履带-轮式爬楼梯电动轮椅设计【带图纸】

履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 摘 要 随着社会的发展和人类文明程度的进步，老年人与残障人员愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量，而爬楼梯对于老年人和残疾人行动不方便的，非常困难，所以要增加轮椅自动化程度，于是我们在原轮椅的基础上进行改进和加装爬楼机构，本文设计的电动轮椅具有爬楼功能，爬楼时用履带驱动，平地时可像普通轮椅用轮驱动也可轮椅稍后仰用履带驱动。此车在轮椅的基础上安装履带装置、升降机构、电机、以及控制电路、控制设备，以降低劳动强度、提高效率，减少他们的困难、提高生活质量、满足市场需求为目的。爬楼梯车具有适应性强、机动灵活、活动范围大等特点，在我国国民经济的发展中，爬楼梯电动轮椅的需求量逐年增加，市场发展潜力巨大，爬楼梯电动轮椅行业具有广阔的发展机遇和良好的投产前景。 关键词：爬楼梯，电动，轮椅，履带轮式 I 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 Abstract With 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 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-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-Wheel 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 目 录 第一章 综述.1 1.1 爬楼梯轮椅的意义 . 1 国内外爬楼梯轮椅的发展状况 . 2 国外爬楼梯轮椅的发展状况 . 2 国内爬楼梯轮椅的发展状况 . 4 本项目的设计目的与主要研究内容 . 5 课程设计目的 . 5 课题研究内容 . 6 设计进程安排 . 6 第二章 履带爬楼装置机械系统结构设计 .8 爬楼机构的比较 . 8 设计思路 . 9 履带轮式轮椅爬楼原理 . 10 履带爬楼过程分析 . 11 爬楼性能参数 . 13 履带爬楼机构的结构设计 . 13 2.7 升降机构的设计 . 16 2.8 本章小结 . 18 第三章 电气系统设计 . 19 3.1 履带爬楼梯装置执行电机选择 . 19 3.2 电池选择 . 20 3.3 电动车电机转速控制 . 21 3.3.1 驱动方式对电动车性能影响 . 21 3.3.2 现有电动车电机存在主要问题及探索 . 21 3.4 直流电机机械特性 . 22 3.5 控制系统的设计 . 23 3.6 本章小结 . 28 第四章 典型零部件设计及校核计算 . 29 4.1 传动系统动力参数计算 . 29 4.2 轴的计算 . 30 III 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 第五章 技术经济分析报告 . 39 5.1 履带轮式轮椅技术分析 . 39 5.2 履带轮式轮椅经济分析 . 39 5.3 履带轮式轮椅结论和展望 . 40 参考文献 . 41致 谢 . 42 IV 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 第一章 综 述 1.1 爬楼梯轮椅的意义 1轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任务。楼梯的出现是人类建筑史上的一个重要的成就，它不仅缩小了房屋的建筑面积、充分利用了有限的生存空间，而且为进出高层建筑物提供了方便的通道。尤其是在人口数量日益增长、经济飞速发展的现代化社会中，为了提高人均住房面积，改善人们的生活质量，高楼别墅不断涌现。然而，在发挥优势的同时，楼梯对老年人、肢体残障人士的出行带来了很多不便，对他们的行动造成了障碍，影响了他们与外界的沟通和交流。这个问题随着老年人和残疾人数量的增多显得日益突出。老年人和残疾人比例的显着增加给经济、社会的发展都带来了很大的影响，医疗、护理、社会服务等各方面需求的压力也越来越大。为关心老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，减轻医疗护理事业的压力，各式各样的助老、助残运动装置也应运而生。 日本的身体残疾者中，肢体残疾者占60%，而且有近半数是下肢残疾者。造 成下肢残疾的原因，过去多是战争和工伤，近年来则越来越多的是交通事故和运动、娱乐中的事故，尤其是年青人。另一方面，老年人中随着年龄的增加，因体力下降和脑血管病变造成残疾的情况也越来越多。