新型多功能爬楼梯小车设计

毕业设计（论文）毕业设计(论文)课题名称 新型多功能爬楼梯小车设计 学生姓名 学 号 学院年级专业 指导老师 职 称 本科生毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明： 所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）使用授权书本人完全了解有关收集、保留和使用毕业设计（论文）的规定，即：本科生毕业设计（论文）工作的知识产权单位属。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅；学校可以公布毕业设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文）。保密的毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。本论文属于：1、保密，在 年解密后适用本授权书。2、不保密。 （请您在以上相应方框打“”）作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日内容提要对于大多数人而言，上下楼梯搬运货物是一件非常辛苦困难的事。即使已经有手推车的存在，但其并不具备自动爬楼功能。针对这个问题,本文研究了一种载货小车既可在平地使用,又可以上下攀爬楼梯的小车。本文首先对爬楼梯小车的总体方案进行构想。要设计爬楼梯小车就要构想出小车的基本结构框架。设想出小车应该有攀爬机构、重心调节机构和原地转向机构，并在此章节对这些机构做出详细介绍。其次要提出爬楼梯小车爬楼装置的设计方案，采用行星轮式结构。小车选用全轮驱动的驱动方式。四轮驱动相比一般的两轮驱动方式轨迹更稳、效率更高，具备良好的实用性。爬楼小车的爬楼功能够通过行星轮来实现攀爬楼梯,驱动电机选用步进电机。再次，对小车的关键构件进行设计分析。选择合理的小车的货箱，对小车的三星轮组尺寸进行设计分析以及对小车的原地转向机构尺寸进行信息设计。最后, 将运用 SolidWorks软件完成对爬楼梯小车的三维模型建立，再进行小车爬楼梯过程演示，做出最后的小车优化分析和总体评价。SummaryMoving up and down the stairs to carry the goods is a very difficult thing to do. Even if there is a trolley or something, but there is no automatic climbing function. In view of this problem, this paper studies an automatic unloading truck which can be used both on the flat ground and up and down the stairs, and has completed its mechanical structure and overall design.In this paper, the overall scheme of stair climbing trolley is conceived firstly. To design a stair-climbing car, we should conceive the basic structure frame of the car. It is envisaged that the car should have climbing mechanism machines, center of gravity regulators and in-situ steering institutions, and that these institutions should be described in detail in this section.Secondly, we should put forward the design scheme of stair climbing device, and adopt planetary wheeled structure. The car chooses the drive mode of the all-wheel drive. Compared with the general two-wheel drive mode, the four-wheel drive has a more stable trajectory and higher efficiency, and has good practicability. Climbing the building of the car can be achieved through the