楼梯爬升降机

目 录 1 绪论 1 1 1 楼梯爬升降机在国内外的发展现状 1 1 2 楼梯爬升降机开发的趋势 3 2 本课题要研究的问题和采用的研究手段及途径 3 2 1 本课题研究的问题 4 2 2 采用的研究手段及途径 5 3 楼梯爬升降机的总体设计 6 4 楼梯爬升降机的车身设计 7 4 1 车身形状的设计 7 4 1 1 车身尺寸 7 4 1 2 车身形状 8 5 楼梯升降机的爬升机构设计 9 5 1 爬升机构的尺寸设计 10 5 1 1 爬升杆的尺寸设计 10 5 1 2 导轨的设计 11 5 2 爬升机构液压缸的设计 12 5 3 爬升机构的连接方式 12 6 爬升降机的动力系统和能源系统 14 6 1 电动机的选型 14 6 1 1 液压缸电机的选型 14 6 1 2 轴电机的选型 15 6 2 电池的选型 16 7 楼梯爬升降机的传动系统 17 7 1 传动方式的选择 17 7 1 1 齿轮传动的选择 17 7 1 2 同步带传动的选择 18 7 2 传动系统的校核 18 7 2 1 轴的校核 18 8 控制系统的设计 21 本本科科毕毕业业设设计计 第 II 页 共 II 页 8 1 控制器的选择 21 8 2 控制流程图 22 8 3 控制程序编写 23 结论 27 致谢 29 参考文献 30 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 0 页 共 30 页 1 1 引言引言 随着社会的快速发展 人们的生活水平也得到了大幅度提高 高楼大厦如雨后春笋 拔地而起 人们都高兴地搬进了象征着幸福的 洋楼 然而 新的问题也随之出现 在老龄化日益加剧的现代 楼梯对于他们来说 已经成为了一种生活负担 近年来相关的报告也指出 世界老龄化进程逐步加快 在今后的几十年里 七十岁 以上的老人所占人口的比例预计会翻一番 由于自然灾害和疾病造成的残障人士也逐 年增加 针对这两个特殊人群的医疗和照顾 成为社会和经济发展的巨大压力 1 我国还处于发展阶段且人口数目巨大 综合考虑经济条件等多方面因素 多层楼成 为既能解决人口住房问题而又能让大众买的起的唯一办法 由于这些楼房中没有电梯 货物搬运成为主要问题 因此 研究多层楼中楼梯爬升问题 成为一种趋势 1 11 1 楼梯爬升降机在国内外的发展现状楼梯爬升降机在国内外的发展现状 近年来 随着大众对老年人和残疾人的关注度的提高 国内外的许多公司 大学和 研究机构都对楼梯攀爬机构进行了深入研究 并获得了一些成果 2 但他们研究的问 题是如何帮助老人和残疾人解决本身上下楼梯的问题 也就是说他们是在轮椅的基础 上进行动力改造 使这些轮椅能够在面对楼梯这样的障碍时能够轻松翻越 目前的爬 楼梯的装置主要有 腿足式 履带式 星轮式 复合式和其他方式 他们有各自的优 点 当然也存在这一些不足 3 1 1 腿足式 腿足式 这种方式完全是借鉴人类爬楼梯的方式研究出来的 该方式的主要 特点是爬楼动作是一个由腿足完成的不连续过程 在楼梯爬升机的初始设计阶段 Bray 发明制造的爬楼梯轮椅采用的方式就是这种不连续方式 在爬楼过程中 两套支 撑装置就像两个腿一样 交替着向上前进 运动轨迹为上升 平移和着陆 3 随后 日本经过十几年的研究 掌握了较为熟练的技术 如日本本田公司研制的 iFoot 和 iUnit 以及日本早稻田大学的高西淳夫教授和 Tmsuk 公司共同研究的出的 WL 16 就能像人一样随意行走 3 4 但这些成果仍存在着不少的缺点 由于两个支撑装置交 替与地接触 所以承载物的重心时刻都在变化 也就导致了它们的移动速度很慢 控 制和机构很复杂 造价相对要高 最终无法达到大面积使用的效果 5 2 2 履带式 履带式 该运动方式为 车轮转动带动履带转动 通过履带和地面的摩擦力 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 1 页 共 30 页 前进 由于履带越障能力强 运动过程中重心的波动小 控制简单 因此 在坦克和 装甲车中得到了广泛应用 6 各国也看到了这种优势 于是都争相进行研究 其中比 较有代表性的是 日本 SunwaeCDM 2 公司研制的爬楼梯电动轮椅 它在上世纪九十年 代中期得到了日本大众的认可 另一个是英国 Baronmead 公司研制的履带式爬楼梯轮 椅 这种轮椅将履带安装在轮椅的底部 爬升速度快 可达 15 20 阶 min 爬升能力 强 最大爬越坡度为 35 法国 Topchair 公司生产的爬楼梯电动轮椅也是一个典型例 子 它是将履带式爬楼梯装置和电动轮椅巧妙的结合在一起 当在平地上行驶时 轮 椅底部的轮子接触地面使之前进 当爬楼梯时 轮子收回且履带接触楼梯爬升 3 但 履带式爬升装置有其共有的缺点 体积大且质量大 会在与台阶接触时因压力过大导 致台阶损坏 在平地上行进时 由于摩擦力过大 导致运动不灵活 转弯困难等 3 4 5 3 3 星轮式 星轮式 这种运动方式主要是 每个行星轮和行星架绕着主轴公转 同时每 个行星轮绕着自身星轮轴转动 在爬楼的过程中 星轮被锁死 只绕着行星架轴公转 3 其主要代表就是美国 Independence 的 iBot 这是一种典型的星轮式轮椅 且科技含量 最高 安全性和智能性最好 它最大的优点就是安装了内置陀螺仪系统 通过高速度 转动原理确定其重心位置 然后将其反馈给控制系统 从而使轮椅时刻保持平衡 但 也因为这些原因 使得费用大大超出了大众的能力范围 也就减小了适用面 3 4 5 还有一种是由意大利都灵理工大学教授研制出 4 