下肢最重要的功能是行走。一旦不能行走，不用说到室外，就是在室内移动也很困难，其生活空间大受限制。老年人若周围没有适当的人照顾，容易变成卧床不起的状况。若是轻度残疾，使用手杖等简单的辅助工具，就可以在与健康人相同的范围内移动。但以自身之力不能步行时，就必须用轮椅作为移动工具。使用轮椅时，靠自身之力就可以移动到想去之处，所以其使用价值非常高。但对于使用轮椅者，还有一些问题。普通轮椅不具备攀登楼梯和跨越路障的功能，从而限制了以轮椅代步的下肢截瘫者及年老体弱者的活动范围，影响其走向生活和回归社会的深度和广度。为此，人们从以下方面解决这一问题:房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，在公共场所设置轮椅上、下楼梯的固定搬运装置、便携式轮椅搬运小车、爬楼梯轮椅，这种轮椅可在平地上行驶，且具备爬楼梯的功能。可设计成手动型或电机驱动型。由于它们具有机动灵活、适用性广等优点，吸引了众多学者从事该项研究。本文就1 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 是为了能解决以上所遇到的问题而专门设计的一种爬楼轮椅。目前,国外已有许多种爬楼梯轮椅的发明专利问世。然而,它们多数结构复杂,价格昂贵,不完全适合于发展中国家使用者的经济承受能力。为此,我们设计了一种实现爬楼梯功能的爬楼梯轮椅。与已有的其它专利相比,其结构更为简单、制造成本也更为低廉,而且,它可以很容易地从爬楼梯状态转换到平地行走状态。所以,它对于轮椅使用者是非常适合的,特别对于发展中国家的使用者更是如此 。随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们别是身体有各种残障的社会成员愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量，拓展生活自由度。另一方面，因为各种交通事故，天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走，动手能力等）。因此，用于帮助残疾人行走的智能移动轮椅的研究越来越热烈。此方面的研究对我国这样一个人口结构即将进入老龄化的国家更是具有非常重要的社会和现实意义。 1.2 国内外爬楼梯轮椅的发展状况 1.2.1 国外爬楼梯轮椅的发展状况 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。如图 1.1(a)所示是英国 Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底 图 1.1 国外爬楼梯轮椅 部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为 35 度，上下楼梯速度为每分钟15 一 20 个台阶。图 1.1(b)是法国 Topchair 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基础上，研究了一种双履带式的爬楼梯装置，如图 1 .1(c)，即左右两侧各有两组履带相互连接在一起，解决了在水平状态与楼梯倾角切换时，座椅倾角过大而影响2 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 使用安全的问题。图中履带式爬楼梯装置履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。 早期的爬楼梯轮椅一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将轮椅抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。 图 1.2 步行式爬楼梯装置 日 本早稻田 大学理工 学术院高 西淳夫教 授的研究室 以及日本 机器人开 发风险企 业 Tmsuk 联合开发的双足行走机器人“WL-16RIII”，如图 1.2(a)所示，它由两条机械腿支撑一个座椅构成，每条机械腿有 6 个自由度，可向前、后、侧面移动，座椅底部装有陀螺仪，每条腿上装有压力传感器，通过传感器采集信息，控制其实时调整姿态保持重心平稳。WL 一 16RIII 两腿前后伸展距离最长为 米，左右最长 米，每条腿上下运动幅度最大 米。日本长崎大学机械工程系研究了一种高阶爬楼梯装置如图 1 .2(b)，它由一系列液压操作杆和前后两组星型轮构成，集步行式与轮组式设计理念于一体。装置通过星型轮的翻转上下楼梯，座椅底部的传感器检测装置的平衡情况，控制操作杆自动调节使装置在爬楼过程中始终位于稳定裕度内。