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履帶－輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì) 摘 要 隨著社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)文明程度的進(jìn)步，老年人與殘障人員愈來(lái)愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來(lái)改善他們的生活質(zhì)量，而爬樓梯對(duì)于老年人和殘疾人行動(dòng)不方便的，非常困難，所以要增加輪椅自動(dòng)化程度，于是我們?cè)谠喴蔚幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和加裝爬樓機(jī)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅具有爬樓功能，爬樓時(shí)用履帶驅(qū)動(dòng)，平地時(shí)可像普通輪椅用輪驅(qū)動(dòng)也可輪椅稍后仰用履帶驅(qū)動(dòng)。此車(chē)在輪椅的基礎(chǔ)上安裝履帶裝置、升降機(jī)構(gòu)、電機(jī)、以及控制電路、控制設(shè)備，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率，減少他們的困難、提高生活質(zhì)量、滿足市場(chǎng)需求為目的。爬樓梯車(chē)具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、活動(dòng)范圍大等特點(diǎn)，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，爬樓梯電動(dòng)輪椅的需求量逐年增加，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，爬樓梯電?dòng)輪椅行業(yè)具有廣闊的發(fā)展機(jī)遇和良好的投產(chǎn)前景。 關(guān)鍵詞：爬樓梯，電動(dòng)，輪椅，履帶輪式 II 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 of a wheelchair to improve and the installation 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 目 錄 IV 第一章 綜述 1 1.1 爬樓梯輪椅的意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2.1 國(guó)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2.2 國(guó)內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 4 1.3 本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的與主要研究?jī)?nèi)容 5 1.3.1 課程設(shè)計(jì)目的 5 1.3.2 課題研究?jī)?nèi)容 6 1.4 設(shè)計(jì)進(jìn)程安排 6 第二章 履帶爬樓裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 2.1 爬樓機(jī)構(gòu)的比較 8 2.2 設(shè)計(jì)思路 9 2.3 履帶輪式輪椅爬樓原理 10 2.4 履帶爬樓過(guò)程分析 11 2.5 爬樓性能參數(shù) 13 2.6 履帶爬樓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 2.7 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16 2.8 本章小結(jié) 18 第三章 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 3.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機(jī)選擇 19 3.2 電池選擇 20 3.3 電動(dòng)車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 21 3.3.1 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電動(dòng)車(chē)性能影響 21 3.3.2 現(xiàn)有電動(dòng)車(chē)電機(jī)存在主要問(wèn)題及探索 21 3.4 直流電機(jī)機(jī)械特性 22 3.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 3.6 本章小結(jié) 28 第四章 典型零部件設(shè)計(jì)及校核計(jì)算 29 4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 29 4.2 軸的計(jì)算 30 第五章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告 39 5.1 履帶輪式輪椅技術(shù)分析 39 5.2 履帶輪式輪椅經(jīng)濟(jì)分析 39 5.3 履帶輪式輪椅結(jié)論和展望 40 參考文獻(xiàn) 41 致 謝 42 第一章 綜 述 1.1 爬樓梯輪椅的意義 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，但樓梯卻使輪椅受到很大限制，因此研發(fā)價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用的爬樓梯輪椅是康復(fù)工程工作者面臨的一項(xiàng)比較緊迫的任務(wù)。樓梯的出現(xiàn)是人類(lèi)建筑史上的一個(gè)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(jìn)出高層建筑物提供了方便的通道。尤其是在人口數(shù)量日益增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代化社會(huì)中，為了提高人均住房面積，改善人們的生活質(zhì)量，高樓別墅不斷涌現(xiàn)。然而，在發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，樓梯對(duì)老年人、肢體殘障人士的出行帶來(lái)了很多不便，對(duì)他們的行動(dòng)造成了障礙，影響了他們與外界的溝通和交流。這個(gè)問(wèn)題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多顯得日益突出。[1] 老年人和殘疾人比例的顯著增加給經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展都帶來(lái)了很大的影響， 醫(yī)療、護(hù)理、社會(huì)服務(wù)等各方面需求的壓力也越來(lái)越大。為關(guān)心老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質(zhì)量，減輕醫(yī)療護(hù)理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助殘運(yùn)動(dòng)裝置也應(yīng)運(yùn)而生。 日本的身體殘疾者中，肢體殘疾者占60%，而且有近半數(shù)是下肢殘疾者。造成下肢殘疾的原因，過(guò)去多是戰(zhàn)爭(zhēng)和工傷，近年來(lái)則越來(lái)越多的是交通事故和運(yùn)動(dòng)、娛樂(lè)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?cè)斐蓺埣驳那闆r也越來(lái)越多。下肢最重要的功能是行走。一旦不能行走，不用說(shuō)到室外，就是在室內(nèi)移動(dòng)也很困難，其生活空間大受限制。老年人若周?chē)鷽](méi)有適當(dāng)?shù)娜苏疹?，容易變成臥床不起的狀況。若是輕度殘疾，使用手杖等簡(jiǎn)單的輔助工具，就可以在與健康人相同的范圍內(nèi)移動(dòng)。但以自身之力不能步行時(shí)，就必須用輪椅作為移動(dòng)工具。使用輪椅時(shí)，靠自身之力就可以移動(dòng)到想去之處，所以其使用價(jià)值非常高。但對(duì)于使用輪椅者，還有一些問(wèn)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(dòng)范圍，影響其走向生活和回歸社會(huì)的深度和廣度。