个三星轮机构的轮椅爬升机 2 我国在星轮式方面也有所研究 在长春工业大学教授王占礼的指导下 两个研究生 分别做出了自己的成果 一种是研究生赵德超研制出的曲柄星轮式爬楼梯装置 它是 由两个行星轮组成 星轮之间是用曲柄链接 使用电源提供动力 5 7 另一种是由孟 祥雨研制的三星轮爬升机构 与 iBot 的运动方式有所相同 4 4 复合式 复合式 复合式主要是将轮腿两种运动方式结合起来 这种运动方式结合了 轮式和腿式运动的优点 不仅可以在平地上运行更加平稳 还解决了攀越障碍的问题 使用起来更加方便 如英国研制的 Stairmatic 这种轮椅不仅理论成熟且已经通过了 实际应用实验 另外 还有 NASA 的 SojourerRobot EPFL 的 ShrimpRobot 它们都有 攀越障碍的本领 但由于这种结合方式使得结构更加的复杂 控制和分析也比较困难 增加了故障率 价格也相对要高 3 5 5 其他方式 其他方式 除了上述方式 另外还有几种方式比较受关注 一种是平行三轮 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 2 页 共 30 页 式 这种方式广泛应用在星球探测器上 在地盘下面分有两列轮子 每列三个 这三 个由连杆链接 当遇到障碍物时 第一排轮在后轮的推力作用下 向上爬行 直到爬 越障碍 然后第一排和第三排轮子作为动力 推动第二排轮子爬越障碍 通过这样的 方式 第三排轮子也翻越障碍 这种运动方式 运动比较平稳 适合于各种路面 但 其速度相对要慢 8 9 另一种也是借鉴星球探测器结构 利用的是弹力产生的惯性 它主要由三部分组成 上面是一个具有一定质量的框架 下面是带有车轮的地盘 两部分直接通过弹簧链接 当遇到障碍时 弹簧压缩后释放 利用上面框架的重量将其整个车声抬起 因为车子 向前有一定的速度 在两个方向的惯性作用下 车子顺利跳上或跳过障碍 10 但这种 车子存在的危险比较大 一个是弹跳的高度不能随实际改变 另一个就是在弹跳的过 程中重心容易发生移动导致侧翻 1 21 2 楼梯爬升降机开发的趋势楼梯爬升降机开发的趋势 一个文明的社会是应该能够保证包括残疾人在内的所有成员拥有公平的生活条件 在过去的几年里 对弱势群体态度的改变使得社会对这个问题更加敏感 另一个重要 原因就是 包括中国在内的很多国家人口老龄化加剧 使得人们对楼梯爬升降机的需 要更加迫切 正是由于现阶段的设计目的是针对上述两种人群 因此 研究方向是基于轮椅的 改造上 即 如何给轮椅提供动力 如何能让乘客自行操作 如何能使轮椅避开或翻 越障碍物 如何使轮椅自行攀爬楼梯等 未来人们还是会将重点放在轮椅的改造上 改变的只是爬升装置的的爬升方式 或者是将现有的爬升机构进行组合和简化 这样 无论从体积上还是重量上 特别是价格上 才能被大众所接收 只注重轮椅的改造 也就导致了研究方向受限 人类在朝着 懒 的方向发展 各种设备的研制开发 均是为了代替人类工作 实现自动化 11 仅是为了照顾需要坐 轮椅的老人和残疾人 也就让爬升装置的使用场所受到限制 毕竟这些人群所占的比 例还是有限的 因此 为使这种机构服务于更多的人 爬升机构应朝着简单 质量轻 且廉价的方向发展 2 2 本课题要研究的问题和采用的研究手段及途径本课题要研究的问题和采用的研究手段及途径 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 30 页 正如上述所述 轮椅式爬升降机的开发是为了服务于需要坐轮椅上下楼的老年人和 残疾人 根据我国现阶段的国情来看 我国的经济还不够发达 多层楼是一种既可以 解决人口住房问题又经济的办法 况且 目前在大多数的城镇中 也出现了楼房 也 属于多层楼行列 且数目庞大 上述爬升机构的共同特点是解决人上下楼梯的问题 都是在轮椅的基础上进行改造 和本项目的设计方向不同 该项目的设计目的是帮助 人们解决楼梯间货物的搬运问题 帮助人们完成货物在楼梯间的搬运过程 同时 相 比于使用轮椅上下楼梯的人口数目 使用爬升降机构搬运货物的人群更加庞大 且使 用场合更多 该项目设计的楼梯爬升降机的主要优势表现在 1 1 通用性强 通用性强 上述中的爬升机主要是如何代替人爬楼梯 而该项目设计的爬升 机是为了搬运日常的生活物品 如行李箱 是一种搬运物品的工具 由于多层楼居民 每天往楼上楼下拎的东西不同 所以这种通用的搬用工具更方便 2 2 采用拨麦机构作为爬升机构 机构简单 采用拨麦机构作为爬升机构 机构简单 上述中的爬升机构使用到了导轨 履带和旋转轮 该项目的爬升机构类似于收割机的拨麦机构 是由液压缸组成的一个 旋转杆 并且相比较而言 这种结构简单 3 3 承载质量大 承载质量大 该设计中使用了液压系统 具有较大的支撑功能 根据日常生 活的需要 设计车身时 考虑到了货物的体积 因此 车筐的设计足够大 动力系统 的设计和电池能量的选择都比较大 2 12 1 本课题研究的问题本课题研究的问题 由于设计目的不同 本课题所研究的楼梯爬升降机构有区别与以上所介绍的轮椅式 爬升降装置 该项目主要解决的问题主要有以下两个方面 主要技术关键 1 楼梯爬升降机的机械结构设计 2 控制系统的设计与编程实现 进行编程调试 在一定程度上实现自动化 其中 升降机的机构设计主要包括 1 爬升方式的选择与设计 2 转弯机构的设计 3 载物台的机构设计 4 传动方式的选择与设计 控制系统的设计主要包括 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 4 页 共 30 页 1 动力源的选择 