或多種能力（如行走，動(dòng) 手能力等）。因此，用于幫助殘疾人行走的智能移動(dòng)輪椅的研究越來越熱烈。此 方面的研究對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)人口結(jié)構(gòu)即將進(jìn)入老齡化的國(guó)家更是具有非常重要 的社會(huì)和現(xiàn)實(shí)意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1 國(guó)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 履帶式爬樓梯裝置的

22、原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，其原理簡(jiǎn)單，技術(shù) 也比較成熟。如圖 1.1(a)所示是英國(guó) Baronmead 公司開發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車，底 圖 1.1 國(guó)外爬樓梯輪椅 部是履帶式的傳動(dòng)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(gè)臺(tái)階。圖 1.1(b)是法國(guó) Topchair 公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底 部有四個(gè)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(shí)，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(gè)車輪收起，依靠履帶 無需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能。日本長(zhǎng)崎大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基 礎(chǔ)上，研究

23、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(shí)，座椅傾角過大而影響 2 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 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(dòng)效率比較高，行走時(shí)重 心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組 成。上樓時(shí)先將輪椅抬高，再水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)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(dòng)作，

24、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。 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(jī)器人開 發(fā)風(fēng) 險(xiǎn)企 業(yè) Tmsuk 聯(lián)合開發(fā)的雙足行走機(jī)器人“WL-16RIII”，如圖 1.2(a)所示，它由 兩條機(jī)械腿支撐一個(gè)座椅構(gòu)成，每條機(jī)械腿有 6 個(gè)自由度，可向前、后、側(cè)面移 動(dòng)，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(shí)時(shí)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(zhǎng)為 1.02 米，左右最長(zhǎng) 1.36 米，每條腿上下運(yùn)動(dòng)幅度最大

25、 0.34 米。日本長(zhǎng)崎大學(xué)機(jī)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(jì)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(cè)裝置的平衡情況，控制操作桿自動(dòng)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(shí)，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(diǎn)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(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯;但它對(duì)控制 的要 求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度不大，動(dòng)作緩慢:此外，座椅距 3 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅

26、設(shè)計(jì) 地面的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。 國(guó)外比較具有代表意義的是德國(guó) 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(dú)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(shí)， 每個(gè)輪子上都設(shè)有自動(dòng)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(tái)裝置，這 些

27、裝 置 大 多 基 于 樓 梯 軌 道 運(yùn) 行 ， 原 理 簡(jiǎn) 單 ， 易 于 實(shí) 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(tái)裝置上沿軌道實(shí)現(xiàn)上下樓的運(yùn)動(dòng)。這類裝置在歐美國(guó) [1] (a) (b) 圖 1.3 家比較具有使用潛力，因?yàn)闅W美以獨(dú)立別墅居多，以獨(dú)門獨(dú)戶為單位，使這種平 臺(tái)裝置與住房的結(jié)合易于實(shí)現(xiàn);而國(guó)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(jià)，不切實(shí)際

28、。此外，戶外樓梯各式各樣，針對(duì)不同形式的樓梯， 需要設(shè)計(jì)不同的軌道，代價(jià)過高，不易推廣。 1.2.2 國(guó)內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)對(duì)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(shí)際使用的還很少。 我國(guó)在 上世 紀(jì)八 十年 代對(duì) 輪組 式爬 樓梯裝 置已 有研 究， 1987 年 專利號(hào) 為 86210653 的國(guó)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(gè)星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學(xué) 4 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借

29、鑒了 iBOT 的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓 梯機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時(shí)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(jī)械學(xué) 院設(shè)計(jì)的爬樓輪椅采用了四組星形輪，每三個(gè)一組，共十二個(gè)輪子，除能爬樓梯 外還具有遙控的功能。國(guó)內(nèi)研究的比較多的是手動(dòng)爬樓梯的輪椅，清華大學(xué)精密 儀器及機(jī)械學(xué)系康復(fù)工程研究中心已經(jīng)取得了手動(dòng)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(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、造價(jià)低廉，

30、 符合我國(guó)的國(guó)情:但是設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作省力與省時(shí)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(shí)際應(yīng)用。 1.3 本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的與主要研究?jī)?nèi)容 1.3.1 課題設(shè)計(jì)目的 履帶輪式輪椅具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、活動(dòng)范圍大等特點(diǎn)，在我國(guó)國(guó)民經(jīng) 濟(jì)的發(fā)展中，殘疾人對(duì)爬樓車的需求量逐年增加，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，爬樓梯? 椅行業(yè)具有廣闊的發(fā)展機(jī)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(chǎng)廣闊

