上下楼梯搬运器设计与仿真

上下楼梯搬运器设计与仿真摘 要：本文的目标是根据国内实际情况，为减轻上下楼运送重物的体力劳动强度的问题，设计一种人工辅助上下楼梯机构。我设计了一种实用星轮转换式可爬楼装置。该装置既可以在平地上行走，又可以攀爬楼梯，通过电机驱动。在中心轴和转臂间设一离合器，离合器分离时，驱动中心齿轮便会带动各行星齿轮旋转，此时为行星轮驱动模式，适用于平地行走；而操纵离合器使其结合时，中心轴和转臂锁死，各行星齿轮将不能自传，驱动中心轴整个行星轮系将整体翻转，主动翻越障碍，此时为星轮驱动模式，适用于爬楼梯。关键词：上下楼梯；服务机器人；机构；设计Moving from Top to Bottom Staircase Design and SimulationAbstract: The goal of this paper is based on the actual situation, alleviate the problem of the physical strength of transporting heavy loads down the stairs, design an artificial up and down stairs institutions. I designed a practical star turn can Palou device. The device can either be on level ground walking, climbing stairs, through the motor drive. Between the center shaft and arm set up a clutch, the clutch, the drive center gear will drive the planet gear rotation, the planet-wheel drive mode, suitable for walking on level ground; to manipulate the clutch so that combined with the central axis and tumbler lock, each planetary gear will not autobiographical, the overall flip of the driver central axis of the planetary gear train, take the initiative over the obstacle, this time for the star-wheel drive mode applies to climb the stairs. Keywords: up and down stairs; service robots; institutions; design目 录摘要1关键词11 前言21.1 研究意义21.2 国内外研究现状21.3 本课题研究目的及内容安排32 总体方案确定321 可实现上下楼梯功能机构的比较32.1.1 履带式机构42.1.2 轮式机构42.1.3 腿式机构52.2 上下楼梯机构方案确定52.3 主要参数的确定62.4 工作原理及性能分析72.4.1 平地行走72.4.2 翻越一级台阶等简单障碍72.4.3 上楼82.4.4 下楼93 传动方案确定及设计93.1 传动方案确定93.2 爬楼所需功率93.3 爬楼驱动电机的选择93.4 齿轮传动计算93.4.1 选定齿轮类型10 3.4.2 按齿面接触强度设计123.4.3 按齿根弯曲强度设计123.4.4 几何尺寸计算134 执行机构设计134.1 能够爬楼不打滑的条件计算134.2 爬楼轮结构设计144.2.1 齿轮设计计算144.2.2 行星齿轮轴结构设计164.2.3 中心轴设计175 主要零件选用195.1 离合器的选用195.1.1 牙嵌式离合器195.1.2 电磁离合器195.1.3 齿式离合器195.2 导向轮195.3 车架196 结论20参考文献20致谢2111 前言1.1 研究意义随着我国经济改革开放的步步深入, 城市化进程加快，为了节省占地面积，平房被楼房所代替,许许多多的高楼都拔地而起，但目前九层以下的多层楼房均无电梯，这就出现了重物上下楼的运输问题。