爬楼轮椅总体方案设计Word下载.docx
- 文档编号:13252453
- 上传时间:2022-10-08
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:836.16KB
爬楼轮椅总体方案设计Word下载.docx
《爬楼轮椅总体方案设计Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《爬楼轮椅总体方案设计Word下载.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
攀爬楼梯时三个轮的作用均为行星,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,以便短距离移动来实现适应不同步长的楼梯。
星轮爬楼轮椅的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适应能力。
F1,F2为行星轮1、轮2的驱动力;
N1,N2,N3为轮1、轮2、从动轮和地面之间的接触反力;
Ff2,Ff3为行星轮2和从动轮的滚动阻力;
L为行星轮和从动轮轴距;
L1为底盘质心到行星轮轴的水平距离;
L2为底盘质心到从动轮轴的水平距离;
D为行星轮车轮直径;
G为底盘的质量;
b为行星轮的前后轮中心的水平距离;
α为和障碍高度有关的夹角。
图2表示的是假设行星轮可以爬过障碍,轮1和水平地面接触的地方刚好离开的状态,容易判断此时需要的驱动转矩最大。
如果行星轮在此时可以通过,那么行星轮将可以通过障碍,因此通过这点的平衡方程就可以判断行星轮的越障能力。
行星轮碰到障碍时的平衡方程如下:
N1cosα-F1sinα+Ff2-F2+Ff3=0
(1)
N1sinα+F1cosα+N2+N3-G=0
(2)
D/2(F1+F2-Ff2-Ff3)+G(L1+b/2)-N2b-N3(L+b/2)=0(3)
Ffi=f·
Ni (i=2,3,4)(4)
式中:
f———滚动摩擦因数。
假设分析的路面为硬路面,则f=0,Ffi=0(i=2,3)。
行星轮在越障碍时,轮1和轮2是同一个电机驱动的,可以设转矩是平均分配的。
在行星轮和地面之间附着力达到最大时,有最高越障能力,且轮1和轮2与地面之间的附着系数相同,则有:
F1=F2=min(N1,N2)·
φ(5)
φ———车轮和地面之间的附着系数。
令F1=F2=F,并假设轮1和轮2在垂直方向上受到地面对它们的作用力相等,则有:
N1sinα+F1cosα=N2
可解得:
cosα=φ+φsinα(6)
设h为障碍的高度,由图2中的几何关系可知:
sinα=1-2h/D(7)将式(7)代入式(6)可以解得:
h=[φ2/(φ^2+1)]D(8)
式(8)即为单组行星轮可以爬过的最高障碍高度。
由式(8)可知,单组行星轮可以爬过的最大障碍高度只和地面附着系数和行星轮的轮直径有关,而与重力等其他参数无关。
2.2.2曲柄星轮式
曲柄星轮优点在于爬升动作简单,控制容易;
结构小巧,制造成本较低;
爬升效率较高;
对于各种尺寸的楼梯有较强的适应能力,可以适应一定范围内任意尺寸的楼梯;
爬升过程中重心变化小,运行平稳。
爬楼梯轮椅的爬升机构由两套曲柄星轮及链传动构成,其工作原理如图1所示。
两套曲柄星轮通过链条进行动力传动,通过曲柄星轮的交替运动来完成爬升动作。
以上工作原理的具体实施方式如图2所示。
在(a)状态时,星轮1在下,星轮2在上,处在准备爬升状态,此时曲柄2与星轮2绕曲柄轴顺时针旋转,同时,由于链传动作用,曲柄1与星轮1绕曲柄轴顺时针旋转直到(b)状态。
在(b)状态下继续以上运动即可达到(c)状态,在(c)状态下星轮1与星轮2重合,此时已完成一次爬升运动。