在平地使用时，操作杆可以折叠于座椅底部，节省了使用空间。它的最大优点是爬楼幅度较高，甚至能自行上下货车。 步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制 的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢:此外，座椅距3 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 地面的高度较大，易给使用者造成心理恐惧，距离实际应用还有很大的距离。 国外比较具有代表意义的是德国 Alber 公司开发的 scalamohile 爬楼梯辅助装置，如图 1.3(a)所示。它是独立于轮椅的一种辅助装置，左右两侧各有两组爬楼梯轮。它可以方便地和轮椅结合，依靠这两组轮子的轮流翻转上下楼梯。同时，每个轮子上都设有自动刹车装置，防止在楼梯边缘打滑。这种装置体积小、重量轻，便于存放和携带，几乎适用于所有楼梯。Scalamobile 的不足 之处是必须在旁人辅助下使用。 除了在轮椅上安装辅助设备外，还出现了一批承载轮椅上下的平台装置，这些 装 置 大 多 基 于 楼 梯 轨 道 运 行 ， 原 理 简 单 ， 易 于 实 现 。 图 l.3(b) 是 加 拿 大 GaraventaLift 公司生产的轨道式爬楼梯装置“GSLArtira”，它需要在楼梯上安装轨道，将轮椅直接置于平台装置上沿轨道实现上下楼的运动。这类装置在欧美国 1(a) (b) 图 1.3 家比较具有使用潜力，因为欧美以独立别墅居多，以独门独户为单位，使这种平台装置与住房的结合易于实现;而国内城市以多层公 寓式楼房居多，统 一铺设轨道需要很大的代价，不切实际。此外，户外楼梯各式各样，针对不同形式的楼梯，需要设计不同的轨道，代价过高，不易推广。1.2.2 国内爬楼梯轮椅的发展状况 我国对此类 装置的研 究虽然起 步较晚， 但近年来也 涌现了很 多这方面 的专利，然而投入实际使用的还很少。 我国在 上世 纪八 十年 代对 轮组 式爬 楼梯装 置已 有研 究， 1987 年 专利号 为86210653 的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古民族大学4 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 物理与机电学院的苏和平等人借鉴了 iBOT 的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助 图 1.4 或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。东南大学机械学院设计的爬楼轮椅采用了四组星形轮，每三个一组，共十二个轮子，除能爬楼梯外还具有遥控的功能。国内研究的比较多的是手动爬楼梯的轮椅，清华大学精密仪器及机械学系康复工程研究中心已经取得了手动爬楼梯轮椅的专利，如图 所示。它是在普通轮椅上加设一套爬楼梯执行机构和驱动系统，既可以在平地行驶，又可以仅凭借使用者双臂的力量使轮椅上、下楼梯。它结构简单、造价低廉，符合我国的国情:但是设计中仍存在一些问题，如轮椅在爬 楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁问题等，其研究也仅停留在理论水平的基础上，并未投入实际应用。 1.3 本项目的设计目的与主要研究内容 1.3.1 课题设计目的 履带轮式轮椅具有适应性强、机动灵活、活动范围大等特点，在我国国民经济的发展中，残疾人对爬楼车的需求量逐年增加，市场发展潜力巨大，爬楼梯轮椅行业具有广阔的发展机遇和良好的投产前景。爬楼轮椅是目前残疾人广泛采用的爬楼梯的工具，因其比固定上楼装置具有灵活性大、使用轻便、成本低廉，所以市场广阔设计开发电动爬楼车，实现减轻残疾人要求、提高适应人群、满足市场的需求为目的。 5 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 1.3.2 课题研究内容 步行式爬楼梯装置体积庞大，缺乏灵活性且控制复杂，技术要求较高;其它附加的辅助装置虽然稳定性相对较好，然而由于其不能和轮椅融为一体，限制了它的使用范围。轮式爬楼梯装置技术要求很高。在比较了各类爬楼梯装置的优缺点后参考模块化可重组履带结构原理，将爬楼功能与普通轮椅相结合设计了一种爬楼梯装置。它在平地行走时利用轮式机构，爬楼梯时放下履带机构进行工作。 （1）分析爬楼梯时各部分元件以及楼梯的受力根据传统履带方式爬楼梯的力学分析用AutoCAD绘制履带传动机构装配图。 （2）根据重量尺寸，选择电机。