履帶輪式爬樓梯電動輪椅設計【帶圖紙】

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1、畢業(yè)設計說明書論文 QQ 36296518 原創(chuàng)通過答辯 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 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 現代高新技術來改善他們的生活質量，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上進行改 進和加裝爬樓機構，本文設計的電動輪椅具有爬樓功能，爬樓時用履帶驅動，平 地時可像普通輪椅用輪驅動也可輪椅稍后仰用履帶驅動。此車在輪椅的基礎上安 裝履帶裝置、升降機構、電機、以及控制電路、控制設備，以降低勞動強度、提 高效率，減少他們的困難

2、、提高生活質量、滿足市場需求為目的。爬樓梯車具有 適應性強、機動靈活、活動范圍大等特點，在我國國民經濟的發(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前景。 關鍵詞：爬樓梯，電動，輪椅，履帶輪式 I 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 Abstract With the social development and improvement in the level of human civilization, oldmen and physically disable

3、d 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

4、 we have the original on the 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 a

5、n 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,

6、 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

7、 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, wheelc

8、hair, Track-Wheel 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 目 錄 第一章 綜述.....................................................................................................1 1.1 爬樓梯輪椅的意義 ............................................. 1 1.2 國內外爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況 .................................... 2 1.2.1 國外爬

9、樓梯輪椅的發(fā)展狀況 ......................................... 2 1.2.2 國內爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況 ......................................... 4 1.3 本項目的設計目的與主要研究內容 ................................ 5 1.3.1 課程設計目的 .............................................. 5 1.3.2 課題研究內容 ............................................

10、.. 6 1.4 設計進程安排 .................................................. 6 第二章 履帶爬樓裝置機械系統(tǒng)結構設計 ...........................................................8 2.1 爬樓機構的比較 ................................................ 8 2.2 設計思路 ...................................................... 9 2.3 履帶輪式輪椅爬樓

11、原理 ......................................... 10 2.4 履帶爬樓過程分析 ............................................. 11 2.5 爬樓性能參數 ................................................. 13 2.6 履帶爬樓機構的結構設計 ....................................... 13 2.7 升降機構的設計 ..............................................

12、 16 2.8 本章小結 .................................................... 18 第三章 電氣系統(tǒng)設計 ..................................................................................... 19 3.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機選擇 .................................. 19 3.2 電池選擇 .................................................... 2

13、0 3.3 電動車電機轉速控制 .......................................... 21 3.3.1 驅動方式對電動車性能影響 .................................. 21 3.3.2 現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)的設計 ..........................................

14、.... 23 3.6 本章小結 .................................................... 28 第四章 典型零部件設計及校核計算 ................................................................ 29 4.1 傳動系統(tǒng)動力參數計算 ........................................ 29 4.2 軸的計算 .................................................... 30

15、III 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 第五章 技術經濟分析報告 .............................................................................. 39 5.1 履帶輪式輪椅技術分析 ........................................ 39 5.2 履帶輪式輪椅經濟分析 ........................................ 39 5.3 履帶輪式輪椅結論和展望 ...................................

16、... 40 參考文獻 ........................................................................................................ 41 致 謝 ............................................................................................................. 42 IV 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 第一章 綜 述 1.1 爬樓梯輪椅的意義

17、 [1] 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工程工作者面臨的一項比較緊迫的任 務。樓梯的出現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 其是在人口數量日益增長、經濟飛速發(fā)展的現代化社會中，為了提高人均住房面 積，改善人們的生活質量，高樓別墅不斷涌現。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，

18、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量的增多顯得日 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、社會服務等各方面需求的壓力也越來越大。為關心老年人、殘疾人 的生活，改善他們的生活質量，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

19、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的人照顧，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施的

20、無障礙設計，在公共場所 設置輪椅上、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計成手動型或電機驅動型。由 于它們具有機動靈活、適用性廣等優(yōu)點，吸引了眾多學者從事該項研究。本文就 1 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 是為了能解決以上所遇到的問題而專門設計的一種爬樓輪椅。目前,國外已有許 多種爬樓梯輪椅的發(fā)明專利問世。然而,它們多數結構復雜,價格昂貴,不完全適 合于發(fā)展中國家使用者的經濟承受能力。為此,我們設計了一種實現爬樓梯功能 的爬樓梯輪椅。與已有的其它專利相比,其結構更為簡單、制造成本也更為

21、低廉, 而且,它可以很容易地從爬樓梯狀態(tài)轉換到平地行走狀態(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代高 新技術來改善他們的生活質量，拓展生活自由度。另一方面，因為各種交通事故， 天災人禍和種種疾病，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構即將進入老齡化的國家更是具有非常重要 的社會和現實意義。 1.2 國內外爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況