為此，人們從以下方面解決這一問(wèn)題:房屋和各種公共建筑設(shè)施的無(wú)障礙設(shè)計(jì)，在公共場(chǎng)所設(shè)置輪椅上、下樓梯的固定搬運(yùn)裝置、便攜式輪椅搬運(yùn)小車(chē)、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(shè)計(jì)成手動(dòng)型或電機(jī)驅(qū)動(dòng)型。由于它們具有機(jī)動(dòng)靈活、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，吸引了眾多學(xué)者從事該項(xiàng)研究。本文就 41 是為了能解決以上所遇到的問(wèn)題而專門(mén)設(shè)計(jì)的一種爬樓輪椅。目前,國(guó)外已有許多種爬樓梯輪椅的發(fā)明專利問(wèn)世。然而,它們多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,不完全適合于發(fā)展中國(guó)家使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)爬樓梯功能的爬樓梯輪椅。與已有的其它專利相比,其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、制造成本也更為低廉, 而且,它可以很容易地從爬樓梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換到平地行走狀態(tài)。所以,它對(duì)于輪椅使用者是非常適合的,特別對(duì)于發(fā)展中國(guó)家的使用者更是如此 。隨著社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)文明程度的提高，人們別是身體有各種殘障的社會(huì)成員愈來(lái)愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來(lái)改善他們的生活質(zhì)量，拓展生活自由度。另一方面，因?yàn)楦鞣N交通事故， 天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬(wàn)的人喪失一種或多種能力（如行走，動(dòng)手能力等）。因此，用于幫助殘疾人行走的智能移動(dòng)輪椅的研究越來(lái)越熱烈。此方面的研究對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)人口結(jié)構(gòu)即將進(jìn)入老齡化的國(guó)家更是具有非常重要 的社會(huì)和現(xiàn)實(shí)意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1 國(guó)外爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 履帶式爬樓梯裝置的原理類(lèi)似于履帶裝甲運(yùn)兵車(chē)或坦克，其原理簡(jiǎn)單，技術(shù)也比較成熟。如圖 1.1(a)所示是英國(guó) Baronmead 公司開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車(chē)，底 圖 1.1 國(guó)外爬樓梯輪椅 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 一 20 個(gè)臺(tái)階。圖 1.1(b)是法國(guó) Topchair 公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車(chē)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(guò)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(chē)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。日本長(zhǎng)崎大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基礎(chǔ)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(cè)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(shí)，座椅傾角過(guò)大而影響 使用安全的問(wèn)題。圖中履帶式爬樓梯裝置履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時(shí)先將輪椅抬高，再水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類(lèi)爬樓的動(dòng)作，外觀可視為足式機(jī)器人，采用多條機(jī)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(xué)理工學(xué)術(shù)院高西淳夫教授的研究室以及日本機(jī)器人開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè) Tmsuk 聯(lián)合開(kāi)發(fā)的雙足行走機(jī)器人“WL-16RIII”，如圖 1.2(a)所示，它由兩條機(jī)械腿支撐一個(gè)座椅構(gòu)成，每條機(jī)械腿有 6 個(gè)自由度，可向前、后、側(cè)面移動(dòng)，座椅底部裝有陀螺儀，每條腿上裝有壓力傳感器，通過(guò)傳感器采集信息，控制其實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)保持重心平穩(wěn)。WL 一 16RIII 兩腿前后伸展距離最長(zhǎng)為 1.02 米，左右最長(zhǎng) 1.36 米，每條腿上下運(yùn)動(dòng)幅度最大 0.34 米。日本長(zhǎng)崎大學(xué)機(jī)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(gòu)成，集步行式與輪組式設(shè)計(jì)理念于一體。裝置通過(guò)星型輪的翻轉(zhuǎn)上下樓梯，座椅底部的傳感器檢測(cè)裝置的平衡情況，控制操作桿自動(dòng)調(diào)節(jié)使裝置在爬樓過(guò)程中始終位于穩(wěn)定裕度內(nèi)。在平地使用時(shí)，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(diǎn)是爬樓幅度較高，甚至能自行上下貨車(chē)。 步行式爬樓梯裝置爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯;但它對(duì)控制的要求很高，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:此外，座椅距 地面的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。國(guó)外比較具有代表意義的是德國(guó)Alber 公司開(kāi)發(fā)的scalamohile 爬樓梯輔助裝 置，如圖 1.3(a)所示。它是獨(dú)立于輪椅的一種輔助裝置，左右兩側(cè)各有兩組爬樓梯輪。它可以方便地和輪椅結(jié)合，依靠這兩組輪子的輪流翻轉(zhuǎn)上下樓梯。同時(shí)， 每個(gè)輪子上都設(shè)有自動(dòng)剎車(chē)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。 除了在輪椅上安裝輔助設(shè)備外，還出現(xiàn)了一批承載輪椅上下的平臺(tái)裝置，這些裝置大多基于樓梯軌道運(yùn)行，原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。圖 l.3(b) 是加拿大GaraventaLift 公司生產(chǎn)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(tái)裝置上沿軌道實(shí)現(xiàn)上下樓的運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)裝置在歐美國(guó) (a) (b) 圖 1.3 家比較具有使用潛力，因?yàn)闅W美以獨(dú)立別墅居多，以獨(dú)門(mén)獨(dú)戶為單位，使這種平臺(tái)裝置與住房的結(jié)合易于實(shí)現(xiàn);而國(guó)內(nèi)城市以多層公寓式樓房居多，統(tǒng)一鋪設(shè)軌道需要很大的代價(jià)，不切實(shí)際。此外，戶外樓梯各式各樣，針對(duì)不同形式的樓梯， 需要設(shè)計(jì)不同的軌道，代價(jià)過(guò)高，不易推廣。[1] 1.2.2 國(guó)內(nèi)爬樓梯輪椅的發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)對(duì)此類(lèi)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。 