轮组式爬楼梯轮椅机器人传动系统设计【三维UG】【含6张CAD图纸+PDF图】
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河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告河北工业大学201x届本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计（论文）题目：轮组式爬楼梯轮椅机器人传动系统设计专业（方向）：机械设计制造及其自动化学生信息：学号： 姓名：班级：指导教师信息：姓名：职称：报告提交日期：内容要求： 1确定方案先比较履带式和轮组式的爬楼梯轮椅，履带式机构与地面接触面积大，下陷度小，行走时重心平稳，上下楼稳定，但他的体积大，较笨重，传动效率低。轮组式正好相反， 。 在和前期报告中的想法比较、对比之后确定了最可行的方案。和ibot基本相似，装置底部安装两组直径30cm的车轮，前轮较小作为支撑和控制方向使用，后边是四个爬楼辅助轮，以行星轮的方式连接，既可以绕主轴公转，也可以独自旋转，通过电机进行驱动及完成爬楼目的。装置在平地无障碍情况下运动与普通的电动轮椅类似，前轮采用万向轮，后轮作为驱动轮，前轮会根据后轮的行进方向自动调整以使其与后轮保持一致。爬楼梯时由后轮四个辅助轮翻转实现。前轮离开地面，由四个爬楼辅助轮支撑着地，以上楼为例，装置在台阶上运动，在驱动轴的作用下，所有后轮由中轴上的电动机驱动，随着中轴进行公转，两对轮交替进行翻爬楼梯。考虑到轮椅车运动的灵活性、控制的难易程度、能量利用率、使用安全性等，最终采用iBOT的爬楼梯功能采用行星轮式。传动结构图如图1-1所示。 图 1-1三维实体如图1-2. 图1-2前轮采用万向轮进行支撑和辅助换向，后轮采用以上结构。两侧车轮各两个行星轮，其转动分别靠一个直流电动机驱动，电动机通过减速器将转动传递到主轴上，然后通过齿轮传递到行星轮。为了减小驱动之轮的大小，满足车轮之间的间距，在主轴和行星轮之间加入两个过度齿轮。这样在电动机的驱动下，两个车轮转动的方向、转速总是一致的。两个行星轮均可单独作为驱动轮，当乘坐者选择只让两个后轮着地时可以减少转弯的半径，运动更加灵活。在崎岖的道路上行走时，可将后部分的四个轮子全部着地变成四轮驱动轮椅，增加轮椅的动力性能。2 基本参数的确定根据GB 12996国家标准规定，电动轮椅车正常行驶速度小于18km/h，爬坡角度大于6，最小回转半径为2m。根据住宅设计规范所示，楼梯梯段净宽不应小于110m，不超过六层的住宅，一边设有栏杆的梯段净宽不应小于100m；楼梯踏步宽度不应小于028m，踏步高度不应大于0175m。扶手高度不应小于090m。楼梯水平段栏杆长度大于050m时，其扶手高度不应小于105m。楼梯栏杆垂直杆件间净空不应大于011m；楼梯平台净宽不应小于楼梯梯段净宽，且不得小于120m。楼梯平台的结构下缘至人行通道的垂直高度不应低于200m。入口处地坪与室外地面应有高差，并不应小于010m。在此取后轮直径为280mm。根据我国对楼梯尺寸标准的要求，认为在踏步宽度最小的情况下，轮椅车攀爬楼梯的难度最大，所以对车轮直径的验证级两车轮中心距的确定均在踏步宽度为280mm，高度为130mm的台阶上进行。 图2.1如图2.1所示，为了满足爬楼的条件，两后轮中心距应该满足L=308.7mm，圆整为L=310mm。两轮之间通过传动齿轮的固定支架相连，定轴轮系采用五个参数相同的圆柱齿轮进行传动，可降低生产成本简化结构。如图2.2所示，大圆为车轮小圆为定轴轮系。相邻两齿轮的中心距a=310/4=77.5mm。初步设定整个轮椅质量为40KG，承载的人的质量为80KG，平坦路面行驶速度为V1=1.52m/s，爬30坡时的速度为V2=0.5M/s，上下楼梯是翻转速度为n=0.50.75r/s。 图2.23.电机的选取3.1行走机构水平路面受力分析：假设轮椅和人的质量分别为50kg和80kg，经受力分析如图N1=N2=G/4， F1=N1，F2=N2，为滚动摩擦，查手册=0.05.可得平地行走时功率P1=GV=0.05（50+80）102=130W。爬30坡受力分析：受力分析如图所需的总功率为P2=GVsin30=（50+80）100.5sin30=325W。根据行走机构平面和爬坡分析结果，同时考虑行星轮减速器和轴承等的传动效率，选取两个250W的直流电动机。爬坡时所需功率较大，爬坡时移动速度为0.5m/s，则车轮转速为：r/min中心轴传动转矩T=初步设定末级圆锥齿轮传动比为2，查阅样本初选行星轮减速箱减速比为74：1，算得所需电机转矩为M=0.307Nm。查询电动机，可见瑞士maxon EC系列的无刷直流电动机性价比高，根据网站筛选选择型号为EC 45，250W的电动机，产品编号为136207。通过网站的配套筛选功能，选取配套的行星轮减速箱，型号为GP 42，直径42mm，减速比74:1，产品编号为203123。3.2翻转机构行星轮系需要不断翻转来爬楼，所以轮椅和轮系只能通过轴承连接，这样就造成轮椅的重心不稳，容易向前或向后翻转，翻转爬楼的过程就是将重心不断向上向前移动的过程，所以保持重心位置的确定十分关键，既不能在轮椅运行的时候失去平衡，也不能给电机带来太大的负担，通过综合考虑最终将轮椅车和人整体的重心置于距离后轮轴心185mm处。爬楼梯时，乘坐的人需要靠到后背上，经计算，爬楼所需克服的阻力矩为M=（50+80）100.185=240.5Nm，当爬楼时回转速度，求得爬楼所需功率P2=M=180.4W。爬楼时每侧的功率P=180.4/2=90.2W，转矩：T=初步取末级圆柱齿轮传动比为2，行星轮减速器的减速比为186：1，则所需电机的转矩大约为M=Nm与行走机构类似，选取瑞士maxon无刷直流电动机，型号为EC 45，250W，编号136207.选用配套的行星轮减速箱，型号为GP 52 C，产品编号为223099，减速比为186：1。 4.传动机构尺寸设计定轴轮系齿轮选择斜齿圆柱齿轮，后面两轮的前后中心距是L=310mm，各齿轮大小相同，则每两个小齿轮的中心距a=310/4=77.5mm。由计算，可初步选用齿数Z=15，m=5，=15，分度圆直径d1=77.65mm，取齿宽系数=0.4，则尺宽b=30mm。末端直齿圆锥齿轮，选取Z1=20，Z2=40，m1=1.5。翻转机构的末级直齿圆锥齿轮，取Z1=14，Z2=28，m2=1.5。5 小结大体的结构图如下，具体装备图及齿轮和轴的校核将写到最后的说明书中。参考文献：机械设计手册第五版 成大先主编机械设计课程设计指导书哈尔滨工业大学 宋宝玉主编两轮式爬楼梯电动轮椅车 /p-988347161346.html基于行星
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