设计控制系统控制电机驱动履带完成爬楼梯的功能。 设计后应能够实现的功能： 1.适用性广，应能攀登多种尺寸的楼梯; 2.操作过程尽量简单，平地行驶与上下楼梯两种工况的转换简单易行; 3.乘坐要平稳舒适，爬楼梯时坐位应基本保持水平状态 4.轮椅结构尽量简单，造价低廉。 拟解决的主要问题： 1.爬楼机构的设计。 2.爬楼梯运动过程分析。 3.电机，电池的选择。 4.电动轮椅的运动控制系统设计。 1.4 设计进程安排 根据上述的设计方案，本项目的主要设计工作分为以下四个阶段： 1. 调研阶段 包括调查国内外电动爬楼车的发展状况，调研国内外相关技术、研究分析现有爬楼车的结构性能、并进行设计方案论证等，在此阶段我主要对我国所生产的手动爬楼车进行了分析研究，初步明确了设计思路，并初步定下了设计方案。 2. 各个模块的研究分析阶段 本设计课题主要包括三个方面的内容：电机的设计选择；履带装置的设计计算；升降装置的选择。此阶段是本次毕业设计的基础定型阶段，在此阶段，我通过不断对比手动轮椅和电动轮椅的各种优缺点，进行比较和改进。以及在电机的选用上，分析比较了在这种场合中使用交流电机还是使用直流电机，使用交流电6 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 机就不用在轮椅上安装电池，这会给使用带来很大的不便，那样要移动多少距离就得要多长的电线，而且还有安全危险。所以选用了直流电机安装电池的方法。在传动方面，比较了各种传动方式的优缺点，最后选用了橡胶履带传动，因为在爬楼车方面，要求安全系数比较高，摩擦力大不容出现打滑事故。而传统履带重量大且易磨损楼梯并且需要齿面弯曲疲劳强度设计。 3. 设计阶段 在该阶段，主要工作就是对已经确定下来的各个模块进行适用性分析，主要考虑各个模块的力学，运动学性能，进行刚度和强度校核，并确定各个机械结构的具体尺寸和具体装配方法，绘制机械机构装配图、电路控制图等。 4. 总结阶段 在设计的最后，要对自己所做过的材料进行整理，对自己所做过的研究进行分析，完成毕业论文设计说明书的撰写，修改整理机械设计图和电路控制图，对设计的产品进行经济分析及适用性分析。 7 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 第二章 履带爬楼装置机械系统结构设计 2.1 爬楼机构的比较 2爬楼机构按其运动执行机构可以分为星型轮机构和履带轮机构两种，其中履带轮机构相对比较成熟在可以爬楼梯防暴机器人等类似装置中应用的比较广泛。 星型轮式爬楼梯轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在“Y”形或“+”字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转；而爬楼梯时，各小轮一起公转。从而实现爬楼梯的功能。星型轮多的优点是轮椅爬楼梯时的稳定性好，缺点是体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。这也是星型轮式爬楼梯轮椅尽管发明专利很多，真正实施和推广很少的主要原因。 还有一种爬行机构是由三组带有滑道的轮组构成的。当车轮抵住台阶之后，台阶自然会对轮组中的一个产生阻力，当继续施加动力时，则滑轮将向滑道的后方滑动。滑轮中心提高，从而将车轮抬起。如此反复进行，从而达到上台阶的目的。这种轮椅的不足是结构过于复杂。 履带型机构的爬楼梯轮椅应用较多，它采用比星型轮机构更为连续的行走方式，传动效率比较高。在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动，其重心的波动很小，运动非常平稳。通过对比可以看出履带爬行机构的优越性，本设计就是采用的履带型爬楼机构。 2.2 设计思路 本次毕设查阅很多的文献资料，国内没有成熟的产品，结合前苏联的专利和国内一个发明，根据大学中所学所用过的知识以及相关文献设计了履带轮式轮椅。 主要资料： 履带爬行式前苏联的专利 1553-120 属履带式。爬楼梯时，用手轮来调整座椅的水平。动力由大轮经链条带动爬梯传动链。该轮椅具有较好的稳定性与安全性。六轮移动式（4 个行走轮和2 个爬行轮都为驱动轮，在平面上运行时，机器人摆起两个摆臂，以普通的 4 轮方式行驶，爬楼梯时，将通过两个摆臂的摆动，带动两个爬行轮.协调自身的姿态以适应楼梯地形。） 8 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 图2.1 市民发明的爬楼轮椅 图2.1为一位市民发明的爬楼梯轮椅，这种轮椅是在普通轮椅的基础上加装了一个履带机构并且在履带后部加装了以一个回转机构，上下楼梯时需要人力辅助把轮椅倾斜一定的角度使轮椅上的人保持平稳以此来实现上下楼功能。