我國(guó)在上世紀(jì)八十年代對(duì)輪組式爬樓梯裝置已有研究，1987 年專利號(hào)為86210653 的國(guó)家專利中介紹了一種平地、樓梯運(yùn)行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個(gè)星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下樓。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 圖 1.4 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。東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院設(shè)計(jì)的爬樓輪椅采用了四組星形輪，每三個(gè)一組，共十二個(gè)輪子，除能爬樓梯外還具有遙控的功能。國(guó)內(nèi)研究的比較多的是手動(dòng)爬樓梯的輪椅，清華大學(xué)精密儀器及機(jī)械學(xué)系康復(fù)工程研究中心已經(jīng)取得了手動(dòng)爬樓梯輪椅的專利，如圖 1.4 所示。它是在普通輪椅上加設(shè)一套爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，既可以在平地行駛，又可以僅憑借使用者雙臂的力量使輪椅上、下樓梯。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉， 符合我國(guó)的國(guó)情:但是設(shè)計(jì)中仍存在一些問(wèn)題，如輪椅在爬樓過(guò)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(wèn)題以及反向自鎖問(wèn)題等，其研究也僅停留在理論水平的基礎(chǔ)上，并未投入實(shí)際應(yīng)用。 1.3 本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的與主要研究?jī)?nèi)容 1.3.1 課題設(shè)計(jì)目的 履帶輪式輪椅具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、活動(dòng)范圍大等特點(diǎn)，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，殘疾人對(duì)爬樓車(chē)的需求量逐年增加，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，爬樓梯輪椅行業(yè)具有廣闊的發(fā)展機(jī)遇和良好的投產(chǎn)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(chǎng)廣闊設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)電動(dòng)爬樓車(chē)，實(shí)現(xiàn)減輕殘疾人要求、提高適應(yīng)人群、滿足市場(chǎng)的需求為目的。 1.3.2 課題研究?jī)?nèi)容 步行式爬樓梯裝置體積龐大，缺乏靈活性且控制復(fù)雜，技術(shù)要求較高;其它附加的輔助裝置雖然穩(wěn)定性相對(duì)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(shù)要求很高。在比較了各類(lèi)爬樓梯裝置的優(yōu)缺點(diǎn)后參考模塊化可重組履帶結(jié)構(gòu)原理，將爬樓功能與普通輪椅相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種爬樓梯裝置。它在平地行走時(shí)利用輪式機(jī)構(gòu)，爬樓梯時(shí)放下履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。 （1）分析爬樓梯時(shí)各部分元件以及樓梯的受力根據(jù)傳統(tǒng)履帶方式爬樓梯的力學(xué)分析用AutoCAD繪制履帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖。 （2）根據(jù)重量尺寸，選擇電機(jī)。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶完成爬樓梯的功能。 設(shè)計(jì)后應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能： 1.適用性廣，應(yīng)能攀登多種尺寸的樓梯; 2.操作過(guò)程盡量簡(jiǎn)單，平地行駛與上下樓梯兩種工況的轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單易行; 3.乘坐要平穩(wěn)舒適，爬樓梯時(shí)坐位應(yīng)基本保持水平狀態(tài) 4.輪椅結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。擬解決的主要問(wèn)題： 1.爬樓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 2.爬樓梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析。 3.電機(jī)，電池的選擇。 4.電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 1.4 設(shè)計(jì)進(jìn)程安排 根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案，本項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)工作分為以下四個(gè)階段： 1. 調(diào)研階段 包括調(diào)查國(guó)內(nèi)外電動(dòng)爬樓車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r，調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)、研究分析現(xiàn)有爬樓車(chē)的結(jié)構(gòu)性能、并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案論證等，在此階段我主要對(duì)我國(guó)所生產(chǎn)的手動(dòng)爬樓車(chē)進(jìn)行了分析研究，初步明確了設(shè)計(jì)思路，并初步定下了設(shè)計(jì)方案。 2. 各個(gè)模塊的研究分析階段 本設(shè)計(jì)課題主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：電機(jī)的設(shè)計(jì)選擇；履帶裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算；升降裝置的選擇。此階段是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)定型階段，在此階段，我通過(guò)不斷對(duì)比手動(dòng)輪椅和電動(dòng)輪椅的各種優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行比較和改進(jìn)。以及在電機(jī)的選用上，分析比較了在這種場(chǎng)合中使用交流電機(jī)還是使用直流電機(jī)，使用交流電 機(jī)就不用在輪椅上安裝電池，這會(huì)給使用帶來(lái)很大的不便，那樣要移動(dòng)多少距離就得要多長(zhǎng)的電線，而且還有安全危險(xiǎn)。所以選用了直流電機(jī)安裝電池的方法。在傳動(dòng)方面，比較了各種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選用了橡膠履帶傳動(dòng)，因?yàn)樵谂罉擒?chē)方面，要求安全系數(shù)比較高，摩擦力大不容出現(xiàn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)。 3. 設(shè)計(jì)階段 在該階段，主要工作就是對(duì)已經(jīng)確定下來(lái)的各個(gè)模塊進(jìn)行適用性分析，主要考慮各個(gè)模塊的力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核，并確定各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體尺寸和具體裝配方法，繪制機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖、電路控制圖等。 4. 