一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计.docx

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1、 中图分类号 :TH12;TP242.6文献标识码 :A 1 引 _ 随着 21世纪的到来我国现已进人老龄化社会，现在我国的 ： 老年人口已达到 1.32亿，并以年均 3.30%的速度持续增长，此外， 我国还有各类残疾人约 6千万，大量的老年人和残疾人的存在使 助老助残问题日益成为一个重大的社会问题服务机器人的问 世和发展可以有效地提高老年人和残疾人的生活质量，为我国社 会的稳定发展起到积极作用。爬楼梯电动轮椅是服务机器人的一 种，它是老年人或肢体伤残者不可缺少的康复和代步工具，借助 轮椅老年人和肢体伤残者可以进行身体锻炼和参与社会活动。我 国的轮椅发展较缓慢，而能爬楼梯的多功能轮椅在国内尚无

2、成熟 的产品 ;然而随着社会生产力的发展，人们生活水平的不断提高， 考虑提高老年人及残疾人对出行的方便性，研制具有爬楼梯功能 的轮椅具有重大的现实意义。为此，通过查洶国内外相关资料，经 过深人研究设计一款星轮式爬楼梯电动轮椅。 2星轮式爬楼梯电动轮椅的工作机理及 总体设计 2.1爬楼梯轮椅工作机构设计 作为爬楼梯电动轮椅，其工作机构设计的重点问题在于爬 *来稿日期 :201I-12-02 *基金项目： 863计划资助项目 （ 2008AA040205) 升机构的设计和如何将爬楼梯功能和电动轮椅功能较好地结合。 通过对国内外爬楼梯轮椅的研究，按照其爬升机构的形式可以分 为行星轮式、履带式、腿足式

3、和曲柄式等。通过对以上各种爬升机 构的分析，考虑到使用的安全性、控制的难易程度、运动的灵活性 等，最终确定采用星轮机构作为爬升机构 ,而其电动轮椅功能的 实现是通过将用星轮机构中的一个轮用轮毂电机代替来实现。 星轮机构通过行星轮绕回转中心的公转，实现攀爬楼梯的 功能 。而且 这样使平地行走和楼梯攀爬可以使用同一个机构 ，缩 小了整体尺寸并且降低了轮椅重量。行星轮的个数可以采用多个， 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，为了满足体积小重量轻的要 求，本次设计采用三个行星轮，圆周均匀布置，具体结构，如图 1所 示。其中，两个星轮使用普通轮，另

4、外星轮使用轮毂电机。攀麵梯 时三个轮的作用均为行星轮，在平地行走时，轮毂电机着陆来实现 行走功能，另外两个轮子也具有行走能力，以便短距离移动来适应 不同步长的楼梯。由于轮穀电机要绕回转中心公转 ,为了解决给轮 毂电机供电问题采用集流环解 决。此外为了实现平地行走时转弯 的灵活性，采用两侧轮毂电机差动控制来实现。攀爬楼梯时，攀爬 电机驱动行星轮系绕轴心公转实现上下楼梯的功能。 一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计 * 王占礼 1孟祥雨 W陈延伟 1 (1.长春工业大学机电工程学院，长春 130012;2.空军航空大学航空机械工程系，长春 130022) Design of a Star Wheel Po

5、wer-Driven Stair-Climbing Wheelchair WANG Zhan-liMENG Xiang-yu1 2,CHEN Yan-wei1 (1.Changchun University of Technology School of Mechanical and Electrical Engineering,Changchun 130012,China; 2.Air Force Aviation University Denartment of Menhanical Enffineerinff.Chanffnliun 130022.China) 【 摘 要 】 设计了一款

6、三星轮式爬楼梯电动轮椅，其中一个星轮为轮毂电机。采用三星轮机构实现 爬楼越障，采用轮毂电机驱动轮椅平地行驶，实现了爬楼功能和电动轮椅功能的有机结合。爬升装置是 爬楼梯轮椅的关键，在深入研究爬楼梯轮椅工作机理基础上，充分考虑爬楼梯轮椅欣升装置的结构和 尺寸以及爬升功率、安全性等要求 ,在对爬升装置设计的同时还对轮椅行走环节进行了设计。经过性能 分析，设计的爬楼梯轮椅达到了功能要求，并具有乘坐安全、爬楼梯穗定、控制容易以及操作简单等特 点。 关键词 :星轮式 ;爬楼梯轮椅 ;爬升装置 lAb 答 A three star wheels stairs climiing electric wheelc