31、設(shè)計(jì)開發(fā)電動(dòng)爬樓車，實(shí)現(xiàn)減輕殘疾人要求、提高適應(yīng)人群、滿足市 場(chǎng)的需求為目的。 5 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 1.3.2 課題研究?jī)?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(duì)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(diǎn)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(jì)了一種 爬樓梯裝置。它在平地行走時(shí)利用輪式機(jī)構(gòu)，爬樓梯時(shí)放下履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。 （1）分析爬樓梯時(shí)各部分元件以及樓梯的受力根據(jù)傳統(tǒng)履帶

32、方式爬樓梯的力學(xué) 分析用AutoCAD繪制履帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖。 （2）根據(jù)重量尺寸，選擇電機(jī)。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶完成爬樓梯的 功能。 設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，平地行駛與上下樓梯兩種工況的轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單易行; 3.乘坐要平穩(wěn)舒適，爬樓梯時(shí)坐位應(yīng)基本保持水平狀態(tài) 4.輪椅結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。 擬解決的主要問題： 1.爬樓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 2.爬樓梯運(yùn)動(dòng)過程分析。 3.電機(jī)，電池的選擇。 4.電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 1.4 設(shè)計(jì)進(jìn)程安排 根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案，本項(xiàng)目

33、的主要設(shè)計(jì)工作分為以下四個(gè)階段： 1. 調(diào)研階段 包括調(diào)查國(guó)內(nèi)外電動(dòng)爬樓車的發(fā)展?fàn)顩r，調(diào)研國(guó)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(jìn)行設(shè)計(jì)方案論證等，在此階段我主要對(duì)我國(guó)所生產(chǎn)的 手動(dòng)爬樓車進(jìn)行了分析研究，初步明確了設(shè)計(jì)思路，并初步定下了設(shè)計(jì)方案。 2. 各個(gè)模塊的研究分析階段 本設(shè)計(jì)課題主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：電機(jī)的設(shè)計(jì)選擇；履帶裝置的設(shè)計(jì)計(jì) 算；升降裝置的選擇。此階段是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)定型階段，在此階段，我通 過不斷對(duì)比手動(dòng)輪椅和電動(dòng)輪椅的各種優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行比較和改進(jìn)。以及在電機(jī)的 選用上，分析比較了在這種場(chǎng)合中使用交流電機(jī)還是使用直流電機(jī)，使用交流電

34、 6 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 機(jī)就不用在輪椅上安裝電池，這會(huì)給使用帶來很大的不便，那樣要移動(dòng)多少距離 就得要多長(zhǎng)的電線，而且還有安全危險(xiǎn)。所以選用了直流電機(jī)安裝電池的方法。 在傳動(dòng)方面，比較了各種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選用了橡膠履帶傳動(dòng)，因?yàn)樵? 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(qiáng)度設(shè)計(jì)。 3. 設(shè)計(jì)階段 在該階段，主要工作就是對(duì)已經(jīng)確定下來的各個(gè)模塊進(jìn)行適用性分析，主要 考慮各個(gè)模塊的力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核，并確定各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu) 的具體尺寸和具體裝配方法

35、，繪制機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖、電路控制圖等。 4. 總結(jié)階段 在設(shè)計(jì)的最后，要對(duì)自己所做過的材料進(jìn)行整理，對(duì)自己所做過的研究進(jìn)行 分析，完成畢業(yè)論文設(shè)計(jì)說明書的撰寫，修改整理機(jī)械設(shè)計(jì)圖和電路控制圖，對(duì) 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析及適用性分析。 7 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 第二章 履帶爬樓裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 爬樓機(jī)構(gòu)的比較 [2] 爬樓機(jī)構(gòu)按其運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以分為星型輪機(jī)構(gòu)和履帶輪機(jī)構(gòu)兩種，其中履 帶輪機(jī)構(gòu)相對(duì)比較成熟在可以爬樓梯防暴機(jī)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(jī)構(gòu)由均勻分布在“Y”形或“+

