（机械工程专业论文）基于行星轮系的爬楼梯轮椅研究.pdf

摘要 本文的目标是通过研究设计出一种上下楼梯机构，为最终设计出一款价格适 中、性能先进的助老助残机器人轮椅奠定基础。文中首先分析了国内外各种爬楼 梯机构，在对比总结各自优缺点的基础上，根据国内实际情况，提出了一种人工 辅助上下楼梯机构。 该机构采用行星轮系机构。在平地上行走时，由主电机驱动，4 个车轮均着 地，具有四轮驱动特点。通过控制两侧车轮的转速可以实现转弯。爬楼梯时，由 另一对电机驱动行星摇臂转动，两对驱动轮交替着地，从而实现上下楼梯。 整个轮椅外形尺寸相当于普通的轮椅，省去了复杂的重心平衡系统，成本大 为降低。上楼梯时需要陪同人员适当用力，通过调整轮椅重心位置来减少电机用 力。 整个轮椅结构比较简单、实用性强，为进一步改进提高打下了良好基础。 关键词：服务机器人上下楼梯机构设计轮椅 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sw o r k i n go nar e s e a r c ho fo n em e c h a n i s mw h i c hh a sa b i l i t yo f s t a i r sc l i m b i n g a n dt h i sm e c h a n i s mw i l lh e l po nt h er e s e a r c ho fr o b o tw h e e l c h a i r w h i c hw i l lh a v ea c c e p t a b l ep r i c ea n dv a r i o u sf u n c t i o nf o ra l lt h ew h e e l c h a i ru s e r s a f t e ra n a l y z e ds e v e r a lo fs t a i r sc l i m b i n gm e c h a n i s m sa n d c o m p a r e de a c ha d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g e ，t h i sp a p e ri s i n t r o d u c i n gap a r a m e d i cr e q u i r e ds t a i r sc l i m b i n g m e c h a n i s m t h ep l a n e t a r yg e a rs y s t e mi sa p p l y i n go nt h i sm e c h a n i s m d r i v e nb ye l e c t r i c m o t o r s ，t h ew h e e l - c h a i rc a nr o l lo nt h e r o a d f o u rw h e e l sc o n t a c tw i t ht h er o a d s o i ti sa4 - w h e e ld r i v ew h e e l - c h a i r i tc a nt u r nf r e e l yt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h es p e e da n d e a c hs i d e w h e nc l i m b i n gt h ec h a i r s ，t h ea r r no ft h ep l a n e t a r yg e a ri sd r i v e nb y a n o t h e rp a i ro fm o t o r ，t h et w ow h e e l so ne a c hs i d ew i l ls u p p o r tt h ew h e e l c h a i r a l t e r n a t e l yt om o v et h ew h e e l c h a i rt ou po rd o w ns t a i r t h eo u t l i n ed i m e n s i o no ft h i ss t a i r - c l i m b i n gw h e e l c h a i rw i l lb ec l o s ew i t ht h e c o m m o nw h e e l c h a i r s w i t h o u ti b o t sc o m p l i c a t e dt o pg r a v i t yb a l a n c es y s t e m ，t h e c o s ti sd e c r e a s e dal o t i td o e s n tn e e do n e p a r a m e d i cm u c hs t r e n g t h ；j u s ta d j u s tt h e 。