2 控制方式的选择和设计 3 传感器的选择和控制 2 22 2 采用的研究手段及途径采用的研究手段及途径 针对上述机械结构和控制系统的设计问题 给出了以下解决方案 机械机构设计解决方案 1 1 采用拨麦机构作为爬升机构 采用拨麦机构作为爬升机构 在载物台的四个角处各安装一个 这种机构在 爬楼梯过程中运动比较稳定 重心波动也小 与其他的爬升机构相比较 这种机构更 加简单 2 2 转弯机构采用万向轮机构 转弯机构采用万向轮机构 在车架的四个角上各安装有一个万向轮 且安装 位置在爬升机构的后方 这是为了防止在爬楼梯的过程中 车轮与楼梯碰撞 考虑到 车身比较大 楼道的空间大小 所以四个轮都使用万向轮机构 使人工转弯时更加容 易 方便 3 3 载物台是整个机构的载体 载物台是整个机构的载体 该车有两个载物台 一个是拥有装载货物的车筐 车筐的设计充分考虑到了用户日常搬运时货物的体积和质量 并且采用镂空式 减轻 了车身的质量 另一个是承载动力系统和传动系统的平台 该平台的大小由所承载系 统的设备大小和台阶的宽度决定 还要考虑该平台与爬升杆间的位置关系 防止发生 碰撞 4 4 传动机构选择齿轮传动和同步带传动 传动机构选择齿轮传动和同步带传动 齿轮传动用于将电机的转动转变为机 构的转动 考虑到爬升过程中扭矩的大小和爬升速度的控制 该车使用的是两级减速 装置 既增大了扭矩又减小了爬升时的速度 同步带传动可以保证一定的传动比 传 动效率也相对较高 也非常适合长距离传送 因此 在本设计中 同步带是将降速后 的轴的转动传送到爬升机构轴的传动 从而实现爬升降台阶的功能 控制系统的解决方案 1 1 该设计铅酸蓄电池 直流力矩电机作为动力源 该设计铅酸蓄电池 直流力矩电机作为动力源 该车的车身重 再加上要运 送的货物质量相对要大 因此 需要高能的铅酸蓄电池作为能量源 直流力矩电机能 够随着重物的不同改变力矩的大小 同时通过不同的接线方式 可以实现电机的正反 转 满足车子上下楼的要求 2 2 该机构选择单片机和开关联合控制的方式 该机构选择单片机和开关联合控制的方式 单片机是控制的核心 当人工启 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 5 页 共 30 页 动开关之后 所有的操作指令均有单片机发出 启动系统后 单片机根据超声波传感 器来判断上到楼梯顶部和到达楼梯底部时的位置 从而控制电机的转动 另一方面 通过计数传感器来控制两个电机不同时间的启动 车子到达指定位置时 系统断电 开关复位 3 3 传感器的选用超声波传感器和计数传感器 传感器的选用超声波传感器和计数传感器 通过超声波传感器的回波现象判 断车子的位置 当车子到达楼梯顶部和底部时 发回信号给单片机 间接控制电机的 转动 由于爬升机构的前端和后端不能同时接触和离开楼梯 根据本设计的实际情况 使用计数传感器来间接控制前后电机的不同时启动和停止 3 3 楼梯爬升降机的总体设计楼梯爬升降机的总体设计 本课题设计是在超市购物车的基础上进行改造 考虑到爬升机构的大小及跨度要与楼梯的长和高相适应 车的底盘为 1030mm 车 宽为 500mm 一次可跨越四个台阶 根据我国人均高度和推车的用力习惯 高度设计为 1300mm 车筐与超市车的设计相同 采用镂空式铁丝焊接构成 为了保证重心的稳定 将采用液压缸控制车筐始终保持水平 图 3 1 超市购物车 图 3 2 楼梯爬升降机 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 6 页 共 30 页 该车最重要的设计部分是爬升机构 由于运动开始后车的前爬升机构和后爬升机 构不能同时开始和同时结束工作 因此 采用两个直流电机分别控制前后机构的旋转 且直流电机可实现正反转 以此来满足车的上下楼功能 爬升机构借鉴了小麦收割机 的拨麦机构并进行改进 并利用单片机和传感器等实现了半自动化控制 为了保证在 爬楼梯过程中的平稳性 该设计使用了多个液压缸 并通过实际试验控制液压油的流 量 从而控制爬升降杆的伸缩 使得车子在爬升过程中平缓上升 控制部分采用单片机和人工控制结合的方式 实现小车的半自动化控制 以单片 机作为控制中心 首先 由人工控制闭合开关 1 控制上楼时电机的转动方向 人工 启动控制系统 然后 单片机根据所编好的程序使各个部件执行运动 当小车运动到 楼梯顶端时 由前端的超声波传感器发送信号到单片机 单片机车前端的电机转动 之后切断后端电机转动 同时 整个电路断电 开关 1 复位 小车停在楼梯顶端 由 人手动旋转小车 使其到达指定位置 开始下一个周期 当下车下楼时 再次由人闭 合开关 2 控制下楼时电机的方向 后端爬升降机构开始工作 之后通过计数传感器 使前端启动 当到达楼梯底部的平台时 后端超声波传感器发射信号给单片机 电机 依次停止转动 开关 2 复位 系统停止工作 人工转动车子到达指定位置 开始下一 个周期 4 4 楼梯爬升降机的车身设计楼梯爬升降机的车身设计 车身是整个机构的载体 无论是动力系统还是传动系统 都是装载车架上 同时 车身的形状设计既要结合人的使用习惯 满足爬楼的需要 又要具有一定的美观效果 这样才能实现普及的可能 4 14 1 车身形状的设计车身形状的设计 该设计中车身的设计是参考了超市购物车的外形设计 又根据设计的时间情况进行 了改造 4 1 1 车身尺寸 该车身的底部长度为 1000mm 宽为 500mm 车高为 1160m 主要由方钢组成 车身的设计考虑到了很多方面 车的宽度不能够太大 因为大部分的楼道都比较窄 