planetary wheel climbing stairs, driving the motor selection stepper motor.Thirdly, the key components of the small car are designed and analyzed. Choosing a reasonable small car container, the size of the Samsung Wheel group of the small car is designed and analyzed, as well as the size of the in-situ steering mechanism of the car for information design.Finally, we will used SolidWorks software to complete the three-dimensional model of stair climbing car, and then carry out the car climbing staircase process demonstration, make the final car optimization analysis and overall evaluation. 目录内容提要ISummaryII1绪论11.1研究课题的背景11.2国内外研究现状31.3研究的主要内容与方法72爬楼梯小车的总体方案构想92.1小车攀爬机构92.2原地转向机构122.3重心调节机构132.4本章小结143爬楼梯小车的关键构件设计163.1执行电机的选型163.2爬楼梯小车货箱选择203.3爬楼梯小车三星轮组的尺寸设计203.4小车原地转向机构设计253.5本章小结284爬楼梯小车的建模294.1爬楼梯小车3D模型的建立294.2爬楼梯小车爬楼演示334.3本章小结36总结与展望37参考文献39附录42致谢43V1绪论1.1研究课题的背景随着我国城市化的快速发展，带来的现象是楼梯房的崛起，土地资源短缺。但是在我国很多小型城市或者二十世纪以前的建筑楼层，还是以矮楼层为主，以及南方农村的住房也是两到三层的楼房。楼梯在给我们带来好处的同时也为我们带来了不便，对于老人来说上下楼梯本就困难，如果是手上还要提着东西那将会大大影响他们上楼梯的效率，还有对于有小孩的家庭，一般的婴儿车不具备爬楼梯的功能，那么既要手上既要拿着货物还要抱着小孩这大大增加了上下楼梯的安全隐患。我国是人口大国，近年来我国老龄化以及二胎政策的开放很对家庭都会面临着怎么把货物轻松搬上楼层的问题，上下楼梯不方便这个情况变得更加严重。图1.1所示是快递业务情况。生活条件的变好，紧接着就是人们的消费水平提高。在互联网时代的飞速发展下，人们掀起了一阵网购狂潮。快递的大件小件成堆。对于没有设置电梯的居民来说如何将这些大件快递搬运上楼也成了大家的困扰。图1.1 2018年1月到12月快递业务情况 如图1.2所示的是我国5岁以下的幼儿数量统计。随着二胎政策的开放，更多的家庭都新添了小孩子。问题又来了，在照看小孩子的过程中不管是家里老人还是自己，上下楼梯都存在一定的安全隐患。因为要面对一手拿着货物一手抱着孩子的情况，对于楼层在五到八层的人们来说这个问题往往让他们苦不堪言。图1.2 2012-2018年我国5岁以下幼儿统计随着时代的发展，人们不断的追求高品质的生活。让爬楼梯变得更轻松，能够空手不用提着货物爬楼梯是人们心中共同希望能够实现的事。因此，研发既能载人的也能载物的爬楼梯小车的理念也开始出现。对于一些经济条件不够富裕和农村的人们来说，高昂的价格不会被大众所接受。和国外相比较，我国对爬楼载物车方面的研究起步很晚，只有小部分开始研发了相关的爬楼梯装置或者轮椅，并已经有了小规模的使用，其产品的价格也要比国外低廉一些。但是国内的技术还是存在着不足，生产的产品功能较少，不能够满足人们对产品在实用和操作性方面的需求。爬楼梯存在的主要问题就是楼层的高度和上下楼梯的负重，楼层高度不可能直接解决，那么只有对上下楼梯的负重进行解决。如何减轻负重，其实就是需要一个帮忙搬运货物的多功能爬楼梯小车，因此设计出一种使用方便、成本较低、结构优良、载物能力较高等的爬楼载物小车是必要的。新型多功能爬楼梯小车能够实现在平路正常行驶的情况下也能具有良好的攀爬功能，能在攀爬过程中做到平稳、快捷、方便，并实现爬楼和平地行走转换。1.2国内外研究现状爬楼梯小车最主要是为了解决人们上下楼梯搬运货物的情况。国外在楼梯攀爬这一方面很早就领先与我们。其中的美国、欧洲和日本名列前茅。随着我国近些年来科技的发展进步迅速，以及国家对科研的支持，我国科研人员在近些年内也取得了十分显著的成果，很多有关于爬楼梯的专利不断涌现，特别是爬楼梯轮椅的设计更是层出不穷。