履帶—輪組式電動多功能輪椅設(shè)計說明書(共33頁)

1、履帶-輪組式電動多功能輪椅設(shè)計說明書目錄設(shè)計任務(wù)書1第一章 緒論21.1 設(shè)計的背景和意義21.2 現(xiàn)有產(chǎn)品簡介及產(chǎn)品分析21.3 本章小結(jié)3第二章 設(shè)計方案選擇42.1 輪椅機構(gòu)形式的選擇42.2 輪組的選擇42.3 履帶的收放機構(gòu)52.4 座椅調(diào)平機構(gòu)62.5 本章小結(jié)8第三章 輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析83.1 輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計83.1.1 輪組83.1.2 履帶及其收放機構(gòu)103.2 輪椅的運動分析143.2.1 輪椅的平地行駛及越障功能143.2.2 輪椅爬樓梯過程的分析16第四章 輪椅驅(qū)動與傳動系統(tǒng)的設(shè)計194.1 輪椅的驅(qū)動系統(tǒng)194.2電機參數(shù)的確定204.3 輪椅中間主體的傳動設(shè)

2、計22第五章 輪椅運動控制系統(tǒng)設(shè)計235.1 輪椅的功能分析235.2 輪椅的控制系統(tǒng)23第六章 總結(jié)28參考文獻28設(shè)計任務(wù)書 技術(shù)要求：1）功能：直線行駛、勻速、加速、減速、轉(zhuǎn)彎、爬樓梯等；2）較強的爬梯適應(yīng)能力，應(yīng)對樓梯結(jié)構(gòu)的多變性；3）良好的機動性，使其能夠在平地行駛、爬樓梯、跨越障礙等動作狀態(tài)間很好的過渡轉(zhuǎn)換；4）結(jié)構(gòu)緊湊, 操作方便, 工作可靠；5）良好的穩(wěn)定性，利用滾軸滑軌機構(gòu)進行座椅調(diào)平, 使其在越障、 跨溝和爬樓梯時始終保持水平；6）較強的越障能力和路面適應(yīng)性；7）抗沖擊能力強；8）具有更大的作用面，可以適應(yīng)各種復(fù)雜多樣的路面。履帶輪組式電動多功能輪椅技術(shù)參數(shù)如下表：總體結(jié)構(gòu)

3、履帶輪組式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)指標(biāo)自重<50Kg載荷>50Kg結(jié)構(gòu)尺寸1200*700*500機動指標(biāo)平地最小速度正常速度爬坡速度4m/s最小通過坡度30°樓梯通過能力能通過普通標(biāo)準(zhǔn)樓梯轉(zhuǎn)向能力零半徑續(xù)航能力1 小時以上跨過障礙物的最大高度跨過凹溝的最大寬度防護能力防水防塵，抗沖擊。第一章 緒論1.1 設(shè)計的背景和意義年老體弱、下肢殘障者在日常生活中的最大障礙就是步行能力的減弱甚至喪失。這些人行動不方便，需要有能正常行走的人加以照顧。目前，大部分年老體弱、肢體傷殘者的代步工具都是普通的輪椅，普通的輪椅都是靠人力推動的，而且普通輪椅不能過障礙物，也不能越溝，更無法攀登樓梯，從而限制了輪

4、椅使用者的活動范圍，影響其參與社會生活。尤其是國內(nèi)城市以多層公寓式樓房居多，電梯并沒有普及到所有的居民住宅，這給輪椅乘坐者造成諸多不便。為了給上述弱勢群體帶來方便，更好的關(guān)懷老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質(zhì)量，除了增加房屋和各種公共建筑設(shè)施的無障礙設(shè)計，擴大輪椅的使用范圍之外，改進現(xiàn)有的普通輪椅，使其兼?zhèn)淦降匦旭?、越溝、過障礙、爬樓梯等多種功能，將是更加行之有效的一種措施。為了上述需求，給老年人和殘疾人提供性能優(yōu)越的代步工具，解決障礙、樓梯等對他們生活造成的不便，同時考慮使用者的經(jīng)濟承受能力，研究一種價格適宜、平穩(wěn)安全的電動多功能輪椅具有重大的意義和實用價值。1.2 現(xiàn)有產(chǎn)品簡介及產(chǎn)品分

5、析目前市場上具備爬樓梯、越障等功能的輪椅主要有兩種類型履帶式和輪組式。如圖1，輪組式的輪椅大都采用三葉輪式和四葉輪式，機構(gòu)精巧，能實現(xiàn)平 （圖1） 輪組式的輪椅地行駛、越溝、過障、爬樓梯等功能，而且平地行駛時，輪椅比較平穩(wěn)，人坐著也比較平穩(wěn)，但無法克服爬樓梯時兩臺階間的震蕩，上下樓梯時該類型輪椅重心起伏較大，會使乘坐者感到不適而且難以實現(xiàn)在平地上的獨立行走，需要其他人的時刻陪護和推拉。 如圖2為履帶式爬樓梯輪椅，履帶式爬樓梯輪椅技術(shù)較成熟，操作簡單，對 樓梯的形狀、尺寸適應(yīng)性強，爬樓梯時波動小，乘坐的人比較舒服，而且平地行駛也比較平穩(wěn)；但履帶式輪椅越障時不夠平穩(wěn)，重心波動大，乘坐者會感到不舒服