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 7 页 共 30 页 但又考虑到所载货物的体积和质量 最终设定宽度为 500mm 不包括爬升机构的宽度 高度的设定是完全考虑到用户的习惯 根据我国人口的平均身高 以及推车时候的舒 服方式 设定为高度为 1160mm 不包括车轮的高度 台阶的宽度为 260mm 阶 高为 160mm 阶 为了让爬升机构的每步的宽度都相等且与台阶相匹配 因此 前后两个爬 升机构间的距离至少为 400mm 而爬升杆的长度为 430mm 两个旋转杆之间至少需要 500mm 旋转轴的运动和底部平台有着密切的位置关系 并且考虑到底部的传动系统的 尺寸 最终确定为长度 1000mm 如图 4 1 图 4 2 和图 4 3 所示 图 4 1 车架 图 4 2 载物台 图 4 3 爬升杆位置 4 1 2 车身形状 该车的车身形状是在超市车的基础上进行改进 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 8 页 共 30 页 车身底部时由两个相互平行的方钢组成 为保证其保持平行状态 使用中间的载物 台固定其相对位置 超市车的底部是成梯形形状 而该车设计成矩形形状的原因是保 证前后爬升机构沿着行进方向 不再考虑由于爬升机构和方钢所成的角度而带来的麻 烦 车的后端有一个半圆形机构 该机构有三个优点 一 增大了底部的空间 由于上 面的车筐不用那么大的长度 而车的底部需要足够的空间 这样的机构满足了空间的 需要 二 将车子的重心前移 这样的机构使得车子的车筐部分靠近车的前端 所以 放置的货物也会靠近车子的前端 防止了车子在爬升过程中 由于重心靠后而造成车 子翻到的情况发生 三 将车子的上下部分连接起来 这样的转弯机构是连接车子底 部和车筐的连接体 省去了很多的连接件 如图 4 4 所示 图 4 4 车架半圆形机构 5 5 楼梯升降机的爬升机构设计楼梯升降机的爬升机构设计 爬升机构是该设计的重点 本车的使用场合是实现车子在楼梯中的攀升和下降 为了使车子更具有普及性 该机构设计以简单 容易制作为原则进行设计 如图 5 1 所示 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 9 页 共 30 页 图 5 1 爬升过程分析图 5 15 1 爬升机构的尺寸设计爬升机构的尺寸设计 5 1 1 爬升杆的尺寸设计 爬升杆长为 430mm 圆柱长度为 390mm 两端有半径为 20mm 的半圆块 导轨副是 长 20mm 宽 20mm 高为 120mm 的方形块 与导轨接触的两个圆柱孔圆心距离为 100mm 杆与液压缸接触的两个短杆圆心相距 270mm 短杆直径为 20mm 长度为 65mm 由于加工时比较麻烦 因此 可以采用铸造的方式 材料为铸铁 如图 5 2 所示 图 5 2 爬升杆设计 爬升杆的长度是根据二维图作图得出 如图 7 所示 它需要满足条件是 杆的最 长端着地时 杆的最低端要大于台阶的高度 160mm 本车中设计杆缩到最短时长度为 190mm 且短杆与地面所成角度为 76 3 此时 杆的伸长端且着地端长度约为 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 10 页 共 30 页 230mm 为计算方便 长度定为 240mm 所以杆长为 430mm 杆两端的半圆块是考虑到杆的着地端从开始着地到离开地面都在发生变化 为了 保证平缓的变化 故设计了该机构 与导轨接触的孔与导轨形成导轨副 因此 该孔 的粗糙度要满足导轨副的要求 并且孔的表面要进行淬火处理 以保证有足够的硬度 短杆的设计非常重要 它们之间的距离影响着导轨的行程 杆总长为 430mm 导轨 行程设计为 80mm 杆伸到最长端时 着地端与旋转中心的距离为 240mm 所以可得出 下面关系 短杆间的行程大于等于导轨行程 可确定短杆间最小距离为 166 80 mm 加上短杆本身的半径为 10mm 因此 本设计中确定短杆间距离为 270mm 短杆长度大 于液压杆的高度 设定为 65mm 如图 5 2 所示 5 1 2 导轨的设计 在爬升机构中 导轨的作用是保证爬升杆的运动方向始终与液压杆的方向一致 并且对爬升杆进行支撑 由于导轨受到一定的力 容易磨损 因此 导轨的表面要有 足够的硬度和顺滑度 本设计中采用淬硬钢导轨 导轨的有效长度为 100mm 直径为 12mm 两端各有一段长为 17mm 直径为 10mm 的支撑端 如图所示 支撑端与支撑块是 小间隙配合 如图 5 3 所示 图5 3 导轨设计 导轨的长度确定是由爬升杆长决定 爬升杆长为 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 11 页 共 30 页 430mm 根据二维作图可知 当爬升杆处于中间位置时 旋转半径为 215mm 当爬升杆 伸长到最长部分时 伸长端的旋转半径为 240mm 可以得知 导轨的行程实际行程的一 半应大于等于伸长长度 导轨的长度满足该要求 导轨实际行程定位 80mm 这是考虑 到当车子到达楼梯顶部或底部时 车轮要准备工作 车轮的高度要比爬升过程中爬升 杆最短的长度还要高 在整个爬升降过程中 避免了车轮与楼梯碰撞的情况发生 当 电机停止转动时 由于自身重力原因 爬升杆继续收缩一定的长度 收缩量为 8mm 直到万向轮能够工作 因此 该设计中导轨的行程要大于爬升杆的伸缩量 如图 5 4 所示 图 5 4 导轨位置 5 25 2 