通常的做法是用人力扛抬。人的体力劳动强度过大。另外，中国目前老龄化严重加上还有腿部残疾人，他们无法正常地行走，通常是依靠拐杖或是轮椅来实现行动上的需要，对于无法以拐杖来实现行走，更多是代之以轮椅 1。现行的常规轮椅自然有其优点，无论是平地或是斜面，常规轮椅基本上都可以由使用者本人完成运动的需要，而不需要陪护人员。然而，当代社会最主要的升降媒介楼梯，却令常规轮椅望之兴叹。为减轻上下楼运送重物的体力劳动强度,解决老年人、残疾人上下楼困难的问题，急需一种轻便的可升降楼梯的爬楼装置，来实现上下楼梯的和平地行走的功能。1.2 国内外研究现状上下楼梯机构的研究已经有比较长的历史，先后提出了各种各样的机构，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。如果按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机构式等。行星轮式的典型代表为美国强生公司下属的独立技术公司研制出的爬楼梯轮椅IBOT2。IBOT 轮椅的开发历时 8 年，耗资超过 1.5 亿美元，是迄今为止推出的最尖端的产品。它配有感知人轮椅重心位置的陀螺仪和复杂的计算机系统，可以随时调整重心位置以保证轮椅的平衡。IBOT 结构紧凑，运动灵活，操作简便，可靠性、安全性等各方面指标都很高，它不仅可以爬 21 厘米以下高度的楼梯和不超过 15 厘米高的“马路牙子” ，也能够在沙滩、斜坡和崎岖的路面和小山坡上前进，而且能够两轮着地“站起来”直立行走，以使乘坐者可以升高到普通人的高度，也便于取放高处的物体。IBOT 如此先进，价格也不菲。2.9 万美元的高价可能使很多人望而却步。履带式爬楼梯机构用的不少，特别是在各类防暴机器人中有着广泛的应用。其主要特点是：越障能力强，且可以适应不同的楼梯；在上下楼梯过程中重心波动小，运2动相当平稳；其最大不足是平地行走时阻力较大，运动不灵活，能耗高：在爬楼梯时，如果设计不当，履带也容易损坏楼梯沿；此外，在初下楼梯某一时刻，整个机构会突然倾斜。为了克服这些缺点，国内外提出过各种各样的改进机构，如轮履混合式爬楼梯轮椅，在平地行走时采用轮式，爬楼梯咐则改为履带式。腿足式爬楼梯轮椅的主要特点是具有两套支撑装置，这两套装置交替支撑实现上下楼梯功能。由于这种爬楼梯方式类似于人类上下楼梯的过程，故也常称之为步行式爬楼梯轮椅。早期的爬楼梯轮椅大多采用这种方式，例如 1892 年 Bray 发明的第一台爬楼梯轮椅就采用了这种方式。在爬楼梯时，先由其中一套支撑装置支撑并抬高轮椅及另一套支撑系统，然后另一套支撑系统前移到台阶上；在台阶上停稳后，整个轮椅重心移到该支撑装置上，先前那套支撑装置则收回，如此循环，直到爬完整段楼梯为止。腿足式爬楼梯机构的主要特点是：爬行速度较慢，对重心设计要求较高；但如果加装有传感装置则对不同尺寸的楼梯具有较高的适应能力。为了解决腿足式爬楼梯机构爬行速度较慢的缺点，有学者提出了平行四杆式爬楼梯机构，就是在普通轮椅的两侧各加设一套由平行四边形机构组成的爬楼梯执行机构，它用四条“腿一托送轮椅上台阶。平行四杆式爬楼梯机构结构简单、价格低廉，但由于仅仅由四个点支撑整车，其平稳度不高，安全性也不太好。综上所述，为了较好地解决上下楼运送重物的体力劳动强度,解决老年人、残疾人上下楼困难的问题，其关键是提出一种比较完善的上下楼梯方案，且整个装置尺寸合适、质量适中、安全性好、使用方便，最好能够适应不同的阶梯尺寸，其价格也能为普通老百姓接受。此外，应考虑爬楼梯过程往往只是整个外出活动过程中的很少一部分，必须兼顾平地行驶情况。1.3 本课题研究目的及内容安排本课题研究的最终目的是设计出一款体积不大、操作较为简单、价格适中、适合于广大老弱病残人员使用的爬楼梯装置。本文主要完成上下楼梯机构研究与设计。首先综合比较各种上下楼梯机构优缺点，然后根据任务要求，提出一种比较合理的行走和爬楼梯机构，整个轮椅可以在其它人员辅助下较好地完成行走及上下楼梯运动；然后对主要参数进行计算并设计出主要机械结构；最后对研究工作进行总结，给出未来改进建议。