6、，而且，履帶式輪椅在平地行駛時阻力比較大，所以消耗的功率就比較大。圖1.2履帶式爬樓梯輪椅1.3 本章小結(jié)由上述對現(xiàn)有的產(chǎn)品進行詳細(xì)了解和分析可知，履帶式和輪組式輪椅都有各自的優(yōu)點，有都有各自的缺點。履帶式輪椅在爬樓梯方面具有優(yōu)越性，在爬樓梯時無重心、波動穩(wěn)定性好，但是，當(dāng)在平地上行駛時阻力會很大，所以功耗較大，可能還要增加輔助電機，使輪椅的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜；而且，當(dāng)在平地上遇到障礙時，輪椅就會產(chǎn)生波動、變得不平穩(wěn)。輪組式輪椅在平地行駛時具有優(yōu)越性，路況比較平坦時，輪椅行駛比較平穩(wěn)，在平地上遇到障礙時，越障也比履帶式輪椅波動??；但是，在爬樓梯方面輪組式輪椅卻有著很大的缺陷，輪組式輪椅在爬樓梯時重心

7、波動很大，穩(wěn)定性很差。第二章 設(shè)計方案選擇2.1 輪椅機構(gòu)形式的選擇在第一章對現(xiàn)有輪椅進行詳細(xì)分析之后，了解到了各種形式輪椅的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上，利用它們的優(yōu)點，避開它們的缺點，就可以設(shè)計出一種更加具有優(yōu)越性的電動多功能輪椅輪組-履帶式電動多功能輪椅。這種輪椅結(jié)合了輪組式和履帶式輪椅的優(yōu)點，在這種輪椅上既裝有輪組，又裝有履帶。在平地行駛、跨溝、越障時，使用輪組，而在爬樓梯時，輪椅會放下履帶，使用履帶爬樓梯。 2.2 輪組的選擇圖2.1 鏈傳動三葉輪1234561 車輪2 小輪鏈輪3 中心鏈輪4 支架5 張緊輪輪6 傳動鏈條輪組式的輪椅大都采用三葉輪式和四葉輪式，四葉輪爬樓梯比三葉輪平穩(wěn)，但是四

8、葉輪的結(jié)構(gòu)比三葉輪復(fù)雜，而且輪組-履帶式電動多功能輪椅是使用履帶爬樓梯的，所以采用三葉輪。而三葉輪也有多種形式，主要有鏈傳動的（如圖2.1），齒輪傳動的（如圖2.2）。鏈傳動是一種撓性傳動，它由鏈條和鏈輪組成，通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。但是，鏈傳動有很多缺點：運轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時有噪聲；不宜用在載荷變化很大、高速和急速反向的傳動中。齒輪傳動具有一下優(yōu)點：效率高，在常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率圖2.1 齒輪傳動三葉輪123451 驅(qū)動齒輪2 過度齒輪3 中心齒輪4 轉(zhuǎn)臂5 小車輪為最高；機構(gòu)緊湊，在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需的空間

9、尺寸一般較小，這一點正好適合用在輪組中，減小了輪組的體積，這樣也可以減小輪椅的體積；工作可靠，壽命長，這一點應(yīng)用在輪椅上，可以使輪椅的使用壽命加長，也提高了輪椅的安全性；傳動比穩(wěn)定，傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求，齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于具有這一特點，這一特點也適合用在輪椅上。 2.3 履帶的收放機構(gòu) 由于履帶只在爬樓梯時使用，而在平地行駛時使用的是輪組，所以履帶平時是收起來的，只在爬樓梯時才放下，故在設(shè)計履帶時，要考慮到履帶的收放機構(gòu)，也就是說履帶要有專門的收放機構(gòu)。圖2.3 履帶及其收放機構(gòu)簡圖5123461 液壓缸2 輪椅支架3 擺臂履帶4 車身主履帶5 驅(qū)動系統(tǒng)6 傳動系

10、統(tǒng)如圖2.3即為履帶及其收放裝置的機構(gòu)簡圖，其中液壓缸1（也可以采用氣壓缸）是收放機構(gòu)的主要部分，利用液壓缸1的往復(fù)伸縮就可以實現(xiàn)履帶的收放，并且可以使履帶產(chǎn)生一定的傾斜角度，這樣履帶就可以跨上樓梯的第一級，進而實現(xiàn)爬樓梯的功能。2.4 座椅調(diào)平機構(gòu) 在上下樓時爬樓梯輪椅整體是傾斜的,而且在跨越障礙、越過凹坑時輪椅也會產(chǎn)生傾斜，在傾斜的輪椅會使乘坐者感到不適。為了克服這一弊端和輪椅爬樓過程中重心的起伏, 要設(shè)計一種可以減緩波動的機構(gòu)，波動小了，乘坐者才會感到舒適。如果座椅和座椅支架是固定在一起的，當(dāng)輪椅因越障、跨溝、爬樓梯而產(chǎn)生傾斜時，乘坐的人也會一直傾斜著，所以只有把座椅和座椅支架做成滑動連