總結(jié)階段 在設(shè)計(jì)的最后，要對(duì)自己所做過(guò)的材料進(jìn)行整理，對(duì)自己所做過(guò)的研究進(jìn)行分析，完成畢業(yè)論文設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)，修改整理機(jī)械設(shè)計(jì)圖和電路控制圖，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析及適用性分析。 第二章 履帶爬樓裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 爬樓機(jī)構(gòu)的比較 爬樓機(jī)構(gòu)按其運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以分為星型輪機(jī)構(gòu)和履帶輪機(jī)構(gòu)兩種，其中履帶輪機(jī)構(gòu)相對(duì)比較成熟在可以爬樓梯防暴機(jī)器人等類(lèi)似裝置中應(yīng)用的比較廣泛。 星型輪式爬樓梯輪椅的爬樓梯機(jī)構(gòu)由均勻分布在“Y”形或“+”字形系桿上的若干個(gè)小輪構(gòu)成。各個(gè)小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。在平地行走時(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)；而爬樓梯時(shí)，各小輪一起公轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。星型輪多的優(yōu)點(diǎn)是輪椅爬樓梯時(shí)的穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)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(shí)施和推廣很少的主要原因。 還有一種爬行機(jī)構(gòu)是由三組帶有滑道的輪組構(gòu)成的。當(dāng)車(chē)輪抵住臺(tái)階之后， 臺(tái)階自然會(huì)對(duì)輪組中的一個(gè)產(chǎn)生阻力，當(dāng)繼續(xù)施加動(dòng)力時(shí)，則滑輪將向滑道的后方滑動(dòng)?；喼行奶岣?，從而將車(chē)輪抬起。如此反復(fù)進(jìn)行，從而達(dá)到上臺(tái)階的目的。這種輪椅的不足是結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。 履帶型機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅應(yīng)用較多，它采用比星型輪機(jī)構(gòu)更為連續(xù)的行走方式，傳動(dòng)效率比較高。在上下樓梯過(guò)程中，輪椅的重心總是沿著與樓梯臺(tái)階沿的連線相平行的直線運(yùn)動(dòng)，其重心的波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)。[2] 通過(guò)對(duì)比可以看出履帶爬行機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性，本設(shè)計(jì)就是采用的履帶型爬樓機(jī)構(gòu)。 2.2 設(shè)計(jì)思路 本次畢設(shè)查閱很多的文獻(xiàn)資料，國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟的產(chǎn)品，結(jié)合前蘇聯(lián)的專利和國(guó)內(nèi)一個(gè)發(fā)明，根據(jù)大學(xué)中所學(xué)所用過(guò)的知識(shí)以及相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了履帶輪式輪椅。 主要資料： 履帶爬行式前蘇聯(lián)的專利 1553-120 屬履帶式。爬樓梯時(shí)，用手輪來(lái)調(diào)整座椅的水平。動(dòng)力由大輪經(jīng)鏈條帶動(dòng)爬梯傳動(dòng)鏈。該輪椅具有較好的穩(wěn)定性與安全性。六輪移動(dòng)式（4 個(gè)行走輪和2 個(gè)爬行輪都為驅(qū)動(dòng)輪，在平面上運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人擺起兩個(gè)擺臂，以普通的 4 輪方式行駛，爬樓梯時(shí)，將通過(guò)兩個(gè)擺臂的擺動(dòng)， 帶動(dòng)兩個(gè)爬行輪.協(xié)調(diào)自身的姿態(tài)以適應(yīng)樓梯地形。） 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(chǔ)上加裝了一個(gè)履帶機(jī)構(gòu)并且在履帶后部加裝了以一個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，上下樓梯時(shí)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)以此來(lái)實(shí)現(xiàn)上下樓功能。但此發(fā)明不具備轉(zhuǎn)向和調(diào)速功能。 本文設(shè)計(jì)的這種履帶輪式爬樓梯輪椅在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用比較適應(yīng)當(dāng)前中國(guó)國(guó)情。整體設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)、動(dòng)力裝置、電器設(shè)備。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括各個(gè)裝置設(shè)備的由來(lái)、結(jié)構(gòu)、校核等。 機(jī)械結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)主要包括底盤(pán)、履帶裝置、升降裝置三部分。下面分別介紹三部分的結(jié)構(gòu)和所用材料。底盤(pán)：底盤(pán)是是履帶裝置的支撐體，主要由高強(qiáng)度工程塑料制成。履帶裝置：采用類(lèi)似于V帶傳動(dòng)來(lái)連接橡膠履帶。通過(guò)軸用鍵連接驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪與橡膠履帶嚙合而達(dá)到行走的目的。因?yàn)榭紤]到要有轉(zhuǎn)向功能，所以采用雙履帶機(jī)構(gòu)，中間通過(guò)底盤(pán)連接，兩側(cè)履帶分別安裝電機(jī)，通過(guò)兩側(cè)速度差來(lái)完成轉(zhuǎn)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(dòng)方面： 傳動(dòng)件主要有橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)輪連接，軸和蝸輪蝸桿減速器之間用聯(lián)軸器傳動(dòng)。動(dòng)力方面： 動(dòng)力件主要是電動(dòng)機(jī)，為輪椅提供動(dòng)力。由于爬樓輪椅的運(yùn)動(dòng)特性，要求爬樓輪椅用的電源為移動(dòng)式的，所以就必須選用低壓直流電機(jī)。因?yàn)榕罉翘輹r(shí)履帶 速度不能過(guò)快，否則會(huì)有傾倒的危險(xiǎn)。一般直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為幾千轉(zhuǎn)，所以需選用傳動(dòng)比較大的蝸輪蝸桿減速器減速器使履帶速度在一個(gè)安全范圍內(nèi)。 控制方面： 根據(jù)直流電機(jī)機(jī)械特性選擇合適的直流電機(jī)控制器，進(jìn)行接線使履帶輪式輪椅實(shí)現(xiàn)起停，前進(jìn)，后推轉(zhuǎn)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(shí)履帶輪式輪椅狀態(tài) 在平地時(shí)，輪椅與履帶保持水平，用輪椅大輪驅(qū)動(dòng)，履帶前部的升降機(jī)構(gòu)已處于最低位置。使履帶裝置不接觸地面。如需用履帶驅(qū)動(dòng)，則將升降機(jī)構(gòu)伸長(zhǎng)一小段距離使輪椅稍后傾，讓輪椅大輪離開(kāi)地面。 圖2.4 上樓梯時(shí)履帶輪式輪椅狀態(tài) 上下樓梯時(shí)，驅(qū)動(dòng)履帶前部的升降裝置，手動(dòng)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(guò)程分析 如下圖所示，假設(shè)傳統(tǒng)履帶形式輪廓為長(zhǎng)圓形。即中段為長(zhǎng)度L的直線履帶， 兩端為直徑為D的半圓履帶。履帶的質(zhì)量分布均勻，重心在幾何對(duì)稱中心。