2 总体方案确定21 可实现上下楼梯功能机构的比较 一台装置如何实现其行驶和上下楼梯的功能，其关键的部分足如何选择合适的运3动机构，以及选择什么形式的运动机构去实现我们所需要的功能在目前的研究中，能够实现上下楼梯功能的机构主要有履带式机构、轮式机构、腿式机构等。下面通过对这几种机构的特点进行对比和分析，结合它们各自的优点，进而选择最为满足本次设计要求的机构。2.1.1 履带式机构履带轮机构的研究和应用相对比较成熟，在可以爬楼梯防暴机器人等类似装置中应用的比较广泛，履带型机构的爬楼梯轮椅应用也较多。履带式机构支撑面积大，下陷度小，通过性能好，地形适应能力较强，爬坡、越沟等性能均优于轮式机构履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好行走比较连续，在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台醉陪爵遘线相平行的直线运动，轮椅重心几乎没有波动或波动很小，运动相当平稳。履带式机构应用于上下楼梯轮椅时，存在以下几个主要的缺陷：（1）相对于轮式机构来说，履带式机构体积大，比较笨重，履带传动能量效率低，虽然其攀爬楼梯时具有较大的优势，但轮椅的绝大多数时间是在平地上行驶，履带传动在平地行驶时的劣势相对比较明显，其不容易实现平地行走时的快速移动要求；（2）爬楼梯时，轮椅要靠履带与台阶边缘的摩擦产生向前向上的动力，这样很容易对台阶造成损坏 3；（3）履带传动机构存在转弯困难，特别是在住宅楼等狭小空间里转弯时显得尤其笨拙和不方便。此外，由于其转弯时主要靠两侧履带的速度差，甚至需要两侧履带做相反方向转动，履带会在地面上产生滑动，由于履带与地面的接触面积大而且摩擦系数较大，所以对地面及履带磨损都比较严重。2.1.2 轮式机构轮式机构是陆地运输交通工具中应用最为广泛的一种移动机构，在国外一些爬楼梯机器人的研究中也广泛采用的轮式机构。轮椅应用方面，普通轮椅及电动载人轮椅车也是采用的这种机构，其体积小，结构简单，控制方便，能够实现平衡、快速的移动，能量效率高，采用差动传动时转向半径很小，转向灵活；但是普通轮式机构多采用简单的圆柱形轮体，在路况较好的平地上行驶时有绝对的优势，但遇到像沟壑、台阶、楼梯等障碍时普通轮式机构便显得能力不足。普通轮式机构要想跨越台阶等障碍，其中一个必要条件就是车轮半径至少要大于台阶高度，而且跨越台阶需要的能量很大，过程不稳定，冲击较大：而且楼梯台阶的宽度有限，如果一味的增大车轮半径又会导4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。轮式移动机器人的代表有美国的 Gyrover 单轮机器人和六轮行星探测机器人 Rockey 系列等，一般来说，轮式小车对地形的适应性大小跟轮子数量成正比，但随着轮子数量的增加，又带来了小车体积庞大、重量大等缺点，要想实现上下楼梯功能，必须对轮式机构进行改进。在一些爬楼梯轮椅以及具有越障功能的轮式自动行驶机器人上采用了一种行星轮机构，一组小轮捧列在“+ 形或Y 一形，甚至“一”形的行星轮系上，可以实现不同的运动形式，达到平地行走，以及楼梯攀爬的不同功能美国研制的会爬楼梯的轮椅 iBOT3000 所采用的就是这种方案。2.1.3 腿式机构从理论上来讲，腿式机器人是最灵活的运动机构，地形适应能力强，可以解决大多数环境下的行走问题，但是，腿式机器人通常具有复杂的机械结构并且控制复杂，效率低，要想实现稳定高速的行走，还有诸多难题需要解决腿式移动机器人的代表有美国 CMU 的 Ambler 移动机器人等 4。日本专门从事机器人开发的 Tmsuk 公司和早稻田大学的高西淳夫教授研究室共同成功开发了可载人上下楼梯的两足步行机器人，代号为 WL-165，并进行了一系列的改良设计，但仍然存在机构和控制复杂，移动速度慢，承载能力不高等缺点，很难得到普及使用。2.2 上下楼梯机构方案确定通过对比以上各种机构及现有的上下楼梯轮椅，分析其各自的优势和不足之处，主要考虑到运动的灵活性、控制的难易程度、能量的利用率、使用的安全性等，最终选用轮式机构，为了能够实现上下楼梯的功能，借鉴 IBOT 爬楼梯的功能，采用行星轮机构。