11、接的才能實現(xiàn)當(dāng)輪椅發(fā)生傾斜時而乘坐的人可以始終保持水平乘坐，這樣，乘坐的人才不會感到不舒服。座椅支架與滑軌的連接方式如圖2.4所示。圖2.4 滾道滑軌式座椅原理圖12341 軸承2 座椅支架3 滑軌4 滾軸其主要由圓弧形軌道及滾軸組成?；壓附釉诘准苌? 滾軸通過螺紋連接固定在座椅底部的支架上, 其軸端安裝有軸承可以在滑軌里滑動,從而實現(xiàn)座椅的平。該滑道滑軌式座椅的外形結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.5所示：座椅支架通過軸承與圓弧12圖2.5 座椅機構(gòu)簡圖1 座椅支架2 圓弧形軌道 形軌道形成滑動連接，圓弧形軌道與輪椅底盤連接成一體，這樣，當(dāng)?shù)妆P與圓弧形軌道發(fā)生傾斜時，軸承就會沿圓弧形軌道滑動，使座椅始終保持

12、水平，乘坐的人也就可以始終保持水平。2.5 本章小結(jié) 通過上述分析，可以初步確定輪椅的主要機構(gòu)。輪組采用三葉式、齒輪傳動的行星輪式結(jié)構(gòu)，每個小車輪既可以繞各自的軸自轉(zhuǎn)，又可以繞機架傳動軸公轉(zhuǎn)，平地行駛時小車輪自轉(zhuǎn)，越障、跨溝時小車輪不再自轉(zhuǎn)，而是繞傳動軸公轉(zhuǎn)；輪椅除了采用輪組外，還要增設(shè)履帶裝置，并且，還設(shè)有履帶的收放機構(gòu)，當(dāng)遇到樓梯時，放下履帶，平地行駛時，收起履帶；輪椅支架與底盤用軸承實現(xiàn)連接，能夠在底盤發(fā)生傾斜時，也能保持水平。第三章 輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析 3.1 輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括輪組、履帶、車架等的設(shè)計。3.1.1 輪組由第二章可知，輪椅的輪組采用三葉式齒輪傳動

13、的星形輪結(jié)構(gòu)。輪組機構(gòu)的外圖3.1 輪組機構(gòu)示意圖形圖如圖3.1所示：輪組主要由車輪、齒輪、轉(zhuǎn)臂組成。小車輪具有兩種運動方式：小車輪的自傳，小車輪繞驅(qū)動軸的公轉(zhuǎn)。這兩種運動方式實現(xiàn)了輪椅的不同運行方式。如圖3.2所示為輪組的轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂的作用為：用于安裝齒輪，對齒輪圖3.2 輪組轉(zhuǎn)臂進行定位；轉(zhuǎn)臂的另一個主要功能是帶動小車輪繞轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)；除此之外，轉(zhuǎn)臂還起到強化機構(gòu)、支撐輪椅支架等功能。 輪組是用齒輪傳動的，一個輪組中包含有七個齒輪，如圖3.3所示為輪組的 234563.3 輪組局部結(jié)構(gòu)圖71一支，其中1為小車輪，；2為驅(qū)動齒輪，用來驅(qū)動小車輪自傳；3為輪組的轉(zhuǎn)臂，用來驅(qū)動小車輪繞驅(qū)動軸公轉(zhuǎn)；4為

14、過度齒輪；7為中心齒輪；6為傳動軸一，一端與中心齒輪配合，通過軸承空套在轉(zhuǎn)臂3上，一端與鏈輪配合，并通過軸承空套在主車架上；5為傳動軸二，一端通過螺栓與轉(zhuǎn)臂3固連，一端與鏈輪配合，并通過軸承空套的主車架上；傳動軸一與傳動軸二通過軸承相互空套；過渡齒輪4，驅(qū)動齒輪2各自通過軸承空套在轉(zhuǎn)臂3上；小車輪1通過螺栓與驅(qū)動齒輪2固連，三個小車輪的中心軸線呈等角分布。由于轉(zhuǎn)臂3，過渡齒輪4，驅(qū)動齒輪2（包括小車輪6）都是空套在相應(yīng)的軸上，因此驅(qū)動輪系包含三個結(jié)構(gòu)完全相同的差動輪系，這三個差動輪系共用中心輪和行星架，并且沿周向?qū)ΨQ分布，增設(shè)過渡齒輪4，可以保證同時著地的兩個小車輪1具有和中心齒輪7相同的旋向