爬升机构液压缸的设计爬升机构液压缸的设计 液压缸的作用是将液压能转变为机械能 且做直线往复运动 或者摆动运动 的 液压执行件 这种结构简单 工作可靠 同时 液压缸实现往复运动的过程中 可以 实现减速功能 免除减速装置 没有传动间隙 运动相对平稳 因此液压系统在各种 机械结构中得到了广泛的应用 本设计中液压缸的外径为 40mm 行程为 100mm 完全满足上述过程中爬升行程和 导轨行程的需要 该机构中创新之处是液压缸没有直接接在液压泵上 而是将液压缸的进油口和出 油口直接相连 在这里主要利用的是液压缸的减速功能 因此 在液压缸的进油口和 出油口之间的油路上增加节流阀 使之改变成阻尼阀 以液压缸的速度控制爬升杆的 伸缩 为了保证车的稳定性 因此 车子上一个台阶的时间约为 1s 阶 由上式可以得出 根据不同的重量 液压缸的流量是不同的 用户可以通过节流阀的大小控制爬升降过 程中爬升杆的运动 5 35 3 爬升机构的连接方式爬升机构的连接方式 连接方式如图 5 5 所示 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 12 页 共 30 页 图 5 5 爬升机构连接方式 由于图中的两个杆相互垂直且向两个方向伸缩 因此 车子上台阶的周期为爬升 机构旋转一周的 1 4 最初的设计为将两个杆放到一个车子的同侧 然后将这两个杆放 在一个盒子里面 同时 每个爬升杆的伸缩由一个直接接在液压泵的液压杆控制 单 片机控制电磁液压阀的开关 从而控制液压杆的运动方向 这种设计在控制上更加精 确 但唯一的难点是 由于液压缸要随着爬升杆转动 油路也要随着旋转 这就要求 每个液压杆就要配备一个液压系统 这种设计不仅在费用上会造成很大的浪费 对机 构设计的空间也有很高的要求 因此 本设计改用液压缸自动控制 利用重力来调整 伸缩 这样做就简化了机构和减轻了质量 爬升杆与导轨配合 导轨固定在一个长为 160mm 宽为 130mm 的钢板上 该钢板的 重心有一个圆筒结构 与轴通过螺栓连接 这种结构式是考虑到 爬升杆受力时会使轴受到很大的弯矩 圆筒结构增大了轴与 钢板之间的受力面积 由于车架比较窄 无法直接将轴安装在车架上 于是增加了一 个空心方块结构 该结构满足了轴的安装和同步带轮的空间 如图 5 6 所示 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 13 页 共 30 页 图 5 6 钢板和圆筒 6 6 爬升降机的动力系统和能源系统爬升降机的动力系统和能源系统 6 16 1 电动机的选型电动机的选型 该车使用的是直流电动机 由于液压控制和轴转动不能用一个电机实现其功能 且 前后两组爬升机构需要不同时启动和停止 因此 本车使用到三个电动机 其中带动 轴转动的两个电动机型号一样 液压缸的电机是一个型号 6 1 1 液压缸电机的选型 该电机的计算要与液压缸的使用联系起来 液压缸从开始启动到顶端的时间约为 3s 如图 6 1 所示 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 14 页 共 30 页 图 6 1 液压缸位置 假设车筐及货物为 100kg 那么在如图所示的位置 液压杆受到的力最大 设沿着 液压缸方向的力为 F1 竖直方向上重力为 G 此时满足 G F1 2 1 3 其中 G 1000N 代入式 1 得 F1 约为 1154N 液压杆直径约为 16mm 则 P F1 S 2 求得 P 约为 6MPa 本车选用的液压系统型号为 RMH6110 该型号由扬州瑞腾机械有限公司生产 它的 公称压力为 16MPa 远大于所需的压力 该系统中电机的功率为 100w 根据公式 Pt FS 3 其中 按照最大力做功 F F1 1154N S 0 125m 代入上式 3 求得 P 76 6w 可以看出考虑机械效率所选电机也满足使用要求 6 1 2 轴电机的选型 该电机选型为 110ZYT55 输出功率为 360W 额定电压为 110V 电流不超过 5A 转 速为 3000r min 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 15 页 共 30 页 根据设计 一级二级减速比均为 18 62 为了保证车能够平稳的上下楼 因此 车 的速度不能太大 初步设定速度为 1s 阶 每上四个台阶 车的爬升结构旋转一周 那 么车的转速为 n 60 4 62 62 18 18 r min 4 得 n 2847 4r min 该选型电机最高转速为 3000r min 因此 满足设计需要 该车中传动机构一共分为三级 一级和二级为斜齿轮传动 传动比为上 18 62 三 级传动是同步带传动 传动比为 1 1 这两种传动方式的效率都比较的高 斜齿轮的传 递效率为 96 同步带轮的传动效率高达 98 因此 该电动机所需的功率表示为 P W 0 96 0 96 0 98 5 其中 W 为电机所做的功 单位为 J P 为电机的功率 单位为 w 根据估算 设定车身和重物共 200kg 车子上升一台阶的时间约为 1s 上升高度为 160mm 即 mg 1960N S 0 16m t 1s 代入 6 式 W mg s 6 将式 5 和 6 联合得出 P 347W 从功率方面看 该电机也满足设计需求 该电机的扭矩为 100N m 根据爬升杆图 6 2 所示 当爬 升杆伸到最长位置时 电动机所需要提供的扭矩最大 由于 这时沿着杆的分力与重力所成角度较小 为了计算方便 我 图 6 2 爬升过程分析图 