22、 1.2.1 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 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構，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，當遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過 適當操作將兩側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

23、完成爬樓等功能。日本長崎大學更在普通單履帶輪椅的基 礎上，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計 使用安全的問題。圖中履帶式爬樓梯裝置履帶式結構傳動效率比較高，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)行機構由鉸鏈桿件機構組 成。上樓時先將輪椅抬高，再水平向前移動，如此重復這兩

24、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 大學理工 學術院高 西淳夫教 授的研究室 以及日本 機器人開 發(fā)風 險企 業(yè) Tmsuk 聯合開發(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成，每條機械腿有 6 個自由度，可向前、后、側面移 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

25、 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 星型輪構成，集步行式與輪組式設計理念于一體。裝置通過星型輪的翻轉上下樓 梯，座椅底部的傳感器檢測裝置的平衡情況，控制操作桿自動調節(jié)使裝置在爬樓 過程中始終位于穩(wěn)定裕度內。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，操作比較復雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩

26、慢:此外，座椅距 3 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 地面的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實際應用還有很大的距離。 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，左右兩側各有兩組爬樓 梯輪。它可以方便地和輪椅結合，依靠這兩組輪子的輪流翻轉上下樓梯。同時， 每個輪子上都設有自動剎車裝置，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

27、上安裝輔助設備外，還出現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 。 圖 l.3(b) 是 加 拿 大 GaraventaLift 公司生產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上下樓的運動。這類裝置在歐美國 [1] (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 臺裝置與住房的結合易于實現;而國內城市以

28、多層公 寓式樓房居多，統(tǒng) 一鋪設軌 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， 需要設計不同的軌道，代價過高，不易推廣。 1.2.2 國內爬樓梯輪椅的發(fā)展狀況 我國對此類 裝置的研 究雖然起 步較晚， 但近年來也 涌現了很 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，除自轉外還繞滾輪軸公轉而實現上下樓。內蒙古民族大學 4 履帶－

29、輪式爬樓梯電動輪椅設計 物理與機電學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，設計了一種雙聯星形機構電動爬樓梯輪椅。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，使其能調整重心的位置，安全爬樓。東南大學機械學 院設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。國內研究的比較多的是手動爬樓梯的輪椅，清華大學精密 儀器及機械學系康復工程研究中心已經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一套爬樓梯執(zhí)行機構和驅動系統(tǒng)，既可以在平地行 駛，又可以

30、僅憑借使用者雙臂的力量使輪椅上、下樓梯。它結構簡單、造價低廉， 符合我國的國情:但是設計中仍存在一些問題，如輪椅在爬 樓過程中的穩(wěn)定性、 如何適應不同尺寸的樓梯、如何實現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上，并未投入實際應用。 1.3 本項目的設計目的與主要研究內容 1.3.1 課題設計目的 履帶輪式輪椅具有適應性強、機動靈活、活動范圍大等特點，在我國國民經 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?，爬樓梯? 椅行業(yè)具有廣闊的發(fā)展機遇和良好的投產前景。爬樓輪椅是目前殘疾人廣泛采用 的爬樓梯的工具，因其

31、比固定上樓裝置具有靈活性大、使用輕便、成本低廉，所 以市場廣闊設計開發(fā)電動爬樓車，實現減輕殘疾人要求、提高適應人群、滿足市 場的需求為目的。 5 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 1.3.2 課題研究內容 步行式爬樓梯裝置體積龐大，缺乏靈活性且控制復雜，技術要求較高;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構原理，將爬樓功能與普通輪椅相結合設計了一種 爬樓梯裝置。它在平地行走時利用輪式機構，爬樓梯時放下履帶機構進行工

32、作。 （1）分析爬樓梯時各部分元件以及樓梯的受力根據傳統(tǒng)履帶方式爬樓梯的力學 分析用AutoCAD繪制履帶傳動機構裝配圖。 （2）根據重量尺寸，選擇電機。設計控制系統(tǒng)控制電機驅動履帶完成爬樓梯的 功能。 設計后應能夠實現的功能： 1.適用性廣，應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換簡單易行; 3.乘坐要平穩(wěn)舒適，爬樓梯時坐位應基本保持水平狀態(tài) 4.輪椅結構盡量簡單，造價低廉。 擬解決的主要問題： 1.爬樓機構的設計。 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)設計。

