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摘 要
輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，但障礙物卻使輪椅受到很大限制?，F(xiàn)代由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜的地形卻顯得無(wú)能為力。高通過性輪椅設(shè)計(jì)是采用輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，正常行駛時(shí)輪式工作，采用四輪驅(qū)動(dòng)；遇到障礙時(shí)腿式工作，從而適應(yīng)大多數(shù)地形；車身則采用自動(dòng)導(dǎo)軌式調(diào)平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。本次設(shè)計(jì)的主要工作包括：確定輪椅的工作方式以及工作結(jié)構(gòu)形式、主體尺寸，并確定各主要零、部件的結(jié)構(gòu)尺寸及其選型。
關(guān)鍵詞：輪椅 高通過性 輪腿式機(jī)器人
Abstract
Wheelchairs are frail elderly and the disabled limb indispensable means of transport, but the obstacles while filling the wheelchair is very restricted. As with a traditional modern wheeled structure, can only walk on flat ground, facing steps, stairs, but this is more complex terrain powerless. High-pass design is the use of a wheelchair wheel legged robot structure, normal driving wheel work, the use of four-wheel drive; encounter obstacles leg work to accommodate most of the terrain; body is leveling automatic slide-type structure, the structure is simple, easy to adjust. The design of the main tasks include: determining wheelchair work and the working structure, body size, and identify the major components and parts of the structure size and selection.
Keywords: wheelchair high adoption round legged robot
目 錄
1 緒論 1
1．1 研究目的 1
1．2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
2 方案選擇 2
2．1 常見方案 2
2.1.1 輪組式 2
2.1.2 履帶式 2
2.1.3 腿式 3
2.1.4復(fù)合式 3
2．2 方案分析 4
2.2.1 目前研究中所存在的問題 4
2.2.2 方案選擇 4
2.3 具體方案 5
2.3.1 總體方案 5
2.3.2 結(jié)構(gòu)分析 5
2.3.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 6
2.3.4 越障功能 6
2.3.5 移動(dòng)方式 8
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì) 9
3.2 電機(jī)選擇 9
3.2.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式 9
3.2.2 行走機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇計(jì)算 12
3.2.3 行走機(jī)構(gòu)電機(jī)功率的計(jì)算 12
3.3 驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12
3.3.1 總體結(jié)構(gòu) 12
3.3.2 驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.3.3套筒(輪軸)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.4 軸設(shè)計(jì)與校核 14
3.4.1 總體設(shè)計(jì) 14
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.4.3 軸的校核 14
3.5 V帶設(shè)計(jì) 15
3.5.1確定計(jì)算功率 15
3.5.2 選擇V帶類型 15
3.5.3確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速 15
3.5.4驗(yàn)算帶速 15
3.5.5確定V帶的中心距和基準(zhǔn)長(zhǎng)度 15
3.5.6驗(yàn)算小帶輪上的包角 16
3.5.7 計(jì)算帶的根數(shù) 16
3.5.8 計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值 16
3.5.9 計(jì)算壓軸力 17
3.5.10 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.6 車輪半徑尺寸研究 17
結(jié) 論 19
參考文獻(xiàn) 20
致 謝 21
1 緒論
1．1 研究目的
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(wú)障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍逐步加大。但障礙物卻使輪椅受到很大限制，因此研發(fā)價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用的可翻越障礙物的輪椅是康復(fù)工程工作者面臨的一項(xiàng)比較緊迫的任務(wù)?，F(xiàn)代由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜的地形卻顯得無(wú)能為力。解決這一問題的最好方法就是改進(jìn)殘疾人使用的行走設(shè)備，也就是說(shuō)通過改進(jìn)殘疾人輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)日常生活中所碰到大多數(shù)的地形。