p o s i t i o no f t h eg r a v i t yc e n t e rt od e c r e a s et h e o u t p u to f t h em o t o r s t h i sw h e e l c h a i rh a ss i m p l ec o n f i g u r a t i o n a n dg o o dp r a c t i c a b i l i t y i tm a d ea q u i t eg o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：s e r v i c er o b o t ，s t a i r sc l i m b i n g ，m e c h a n i s m ，d e s i g n ，w h e e l c h a i r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：马勇匀 签字日期：2 护汐7年月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：与柬为 导师签名：专r 签字目期：z 口叩年月陟日签字日期：d q 年 月l 8 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在2 0 0 6 年的国际残疾人日，我国政府有关部门公布了第二次全国残疾人抽 样调查的主要数据。该报告指出，我国各类残疾人总数为8 2 9 6 万人，其中肢体 残疾2 4 1 2 万人，占残疾人总数的2 9 0 7 。在2 0 0 7 年9 月举办的首届中国养老 事业论坛上，另一组数据也引起了很多人的高度重视：目前中国6 0 岁以上的老 年人口为1 4 亿，其中8 0 岁以上的高龄老年人口为1 3 0 0 万。与会专家预测，到 2 0 2 0 年，中国老龄化问题将进一步加剧，届时中国的老年人口将达到2 4 8 亿， 其中8 0 岁以上的老年人口将达到3 0 6 7 万人。 可以预计，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负 担【l 】。一个人如果行动不方便，不仅生活空间大大缩小，生活质量受到严重影响， 也会给家人带来了不小的负担。 我国目前城镇化水平不断提高，但受到人多地少、收入水平不很高等因素限 制，大部分人主要居住在普通楼房中，不仅没有电梯，无障碍设计水平也很低， 这给老弱病残人员外出活动造成了很大的不便。 在很多公共场所，虽然无障碍设施越来越多，但对行动不便者来说还是受到 不少的限制，特别是遇到各种各样的阶梯时往往感到相当无奈和吃力。 普通轮椅在平地或是坡度不大的斜面上基本没有问题，但是一遇到楼梯，除 了人工搬动外几乎没有其它的解决办法。究其原因，主要是由于普通轮椅车轮直 径一般相当大，无法在较窄的楼梯上停留住。因此，开展具有上下楼梯功能的新 型轮椅的研究显得非常必要，不仅可以为行动不便的人提供方便，也能够大大减 轻家庭负担。 1 2 上下楼梯轮椅发展历史 上下楼梯机构轮椅的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机 构，如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机 构式等。 行星轮式的典型代表为美国强生公司下属的独立技术公司研制出的爬楼梯 轮椅i b o t l 2 1 。i b o t 轮椅的开发历时8 年，耗资超过1 5 亿美元，是迄今为止推 第一章绪论 出的最尖端的产品。它配有感知人一轮椅重心位置的陀螺仪和复杂的计算机系 统，可以随时调整重心位置以保证轮椅的平衡。i b o t 结构紧凑，运动灵活，操 作简便，可靠性、安全性等各方面指标都很高，它不仅可以爬2 1 厘米以下高度 的楼梯和不超过1 5 厘米高的“马路牙子 ，也能够在沙滩、斜坡和崎岖的路面和 小山坡上前进，而且能够两轮着地“站起来”直立行走，以使乘坐者可以升高到 普通人的高度，也便于取放高处的物体。i b o t 如此先进，价格也不菲12 9 万美 元的高价可能使很多人望而却步。 除此之外，国内外还发明了其它多种行星轮式爬楼梯机构。由于存在这样或 那样的问题，尽管发明专利很多，真正推广使用的却很少。 履带式爬楼梯机构用的不少，特别是在各类防暴机器人中有着广泛的应用。 其主要特点是：越障能力强，且可以适应不同的楼梯；在上下楼梯过程中重心波 动小，运动相当平稳；其最大不足是平地行走时阻力较大，运动不灵活，能耗高； 在爬楼梯时，如果设计不当，履带也容易损坏楼梯i 眢1 3 j ；此外，在初下楼梯某一 时刻，整个机构会突然倾斜。为了克服这些缺点，国内外提出过各种各样的改进 机构，如轮一履混合式爬楼梯轮椅，在平地行走时采用轮式，爬楼梯时则改为履 带式舢印。 腿足式爬楼梯轮椅的主要特点是具有两套支撑装置，这两套装置交替支撑实 现上下楼梯功能。由于这种爬楼梯方式类似于人类上下楼梯的过程，故也常称之 为步行式爬楼梯轮椅。早期的爬楼梯轮椅大多采用这种方式，例如18 9 2 年b r a y 发明的第一台爬楼梯轮椅就采用了这种方式。在爬楼梯时，先由其中一套支撑装 置支撑并抬高轮椅及另一套支撑系统，然后另一套支撑系统前移到台阶上；在台 阶上停稳后，整个轮椅重心移到该支撑装置上，先前那套支撑装置则收回，如此 循环，直到爬完整段楼梯为止。 