【文章內(nèi)容簡介】 動，其重心的波動很小，運動非常平穩(wěn)。 [2] 通過對比可以看出履帶爬行機構的優(yōu)越性，本設計就是采用的履帶型爬樓機 構。 設計思路 本次畢設查閱很多的文獻資料，國內(nèi)沒有成熟的產(chǎn)品，結合前蘇聯(lián)的專利和 國內(nèi)一個發(fā)明，根據(jù)大學中所學所用過的知識以及相關文獻設計了履帶輪式輪 椅。 主要資料： 履帶爬行式前蘇聯(lián)的專利 1553120 屬履帶式。爬樓梯時，用手輪來調(diào)整座 椅的水平。動力由大輪經(jīng)鏈條帶動爬梯傳動鏈。該輪椅具有較好的穩(wěn)定性與安全 性。六輪移動式（ 4 個行走輪和 2 個爬行輪都為驅動輪，在平面上運行時，機器 人擺起兩個擺臂，以普通的 4 輪方式行駛，爬樓梯時，將通過兩個擺臂的擺動， 帶動兩個爬行輪 .協(xié)調(diào)自身的姿態(tài)以適應樓梯地形。） 8 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 圖 市民發(fā)明的爬樓輪椅 圖 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上加裝 了一個履帶機構并且在履帶后部加裝了以一個回轉機構，上下樓梯時需要人力輔 助把輪椅傾斜一定的角度使輪椅上的人保持平穩(wěn)以此來實現(xiàn)上下樓功能。但此發(fā) 明不具備轉向和調(diào)速功能。 本文設計的這種履帶輪式爬樓梯輪椅在現(xiàn)實生活中應用比較適應當前中國 國情。整體設計主 要分為以下幾個部分：機械結構、機械傳動、動力裝置、電器 設備。設計內(nèi)容包括各個裝置設備的由來、結構、校核等。 機械結構 結構主要包括底盤、履帶裝置、升降裝置三部分。下面分別介紹三部分的結 構和所用材料。底盤：底盤是是履帶裝置的支撐體，主要由高強度工程塑料制成。 履帶裝置：采用類似于 V 帶傳動來連接橡膠履帶。通過軸用鍵連接驅動輪，驅動 輪與橡膠履帶嚙合而達到行走的目的。因為考慮到要有轉向功能，所以采用雙履 帶機構，中間通過底盤連接，兩側履帶分別安裝電機，通過兩側速度差來 完成轉 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。 傳動方面： 傳動件主要有橡膠履帶、驅動輪兩部分。履帶連接爬樓裝置中的主軸和副軸 兩根軸，履帶與軸之間用驅動輪連接，軸和蝸輪蝸桿減速器之間用聯(lián)軸器傳動。 動力方面： 動力件主要是電動機，為輪椅提供動力。由于爬樓輪椅的運動特性，要求爬 樓輪椅用的電源為移動式的，所以就必須選用低壓直流電機。因為爬樓梯時履帶 9 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 速度不能過快，否則會有傾倒的危險。一般直流電機的轉速為幾千轉，所以需選 用傳動比較大的蝸輪蝸桿減速器減速器使履帶速度在一個安全范圍內(nèi)。 控制方面： 根據(jù)直流電機機械特性選擇合適的直流電機控制器，進行接線使履帶輪式輪 椅實現(xiàn)起停，前進，后推轉向的功能。 履帶輪式輪椅爬樓原理 圖 履帶輪式爬樓梯原理圖 圖 平地時履帶輪式輪椅狀態(tài) 在平地時，輪椅與履帶保持水平，用輪椅大輪驅動，履帶前部的升降機構已 處于最低位置。使履帶裝置不接觸地面。如需用履帶驅動，則將升降機構伸長一 小段距離使輪椅稍后傾，讓輪椅大輪離開地面。 10 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 圖 上樓梯時履帶輪式輪椅狀態(tài) 上下樓梯時，驅動履帶前部的升降裝置，手動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。 履帶爬樓過程分析 如下圖所示，假設傳統(tǒng)履帶形式輪廓為長圓形。即中段為長度 L 的直線履帶， 兩端為直徑為 D 的半圓履帶。履帶的質量分布均勻，重心在幾何對稱中心。又設 單級樓梯的高度為 H ，寬度為 W。履帶爬越樓梯的過程可以分為兩個階段。第一 圖 履帶翻越樓梯第一階段 個階段是從平地攀上第一級樓梯。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： 11 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 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 點為支點，履帶翻越第一階樓梯的條件可以用下式描 述： * TL △ t+ω L GL △ t 1 1 2 其中， T 為履帶推力， G 為重力， L L 分別為 T G 對 A 點的力臂，ω為履帶抬起的 1 2 * 角速度， L 為轉動慣量．