36、”字形系桿上 的若干個(gè)小輪構(gòu)成。各個(gè)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(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)；而爬樓梯時(shí)，各小輪一起公轉(zhuǎn)。從而 實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。星型輪多的優(yōu)點(diǎn)是輪椅爬樓梯時(shí)的穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)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(shí)施和推廣很少的主要原因。 還有一種爬行機(jī)構(gòu)是由三組帶有滑道的輪組構(gòu)成的。當(dāng)車輪抵住臺(tái)階之后， 臺(tái)階自然會(huì)對(duì)輪組中的一個(gè)產(chǎn)生阻力，當(dāng)繼續(xù)施加動(dòng)力時(shí)，則滑輪將向滑道的后 方滑動(dòng)?；喼行奶岣撸瑥亩鴮④囕喬?。如此反復(fù)進(jìn)行，從而達(dá)到上臺(tái)階的目 的。這種輪椅的不足是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜

37、。 履帶型機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅應(yīng)用較多，它采用比星型輪機(jī)構(gòu)更為連續(xù)的行走方 式，傳動(dòng)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(tái)階沿的 連線相平行的直線運(yùn)動(dòng)，其重心的波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)。 通過對(duì)比可以看出履帶爬行機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性，本設(shè)計(jì)就是采用的履帶型爬樓機(jī) 構(gòu)。 2.2 設(shè)計(jì)思路 本次畢設(shè)查閱很多的文獻(xiàn)資料，國(guó)內(nèi)沒有成熟的產(chǎn)品，結(jié)合前蘇聯(lián)的專利和 國(guó)內(nèi)一個(gè)發(fā)明，根據(jù)大學(xué)中所學(xué)所用過的知識(shí)以及相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)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(shí)，用手輪來調(diào)整座 椅的水平。動(dòng)力由大輪經(jīng)鏈條帶動(dòng)爬

38、梯傳動(dòng)鏈。該輪椅具有較好的穩(wěn)定性與安全 性。六輪移動(dòng)式（4 個(gè)行走輪和2 個(gè)爬行輪都為驅(qū)動(dòng)輪，在平面上運(yùn)行時(shí)，機(jī)器 人擺起兩個(gè)擺臂，以普通的 4 輪方式行駛，爬樓梯時(shí)，將通過兩個(gè)擺臂的擺動(dòng)， 帶動(dòng)兩個(gè)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(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 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(gè)履帶機(jī)構(gòu)并且在履帶后部加裝了以一個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，上下樓梯時(shí)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(shí)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

39、文設(shè)計(jì)的這種履帶輪式爬樓梯輪椅在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用比較適應(yīng)當(dāng)前中國(guó) 國(guó)情。整體設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)、動(dòng)力裝置、電器 設(shè)備。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括各個(gè)裝置設(shè)備的由來、結(jié)構(gòu)、校核等。 機(jī)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(qiáng)度工程塑料制成。 履帶裝置：采用類似于V帶傳動(dòng)來連接橡膠履帶。通過軸用鍵連接驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng) 輪與橡膠履帶嚙合而達(dá)到行走的目的。因?yàn)榭紤]到要有轉(zhuǎn)向功能，所以采用雙履 帶機(jī)構(gòu)，中間通過底盤連接，兩側(cè)履帶分別安裝電機(jī)，通過兩側(cè)速度差來完成轉(zhuǎn) 向的目的。升降裝置：

40、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(dòng)方面： 傳動(dòng)件主要有橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪連接，軸和蝸輪蝸桿減速器之間用聯(lián)軸器傳動(dòng)。 動(dòng)力方面： 動(dòng)力件主要是電動(dòng)機(jī)，為輪椅提供動(dòng)力。由于爬樓輪椅的運(yùn)動(dòng)特性，要求爬 樓輪椅用的電源為移動(dòng)式的，所以就必須選用低壓直流電機(jī)。因?yàn)榕罉翘輹r(shí)履帶 9 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 速度不能過快，否則會(huì)有傾倒的危險(xiǎn)。一般直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為幾千轉(zhuǎn)，所以需選 用傳動(dòng)比較大的蝸輪蝸桿減速器減速器使履帶速度在一個(gè)安全范圍內(nèi)。 控制方面： 根