本次設(shè)計(jì)的題目高通過性輪椅設(shè)計(jì)，其主要原理在于四個(gè)輪子在正常運(yùn)動(dòng)中四輪驅(qū)動(dòng)行走；而在遇到障礙的時(shí)候可以像腿一樣的行走，以通過障礙物；而在車身則采用滑軌式自動(dòng)調(diào)平結(jié)構(gòu)。
1．2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)爬樓梯裝置的研究開始得相對(duì)較早，最早的專利是1892年美國(guó)的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛開始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。我國(guó)對(duì)此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來(lái)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。
日本千葉工業(yè)大學(xué)開發(fā)出了一款全新的輪椅，這個(gè)輪椅的獨(dú)特之處就是能夠輕易地在不公正的地面上使用。這款輪椅配有一排感應(yīng)器來(lái)探測(cè)障礙和地面變化，并能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。借助于四輪驅(qū)動(dòng)和五軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該款智能機(jī)器人輪椅能夠完成多種難度動(dòng)作。
平常，它像普通的輪椅一樣通過滾動(dòng)前行，但是如果碰到臺(tái)階或者溝道的話，它的輪子就可以變得像腿一樣通過障礙。使用者需要做的僅僅是通過操縱桿告訴它往什么方向移動(dòng)，這個(gè)智能機(jī)器人輪椅會(huì)自動(dòng)評(píng)估周圍的地形然后做出正確動(dòng)作。當(dāng)然如果路面不平的話，它會(huì)自動(dòng)控制座椅確保它保持水平。
2 方案選擇
2．1 常見方案
2.1.1 輪組式
輪組式的特點(diǎn)是每個(gè)輪組依照星形輪的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)：平地行駛時(shí)，各小輪繞各自軸線自轉(zhuǎn)；爬樓梯時(shí)，各小輪一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。
摘 要
輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，但障礙物卻使輪椅受到很大限制?，F(xiàn)代由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜的地形卻顯得無(wú)能為力。高通過性輪椅設(shè)計(jì)是采用輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，正常行駛時(shí)輪式工作，采用四輪驅(qū)動(dòng)；遇到障礙時(shí)腿式工作，從而適應(yīng)大多數(shù)地形；車身則采用自動(dòng)導(dǎo)軌式調(diào)平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。本次設(shè)計(jì)的主要工作包括：確定輪椅的工作方式以及工作結(jié)構(gòu)形式、主體尺寸，并確定各主要零、部件的結(jié)構(gòu)尺寸及其選型。
關(guān)鍵詞：輪椅 高通過性 輪腿式機(jī)器人
Abstract
Wheelchairs are frail elderly and the disabled limb indispensable means of transport, but the obstacles while filling the wheelchair is very restricted. As with a traditional modern wheeled structure, can only walk on flat ground, facing steps, stairs, but this is more complex terrain powerless. High-pass design is the use of a wheelchair wheel legged robot structure, normal driving wheel work, the use of four-wheel drive; encounter obstacles leg work to accommodate most of the terrain; body is leveling automatic slide-type structure, the structure is simple, easy to adjust. The design of the main tasks include: determining wheelchair work and the working structure, body size, and identify the major components and parts of the structure size and selection.
Keywords: wheelchair high adoption round legged robot
目 錄
1 緒論 1
1．1 研究目的 1
1．2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
2 方案選擇 2
2．1 常見方案 2
2.1.1 輪組式 2
2.1.2 履帶式 2
2.1.3 腿式 3
2.1.4復(fù)合式 3
2．2 方案分析 4
2.2.1 目前研究中所存在的問題 4
2.2.2 方案選擇 4
2.3 具體方案 5
2.3.1 總體方案 5
2.3.2 結(jié)構(gòu)分析 5
2.3.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 6
2.3.4 越障功能 6
2.3.5 移動(dòng)方式 8