由于此设计受到各方面因素的限制，很多企业或者个人对此设计大多都停留在研究这一层面，只有很少的研发成品被研发出来并投入到市场使用，但占用的市场份额确实极少的，而且这些成品自动化程度较低还存在很多不足。已知的攀爬楼梯装置可以分为：行星轮式、步行式、轮履复合式和轮腿复合式。1.2.1行星轮式行星轮式轮椅的攀爬原理行星轮组的交替翻转来实现的，且应用较为广泛。攀爬楼梯过程中，轮组中的星轮随行星架绕中心轴公转；地面工作状态下，行星架相对于中心轴静止，接地面的星轮绕轴线转动。按照行星轮组数的不同可以分为单轮组式和双轮组式。目前比较完善的行星轮式爬楼梯轮椅是美国人发明的“IBOT”单轮组式智能轮椅，如图 1.3(a)所示。“IBOT”的优点是结构紧凑，动作灵活、对空间的利用率较高。但由于其3万美元的昂贵价格导致销量不佳，在2009年公司宣布停产。转机发生在2016年5月，IBOT轮椅的研发团队DEKA研发公司宣布将于丰田汽车北美公司共同合作，一起研发新一代IBOT轮椅，IBOT轮椅或将再次在市场上掀起一阵飓风。我国国内某企业生产的“旭威”单轮组式爬楼梯轮椅，如图 1.3(b)所示。这款产品功能实现为半自动化。这种轮椅在攀爬过程中要有辅助人员的帮组。轮椅采用36v电源动力，可载重 120kg每分钟攀爬26级台阶，同时还具有可折叠功能。行星轮组可以在原有基础上进行机构变形是这款产品设计的一大亮点，然后利用辅助星轮在行星轮组翻转时进行过渡，这样就能使攀爬动作更加平稳，减小乘坐者的颠簸感。“旭威”虽然自是半自动化产品不具备国外产品的智能化程度，但此轮椅6000元左右的价格使其更加容易走进寻常百姓家庭。日本科学家发明的“Freedom”是典型的双轮组式爬楼梯轮椅，如图 1.3(c)所示。“Freedom”驱动系统集成与轮椅后桥，利用差动离合原理实现两种工作状态。平地工作时由电机驱动轮椅前进；攀爬楼梯时星轮保持自转的同时绕后桥中心轴交替翻转。但由于“Freedom”体积大、驱动系统复杂，还有着昂贵的价格，这个产品的使用的范围和前景都有所限制。 （a） （b） （c）图1.3行星轮式轮椅对上文分析可以知道，实现控制单轮组式爬楼梯轮椅的稳定性是比较复杂的而且基本都是半自动化，此类装置在攀爬楼梯的过程中，基本上都需要借助外力协助才能完成攀爬。因为行星轮式攀爬机构的自身特点，轮椅在攀爬楼梯时会产生一定的起伏波动，乘坐体验效果会不佳。并且行星轮式爬楼梯轮椅适应台阶尺寸的能力较差，一旦设计不恰当就会很容易发生打滑现象。1.2.2步行式步行式爬楼梯轮椅的原理是利用仿生学，设计出多条机械腿，通过交替升降来驱动轮椅完成爬楼动作。对楼梯障碍有着很强的适应性，运动平稳，安全可靠性高是这种机构的优点。科技技术的不断进步，我认为这种步行式爬楼轮椅具有非常可观的前景。世界上第一台能够实现载人步行的两足步行机器人“WL-16”，是由日本早稻田大学教授高西淳夫等人研发成功。如图 1.4(a)所示， Stewart 平台为腿的那一部分，腿部部分拥有六个自由度，每条连杆包含一个直线驱动器和两个被动的关节。与通常串联关节式的腿部机构相比，这样的结构虽然保证了机器人在大负重情况下的稳定性，但在某种程度上牺牲了两足机器人的灵活性。韩国某一研究所开发出“HUBO FX-1”步行式机器人如图 1.4(b)所示，这个产品有12个自由度，髋关节3个，膝关节各1个，踝关节各2个，3轴感应器安装在每个关节，承载力的大小和方向能够被精确地感应出来。我国只有上海交通大学对步行机器人的研究较早，早在 2004年就开始了研发设计。国家也对这个项目表示支持，研发出的载人两足步行机器人“JWCR”有12个自由度。如图 1.4(c)所示，研发这款机器人能够像人一样行走。 （a） （b） （c）图1.4步行式爬楼梯轮椅步行式爬楼轮椅同样也存在着一些问题：这一类产品自重大，而且承载能力较差；实现功能动作需要极其繁杂的过程，操作控制系统也需要较高的要求；由于该产品体积庞大，整体重心也比较高，会让使用者操作不方便，体验感较差1.2.3轮履复合式单一的履带行走系统组成早期的履带式爬楼梯装置，自身较重、运动灵活性差是这一类机构的缺陷。但是它可以适应各种路况的能力极强且运行平稳，使人们无法摒弃。经过多年的研究总结，科研人员将传统的单一履带式结构改进成为新型的轮履复合式爬楼梯轮椅，使其既可以在地面行走又可以攀爬楼梯。 瑞士联邦理工学院（ETH）和苏黎世艺术学院的学生们共同研发了“Scalevo”。如图 1.5(a)所示，“Scalevo”在地面行驶时，两个轮子的平衡性是利用了水平传感器，安装电机来驱动。攀爬楼梯时，履带会先和地面发生接触，并钩住每级台阶，推动轮椅前进。这款产品的优点就是稳定很好，乘坐者有很好的乘坐体验。法国公司生产的TopChair-S”电动轮椅,如图1.5(b)所示，四个车轮可以在正常情况下平地运行使用，使用者可以通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面,然后将四个车轮收起,依靠履带便能自动完成爬楼。