41、據(jù)直流電機(jī)機(jī)械特性選擇合適的直流電機(jī)控制器，進(jìn)行接線使履帶輪式輪 椅實(shí)現(xiàn)起停，前進(jìn)，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(shí)履帶輪式輪椅狀態(tài) 在平地時(shí)，輪椅與履帶保持水平，用輪椅大輪驅(qū)動(dòng)，履帶前部的升降機(jī)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(dòng)，則將升降機(jī)構(gòu)伸長(zhǎng)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(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 圖2.4 上樓梯時(shí)履帶輪式輪椅狀態(tài) 上下樓梯時(shí)，驅(qū)動(dòng)履帶前部的升降裝置，手動(dòng)控制升降裝置上升到一定角度，

42、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(zhǎng)圓形。即中段為長(zhǎng)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(duì)稱中心。又設(shè) 單級(jí)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(gè)階段。第一 圖2.5 履帶翻越樓梯第一階段 個(gè)階段是從平地攀上第一級(jí)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(dòng)輪椅設(shè)計(jì) * * * * * * 2 2

43、 [5] 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(shí)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(diǎn)為支點(diǎn)，履帶翻越第一階樓梯的條件可以用下式描 述： (T1L1)△t+ω L <(GL2)△t 其中，T1為履帶推力，G為重力，L1、L2 分別為 T1、G對(duì)A點(diǎn)的力臂，ω為 履帶抬起的 角速度， L 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量．根據(jù)上式，可以得到以下定性的結(jié)論： 在履帶攀越第一階樓梯時(shí)，攀越成功的必要條件是重心在行進(jìn)方向上“超越” 了翻越支點(diǎn)A點(diǎn)，即L2>0．重力提供了全部的翻轉(zhuǎn)力矩，履帶的移動(dòng)會(huì)加快重心 的

44、“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(diǎn)是重心處于A點(diǎn) 正上方的時(shí)候，此時(shí)L2=0，履帶軸線和水平地面的夾角稱為翻轉(zhuǎn)臨界角è 當(dāng)“翻越”發(fā)生前，即ω為逆時(shí)針時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)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(yùn)行速度；當(dāng)“翻越”發(fā)生時(shí)，ω為順時(shí)針， 此時(shí)履帶的后端接地點(diǎn)已經(jīng)離開地面，不再存在，因此可以加快履帶運(yùn)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/ 2Sinè + K(1? Secè )] K = D / 2L 計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)L／D=3時(shí)，最大翻越高

45、度約等于0.3L，此時(shí)è 約等于50 度；當(dāng)L／D=7時(shí)，最大翻越高度約等于0．35L，此時(shí) è 約等于50度?？梢?，對(duì) 于傳統(tǒng)的長(zhǎng)圓形節(jié)線履帶，只有增大長(zhǎng)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(yùn)行，履帶的長(zhǎng)度一般保證 能夠同時(shí)和樓梯的3個(gè)尖角接觸。為此： L ≥ 2 H +W 以我們常用的樓梯為例，H=15cm，W=30cm，因此L>67cm。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(jì)算，可知用傳統(tǒng)長(zhǎng)圓節(jié)

46、線履帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬樓功能時(shí)，履帶的中心長(zhǎng)度很難 小于60cm，整個(gè)機(jī)器人的長(zhǎng)度則要達(dá)到80cm以上。 12 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 2.5爬樓性能參數(shù) 圖2.6 履帶翻越樓梯第二階段 為使這款裝置能滿足普通居民的使用需求，需要了解我國(guó)普通住宅的樓梯尺 寸。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《住宅設(shè)計(jì)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 0.2

47、6 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(jí)臺(tái)階高度是 0.175m 計(jì)算，共 16 個(gè)臺(tái)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(jì)的是普通輪椅加 裝履帶機(jī)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(shí)輪椅與履帶保持平行。 所以在上下樓梯時(shí)，驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)上升使輪椅與履帶結(jié)構(gòu)為 30 度才能保證爬樓 時(shí)輪椅保

48、持水平狀態(tài)。 2.6 履帶爬樓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 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(jī)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(gè) 可以與輪椅和履帶裝置連接的鉸鏈機(jī)構(gòu)，以便可以轉(zhuǎn)動(dòng)。 14 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 方案 2 圖 2.9 方案 2 的三視圖 圖 2.10