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì) 9
3.2 電機(jī)選擇 9
3.2.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式 9
3.2.2 行走機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇計(jì)算 12
3.2.3 行走機(jī)構(gòu)電機(jī)功率的計(jì)算 12
3.3 驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12
3.3.1 總體結(jié)構(gòu) 12
3.3.2 驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.3.3套筒(輪軸)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.4 軸設(shè)計(jì)與校核 14
3.4.1 總體設(shè)計(jì) 14
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.4.3 軸的校核 14
3.5 V帶設(shè)計(jì) 15
3.5.1確定計(jì)算功率 15
3.5.2 選擇V帶類型 15
3.5.3確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速 15
3.5.4驗(yàn)算帶速 15
3.5.5確定V帶的中心距和基準(zhǔn)長(zhǎng)度 15
3.5.6驗(yàn)算小帶輪上的包角 16
3.5.7 計(jì)算帶的根數(shù) 16
3.5.8 計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值 16
3.5.9 計(jì)算壓軸力 17
3.5.10 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.6 車輪半徑尺寸研究 17
結(jié) 論 19
參考文獻(xiàn) 20
致 謝 21
1 緒論
1．1 研究目的
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(wú)障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍逐步加大。但障礙物卻使輪椅受到很大限制，因此研發(fā)價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用的可翻越障礙物的輪椅是康復(fù)工程工作者面臨的一項(xiàng)比較緊迫的任務(wù)。現(xiàn)代由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜的地形卻顯得無(wú)能為力。解決這一問題的最好方法就是改進(jìn)殘疾人使用的行走設(shè)備，也就是說(shuō)通過改進(jìn)殘疾人輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)日常生活中所碰到大多數(shù)的地形。
本次設(shè)計(jì)的題目高通過性輪椅設(shè)計(jì)，其主要原理在于四個(gè)輪子在正常運(yùn)動(dòng)中四輪驅(qū)動(dòng)行走；而在遇到障礙的時(shí)候可以像腿一樣的行走，以通過障礙物；而在車身則采用滑軌式自動(dòng)調(diào)平結(jié)構(gòu)。
1．2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)爬樓梯裝置的研究開始得相對(duì)較早，最早的專利是1892年美國(guó)的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛開始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。我國(guó)對(duì)此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來(lái)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。
日本千葉工業(yè)大學(xué)開發(fā)出了一款全新的輪椅，這個(gè)輪椅的獨(dú)特之處就是能夠輕易地在不公正的地面上使用。這款輪椅配有一排感應(yīng)器來(lái)探測(cè)障礙和地面變化，并能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。借助于四輪驅(qū)動(dòng)和五軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該款智能機(jī)器人輪椅能夠完成多種難度動(dòng)作。
平常，它像普通的輪椅一樣通過滾動(dòng)前行，但是如果碰到臺(tái)階或者溝道的話，它的輪子就可以變得像腿一樣通過障礙。使用者需要做的僅僅是通過操縱桿告訴它往什么方向移動(dòng)，這個(gè)智能機(jī)器人輪椅會(huì)自動(dòng)評(píng)估周圍的地形然后做出正確動(dòng)作。當(dāng)然如果路面不平的話，它會(huì)自動(dòng)控制座椅確保它保持水平。
2 方案選擇
2．1 常見方案
2.1.1 輪組式
輪組式的特點(diǎn)是每個(gè)輪組依照星形輪的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)：平地行駛時(shí)，各小輪繞各自軸線自轉(zhuǎn)；爬樓梯時(shí)，各小輪一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。
內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)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(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。
圖2-1雙聯(lián)星形爬樓梯輪椅圖 圖2-2雙聯(lián)星形爬樓梯輪椅改進(jìn)圖
2.1.2 履帶式