33、 1.4 設計進程安排 根據上述的設計方案，本項目的主要設計工作分為以下四個階段： 1. 調研階段 包括調查國內外電動爬樓車的發(fā)展狀況，調研國內外相關技術、研究分析現 有爬樓車的結構性能、并進行設計方案論證等，在此階段我主要對我國所生產的 手動爬樓車進行了分析研究，初步明確了設計思路，并初步定下了設計方案。 2. 各個模塊的研究分析階段 本設計課題主要包括三個方面的內容：電機的設計選擇；履帶裝置的設計計 算；升降裝置的選擇。此階段是本次畢業(yè)設計的基礎定型階段，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，

34、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，要求安全系數比較高，摩擦力大不容出現打滑事故。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計。 3. 設計階段 在該階段，主要工作就是對已經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，運動學性能，進

35、行剛度和強度校核，并確定各個機械結構 的具體尺寸和具體裝配方法，繪制機械機構裝配圖、電路控制圖等。 4. 總結階段 在設計的最后，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)論文設計說明書的撰寫，修改整理機械設計圖和電路控制圖，對 設計的產品進行經濟分析及適用性分析。 7 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 第二章 履帶爬樓裝置機械系統(tǒng)結構設計 2.1 爬樓機構的比較 [2] 爬樓機構按其運動執(zhí)行機構可以分為星型輪機構和履帶輪機構兩種，其中履 帶輪機構相對比較成熟在可以爬樓梯防暴機器人等類似裝置中應用的比較廣泛

36、。 星型輪式爬樓梯輪椅的爬樓梯機構由均勻分布在“Y”形或“+”字形系桿上 的若干個小輪構成。各個小輪既可以繞各自的軸線自轉，又可以隨著系桿一起繞 中心軸公轉。在平地行走時，各小輪自轉；而爬樓梯時，各小輪一起公轉。從而 實現爬樓梯的功能。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。 還有一種爬行機構是由三組帶有滑道的輪組構成的。當車輪抵住臺階之后， 臺階自然會對輪組中的一個產生阻力，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?，從而將車輪抬起。如此

37、反復進行，從而達到上臺階的目 的。這種輪椅的不足是結構過于復雜。 履帶型機構的爬樓梯輪椅應用較多，它采用比星型輪機構更為連續(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)。 通過對比可以看出履帶爬行機構的優(yōu)越性，本設計就是采用的履帶型爬樓機 構。 2.2 設計思路 本次畢設查閱很多的文獻資料，國內沒有成熟的產品，結合前蘇聯的專利和 國內一個發(fā)明，根據大學中所學所用過的知識以及相關文獻設計了履帶輪式輪 椅。 主要資料： 履帶爬行式前蘇聯的專利 1553-120 屬履帶

38、式。爬樓梯時，用手輪來調整座 椅的水平。動力由大輪經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)調自身的姿態(tài)以適應樓梯地形。） 8 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 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上加裝 了一個履帶機構并且在履帶后部加裝了以一個回轉機構，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)

39、以此來實現上下樓功能。但此發(fā) 明不具備轉向和調速功能。 本文設計的這種履帶輪式爬樓梯輪椅在現實生活中應用比較適應當前中國 國情。整體設計主要分為以下幾個部分：機械結構、機械傳動、動力裝置、電器 設備。設計內容包括各個裝置設備的由來、結構、校核等。 機械結構 結構主要包括底盤、履帶裝置、升降裝置三部分。下面分別介紹三部分的結 構和所用材料。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。通過軸用鍵連接驅動輪，驅動 輪與橡膠履帶嚙合而達到行走的目的。因為考慮到要有轉向功能，所以采用雙履 帶機構，中間通過底盤連接，兩側

40、履帶分別安裝電機，通過兩側速度差來完成轉 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，履帶與軸之間用驅動輪連接，軸和蝸輪蝸桿減速器之間用聯軸器傳動。 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計 速度不能過快，否則會有傾倒的危險。一般直流電機的轉速為幾千轉，所以需選 用傳動比較大的蝸輪蝸桿

41、減速器減速器使履帶速度在一個安全范圍內。 控制方面： 根據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 椅實現起停，前進，后推轉向的功能。 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，用輪椅大輪驅動，履帶前部的升降機構已 處于最低位置。使履帶裝置不接觸地面。如需用履帶驅動，則將升降機構伸長一 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計 圖2.4 上樓梯時履帶輪式輪椅狀態(tài) 上下樓梯

42、時，驅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。履帶的質量分布均勻，重心在幾何對稱中心。又設 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計

43、 * * * * * * 2 2 [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 <(GL2)△t 其中，T1為履帶推力，G為重力，L1、L2 分別為 T1、G對A點的力臂，ω為 履帶抬起的 角速度， L 為轉動慣量．根據上式，可以得到以下定性的結論： 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，