又設(shè)單級(jí)樓梯的高度為H ，寬度為W。履帶爬越樓梯的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。第一 圖2.5 履帶翻越樓梯第一階段 個(gè)階段是從平地攀上第一級(jí)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： 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(shí)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(diǎn)為支點(diǎn)，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T(mén)1、G對(duì)A點(diǎn)的力臂，ω為履帶抬起的 角速度， L* 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量．根據(jù)上式，可以得到以下定性的結(jié)論： 在履帶攀越第一階樓梯時(shí)，攀越成功的必要條件是重心在行進(jìn)方向上“超越” 了翻越支點(diǎn)A點(diǎn)，即L2>0．重力提供了全部的翻轉(zhuǎn)力矩，履帶的移動(dòng)會(huì)加快重心的“超越”，提供更大的翻轉(zhuǎn)力臂，加速翻轉(zhuǎn)過(guò)程．翻轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)是重心處于A點(diǎn)正上方的時(shí)候，此時(shí)L2=0，履帶軸線和水平地面的夾角稱為翻轉(zhuǎn)臨界角q * 當(dāng)“翻越”發(fā)生前，即ω為逆時(shí)針時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量ω L* 要小，以便于克服重力翻轉(zhuǎn)力矩，因此應(yīng)該降低履帶的運(yùn)行速度；當(dāng)“翻越”發(fā)生時(shí)，ω為順時(shí)針， 此時(shí)履帶的后端接地點(diǎn)已經(jīng)離開(kāi)地面，不再存在，因此可以加快履帶運(yùn)行速度， 使得L2迅速變大，加快翻越過(guò)程。 根據(jù)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/ 2Sinq + K (1- Secq )] K = D / 2L 計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)L／D=3時(shí)，最大翻越高度約等于0.3L，此時(shí)q * 約等于50 度；當(dāng)L／D=7時(shí)，最大翻越高度約等于0．35L，此時(shí)q * 約等于50度?？梢?jiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)的長(zhǎng)圓形節(jié)線履帶，只有增大長(zhǎng)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。 H 2 + W 2 在第二階段，履帶的姿態(tài)保持不變，為了穩(wěn)定地運(yùn)行，履帶的長(zhǎng)度一般保證能夠同時(shí)和樓梯的3個(gè)尖角接觸。為此： L 2 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。能滿足爬第一階樓梯的要求。根據(jù)以上分析計(jì)算，可知用傳統(tǒng)長(zhǎng)圓節(jié)線履帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬樓功能時(shí)，履帶的中心長(zhǎng)度很難小于60cm，整個(gè)機(jī)器人的長(zhǎng)度則要達(dá)到80cm以上。[5] 圖2.6 履帶翻越樓梯第二階段 2.5爬樓性能參數(shù) 為使這款裝置能滿足普通居民的使用需求，需要了解我國(guó)普通住宅的樓梯尺寸。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》住宅樓梯梯段凈寬不應(yīng)小于 1.10 米，6 層及 6 層以下住宅，一邊設(shè)有欄桿的梯段凈寬不應(yīng)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)住宅樓梯踏步寬度不應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。普通住宅的層高一般為 2.80m，按一級(jí)臺(tái)階高度是 0.175m 計(jì)算，共 16 個(gè)臺(tái)階。 裝置與履帶尺寸的設(shè)置以上述普通住宅樓梯尺寸的要求為基準(zhǔn)。裝置的總體寬度應(yīng)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(yīng)大于踏步的高度，才能使履帶翻越樓梯。本文設(shè)計(jì)的是普通輪椅加裝履帶機(jī)構(gòu)，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(shí)輪椅與履帶保持平行。 所以在上下樓梯時(shí)，驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)上升使輪椅與履帶結(jié)構(gòu)為 30 度才能保證爬樓時(shí)輪椅保持水平狀態(tài)。 2.6 履帶爬樓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)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。 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(jī)構(gòu)采用的是螺旋千斤頂，千斤頂?shù)捻敳颗c底部經(jīng)焊接連接一個(gè)可以與輪椅和履帶裝置連接的鉸鏈機(jī)構(gòu)，以便可以轉(zhuǎn)動(dòng)。 方案 2 圖 2.9 方案 2 的三視圖 圖 2.10 方案 2 的主視圖 方案 2 采用的是升降機(jī)構(gòu)是分離式液壓千斤頂，千斤頂是由一個(gè)支撐油缸和一個(gè)手動(dòng)泵組成它們之間由一根油管連接，反復(fù)壓動(dòng)手動(dòng)泵使支撐裝置升降。 方案 1 與方案 2 都可以實(shí)現(xiàn)頂起放下輪椅的功能，但方案 1 采用螺旋千斤頂機(jī)構(gòu)由于導(dǎo)程的限制，會(huì)有些費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以重點(diǎn)研究方案 2。 2.7 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)普通輪輪椅高度和所設(shè)計(jì)履帶機(jī)構(gòu)高度選擇千斤頂 圖 2.11 千斤頂升降簡(jiǎn)圖 L 為千斤頂高度最低時(shí)的長(zhǎng)度， L 為千斤頂頂起輪椅一定角度時(shí)的長(zhǎng)度。L=BC, L = BC ,AB 為坐椅，通過(guò)千斤頂座椅轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度BAB 根據(jù)圖紙 BC=381mm AB= AB =316 因?yàn)榇蟛糠謽翘萜露葹?30o 所以上樓梯是至少把座椅順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 30o ， BAB = 30o 根據(jù)正余弦定理 BB = SinBAB AB SinBB A BB =162.89 B C 2 = BC 2 + BB 2 - 2BC BB CosCBB B C =540mm 所以 B C -BC=160mm 千斤頂行程最少為 160mm。 根據(jù)所算出行程，考慮千斤頂本身大小進(jìn)行選擇，在查閱大量的相關(guān)產(chǎn)品后選擇 了德國(guó)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(chǎn)品型號(hào) 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)由油箱 1、過(guò)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) 流閥 6—換向閥 7—液壓缸左腔，推動(dòng)活塞使其頂起重物。這時(shí)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(dòng)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(diào)節(jié)工作速度的,溢流閥是調(diào)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(chǎn)生一個(gè)足夠大的推力，而這個(gè)推力是由液壓缸中的油液壓力所產(chǎn)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(shuō)明了液壓傳動(dòng)的一個(gè)基本原理，及壓力取決于負(fù)載。 