履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，技術(shù)較成熟，操作簡(jiǎn)單，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，對(duì)樓梯的形狀、尺寸適應(yīng)性強(qiáng)。英國(guó)Baronmead 公司開發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車，底部是履帶式的傳動(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15-20個(gè)臺(tái)階。法國(guó)Topchalr 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(wú)需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能。
圖2-3 履式機(jī)器人
2.1.3 腿式
早期的爬樓梯裝置一般都采用步行式，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)先將負(fù)重抬高，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，外觀可視為足式輪椅，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。
2.1.4復(fù)合式
現(xiàn)今，爬樓裝置一個(gè)研究創(chuàng)新點(diǎn)是將上述的輪組、腿式、履帶機(jī)構(gòu)相互結(jié)合，吸取各自的優(yōu)點(diǎn)。比較廣泛的組合思路有以下兩種：一是輪履、腿履復(fù)合。比如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系研制的一種小型全自主多種移動(dòng)方式相融合的復(fù)合式越障輪椅。二是采用了輪一履復(fù)合 如圖1-6所示和輪－腿一履帶復(fù)合 如圖1-7所示等結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來(lái)完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來(lái)達(dá)到功能的完整。
圖2-4輪一履復(fù)合圖 圖2-5輪－腿一履復(fù)合圖
2．2 方案分析
2.2.1 目前研究中所存在的問題
履帶式的缺點(diǎn)就是對(duì)路面施加的強(qiáng)壓力，不可避免的對(duì)障礙沿有一定的損壞，不適合大絕大多數(shù)室內(nèi)障礙。自重較大，平地行走時(shí)阻力較大，相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)，履帶式轉(zhuǎn)彎需要更大的動(dòng)力，使用過程中噪聲很大。這些都限制了它在日常生活中的推廣，被接受程度低。
腿式爬樓裝置有最好的地形適應(yīng)力，但承載重量較小，具有較大危險(xiǎn)性，且重心偏高。運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn)，顛簸感輕微，但同時(shí)運(yùn)行速度較緩。此外，該類型裝置對(duì)控制的要求較高，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。
復(fù)合式爬樓裝置各種機(jī)構(gòu)的復(fù)合也給控制方面提出了更高的要求，而且爬樓過程中的穩(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等問題仍然存在。
2.2.2 方案選擇
本次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想必須滿足以下幾個(gè)性能：平地、越障兩用；平地行駛效率高，操作方便簡(jiǎn)單；越障時(shí)重心波動(dòng)緩和，穩(wěn)定性好；不平坦地形下對(duì)系統(tǒng)的重心作適時(shí)調(diào)節(jié)，避免車體傾斜給使用者帶來(lái)恐懼；輪椅結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。
為了滿足上述要求，考慮到復(fù)合式具有良好的越障能力，所以本次設(shè)計(jì)采用輪腿式復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)，正常行駛時(shí)輪式工作，采用四輪驅(qū)動(dòng)；遇到障礙時(shí)腿式工作，從而適應(yīng)大多數(shù)地形；車身則采用自動(dòng)導(dǎo)軌式調(diào)平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。
該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：
第一，平順的行駛能力。輪椅小車在平地行駛時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，四輪都有單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用輪軸系統(tǒng)傳遞動(dòng)力，使小車輪快速的前進(jìn)，其效率與普通輪式驅(qū)動(dòng)車輛相同。當(dāng)遇到可跨越的障礙時(shí)，四輪演變成腿式機(jī)器人形星翻越障礙物前進(jìn)。
第二，可靠的越障能力。輪椅小車翻越障礙時(shí)，小車輪四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止，抬腿電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抬腿以通過障礙，轉(zhuǎn)向時(shí)通過單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，輪子不轉(zhuǎn)動(dòng)。這使得在翻越障礙過程中，小車輪不會(huì)發(fā)生滾動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)方位的控制得到精確的保證。這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)小車越障控制尤其重要。
第三，對(duì)控制方式容易實(shí)現(xiàn)。任意時(shí)刻輪椅四輪同步驅(qū)動(dòng)行走，轉(zhuǎn)向和抬腿都由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣就能準(zhǔn)確控制移動(dòng)輪椅的行走狀態(tài)。