44、即L2>0．重力提供了全部的翻轉力矩，履帶的移動會加快重心 的“超越”，提供更大的翻轉力臂，加速翻轉過程．翻轉臨界點是重心處于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臨界角 當“翻越”發(fā)生前，即ω為逆時針時，轉動角動量ω L 要小，以便于克服重 力翻轉力矩，因此應該降低履帶的運行速度；當“翻越”發(fā)生時，ω為順時針， 此時履帶的后端接地點已經離開地面，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/ 2Sin + K(1? Sec )] K = D

45、 / 2L 計算結果表明：當L／D=3時，最大翻越高度約等于0.3L，此時 約等于50 度；當L／D=7時，最大翻越高度約等于0．35L，此時 約等于50度?？梢姡瑢? 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 +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

46、一階樓梯的要求。根據以上 分析計算，可知用傳統(tǒng)長圓節(jié)線履帶結構實現爬樓功能時，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。 12 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 2.5爬樓性能參數 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，需要了解我國普通住宅的樓梯尺 寸。根據中華人民共和國國家標準《住宅設計規(guī)范》住宅樓梯梯段凈寬不應小于 1.10 米，6 層及 6 層以下住宅，一邊設有欄桿的梯段凈寬不應小于 1 米。(樓梯 梯段 凈 寬 系指 墻 面 至 扶手 中 心 之 間的 水 平 距 離

47、)住 宅 樓 梯踏 步 寬 度 不應 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 帶裝置高度應大于踏步的高度，才能使履帶翻越樓梯。本文設計的是普通輪椅加 裝履帶機構，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，驅動升降機構上

48、升使輪椅與履帶結構為 30 度才能保證爬樓 時輪椅保持水平狀態(tài)。 2.6 履帶爬樓機構的結構設計 根據所要求的尺寸即軸、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 升降機構采用的是螺旋千斤頂，千斤頂的頂部與底部經焊接連接一個 可以與輪椅和履帶裝置連接的鉸鏈機構，以便可以轉動。 14 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 方案 2 圖

49、 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計 方案 2 采用的是升降機構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，反復壓動手動泵使支撐裝置升降。 方案 1 與方案 2 都可以實現頂起放下輪椅的功能，但方案 1 采用螺旋千斤頂 機構由于導程的限制，會有些費時費力。所以重點研究方案 2。 2.7 升降機構的設計 根據普通輪輪椅高度和所設計履帶機構高度選擇千斤頂 L   圖 2.11 千斤頂升降簡圖 為千斤頂

50、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, o o BB AB = BB =162.89 2 2 2 L = B C ,AB 為坐椅，通過千斤頂座椅轉動一定角度 ∠BAB 根據圖紙 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 針 轉 動 30 ∠BAB = 30 根據正余弦定理 Sin∠BAB Sin∠BB A B C = BC +

51、 BB ? 2 BC BB Cos∠CBB B C =540mm 所以 B C -BC=160mm 千斤頂行程最少為 160mm。 o ， 根據所算出行程，考慮千斤頂本身大小進行選擇，在查閱大量的相關產品后選擇 16 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 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

52、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)流閥是調節(jié)工作速度

53、的,溢流閥是調節(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 本章首先給出了履帶輪爬樓梯裝置的機械結構設計方案，重點介紹了爬樓機 構的組成與構造;然后對爬樓的機理和過程進行了詳細說明 ，設計出兩種方案并 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。 18 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 第三章 電氣系統(tǒng)

54、設計 3.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機選擇 技術指標 根據 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。參考國標標準中對電動輪椅車的 主要技術性能規(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 步進電機具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點，能夠快速起動與停止。 它

55、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)結構簡單，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 雜，價格高。 (3)直流電機 直流電機具有良好的起動、制動和調速特性，具有很寬的調速范圍，且易于 平滑調節(jié)。它具有控制特性好、響應速度快等優(yōu)點，滿足裝置對突發(fā)情況作出反 應的靈敏性要求;而且低速時平穩(wěn)性好，滿足了裝置在爬樓 運動時

56、低速穩(wěn)定性的 要求;起動轉矩大、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 計算驅動電機所需的功率。設裝置本身的質量為 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計 心位于整車的后半部分，估算重力作用線與驅動軸之間的垂直距離 L 為 60mm。 所需克服阻力矩為:M=GL=(30+

57、75)9.80.06=61.74Nm 爬樓最快速度:n=30rpm 驅動輪最大角速度:Ω=2πn/60=3.14rad/s 爬樓時驅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。 3.2 電池選擇 圖 3.1 有刷直流電機參數 為滿足裝置在室內外均能使用的要求，必須實現自主供電，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