2.8 本章小結(jié) 本章首先給出了履帶輪爬樓梯裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了爬樓機(jī)構(gòu)的組成與構(gòu)造;然后對(duì)爬樓的機(jī)理和過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，設(shè)計(jì)出兩種方案并進(jìn)行比較，選擇了一個(gè)較為實(shí)用的方案即采用分離式液壓千斤頂式的履帶輪式爬樓機(jī)構(gòu)。 第三章 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 履帶爬樓梯裝置執(zhí)行電機(jī)選擇 技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)平地或爬樓等不同使用條件下的實(shí)際需要，參考國(guó)標(biāo) GB12996 一1991—電動(dòng)輪椅車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，確定控制系統(tǒng)的參數(shù)。參考國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電動(dòng)輪椅車(chē)的主要技術(shù)性能規(guī)定： 平地時(shí)最大運(yùn)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(shí)(一次行程 25 一 30km)。 電機(jī)選型 可供選擇的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。(l)步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速起動(dòng)與停止。它通常不需要反饋就能對(duì)位移或速度進(jìn)行精確控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。但是步進(jìn)電機(jī)能耗太大，速度也不高，且存在一個(gè)固有缺點(diǎn)，即在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大，不利于整個(gè)裝置的穩(wěn)定。 (2)無(wú)刷直流電機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換相電路取代了機(jī)械換相裝置，不僅繼承了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，且具有無(wú)噪音、免維護(hù)、可靠性高的優(yōu)越特性點(diǎn)。但比有刷電機(jī)控制復(fù)雜，價(jià)格高。 (3)直流電機(jī) 直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，具有很寬的調(diào)速范圍，且易于平滑調(diào)節(jié)。它具有控制特性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，滿足裝置對(duì)突發(fā)情況作出反應(yīng)的靈敏性要求;而且低速時(shí)平穩(wěn)性好，滿足了裝置在爬樓運(yùn)動(dòng)時(shí)低速穩(wěn)定性的要求;起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)，可以滿足裝置爬坡、翻越臺(tái)階的性能要求并且造價(jià)低，所以選用有刷直流電機(jī)。 電機(jī)功率計(jì)算 計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的功率。設(shè)裝置本身的質(zhì)量為 45kg，承載人員的最大體重不超過(guò) 85kg，因此車(chē)體和人員的總質(zhì)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(shí)需要克服車(chē)體和人的重力做功，車(chē)體和人組成的整個(gè)系統(tǒng)的重 心位于整車(chē)的后半部分，估算重力作用線與驅(qū)動(dòng)軸之間的垂直距離 L 為 60mm。所需克服阻力矩為:M=GL=(30+75)9.80.06=61.74Nm 爬樓最快速度:n=30rpm 驅(qū)動(dòng)輪最大角速度:Ω=2πn/60=3.14rad/s 爬樓時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大所需功率 P= MΩ=193.86W 所以選用中興公司的 80SRZ 直流電機(jī)分別安裝在兩條履帶上。 圖 3.1 有刷直流電機(jī)參數(shù) 3.2 電池選擇 為滿足裝置在室內(nèi)外均能使用的要求，必須實(shí)現(xiàn)自主供電，本文采用可充電電池作為車(chē)載電源。電池的選用需要考慮以下幾個(gè)因素:電池容量、電壓大小、重量、使用壽命以及價(jià)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。鎳氫電池、鎳鋅電池和鏗電池雖然性能優(yōu)越，使用壽命長(zhǎng)，但是價(jià)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(yīng)用歷史長(zhǎng)、相對(duì)更加成熟，改進(jìn)后的免維護(hù)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(yīng)用。因此，本裝置選用免維護(hù)鉛酸蓄電池作為供電能源。 3.3 電動(dòng)車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 直流有刷電機(jī),運(yùn)行可靠性高,調(diào)速性能好,過(guò)載能力強(qiáng),控制方法簡(jiǎn)單,雖熱存在電刷磨損需要維護(hù)問(wèn)題,但是在低速運(yùn)行時(shí),其電刷的磨損極小,一般在5000 小時(shí)以內(nèi)免維護(hù),因此它較適合用于低速的直接驅(qū)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。 3.3.1 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電動(dòng)車(chē)性能的影響 目前電動(dòng)車(chē)主要有三種:一是全電動(dòng)型自行車(chē)。二是電動(dòng)助力自行車(chē)(ＰＡ Ｓ),三是電動(dòng)摩托車(chē)。全電動(dòng)自行車(chē)完全依靠電力就可以行駛;電動(dòng)助力自行車(chē)電機(jī)的出力是需要人力的驅(qū)動(dòng)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(wú)論它們兩者有這樣那樣的區(qū)別,至少有一點(diǎn)是共同的,這就是要求人力能夠正常騎行,而電動(dòng)摩托車(chē)無(wú)需考慮人力騎 行問(wèn)題。由于受當(dāng)前電池技術(shù)的限制以及電動(dòng)自行車(chē)對(duì)蓄電池容量要求不高,當(dāng)前發(fā)展電動(dòng)自行車(chē)以及電動(dòng)助力車(chē)是較為適宜的。目前兩輪電動(dòng)車(chē)主要采用直流電機(jī)以及無(wú)刷直流電機(jī)。而開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以及交流異步電機(jī)主要用在電動(dòng)汽車(chē)。永磁直流電機(jī)以及永磁無(wú)刷直流電機(jī)當(dāng)前都有質(zhì)量較好的產(chǎn)品,如上海新聯(lián)的永磁直流有刷電機(jī)。南京天地的永磁無(wú)刷直流電機(jī)。目前,電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)方式有四種:輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式、中軸式、旁掛式、磨擦式由于磨擦式靠摩擦輪胎推進(jìn), 對(duì)輪胎的磨損較為嚴(yán)重,此外由于泥水等因素造成打滑現(xiàn)象,給雨雪天氣行車(chē)帶 來(lái)了困難和威脅,因此僅在極少場(chǎng)合下使用。