第四，由電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)輪椅的正常前進(jìn)、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、抬腿前進(jìn)三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)單元。
2.3 具體方案
2.3.1 總體方案
本設(shè)計(jì)方案中的輪腿式機(jī)器人它是具有足夠的流動(dòng)性簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)為目標(biāo)的環(huán)境中，其作用機(jī)理是不同的從那些其他的移動(dòng)機(jī)器人。四個(gè)車輪被安裝在每一個(gè)腿尖，和腿機(jī)構(gòu)是很簡(jiǎn)單的。在此輪椅系統(tǒng)有四個(gè)活動(dòng)輪，只有五個(gè)活動(dòng)
軸，而機(jī)器人可以直接移動(dòng)通過一部分的水平的地形。當(dāng)遇到障礙物的時(shí)候它
可以像一個(gè)機(jī)器人移動(dòng)也走在臺(tái)階上像腿式機(jī)器人，盡管組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
2.3.2 結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求有一下三個(gè)前提：輪腿機(jī)器人作為機(jī)器人的基本討論
越障地形合適的機(jī)制，因?yàn)檫@兩個(gè)車輪和腿是必要的崎嶇地形的機(jī)器人，這類
機(jī)器人，同時(shí)具有高速和高非結(jié)構(gòu)化地形的適應(yīng)性；提出了機(jī)器人在地面上有四個(gè)接觸點(diǎn)。四是最小數(shù)目，以維持其穩(wěn)定性當(dāng)它提出了一條腿支撐它的身體其他
三條腿；連接到每個(gè)車輪的前端的一條腿，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，沒有足夠的空間可設(shè)置的腿和車輪單獨(dú)的機(jī)器人身體上。
2.3.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
對(duì)于機(jī)器人輪椅來(lái)說(shuō)方向控制機(jī)器人是必要的，在正常行駛的過程中，以及在越過障礙的時(shí)候，都是需要準(zhǔn)確控制的。對(duì)于這一點(diǎn)，阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)或機(jī)制圖1中示出的是用于轉(zhuǎn)向。
圖2-6轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
2.3.4 越障功能
一般功能腿機(jī)制有利于示于下表。當(dāng)所有的腿不具備多個(gè)自由度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向功能，在下表（圖2）。假設(shè)只有運(yùn)動(dòng)1和2的是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴灰欢ㄐ枰δ?腿尖位置進(jìn)行調(diào)整車輪。其結(jié)果是，使腿機(jī)制可以變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。為了實(shí)現(xiàn)功能2，它至少是必要的腿頂端能夠移動(dòng)垂直及橫向，如圖3中所示。
圖2-7：身體位置調(diào)整，而不離開 圖2-8：腿型機(jī)器人可以選擇
支持任意位置。
支承點(diǎn)的位移優(yōu)選的是，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)功能的一個(gè)的自由度，以避免了復(fù)雜的機(jī)制。因此，軸由在軋制控制方向，這兩個(gè)函數(shù)（ⅱ）和（4）來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為如圖4所示。此外，（ⅲ）及（v），實(shí)現(xiàn)了由其他可驅(qū)動(dòng)的軸設(shè)置，如圖4所示。這機(jī)制下稱腿像車軸。為了四條腿（圖5）實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人配備與上面的前部和后部的腿狀軸。
圖2-9 腿像車軸機(jī)制 圖2-10 在兩個(gè)腿像軸前部和后部， 撤消修改
所以每腿可以提高其輪。
圖2-11 身體有可能下降，如果所有的車輪不能被驅(qū)動(dòng)。
驅(qū)動(dòng)和控制每個(gè)車輪獨(dú)立地是由于以下原因：當(dāng)輪椅車體掉落在斜坡上移動(dòng)時(shí)，在粗糙地形有一種可能性，如圖6中所示，如果所有的車輪還沒有激活的車輪；左車輪的右輪的速度是不同的，即使在粗糙地形上直線移動(dòng)，最后，附著在車體上的調(diào)整軸。
該設(shè)計(jì)輪椅的四個(gè)車輪和四條腿的功能，并具有一個(gè)可控制的片的一部分，因此，它可以移動(dòng)崎嶇地形上的人或騎在它的水平的東西。另一方面，有四個(gè)主動(dòng)車輪和其他五個(gè)主動(dòng)軸。輪腿式機(jī)器人具有最小的自由度，除其他機(jī)器人具有相同的遷移率式樣。所以，這是一個(gè)新型崎嶇地形的機(jī)器人。
21
2.3.5 移動(dòng)方式
在下圖中給出了輪腿式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，以及越障過程，按照順序給出了輪椅越過障礙，向前移動(dòng)的過程圖。
圖2-12 運(yùn)動(dòng)方式圖
崎嶇的地形上移動(dòng)戰(zhàn)略腿部模式每個(gè)前輪的步驟超過了一個(gè)洞。之后，每個(gè)以同樣的方式在孔后輪步驟。
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)
主要尺寸
長(zhǎng)度：1200mm，寬度：820mm，高度：350mm
撤消修改
重量
120kg
輪圈尺寸
半徑：100mm，寬度：30mm
電機(jī) （直流電機(jī)）
23 W
40 W
電池
36 V
圖3-1參數(shù)數(shù)據(jù)
3.2 電機(jī)選擇
3.2.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式