15、，朝同一方向滾動前進。3.1.2 履帶及其收放機構(gòu) 在第二章已經(jīng)對履帶的機構(gòu)作了簡要介紹，如圖2.3為履帶及其收放機構(gòu)的簡圖。履帶的收放是通過液壓缸的往復(fù)運動實現(xiàn)的。其原理的AutoCAD圖如圖3.4所示：履帶的收放機 圖3.4 履帶及其收放機構(gòu)構(gòu)采用的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，通過反復(fù)壓動手動泵來實現(xiàn)履帶的收放和履帶傾斜角度的變化。根據(jù)輪椅高度和所設(shè)計履帶高度選擇千斤頂。L為千斤頂高度最小時的長度, L'為千斤頂伸出一定長度，頂起履帶并使其發(fā)生一定角度時的長度。AB'BDC圖3.5 千斤頂升降簡圖L=BC ， L=B&

16、#39;CAB為履帶，通過千斤頂履帶轉(zhuǎn)過一定角度BAB，因為大部分樓梯坡度為30o,所以上樓梯時，至少把履帶旋轉(zhuǎn)30o, 即BAB=30o根據(jù)正余弦定理：BB'sinBAB'=ABsinBB'AB'C2=BC2+BB'2-2BCBB'cosCBB'取: BC=380mm AB=AB'=320mm解得： BC-BC=160mm 即千斤頂?shù)男谐讨辽贋?60mm 分離式液壓千斤頂要配有液壓控制系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)基本原理如圖3.6所示：液壓系統(tǒng)基本原理：系統(tǒng)由油箱，過濾器1，液壓泵2，溢流閥3，換向閥4，節(jié)流閥5，換向閥6，液壓缸以及連接這

17、些原件的油管，接頭等組成。該系統(tǒng)的工作原理是液壓泵從油箱吸油，泵輸出的壓力油換向閥4節(jié)流閥5換向閥6液壓缸左腔，推動活塞運動，通過活塞桿推動重物。這時液壓缸7的右腔的油液換向閥6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1234567圖3.6 液壓控制系統(tǒng)6液壓缸右腔，推動活塞使其復(fù)位，放下重物并使液壓缸左腔油液換向閥6回油管油箱。其中節(jié)流閥的功能是調(diào)節(jié)工作速度，溢流閥的功能是是調(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，液壓缸必須提供足夠的動力，而這個動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，阻力越小，壓力就低。即液壓缸的壓力取決于負(fù)載。履帶

18、的選擇履帶驅(qū)動輪的選擇關(guān)系到輪椅爬樓梯的性能指標(biāo)。履帶的驅(qū)動輪分布主要有后輪驅(qū)動和前輪驅(qū)動兩種。履帶兩端的導(dǎo)向輪哪一個用來驅(qū)動更為合適與履帶機構(gòu)的形狀有關(guān)。對于該輪椅的履帶，以驅(qū)動輪在后方比較有利，這時履帶的上分支受力較小，導(dǎo)向輪受力也較小，主履帶承載分支處于微張緊狀態(tài)，運行阻力較小，如圖 3.7a所示。反之，前輪為驅(qū)動輪時，履帶的上分支及導(dǎo)向輪承載最大載荷，履帶承載分支部分長度處于壓縮彎折狀態(tài)，運行阻力較大，見圖3.7b。圖3.7a 后輪驅(qū)動cabH圖3.8 2K-H型行星齒輪傳動機構(gòu)為了節(jié)省空間，本題目中的傳動系統(tǒng)采用了行星減速器設(shè)計。從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)圖3.7b 前輪驅(qū)動 了電機直接驅(qū)動后輪。

19、行星減速器采用 2K-H 型行星齒輪傳動。原理如圖 3.8所示：a、b為太陽輪；c為行星輪；H為轉(zhuǎn)臂。該機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大，但價格略貴。 3.2 輪椅的運動分析 經(jīng)過前面幾章的分析可知，電動多功能輪椅不僅要具備在平地上行駛的功能，而且還要具備越障、跨溝、爬樓梯等復(fù)雜功能，下面將對輪椅的這幾種功能作詳細(xì)的分析。3.2.1 輪椅的平地行駛及越障功能 平地行駛是輪椅最基本的功能，在此基礎(chǔ)上對輪椅進行加速、減速，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的功能。如圖3.7所示為輪椅在平地上行駛時的示意圖（此時為了表達方便，在圖中并未畫出履帶結(jié)構(gòu)）。此時，每個輪組各有