但此发明不具备转向和调速功能。 本文设计的这种履带轮式爬楼梯轮椅在现实生活中应用比较适应当前中国国情。整体设计主要分为以下几个部分：机械结构、机械传动、动力装置、电器设备。设计内容包括各个装置设备的由来、结构、校核等。 机械结构 结构主要包括底盘、履带装置、升降装置三部分。下面分别介绍三部分的结构和所用材料。底盘：底盘是是履带装置的支撑体，主要由高强度工程塑料制成。履带装置：采用类似于V带传动来连接橡胶履带。通过轴用键连接驱动轮，驱动轮与橡胶履带啮合而达到行走的目的。因为考虑到要有转向功能，所以采用双履带机构，中间通过底盘连接，两侧履带分别安装电机，通过两侧速度差来完成转向的目的。升降装置：采用螺旋千斤顶或分离式液压千斤顶使座椅顶起或放下。 传动方面： 传动件主要有橡胶履带、驱动轮两部分。履带连接爬楼装置中的主轴和副轴两根轴，履带与轴之间用驱动轮连接，轴和蜗轮蜗杆减速器之间用联轴器传动。 动力方面： 动力件主要是电动机，为轮椅提供动力。由于爬楼轮椅的运动特性，要求爬楼轮椅用的电源为移动式的，所以就必须选用低压直流电机。因为爬楼梯时履带9 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 速度不能过快，否则会有倾倒的危险。一般直流电机的转速为几千转，所以需选用传动比较大的蜗轮蜗杆减速器减速器使履带速度在一个安全范围内。 控制方面： 根据直流电机机械特性选择合适的直流电机控制器，进行接线使履带轮式轮椅实现起停，前进，后推转向的功能。 2.3 履带轮式轮椅爬楼原理 图2.2 履带轮式爬楼梯原理图 图2.3 平地时履带轮式轮椅状态 在平地时，轮椅与履带保持水平，用轮椅大轮驱动，履带前部的升降机构已处于最低位置。使履带装置不接触地面。如需用履带驱动，则将升降机构伸长一小段距离使轮椅稍后倾，让轮椅大轮离开地面。 10 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 图2.4 上楼梯时履带轮式轮椅状态 上下楼梯时，驱动履带前部的升降装置，手动控制升降装置上升到一定角度，保持轮椅水平，这是履带轮椅就可以完成上下楼的功能。 2.4 履带爬楼过程分析 如下图所示，假设传统履带形式轮廓为长圆形。即中段为长度L的直线履带，两端为直径为D的半圆履带。履带的质量分布均匀，重心在几何对称中心。又设单级楼梯的高度为H ，宽度为W。履带爬越楼梯的过程可以分为两个阶段。第一 图2.5 履带翻越楼梯第一阶段 个阶段是从平地攀上第一级楼梯。姿态由水平态变为爬坡态。第二阶段是履带在各阶楼梯上平稳爬行，姿态不变。以下分不同阶段分析： 11 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 *2 25在第一阶段，履带前端与楼梯接触后，在地面摩擦推力和前端摩擦举力的作用下，重心不断升高，同时履带的中心轴线与地面夹角不断变大，重心缓慢前 移。以第一阶楼梯的尖角A点为支点，履带翻越第一阶楼梯的条件可以用下式描述：(T1L1)t+ L 0重力提供了全部的翻转力矩，履带的移动会加快重心的“超越”，提供更大的翻转力臂，加速翻转过程翻转临界点是重心处于A点正上方的时候，此时L2=0，履带轴线和水平地面的夹角称为翻转临界角当“翻越”发生前，即为逆时针时，转动角动量 L 要小，以便于克服重力翻转力矩，因此应该降低履带的运行速度；当“翻越”发生时，为顺时针，此时履带的后端接地点已经离开地面，不再存在，因此可以加快履带运行速度，使得L2迅速变大，加快翻越过程。 根据条件I，即所谓重心“超越”条件，利用几何原理，得到下式： H L1/ 2Sin + K(1 Sec )K = D / 2L 计算结果表明：当LD=3时，最大翻越高度约等于0.3L，此时 约等于50度；当LD=7时，最大翻越高度约等于035L，此时 约等于50度。可见，对于传统的长圆形节线履带，只有增大长高比，才能获得更好的爬垂直墙效果，在尺度不变的情况下，就是要降低重心，或者重心前移。 在第二阶段，履带的姿态保持不变，为了稳定地运行，履带的长度一般保证能够同时和楼梯的3个尖角接触。为此： L 2 H +W以我们常用的楼梯为例，H=15cm，W=30cm，因此L67cm。取LD=3，如果取L=67cm，则最大爬垂直墙高度大约20cm。能满足爬第一阶楼梯的要求。根据以上分析计算，可知用传统长圆节线履带结构实现爬楼功能时，履带的中心长度很难小于60cm，整个机器人的长度则要达到80cm以上。12 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 2.5爬楼性能参数 图2.6 履带翻越楼梯第二阶段 为使这款装置能满足普通居民的使用需求，需要了解我国普通住宅的楼梯尺寸。