因?yàn)槲覀兊妮喴涡枰軌蚺罉窃秸希詫?duì)電機(jī)的要求就比較高。所以我們選擇電動(dòng)單輪車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)輪椅的電機(jī)。永磁直流無(wú)刷電機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī), 除了有普通直流電機(jī)調(diào)試性能好、調(diào)速范圍寬和調(diào)速方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)外, 還有功率因素高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn), 特別是由于它不存在機(jī)械換相器與電刷, 大大的減少了換相火花, 機(jī)械磨損和機(jī)械噪聲, 使得它在中小功率范圍內(nèi)得到了更加廣泛的應(yīng)用, 是電機(jī)的主要發(fā)展方向之一。
對(duì)于永磁直流無(wú)刷電機(jī)的控制方式, 可以分為兩大類有位置傳感器控制方式和無(wú)位置傳感器控制方式。典型的有位置傳感器控制方式是使用霍爾傳感器控制方式。無(wú)位置傳感器控制方式是目前比較廣泛使用且較為新穎的一類控制方式, 包含有反電動(dòng)勢(shì)控制方法、磁鏈計(jì)算法、狀態(tài)觀測(cè)器法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。反電動(dòng)勢(shì)控制方法中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和電機(jī)在外電路過流時(shí)的保護(hù)極為重要, 對(duì)軟件發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)負(fù)載的保護(hù)也提出了較高的要求[6]。目前我國(guó)電動(dòng)車所使用的電機(jī)一般為直流電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的直流電機(jī)是有刷直流電機(jī)，但由于電刷的存在，帶來(lái)了因機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的噪聲、火花、電磁干擾等缺點(diǎn)，再加上電機(jī)的制造成本高、維修困難、使用壽命短等，其使用范圍受到很大影響。
目前在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中常用的位置傳感器種類主要有如下幾種：
第一，電磁式位置傳感器。電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)電路等多種類型，在BLDCM 中用的較多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時(shí)，其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波方可使用。
第二，磁敏式位置傳感器。磁敏式傳感器是利用某些半導(dǎo)體敏感元件的電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場(chǎng)變化而變化的原理制成。其基本原理是霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目前，常見的磁敏式傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻和磁敏二極管等組成。一般來(lái)說(shuō)，這種器件對(duì)環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，成本低廉。
第三，光電式位置傳感器。光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)，由跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光部分和固定不動(dòng)的光源等部件組成。有絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器之分，增量式編碼器精度很高，多用于精密控制中，價(jià)格昂貴，且需要附加初始位置定位裝置；絕對(duì)式編碼器價(jià)格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于一定的速度控制中?？傊怆娛轿恢脗鞲衅餍阅鼙容^穩(wěn)定，體積小、重量輕，但對(duì)環(huán)境要求較高。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電，與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。BLDCM 由于采用自控式逆變器，電機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是BLDCM 的重要優(yōu)點(diǎn)之一。
本次我們選用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)型號(hào)是24V，600W的電動(dòng)機(jī)，蓄電池采用的就是24V能充電的干蓄電池。直流無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。在控制無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)中，基本框架如圖1.6所示。
圖3-2 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖
電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)電源種類為直流，根據(jù)工作條件以及工作方式，確定電機(jī)為直流ZYT系列直流永磁馬達(dá)。一、ZYT系列直流馬達(dá)概述ZYT系列永磁直流馬達(dá)采用鐵磁體永久磁鐵激磁，系封閉自冷式。作為小功率直流馬達(dá)，可在各種裝置中用作驅(qū)動(dòng)元件。二、使用條件海拔不超過4000m;環(huán)境溫度：-25oC~40oC；相對(duì)濕度：小于等于95%（±25oC） 允許溫升：不超過75K（海拔為1000m時(shí)）三、型號(hào)說(shuō)明 如：90 ZYT 08/H1 90 表示：機(jī)座號(hào)用55、70、90、110表示其相應(yīng)機(jī)座外徑為55…110mm。 ZYT表示：永磁式直流電動(dòng)機(jī) 08 表示：鐵芯長(zhǎng)代號(hào)0-49表示短鐵芯產(chǎn)品，51-99表示長(zhǎng)鐵芯產(chǎn)品， 101-149示特長(zhǎng)鐵芯產(chǎn)品。 H1表示：派生結(jié)構(gòu)，其代號(hào)用H1、H2、H3……每個(gè)機(jī)座號(hào)按用戶提出 要求順序排列功率在：30W~1.2KW 匹配直流調(diào)速器可無(wú)級(jí)調(diào)速。四、技術(shù)參數(shù)：功率：20W~1200W；電壓：24V、36V 、48V 、90V、110V、180V、220V ；扭矩：0.050mN.m~3822mN.m；轉(zhuǎn)速：1500r/min 3000r/min 6000r/min(55、70)；安裝方式：A1 底腳安裝 A3 法蘭安裝(6)機(jī)座外徑為(mm)：55、70、90、110、130五、安裝形式