當(dāng)前我國(guó)極大多數(shù)廠商的產(chǎn)品都采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式,采用這種方式的好處是:電動(dòng)車(chē)制造商可以不對(duì)車(chē)型 作大的改動(dòng),即可裝車(chē),這種方式比較容易在試制階段采用。但是從電動(dòng)車(chē)本身的兩個(gè)功能來(lái)看,采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式,由于磁阻造成的力矩,值得一提的是上述的驅(qū)動(dòng)方式還可以進(jìn)一步劃分,如除了輪轂直接驅(qū)動(dòng)方式外,輪轂電機(jī)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(dòng)自行車(chē)的電機(jī)功率 70～235Ｗ,主要為 135～180Ｗ。 按照轉(zhuǎn)速可以歸為三類(lèi):一是低速電機(jī),主要用于輪轂直接驅(qū)動(dòng)方式,電機(jī)轉(zhuǎn)速為174ｒｐｍ，二是中速電機(jī),800～1800ｒｐｍ,輪轂式齒輪減速以及 1 級(jí)減速的旁掛式(減速比為 1∶5);三是高速電機(jī)。2400～4500ｒｐｍ,主要用于輪轂式同步帶減速或齒輪減速,中軸驅(qū)動(dòng)、2 級(jí)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(xiàn)有電動(dòng)車(chē)電機(jī)存在的主要問(wèn)題及探索 電動(dòng)車(chē)用電機(jī)的控制有兩類(lèi):一是恒轉(zhuǎn)矩控制,二是恒功率控制。對(duì)于永磁直流無(wú)刷電機(jī)而言,要擴(kuò)大功率控制區(qū)域,增大調(diào)速范圍,一般就需要用到弱磁控 制。而由永磁體建立的磁場(chǎng)要實(shí)施這一控制難度較大,目前主要解決方法就是增大提前導(dǎo)通角,這種方法在理論上是可以得到證實(shí)的,在實(shí)驗(yàn)中也是可以看到的, 然而由于其反電動(dòng)勢(shì)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?qū)崿F(xiàn)恒功率控制,實(shí)質(zhì)是很難的。目前這種方法尚在研究之中。有文獻(xiàn)報(bào)道,開(kāi)始使用雙繞組,這種雙繞組的效果一是減小起動(dòng)時(shí)的電流;二是可以擴(kuò)大調(diào)速范圍,從而有可能避免弱磁控制問(wèn)題。 3.4 直流電機(jī)機(jī)械特性 在電機(jī)穩(wěn)定時(shí)： 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tm 處于平衡狀態(tài)，故Tm = T1 。其中T1 為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。而 Tm = KTfM IA 其中fM 為電機(jī)主磁通，I A 為電樞電流。由于fM 不變，所以Tm 只和 I A 有關(guān)。IA 的大小和電源電壓UA 克服反電動(dòng)勢(shì) 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(dòng)勢(shì) EA 是電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞組切割主磁通fM 的結(jié)果，故和fM 與轉(zhuǎn)速nM 的乘積成正比。有公式： EA = KEfM nM 當(dāng)負(fù)載變化后， n = U / K f - R / K K f 2 若理想空載轉(zhuǎn)速為n ，當(dāng)T ＝0 M A E M A E T M 0 m 時(shí)， nM ＝ n0 ，有n0 ＝UA / KEfM 由此可知： n0 與UA 成正比，與fM 成反比。令速 度降落為△ｎ，則△ｎ＝ R . T ／ K K f 2 ?？梢?jiàn)，當(dāng)T 增大時(shí)，△ｎ也增大， A m E T M m M 轉(zhuǎn)速nM ＝ n0 —△ｎ（轉(zhuǎn)速下降） 所以在相同的Tm 下，△ｎ的大小與 RA 成正比， 而與f 2 成反比。故得出直流電機(jī)機(jī)械特性圖，如下圖所示：直流電機(jī)調(diào)速方法選擇調(diào)節(jié)電樞電壓UA ,調(diào)節(jié)UA 時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速n0 隨UA 而變，但速度降落不性曲線為平行的。只要能平滑地調(diào)節(jié)UA 也就能平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速可以從零開(kāi) 始逐漸上升，故調(diào)變，故調(diào)節(jié)后的機(jī)械特節(jié)范圍很廣。調(diào)速過(guò)程中，主磁通fM 不變，電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩也不變，調(diào)速具有“恒轉(zhuǎn)矩”的特點(diǎn)。 圖 3.2 直流電機(jī)機(jī)械特性 3.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)履帶輪式輪椅所需功能是可以啟動(dòng)停止、前進(jìn)后退、可控制方向可調(diào)速。根據(jù)所需功能選用的是型號(hào)為EM-101-BI MOTOR的電機(jī)控制器。 圖 3.3 EM-101-BI MOTOR 電機(jī)控制器 該種驅(qū)動(dòng)器采用抗干擾設(shè)計(jì)，同時(shí)也降低了驅(qū)動(dòng)器對(duì)外部電子設(shè)備的干擾， 在外部信號(hào)控制方面能適用于自動(dòng)控制的接口控制方式，可以用模擬量和開(kāi)關(guān)量控制驅(qū)動(dòng)器的功能。并具有智能邏輯功能，可以自動(dòng)判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速及電流值然 后決定于換向的時(shí)間，也可以在配接能耗制動(dòng)電阻后實(shí)現(xiàn)停機(jī)制動(dòng)和快速換向制動(dòng)。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(zhǎng)、無(wú)弧光等特點(diǎn)。并且外部控制信號(hào)采用電流傳輸，增加了抗干擾能力和可靠性。體積小、性價(jià)比高，并得以廣泛的應(yīng)用。 應(yīng)用范圍：適用于小功率直流電機(jī)普通換相功能的控制要求。調(diào)速類(lèi)型：用電位器調(diào)節(jié)電阻來(lái)改變電壓以此實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。 特點(diǎn)： 1 正反向換向功能 2 微處理判斷及控制 3 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接口 4 PWM脈寬調(diào)速馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低5 轉(zhuǎn)速控制精度高：1% 6 使能控制功能 7 全封閉抗干擾能力強(qiáng) 8 跟隨性好 響應(yīng)速度快. 9 過(guò)壓、限流保護(hù). 10 短路、過(guò)流報(bào)警停止輸出功能 電機(jī)類(lèi)型：直流伺服、永磁、他勵(lì)、串勵(lì)、印刷等有刷直流馬達(dá) 圖 3.4 EM101-BI 控制器 1、2 點(diǎn)為電池接點(diǎn) 3、4 為直流電機(jī)接點(diǎn) 5 為控制接地點(diǎn) 6 為啟動(dòng)、停止點(diǎn) 7 為-5v 輔助電壓輸出點(diǎn) 8 為控制轉(zhuǎn)速點(diǎn) 9 為 5v 參考電壓點(diǎn) 說(shuō)明書(shū)中提出了六種接線方式，通過(guò)選擇考慮運(yùn)行方是選擇了其中一種，根據(jù)高低電平可控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過(guò)改變電位器電阻可改變轉(zhuǎn)速。 圖 3.5 控制方式 4A PTC FUSE 9 5V 5m A 1 SUPPLY IN 5 2 CONTROL GND 7 -5V 5m A 8 SPEED SET SPEED SCALE 3 6 RUN/STOP MOTOR 4 CURRENT MEAS VOLTAGE MEAS POW ER STAGE H-BRIDGE CONTROL LOGIC -5V POW ER REGUL 圖 3.6 單側(cè)履帶接線圖 圖 3.6 是根據(jù)說(shuō)明書(shū)中介紹的一種可使電機(jī)正反轉(zhuǎn)，并且可以控制速度的接線方式連的線，但是履帶輪式輪椅的履帶機(jī)構(gòu)為一組即兩個(gè)電機(jī)分別控制兩個(gè)履帶，在實(shí)際運(yùn)用中需要把兩個(gè)履帶統(tǒng)一化及控制同樣的轉(zhuǎn)速，同步的起停。