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爬樓梯輪椅物化成果 一，概論 針對(duì)目前普通輪椅不具備爬樓梯功能，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)比較成熟，實(shí)用的爬樓輪椅這一現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種實(shí)用的星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅。該輪椅既可以像普通輪椅一樣在平地上行走，又可以攀爬樓梯，通過手搖來驅(qū)動(dòng)。我們?cè)谛行驱X輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，在中心軸和轉(zhuǎn)臂間設(shè)一離合器，離合器分離時(shí)，驅(qū)動(dòng)中心齒輪便會(huì)帶動(dòng)各行星齒輪旋轉(zhuǎn)，此時(shí)為行星輪驅(qū)動(dòng)模式，適用于平地行走；而操作離合器使其結(jié)合時(shí)，中心軸和轉(zhuǎn)臂鎖死，各行星齒輪將不能自傳，驅(qū)動(dòng)中心軸整個(gè)行星輪系將整體翻轉(zhuǎn)，主動(dòng)翻越障礙，此時(shí)為星輪驅(qū)動(dòng)模式，適用于爬樓梯。這種新的結(jié)構(gòu)我們稱之為星輪行星輪轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們?cè)谌f向輪兩側(cè)增加了一對(duì)起引導(dǎo)和越障作用的導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪與萬向輪的巧妙結(jié)合增強(qiáng)了萬向輪的越障能力。此外我們還正確設(shè)計(jì)重心位置，并將靠背設(shè)計(jì)成可調(diào)形式，爬樓梯時(shí)可以調(diào)節(jié)重心位置，保證了爬樓的完全性和舒適性。 對(duì)于殘疾人輪椅的改進(jìn)，以有不少人提出各種解決方案：有的使用履帶式的輔助爬升設(shè)備幫助輪椅上下樓梯，有的采用步進(jìn)式的結(jié)構(gòu)一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺儀控制兩輪結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，立起來上下樓梯，但這些方案都有一些不盡人意的地方，比如：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，使用不便，不能很好的適應(yīng)平地行駛等，因而都未能得到較廣泛的應(yīng)用。在總結(jié)前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們?cè)谛禽喰行禽嗈D(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型輪椅，一種簡(jiǎn)單實(shí)用，安全可靠，既能夠適應(yīng)平地行走，又能夠上下樓梯的輪椅，希望能夠?yàn)闅埣踩藥砀Ｒ簟? 1、主要研究?jī)?nèi)容 ⑴ 爬樓機(jī)器人的原理研究和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。要求機(jī)器人能在平地行駛，攀爬通常規(guī)格的樓梯，轉(zhuǎn)彎，以及具備一定的避障能力。 ⑵ 對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程分析，提取出爬樓機(jī)器人關(guān)鍵動(dòng)作，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論分別進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)（運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真）和動(dòng)力學(xué)分析，最后對(duì)爬樓機(jī)器人進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定性分析。 ⑶ 使用三維實(shí)體造型軟件Pro/E建立了爬樓機(jī)器人的三維實(shí)體模型， 然后將Pro/E導(dǎo)出的模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，定義剛體，添加約束、力、運(yùn)動(dòng)等，完成爬樓機(jī)器人的虛擬樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)模型。 ⑷ 針對(duì)六輪腿移動(dòng)機(jī)器人越障行為進(jìn)行了仿真，對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。 ⑸ 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使機(jī)器人能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)彎、與樓梯欄桿（或墻壁）保持一定距離、避開跨越不了的障礙。 2、關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn) ⑴爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ⑵運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真 ⑶虛擬樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)模型的建立 ⑷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3、爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基本原理 輪子的機(jī)械原理如圖1所示：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為軸，1為基本構(gòu)件，2為太陽輪，3、4為行星輪， 5為行星架（即轉(zhuǎn)臂），6為小車輪，動(dòng)力電機(jī)傳到Ⅰ軸，Ⅰ軸帶動(dòng)太陽輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽輪帶動(dòng)行齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，再傳給4，機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)車輪組機(jī)構(gòu)運(yùn)行在平直的路面上時(shí)，受兩個(gè)車輪同時(shí)著地的約束限制，轉(zhuǎn)臂5不能轉(zhuǎn)動(dòng)只能隨車沿路面平動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)輪系演變成定軸輪系，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在平直面上的快速行駛；當(dāng)前進(jìn)的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪系就演變成行星輪系，轉(zhuǎn)臂5帶著另外4個(gè)車輪繞前輪的軸線回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)翻越障礙（即爬樓梯）的目的。