20、兩個小車輪著地，如圖3.3所圖3.9 平地行駛示：傳動軸一帶動中心齒輪轉(zhuǎn)動，中心齒輪經(jīng)過度齒輪帶動驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，如此就實現(xiàn)了小車輪的自傳運動，進而使輪椅能夠在平地上行駛。當(dāng)兩側(cè)運動單元中的小車輪等速運動時，輪椅直線行走；當(dāng)兩側(cè)小車輪反向轉(zhuǎn)動時，輪椅就會在原地轉(zhuǎn)向，不同速度運轉(zhuǎn)實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向半徑，于是就實現(xiàn)了輪椅的轉(zhuǎn)彎功能。 當(dāng)輪椅在平地上遇到障礙時，如果障礙物尺寸較小，可利用小車輪尺寸優(yōu)勢直接通過；當(dāng)前進的車輪碰上較高障礙而停止不動時，驅(qū)動輪系就演變成行星輪系，輪輻帶著另外兩個車輪繞前輪的驅(qū)動軸軸線回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)翻越障礙的目的。如圖3.8所示為輪椅跨越障礙物的過程示意圖。由圖可知輪椅在跨越障礙時底

21、盤（圓弧形滑軌）會隨驅(qū)動軸軸心高度的變化而發(fā)生傾斜，但是通過調(diào)平機構(gòu)的調(diào)整，座椅在整個過程中始終保持水平，進一步驗證了這種輪椅機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)平的功能。在輪椅跨越障礙物的過程中，過障礙的輪組的驅(qū)動軸一（如圖3.3）由電磁離合器（后面將會介紹到）鎖死，所以中心齒輪也被鎖死，小車輪不再做自傳運動（主要目的是防止小車輪滑移），而只繞驅(qū)動軸做公轉(zhuǎn)運動，如此就實現(xiàn)了輪椅跨越障礙的功能。 abcd圖3.10 輪椅跨越障礙輪椅在遇到較窄的深溝時（深溝寬度小于2倍輪輻長），為克服前進中的阻力，與越障機理一樣，驅(qū)動輪系演變成了行星輪系，完成跨溝的過程，如圖3.9所示：abcd圖3.11 輪椅跨溝過程跨溝的原理和跨

22、越障礙時的原理類似，由圖可知，在整個跨越過程中座椅也是始終保持水平的，由此可知調(diào)平機構(gòu)同樣適用于跨溝過程。3.2.2 輪椅爬樓梯過程的分析 爬樓梯是電動多功能輪椅所具備的一種獨特的功能，很多普通輪椅都不具備這種功能，這也是這種輪椅的最大優(yōu)勢。爬樓梯分為兩個過程下樓過程和上樓過程。下面分別對這兩個過程作詳細(xì)的介紹。 下樓過程：當(dāng)走到樓梯口要下樓梯時，用戶需要開啟液壓控制系統(tǒng)，放下履帶并使其傾斜一定角度，直至履帶抵觸到臺階面將輪組脫離地面，啟動履帶的驅(qū)動系統(tǒng)，進而通過履帶主動輪的轉(zhuǎn)動帶動輪椅下樓梯。當(dāng)?shù)竭_地面時，再次通過液壓控制系統(tǒng)將履帶收起，輪組著地，進行平地行走。上樓過程：當(dāng)上樓時，則采用背部

23、先上，同樣先旋轉(zhuǎn)外側(cè)小輪，再將履帶放下，離合器嚙合，履帶著地，輪組收起，啟動履帶控制系統(tǒng)，帶動履帶上樓梯。圖3.12 輪椅爬樓梯簡化圖 LDN1N2T1T2HGA圖3.13 履帶翻越樓梯的第一階段如圖3.12所示為輪椅爬樓梯的簡化圖（圖中將爬樓梯簡化為爬坡）。下面對履帶爬梯過程進行詳細(xì)分析:假設(shè)履帶輪廓為長圓形。即中段為長度L的直線履帶，兩端為直徑為D的半圓形履帶。履帶的質(zhì)量分布均勻，重心在幾何對稱中心。又設(shè)單級樓梯的高度為H，寬度為W。履帶式爬樓梯的過程可以分為兩個階段。第一個階段是從平地攀上第一級樓梯，如圖3.13所示姿態(tài)由水平態(tài)變?yōu)榕榔聭B(tài)；第二個階段是履帶在各階樓梯上平穩(wěn)爬行，如圖3.1

24、4所示，姿態(tài)不變。以下分不同階段分析。在第一階段，如圖3.13。履帶前端與樓梯接觸后，在地面摩擦推力和前段摩擦舉力的作用下，重心不斷升高，同時履帶的中心線與地面夾角不斷變大，重心緩慢前移。以第一樓梯的尖角A點為支點，履帶翻越樓梯的第一階段的條件可以用下式進行描述： T1L1t+L*<(GL2)t （1）其中，為履帶推力，G為重力，分別為、G對A點的力臂，為履帶抬起的角速度,L*為轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)上式，可以得到一下定性的的結(jié)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，即。重力提供了全部的翻轉(zhuǎn)力矩，履帶的移動會加快重心的“超越”，提供更大的翻轉(zhuǎn)力矩，加速