第一，轮式机构在平地行走时有明显的优势，这是其它机构所不能比的：而轮椅车在绝大多数时间内还是在平地上运行。为了保证轮椅车在绝大多数时间里的考虑，轮式机构是第一选择 6。第二，为了使轮式机构具有跨越障碍的能力，通过综合比较，决定选用行星轮系。行星轮系通过行星轮绕回转中心的公转，实现攀爬楼梯的功能。而且这样选择使平地行走和楼梯攀爬可以使用同一个机构，降低了设计的难度。 行星轮的个数可以采用两个、三个或者三个以上，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，很难在普通住宅楼梯上使用，而另外一个缺点就是随着轮子的增多使其在平地上行走时效率变得越来5越低；为了满足体积小巧、家庭实用化的要求，本次设计采用三个行星轮，左右对称布置。该方案是基于一种新结构星轮行星轮转换式结构，如图所示。其基本结构是具有三个行星齿轮的行星齿轮系，在中心齿轮外依次均布惰轮和三行星齿轮，中心齿轮和惰轮、惰轮和行星齿轮问均为外啮合，左右两半箱体相联接作为转臂，由此构成具有三个行星齿轮的行是齿轮系。在行行星齿轮轴系箱体外仲端分别固定一个车轮，箱体中心固定有齿式离合器同定端，齿式离合器活动端与中心轴通过花键滑动联接，当齿式离合器活动端与固定端没有啮合时，整个结构便处于行星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动三个车轮旋转，便可以在平地上行走。当拨动齿式离合器活动端使其齿式离合器固定端结合时，中心齿轮和箱体（转臂）锁死，从而各齿轮均不能自转而只能随整个箱体一起翻转，整个行星齿轮系将变成一个刚性的整体而转变为星轮结构模式，此时驱动中心轴便会驱动包括行星轮系在内的整个箱体翻转，此种结构模式有助于攀爬楼梯。该方案的优点在，同一结构通过简单转换得到两种驱动模式，分别适应爬楼和平地行走，各自适应性良好，并且结构紧凑，操作方便。运用此种结构也有两种方案：驱动前置和驱动后置。驱动后置，即将该驱动结构置于车后作为驱动后轮，前轮用万向轮。优点：由于人轮在后小轮在前，整车协调美观，爬楼时重量压于后轮，不易打滑7。缺点：爬楼时，后轮支点位嚣不断跳跃性变化，有倾翻的可能；万向轮在前平地时承载较大，转向阻力大，爬楼时万向轮可能偏斜影响爬楼。驱动前置，即将该驱动结构置于车前面作为驱动前轮，后轮用万向轮。出于减小爬楼时万向轮的阻碍作用我们想到了此种力案，其最人的优点就是，万向轮作为后支点爬楼时不易倾翻，且阻碍作用相对较小。但是驱动前置有一些致命的弱点，首片先就是外观问题，人部分东西集中在前面，后而悬伸两个很小的万向轮，看起来很不协调，仅外观问题基本上就具有一票否决权；其次是打滑问题，爬楼时由于人对驱动轮的正压力不够，很容易打滑。 经过综合考虑，我们选择了驱动后置的星轮行星轮转换式方案。该方案能较好的实现爬楼功能，并且具有较好的外观 8。2.3 主要参数确定为使这款装置能满足普通居民的使用需求，需要了解我国普通住宅的楼梯尺寸。根据中华人民共和国国家标准住宅设计规范GB50096-1999)的规定：“住宅楼梯6梯段净宽不应小于 I.10 米，6 层及 6 层阻下住宅，一边设有栏杆的梯段净宽不应小于l 米（楼梯梯段净宽系指墙面至扶手中心之间的水平距离）住宅楼梯踏步宽度不应小于 0.26 米，踏步高度不大于 0 175 米，坡度为 33 94。 ，为接近舒适性标准。普通住宅的层高一般为 2.80m按一级台阶高度是 0.175m 计算，共 l6 个台阶。装置与车轮尺寸的设置以上述普通住宅楼梯尺寸的要求为基准装置的总体宽度应小于梯段净宽并留有余量；爬楼辅助轮的直径应不大于楼梯踏步宽度，从而确保楼梯有足够的空间放置此装置；而装置运动时所能达到的最高点（约为车轮半径与驱动轴之间距离的和）应大于踏步的高度。目前，在国际上处于领先地位的爬楼梯装置是美国的 IBOT，原理是基于传统的星形轮系的运动方式，两个车轮既可以绕各自轴线自转，也可以随着系杆一起绕中心轴公转。iBOT 驱动轮的直径是 305mm，图 1 是 IBOT 的运动轨迹图，轨迹半径约等于车轮的半径。