根據(jù)上式，可以得到以下定性的結論： 在履帶攀越第一階樓梯時，攀越成功的必要條件是重心在行進方向上“超越” 了翻越支點 A 點，即 L 0．重力提供了全部的翻轉力矩，履帶的移動會加快重心 2 的“超越”，提供更大的翻轉力臂，加速翻轉過程．翻轉臨界點是重心處于A 點 正上方的時候，此時 L 0，履帶軸線和水平地面的夾角稱為翻轉臨界角θ * 2 * 當“翻越”發(fā)生前，即ω為逆時針時，轉動角動量ω L 要小，以便于克服重 力翻轉力矩，因此應該降低履帶的運行速度；當“翻越”發(fā)生時，ω為順時針， 此時履帶的后端接地點已經(jīng)離開地面，不再存在，因此可以加快履帶運行速度， 使得 L2 迅速變大，加快翻越過程。 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/ 2Sinθ +K 1?Secθ [ ] K D / 2L 計算結果表明：當 L／ D 3 時，最大翻越高度約等于 ，此時θ * 約等于 50 度；當 L／ D 7 時，最大翻越高度約等于 0． 35L，此時θ * 約等于 50 度。可見，對 于傳統(tǒng)的長圓形節(jié)線履帶，只有增大長高比，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。 在第二階段，履帶的姿態(tài)保持不變，為了穩(wěn)定地運行，履帶的長度一般保證 能夠同時和樓梯的 3 個尖角接觸。為此： L ≥ 2 H 2 +W 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 分析計算，可知用傳統(tǒng)長圓節(jié)線履帶結構實現(xiàn)爬樓功能時，履帶的中心長度很難 小于 60cm，整個機器人的長度則要達到 80cm 以上。 [5] 12 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 圖 履帶翻越樓梯第二階段 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，需要了解我國普通住宅的樓梯尺 寸。根據(jù)中華人民共和國國家標準《住宅設計規(guī)范》住宅樓梯梯段凈寬不應小于 米， 6 層及 6 層以下住宅，一邊設有欄桿的梯段凈寬不應小于 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小于 米，踏步高度不大于 米，坡度為 度，為接近舒適性標準。普 通住宅的層高一般為 ，按一級臺階高度是 計算，共 16 個臺階。 裝置與履帶尺寸的設置以上述普通住宅樓梯尺寸的要求為基準。裝置的總體 寬度應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 帶裝置高度應大于踏步 的高度，才能使履帶翻越樓梯。本文設計的是普通輪椅加 裝履帶機構，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輪椅與履帶保持平行。 所以在上下樓梯時，驅動升降機構上升使輪椅與履帶結構為 30 度才能保證爬樓 時輪椅保持水平狀態(tài)。 履帶爬樓機構的結構設計 根據(jù)所要求的尺寸即軸、軸承以及鍵的校核用制圖軟 Autocad 件繪制的三視 圖。 13 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 方案 1 圖 方案 1 的三視圖 圖 方案 1 的主視圖 方案 1 升降機構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 可以與輪椅和履帶裝置連接的鉸鏈機構，以便可以轉動。 14 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 方案 2 圖 方案 2 的三視圖 圖 方案 2 的主視圖 15 履帶－輪式爬樓梯電動輪椅設計 方案 2 采用的是升降機構是分離式液壓千斤頂，千斤頂是由一個支撐油缸和 一個手動泵組成它們之間由一根油管連接，反復壓動手動泵使支撐裝置升降。 方案 1 與方案 2 都可以實現(xiàn)頂起放下輪椅的功能，但方案 1 采用螺旋千斤頂 機構由于導程的限制，會有些費時費力。所以重點研究方案 2。 升降機構的設計 根據(jù)普通輪輪椅高度和所設計履帶機構高度選擇千斤頂 圖 千斤頂升降簡圖 39。 L 為千斤頂高度最低時的長度， L 為千斤頂頂起輪椅一定角度時的長度。 L BC, 39。 39。