腿足式爬楼梯机构的主要特点是：爬行速度较慢，对重心设计要求较高；但 如果加装有传感装置则对不同尺寸的楼梯具有较高的适应能力。 为了解决腿足式爬楼梯机构爬行速度较慢的缺点，有学者提出了平行四杆式 爬楼梯机构，就是在普通轮椅的两侧各加设一套由平行四边形机构组成的爬楼梯 执行机构【7 。8 】，它用四条“腿”托送轮椅上台阶。平行四杆式爬楼梯机构结构简 单、价格低廉，但由于仅仅由四个点支撑整车，其平稳度不高，安全性也不太好。 综上所述，为了较好地解决老弱病残人员外出活动问题，其关键是提出一种 比较完善的上下楼梯方案，且整个轮椅尺寸合适、质量适中、安全性好、使用方 便，最好能够适应不同的阶梯尺寸，其价格也能为普通老百姓接受。此外，应考 虑爬楼梯过程往往只是整个外出活动过程中的很少一部分，必须兼顾平地行驶情 况。 可以看出，虽然经过多年的不懈努力，老弱病残人员出行问题已经得到了可 2 第一章绪论 喜的改善，但距离完美解决尚有不小的路程要走。 1 3 本课题研究目的及内容安排 本课题研究的最终目的是设计出一款体积不大、操作较为简单、价格适中、 适合于广大老弱病残人员使用的爬楼梯轮椅。本文主要完成上下楼梯机构研究与 设计。 首先综合比较各种上下楼梯机构优缺点，然后根据任务要求，提出一种比较 合理的行走和爬楼梯机构，整个轮椅可以在其它人员辅助下较好地完成行走及上 下楼梯运动；然后对主要参数进行计算并设计出主要机械结构；最后对研究工作 进行总结，给出未来改进建议。 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 2 1 可实现上下楼梯功能机构的比较 一台轮椅如何实现其行驶和上下楼梯的功能，其关键的部分是如何选择合适 的运动机构，以及选择什么形式的运动机构去实现我们所需要的功能。在日前的 研究中，能够实现上下楼梯功能的机构主要有履带式机构、轮式机构、腿式机构、 辅助式机构等。下面通过对这几种机构的特点进行对比和分析，结合它们各自的 优点，进而选择最为满足本次设训要求的机构。 2 1 1 履带式机构 履带轮机构的研究和应用相对比较成熟”】在可以爬楼梯防暴机器人等类似 装置中应用的比较广泛履带型机构的爬楼梯轮椅应用也较多。履带式机构支撑 面积大，下陷度小，通过性能好，地形适应能力较强，爬坡、越沟等性能均优于 轮式机构”“。履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好。行走比较连 续，在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台蟛p 沿的连线相平寺亍的直线 运动轮椅重心几乎没有波动或波动很小，运动相当平稳。 图2 一】腰带式轮椅 履带式机构应用于上下楼梯轮椅时存在以下几个主要的缺陷”4 】： l 相对于轮式机构来说履带式机构体积犬，比较笨重履带传动能量效 率低，虽然其攀爬楼梯时具有较大的优势，但轮椅的绝大多数时问是在平地上行 驶- 履带传动在平地行驶时的劣势相对比较明显，其不容易实现平地行走时的快 速移动要求： 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 2 爬楼梯时，轮椅要靠履带与台阶边缘的摩擦产生向前向上的动力，这样 很容易对台阶造成损坏； 3 履带传动机构存在转弯困难，特别是在住宅楼等狭小空间里转弯时显得 尤其笨拙和不方便。此外，由于其转弯时主要靠两侧履带的速度差，甚至需要两 侧履带做相反方向转动，履带会在地面上产生滑动，由于履带与地面的接触面积 大而且摩擦系数较大，所以对地面及履带磨损都比较严重。 2 1 2 轮式机构 轮式机构是陆地运输交通工具中应用最为广泛的一种移动机构，在国外一些 爬楼梯机器人的研究中也广泛采用的轮式机构 1 5 - 2 0 】。轮椅应用方面，普通轮椅及 电动载人轮椅车也是采用的这种机构，其体积小，结构简单，控制方便，能够实 现平衡、快速的移动，能量效率高，采用差动传动时转向半径很小，转向灵活； 但是普通轮式机构多采用简单的圆柱形轮体，在路况较好的平地上行驶时有绝对 的优势，但遇到像沟壑、台阶、楼梯等障碍时普通轮式机构便显得能力不足。普 通轮式机构要想跨越台阶等障碍，其中一个必要条件就是车轮半径至少要大于台 阶高度，而且跨越台阶需要的能量很大，过程不稳定，冲击较大；而且楼梯台阶 的宽度有限，如果一味的增大车轮半径又会导致轮椅在台阶上失去了支撑点，这 也是目前常规轮椅采用大的后轮而无法实现上下楼梯功能的主要原因。轮式移动 机器人的代表有美国的g y r o v e r 2 l j 单轮机器人和六轮行星探测机器人r o c k e y 系 列【2 2 】等，一般来说，轮式小车对地形的适应性大小跟轮子数量成正比 2 3 】，但随 着轮子数量的增加，又带来了小车体积庞大、重量大等缺点。要想实现上下楼梯 功能，必须对轮式机构进行改进。在一些爬楼梯轮椅以及具有越障功能的轮式自 动行驶机器人上采用了一种行星轮机构，一组小轮排列在“+ ”形或“y ”形， 甚至“一”形的行星轮系上，可以实现不同的运动形式，达到平地行走，以及楼 梯攀爬的不同功能。美国研制的会爬楼梯的轮椅i b o t 3 0 0 0 所采用的就是这种方 案。 