25、翻轉(zhuǎn)過程。翻轉(zhuǎn)臨界點是重心處于點正上方的時候，此時,履帶軸線和水平地面的夾角稱為翻轉(zhuǎn)臨界角，當(dāng)“翻越”發(fā)生前，即為逆時針時，轉(zhuǎn)動角慣量要小，以便于克服重力翻轉(zhuǎn)力矩，因此應(yīng)該降低履帶的運行速度：當(dāng)“翻越”發(fā)生時，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，使得迅速變大，加快翻越過程。根據(jù)條件（1），即所謂重心“超越”條件，利用幾何原理，得到下式： 計算結(jié)果表明，當(dāng)時，最大翻越高度約等于，此時約等于50度。WABC圖3.14 履帶翻越樓梯的第二階段可見對于長圓形節(jié)線履帶，只有增大長高比，才能獲得更好的爬垂直效果，在尺度不變的情況下，就要降低重心，或者重心前移。在

26、第二階段，如圖3.14所示履帶的姿態(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。由此可得： 以常見的樓梯為例，因此。取，如果取，則可爬垂直墻的最大高度約為20cm。能滿足第一階爬樓梯的要求.根據(jù)以上分析計算，可知用長圓節(jié)線履帶結(jié)構(gòu)實現(xiàn)爬樓功能時，履帶的中心長度大于60cm。第四章 輪椅驅(qū)動與傳動系統(tǒng)的設(shè)計4.1 輪椅的驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是輪椅的動力來源，選擇最佳的驅(qū)動系統(tǒng)是設(shè)計該多功能輪椅的關(guān)鍵。驅(qū)動方式的類型主要有氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電動驅(qū)動三種。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)以壓縮空氣為動力源，具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運動快速靈活，不污染環(huán)境，以及維修方便，價格便宜等特點

27、。但是由于氣體具有可壓縮性，氣動驅(qū)動系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，要設(shè)緩沖裝置，不易控制。液壓驅(qū)動系統(tǒng)是較早被采用的驅(qū)動方式，它具有重量輕、慣量小、傳動平穩(wěn)、控制環(huán)節(jié)簡單等特點。但是液壓驅(qū)動系統(tǒng)的液壓油容易泄漏，影響工作性能和污染環(huán)境，它需要單獨的油源，所占空間較大。 電動驅(qū)動系統(tǒng)具有傳動平穩(wěn)、靈活、控制簡單精確、無污染、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、無管路系統(tǒng)、維護方便等特點。 對以上三種驅(qū)動方式進行比較后，確定選擇電動驅(qū)動系統(tǒng)作為輪椅動力來源，并將蓄電池作為電動機和控制系統(tǒng)的動力能源。 在確定了驅(qū)動方式后，需要選擇合適的電動機。電動機的性能直接決定著驅(qū)動系統(tǒng)的性能，它的選擇成為設(shè)計多功能輪椅驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電動機按

28、照工作電源分類可分為交流電機(AC)和直流電機(DC)兩種。交流電機(AC)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜、維護方便等優(yōu)點，但是交流電機控制特性較差，調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜。 直流電機(DC)的激勵電流和電樞電流二者的大小及方向可以獨立地分別控制，從而使轉(zhuǎn)速在很寬的范圍內(nèi)可以得到精確的調(diào)節(jié)，具有良好的控制性能和調(diào)速性能。但是傳統(tǒng)的有刷直流電機體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、散熱性能差，它必須有炭刷和換向器，炭刷易產(chǎn)生電火花會引起電磁干擾，它和換向器易損壞，降低了電機的穩(wěn)定性和壽命。無刷直流電機由電子換向器取代了普通有刷直流電機炭刷和換向器的機械換向，消除了機械換向帶來的諸多限制，它既保持著有刷直流電機的優(yōu)秀控制性和調(diào)速

29、性，又具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、體積小、噪聲低、損耗低、無干擾性、過載能力大等優(yōu)點，是交流電機與直流電機優(yōu)點的結(jié)合，廣泛用于機械、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。 綜上所述，多功能輪椅選用無刷直流電機進行驅(qū)動，具體由電動機、減速箱、數(shù)字伺服驅(qū)動器和光電編碼器組成。兩臺電動機分別驅(qū)動兩個驅(qū)動輪為輪椅運行提供動力，數(shù)字伺服驅(qū)動器對電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進行控制，并通過光電編碼器對電機轉(zhuǎn)速和位置的反饋進行不斷調(diào)整，它們共同組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，控制輪椅完成前進、后退和轉(zhuǎn)向等動作。如圖4.1所示為驅(qū)動閉壞系統(tǒng)的示意圖。 電源數(shù)字伺服驅(qū)動器電源減速器輸出光電編碼器圖4.1 驅(qū)動閉環(huán)系統(tǒng)4.2電機參數(shù)的確定根據(jù)設(shè)計要求：實