根据中华人民共和国国家标准住宅设计规范住宅楼梯梯段净宽不应小于 米，6 层及 6 层以下住宅，一边设有栏杆的梯段净宽不应小于 1 米。(楼梯梯段 净 宽 系指 墙 面 至 扶手 中 心 之 间的 水 平 距 离)住 宅 楼 梯踏 步 宽 度 不应 小 于 米，踏步高度不大于 米，坡度为 度，为接近舒适性标准。普通住宅的层高一般为 2.80m，按一级台阶高度是 计算，共 16 个台阶。 装置与履带尺寸的设置以上述普通住宅楼梯尺寸的要求为基准。装置的总体宽度应小于梯段净宽并留有余量，从而确保轮椅有足够的空间放置此装置，而履带装置高度应大于踏步的高度，才能使履带翻越楼梯。本文设计的是普通轮椅加装履带机构，其尺寸符合上述要求。 一般楼梯的坡度为 30 度左右，履带轮式轮椅在平地时轮椅与履带保持平行。所以在上下楼梯时，驱动升降机构上升使轮椅与履带结构为 30 度才能保证爬楼时轮椅保持水平状态。 履带爬楼机构的结构设计 根据所要求的尺寸即轴、轴承以及键的校核用制图软 Auto-cad 件绘制的三视图。 13 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 方案 1 图 2.7 方案 1 的三视图 图 2.8 方案 1 的主视图 方案 1 升降机构采用的是螺旋千斤顶，千斤顶的顶部与底部经焊接连接一个可以与轮椅和履带装置连接的铰链机构，以便可以转动。 14 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 方案 2 图 2.9 方案 2 的三视图 图 2.10 方案 2 的主视图 15 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 方案 2 采用的是升降机构是分离式液压千斤顶，千斤顶是由一个支撑油缸和一个手动泵组成它们之间由一根油管连接，反复压动手动泵使支撑装置升降。 方案 1 与方案 2 都可以实现顶起放下轮椅的功能，但方案 1 采用螺旋千斤顶机构由于导程的限制，会有些费时费力。所以重点研究方案 2。 升降机构的设计 根据普通轮轮椅高度和所设计履带机构高度选择千斤顶 L图 2.11 千斤顶升降简图 为千斤顶高度最低时的长度， L 为千斤顶顶起轮椅一定角度时的长度 。L=BC, ooBB AB= BB =162.89 2 2 2L = B C ,AB 为坐椅，通过千斤顶座椅转动一定角度 BAB 根据图纸 BC=381mm AB= AB =316 因 为 大 部 分 楼 梯 坡 度 为 30 所 以 上 楼 梯 是 至 少 把 座 椅 顺 时 针 转 动 30BAB = 30根据正余弦定理 SinBAB SinBB AB C = BC + BB 2 BC BB CosCBB B C =540mm 所以 B C -BC=160mm 千斤顶行程最少为 160mm。 o，根据所算出行程，考虑千斤顶本身大小进行选择，在查阅大量的相关产品后选择16 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 了德国拜尔制造的千斤顶可以承受偏载，稳定性高，本身高度与行程合适。 图 2.12 RC-系列 单作用千斤顶 图 2.13 RC 系列产品型号 选择的是 RC-59 本体高度 324mm 行程 232mm 承载能力 5KN液压系统基本原理 系统由油箱 1、过滤器 2、液压泵 3、溢流阀 4、换向阀 5、节流阀 6、换向阀7、液压缸 8 以及连接这些元件的油管、接头等组成。 该系统工作原理是：液压泵从油箱里吸油，泵输出的压力油换向阀 5节17 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 流阀 6换向阀 7液压缸左腔，推动活塞使其顶起重物。这时液压缸 8 右腔的 图 液压系统基本原理 油液换向阀 7-回油管油箱。若将换向阀 7 切换位置向左移，则压力油换向阀 7液压缸右腔，推动活塞使其放下重物并使液压缸左腔油液换向阀 7回油管-油箱。 节流阀是调节工作速度的,溢流阀是调节和稳定系统的最大工作压力。 为了克服各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，而这个推力是由液压缸中的油液压力所产生的。要克服的阻力越大，缸中的油液压力就越高；阻力小，压力就低。这就说明了液压传动的一个基本原理，及压力取决于负载。 2.8 本章小结 本章首先给出了履带轮爬楼梯装置的机械结构设计方案，重点介绍了爬楼机构的组成与构造;然后对爬楼的机理和过程进行了详细说明 ，设计出两种方案并进行比较，选择了一个较为实用的方案即采用分离式液压千斤顶式的履带轮式爬楼机构。 