们采用直接重力计算 T1 2000N 4 0 24 7 T电机实际 T1 38 38 132 132 8 联立公式 7 和 8 得出 T电机实际 9 9N m 而该电机的所能提供的扭矩是 10N m T电机额定 T电机实际 所以 满足使用要求 6 26 2 电池的选型电池的选型 目前 市场上所用的电池有铅酸蓄电池 锂电池等 本设计使用的是铅酸蓄电池 根据电动机的需要 该设计使用的是型号为 8 DZM 20 额定电压为 80v 外形尺寸为 250 100 125 mm 如图 6 2 和图 6 3 所示 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 16 页 共 30 页 图 6 3 电池 图 6 4 电池参数 铅酸蓄电池采用电池槽盖 极柱双重密封设计 确保不漏酸 可靠的安全阀可防止 外部空气和尘埃进入电池内部 水的再生能力强 密封反应效率高 因此在整个电池 的使用过程中无需补水或酸维护 特殊的密封机构 无酸液溢出 保证使用设备无腐 蚀 防爆安全阀及其特殊结构起防爆作用 使电池在整个使用过程中更加安全可靠 充分保证了人 机安全 计算机精密设计的耐腐蚀钙铅锡合金板栅 克服了铅钙合金 和普通低锑合金的早期容量衰减的缺陷 使电池的循环寿命和浮充寿命显著延长 ABS 耐腐蚀材料的使用和极高的密封反应效率均保证了赛能电池的长寿命 该种电池体重 比能量高 内阻小 输出功率高 放电性能好 采用高纯度原材料 严格加工工序生 产 将杂质污染降到最低 使得电池的自放电控制在每个月 3 以下 由于单体单体电 池的内阻 容浮充电压一致性好 因此电池在浮充使用状态下无需均衡充电 温度适 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 17 页 共 30 页 应性强 可在 30 50 摄氏度下安全使用 而锂电池对温度有严格的使用要求 一 旦温度过高 容易发生爆炸 及其危险 同时 铅酸蓄电池使用简便 满荷电出厂 无游离电解液 电池可横向放置 性价比高 超长的使用寿命 极低的维护成本 合 理的价格 因此 铅酸蓄电池更能保证该设计实现功能的可靠性 7 7 楼梯爬升降机的传动系统楼梯爬升降机的传动系统 传动系统的作用是将原动机的运动和动力传递到执行元件 故原动机类型和执行构 件的运动形式 运动参数及运动方位等都决定着传动系统的方案 根据本设计的实际 需求 该传动系统中的传动方式选择为齿轮传动和同步带轮传动 7 17 1 传动方式的选择传动方式的选择 7 1 1 齿轮传动的选择 齿轮传动是指用主 从动轮轮齿直接传递运动和动力的装置 该传动主要传递动力 和运动 其中包括直齿轮传动 斜齿轮传动 锥齿轮传动和蜗轮蜗杆传动等 在所有的机械传动中 齿轮传动应用范围最广 可以用来传递相对位置不远的两轴 之间的运动和动力 该传动的特点是 齿轮传动平稳 传动比精确 工作可靠 结构 紧凑 效率高 寿命长 使用的功率 速度和尺寸范围大 该设计中选择使用斜齿轮为传动方式 一 直齿轮的轮齿啮合是间歇性的 由于在 制造过程中容易产生误差 轮齿的突然啮入和突然啮出 将导致机构行程瞬间冲击 瞬时传动比变化 直齿轮的轮齿受力面是沿齿轮轴向分布于全齿宽 而斜齿轮的受力 面在齿轮轴向的分布却不能布满全齿宽 直齿轮在高速运行时会产生振动及噪音 斜 齿轮比直齿轮承载能力大 运转平稳 噪音小 适用于高速 重载传动 二 锥齿轮 的主要用途是改变两个相交轴的传动方向 特点是可用于两个轴不是平行的 允许有 一定角度的传动 而且相对于直齿轮和斜齿轮来说 造价要高 所以直齿轮不适合该 车的传动 三 蜗轮蜗杆主要是将圆周运动转变为直线运动的传动方式 该轮的传动 比大 能够实现自锁 但传动效率地 啮合面磨损严重 传送的运动方式也不是该小 车所需要的 7 1 2 同步带传动的选择 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 18 页 共 30 页 同步带传动一般是由主动轮 从动轮和紧套在两轮上的传动带组成 同步带传动的工作原理是利用中间挠性件 带 靠摩擦力 或啮合 在主 从动轴间 传递旋转运动和动力 同步带是以钢丝为抗拉体 外包聚氨脂或橡胶 横截面为矩形 带面具有等距横向齿的环形传动带 同步带轮轮面也制成相应的齿形 该传动的特点 是 靠同步带齿与同步带轮齿之间的啮合实现传动 两者无相对滑动 而使圆周速度 同步 优点是 一 传动比恒定 二 结构紧凑 三 由于带薄而轻 抗拉强度高 故带 速高达 40 m s 传动比可达 10 传递功率可达 200 KW 四 效率高 高达 0 98 另外 同步带 橡胶双面同步带 能够缓冲传动冲击和振动 因此具有传动噪声小的特点 它不需要润滑 能够满足发动机高转速传动的需要 而且 同步带需要的安装空间小 具有较好的环境适应能力 在很多发动机上 特别是在 V 形发动机上 由于安装空间 的限制 要求使用尽量少的传动部件 而同步带容易实现多功能化 例如一条同步带 能够同时实现曲轴对发电机 转向助力泵以及空调压缩机等部件的驱动 7 27 2 传动系统的校核传动系统的校核 7 2 1 轴的校核 该轴的实体形状如图 7 1 所示 图 7 1 长轴 轴在车中的位置如图 7 2 所示 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 19 页 共 30 页 图 7 2 长轴的位置 轴的受力分析和尺寸如图 7 3 所示 图 7 3 长轴受力分析图 由图可知 其危险截面为 B 截面 