安裝機(jī)構(gòu)型式
安裝結(jié)構(gòu)型式代號(hào)
機(jī)座號(hào)
單軸伸
雙軸伸
機(jī)殼外圓安裝
A5
AA5
55-110
端蓋凸緣安裝
A3
AA3
55-110
底腳安裝
A1
AA1
55-110
圖3-3 安裝機(jī)構(gòu)
3.2.2 行走機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇計(jì)算
高通過性輪椅最大質(zhì)量為M=160Kg。選取輪與地面的摩擦系數(shù)f為O．25，機(jī)器人由四輪驅(qū)動(dòng)，故每個(gè)輪承擔(dān)的最大重量為m=40kg，根據(jù)摩擦力計(jì)算公式F=fmg=0.25*40*10=100N。力矩公式T=FR，代人得所需電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T=100*100=10000N·mm。
3.2.3 行走機(jī)構(gòu)電機(jī)功率的計(jì)算
根據(jù)公式Pw=Fv/1000=100*1.4=140W,因此得到所需的電動(dòng)機(jī)功率為140W。
所以選擇四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)為150W，選用無(wú)極調(diào)速。
3.3 驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.3.1 總體結(jié)構(gòu)
電機(jī)與車體之間的連接是通過螺栓、L型鋁材和開槽圓柱頭螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。聯(lián)接驅(qū)動(dòng)輪的套筒材料選用強(qiáng)度和剛度較好的45鋼。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞過程是：電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與之連接的套簡(jiǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)．從而使驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，于是實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)。套筒與驅(qū)動(dòng)輪問采用較緊的過盈配合，套筒與電機(jī)軸配合采用較小的過盈配合。
3.3.2 驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖5所示，驅(qū)動(dòng)輪外因材料為橡膠。輪觳材料為尼龍66。為減輕輪子重量，在輪上有六個(gè)均勻分布的減重孔。驅(qū)動(dòng)輪的軸孔是根據(jù)電機(jī)的軸徑而定的。
圖3-4驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖3-5套筒(輪軸)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.3.3套筒(輪軸)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(1)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖所示。該軸在T作中承受扭矩和不大的彎矩．故為傳動(dòng)軸。由于要與電機(jī)軸相連，故做成空心軸(套簡(jiǎn))。由于外聯(lián)驅(qū)動(dòng)輪，故做成光軸。套筒與電機(jī)軸用M3的標(biāo)準(zhǔn)圓柱銷聯(lián)接．套筒上開一3mm銷孔。套筒的長(zhǎng)度主要取決于后輪的寬度及電機(jī)軸的長(zhǎng)度，計(jì)算為32mm。套筒上銷孔與筒端的距離取為6mm。
(2)強(qiáng)度校核。行走機(jī)構(gòu)屬于重要的部件。套簡(jiǎn)要承受一定的載荷，故選用45號(hào)鋼。該軸主要承受扭矩及不大的彎矩，故按扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度。
圖3-6 電機(jī)固定板結(jié)構(gòu)圖 圖3-7 固定板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
(3)電機(jī)固定板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖7所示。我們將驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)固定板加．I：成L形。電機(jī)同定板材料選用LYl2，尺寸據(jù)電機(jī)的尺寸而定。電機(jī)與同定板的聯(lián)接使用3個(gè)M3的標(biāo)準(zhǔn)螺釘。同定板與底盤的聯(lián)接使用3個(gè)M6的六角頭螺栓，分布如左圖。
3.4 軸設(shè)計(jì)與校核
3.4.1 總體設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅中共有兩根軸，材料均為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，45號(hào)鋼的，其屈服極限為，對(duì)塑性材料有：彎曲，扭轉(zhuǎn)，擠壓，剪切。因45號(hào)鋼許用拉應(yīng)力為，n為安全系數(shù)，對(duì)塑性材料通常取，故，。
其設(shè)計(jì)如下：
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：