18 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 第三章 电气系统设计 履带爬楼梯装置执行电机选择 技术指标 根据 平 地或 爬 楼等 不 同使 用 条件 下 的实 际 需 要， 参 考国 标 GB12996一 1991电动轮椅车标准，确定控制系统的参数。参考国标标准中对电动轮椅车的主要技术性能规定： 平地时最大运行速度为 6km 小，装置携带 24V 蓄电池自主供电，电池容量为12 安时(一次行程 25 一 30km)。 电机选型 可供选择的电机有步进电机、直流电机和无刷直流电机。 (l)步进电机 步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，能够快速起动与停止。它通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制，控制系统结构简单，维修方便。但是步进电机能耗太大，速度也不高，且存在一个固有缺点，即在低速转动时振动和噪声大，不利于整个装置的稳定。 (2)无刷直流电机 无刷直流电机采用电子换相电路取代了机械换相装置，不仅继承了直流电机的优点，且具有无噪音、免维护、可靠性高的优越特性点。但比有刷电机控制复杂，价格高。 (3)直流电机 直流电机具有良好的起动、制动和调速特性，具有很宽的调速范围，且易于平滑调节。它具有控制特性好、响应速度快等优点，满足装置对突发情况作出反应的灵敏性要求;而且低速时平稳性好，满足了装置在爬楼 运动时低速稳定性的要求;起动转矩大、过载能力强，可以满足装置爬坡、翻越 台阶的性能要求并且造价低，所以选用有刷直流电机。 电机功率计算 计算驱动电机所需的功率。设装置本身的质量为 45kg，承载人员的最大体重不超过 85kg，因此车体和人员的总质量上限为 130kg。取橡胶与地面之间的摩擦系为 0.7 爬楼所需功率 装置在爬楼时需要克服车体和人的重力做功，车体和人组成的整个系统的重19 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 心位于整车的后半部分，估算重力作用线与驱动轴之间的垂直距离 L 为 60mm。 所需克服阻力矩为:M=GL=(30+75)9.80.06=61.74Nm 爬楼最快速度:n=30rpm 爬楼时驱动电机最大所需功率 所以选用中兴公司的 80SRZ 直流电机分别安装在两条履带上。 3.2 电池选择 图 有刷直流电机参数 为满足装置在室内外均能使用的要求，必须实现自主供电，本文采用可充电电池作为车载电源。电池的选用需要考虑以下几个因素:电 池容量、电压大小、重量、使用寿命以及价格成本等.目前，可供选择的蓄电池主要有下列几种:铅酸电池、镍氢电池、镍锌电池和铿电池。镍氢电池、镍锌电池和铿电池虽然性能优越，使用寿命长，但是价格昂贵，一般比铅酸电池高 4 一 5 倍，增加了装置的制造 成本。铅酸蓄电池成本低廉、应用历史长、相对更加成熟，改进后的免维护铅酸电池性能更 加稳定可靠，使用也更方便，得到了广泛应用。因此，本装置选用免维护铅酸蓄电池作为供电能源。 20 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 3.3 电动车电机转速控制 直流有刷电机,运行可靠性高,调速性能好,过载能力强,控制方法简单,虽热存在电刷磨损需要维护问题,但是在低速运行时,其电刷的磨损极小,一般在5000小时以内免维护,因此它较适合用于低速的直接驱动的电力驱动系统中。 3.3.1 驱动方式对电动车性能的影响 目前电动车主要有三种:一是全电动型自行车。二是电动助力自行车(),三是电动摩托车。全电动自行车完全依靠电力就可以行驶;电动助力自行车电机的出力是需要人力的驱动为前提的,人力和电力的比通常为11,即所谓的1+1 系统,这种系统在日本较为通常采用。无论它们两者有这样那样的区别,至少有一点是共同的,这就是要求人力能够正常骑行,而电动摩托车无需考虑人力骑行问题。由于受当前电池技术的限制以及电动自行车对蓄电池容量要求不高,当前发展电动自行车以及电动助力车是较为适宜的。目前两轮电动车主要采用直流电机以及无刷直流电机。而开关磁阻电机以及交流异步电机主要用在电动汽车。永磁直流电机以及永磁无刷直流电机当前都有质量较好的产品,如上海新联的永磁直流有刷电机。南京天地的永磁无刷直流电机。目前,电动车的驱动方式有四种:轮毂电机直接驱动式、中轴式、旁挂式、磨擦式由于磨擦式靠摩擦轮胎推进,对轮胎的磨损较为严重,此外由于泥水等因素造成打滑现象,给雨雪天气行车带来了困难和威胁,因此仅在极少场合下使用。