爬楼轮椅总体方案设计
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第二章 爬楼轮原理与分类
2.1 爬楼轮椅分类
2.2星轮式爬楼轮椅
星轮式爬楼轮椅结构简单，造价便宜，在我国已有多家公司能够生产，但是缺点也极为明显，由于星轮间距是固定的，对楼梯台阶尺寸的通用性差，虽然安装防滑制动简单，可靠性差，操作性差，比较繁琐。
2.2.1行星轮式
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。目前行星轮用于爬楼梯的底盘结构中,多为两组行星轮(底盘对应的一边一个行星轮,两个为一组)或者更多如果将行星轮结构用于轮椅爬楼梯,考虑到轮椅使用的上述要求,将两组甚至更多的行星轮用于轮椅爬楼梯是不实际的,而且多组行星轮底盘,虽然随着行星轮组数的增多,爬楼梯底盘的承载越障能力将不断增强,但多组行星轮底盘在平地拐弯时会有很大的问题,因此这里以三个行星轮为例。
如图1.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，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。
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。
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:
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。
F1= F2= min(N1,N2)·φ(5)
式中: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:
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。
h = [φ 2/(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wk.baidu.com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。
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。
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。
2.1 爬楼轮椅分类
2.2星轮式爬楼轮椅
星轮式爬楼轮椅结构简单，造价便宜，在我国已有多家公司能够生产，但是缺点也极为明显，由于星轮间距是固定的，对楼梯台阶尺寸的通用性差，虽然安装防滑制动简单，可靠性差，操作性差，比较繁琐。
2.2.1行星轮式
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。目前行星轮用于爬楼梯的底盘结构中,多为两组行星轮(底盘对应的一边一个行星轮,两个为一组)或者更多如果将行星轮结构用于轮椅爬楼梯,考虑到轮椅使用的上述要求,将两组甚至更多的行星轮用于轮椅爬楼梯是不实际的,而且多组行星轮底盘,虽然随着行星轮组数的增多,爬楼梯底盘的承载越障能力将不断增强,但多组行星轮底盘在平地拐弯时会有很大的问题,因此这里以三个行星轮为例。
如图1.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，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。
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。
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:
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。
F1= F2= min(N1,N2)·φ(5)
式中: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:
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。
h = [φ 2/(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wk.baidu.com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。
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。
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。