本文所设计爬楼的装置辅助轮的直径是 200mm，图 2 是其运动轨迹图，轨迹半径为驱动轴到中心的距离 a。两者相比较可以看出，IBOT 爬楼速度较快，星形轮每公转 1 周能翻越 2 个台阶；但是 IBOT 运动时车身起伏较大，重心颠簸更加明显本文把每一个翻越台阶的运动分成两步完成，驱动轴旋转一周，装置只向上运动一个台阶：虽然速度有所减缓，却优化了运动轨迹，减小了重心颠簸程度，提高了使用者的舒适度。 图 1 IBOT 运动轨迹图 图 2 本课题装置轨迹图Fig1 IBOT Movement locus Fig2 The subject device movement locus装置质量预计 25kg，总体长度约 1000mm，宽度是 500550mm，爬楼辅助轮的直径200mm，驱动轴之间相距 500mm2.4 工作原理及性能分析72.4.1 平地行走平地行走时采用行星轮驱动模式。2.4.2 翻越一级台阶等简单障碍如图 3，对于简单障碍可以正着直接上去，导向轮可以将万向轮悬起，如果障碍比较矮，可直接用行星轮状态爬上去，如果障碍较高，可以拨动离合器转换为星轮状态，翻越障碍。图 3 翻越简单障碍Fig3 Over the simple obstacles2.4.3 上楼如图 4，将离合器结合，采用行星轮驱动模式，正着上楼梯，导向轮与楼梯外沿相贴，使得前轮不会被楼梯挡死，而且不会有太大的波动。后驱动轮每转 120 度上一个台阶，并且具有一定的节奏性，安全省力。对于一般的楼梯后而不需要人扶，精确的重心设计保证了其不会后翻，对于特别的楼梯，为保证绝对的安全，可在后面增加一名辅助者有防止后翻。8图 4 上楼Fig4 Upstairs2.4.4 下楼下楼时采用行星轮驱动模式倒着下楼，由于下楼时震动较人，速度控制难度大，容易后翻，因而下楼时需要一辅助者在后面扶持以防止倾翻，如图 5。图 5 下楼Fig5 Downstairs3 传动方案确定及设计3.1 传动方案确定齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传动可靠工作寿命长考虑到传动转矩较大，选用电动机自带减速器和一级齿轮传动。3.2 爬楼所需功率装置在爬楼时需要克服车体和物或人的重力做功，车体和物组成的整个系统的重个系统的重心位于整车的后半部分估算重力作用线与驱动轴之间的垂直距离 L 为100mm10，装置质量预计 25kg，载重要求不大于 75kg所需克服阻力矩为M=GL=(25+75) 9.80.1=98 Nm爬楼最快速度 n=15 rpm驱动轮最大角速度为 =2n/60=1.57rad/s 爬楼时驱动电机最大所需功率为P=M/=98 1.57/90%=170.96W 要求工作 10 年，每年 360 天，每天工作 3 小时9=10 360 3=10800 hL3.3 爬楼驱动电机的选择本设计选择淄博晨曦减速电机厂的 J-90ZYT105电动机 n=3000 r/min 自带减速器传动比 64 功率 W=230W要求爬楼时： =47 1n=15 rpm2n=47/15=3.121i3.4 齿轮传动计算3.4.1 选定齿轮类型精度等级、材料、齿数 =47121n图 6 机械传动简图Fig6 Mechanical transmission diagram（1）按图 6 所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动（2）搬运器为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度（GB10095-88）（3）材料选择。选择小齿轮材料为 40Cr（调质）硬度为 280HBS,大齿轮材料为45 钢（调质）硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。10（4）开式齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使轮齿不致过小，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般可取 Z1=1720。