在(c)状态下继续运动至(d)状态,为下一次爬升运动做准备。
至此,一次爬升循环结束。
下楼运动与爬升运动相反即可实现。
2.3履带式爬楼轮椅
履带式行走机构广泛用于工程机械、拖拉机等野外作业车辆。
行走条件相对恶劣,要求该行走机构具有足够的强度和刚度;
具有良好的行进及转向功能。
履带式行走机构主要由导向轮、张紧装置、履带架、支重轮、驱动装置、托链轮和履带板等组成,如图。
所示。
当马达带动驱动轮转动时,与驱动链轮相啮合的链轨及履带板有相对移动的趋势,由于履带板与路面之间的附着力大于驱动链轮、支重轮和导向轮的滚动阻力,所以履带板不会滑动,而驱动链轮、支重轮和导向轮则沿着铺设的链轨滚动,从而驱动整机行走。
整机履带行走机构的前后履带均可单独转向,从而使机构转弯半径更小或实现蟹行。
2.3.1普通履带式
普通履带移动机构采取的构型常见的有两种,a图所示驱动轮及导向轮兼做支承轮,因此增大看支承地面面积,改善了稳定性,此时驱动轮和导向轮制作微量抬高。
B图所示为不做支承轮的驱动轮于导向轮,装的高于地面,链条引入引出时角度达50°
,其好处时适合穿越障碍,另外减少了泥沙夹入引起的磨损和失效,可以提高驱动轮和导向轮的寿命。
2.3.2变形履带式
变形履带机构由上方固定有座椅的车架和在车架两侧对称布置的单节变形履带机构组成。
在变形履带机构中,一组前摆臂和一组后摆臂分别可以同步驱动用来同时控制机器人履带的形状和张紧力。
两组摆臂的末端分别安装有行星轮,其中两个后摆臂行星轮分别可以独立驱动用来控制机器人的行走与转向。
在机器人机构中还设置有一些诱导轮、压带轮以及承重轮,用来对履带进行支撑。
这种新型轮椅机器人爬越楼梯的过程可以划分为四个阶段。
第一阶段机器人背向楼梯,前、后摆臂逆时针转动使座椅有一定的后倾(图2a)。
第二阶段机器人开始爬越前几级台阶。
在机器人运动同时,前、后摆臂根据需要继续逆时针转动以保合适的座椅倾角图2b、2c)。
第三阶段机器人完全进入楼梯,并以固定的履带形状在楼梯上运动(图2d)。
当机器人后摆臂全部伸出楼梯时,第四阶段开始。
此时机器人先停止向上运动,后摆臂顺时针转动直到后摆臂行星轮支撑到楼梯顶面,使履带产生适应楼梯顶端的变形(图2e、2f)。
之后机器人重新开始向上运动,同时前、后摆臂继续顺时针转动直到机器人完全运动到楼梯顶面(图2g、2h)。
2.4步进支撑式
步进支撑式爬楼轮椅有以下主要特点:
不会发生打滑,运动平稳,能够用于多种
类型的障碍物;
但此类轮椅传动机构复杂而又有高度集成的模块化结构,控制系统相当复杂,大量高硬度轻质材料的使用导致造价高昂,重心偏高容易使用户产生恐惧感。
由于此种轮椅相对更安全,在一些发达国家普及率已经很高。
原理是模仿人体上下楼梯动作,其执行机构普遍使用铰链杆机构,各机械腿轮流升降,支撑轮椅上下楼梯,也将其称为多足机器人。
2.4.1双足式爬楼轮椅
日本早稻田大学发明的双足步行机器人“WL-16RIII”为典型代表[11],见图1.1,遇到楼梯时,轮椅的两套“腿”就相当于人类的左右腿一样,一个先接触台阶起到支撑作用并抬起座椅和另一条“腿”,然后另一条“腿”向前迈进接触台阶,同时轮椅的重心转移到这条“腿”上,两套“腿”交替工作,即可完成上下楼梯过程。
2.4.2轮腿式爬楼轮椅
轮椅包含机械腿和前后轮两组行走装置。
平地运行时使用轮式结构,当上下台阶时,其工作原理是通过仿真技术采用机械腿模拟人类行走,使得轮椅运动起来更加平稳安全,无下滑惯性力。
如图2.1所示为爬楼梯电动轮椅的整体结构简图,此轮椅为左右对称结构,具体描述如下:
轮椅的各构件均连接在机架3上。
当轮椅平地行走时,前腿机构6楼梯机构4都脱离地面,此时轮椅依靠主驱动轮9和万向轮5实现动作。