2 1 3 腿式机构 从理论上来讲，腿式机器人是最灵活的运动机构，地形适应能力强，可以解 决大多数环境下的行走问题【2 4 】，但是，腿式机器人通常具有复杂的机械结构并且 控制复杂，效率低，要想实现稳定高速的行走，还有诸多难题需要解决。腿式移 动机器人的代表有美国c m u 的a m b l e r 移动机器人【2 5 】等。日本专门从事机器人 开发的t m s u k 公司和早稻田大学的高西淳夫教授研究室共同成功开发了可载人 上下楼梯的两足步行机器人，代号为w l 1 6 ，并进行了一系列的改良设计，但 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 仍然存在机构和控制复杂，移动速度慢，承载能力不高等缺点，很难得到普及使 用。 2 1 4 辅助式机构 辅助式机构主要是指通过给普通轮椅加装辅助机构使其具有爬楼梯功能。 目前此方面的主要研究成果为在普通轮椅的两侧各加设一套由平行四边形机 构组成的爬楼梯执行机构【3 】，如图2 2 所示。四条“腿 与轮椅原有的四个轮 形成两套支撑系统，通过四边形机构的运动，两套支撑系统轮番着地，并将另 一套支撑系统托起送到上( 或下) 一个台阶。由于这种轮椅是以普通轮椅为基 础改造而成，所以结构简单，价格低廉，但是当这种轮椅用四条“腿”托起轮 椅上台阶时，是四个点支撑整车，因为每个楼梯的尺寸是不同的，这四个点如 果落在台阶边沿上时，是很危险的。 。 图2 2 附加爬楼梯机构的轮椅 下面介绍几种现有的典型上下楼梯轮椅，进一步了解以上各种机构的使用情 况，为本次设计的机构选型提供参考。 1 i b o t 由美国著名发明家迪思卡门发明的爬山的轮椅i b o t 3 0 0 0 独立机动系统 ( 以下简称i b o t ) 是目前为止世界上最为先进的具有上下楼梯功能的全自动轮 椅。外形如图2 3 所示。 从外表看上去，i b o t 与普通轮椅不大一样：它有6 个轮子，前面一对为直 径1 0 厘米的实心脚轮，后面两对为直径3 0 厘米的充气轮胎。i b o t 通过复杂的 陀螺仪系统来保持平衡，当轮椅上分布的传感器感受到重心变化时，它们马上把 这些信息传输到位于座椅下面的控制盒中。控制盒里有几个“奔腾i i i ”处理器和 预先设计好的程序，这些程序会“命令”轮椅的机械系统进行自我调整，保持平衡。 6 第二章上f 楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 i b o t 共有3 种运动模式一种是正常模式，像普通轮椅一样在平地上前进， 6 只轮子同时着地；如果遇到崎岖的路面、沙土地或斜坡，它就进入四轮驱动状 态，靠4 个后轮行走。第二种是直立模式，h 靠一对后轮接触地面，很像中国武 术中的“金鸡独立”i b o t 可咀保持这种站立姿势，也能“直立行走。第= 种是 爬梯模式，两对后轮交替“爬”到上一级( 或下一级) 厶阶上。 i b o t 的动力由两个充电电池提供，充一次屯需要4 小时，充l u 后可啦走 15 2 4 公里，它在平地上的最大速度为每小时9 6 公里。作为世界上第一种会爬 楼梯的轮椅，i b o t 可以轻松地在高度为2 i 厘米以下的楼梯上爬e 爬下，还能跨 过最高不超过1 5 厘米的马路牙子。此外，它还可以在沙滩、斜坡和崦岖的路 面上前进，并能爬上不那么陡的小山坡。 目2 - 3 i b o l 馗桂梯轮椅 在残障人士看来，i b o t 最了不起的本领“金鸡独立”才是最让他们感觉体 贴的功能。它把他们升到正常人的高度，使他们能够完成诸如到书架上取书、靠 在吧台上喝洒等普通人能够做的动作，更重要的足，它给患者一种平等的感觉， 这对帮助患者建立自信来说太重要了。 具备自我姿态平衡稳定功能。使用智能手柄操作。最大爬坡能力3 0 度，最 大台阶高度2 i c m ，售价约2 9 0 0 0 美元约台2 3 万人民币。 i b o t 配各了一套计算机传感器和陀螺仪，具有很强的自动寻找平衡能力。 它有4 个同样大小舯轮子，上楼梯过程中，乘坐者背朝楼梯，手扶楼梯把手，当 身体重量落在两个后轮上时，前面两个轮子就会抬起，从后轮上面翻转过去，落 至更高级的楼梯上。乘坐者通过这种调整重心的办法，可以操作轮椅两对轮子 1 ；断翻转，沿楼梯一级一级地向上移动。 下楼时原理娄似，乘坐者仍保持面向楼f ，通过身体前倾来控制轮椅的运动。 据介绍，由于其独特的平衡性能，轮椅在上下楼梯的过程中能始终保持稳定，座 位也一直处于水平。不过，在没有他人辅助的情况下乘坐者要想独立地上下楼， 至少必须有一只手具有活动能力。 i b o t 采用轮式机构，具有多种运行模式，既能够在平坦路面上快速行走， 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 也能够爬越楼梯、斜坡，穿越崎岖路面，这些都是我们需要借鉴的地方，但为了 能够始终保持平衡、自动调整重心，i b o t 使用了多个传感器和陀螺仪系统，这 当然会提高轮椅的自动行走能力，但无疑会在很大程度上加大复杂程度和成本、 价格，对推广来说造成很大困难。本次设计要避免陷入一味追求全自动化的传统 设计理念，改用电机驱动+ 他人辅助的方式，由辅助人员来完成上下楼梯过程中 的重心调整难题，避免复杂的平衡系统，必将大大降低成本。 