诚信公司设计的一款电动爬楼梯轮椅，既能攀爬楼梯又能当作担架使用，这是一种便携式爬楼辅助工具。如图 1.5(c)所示，对于行动不便的人乘坐这款产品时，需要在他人帮助下来保持平衡，这款产品利用履带的转动来实现攀爬楼梯。此轮椅最大的优势是价格比较低，适合大众人使用。 （a） （b） （c）图1.5轮履复合式轮椅履带式的结构的特点是高传动效率,重心波动很小,运动过程平稳，应用范围较广，但是由于此种结构自重大、比较笨重且会对楼梯台阶造成一定的损害，并发生噪声不利于人们的生活，限制了对此产品的推广使用。1.2.4轮腿复合式轮腿复合式爬楼梯轮椅是结合普通轮椅和仿生步行机器人，在平坦路上就正常的驱动轮子行走，在攀爬楼梯的时候采用机器人像人一样用两天平稳的腿攀爬楼梯24.25。两种行走方式的相互结合使轮椅车身的自重及体积大大减小，同时让该装置在任何情况下都变得很灵活。2012 年 10 月由日本千叶工业大学研发的新型轮椅机器人“RT-Mover”。如图 1.6(a)所示既可以像普通的轮椅一样在平坦路面通过车轮滚动前进，还可以模仿人支撑腿动作，轻松爬上较高的楼梯台阶，爬楼梯就像正常人一样用腿迈过台阶上楼。日本长崎大学机械工程系的科研人员也研究了一种爬楼梯装置。图1.6(b)，液压操作杆和前后两组星型轮组成这种装置。产品在平地行走的时候，操作杆能够折叠起来放置在座椅底部，这样便能节省空间。该产品有竞争力的优势是爬楼幅度较高，甚至能自动上下卸货。德国 AAT 公司也开发一款爬楼梯装置“C-max”如图 1.6(c)。将步进式机器人的支撑爬楼原理与普通电动轮椅的完美结合。“工”型步进支撑腿是这个技术的专利核心，支撑腿是模仿人在上下楼梯时的姿态，研发人员利用凸轮机构往复支撑轮椅车身来达到攀爬楼梯的目的。（a） （b） （c）图1.6轮腿复合式爬楼梯轮椅这种将步进式机器人和普通轮椅结合的设计有实现的可能，但是传动机构复杂，还要集成度很高的模块化结构以及研发这种装置的控制系统需要较高的成本，这就导致这种装置在售价上不会很便宜，并不能被普通民众所接受。1.3研究的主要内容与方法通过对爬楼梯轮椅国内外研究现状的研究，可以看到大多数产品目前还停留在实验室或是少数定做的阶段,而且更多的都是在研发爬楼梯轮椅,爬楼梯轮椅的市场推广还要考虑大众消费者的实际条件。而我要考虑设计的是一款新型多功能爬楼梯的小车,是为了解决上下楼梯搬运货物的问题。要确保小车具备一定载货量的同时还同时具备多种功能。例如自动卸货、货架和购物车结合起来有一个位置可提供小孩子乘坐并有一定的安全性。简化小车的机械结构设计，降低生产成本，方便日后维修保养。本文在比较各种类型爬楼梯轮椅的优缺点后，设计一款多功能爬楼梯小车，主要是具备多种功能。 本文的章节安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了本文的研究背景、研究意义以及国内外研究现状，分析了不同种类爬楼梯轮椅的优缺点，为论文的研究方向做好铺垫工作。第二章介绍的是小车总体方案的构想，总结以往爬楼梯装置的优缺点，确定本次小车主要结构的组成由攀爬机构、重心调节机构、原地转向机构以及动力系统，并对其每一个机构的特点原理进行介绍分析。 第三章介绍了爬楼梯小车的关键构件设计。小车的货箱选择，小车三星轮组的具体尺寸设计，还有小车原地转向机构的功能尺寸设计。第四章介绍的是针对小车功能的实现，经过计算分析得出关键构件的具体尺寸。最后在运用Solid Works进行三维建模和小车爬楼梯演示过程。最后为总结与展望。对本文所做出的研究与设计工作做出一个总结，提出对该设计的下一阶段的研究改进工作。2爬楼梯小车的总体方案构想由上文对国内外现状分析可以知道攀爬楼梯机构分为行星轮式、步行式、轮履复合式和轮腿复合式四种类型。其中步行式与轮腿复合式攀爬机构的优点是能够适应多种楼梯类型，在运动过程中也比较平稳，缺点是这两种攀爬机构是由复杂的机构组成而且其系统控制使其研发成本很高，导致最后的高额售价让普通人难以接受。轮履复合式攀爬机构同样存在结构复杂的特点，且履带有着较大的自身重量，工作效率也不高，还会产生噪音。行星轮式攀爬机构相对于来说设计结构原理比较简单，容易加工维护，既可以在平路自由行走又可以爬楼梯。通过对国内外现状的分析，我决定在现有的基础上，将会设计一款新型多功能行星轮式爬楼梯小车。该小车在正常工作情况下应该做到攀爬不发生滑落。而且其价格低廉，小车还具备多种功能方便使用者使用，具体要做到以下设计要点： （1）小车要必须具备平路行驶和楼梯攀爬这两种功能，爬楼梯小车可以自动切换不需要使用者手动更换模式。同时，对于爬楼梯小车的动力系统要尽可能简单，动力效果好，在攀爬楼梯过程中结构稳定且电机转速低扭矩大。 （2）小车作为新型多功能爬楼梯装置主要是为了运载货物，载货要符合载重要求，还应该具备多种功能，例如自动卸货、小孩子乘坐，货架可以设置挂钩方便挂雨伞、带子书包等。 （3）小车还应该具有重心调节功能。因为货物的形状是不同的，叠放在一起会改变小车的重心位置。