7、hair is dsigtwd,One of the star wheels is wheel motor.The three star wheels stairs-climbing device climbs up the obstacles, with the wheel motor driving on the ground which realizes the organic combination of climb building and the electric wheelchair function.The Star wheel stair-climbing device is

8、 the key to it,The stair-climbing device and its walking mechanisms was designed by in-depth study,with fully consideration of the requirements of structure 9size and climb power .and security of the stair-climbing device.The results of analysis of performance of wheel chair show that stair-climbing

9、 wheel chair reaches the design requirements and has the advantages of safe ty stability， simple operation and easy control. Key Words： Star Wheel； Stair-Climbing Wheel Chair； Stair-Climbing Device 2.2总体设计 2_2.1星轮爬升机构关键结构尺寸设计 星轮机构是该 爬升装置的核心，故确定星轮及星轮架结构 尺寸是整个机构设计的关键。决定星轮及星轮架结构尺寸的一个 最重要的因素是楼梯的尺寸，在轮椅爬楼

10、梯的过程中，需要星轮 能稳定地支承在楼梯上，直径太大则星轮会与楼梯前沿干涉，也 会导致轮椅的整体尺寸过大， 直径太小则轮椅在平地行驶时对地 面适应能力差。 我国建筑楼梯模数协调标准规定 121:室内搂梯踏步高度不 宜a大于 210mm,并不宜小于 140mm;楼梯踏步宽度 6不宜大于 320mm， 并不宜小于 220mm;楼梯踏步高与宽的关系要满足 :2a+ 65600mm ( 踏步高 ,6 踏步宽 )。轮椅要适应规定的尺寸范 围，能够顺利的上下楼梯，即强调它的适应能力。轮椅车轮应能 在最小宽度 220mm的台阶上稳定的支承轮椅，并能做一定距离 的滚动。根据这个条件，星轮直径把220mm,经查

11、阅资料选择轮 毂电机尺寸为 210mm;综合以上因素选择星轮直径也为 21 mm。 同时，根据以上条件可得 :当踏步宽度为 220mm时，踏步高 度最小值为 1 4 0 mm,踏步高度最大值 为 190mm。 在楼梯踏步尺寸最小的情况下，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 6为220mm,踏步高度为 140mm的台阶上进行。星轮机 构爬楼状态，如图 2所示。其中，汉为星轮架臂长， r为星轮半径， 为星轮架臂宽 J为星轮中心距， *为星轮中心与楼梯边缘的距 离。根据图 2分析推到得出如下关系式： 综合上述公式 (1)、 (2)、 (3)、

12、(4),最终确定行星轮系的主要 参数为 :/?=130mm， r= 105 mm， t=45nun。 2.2.2爬升驱动装置传动设计 在爬升装置设计过程中，根据爬升装置的工作特点，我 们设 计了蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动机构等。通过分析几种传动机 构得出行星齿轮传动机构较其他几种机构有传动功率大、结构紧 凑、效率高等优点。故本设计采用行星齿轮传动机构。其行星齿轮 传动机构原理，如图 3所示。本机构由两级减速构成，其中第一级 由锥齿轮传动来实现 ;第二级由 2K-H行星轮系传动来实现。该 机构是一行星齿轮系，其减速原理是通过固定内齿轮 (4)和输出 内齿轮 (7)的齿数差来实现的。 图 3行星轮

13、系机构传动原理图 1.电机及减速器 2.小锥齿轮 3.大锥齿轮 4.固定内齿轮 5.行星轮 (1) 6.行星轮 (2) 7.输出内齿轮 3星轮式爬楼梯轮椅的设计计算 根据具体设计情况及设计要求确定爬楼梯电动轮椅的具体 参数如下 :轮椅总重量 :S70kg;载荷 :兰 80kg;平坦路面轮椅最大 行走速度 :3m/s;最大爬坡角度 :30此时速度最大为 :VmF .5m/s; 爬楼梯 速 度 阶 / min。 3.1行走功率计算 行走时轮子为纯滚动，则私 /V,式中 :M 轮子与地面之间 的滚动摩擦系数，査机械设计手册得 0.05。在水平路面上行走 曰寸所需的总功率为： Pl=Fxv=jxNxv