当轮椅遇到楼梯或台阶等障碍物时,前腿机构6会不断调节位姿,引导轮椅越过障碍,同时爬楼梯机构也开始工作,二者与主驱动轮相互协调配合实现爬楼、越等功能,与此同时,考虑到用户的安全性和舒适度,轮椅上方的位姿调节机构2实时进行座椅位姿调节,确保攀爬时,座椅始终处于水平状态。
轮椅的两个主驱动轮在平地运行、爬楼和越障过程中,始终处于工作状态,分别
由两个直流电机驱动;
爬楼梯机构在爬楼过程中,由一个直流电机为其两侧排轮输送动力,而爬楼梯机构的位姿调节则通过传动系统实现;
两个前腿升降机构分别由两个伺服电机控制其升降幅度,前腿机构的位姿调节通过传动系统传递动力实现。
2.5爬楼轮椅类型选定
在本章的前面部分分别介绍了星轮式爬楼轮椅、履带式爬楼轮椅和支撑式爬楼轮椅中使用较为广泛的一些爬楼轮椅进行了较为详细的介绍,如:
它们的整体结构,工作原理、性能特点和适用场合等。
星轮式爬楼轮椅,它的结构最为简单,也最易于实现,但是其爬坡能力依赖于地面附着系数和行星轮的轮直径,而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,同时行星轮的直径过大又会影响到爬楼时的稳定性。
行星轮无法随楼梯高度和宽度变化而及时变化,而设计者为了照顾到多数楼梯规格参数做出妥协的设计,反而使得具体面对各个不同楼梯时,都显得不那么适合。
曲柄星轮爬升机构通过运用曲柄机构,使得爬升轨迹接近直线,乘坐者没有上下颠簸的感觉,同时具有适应楼梯尺寸范围广的特点。
爬楼梯轮椅是一种新型移动辅助设备,该轮椅能够提高残疾人和老年人的活动能力,而且它能够适应不同的路面情况,能够翻越台阶和楼梯障碍。
然而双联行星机构的前后、左右都是相连的,这样的机构使得不易转弯,十分不灵活。
还有一点车轮的轮径一般较大,不适于应该在普通的楼梯中。
此外,这种结构通常使用机械结构的制动轮来感知楼梯边缘,并进行制动。
这种制动方法在表面凹凸不平的楼梯表面容易发生锁死,难于操作,为了保证其姿态平衡和稳定,必须配备一套计算机传感器和陀螺仪,使得其价格异常昂贵,所以这种爬楼梯机构也没有在实际中得多推广和应用。
腿足式机器人爬越楼梯时运动相对平稳,对不同结构尺寸的楼梯适应能力极强,但腿足式机器人对控制要求非常高。
腿足式爬楼越障机器人的主要特点是:
攀爬速度相对较慢,对重心调节系统的设计要求较高,通过加装传感器装置可以增强机器人对不同结构尺寸的楼梯适应能力,为解决腿足式爬楼越障机器人攀爬速度较慢的缺点,相关科研人员曾提出了一种平行四杆式爬楼梯机构,就是在传统腿足式机器人的两侧各加装一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构,从而很好地利用四条“腿”托送机器人攀爬台阶;
这种平行四杆式爬楼梯机构具有结构简单灵活、成本低廉等特点,但仅仅由四个点支撑整个机器人,导致其稳定性较差。
总之,腿足式机构是所有爬楼越障运动机构中最灵活、地形适应能力相对较强的爬楼越障机构,但腿足式机器人是仿人类机器人,通常具有较复杂的机械结构和控制系统,实现腿足式机器人稳定、连续、高速行进,目前有诸多的难点需要解决。
履带式结构地形适应能力相对较强,爬楼越障性能均优于其它结构形式的爬楼越障装置,具有支撑面积大,越障通过性能好,下陷度小等特点,并且履带支撑面上有履齿,在运动过程中不易打滑,牵引附着性能好,在爬楼越障过程中,可以保证机器人重心的运动轨迹始终与楼梯台阶的连线相平行,几乎没有波动或波动很小,运动相对平稳,广泛应用于各种复杂地形环境中,并且在一些非规整地形中使用其优越性较明显,带有履带臂的机器人可
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 轮椅 总体方案 设计