残疾人轮腿式机器人轮椅设计
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残疾人轮腿式机器人轮椅设计论文.doc
皮带轮.dwg
轮.dwg
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轮椅装配图.dwg
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摘 要
轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，但障碍物却使轮椅受到很大限制。现代由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。高通过性轮椅设计是采用轮腿式机器人结构，正常行驶时轮式工作，采用四轮驱动；遇到障碍时腿式工作，从而适应大多数地形；车身则采用自动导轨式调平结构，该结构简单，调节方便。本次设计的主要工作包括：确定轮椅的工作方式以及工作结构形式、主体尺寸，并确定各主要零、部件的结构尺寸及其选型。
关键词：轮椅 高通过性 轮腿式机器人
Abstract
Wheelchairs are frail elderly and the disabled limb indispensable means of transport, but the obstacles while filling the wheelchair is very restricted. As with a traditional modern wheeled structure, can only walk on flat ground, facing steps, stairs, but this is more complex terrain powerless. High-pass design is the use of a wheelchair wheel legged robot structure, normal driving wheel work, the use of four-wheel drive; encounter obstacles leg work to accommodate most of the terrain; body is leveling automatic slide-type structure, the structure is simple, easy to adjust. The design of the main tasks include: determining wheelchair work and the working structure, body size, and identify the major components and parts of the structure size and selection.
Keywords: wheelchair high adoption round legged robot
目 录
1 绪论1
1．1 研究目的1
1．2 国内外发展现状1
2 方案选择2
2．1 常见方案2
2.1.1 轮组式2
2.1.2 履带式2
2.1.3 腿式3
2.1.4复合式3
2．2 方案分析4
2.2.1 目前研究中所存在的问题4
2.2.2 方案选择4
2.3 具体方案5
2.3.1 总体方案5
2.3.2 结构分析5
2.3.3转向机构6
2.3.4 越障功能6
2.3.5 移动方式8
3 结构设计9
3.1 主要参数设计9
3.2 电机选择9
3.2.1 选择电动机的类型和结构形式9
3.2.2 行走机构电机选择计算12
3.2.3 行走机构电机功率的计算12
3.3 驱动轮系统设计12
3.3.1 总体结构12
3.3.2 驱动轮的结构设计12
3.3.3套筒(轮轴)的结构设计13
3.4 轴设计与校核14
3.4.1 总体设计14
3.4.2 轴的结构设计14
3.4.3 轴的校核14
3.5 V带设计15
3.5.1确定计算功率15
3.5.2 选择V带类型15
3.5.3确定带轮的基准直径并验算带速15
3.5.4验算带速15
3.5.5确定V带的中心距和基准长度15
3.5.6验算小带轮上的包角16
3.5.7 计算带的根数16
3.5.8 计算单根V带的初拉力的最小值16
3.5.9 计算压轴力17
3.5.10 带轮的结构设计17
3.6 车轮半径尺寸研究17
结 论19
参考文献20
致 谢21
目 录
1 绪论1
1．1 研究目的1
1．2 国内外发展现状1
2 方案选择2
2．1 常见方案2
2.1.1 轮组式2
2.1.2 履带式2
2.1.3 腿式3
2.1.4复合式3
2．2 方案分析4
2.2.1 目前研究中所存在的问题4
2.2.2 方案选择4
2.3 具体方案5
2.3.1 总体方案5
2.3.2 结构分析5
2.3.3转向机构6
2.3.4 越障功能6
2.3.5 移动方式8
3 结构设计9
3.1 主要参数设计9
3.2 电机选择9
3.2.1 选择电动机的类型和结构形式9
3.2.2 行走机构电机选择计算12
3.2.3 行走机构电机功率的计算12
3.3 驱动轮系统设计12
3.3.1 总体结构12
3.3.2 驱动轮的结构设计12
3.3.3套筒(轮轴)的结构设计13
3.4 轴设计与校核14
3.4.1 总体设计14
3.4.2 轴的结构设计14
3.4.3 轴的校核14
3.5 V带设计15
3.5.1确定计算功率15
3.5.2 选择V带类型15
3.5.3确定带轮的基准直径并验算带速15
3.5.4验算带速15
3.5.5确定V带的中心距和基准长度15
3.5.6验算小带轮上的包角16
3.5.7 计算带的根数16
3.5.8 计算单根V带的初拉力的最小值16
3.5.9 计算压轴力17
3.5.10 带轮的结构设计17
3.6 车轮半径尺寸研究17
结 论19
参考文献20
致 谢21
1 绪论
1．1 研究目的
轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大。但障碍物却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的可翻越障碍物的轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任务。现代由于采用了传统的轮式结构，只能够在平地上行走，面对台阶、楼梯这样比较复杂的地形却显得无能为力。解决这一问题的最好方法就是改进残疾人使用的行走设备，也就是说通过改进残疾人轮椅的机械结构，使其能够适应日常生活中所碰到大多数的地形。