49、 方案 2 的主視圖 15 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 方案 2 采用的是升降機(jī)構(gòu)是分離式液壓千斤頂，千斤頂是由一個(gè)支撐油缸和 一個(gè)手動(dòng)泵組成它們之間由一根油管連接，反復(fù)壓動(dòng)手動(dòng)泵使支撐裝置升降。 方案 1 與方案 2 都可以實(shí)現(xiàn)頂起放下輪椅的功能，但方案 1 采用螺旋千斤頂 機(jī)構(gòu)由于導(dǎo)程的限制，會(huì)有些費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以重點(diǎn)研究方案 2。 2.7 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)普通輪輪椅高度和所設(shè)計(jì)履帶機(jī)構(gòu)高度選擇千斤頂 L ' ' 圖 2.11 千斤頂升降簡(jiǎn)圖 為千斤頂高度最低時(shí)的長(zhǎng)度， L 為千斤頂頂起輪椅一定角度時(shí)

50、的長(zhǎng)度 。L=BC, ' o o BB ' AB = BB ' =162.89 2 2 2 L = B C ,AB 為坐椅，通過千斤頂座椅轉(zhuǎn)動(dòng)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 所 以 上 樓 梯 是 至 少 把 座 椅 順 時(shí) 針 轉(zhuǎn) 動(dòng) 30 ∠BAB ' = 30 根據(jù)正余弦定理 Sin∠BAB ' Sin∠BB ' A B 'C = BC + BB ' ? 2 BC × B

51、B 'Cos∠CBB ' B 'C =540mm 所以 B 'C -BC=160mm 千斤頂行程最少為 160mm。 o ， 根據(jù)所算出行程，考慮千斤頂本身大小進(jìn)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(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 了德國(guó)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(hào) 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、

52、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(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 流閥 6—換向閥 7—液壓缸左腔，推動(dòng)活塞使其頂起重物。這時(shí)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(dòng)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)

53、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(gè)足夠大的推力，而這個(gè)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(dòng)的一個(gè)基本原理，及壓力取決于負(fù)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了爬樓機(jī) 構(gòu)的組成與構(gòu)造;然后對(duì)爬樓的機(jī)理和過程進(jìn)行了詳細(xì)說明 ，設(shè)計(jì)出兩種方案并 進(jìn)行比較，選擇了一個(gè)較為實(shí)用的方案即采用分離式液壓千斤頂式的履帶輪式爬 樓機(jī)構(gòu)。 18 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 第三章 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3

54、.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機(jī)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(shí) 際 需 要， 參 考國(guó) 標(biāo) GB12996 一 1991—電動(dòng)輪椅車標(biāo)準(zhǔn)，確定控制系統(tǒng)的參數(shù)。參考國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電動(dòng)輪椅車的 主要技術(shù)性能規(guī)定： 平地時(shí)最大運(yùn)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(shí)(一次行程 25 一 30km)。 電機(jī)選型 可供選擇的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)。 (l)步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速起動(dòng)與停止。 它通常不需要反饋就能對(duì)

55、位移或速度進(jìn)行精確控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方 便。但是步進(jìn)電機(jī)能耗太大，速度也不高，且存在一個(gè)固有缺點(diǎn)，即在低速轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí)振動(dòng)和噪聲大，不利于整個(gè)裝置的穩(wěn)定。 (2)無刷直流電機(jī) 無刷直流電機(jī)采用電子換相電路取代了機(jī)械換相裝置，不僅繼承了直流電機(jī) 的優(yōu)點(diǎn)，且具有無噪音、免維護(hù)、可靠性高的優(yōu)越特性點(diǎn)。但比有刷電機(jī)控制復(fù) 雜，價(jià)格高。 (3)直流電機(jī) 直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)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(diǎn)，滿足裝置對(duì)突發(fā)情況作出反 應(yīng)的靈敏性要求;而且低速時(shí)平穩(wěn)性好，滿足了裝置在爬樓 運(yùn)動(dòng)時(shí)低速穩(wěn)定性的 要求

56、;起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)，可以滿足裝置爬坡、翻越 臺(tái)階的性能要求并且 造價(jià)低，所以選用有刷直流電機(jī)。 電機(jī)功率計(jì)算 計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shí)需要克服車體和人的重力做功，車體和人組成的整個(gè)系統(tǒng)的重 19 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 心位于整車的后半部分，估算重力作用線與驅(qū)動(dòng)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.

