毕业论文--履带轮式爬楼梯电动轮椅毕业设计

毕业论文--履带轮式爬楼梯电动轮椅毕业设计内容摘要：

动，其重心的波动很小，运动非常平稳。 [2] 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。 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 1553120 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 市民发明的爬楼轮椅 图 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。 履带轮式轮椅爬楼原理 图 履带轮式爬楼梯原理图 图 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 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。 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 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 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： * TL △ t+ω L GL △ t 1 1 2 其中， T 为履带推力， G 为重力， L L 分别为 T G 对 A 点的力臂，ω为履带抬起的 1 2 * 角速度， L 为转动惯量．根据上式，可以得到以下定性的结论： 在履带攀越第一阶楼梯时，攀越成功的必要条件是重心在行进方向上“超越” 了翻越支点 A 点，即 L 0．重力提供了全部的翻转力矩，履带的移动会加快重心 2 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 L 0，履带轴线和水平地面的夹角称为翻转临界角θ * 2 * 当“翻越”发生前，即ω为逆时针时，转动角动量ω 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，ω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 ≤ L 1/ 2Sinθ +K 1?Secθ [ ] K D / 2L 计算结果表明：当 L／ D 3 时，最大翻越高度约等于 ，此时θ * 约等于 50 度；当 L／ D 7 时，最大翻越高度约等于 0． 35L，此时θ * 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 2 +W 2 以我们常用的楼梯为例， H 15cm， W 30cm，因此 L 67cm。 取 L／ D 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。 [5] 12 履带－轮式爬楼梯电动轮椅设计 图 履带翻越楼梯第二阶段 爬楼性能参数 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 ，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 Autocad 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 方案 1 的三视图 图 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 方案 2 的三视图 图 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 图 千斤顶升降简图 39。 L 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, 39。 39。