其自由度F=3n-2PL-PH=34-24-2=2 其中n為除機(jī)架外的構(gòu)件，PL為n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件之間的低副， PH為n個(gè)構(gòu)件之間的高副. 爬樓機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)原理圖和爬樓梯的要求設(shè)計(jì)了爬樓機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2。 整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)有四個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)給一個(gè)行星輪機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。電機(jī)傳遞動(dòng)力給太陽輪所在傳動(dòng)軸的，再通過齒輪之間的相互嚙合來傳遞動(dòng)力，最終將動(dòng)力傳遞給小車輪，實(shí)現(xiàn)平直路面上的行駛。當(dāng)遇到小障礙物時(shí)，行走機(jī)構(gòu)立即演變成行星輪機(jī)構(gòu)，直接跨越。當(dāng)遇到在攀登范圍內(nèi)的大障礙（樓梯）時(shí)，機(jī)構(gòu)一直以行星輪機(jī)構(gòu)作用，達(dá)到攀登的目的。當(dāng)遇到攀登范圍之外的障礙，要求機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)，通過控制左右兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢來實(shí)現(xiàn)。 1、樓梯 2、小車輪 3、4傳動(dòng)齒輪 5、行星輪 6、太陽輪 7、行星架（轉(zhuǎn)臂） 8、車架 三、可行性分析 行星輪系是由太陽輪（幾何軸線固定的齒輪）、行星輪（隨行星架繞主軸線回轉(zhuǎn)的構(gòu)件）、行星架（支持行星輪且能承受外力矩的構(gòu)件）構(gòu)成的。本課題研究的爬樓機(jī)器人基本原理如圖1，從機(jī)構(gòu)分析，運(yùn)用差動(dòng)輪輪系傳動(dòng)比的相關(guān)公式，可以得出如下關(guān)系式： 其中，為中心齒輪2的轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)臂5的轉(zhuǎn)速；為驅(qū)動(dòng)齒輪4的轉(zhuǎn)速；為中心齒輪2的齒數(shù)；為驅(qū)動(dòng)齒輪4的齒數(shù)。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪系為定軸輪系時(shí)，=0，所以/=/，車輪6與中心齒輪2具有相同的旋向。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪系為行星輪系時(shí)，=0，所以/=1-/，在電機(jī)旋向不變的情況下，要使整個(gè)車輪組繼續(xù)往前運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂的旋向必須和中心齒輪的旋向相同，所以/0，即。當(dāng)取得較大值時(shí)，可以提高車輪組的越障能力。 對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是采用整車為研究對(duì)象，找出爬樓的最大坡度，來優(yōu)化行星輪、太陽輪及行星架的尺寸比，并且運(yùn)用Matlab對(duì)其仿真。 Matlab（Matrix Laboratory）是一種高度集成化的科學(xué)計(jì)算環(huán)境，是集數(shù)值計(jì)算和圖形處理等功能與一體的工程計(jì)算及數(shù)值分析軟件。Matlab現(xiàn)有30多個(gè)工具箱，Simulik工具箱就是其中應(yīng)用廣泛，影響較大的一個(gè)。它是一個(gè)用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成軟件包。不僅可以進(jìn)行線性系統(tǒng)仿真，也可進(jìn)行非線性系統(tǒng)仿真，既可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)仿真，也可以實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間系統(tǒng)甚至連續(xù)-離散時(shí)間系統(tǒng)的仿真，還支持多制式采樣率的系統(tǒng)仿真。利用Matlab可以分析出結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度。 ADAMS是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。用戶使用ADAMS軟件，可以自動(dòng)生成包括機(jī)、電、液一體化在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型，能為用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)、到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗(yàn)規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計(jì)算分析結(jié)果，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競(jìng)爭(zhēng)力的目的。通過Pro/E導(dǎo)出的模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，定義剛體，添加約束、力、運(yùn)動(dòng)等，完成爬樓機(jī)器人的虛擬樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)模型。 電機(jī)使用單片機(jī)進(jìn)行控制，通過編碼器構(gòu)成反饋系統(tǒng)；在機(jī)器人兩側(cè)裝上激光測(cè)距掃描儀，保證機(jī)器人與樓梯的在安全距離范圍，通過單片機(jī)不斷采集信號(hào)，用PID控制電機(jī)速度，修正其軌跡；在機(jī)器人前端大于越障范圍處安裝激光測(cè)距儀，使機(jī)器人原速返回另擇路徑。 五 、參考文獻(xiàn) [1] 蔡自興編著.機(jī)器人學(xué).北京:清華大學(xué)出版社，2000 [2] Robin R. 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