30、現(xiàn)最大爬坡角30o，爬坡速度0.4m/s，并根據(jù)電機負(fù)載力矩計算公式：Tm= Ma+G(fcos+sin)rsni (Nm) (21)其中：Tm表示電機負(fù)載力矩；M表示輪椅和人的總質(zhì)量；a表示要求加速度；G表示車重(N)；M為145kg，則G為145x9.8N；f表示履帶與地面摩擦系數(shù)(取值在0.0550.3之間)；表示爬坡角度，最大30o；rs表示主動輪半徑，取值為O.2m；i表示總傳動比，其中一級傳動比i1=30，二級傳動比i2=5；表示傳動效率，其中一級傳動效率1=0.84，二級傳動效率2=0.76；n表示電機個數(shù)，n=2；另外，電機轉(zhuǎn)速計算公式為： N = v2rs i 60(rpm)

31、 (22)其中: v 表示輪椅前進速度，按水平地面1.5m/s,爬坡0.4m/s計算；rs表示主動輪半徑；i表示總傳動比；最后,根據(jù)公式(2.3)可以計算出電動機所需功率,電機功率計算公式為： P = TmN9.549 (w) (23)其中表示傳動效率；在平地運動時,取速度v=1.5m/s,加速度a=1m/s2，摩擦系數(shù)f=0.1，傳動比i=30,傳動效率=1=0.84,則電動機負(fù)載力矩T=1.14(Nm)，電動機轉(zhuǎn)速 N=2150(rpm),電動機功率： P1=306(w)在爬坡時,取速度v=0.4m/s,加速度a=0.5m/s2,摩擦系數(shù)f=0.1，傳動比i=150(爬坡時換檔),傳動效率

32、=12=0.6384，則電動機負(fù)載力矩 Tm=0.94(Nm),電動機轉(zhuǎn)速N=2865(rpm)，電動機功率： P2=442(w)電池選擇為滿足裝置在室內(nèi)外均能使用的要求，必須實現(xiàn)自主供電，本文采用可充電電池作為車載電源。電池的選用需考慮一下幾個因素：電池容量，電壓大小，重量，使用壽命以及價格成本等。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，但是價格貴，一般比鉛酸電池高45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，相對更加成熟，改進后免維護鉛酸電池性能更加穩(wěn)定可靠作為供電能源。4.3 輪椅中間

33、主體的傳動設(shè)計輪椅中間主體用來布置驅(qū)動左右輪組運行的傳動結(jié)構(gòu)，如圖4.2所示。其傳動過程：首先由主體中間電機（LW1、RW1）提供驅(qū)動力，經(jīng)減速器后帶動蝸桿驅(qū)動蝸輪傳動，蝸輪連接鏈輪，通過鏈條連接到傳動軸一，驅(qū)動中心齒輪轉(zhuǎn)動；在上樓梯時，停止電機（LW1、RW1），并起到自鎖作用，防止小車輪滑移，啟動電機（LT1、RT1），經(jīng)減速器后連接電磁離合器，帶動錐齒輪， 最后經(jīng)過鏈傳動機構(gòu)傳遞給傳動軸二，驅(qū)動轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動。RT1RW1LW1LT1564321圖4.2 輪椅內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)布局輪椅內(nèi)部分傳動設(shè)計的特點：(1)兩對電機采用對稱、交錯式排布，節(jié)省了主體內(nèi)部空間；(2)采用錐齒輪嚙合，用來改變傳動方向

34、，同時避免了牙嵌式電磁離合的軸向串動 ； (3)蝸輪、蝸桿起到兩級減速作用，具有較大的減速比，并具有自鎖功能，給兩側(cè)小車輪提供足夠的保持力矩，在主體內(nèi)部電機掉電的情況下，兩側(cè)車輪組保持原姿態(tài)而不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象； (4)牙嵌式電磁離合器適用于低速運動場合，具有體積小、質(zhì)量輕、保持力矩大的特點，當(dāng)離合器在主體單元傳動中處于分離狀態(tài)，可以實現(xiàn)兩側(cè)運動單元相對主體在y軸方向自由轉(zhuǎn)動，這樣輪椅就具備了復(fù)雜路況下的自適應(yīng)功能（直線行走和越障）；如果輪椅遇到樓梯，通過控制電磁離合處于結(jié)合狀態(tài)，由兩側(cè)的較大功率電機（LT1、RT1）控制輪輻轉(zhuǎn)動，使輪椅具有較強的爬梯性，通過離合器的使用可以同時達到輪椅的路面自