最大弯曲应力为 620N mm 根据上述中电机 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 20 页 共 30 页 的选型中可知电动机的扭矩为 10N m 啮合关系如图 7 4 所示 图 7 4 齿轮啮合 T轴 9 2 1 32 r rrT电机 其中 r1 为小齿轮半径 19mm r2 为大齿轮的半径 66mm r3 为轴的半径 9mm 代入式 9 中 得出 T 轴约为 16 5N m 由第三强度理论 10 22 1 max MT 由于0 62N m 远小于扭矩 可忽略不计 M 得165Mpa max 该轴的选用材料为 45 号钢 其屈服极限为 360MPa 远大于 165MPa 因此该材料满 足使用要求 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 21 页 共 30 页 8 8 控制系统的设计控制系统的设计 8 18 1 控制器的选择控制器的选择 PLC 控制与单片机控制的比较 1 PLC 能够完成强电的逻辑控制盒运动控制及 PID 运算 而单片机则适用于小 型自动控制领域及无线控制领域 2 单片机自身保护差 PLC 自身保护强 3 PLC 控制抗干扰能力比单片机强 PLC 适用于中 大型设备 单片机适用于微 小型设备 4 从应用方面看 单片机可构成各种各样的应用系统 而 PLC 只是单片机的一 种特例 应用范围较窄 5 从复杂程度上来讲 单片机的控制能实现比较复杂的运动 PLC 一般适用于 单向控制或重复数极少的项目 6 PLC 体积大 成本高 单片机体积小 价格相对更便宜 由于本论文所要研究的对象为半自动式 携重物爬升机 其外形如图 8 1 所示 图 8 1 爬升机外形 半自动爬升机的外形尺寸分别为 最大高度 1 3m 最大长度 1m 最大宽度 1m 由 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 22 页 共 30 页 其尺寸大小可知半自动爬升机为小型机械 携重物爬升机在设计时 其运动过程涉及 到直流电机正反转 液压缸的伸缩 电磁阀的开合以及三者之间的协同运动 而且三 者之间的运动要求较明显的顺序性 此外由于楼梯宽度有限 所以爬升机安装零件空 间有限 这就要求控制系统体积应尽可能地小 最后还应考虑到产品的设计成本和运 动灵活性 综上所述 本设计选定的控制系统为单片机 在满足基本原理的前提下使设计更合 理 8 28 2 控制流程图控制流程图 机械运动过程中 各种运动的实现都有其基本运动机理 有时候各种运动之间是密 切相关的 那个运动先执行 那个运动后执行 那个运动在哪个时间 哪个位置执行 都直接关系到整个机器是否能够正常的完成其功能 而控制流程图的设计就是在理清 运动关系和控制原理的前提下 协调控制和运动之间的关系 是控制系统更简便 运 动过程更合理 同时 在满足运动要求的前提下 尽量不拘泥或局限于各种工艺基本 运动模式中 应不断发展和创新 在设计中对机械运动灵活运用 这就更加需要控制流 程图来帮助查看运动是否顺畅合理以及提前发现干扰等问题 本论文所设计的半自动式携重物爬升机的控制流程图如图 8 2 所示 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 23 页 共 30 页 图 8 2 控制流程图 8 38 3 控制程序编写控制程序编写 根据上述描述的运动过程 编写下列程序 ORG 1000H START MOV DPTR 9FFFH 8255 初始化 MOV A B MOVX DPTR A KAISHI MOV DPTR 9FFCH 判断总开关 MOVX A DPTR JNB ACC 0 ZUIHOU F0 MOV DPTR 9FFCH 是否为上升 MOVX A DPTR JB ACC 1 F1 MOV DPTR 9FFCH 是否为下降 MOVX A DPTR JB ACC 2 F2 SJMP F0 F1 MOV DPTR 9FFEH 电机 1 正传 S5 闭合 电机三启动 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 24 页 共 30 页 MOV A B MOVX DPTR A MOV R7 03H L1 MOV DPTR 9FFCH 查光传感器 1 统计拉杆转数 判断电机 2 是否启动 MOVX A DPTR JB ACC 5 L1 L2 MOV DPTR 9FFCH MOVX A DPTR JNB ACC 5 L2 DJNZ R7 L1 MOV DPTR 9FFEH 电机 2 正转 MOV A B MOVX DPTR A L3 MOV DPTR 9FFCH 判断行程 1 开关是否到位 MOVX A DPTR JNB ACC 3 L3 MOV DPTR 9FFEH S5 闭合 电机 3 停止 MOV A B MOVX DPTR A MOV DPTR 3FFFH 启动 0809 MOV A 00H MOVX DPTR A L4 MOV DPTR 9FFCH 查 EOC 是否为一 MOVX A DPTR JNB ACC 7 L4 L5 MOV DPTR 9FF8H 判断模拟电压值是否 0 MOVX A DPTR JZ ACC 0 L4 MOV DPTR 9FFEH 电机 1 停止 S6 闭合 电机 3 启动 MOV A B MOVX DPTR A MOV R7 03H L6 MOV DPTR 9FFCH 查光传感器 2 