当前我国极大多数厂商的产品都采用轮毂电机直接驱动方式,采用这种方式的好处是:电动车制造商可以不对车型作大的改动,即可装车,这种方式比较容易在试制阶段采用。但是从电动车本身的两个功能来看,采用轮毂电机直接驱动方式,由于磁阻造成的力矩,值得一提的是上述的驱动方式还可以进一步划分,如除了轮毂直接驱动方式外,轮毂电机还有带减速齿轮(减速比为17 和122 两种)以及同步带减速齿轮(减速比为 125);中轴式可以继续划分为同轴式(减速比为 150)以及非同轴式(减速比为 135)。用于电动自行车的电机功率 70235,主要为 135180。 按照转速可以归为三类:一是低速电机,主要用于轮毂直接驱动方式,电机转速为174，二是中速电机,8001800,轮毂式齿轮减速以及 1 级减速的旁挂式(减速比为 15);三是高速电机。24004500,主要用于轮毂式同步带减速或齿轮减速,中轴驱动、2 级减速的旁挂式(减速比为 122)以及摩擦式(减速比为117)。 3.3.2 现有电动车电机存在的主要问题及探索 21 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 22度降落为，则 R . T 。可见，当 T 增大时，也增大，2电动车用电机的控制有两类:一是恒转矩控制,二是恒功率控制。对于永磁直流无刷电机而言,要扩大功率控制区域,增大调速范围,一般就需要用到弱磁控制。而由永磁体建立的磁场要实施这一控制难度较大,目前主要解决方法就是增大提前导通角,这种方法在理论上是可以得到证实的,在实验中也是可以看到的,然而由于其反电动势的波形绝非真正意义上的梯形波以及电感值是变量,要真正做到在基速以上区域实现恒功率控制,实质是很难的。目前这种方法尚在研究之中。有文献报道,开始使用双绕组,这种双绕组的效果一是减小起动时的电流;二是可以扩大调速范围,从而有可能避免弱磁控制问题。 3.4 直流电机机械特性在电机稳定时： 电动机的电磁转矩 Tm 处于平衡状态，故 Tm = T1 。其中 T1 为电机负载转矩。而Tm = KT M I A 其中 M 为电机主磁通，I A 为电枢电流。由于 M 不变，所以 Tm 只和 I A有关。I A 的大小和电源电压 U A 克服反电动势 EA 后的差值成正比，而和电枢绕组的电阻 RA 成反比。而电枢绕组的反电动势 EA 是电枢旋转时，绕组切割主磁通 M的结果，故和M 与转速 nM 的乘积成正比。有公式： EA = K EM nM当负载变化后， nM = U A / K EM RA / K E KTM 若理想空载转速为 n0 ，当 Tm 0时， nM n0 ，有 n0 U A / KEM 由此可知： n0 与 U A 成正比，与 M 成反比。令速A m E T M m转速 nM n0 （转速下降） 所以在相同的 Tm 下，的大小与 RA 成正比，而与M 成反比。故得出直流电机机械特性图，如下图所示：直流电机调速方法选择调节电枢电压U A ,调节 U A 时，理想空载转速 n0 随 U A 而变，但速度降落不性曲线为平行的。只要能平滑地调节U A 也就能平滑地调节转速。转速可以从零开始逐渐上升，故调变，故调节后的机械特节范围很广。调速过程中，主磁通 M 不变，电动机的额定转矩也不变，调速具有“恒转矩”的特点。 22 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 控制系统的设计 图 3.2 直流电机机械特性 设计履带轮式轮椅所需功能是可以启动停止、前进后退、可控制方向可调速。 根据所需功能选用的是型号为EM-101-BI MOTOR的电机控制器。图 3.3 EM-101-BI MOTOR 电机控制器 该种驱动器采用抗干扰设计，同时也降低了驱动器对外部电子设备的干扰，在外部信号控制方面能适用于自动控制的接口控制方式，可以用模拟量和开关量控制驱动 器的功能。并具有智能逻辑功能，可以自动判断电机的转速及电流值然23 履带轮式爬楼梯电动轮椅设计 后决定于换向的时间，也可以在配接能耗制动电阻后实现停机制动和快速换向制动。此种方式与常规换向方式相比:具有换向可靠、噪音小、干扰小、寿命长、无弧光等特点。并且外部控制信号采用电流传输，增加了抗干扰能力和可靠性。体积小、性价比高，并得以广泛的应用。 应用范围：适用于小功率直流电机普通换相功能的控制要求。调速类型：用电位器调节电阻来改变电压以此实现调速功能。 特点： 1 正反向换向功能2 微处理判断及控制 3 标准信号接口4 PWM脉宽调速马达运转平稳、噪音低 5 转速控制精度高：1%6 使能控制功能7 全封闭抗干扰能力强 8 跟随性好 响应速度快.9 过压、限流保护. 10 短路、过