57、06=61.74Nm 爬樓最快速度:n=30rpm 驅(qū)動(dòng)輪最大角速度:Ω=2πn/60=3.14rad/s 爬樓時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大所需功率 P= MΩ=193.86W 所以選用中興公司的 80SRZ 直流電機(jī)分別安裝在兩條履帶上。 3.2 電池選擇 圖 3.1 有刷直流電機(jī)參數(shù) 為滿足裝置在室內(nèi)外均能使用的要求，必須實(shí)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(gè)因素:電 池容量、電壓大小、 重量、使用壽命以及價(jià)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

58、鏗電池雖然性能優(yōu) 越，使用壽命長(zhǎng)，但是價(jià)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(zhǎng)、相對(duì)更加成熟，改進(jìn)后的免維護(hù)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(hù)鉛酸蓄電池作為供電能源。 20 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 3.3 電動(dòng)車電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 直流有刷電機(jī),運(yùn)行可靠性高,調(diào)速性能好,過載能力強(qiáng),控制方法簡(jiǎn)單,雖熱 存在電刷磨損需要維護(hù)問題,但是在低速運(yùn)行時(shí),其電刷的磨損極小,一般在5000 小時(shí)以內(nèi)免維護(hù),因此它較適合用于低速的直接驅(qū)動(dòng)的電力

59、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。 3.3.1 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電動(dòng)車性能的影響 目前電動(dòng)車主要有三種:一是全電動(dòng)型自行車。二是電動(dòng)助力自行車(ＰＡ Ｓ),三是電動(dòng)摩托車。全電動(dòng)自行車完全依靠電力就可以行駛;電動(dòng)助力自行車 電機(jī)的出力是需要人力的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是共同的,這就是要求人力能夠正常騎行,而電動(dòng)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(dòng)自行車對(duì)蓄電池容量要求不高,當(dāng) 前發(fā)展電動(dòng)自行車以及電動(dòng)助力車是較為適宜的。目前兩輪電動(dòng)車主要采用直流 電機(jī)以及無刷直

60、流電機(jī)。而開關(guān)磁阻電機(jī)以及交流異步電機(jī)主要用在電動(dòng)汽車。 永磁直流電機(jī)以及永磁無刷直流電機(jī)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(jī)。南京天地的永磁無刷直流電機(jī)。目前,電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)方式有四 種:輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式、中軸式、旁掛式、磨擦式由于磨擦式靠摩擦輪胎推進(jìn), 對(duì)輪胎的磨損較為嚴(yán)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(chǎng)合下使用。當(dāng)前我國(guó)極大多數(shù)廠商的產(chǎn)品都采 用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式,采用這種方式的好處是:電動(dòng)車制造商可以不對(duì)車型 作大的改動(dòng),即可裝車,這種方式比較容易在試制階段采用。但是從電動(dòng)車本身的 兩個(gè)功能來看,采用

61、輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式,由于磁阻造成的力矩,值得一提的是 上述的驅(qū)動(dòng)方式還可以進(jìn)一步劃分,如除了輪轂直接驅(qū)動(dòng)方式外,輪轂電機(jī)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(dòng)自行車的電機(jī)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(jī),主要用于輪轂直接驅(qū)動(dòng)方式,電機(jī)轉(zhuǎn) 速為174ｒｐｍ，二是中速電機(jī),800～1800ｒｐｍ,輪轂式齒輪減速以及 1 級(jí)減 速的旁掛式(減速比為 1∶5);三是高速電機(jī)。2400

62、～4500ｒｐｍ,主要用于輪轂 式同步帶減速或齒輪減速,中軸驅(qū)動(dòng)、2 級(jí)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(dòng)車電機(jī)存在的主要問題及探索 21 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 2 2 度降落為△ｎ，則△ｎ＝ R . T ／ ?？梢姡?dāng) T 增大時(shí)，△ｎ也增大， 2 電動(dòng)車用電機(jī)的控制有兩類:一是恒轉(zhuǎn)矩控制,二是恒功率控制。對(duì)于永磁直 流無刷電機(jī)而言,要擴(kuò)大功率控制區(qū)域,增大調(diào)速范圍,一般就需要用到弱磁控 制。而由永磁體建立的磁場(chǎng)要實(shí)施這一控制難度較大,目前主要解決方法就是增

