一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计

一种星轮式爬楼梯电动轮椅设计王占礼;孟祥雨;陈延伟【摘要】A three star wheels stairs-climbing electric wheelchair is designed.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 the key to it.The stair-climbing device and its walking mechanisms was designed by in梔epth study, with fully consideration of the requirements of structure,size and climb power,and security of the stair-climbing device.The results of analysis of performance of wheel chair show that stair-climbing wheel chair reaches the design requirements and has the advantages of safety, stability,simple operation and easy control.%设计了一款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爬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、爬楼梯稳定、控制容易以及操作简单等特点.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】3页(P56-58)【关键词】星轮式;爬楼梯轮椅;爬升装置【作者】王占礼;孟祥雨;陈延伟【作者单位】长春工业大学机电工程学院,长春130012;长春工业大学机电工程学院,长春130012;空军航空大学航空机械工程系,长春130022;长春工业大学机电工程学院,长春130012【正文语种】中文【中图分类】TH12;TP242.61 引言随着21 世纪的到来我国现已进入老龄化社会，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[1]。

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，通过查阅国内外相关资料，经过深入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，另外星轮使用轮毂电机。

攀爬楼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。

由于轮毂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。

图1 行星轮系结构示意图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[2]：室内楼梯踏步高度不宜a 大于210mm，并不宜小于140mm；楼梯踏步宽度b 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+b≤600mm（a—踏步高，b—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d≤220mm，经查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210mm。

同时，根据以上条件可得：当踏步宽度bmin为220mm 时，踏步高度最小值amin为140mm，踏步高度最大值amax 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b 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，R 为星轮架臂长，r 为星轮半径，2t 为星轮架臂宽，l 为星轮中心距，x 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：取a=amin，b=bmin，又由已知条件可知r+x≤220，得到：Rmax=160.5mm；同理取a=amax，b=bmin时，同上可以得到：Rmin=109.7mm。

故确定星轮臂长R=130mm。

当两个星轮相切时星轮半径r 为最大，此时得到星轮半径的最大值为：代入a=amax，b=bmax，时得出rmax＞r，所以确定r=105mm 是合理的。

当星轮半径r 以及星轮架臂长R 取一定值时，经分析推导可得出：将数值代入解得t=45mm，即星轮臂宽2t=90mm。

图2 星轮机构爬楼梯示意图综合上述公式（1）、（2）、（3）、（4），最终确定行星轮系的主要参数为：R=130mm，r=105mm，t=45mm。

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：≤70kg；载荷：≤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：vmax=0.5m/s；爬楼梯速度：（1～12）阶/min。

3.1 行走功率计算行走时轮子为纯滚动，则F=μN，式中：μ—轮子与地面之间的滚动摩擦系数，查机械设计手册得μ=0.05。

在水平路面上行走时所需的总功率为：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：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。

图4 爬坡时受力分析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：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：爬楼梯所需功率为：P=Mω=119.7w4 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（a）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。

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。