2 一种双联行星轮机构电动爬楼梯轮椅【2 6 】 此电动爬楼梯轮椅是内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平教授与清华 大学精密仪器与机械学系的王人成教授共同设计的，它借鉴了i b o t 的爬楼梯方 式，采用了双联行星轮机构。行星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，而在爬 楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。 整体结构如图2 4 所示，前面的小轮1 是导向轮，其转向原理与汽车的转向 梯形相同，4 个行走轮2 ，3 尺寸相同，同侧的两个后轮轴是相联的，左右两侧 也是相连的。4 个行走轮的连接示意图和行星轮系工作原理见图2 5 ，其中一对 行走轮中装有电动轮毂，平地行走时，由这对电动轮毂驱动后轮自转；爬楼梯时， 后轮自转停止并自锁，所有后轮由中轴上的电动机驱动，随中轴进行公转，两对 轮交替进行翻爬楼梯。 该双联行星轮机构爬楼梯轮椅采用了效率高体积小的行星轮系作为爬楼梯 机构，能够较为轻松地实现上下楼梯功能，并选用了电动自行车轮毂为行走提供 动力，使得整个轮椅结构紧凑、重量轻，整个外形尺寸相当于普通的轮椅，并省 去了i b o t 复杂的陀螺重心平衡系统，明显降低了制造成本。 但该机构前后轮轴是相连的，左右两侧也是相连的，这样将导致转弯困难， 运动灵活性降低。而且车轮直径较大，不适合在普通居民住宅楼梯上使用。这种 爬楼梯轮椅也没有得到实际生产和推广使用。 双联乃至三联，四联行星轮系在越障机器人上也有很广泛的应用。【2 7 。2 8 j 图2 - 4 双联行星轮爬楼梯轮椅图2 5 爬楼梯机构原理图 8 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 3 其它可上下楼梯的电动轮椅 介绍两种国外的产品，一种是英国b a r o n m e a d 公司正在国内经销的助推 式上下楼梯电动轮椅车，一种是德国p e r f e k t a 公司1 9 9 4 年就已发布的橡胶履 带式电动轮椅车。使厢这种轮椅车时，一般由护理人员操纵更为安全。 b a r o n m e a d 上下楼梯电动轮椅车：自重3 4 k g ，最大载重量1 3 0 k g ，上下 楼梯速度每分种1 5 2 0 个台阶，充足电后可连续上下楼梯1 0 0 0 级。台阶限高 2 7 c m 。这种轮椅车可在平地自由运行，还可拆卸为两部分，便于装运。 p e r f e k t a 上下楼梯电动轮椅车：履带式传动，采用1 2 v - 一1 5 a h 的蓄电池、 1 2 v 1 7 0 w 的直流电机，自重4 2 埏，可爬楼梯的最大坡度为3 5 度。这种轮椅车 除了可以单独使用外，还可以作为普通轮椅的搬运工具，直接把轮椅放在上面上 下楼梯，因此作为车站、机场等处移动轮椅乘客的专用工具比较方便。而且，熟 练操纵者能够自行乘坐轮椅上下楼梯。在平地能自由移动，也可折叠存放。 2 2 上下楼梯轮椅机构确定 通过对比以上各种机构及现有的上下楼梯轮椅，分析其各自的优势和不足之 处，主要考虑到运动的灵活性、控制的难易程度、能量的利用率、使用的安全性 等，最终选用轮式机构，为了能够实现上下楼梯的功能，借鉴i b o t 爬楼梯的功 能，采用行星轮机构。 第一，轮式机构在平地行走时有明显的优势，这是其它机构所不能比的；而 轮椅车在绝大多数时间内还是在平地上运行。为了保证轮椅车在绝大多数时间里 的考虑，轮式机构是第一选择。 第二，为了使轮式机构具有跨越障碍的能力，通过综合比较，决定选用行星 轮系。行星轮系通过行星轮绕回转中心的公转，实现攀爬楼梯的功能。而且这样 选择使平地行走和楼梯攀爬可以使用同一个机构，降低了设计的难度。 行星轮的个数可以采用两个、三个或者三个以上，行星轮多的优点是轮椅爬 楼梯时的稳定性好，重心波动范围小，但随之而来的缺点是体积会越来越大，很 难在普通住宅楼梯上使用，而另外一个缺点就是随着轮子的增多使其在平地上行 走时效率变得越来越低；为了满足体积小巧、家庭实用化的要求，本次设计采用 两个行星轮，左右对称布置。另外为了实现转弯的灵活性，采用差动控制。直线 行走时两个电机转速和转向都相同，从而实现快速平稳的行走；转弯时，控制两 个电机的转速，使外侧电机转速高于内侧电机，或是使两电机转向相反，从而实 现灵活的转向功能；攀爬楼梯时，另外一对电机驱动行星轮系绕轴心公转实现上 下楼梯的功能。该机构的传动简图如图2 - 6 所示。 9 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 车轮 图2 - 6 机构传动简图 两侧车轮各两个行星轮的转动分别靠一个直流电动机驱动。电动机通过减速 机构将转动传递到主传动轴，然后通过齿轮分配到两个行星轮，为了使传动齿轮 的尺寸不至于过大，特意在主传动轴与行星轮之间加了一个过渡齿轮。 行星轮的翻转运动靠另外一个直流电动机驱动行星轮的支架来实现。 为了使整个机构比较紧凑，采用内外轴的结构形式：通过内轴驱动行星轮翻 转，通过外轴驱动轮系转动。 轮椅行星轮系采用充气轮胎，充气轮胎的重量较轻，而且还可以吸收来自地 面的轻微的振动，增加乘坐者的舒适性。