此处选择小齿轮齿数 Z1=18，大齿轮齿数 Z2=3.1x18=55.8，取 Z2=56 u=56/18= 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即(1)2132.1KTuZEdtH（1）确定公式内的经计算数值1）试选载荷系数 =1.3t2）计算小齿轮 传递的转矩nPT9501 mNN4）选取齿宽系数 =0.6d4）查得材料的弹性系数 ZE=189.8 21MPa5)由齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 =600MPa,大齿轮的接触疲劳1limH强度极限 =550MPa2limH6）计算应力循环次数 =60 47 1 (10 360 3)= hjLnN1607103.46= /3.1=2N7103.485.97）去接触疲劳强度寿命系数 =0.98， =1.351HNK2HN8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，=0.98600MPa=588MPa1limS=1.35550MPa=742.5MPa2liKHN(2)计算1）试算小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值td1H= mm=55.023mm2KTuZE3d2.tfsH 24.3710.89.652)计算圆周速度= =0.14 m/s 160dntv5.02347613)计算齿宽 b11b= =0.555.024mm=33.0138mm dt14)计算齿宽与齿高之比 b/h模数 =55.023/18=3.056mm1tmz齿高 h=2.25 =2.25x3.056mm=6.876mmtb/h=55.023/6.876=8.005)计算载荷系数根据 v=0.14m/s,7 级精度，查得动载荷系数 =1.02vK直齿轮 = =1 , =1.25HKFA用插值法查得 7 级精度小齿轮悬臂布置时 =1.32H由 b/h=8.00， =1.32 查得 = =1.24FKK= =1.251.0211.32=1.683Av6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，=55.023 =59.97mm31dtK.6831计算模数 m=59.97/18=3.33mm1mz3.4.3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为(2)21KTYFaSmzd(1)确定公式内的各计算数值1）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa，大齿轮的弯曲疲劳强度极限 =380MPaFE 2FE2）取弯曲疲劳寿命系数 =0.96， =1.081FNKN3) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，得=0.96500/1.4MPa=342.86 MPa1FES=1.08380/1.4 MPa=293.14 MPa2KN4)计算载荷系数K= =1.251.0211.24=1.581AvF125)查得齿形系数=2.91, =2.296；1FaY2Fa6）查取应力校正系数=1.53， =1.7181SaY2Sa7)计算大小齿轮的 并加以比较YF=2.911.53/342.86=0.0129912aS=2.2961.718/293.14=0.01346YF大齿轮的数值打（2）设计计算=2.14mm421.58.703.1366m对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 2.14 并就近圆整为标准值 m=2.5mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=59.97mm，算出小齿轮齿数 245.971mdz大齿轮齿数 =3.124=74.4 取 =742z2z3.4.4 几何尺寸计算（1）计算分度圆直径=242.5mm=60mmmzd1=742.5mm=185mm2(2)计算中心距= =122.5mm21da8560(3)计算齿轮宽度b= =0.660=36mmd1取 =36mm, 比 大 510mm, =41mm2B12B1B134 执行机构设计4.1 能够爬楼不打滑的条件计算如图 7 所示情况最易打滑 13，设前后轮距为 l，人和车重心距后轮距离为 xl则Ny=x G，N1=(l-x)G，Nx=Ny tan30 。