统计拉杆转数 判断电机 1 是否停止 MOVX A DPTR JB ACC 6 L6 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 25 页 共 30 页 L7 MOV DPTR 9FFCH MOVX A DPTR JNB ACC 6 L7 DJNZ R7 L6 MOV DPTR 9FFEH 电机 1 停止 MOV A B MOVX DPTR A L8 MOV DPTR 9FFCH 判断行程开关 2 是否到位 MOVX A DPTR JNB ACC 4 L8 MOV DPTR 9FFEH S6 闭合 电机 3 停止 MOV A B MOVX DPTR A JMP KAISHI F2 MOV DPTR 9FFEH 电机 2 反转 S6 闭合 电机 3 启动 MOV A B MOVX DPTR A MOV R7 03H M1 MOV DPTR 9FFCH 查光传感器 2 统计拉杆转数 判断电机 1 是否启动 MOVX A DPTR JB ACC 6 M1 M2 MOV DPTR 9FFCH MOVX A DPTR JNB ACC 6 M2 DJNZ R7 M1 MOV DPTR 9FFEH 电机 1 反转 MOV A B MOVX DPTR A M3 MOV DPTR 9FFCH 判断行程开关 2 是否到位 MOVX A DPTR JNB ACC 3 M3 MOV DPTR 9FFEH S6 闭合 电机 3 停止 MOV A B MOVX DPTR A 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 26 页 共 30 页 MOV DPTR 3FFFH 启动 0809 MOV A 01H MOVX DPTR A M4 MOV DPTR 9FFCH 查 EOC 是否为一 MOVX A DPTR JNB ACC 7 M4 M5 MOV DPTR 9FF9H MOVX A DPTR JNB ACC 0 M5 MOV DPTR 9FFEH 电机 2 停 MOV A B MOVX DPTR A MOV R7 03H M6 MOV DPTR 9FFCH 查光传感器 1 统计拉杆转数 判断电机 1 是否停止 MOVX A DPTR JB ACC 5 M6 M7 MOV DPTR 9FFCH MOVX A DPTR JNB ACC 5 M7 DJNZ R7 M6 MOV DPTR 9FFEH 电机 1 停 MOV A B MOVX DPTR A M8 MOV DPTR 9FFCH 判断行程开关 1 是否到位 MOVX A DPTR JNB ACC 3 M8 MOV DPTR 9FFEH 电机 3 停 S5 断开 MOV A B MOVX DPTR A JMP KAISHI ZUIHOU SJMP 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 27 页 共 30 页 结 论 一个学期的毕业设计终于接近尾声 我在这里对这段时间的学习做一个简单的总 结 对该设计的内容进行重新概括 本设计从开始的出发点就是设计出能够为大众服务的楼梯爬升降机 对于爬楼梯 机器来说 这不是一个新的课题 从几年前就有很多人开始研究 他们的目的是照顾 不能自己解决上下楼问题的残疾人和老年人 且主要研究还是在国外进行的 我国很 少有这方面的研究 从以往的研究成果来看 能够实现楼梯爬升降功能的机器至今有 两大问题 无法解决 1 体积大 重量大 由于楼梯这种特殊的不连续结构 在设计的时候要考虑到车 的跨度要与台阶的宽度和高度相适应 并且台阶的高于宽不相等 为了保证平稳性 就要求机器在爬升的过程中姿态随着台阶不断的变化 这不仅对机构有很高的要求 而且对计算也非常严格 现在已经做出实物的履带式轮椅 星轮式和腿足式 在体积 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 28 页 共 30 页 上都很大 本设计中的小车也面临着这样的问题 因为小车的跨度大 也就导致了车 的体积和质量的上升 不适合用于狭窄的楼道 并且在转弯的时候有点困难 2 价格昂贵 以目前来看 能够真正用于载人上下楼梯的机器最好的要是美国研 究的 iBot 该车有自动探测重心功能 能够适应各种路面状况 这是美国历经几年 投入多大一个亿才研制出来的成果 而且它的市值高达 20 多万美元 从研发的时间和 投入资金来看 也说明了制造楼梯爬升降机的复杂性 而且 像这种昂贵的机器飞入 平常百姓家并不容易 也许在几十年之后才有希望亲身体验一下这种机器的优势 同 样做出成品的腿足式 也用的是高新科技 价格不菲 对于本次设计中小车 虽然造 价远比不上其他成品 但对于初代产品来说 电池 电机 液压缸等的选择和使用 估算费用也不会是个小数目 另外 本产品还有其他的缺点 其中 控制精度不够高 安装在爬升机构上的液压 缸通过阻尼阀的减速功能控制爬升杆的收缩速度 这需要实际做实验研究液压缸的阻 力和车总质量之间的关系 从而确定出阻尼阀应该控制的流量 还有无法实现完全自 动化 在小车到达楼梯顶端或底端时 还需要人工现实转弯功能 在小车上下楼时 需要人工将液压杆调到指定位置等 这些都是需要解决的问题 当然 为了让小车功能上更加完善 可以将小车的转弯功能实现自动化 这样的机 构可以借鉴汽车的转弯机构 同时 为了防止车子与墙相撞 需要在车上增加超声波 传感器 这种改进已经有了的实例 如小朋友现在玩的玩具车有的就实现了该功能 该设计