重心调节功能将小车行驶时座椅的重心位置控制在安全范围以内，使用者还能通过调节重心位置来使小车在各种状态下的行驶性能达到最优。 （4）原地转向功能是小车应该具备的，方便小车在狭小的空间内行驶时进行方向调节。根据以上几点，本次构想的爬楼梯小车的机构主要有攀爬机构设计、动力装置选择、原地转向机构设计分析、重心调节机构和。2.1小车攀爬机构此次爬楼梯设计是选用行星轮组作为攀爬楼梯机构的主要部分。目前在现有的行星轮式爬楼梯装置中，星轮的个数大多在五个以内。星轮个数的增加，会使爬楼梯小车在攀爬楼梯时稳定性更好，但小车的车身体积也会随之增大。为了让小车车身体积减小、重量轻且爬楼稳定的要求，本设计采用三星轮组来实现小车的攀爬功能。 现有的爬楼梯装置设计中，基本上都是设计的爬楼梯轮椅，这样会考虑乘坐者在乘坐轮椅攀爬楼梯时的坐姿方向。而本设计是设计多功能爬楼梯载货小车，所以不用考虑乘坐者的感受，需要考虑的仅仅是货物的载重和货箱的空间结构。因。为了使小车在攀爬过程中不会发生滑落现象导致货物损害，本文决定选用前后三星轮组同步翻转的四轮驱动方式。图2.1小车攀爬机构俯视图如图 2.1 所示，小车的前后各有一对三星轮组，并在三星轮组的内侧三星板上面有链轮来传递动力。电机直接驱动后桥的三星轮组，通过链传动就可以直接带动前桥三星轮组进行翻转运动。当链轮系统传动比为 1 时，前后三星轮组的运动就会达到同步。这样就可以使轮椅的攀爬动力输出更合理，还能提高攀爬效率，而且小车的攀爬动作还具有周期性，很方便对小车爬楼轨迹进行控制。链传动简单实用，具有良好的受力性能以及精确的的传动比，由于小车是载货小车，不具备很快的攀爬速度，所以不用设定小车的速度。还可以对链传动噪声进行优化改进，尽量减小噪声。图2.2小车攀爬机构正视图如图 2.2 所示，步进电机固定在车架上作为小车上下楼梯时的动力源。步进电机拥有自身在一定转速下可以稳定保持最大输出扭矩的特点，再经过蜗轮蜗杆减速器进一步减速增扭，就可以将低速大扭矩动力双向输出到后桥三星轮组。为了加长蜗轮蜗杆减速器的输出距离，减速器的两个输出轴可以通过联轴器与后桥的两个半轴相连接。棘轮安装在轮椅后桥半轴上，可以利用手动拉杆拉动锁止棘爪，这样会对棘轮机构进行锁止，小车在爬楼过程中三星轮组就只能进行向前翻转。 为了防止小车在载货爬楼梯过程中发生滑落等安全问题，小车的轮胎要有着较大的摩擦系数，在攀爬楼梯过程星处于自锁状态。通过控制前桥减速电机，来实现前桥每个星轮可以随意切换自锁和自由两个模式。如图2.3所示为三星轮组的齿轮箱。齿轮箱内部是采用二级齿轮传动，每个齿轮的齿轮轴都与两侧三星板轴承和齿轮键连接，齿轮箱最外侧齿轮轴与星轮内孔键连接。中心齿轮轴和齿轮箱的三星板相对固定，利用棘轮锁止机构的功能可以让星轮在齿轮传动的作用下无法自由转动，就能达到攀爬楼梯星轮锁死的要求。 图2.3齿轮箱视图2.2原地转向机构爬楼梯小车载货过程中，不仅仅只是为了爬楼梯这一用途，那么在实际生活中这个小车难免经常会在比较狭小的空间里进行大幅度的转弯，特别是在小车攀爬楼梯的过程中完成一阶段楼梯就需要在楼梯转弯处进行 180的掉头转弯，为了下一阶段上下楼梯调整一个合适的方向。如果小车缺乏原地转向功能，那么使用者使用起来会显得非常不方便，如果载重量较大的话遇到这种情况就更麻烦，必须有人协助才能使用，体现不了设计的的自主性和智能化，所以小车的原地转向机构显得尤为重要。 此次设计原地转向机构的大致步骤是先将整个小车车身原地撑起，再利用旋转机构实现整个小车的原地转向。我们一般所用到升降装置的升降高度与原始尺寸是成正比关系，也就会说升降高度的增加会导致升降装置的自身尺寸也跟着增大。当小车在地面正常行驶或攀爬楼梯时，小车底盘为了不与地面发生摩擦碰撞，应保持一定的最小离地高度。由于小车底盘到最小离地高度平面间的竖直空间较小，而最小离地高度平面与地面间的距离又相对较大，小车仅仅是用推杆电机是无法在有限尺寸空间里完成大距离的升降。本次设计引入连杆机构，将较小的推杆行程通过连杆机构进行行程放大。这样就不仅满足了本次对小车的设计要求，而且较小的的推杆行程也意味着可以在较短的时间内完成车身支撑，从而提高原地转向效率图2.4原地转向机构如图 2.4所示，此次设计的原地转向机构是由连杆电机、推杆机构、轮毂电机和橡胶轮共同组成。整个原地转向机构都是利用固定圆盘与爬楼梯小车车身底盘固连。推杆电机的推杆是朝地面方向推进，推杆电机底座与固定圆盘利用螺栓固定，固定圆盘与地面保持平行。同时，固定圆盘还固连着连杆机构的机架杆，并利用稳定环增强机架杆受到弯矩时的稳定性。推杆电机的推杆与连杆铰接圆盘固定连接，使连杆铰接圆盘可以随推杆上下移动。要让机构稳定性好并且重量尽量减小的话，原地转向机构就要选用4根曲柄支撑杆来支撑小车。在一根支撑杆上面安装轮毂电机，另外三根支撑杆安装的是一般的橡胶轮胎，而且每个轮子都要垂直于地面接触。 