能爬上楼的条件是N1Nx，即 (l-x)GG tan30。 ，其中 =0.30.3(1-x)0.58x 得 x0.34因驱动轮为车体的主要重量，加之爬楼时车体倾斜，人的重心自然靠后，因而重心设计在距图示位置距后轮 0.34 倍的轮距处是可以实现的。图 7 不打滑条件受力分析Fig7 Does not slip conditions for stress analysis4.2 爬楼轮结构设计4.2.1 齿轮设计（1）平地行走情形如图 8 所示2f=F 阻，T3=fR=F 阻/2RR 为车轮半径，F 阻为行走阻力，主要是滚动摩擦阻力，非常小，而此种情况齿轮受力状况良好。（2）在坡度为 8 度的地而行走时2f=Gsin 8+ F 阻Gsin8则 f = 0.5G sin 8=0.5 x 500 x sin 8= 34.8N14T3= fR = 34.8x0.1 = 3.5Nm（3）爬楼时如图 9 所示T3=(1-x)G.R，取 =0.3, x=0.3T3=0.30.75000.1=10.5 Nm图 8 平地时齿轮受力分析 图 9 爬楼时齿轮受力分析Fig8 Ground gear force analysis Fig9 Analysis of gear when climbing the building 比比较以上三种情况，在爬楼时，齿轮受转矩最大 14。根据三角星轮的大小要求，为降低安装精度要求，初选齿轮模数为 3，为直齿圆柱齿轮，考虑结构的紧凑性，根据楼梯的尺寸确定各轮轮距，由此确定齿轮中心距和各齿轮人小：中心轮，惰轮，行星齿轮齿数分别为 38，26，18;选用 45 钢调质处理齿轮，对 LfJ 心齿轮 zl，转矩T1 = 2T3/i13 = 2 x 10.5/(18/38) = 44.3N.m = 44300Nmm=270MPalim F取 =2, =2, =1.5;NYstlimFS则 = = =720MPa；FPNtlim 25.170又 YFa=2.8,YSa =1.52,取 =0.08,K=1.5;d则 故强度符合要求1F3232.40.815.38FaS FPdKTYMaz 4.2.2 行星齿轮轴结构设计15爬楼时单轮着地时受力情况最差，此时受力图如图 10 所示N=G/2=500 NFt=T/R3=10.5/0.027=389NFr=Fttan=3890.364=142 N14Fr+28N1=52N ，得 N1=858N14N2+14N1=38N ，得 N2=499N图 10 行星齿轮轴受力分析Fig10 Stress analysis of planetary gear shaft经计算，A 处弯矩最大，=0.024N=0.024x 500=12 NmM=T=10.5 NmAT， 取 =0.62()Tca则 =16.35 Nm= 16350 Nmm20.615)轴选用材料 45 钢调质 =60MPa-bA 处的直径 =13.9733-1b650.caAMd考虑轴承内径并取整 d=15mm齿轮键连接设计轮毂长度为 12 选用圆头平键，L=12 b=h=658.3MPa2.818Kn ,符合要求。4.2.3 中心轴设计受力图如图 11，由齿轮箱体的受力平衡有：N3-N4=500N 28N4=35500得 N3=1143N N4=643N爬楼中心齿轮 T1=44.3.Nm传动齿轮对轴的作用力F=Fr/2=526N/2=263N F N2 - N4+ N3 - N1 =0 200F 100N2 - 14N4+14 N3 -50 N1 =0 得 N1=334N N2=429N做出弯矩转矩图危险点: A 处 M=42900 T=133700D 处 M=10547 T=133700E 处 M=12024 T=O该轴受力状况复杂，功能重要，轴选用材料 45 钢调质 =60MPa取 =0.6-1b= =909702()AMTca22490.61370= =80910D15.