圖 3.7 就是把兩個(gè)履帶的控制整合到一塊，實(shí)現(xiàn)了同步起停，同樣轉(zhuǎn)速。但在功能上需求轉(zhuǎn)彎，這就需要兩根履帶不同的速度，考慮到履帶速度不是很高，所以本文采取了原地轉(zhuǎn)彎的方式即如要向左轉(zhuǎn)則使左側(cè)履帶停轉(zhuǎn)右側(cè)履帶保持轉(zhuǎn)速不變來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的功能。 5V 5mA 9 4A PTC FUSE 1 5V 5mA 9 4A PTC FUSE 1 SUPPLY IN SUPPLY IN POWER REGUL POWER REGUL 5 2 5 2 CONTROL GND CONTROL GND -5V 5mA -5V 5mA 7 7 -5V -5V 8 SPEED SET SPEED SCALE 8 SPEED SET SPEED SCALE 3 3 6 RUN/STOP MOTOR 6 RUN/STOP MOTOR 4 4 VOLTAGE MEAS VOLTAGE MEAS CURRENT MEAS CURRENT MEAS POWER STAGE H-BRIDGE CONTROL LOGIC POWER STAGE H-BRIDGE CONTROL LOGIC 圖 3.7 兩側(cè)履帶整合后的接線圖 3.8 控制面板圖 K1 為機(jī)構(gòu)起停鍵，K2、K3 為常閉開(kāi)關(guān)當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)觸發(fā) K2 或 K3 使其斷開(kāi)， 一側(cè)的電機(jī)便停轉(zhuǎn)利用速差來(lái)完成轉(zhuǎn)向的目的。K4 為雙向開(kāi)關(guān)接入高電平使其電機(jī)正傳，接低電平是電機(jī)反轉(zhuǎn)。K5 為電位器，調(diào)節(jié)電阻使其改變速度。 3.6 本章小結(jié) 本章首先根據(jù)所需功率對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型以及電池的選擇。提出了履帶輪爬樓梯裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了直流電機(jī)控制器的優(yōu)點(diǎn)以及各管腳功能，然后根據(jù)說(shuō)明書(shū)和所需功能對(duì)控制器進(jìn)行接線，最后設(shè)計(jì)出控制面板。 第 4 章 典型零部件設(shè)計(jì)及校核計(jì)算 4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 0 軸（電機(jī)軸） P0=150W n0=3000r/min T0=9550P0/n0=0.4775Nm 所以需減速器進(jìn)行減速，考慮爬樓速度； 選用 NMRV040 蝸輪蝸桿減速器 傳動(dòng)比 i 為 100 圖 4.1 NMRV040 蝸輪蝸桿減速器 所以減速器輸出轉(zhuǎn)速為 30rpm 傳動(dòng)效率 75% 工作機(jī)所需功率 P=200W 所選用電機(jī)功率為 150w2 經(jīng)過(guò)減速器后，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪傳動(dòng)比為 1 減速器輸出軸 P1= P00.75=112.5W n1= n0/i=30 r/min T1=9550P1/n1=35.8 Nm 根據(jù)爬樓梯的功能設(shè)計(jì)兩輪直徑都為 224mm 大輪直徑 d2=d1=225mm 爬樓速度 V =2лd1n1/60=0.023m/s 在安全范圍內(nèi) 中心距a0 為 amin =0.7(d1+d2) =0.7(225+225)=315mm amax =2(d1+d2)=2(225+225)=900mm 所以根據(jù)穩(wěn)定性以及實(shí)際用途選a0=800mm 驗(yàn)算包角 α1＝180-(d2-d1)57.3/a =180>120 故合格 4.2 軸的計(jì)算 1、初步計(jì)算軸的最小直徑、選擇滾動(dòng)軸承及聯(lián)軸器(1)軸 a、選擇軸的材料 選用 45 號(hào)鋼，正火處理。 b、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算軸伸出端的軸頭直徑（最小直徑） 根據(jù) d A3 P n 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選定 A=110 主動(dòng)軸d A3 P1 1 n1 =17.09m 如有鍵槽，需將軸徑增大 3%，即 17.09103%=17.60mm 所以選取主動(dòng)軸d1 =25mm (2)滾動(dòng)軸承 a、軸承的選擇 因?yàn)轭?lèi)似齒輪傳動(dòng)，所以選用角接觸球軸承 初步選定 7205AC(主動(dòng)軸)，7205AC(從動(dòng)軸) b、軸承組合設(shè)計(jì) 因支撐跨距不大，采用兩端固定式軸承組合方式，選用外緣式軸承蓋。 (3)聯(lián)軸器 a、履帶機(jī)構(gòu)安裝精度不高，輸出端轉(zhuǎn)速低，動(dòng)載荷小，轉(zhuǎn)矩不大，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造的凸聯(lián)軸器 b、輸出軸端聯(lián)軸器選擇計(jì)算計(jì)算轉(zhuǎn)矩TC T1 =35.8 N*m 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)工況系數(shù) K=1.3 所以TC =K T1 =46.54 N*m c、選擇型號(hào) 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得 YL5 型, 公稱轉(zhuǎn)距為 63N*m 2、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 (1)進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) a、確定各段軸的徑向尺寸 考慮軸上零件的定位和固定、加工工藝和拆裝等的要求，將軸制成兩端小、中間大的階梯結(jié)構(gòu)。 軸徑尺寸初選的滾動(dòng)軸承的類(lèi)型及尺寸與之相配合的軸徑尺寸就可以確定了。 主動(dòng)軸 圖 4.2 主動(dòng)軸 根據(jù)滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈直徑是 25mm,所以取軸外伸端直徑取d1 =25mm 同理d4 =25mm 因?yàn)閐2 為定位軸段，一般取定位軸肩高度 h=(0.07-0.1d)，軸環(huán)寬度 b 1.4h 所以取d2 =48mm 裝驅(qū)動(dòng)輪段軸端直徑取d3 =40mm 從動(dòng)軸與主動(dòng)軸相同 d1 =25mm d2 =48mm d3 =40mm d4 =25mm b、定軸的軸向尺寸主動(dòng)軸 驅(qū)動(dòng)輪寬度 64mm 所以取安裝驅(qū)動(dòng)輪的軸段l3 =64mm 軸的伸出段與聯(lián)軸器相連，取l1 =85mm l2 =6mm 取l4 =40mm 軸的總長(zhǎng)為 194mm 從動(dòng)軸 參考主動(dòng)軸 l1 =34mm l2 =6mm l3 =64mm l4 =40mm 軸的總長(zhǎng)為 144mm c、軸上零件的軸向固定 聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)輪均采用 A 型普通鍵連接根據(jù)軸徑查得鍵的尺寸為寬度*高度*長(zhǎng)度（bhL）,聯(lián)軸器處為（8740）mm，驅(qū)動(dòng)輪處為（10840） (2)按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算 確定軸上作用力，畫(huà)出簡(jiǎn)力彎矩圖主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩 T1=35.8 Nm 設(shè)驅(qū)動(dòng)輪分度圓 d=222mm 螺旋角 β=8 an =20 圓周力 圖 4.3 簡(jiǎn)化力學(xué)模型 FT1=2000T1/d=322.52N 徑向力 FR1= FT1 tgan/cosβ=118.07N 軸向力 Fa1= FT1tgβ =45.33N 軸承的支反力 水平面上支反力 FA = FB = FT1 /2=161.26N A 垂直面上支應(yīng)力 F = (-Fa1d/2+ FR153)/106=24.80N F B H 平面的力學(xué)模型: =(Fa1d/2+ FR153)/106=70.13N