当小车在工作时如果遇到原地旋转的情况，首先就要利用爬楼梯机构，要让小车的整个底盘现对于原来有一定的提高，同时推杆电机的推杆推动连杆铰接圆盘向下移，连杆铰接圆盘也带动4 根支撑杆进行下旋。支撑杆上连接的轮毂电机及轮子在推杆电机伸长至最大行程时，随支撑杆转动至最下方位置。再利用推杆电机的自锁性，连杆机构将小车原地撑起，三个橡胶轮在轮毂电机的带动下，拖动整个小车做圆周运动。在小车完成原地旋转后，再利用攀爬楼梯机构将整个车身高度升高，推杆电机的推杆把各个支撑杆收回至原始位置。最后降低车身高度，使小车回到地面行走状态。2.3重心调节机构因为是载货小车，且货物的不同形状装入货箱会让小车的重心位置发生很大的变化，在攀爬楼梯的过程中很容易发行安全事故。所以小车整体的重心位置对小车所运载货物的安全和小车机械机构都有着很重要的关系。小车在原地转向时，小车整体重心位置就应该控制在支撑点连接圆的圆心附近，这样就能保证轮椅原地转向时的平稳，同时提高整个连杆机构的受力性能。小车在地面行走时，底盘的的前桥和后桥就要合理的分配重力，这样是为了防止小车在行驶时驱动轮打滑。小车在上下楼梯时，货箱和货物的整体重心位置会发生变化从而引起前桥轴和后桥主轴承受输出扭矩及弯矩的变化。小车车身是整体左右对称，重心调节机构是对货物重心位置相对车身来进行前后调节，从而让小车在各个行驶状态下有着最佳性能。 图2.5重心调节结构如图 2.5所示，重心调节机构是将齿轮齿条传动和直线滑轨机构结合在一起。滑轨的外轨固定在座椅调平机构的内齿圈底部，滑动外轨的外侧安装一根齿条。滑轨的内轨固定在小车车架上面。小车车架上安装一台外接齿轮的涡轮蜗杆减速电机，这样齿轮与滑动外轨的齿条就相互啮合。电机开启时，滑动外轨就在齿轮齿条传动下带动小车座椅相对车身作前后移动，使用者通过对减速电机的控制来调节至不同行驶状态下的货物的重心位置。2.4本章小结本章主要对爬楼梯小车的总体进行一个构想如下： （1）阅读大量文献参考国内外所研究的类似产品，构想出本次设计爬楼梯小车的总体机构框架（2）小车的攀爬机构，选用行星轮组作为主要部分。并选用前后三星轮组同步翻转的四轮驱动方式。（3）重心调节结构。调节重心避免在上下楼梯时发生倾覆。（4）原地转向机构。遇见狭窄地方或者楼梯拐角处，利用原地转向机构进行转向使用会变得很方便。3爬楼梯小车的关键构件设计3.1执行电机的选型3.1.1电机功率计算根据装置要实现平地和爬楼两种不同的运动情况,计算轮驱动电机所需的功率。设装置本身的质量为25,载货量最大不超过60,因此装置本身和货物的总质量上限为85。通过机械设计手册就晓得了，实心橡胶轮胎在优质路面上滚动摩擦系数为0.0531。由于是载货小车，所以对小车的速度要求并不高。出于对安全的考虑，我将小车平地行驶时最大速度设置为 3.6kmh，规定上下坡的最大速度为1.8kmh 假设最大行驶坡度为8。爬楼梯小车在攀爬楼梯时每分钟可以攀爬 9 级台阶。小车在地面行走时，电机输出的扭矩经三星轮组齿轮箱传递到驱动轮，驱动轮在驱动转矩Tt的作用下对地面作用圆周力F0，当小车与地面作纯滚动运动时。在静摩擦力的作用下，地面对驱动轮的反作用力 Ft，Ft就是小车的驱动力。 Ft=Ttr=Teir （3.1）式中：Te电动机输出扭矩，N.m； i减速器传动比； 传动系统的机械效率。小车在地面行驶时，小车的驱动力和阻力有平衡关系32，平衡方程为： Ft=Ff+Fw+Fi+Fj （3.2）式中:Ff小车地面行走时的星轮滚动阻力，N; Fw小车地面行走时的空气阻力，N; Fi小车地面行走时的坡度阻力，N; Fj小车地面行走时的加速阻力，N。地面行走状态下小车的速度很低，忽略空气阻力Fw。小车轮子的滚动阻力和小车地面行走时的坡度阻力计算如下： Ff=Gcose （3.3） Fi=Gsin （3.4）式中：G小车和货物总重力，N; 小车地面行驶坡度。； 小车轮胎与地面的摩擦系数； r星轮半径，mm。爬楼梯小车从静止加速到一定的运动速度时存在加速阻力为： Fj=Kmdvdt （3.5）式中：K旋转质量换算系数； m小车和货物的总质量，kg； dvdt小车的行驶加速度，ms2。将式子联立能够算出： Teir=Gcose+Gsin+Kmdvdt （3.6）当小车将要达到最大行驶速度v时，仍然会存在加速阻力，因此小车平地行驶所需要的最大功率P为：P=Ftv=Teir=Gcosr+Gsin+kmdvdt （3.7）在上面所得式中，取G=850N,m=85kg,=0.05,k=1。小车在平地行驶时，坡度=0，r=70mm,v=2ms, dvdt=0.2ms2,那么小车在平地行驶时的功率为P1为114w。但考虑到实际情况，由于小车的功能是载货而且是为了解决爬楼梯载货，那么当小车在平地行驶时，更多的是和商场购物车一样的功能，反而是被使用者双手推着走，小车在平地被使用时，更多的处于断电状态。在这里所计算的小车平地行驶的最大功率是为了方便在特殊情况下小车需要在平路自动行驶，例如在遇到有一定坡度的路面上就需要小车通电行驶。