58、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計 3.3 電動車電機轉速控制 直流有刷電機,運行可靠性高,調速性能好,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 小時以內免維護,因此它較適合用于低速

59、的直接驅動的電力驅動系統(tǒng)中。 3.3.1 驅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(ＰＡ Ｓ),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。由于受當前電池技術的限制以及電動自行車對蓄電池容量要求不高,當 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

60、 電機以及無刷直流電機。而開關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前都有質量較好的產品,如上海新聯的永 磁直流有刷電機。南京天地的永磁無刷直流電機。目前,電動車的驅動方式有四 種:輪轂電機直接驅動式、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。當前我國極大多數廠商的產品都采 用輪轂電機直接驅動方式,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

61、個功能來看,采用輪轂電機直接驅動方式,由于磁阻造成的力矩,值得一提的是 上述的驅動方式還可以進一步劃分,如除了輪轂直接驅動方式外,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。 按照轉速可以歸為三類:一是低速電機,主要用于輪轂直接驅動方式,電機轉 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

62、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 現有電動車電機存在的主要問題及探索 21 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 2 2 度降落為△ｎ，則△ｎ＝ R . T ／ ?？梢姡?T 增大時，△ｎ也增大， 2 電動車用電機的控制有兩類:一是恒轉矩控制,二是恒功率控制。對于永磁直 流無刷電機而言,要擴大功率控制區(qū)域,增大調速范圍,一般就需要用到弱磁控 制。而由永磁體建立的磁場要實施這一控制難度較大,目前主

63、要解決方法就是增 大提前導通角,這種方法在理論上是可以得到證實的,在實驗中也是可以看到的, 然而由于其反電動勢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)域實現恒功率控制,實質是很難的。目前這種方法尚在研究之 中。有文獻報道,開始使用雙繞組,這種雙繞組的效果一是減小起動時的電流;二 是可以擴大調速范圍,從而有可能避免弱磁控制問題。 3.4 直流電機機械特性 在電機穩(wěn)定時： 電動機的電磁轉矩 Tm 處于平衡狀態(tài)，故 Tm = T1 。其中 T1 為電機負載轉矩。而 Tm = KT M I A 其中 M 為電機主磁通，I A 為電樞電流。由于 M 不

64、變，所以 Tm 只和 I A 有關。I A 的大小和電源電壓 U A 克服反電動勢 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勢 EA 是電樞旋轉時，繞組切割主磁通 M 的結果，故和M 與轉速 nM 的乘積成正比。有公式： EA = K EM nM 當負載變化后， nM = U A / K EM ? RA / K E KTM 若理想空載轉速為 n0 ，當 Tm ＝0 時， nM ＝ n0 ，有 n0 ＝ U A / KEM 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 轉速 nM ＝ n0 —△ｎ（轉速下降） 所以在相同的 Tm 下，△ｎ的大小與 RA 成正比， 而與M 成反比。故得出直流電機機械特性圖，如下圖所示：直流電機調速方法 選擇調節(jié)電樞電壓U A ,調節(jié) U A 時，理想空載轉速 n0 隨 U A 而變，但速度降落不性 曲線為平行的。只要能平滑地調節(jié)U A 也就能平滑地調節(jié)轉速。轉速可以從零開 始逐漸上升，故調變，故調節(jié)后的機械特節(jié)范圍很廣。調速過程中，主磁通 M 不 變，電動機的額定轉矩也不變，調速具有“恒轉矩”的特點。 22 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 3.5 控制系統(tǒng)的設計 圖 3

66、.2 直流電機機械特性 設計履帶輪式輪椅所需功能是可以啟動停止、前進后退、可控制方向可調速。 根據所需功能選用的是型號為EM-101-BI MOTOR的電機控制器。 圖 3.3 EM-101-BI MOTOR 電機控制器 該種驅動器采用抗干擾設計，同時也降低了驅動器對外部電子設備的干擾， 在外部信號控制方面能適用于自動控制的接口控制方式，可以用模擬量和開關量 控制驅動 器的功能。并具有智能邏輯功能，可以自動判斷電機的轉速及電流值然 23 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 后決定于換向的時間，也可以在配接能耗制動電阻后實現停機制動和快速換向制 動。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、 無弧光等特點。并且外部控制信號采用電流傳輸，增加了抗干擾能力和可靠性。 體積小、性價比高，并得以廣泛的應用。 應用范圍：適用于小功率直流電機普通換相功能的控制要求。 調速類型：用電位器調節(jié)電阻來改變電壓以此實現調速功能。