則有：，取，則，取與輪配合的軸徑為。
3.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)軸的直徑選擇相應(yīng)的鍵，從而確定鍵槽尺寸,此軸中間一段只要一般的粗糙度即可，而兩端與軸承配合的軸要保證相當(dāng)?shù)木?，其余的保證普通精度即可。
3.4.3 軸的校核
此軸主要受扭矩作用，所以只要對(duì)軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)應(yīng)力強(qiáng)度校核即可，查閱參考文獻(xiàn)可知校核公式為：。
軸的兩端為危險(xiǎn)截面，應(yīng)對(duì)它進(jìn)行扭應(yīng)力強(qiáng)度較核：
式中：；
。
代入數(shù)據(jù)可得：。
由此可知強(qiáng)度符合要求，設(shè)計(jì)合理。
3.5 V帶設(shè)計(jì)
3.5.1確定計(jì)算功率
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-7查得工作情況系數(shù)，故
3.5.2 選擇V帶類型
根據(jù)，=970r/min，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-11可知，選用B型帶
3.5.3確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速
初選小帶輪基準(zhǔn)直徑,查表8-6
=60mm
大帶輪直徑/=，得出=60mm
3.5.4驗(yàn)算帶速
因?yàn)?，故帶速合適。
3.5.5確定V帶的中心距和基準(zhǔn)長(zhǎng)度
(1)由式 得
，取
(2)計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-2選取V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度
(3)計(jì)算實(shí)際中心距
3.5.6驗(yàn)算小帶輪上的包角
3.5.7 計(jì)算帶的根數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-5得
（0.95-0.93）（156.83-155）/(160-155)+0.93=0.94
查表8-2得
查表8-4a,8-4b得
（3.17-2.66）（970-950）/(1200-950)+2.66=0.580KW
取3根V帶。
3.5.8 計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-3得A型帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量，所以
應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力。
3.5.9 計(jì)算壓軸力
壓軸力的最小值為
=156.83°
3.5.10 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
因?yàn)閹л喼睆捷^小故采用實(shí)心式，取帶輪寬為30mm。
3.6 車輪半徑尺寸研究
圖3-8車輪半徑
尺寸的車輪半徑R是凸在單輪模式如圖2，腿的運(yùn)動(dòng)模式在2步中，當(dāng)移動(dòng)時(shí)所示，后面的步驟獲得關(guān)注。開始時(shí)，我覺得最低值。車輪半徑小移動(dòng)在腿部模式輪心理的優(yōu)點(diǎn)是在接觸工序在該過程中，它能夠降低擺動(dòng)的步伐。級(jí)擺動(dòng)8，R1（圖步幅車輪半徑或以騎差異，和R2）是必需的。所需的步幅在車輪半徑的差異但我示于左圖的變化如何。步幅實(shí)現(xiàn)由移動(dòng)轉(zhuǎn)向軸調(diào)整，但文學(xué)硬脂酸更多所需的操作量的運(yùn)作調(diào)整軸的靜態(tài)穩(wěn)定性影響的腳的模式，如盡可能小然而，凹凸輪模式到一個(gè)較小的車輪半徑地面移動(dòng)性降低。我這里的凸塊我覺得從車輪扭矩眼睛所需的最小尺寸的車輪。輪椅是凸的，和前輪車輪模式移動(dòng)至下圖中的第一塊接觸時(shí)，輪的狀態(tài)。在這個(gè)時(shí)候，四輪驅(qū)動(dòng)的輪驅(qū)動(dòng)力的后輪和前輪的驅(qū)動(dòng)力Ffront frear，因?yàn)樗且粋€(gè)動(dòng)態(tài)我可以利用。但是，在另一方面，前，后，顯示在圖中條在某些情況下，兩個(gè)輪子是在同一時(shí)間在與凸塊接觸。在這種情況下，例如登高凸塊只驅(qū)動(dòng)力各車輪應(yīng)。因此，這是在與凸塊接觸確定的最低值的R比一個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力。接觸的凸塊圖10是前輪的驅(qū)動(dòng)扭矩我告訴你是怎么。在這里，前車輪轉(zhuǎn)矩發(fā)生力施加重量GτF幾個(gè)階段，到前輪，從步驟接點(diǎn)G N的角度θW的，和N，Hbump高度凸塊，汽車我和車輪半徑為R由它自己的前輪的前輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩我把電源Ffront切線。一個(gè)3 Ffront，N，和G下列等式成立的權(quán)力平衡。
Ffront = GsinθW
N= GCOSθW
此外，下式成立時(shí)前輪最多的凸塊。
Ffront =μN(yùn)
μ為靜摩擦系數(shù)，是小于的最大靜摩擦系數(shù)μmax。臺(tái)階高度是確定上述μ當(dāng)你強(qiáng)迫的輸出范圍內(nèi)Ffront。如混凝土或?yàn)r青和汽車輪胎的一般道路表面的靜摩擦系數(shù)μ的這是說(shuō)，0.6至約0.8。
a 有障礙的路上 b
圖3-9車輪靜模型
在Ffront=0.6N下，θW= 31，當(dāng)公式μ= 0.6新局面。此時(shí)，關(guān)系R和Hbump之間的它可表示為。換句話說(shuō)，沒有另一車輪模式的車輪的驅(qū)動(dòng)力，使每個(gè)車輪爬升Hbump將大約七分之一的R。上式中的R或更多，這是必要的，如果你想移動(dòng)至圖的情況下，即使在凸塊Hbump。如果一個(gè)單一的，Hbump你正在努力去表達(dá)當(dāng)然使用其他的車輪的驅(qū)動(dòng)力，如圖這是可能的爬上凸部（4個(gè)）以上。有關(guān)以上車輪的尺寸的結(jié)論
7Hbump
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