本次设计的题目高通过性轮椅设计，其主要原理在于四个轮子在正常运动中四轮驱动行走；而在遇到障碍的时候可以像腿一样的行走，以通过障碍物；而在车身则采用滑轨式自动调平结构。
1．2 国内外发展现状
国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。
日本千叶工业大学开发出了一款全新的轮椅，这个轮椅的独特之处就是能够轻易地在不公正的地面上使用。这款轮椅配有一排感应器来探测障碍和地面变化，并能够自动进行调整。借助于四轮驱动和五轴的结构设计，该款智能机器人轮椅能够完成多种难度动作。
平常，它像普通的轮椅一样通过滚动前行，但是如果碰到台阶或者沟道的话，它的轮子就可以变得像腿一样通过障碍。使用者需要做的仅仅是通过操纵杆告诉它往什么方向移动，这个智能机器人轮椅会自动评估周围的地形然后做出正确动作。当然如果路面不平的话，它会自动控制座椅确保它保持水平。2．1 常见方案
2.1.1 轮组式
轮组式的特点是每个轮组依照星形轮的方式进行运动：平地行驶时，各小轮绕各自轴线自转；爬楼梯时，各小轮一起绕中心轴公转。
内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT 的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。
履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，技术较成熟，操作简单，行走时重心波动很小，对楼梯的形状、尺寸适应性强。英国Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35 度，上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶。法国Topchalr 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。2.1.3 腿式
早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式轮椅，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。
2.1.4复合式
现今，爬楼装置一个研究创新点是将上述的轮组、腿式、履带机构相互结合，吸取各自的优点。比较广泛的组合思路有以下两种：一是轮履、腿履复合。比如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系研制的一种小型全自主多种移动方式相融合的复合式越障轮椅。二是采用了轮一履复合 如图1-6所示和轮－腿一履带复合 如图1-7所示等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。2.2.1 目前研究中所存在的问题
履带式的缺点就是对路面施加的强压力，不可避免的对障碍沿有一定的损坏，不适合大绝大多数室内障碍。自重较大，平地行走时阻力较大，相对于其他结构，履带式转弯需要更大的动力，使用过程中噪声很大。这些都限制了它在日常生活中的推广，被接受程度低
腿式爬楼装置有最好的地形适应力，但承载重量较小，具有较大危险性，且重心偏高。运动相对比较平稳，颠簸感轻微，但同时运行速度较缓。此外，该类型装置对控制的要求较高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。
复合式爬楼装置各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。
2.2.2 方案选择
本次设计的指导思想必须满足以下几个性能：平地、越障两用；平地行驶效率高，操作方便简单；越障时重心波动缓和，稳定性好；不平坦地形下对系统的重心作适时调节，避免车体倾斜给使用者带来恐惧；轮椅结构尽量简单，造价低廉。
为了满足上述要求，考虑到复合式具有良好的越障能力，所以本次设计采用轮腿式复合机器人结构，正常行驶时轮式工作，采用四轮驱动；遇到障碍时腿式工作，从而适应大多数地形；车身则采用自动导轨式调平结构，该结构简单，调节方便。
该种结构的优点有：
第一，平顺的行驶能力。轮椅小车在平地行驶时，由于其结构上的特点，四轮都有单独的电动机驱动，利用轮轴系统传递动力，使小车轮快速的前进，其效率与普通轮式驱动车辆相同。当遇到可跨越的障碍时，四轮演变成腿式机器人形星翻越障碍物前进。
第二，可靠的越障能力。轮椅小车翻越障碍时，小车轮四轮驱动电动机停止，抬腿电动机驱动抬腿以通过障碍，转向时通过单独的电动机驱动，轮子不转动。这使得在翻越障碍过程中，小车轮不会发生滚动，使得运动方位的控制得到精确的保证。这一优点对小车越障控制尤其重要。
第三，对控制方式容易实现。任意时刻轮椅四轮同步驱动行走，转向和抬腿都由单独的电动机驱动，这样就能准确控制移动轮椅的行走状态。
第四，由电动机调速控制器来实现轮椅的正常前进、实现转向、抬腿前进三个基本运动单元。
2.3 具体方案
2.3.1 总体方案
本设计方案中的轮腿式机器人它是具有足够的流动性简单的机构为目标的环境中，其作用机理是不同的从那些其他的移动机器人。四个车轮被安装在每一个腿尖，和腿机构是很简单的。在此轮椅系统有四个活动轮，只有五个活动轴，而机器人可以直接移动通过一部分的水平的地形。当遇到障碍物的时候它可以像一个机器人移动也走在台阶上像腿式机器人，尽管组成的机械结构简单。
2.3.2 结构分析
根据本次设计的要求有一下三个前提：轮腿机器人作为机器人的基本讨论越障地形合适的机制，因为这两个车轮和腿是必要的崎岖地形的机器人，这类机器人，同时具有高速和高非结构化地形的适应性；提出了机器人在地面上有四个接触点。四是最小数目，以维持其稳定性当它提出了一条腿支撑它的身体其他三条腿；连接到每个车轮的前端的一条腿，因为在很多情况下，没有足够的空间可设置的腿和车轮单独的机器人身体上。
2.3.3转向机构
对于机器人轮椅来说方向控制机器人是必要的，在正常行驶的过程中，以及在越过障碍的时候，都是需要准确控制的。对于这一点，阿克曼转向机构或机制图1中示出的是用于转向。
参考文献
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