轮椅两侧各有一个万向轮( 位于轮椅前 端) 以及两个或一个充气轮胎着地，利用着地的充气轮胎驱动轮椅行走，同侧的 两个轮子由定轴齿轮系相连，由一台直流电动机通过传动系统共同驱动，两个轮 子转向、转速均相同。现在只考虑一侧，在平坦路面行走或上坡时，电机2 不通 电，由电机l 通过行星减速箱、末端圆柱齿轮副和定轴轮系同时驱动两个行星轮 转动，如图2 7 所示，从而实现了正常的行走功能，中间增加过渡齿轮是为了增 加驱动轮之间的距离以方便布置。 7、7嘴 ，_ ，。一。、-，。一。，、 、 ，、 图2 7 齿轮及车轮转向 这样布置的结果是两个行星轮在电机的驱动下，同时、同向、并以相同的速 1 0 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 度转动，这两个行星轮都可以单独或同时作为驱动轮，驱动轮椅前进。这样取轮 驱动比只选择单轮驱动( 两个行星轮中只有一个驱动轮) 时虽然在结构上有些复 杂，但是，i 双轮驱动的情况下，两个行星轮是对称布置的，这样两个轮就不 再分前后如何排布，行星轮无论如何翻转都没有问题；2 轮椅在使用过程中， 压力主要分布在两排后轮上，后排轮均为驱动轮的话，驱动力会远远大于只有单 排轮驱动。( 驱动力与作用于驱动轮上的压力成正比，也就是说双轮驱动会比单 轮驱动产生大约两倍的驱动力) 当乘坐者选择每侧后轮着地时，可以减少转弯半径( 图2 - 8 ) ：选择四个轮子 全部着地时，由于有【l q 个轮子全部为驱动轮，这样就增强了轮椅的动力性能阻及 对地面的适应能力，这非常适合轮椅车在草地或松软面上行驶时使用( 图2 - 9 ) 。 上下楼梯时，从安全方面考虑，均采用面向下楼方向的姿势，这时锁定电动 机1 ，由电动机2 通过行星减速箱、末端齿轮副驱动轮系架绕着后侧的车轮旋转 从而将整个轮椅向上抬升或下降，将轮椅车从一级台阶移动到另一个台阶，车轮 连续翻转，如此重复即可实现上下楼梯功能( 图2 一1 0 、1 】) 。 还可以通过调整两排后轮的不同姿势在上坡或下坡的时候调整重心位置，保 证轮椅行驶的稳定性，增加安全系数( 图2 1 2 ) 。 图2 - 8 仅后轮驱动时 行星轮翻转系统的锁定叫以通过锁定驱动电机来实现，也可以通过锁定某一 级传动齿轮的机械机构实现。 ， 图2 - 9 四轮驱动模式 蛊 盂 第二章上下楼梯轮椅机构选型投主要参敬确定 当轮椅在松软地面、草地或不平整的路面上行驶时，控制对电机2 旋转使 悬空的j 手 后轮下降到与地面接触，从而所有轮子全部着地。为了避免轮子下 降过快产生冲击，可以通过电机2 转速进行控制，使轮于缓慢下降。因为此时 轮椅车所有轮子全部着地，与地面的接触面积增大，而且后甜排轮均为驱动轮， 这样就是四轮同时驱动轮椅牟使轮椅车快速通过。 凶藩蛰 图2 i l 爬楼模式下楼 第二章上下楼梯轮椅机构选型殛主耍参数确定 当攀爬楼梯时，由名助手在轮椅后对轮椅进行扶持，以保持轮椅的平衡， 出于安全的考虑，轮椅在上下楼梯时均采用面向下楼方向的姿势。由于轮椅车 的举升及平移均由行星轮机构来完成，助手仅需要用很小的力来维持轮椅平 衡，以及随时调整轮椅重心位置。另外还要注意轮胎在台阶上的位置，避免轮 胎支承在台阶边缘保证乘坐者的安全。 图2 1 2 不同的运动姿势 乘坐者可以通过调整后轮的姿势以适应不同的路面情况( 如图2 一1 2 ) 。 在动力单元的选择上，为了减小轮椅车的体积和重量，故采用体积小、重 量轻、输出扭矩大的直流电动机和直流伺服电动机，经减速器输出至传动轴， 减速机构的选择采用了与电动机集成的行星齿轮减速器和末级圆柱齿轮减速 传动，其传动效率高，体积小，噪音低，是电动轮椅车理想的动力装置。由于 轮椅在平地行走时需要相对较高的速度，而在上下楼梯时需要非常低的速度以 及比较大的扭矩，所以为两对电动机选择了不同减速比的减速器，以满足轮椅 在平地行走时高速度但需要扭矩小，而在攀爬楼梯时需要低速度大扭矩的要 求。 2 3 主要技术参数的确定 本文所研究的具有爬楼梯功能的电动轮椅车，首先它是一种适台在普通道路 上行驶的载人电动车辆，因此它必须符合我国的关于电动轮椅车的相关标准。本 文引用的是g bi2 9 9 6 电动轮椅车国家标准。 g b1 2 9 9 6 - - 9 i 中对道路型轮椅车的有关技术参数的要求1 2 9 ： 正常行驶速度： 6 。 最小回转半径： 2 m 等。 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 车轮尺寸及轮间距的确定： 决定车轮规格尺寸的一个最重要的因素是楼梯的尺寸，在轮椅车爬楼梯的过 程中，需要车轮能稳定的支承在楼梯上，直径太大则车轮在台阶上无法支承，而 且不利于减小轮椅车的整体的体积；直径太小则轮椅车在平地行驶时效率较低， 而且对地面适应能力差。 我国一般楼梯的尺寸标准如下：1 室内楼梯的每段净宽不应小于1 4 m ，踏步 高度不应大于1 6 0 m m ，踏步宽度不应小于2 8 0 m m ；2 室外台阶的踏步高度不应 大于1 5 0 m m ，踏步宽度不应小于3 0 0 m m 。 轮椅车轮应能在最小宽度2 8 0 m m 的台阶上稳定的支承轮椅，并能做一定距 离的滚动。根据以上条件，直径2 8 0 m m 的车轮是一个很好的选择。 