爬楼梯小车在上楼梯的时候实际上是将电能转化为重力势能的过程。小车的三星轮组上楼梯时需要进行翻滚，在与地面接触时小车的轮子只做纯滚动运动，滚动摩擦力偶极小所以忽略不计，小车攀爬楼梯时所需要的电机平均输出功率就是重力对小车输出功率的绝对值。因此，爬楼梯时小车所需要的平均输出功率P0为： P0=Gvsin （3.8）式中v是小车沿楼梯上升的平均速度，v和小车每分钟攀爬楼梯的高度h与时间t的比值，即：vsin=ht （3.9）由设计可得，小车每分钟可以爬上9级台阶，每级台阶高为160mm，所以可以得出h=1440mm，t=60s ，将这两个数据带入到上面的两个式中可以计算得到：P0=22.4w 小车在攀爬楼梯的过程中，小车车身和货物的重心位置会随着三星轮组的翻转而上下起伏，电机输出扭矩的大小每一时刻都不容易被确定，我们可以对小车上楼梯过程中电机输出扭矩的最大值Tmax进行求解。假设一下小车的三星轮组始终保持水平在翻转过程中，小车攀爬楼梯时电机需要输出的最大扭矩Tmax就是小车三星轮组中心轴承受的最大作用力与最大作用距离的乘积。乘坐者和轮椅的总重力 G是三星轮组承受最大作用力，行星架的长度 R为最大作用距离，小车在攀爬楼梯时电机输出的最大瞬时功率为： P2=GR2n60 (3.10)将所得数据代入：G=850N,R=120mm,n=3可以计算得出:P2=32w3.1.2选择小车电机由上文已知小车在地面行走所需最大功率为 114W，综合考虑功率储备和传动效率，最小电机功率P3为： P3=P1K1 (3.11)上式中：总传动效率； K1功率储备系数；在这里取=0.8；K1=1.1,那么可以得到P3=152W。设计两台相同的电机作为该设计的动力系统，每一台电机的功率都要大于等于76W。我选取的电机为MY1016Z-100W24V，电机的最大输出功率为100W。因为设计的小车的平地行走的最大速度v为 3.6km/h，那么可以得到减速电机的最大输出转速为： n=v106120r=128rmp 然后将小车在坡面行驶时的最大设计速度带入式（2-14）中，可以得到小车在坡面行驶时的电机转速为64rmp。攀爬过程中，电机输出功率会发生变化，所以攀爬电机的功率不能低于小车在攀爬楼梯时的最大瞬时功率，在此同时电机还能保持3rpmmin。所以爬楼梯小车的电机需要选择一种低速大扭矩电机。一般的直流无刷电机的转速高达3000rpm，那么减速器的减速比应该为1000:1。减速比过大会导致减速器体积急剧增大，不符合国家标准规定。步进电机具有低转速、大扭矩的特点可以成为小车爬楼梯电机的最佳选择。要将步进电机的扭矩双向输出至后桥三星轮组，在这里选用与电机匹配良好的双向输出蜗轮蜗杆减速器。本文选取的步进电机功率在考虑机构传递效率及功率储备情况下的最小输出功率P4为： P4=P2K2 (3.12)取K2=1.2；=0.75；那么P4=68W。因此选择应用较为广泛的 86BYG250H86 型步进电机，电机在转速虽然低于200rmp，最大扭矩输出还是有12Nm。由最大扭矩输出T计算出电机减速之前转速最小值为： n1=60P42T=63rp 因为涡轮蜗杆减速器的减速比大多都为5的整数倍，因此选择市面常见的NMRV050 型双输出涡轮蜗杆减速器，它的减速比为25。由此能够推算出步进电机在小车攀爬楼梯时的转速应控制在70rpm。3.2爬楼梯小车货箱选择小车的货箱是小车的核心结构，货箱用于载货。本文设计的小车的货箱设计理念是以超市购物车为设计原型。小车货箱既能装载一定的货物还留有幼儿乘坐的位置，将两者结合大大的方便了人们的日常生活。如表3.1所示是一些货架的尺寸参数以及材料结构：表3.1货箱基本内容与参数 单位：（mm）内容项目基本参数金属货架日式货架双层货架便携式货篮 575*490*350590*484*463850*510*440868*496*527（75L）由表中数据可以选择便携式货篮868*496*527（75L）作为本次设计爬楼小车的货箱。参考建筑楼梯模数协调标准的内容规定33，选取楼梯高度为 160mm，宽度为 320mm 是本次设计的楼梯标准。3.3爬楼梯小车三星轮组的尺寸设计三星轮组是此次设计的攀爬机构的重要部分。由星轮与齿轮箱组成三星轮板。小车的攀爬楼梯轨迹是由星轮和齿轮箱的尺寸参数共同决定的。 小车在攀爬楼梯时，由于自锁机构的作用前后三星轮组的所有星轮都无法自由旋转，整个车身要完成爬楼动作必须由三星轮组的同步翻转来带动，所以在这里可以把星轮与台阶平面间的相对滑动忽略掉。因为小车的三星轮组的外形尺寸是完全相同的，都是在链传动系统的作用下，三星轮组的翻转速度是相同的。所那么只对其中一组三星轮进行尺寸研究。图3.1小车三星轮翻转示意图在图 3.1中描述三星轮组翻转时的最开始状态，虚线是描述翻转过程中的运动状态，三星轮组完成一个翻转周期后到达上一级台阶这一状态是由双点划线所描述的。