=120242()EMTcaA=24.8mm907330.1.16-bd17=23.8mm8091330.1.6-bMcadD=12.6mm24.0.1-cE相应取整 =35 =25 =15AdDd图 11 中心轴受力分析Fig11 Central axis force analysis轻微冲击，取 fp =1.2则 PC=fpFr 3=1.2=1620NPE=fpFr4 =1.2=875N轴承所需寿命：预计使用 10 年，每年 360 天，每天 T 作 3 小时 则预期寿命 =l03603=10800hL转速 n =15C、E 轴承所需基本额定动载荷 C 处 =1372 =2928N3601hP360158E 处 =772 =1647N36hnL36E 处选用 1202 轴承，其 d=15，D=35 ，B=11，C=7.48kN，符合要求。中心齿轮键连接设计轮毂长度为 12 选用圆头平键，L=12 b=8，h=718=132 430287PTdhl强度符合要求5 主要零件选用5.1 离合器的选用 175.1.1 牙嵌式离合器牙嵌式离合器结构简单，安装方便，承载力较大，从功能上讲墓本上可以满足使用要求。但是牙嵌式离合器牙数较少，满足我们使用要求的矩形牙嵌离合器只有 7个牙，离合器的活动端一与固定端自然对正的儿率非常小，操纵时需要反复训整，很不方便 18。5.1.2 电磁离合器电磁离合器在通电后依靠电磁力使活动端一与固定端结合，其操纵方便，只需按下开关接通电源。电磁离合器有多种型号，有摩擦式的、牙嵌式的，有十式的、湿式的。摩擦式的重量都很重，不符合我们的使用要求。根据使用条件，只有牙嵌式电磁离合器 DLYO 系列符合要求。使用电磁离合器最大的优点就是操纵力方便，但是也有很多弊端，首先是重量问题，电磁离合器本身就有 1.5kg 重，还需要专门配备蓄电池，势必增加整车的重量。其次是可靠性问题，电磁式的没有机械式的可靠，爬楼时如果出现电磁离合器线圈突然烧坏或是蓄电池电量耗完的问题，将会发生危险 19。另外，蓄电池需要经常充电很不方便，电磁离合器安装精度要求很高，尤其是活动端和同定端同轴度要求非常高，对加 T 和装配都提出了很高的要求。5.1.3 齿式离合器齿式离合器，与牙签式离合器比较相似，不同的是齿式离合器的齿数可以根据情况自己设计，可以取较多齿数。齿式离合器承载能力很大，根据我们的使用要求，可以取较小的模数和较多的齿数，齿端面倒成尖角，这样以来结合起来非常容易，操纵时需要太多的调整。综合分析比较，我们最终选择齿式离合器，其结构紧凑，体重小，重量轻，操纵方便，安全可靠 20。5.2 导向轮由于万向轮翻越半径有限，对于高度大其半径的台阶前万向轮便无法翻越。冈此，我们设计了前导向轮，通过它，与万向轮之问的切线过渡米增大轮椅所能越过的最大高度。万向轮的半径为 100mm，而生活中普通楼梯的高度一般小超过 180mm，我们将19前轮部分的翻越高度设定为 200mm，据此米设计导向轮的长度及倾角，如图 12 所示。为了使导向轮能够比较平滑的越障，我们采用了履带式结构。图 12 导向轮设计原理Fig12 Steering wheel design principles5.3 车架考虑到车身重量和强度要求，车架采用直径 20mm 的钢管焊接而成。6 结论本文介绍了一种行星轮爬楼装置的结构实现方法，从传动设计、结构设计、零件组成及选用等方面对装置的结构进行了详细说明，在机械结构上保证了装置多运动功能的实现，特别是行星轮的设计，从而使装置能适应多变环境，具备在城市环境中较强的生存能力。参考文献1 熊光明，赵涛，龚建伟，高峻晓.服务机器人发展综述及若干问题探讨J.机床与液压，2007,35 (3)：210-2202 iBOT4000 Mobility System,Independence Technology. 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