63、 大提前導(dǎo)通角,這種方法在理論上是可以得到證實(shí)的,在實(shí)驗(yàn)中也是可以看到的, 然而由于其反電動(dòng)勢(shì)的波形絕非真正意義上的梯形波以及電感值是變量,要真正 做到在基速以上區(qū)域?qū)崿F(xiàn)恒功率控制,實(shí)質(zhì)是很難的。目前這種方法尚在研究之 中。有文獻(xiàn)報(bào)道,開始使用雙繞組,這種雙繞組的效果一是減小起動(dòng)時(shí)的電流;二 是可以擴(kuò)大調(diào)速范圍,從而有可能避免弱磁控制問題。 3.4 直流電機(jī)機(jī)械特性 在電機(jī)穩(wěn)定時(shí)： 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 Tm 處于平衡狀態(tài)，故 Tm = T1 。其中 T1 為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。而 Tm = KT ?M I A 其中 ?M 為電機(jī)主磁通，I A 為電樞電流。由于 ?M 不變，所以

64、Tm 只和 I A 有關(guān)。I A 的大小和電源電壓 U A 克服反電動(dòng)勢(shì) EA 后的差值成正比，而和電樞繞組 的電阻 RA 成反比。而電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì) EA 是電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞組切割主磁通 ?M 的結(jié)果，故和?M 與轉(zhuǎn)速 nM 的乘積成正比。有公式： EA = K E?M nM 當(dāng)負(fù)載變化后， nM = U A / K E?M ? RA / K E KT?M 若理想空載轉(zhuǎn)速為 n0 ，當(dāng) Tm ＝0 時(shí)， nM ＝ n0 ，有 n0 ＝ U A / KE?M 由此可知： n0 與 U A 成正比，與 ?M 成反比。令速 A m E T M

65、 m 轉(zhuǎn)速 nM ＝ n0 —△ｎ（轉(zhuǎn)速下降） 所以在相同的 Tm 下，△ｎ的大小與 RA 成正比， 而與?M 成反比。故得出直流電機(jī)機(jī)械特性圖，如下圖所示：直流電機(jī)調(diào)速方法 選擇調(diào)節(jié)電樞電壓U A ,調(diào)節(jié) U A 時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速 n0 隨 U A 而變，但速度降落不性 曲線為平行的。只要能平滑地調(diào)節(jié)U A 也就能平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速可以從零開 始逐漸上升，故調(diào)變，故調(diào)節(jié)后的機(jī)械特節(jié)范圍很廣。調(diào)速過程中，主磁通 ?M 不 變，電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩也不變，調(diào)速具有“恒轉(zhuǎn)矩”的特點(diǎn)。 22 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 3.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

66、圖 3.2 直流電機(jī)機(jī)械特性 設(shè)計(jì)履帶輪式輪椅所需功能是可以啟動(dòng)停止、前進(jìn)后退、可控制方向可調(diào)速。 根據(jù)所需功能選用的是型號(hào)為EM-101-BI MOTOR的電機(jī)控制器。 圖 3.3 EM-101-BI MOTOR 電機(jī)控制器 該種驅(qū)動(dòng)器采用抗干擾設(shè)計(jì)，同時(shí)也降低了驅(qū)動(dòng)器對(duì)外部電子設(shè)備的干擾， 在外部信號(hào)控制方面能適用于自動(dòng)控制的接口控制方式，可以用模擬量和開關(guān)量 控制驅(qū)動(dòng) 器的功能。并具有智能邏輯功能，可以自動(dòng)判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速及電流值然 23 履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 后決定于換向的時(shí)間，也可以在配接能耗制動(dòng)電阻后實(shí)現(xiàn)停機(jī)制動(dòng)和快速換向制 動(dòng)。此種方式與常規(guī)換向方式相比:具有換向可靠、噪音小、干擾小、壽命長(zhǎng)、 無弧光等特點(diǎn)。并且外部控制信號(hào)采用電流傳輸，增加了抗干擾能力和可靠性。 體積小、性價(jià)比高，并得以廣泛的應(yīng)用。 應(yīng)用范圍：適用于小功率直流電機(jī)普通換相功能的控制要求。 調(diào)速類型：用電位器調(diào)節(jié)電阻來改變電壓以此實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。 特點(diǎn)： 1 正反向換向功能 2 微處