根据我国对楼梯尺寸标准的要求，认为在踏步最窄的情况下，轮椅车攀爬楼 梯的难度最大，所以对车轮直径可行性的验证以及两轮中心距的确定均在踏步宽 度2 8 0 m m ，高度1 3 0 m m 的台阶上进行。 为了实现连续上下楼梯，两轮轴间距应满足一定条件，即可以同时使前后轮 处于上下两个台阶之上，而且支撑点要满足安全性要求，几何关系如图2 1 3 所 示。 满足支撑条件，则轮轴间距l 2 = 2 8 0 2 + 1 3 0 2 l = 3 0 8 7 m m 为了满足齿轮安装中心距的要求，圆整取l = 3 1 0 m m 。由于使用的是充气 轮胎，可以有适当的变形，所以当楼梯尺寸有些许不同时，仍能满足支撑条件。 图2 1 3 车轮尺寸及轮轴间距确定 两个轮子之间通过传动齿轮的固定支架相连，为了避免轮椅底部及齿轮系外 壳与台阶边缘干涉，由作图确定齿轮系外壳宽度为l o o m m ，这样就能保证轮椅 在爬越最高1 6 0 m m 高的台阶时，齿轮系外壳不与台阶发生碰撞。 大多数情况下，台阶的高度应该在13 0 m m 以上，宽度大于2 8 0 m m ，经做图 1 4 第二章上下楼梯轮椅机构选型及主要参数确定 分析，能满足1 3 0 m m 高，2 8 0 m m 宽台阶的设计必定能在其它规格的大多数楼梯 上使用。 通过与直流电机集成的行星齿轮减速器和末级圆柱齿轮传动来完成减速增 扭的任务，定轴轮系可采用5 个参数相同的圆柱齿轮来进行传动，这样设计简单， 而且制造成本降低。 则相邻齿轮中心距q = l 4 = 3 1 0 4 = 7 7 5 m m 初步估计整个轮椅的质量为5 0 k g ，所能承载的人的最大质量为7 0 k g ，平坦 路面上行走的速度为1 5 - 2 r n s ，爬3 0 。坡时的速度为0 5 m s ，上下楼梯时的翻 转速度为o 5 o 7 5r s ( 转每秒) 。 2 4 本章小结 通过以上对各种可以实现楼梯攀爬的机构的对比和分析，最后认为两联行星 轮机构应用在可攀爬楼梯轮椅上具有很大的优势，体积小，轮式的结构使其在平 地上使用时操作灵活方便，行星轮机构可以适应多种规格的楼梯，而且操作方便， 安全性较高。 作为残疾使用的代步工具，可攀爬楼梯轮椅车首先应该满足相应的国家标 准，参考相关标准，轮椅车的一些主要技术参数也就确定下来了，以下的研究也 就可以开展了。 第三章受力分析及电机选取 第三章受力分析及电机选取 3 1 行走机构分析及电机选取 3 1 1 水平路面行走受力分析 设轮椅和人的质量分别为5 0 k g 和7 0 k g ，轮椅在水平路面上行走的最大速度 为2 m s ( 7 2 k m h ) ，受力分析如图3 1 所示 f 1卜2 图3 - 1 水平路面行走时受力分析 ；：2 ：旦 4 行走时轮子为纯滚动，则f j = - ，f 2 = 2 ，其中为轮子与地面之间 的滚动摩擦系数，查手册得= 0 0 5 。 在水平路面上行走时所需的总功率为 p i = g y = o 0 5 ( 5 0 + 7 0 ) 1 0 x2 = 1 2 0 w 3 1 2 爬坡时受力分析 轮椅最大可以爬3 0 。的坡，假设爬坡时的速度为0 5 m s ，受力分析如图3 2 所示 爬坡时所需的总功率为 p 2 = g v s i n 3 0 0 = ( 5 0 - t - 7 0 ) 1 0 x0 5 s i n3 0 0 = 3 0 0 w 1 6 第三章受力分析及电机选取 3 1 3 行走机构电机选取 图3 2 爬坡时受力分析 根据以上分析，上坡时所需功率较大，考虑到行星齿轮减速器、轴承等的传 动效率，选取两个功率为2 5 0 w 的直流电动机。 爬坡时移动速度为0 5 m s ，则车轮的转速即中心齿轮的转速为 疗：兰6 0 ：q ：型q ：6 0 ：3 4 1 r m i n n d万2 8 0 中心齿轮传动轴所需转矩 t _ - 9 5 5 眦：! ( 三：9 5 5 1 0 s ! ! q q 望兰! q ：4 2 n m n3 4 1 初步假设末级圆柱齿轮传动的传动比为2 ，查阅样本初选行星减速箱的减速 比为7 4 - l ，则所需电机转矩大约为 4 ， m = 二= 0 2 8 4 n m 2 7 4 查阅样本，选取瑞士m a x o n 无刷直流电机，型号为e c4 5 ，2 5 0 w ，订购号 码为1 3 6 2 1 0 。其主要参数如表3 1 所示。 表3 1 行走用直流电动机主要参数 参数名称指标 名义电压 空载转速 空载电流 额定转速 额定转矩 额定电流 堵转转矩 2 4 v 9 0 9 0 r p m 1 1 4 0 m a 8 3 8 0 r p m 2 8 5 n m m 1 2 3 a 4 1 8 0 n m m 1 7 第三章受力分析及电机选取 选择与其配套使用的m a x o n 行星齿轮减速箱，型号为g p5 2c ，订购号码为 2 2 3 0 9 2 。其减速比为7 4 ：1 ，直径为5 2 m m ，最大连续输出转矩为3 0 n m ，允许间 歇输出的最大转矩达4 5 n m 。电机和行星减速箱的总长度为2 2 2 6 m m 。 3 2 翻转机构分析及电机选取 3 2 1 爬楼梯时受力分析 爬楼梯的动作实际上就是将一个质量向上一级台阶上搬的过程，可以采用简 化的模型。