假设每组三星轮每经过一个周期的翻转后，都能保持每级台阶的前后位置相对于翻转前后位置不变，即： c+d=f （3.13）那么小车在三星轮组同步翻转以及着地星轮不打滑的情况下，无论小车攀爬多少级的台阶，小车车身的位置都相对于每一级台阶的前后位置为定值，小车在爬楼时所承载的货物质心轨迹是呈现平稳上升的周期性变化。结合这种情况，那么就可以很容易的对整个爬楼梯的过程进行控制，同时星轮和台阶之间的摩擦与碰撞还被大大减少，小车的滑落现象还能被避免，小车的稳定性得到了提高。这种攀爬状态可以称之为小车的理想攀爬状态。在小车理想攀爬状态的一个周期内，三星轮组是把上一级台阶的轮子着地点来作为翻转点进行翻转。星轮翻转的过程中，小车的其他两个星轮都已经离开楼梯地面，这着地星轮进行纯滚动运动。星轮的滚动距离 e 为： e=2r3 （3.14）从上式可以得到： e+f=a (3.15)由勾股定理可以得出星轮间的中心距离L为： L2=f2+b2 (3.16)小车行星架的长度与星轮中心距离的关系为： L2=3R2 (3.17)把文中上式进行联立可以计算得到： R=3a-(2r3)2+b23 （3.18） 上式中r是小车星轮的半径。由式（3.22）能够得到，理想攀爬状态下的小车，小车的三星轮半径r和行星架长度R有非线性反比关系，前提是楼梯的尺寸一定。假设把小车是进行理想的攀爬楼梯状态，在小车攀爬的高度与设计楼梯尺寸相同而楼梯台阶宽度不同时，小车的三星轮组就会使攀爬状态也发生变化，具体的情况变化如下：（1）在台阶宽a和最开始设计尺寸没有较大差别的情况下，小车在上楼梯过程中星轮翻转结束时，每一个周期内三星轮组的翻转就会带动着地星轮做纯滚动运动，小车的星轮组的中心距离台阶侧面长度与距离c之间有一个绝对偏差 x。假设小车攀爬了n级台阶，结束攀爬后，小车的三星轮组和台阶侧面的距离与最开始三星轮组翻转比较，这样将绝对偏差累积为nx。在nxc-r同时满足nxd的情况下，小车在攀爬的过程中就不会发生滑落现象，同时在这种攀爬状态下一样的会存在周期性攀爬轨迹。我们可以把这种攀爬状态看作是小车的理想攀爬状态。（2）在楼梯的台阶宽度a比原来的尺寸要小的时候，小车的三星轮组一个周期的运动结束之后，相较于理想攀爬位置都会向前偏移一些距离。小车爬楼梯的时候翻转到n1级台阶时,同样的会把绝对偏差累积为n1xc-rn1-1x，那么可以把小车三星轮组之前翻转n1-1次的状态全部看作是理想的小车攀爬状态。但是存在绝对偏差的累积，小车的三星轮组从n1翻转之后，小车的另一个星轮在和楼梯台阶发生接触之前，台阶侧面就已经被纯滚动运动的星轮所触碰。那么小车的三星轮组再进行翻转，就会发生其中的星轮和楼梯的台阶侧面产生摩擦，一直持续到此次星轮翻转过程的结束。在之后的攀爬过程中很显然不能够算作理想的攀爬状态，由于星轮在于台阶发生了摩擦，小车的状态成为了自由下落状态，小车滑落的现象同样不会发生，这样小车所承载的货物的安全性得到了保证，同时小车爬楼的稳定性也得到了保障。所以，可以接受以上所介绍的小车爬楼梯的状态。（3）在楼梯的台阶宽度a比原来的尺寸要大的时候，小车的三星轮组一个周期的运动结束之后，相较于理想攀爬位置都会向后偏移一些距离。小车爬楼梯的时候翻转到n2级台阶的时候，这时候绝对偏差会累积到n2xdn2-1x。那么可以把小车三星轮组之前翻转的n2-1次状态全部看作是理想的小车攀爬状态。小车的三星轮组进行到n2反转时，正常情况下行路难应该搭上楼梯台阶，但是因为小车在上楼的时候回累计一定的绝对偏差从而不能实现攀爬楼梯。这种情况下的小车额三星轮组会和楼梯的棱角产生碰撞，小车会发生滑落现象，这种攀爬的情况是不成功的。小车这种情况下的攀爬过程中会出现很多不能够确定的碰撞与滑落现象，这就使小车三星轮组在n2次之后的翻转有着很大的不确定性，小车同样就不能遵循设计的爬楼轨迹进行爬楼工作。同时小车的安全性会大大降低以及稳定性会因为产生滑落现象而受到较大的影响，所以，楼梯台阶宽度过大的时候需要对小车的三星轮组尺寸进行重新设计。从上文分析可以得知，在楼梯的台阶高度和宽度发生变化时，可以得出结论。所以在这里，由于小车的三星轮组是参照小车的理想的攀爬状态来进行设计的，所以在上文所说的情况中该三星轮组还是具备一定的适应性。小车在攀爬过程中如果发生滑落，就要赶快调整三星轮组的尺寸，避免危险情况的发生。 楼梯的台阶尺寸可以测量得到星轮半径r与行星架长度R的关系，但是其它的约束会限制半径r。得出条件： L2r （3.19）将上面的公式联立起来可以得到： a-2r32+b22r (3.20)由于a=160mm，b=320mm代入可以算出得到： r90mm 由图3-2所示可知，小车的三星轮组在完成一个周期的翻转后，要让小车保持平衡即使不受电机作用的情况中，位于小车最下面的行星架与水平面夹角 90，也就是当60时小车就可以在楼梯上保持平衡。得出下面的公式：图3.2小车的三星轮翻转示意图 bftan60 (3.21)将文中的式(3.18)、（3.19）进行联立得： ba-2r3tan60 (3.22)再代入a和b的值可