14、=fixGxv=0.05x(10+S0)x.l0x3=225w 爬 30坡时的功率 :轮子受力分析，如图 4所示。根据受力分 析图可得出爬坡时所需的总功率为： P2=Gxt； xsin30o=(70+80)xl0x0.5x0.5=375w 通过比较可以得出最大行走功率为 375w。 由于装有两个轮 毂电机，即每个轮毂电机为 190w即可满足要求。 3.2爬楼梯功率计算 爬楼梯的动作实际上就是将整体质量向上一级台阶搬运的 过程，装置在爬楼时需要克服车体和负载的重力做功。经虚拟样 机模拟得到爬楼过程中重力作用线与驱动轴之间的垂直距离 L= 190mm， 采用简化的力学模型计算所需克服阻力矩为： M

15、=GxL=( 80+70)x10x0.19=285N m 爬楼速度最大为 12阶 /min确定主轴转速为 :n=4rpm 驱 动 轮 角 速 度 : = 0 . 4 2 rad/S oU 爬 楼 梯 所 需 功 率 为 19.7W 升过程中加速度曲线峰值较小 ,这就说明在爬升过程中无明显冲击 现象 ,有效地提高了乘坐者的舒适度以及安全性。综合以上仿真分 析可以得出结论 :本设计的运动特性较好，可以满足功能要求。 5结论 通过分析轮式尤其是星轮式爬楼装置的优越性设计了一款 星轮式爬楼梯电动梯轮椅。在此过程中进行机构设计，传动装置 以及整体结构的设计，并进行相关设计计算以及运动仿真，设计 成型一款

16、星轮式爬楼梯电动轮椅。此轮椅既可以越障、爬楼，又具 4仿真分析 根据机构各构件的实际尺寸、质量、受力情况及驱动条件， 在solidworks/motion软件模块上对所设计的爬楼梯轮椅进行了 动力学仿真，其整机沿坐标平面的运动轨迹、爬升扭矩、线加速度 的变化规律，如图 5所示。 分析图 U)可以看出爬楼梯过程的运动轨迹，其轨迹显示： 再爬升过程中轮椅运动轨迹相对平滑，波动较小，这说明在爬升 过程中乘坐者的颠簸感较小，乘坐舒适，并且由于颠簸程度较小 使安全性能也有所提高。观察爬升扭矩曲线即图 (b )可以得出爬 升扭矩的峰值约为 285N.m,这个数值与以上计算所得数值 285N. m完全相同。

17、这可以说明以上所运用的扭矩计算方法是科学的、 可信的，另外根据扭矩曲线，可以为控制设计提供一定的依据。分 析图 (c)得出轮椅再爬升过程中线加速度多数时间在 0.4m/S2,虽 然偶有超出现象，但几个尖锐峰值几乎都在一个运动结束时，这 属于正常缓冲现象，对于整个运动过程几乎没有影响，加速度的 值可以表示爬升过程中的冲击大小。看此图可以知道本设计再爬 有电动轮椅功能。作为爬楼梯轮椅时，具有对不同尺寸楼梯适应 能力强，安全性 好 ,整体重量轻巧，结构紧凑等特点，作为电动轮 椅使用时，可满足国家标准对电动轮椅的要求。但综合考虑本设 计具有可行性并能形成产品，同时对于爬楼梯轮椅的进一步研究 也提供了一

18、定基础。 参考文献 1 邓志东，程振我国助老助残机器人产业与技术发展现状调研 J .机 器人技术与应用 ,2009( 2): 20-24. 2 中华人民共和国国家计划委员会 .GBJ101 87建筑楼梯模数协调标 准 .北京 :中国标准出版社 ,1987. 3 苏和平，王人成 .爬楼梯轮椅的研究进展 J.中国康复医学 ,2005,20(5): 366-368. 4 薛强，朱贤仲，张建国 .多功能轮椅车设计及有限元分析 J.机械设计 与制造 ,2009(7):24-26. 5 江渡，申俊，陈栋，等 .应用人机工程学研究轮椅的舒适性 J.机械设计 与制造 ,2006(8): 12-13. 6 项海筹，乌兰木其，张济川 .手动爬楼梯轮椅 J.中国康复医学 ,1999,9 (2)-.62-66. 7 苏和平，王人成 .一 种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计 J.中国 临床康复， 2005(26):144-5.