35、適應(yīng)指標(biāo)和爬梯所要求的通過性指標(biāo)。第五章 輪椅運動控制系統(tǒng)設(shè)計5.1 輪椅的功能分析 輪椅所能實現(xiàn)的功能有：平地行駛、跨溝、越障、爬樓梯。下面詳細(xì)分析輪椅在不同情況下的運動。 平地行駛，在此情況下，輪椅可以勻速直線運動，加速減速運動，此外，還要具備轉(zhuǎn)彎的功能；在越障、跨溝時，輪椅實現(xiàn)低速高轉(zhuǎn)矩行駛；爬樓梯時，要求輪椅勻速平穩(wěn)行駛。中斷脈沖89C51初始化 設(shè)置初值開放中斷設(shè)置位選字輸出初選字顯示數(shù)據(jù)查段選碼輸出段選字延時1ms顯示完8位數(shù)據(jù)是返回否圖5.1 程序流程圖5.2 輪椅的控制系統(tǒng) 由以上分析可知：輪椅具備復(fù)雜運動的功能，這些功能是通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)的核心部分是89C51?？?/p>

36、制芯片的程序流程圖如圖5.1所示：控制系統(tǒng)的硬件連接圖如圖5.2所示： 1步進電機步進電機驅(qū)動器P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7ABCDABCDA'B'C'D'A'B'C'D'P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0左前輪左后輪步進電機步進電機P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7AP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0右前輪圖5.2 輪椅運動控制板硬件連接圖驅(qū)動器驅(qū)動器89C51右后輪驅(qū)動器BCDABCDA'B&#

37、39;C'D'A'B'C'D' 2 89C51引腳圖控制程序清單：單片機1：ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP EINT0ORG 0013HLJMP EINT1HORG 001BHLJMP L3ORG 0100HMAIN: MOV R0, #08H MOV DPTR , #L2 MOV P0 , #0FFH MOV P1 , #0FFH MOV TOMD , #10H MOV TL1 , #7FH MOV TH1 , #7FH MOV IE , #88H STEB TR1 SJMP $L1: SJMP L1L2: DB

38、 0EEH , 0CCH , 0DDH , 99H , 0BBH , 33H , 77H , 66HL3: MOV TL1 , #7FH MOV TH1 , #7FH MOV A , #00H MOVC A , A+DPTR MOV P0 , A MOV P1 , A INC DPTR DJNZ R0 , L4 MOV R0 , #08H MOV DOTR , #L2L4: RETIEINT0 : MOV R0, #08H /左轉(zhuǎn)彎 MOV DPTR , #L2 MOV P0 , #0FFH MOV P1 , #0FFH MOV TOMD , #10H MOV TL1 , #00H MOV T

39、H1 , #00H MOV IE , #88H STEB TR1L1: SJMP L1L2: DB 0EEH , 0CCH , 0DDH , 99H , 0BBH , 33H , 77H , 66HL3: MOV TL1 , #00H MOV TH1 , #00H MOV A , #00H MOVC A , A+DPTR MOV P1 , A INC DPTR DJNZ R0 , L4 MOV R0 , #08H MOV DOTR , #L2L4: RETIEINT1 : MOV R0, #08H /右轉(zhuǎn)彎 MOV DPTR , #L2 MOV P0 , #0FFH MOV P1 , #0FF

40、H MOV TOMD , #10H MOV TL1 , #00H MOV TH1 , #00H MOV IE , #88H STEB TR1L1: SJMP L1L2: DB 0EEH , 0CCH , 0DDH , 99H , 0BBH , 33H , 77H , 66HL3: MOV TL1 , #00H MOV TH1 , #00H MOV A , #00H MOVC A , A+DPTR MOV P0 , A INC DPTR DJNZ R0 , L4 MOV R0 , #08H MOV DOTR , #L2L4: RETI END單片機2：ORG 0000HLJMP MAINORG

41、0003HLJMP EINT0ORG 0013HLJMP EINT1HORG 001BHLJMP L3ORG 0100HMAIN: MOV R0, #08H /爬樓梯 MOV DPTR , #L2 MOV P0 , #0FFH MOV P1 , #0FFH MOV TOMD , #10H MOV TL1 , #00H MOV TH1 , #00H MOV IE , #88H STEB TR1 SJMP $L1: SJMP L1L2: DB 0EH , 0CH , 0DH , 09H , 0BH , 03H , 07H , 06HL3: MOV TL1 , #00H MOV TH1 , #00H

42、 MOV A , #00H MOVC A , A+DPTR MOV P0 , A MOV P1 , A INC DPTR DJNZ R0 , L4 MOV R0 , #08H MOV DOTR , #L2L4: RETIEINT0 : MOV R0, #08H /倒行 MOV DPTR , #L2 MOV P0 , #0FFH MOV P1 , #0FFH MOV TOMD , #10H MOV TL1 , #00H MOV TH1 , #00H MOV IE , #88H STEB TR1L1: SJMP L1L2: DB 0EEH , 0CCH , 0DDH , 99H , 0BBH , 33H , 77H , 66HL3: MOV TL1 , #00H MOV TH1 , #00H MOV A , #00H MOVC A , A+DPTR MOV P1 , A MOV P0 , A INC DPTR DJNZ R0 , L4 MOV R0 , #08H MOV DOTR , #L2L4: RETI END步進電機為四相八拍步進電機。單片機1控制輪椅前行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