为了简化计算，假设整个“人+ 车”的质心就在前后轮轴的中心位置。 只有在整个轮椅完成全部虚拟设计后，才可以进行比较准确的重心计算。完成爬 楼梯的过程主要有如图3 3 所示的几种状态。 当轮椅到达第一级台阶边缘时，行走机构锁定，翻转机构在电机和减速器 的驱动下开始进行翻转，假设翻转过程中座椅始终保持水平，则重心位置不断 向上、向后移动，即重心至翻转轴的水平距离不断减少，所需克服的转矩逐渐 减小，当轮轴处于竖直位置时，所需克服的转矩为零，接下来的过程转矩方向 发生变化，此时电机需加一个与开始方向相反的转矩，保持翻转机构匀速翻转 ，并且转矩是逐渐增加的，当前轮成功翻到上一级台阶后再变换电机的转矩方 向，以前轮为轴将后轮及整个轮椅向上翻转，如此重复进行即可一级一级完成 上下楼梯的任务。 在整个过程中，前部万向轮不着地也不受力，轮椅重量由两对后轮交替支撑。 由图可以看出在整个过程中，当轮轴处于水平位置时，重心距翻转轴的 距离最大，所需克服的力矩最大，计算此时所需要的功率。 图3 3 爬楼梯时状态分析 第三章受力分析及电机选取 3 2 2 行星轮系安装位置的确定 因为行星轮系需要可以自由翻转以攀爬楼梯，所以轮椅和轮系的连接只能是 如图2 - 6 所示的轴承连接。这样的话就不得不考虑轮椅车的稳定性的问题。因此 重心的位置很重要。为了使轮椅使用者在乘坐轮椅时轮椅不会向后倾翻，就要将 行星轮系的安装位置尽可能的向后布置。但如果轮系太靠后的话，重心位置与轮 系中心的水平方向的距离增大，势必又会增加轮椅在攀爬楼梯时的阻力。 通过综合考虑，最终将将“人+ 车”模型( 乘坐者的后背紧靠在靠背上的情 况下) 整车重心置于后轮系轴心处稍靠前的位置，距后轮轴心1 8 5 m m 。因为此 时重心是在后轮系翻转轴的前面，所以轮椅是不会向后倾翻的，但在水平方向， 重心位置离轮系翻转轴距离又很小，所以此时辅助人员只需要很小的力量就可以 通过靠背后的把手操作轮椅进行一定幅度的倾斜和翻转。而在正常乘坐时，乘坐 者的后背不会紧靠在靠背上，因此整个轮椅的重心还会靠前，从而保证轮椅不会 向后倾翻造成危险。 在轮椅攀爬楼梯前，需要乘坐者向后紧靠后靠背上，这样，该机构要将整车 举上一个台阶所需克服的力矩为： m = ( 5 0 - i - 7 0 ) 1 0 o 1 8 5 = 2 2 2 n m 当控制机构上楼梯时的翻转速度为c o = 0 7 5 r a d s 时，可以计算出需要的功率 为 p = m x 彩= 2 2 2 0 7 5 = 1 6 6 5 w 由图3 3 可以看出，在翻转过程中重心的位置波动比较大，这将带来很大的 安全和舒适度问题，这也是在今后研究中要重点解决的问题。 3 2 3 翻转机构电机选取 一侧翻转轴的转矩为t ：_ 1 6 6 5 ：8 3 2 5 n m ，初步取末级圆柱齿轮传动的传 z 动比为2 ，查样本初选行星减速箱的减速比为1 3 9 ：l ，则所需电机转矩大概为 m ：里笪：0 2 9 9 n m 2 x 1 3 9 查阅样本，同样选取瑞士m a x o n 无刷直流伺服电机，型号为e c4 5 ，2 5 0 w ， 订购号码为1 3 6 2 0 7 。主要参数如表3 2 所示。 选择与其配套使用的m a x o n 行星齿轮减速箱，型号为g p6 2a ，订购号码为 11 0 5 0 6 。其减速比为1 3 9 ：l ，直径为6 2 m m ，最大连续输出转矩为5 0 n m ，允许间 歇输出的最大转矩达7 5 n m 。电机和行星减速箱的总长度为2 4 8 3 m m 。 1 9 第三罩受力分析及电机选取 表3 - 2 翻转用直流电动机主要参数 参数名称指标 名义电压 空载转速 空载电流 额定转速 额定转矩 额定电流 堵转转矩 3 2 4 控制系统 轮椅车行驶系统的控制选用智能摇杆控制器( 如图3 - 4 ) ，通过智能操纵杆同 时控制二只电机的运行状态和车辆的运动方向和速度。它可使电动轮椅车原地旋 转3 6 0 度，电磁刹车，手杆控制停车起步等。 这类产品在普通电动轮椅车上的应用已经成熟，使用这种控制器乘坐者仅 需要一只手就能够灵活的摔制轮椅卧不同的速度前进、后退、转弯、旋转、刹车 等操作。 控制器安装在轮椅扶手处，井可根据使用者需要选择装在左边或右边。 罔3 - 4 智能摇杆控制器 控制器的工作原理是这样的：它产生矩形脉冲，靠脉冲的占空比来调节电动 机的转速，电动机的转子是线圈，定子是永磁铁，脉冲波被线圈电感整流，就变 。= 烹三 第三章受力分析及电机选取 成平稳的直流电，脉冲的占空比由手柄上的调速钮来控制，调速钮里面有一个发 光二极管和一个接收二极管，中间由一块透明度从浅到深的隔板档着，这样信号 就会由弱到强输送到控制器，从而产生占空比不同的矩形脉冲。 另外还可根据需要加装遥控器，通过遥控器也可实现和操作手柄同样的功 能。 在轮椅进行攀爬楼梯的动作时，需要一名助手协助维持轮椅的平衡。 在轮椅车靠背两侧有两个把手，行星轮机构翻转控制按钮就安装在其中一个 扶手上。按钮选用轻触式按钮，并为安全考虑，设计为按下后实现翻转，松开后 停止动作。在另外在把手上安装一组可以控制慢速前移或后移的按钮，这样助手 就可以随时根据楼梯的情况向前或向后少量移动轮椅车，以防止在攀爬楼梯时支 撑点过于靠近台阶边缘而产生危险。另外当轮椅乘坐者不方便操作轮椅时，助手