基于手动差速器的爬楼机设计说明书.doc

基于手动差速器的爬楼机设计含7张CAD图

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基于 手动 差速器 爬楼机 设计 CAD
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I基于手动差速器的爬楼机方案设计基于手动差速器的爬楼机方案设计摘 要上下楼梯是普通日常生活中很平常的一种,在那些大量不设电梯的七层以下的住宅楼房居住的居民,尤其是那些老年人和残疾人,上下爬楼在生活上会有诸多的不便。目前无论乡镇还是城市无一不在飞速发展,其中阶梯更是基本的设施之一。如上下汽车、地铁火车有阶梯;登越人行天桥和地下通道需要穿越楼梯;大型商场更是免不了要爬楼下梯。这些在我们看来异常简单的阶梯对那些腿脚不方便的残疾人来说想要通过是很艰难费力的。基于以上种种因素的考虑,我们设想能不能设计个可以实现上下楼梯的收腰差速器式轮椅,我们通过在路面轮椅的设计基础上进行改装,解决人们在生活中遇到的上下楼梯难题。该手摇差速器式轮椅的设计,方便了人们的生活。因此,这种电动爬楼轮椅的设计,无论是从实际应用方面还是理论研究方面,都是具有很高价值的。国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史,成果也较多,但是它们大多结构复杂、造价昂贵,远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚,虽然也诞生了很多专利,但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制,还没有产品真正投入使用。由此可见,为了解决移动机器人使用受限的问题,同时考虑到我国使用者的经济承受能力,需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。关键词关键词:爬楼机; 手摇式; 轮椅IIABSTRACTUp and down stair is a common facility in our daily life .It is not convenient for there residents who live in the building which is under seventh floor without elevator ,especially for the elder and the disabled .Whatever the village or city have been developing rapidly without exception .Stair become one of basic facility .For instance ,there are stairs when we go up and down car subway, rain. t is necessary to have stairs when we cross the pedestrian bridge and walk through a underground passage .The last example is large shopping malls cannot avoid walking up and down the ladder . It is of great hardship for the disabled and the people who move with difficulty to walking through the downstairs that are of great simple in view of us.Based on above all sorts consideration whether sign a chair called handdriven different mechanism or not to realize walking up and down stair? Based on the design for the common chairs .we modify it to solve the problem of going up and down stairs in our daily life .It is of high value to design the handdriven diffierental mechanism no matter what the aspect from practical application or theoretical research.It can dates back to more than 100 years in research of the aspect of device for up and down stairs onKey Words:climbing stars machine; hand-operated;wheel chairIII目目 录录摘要摘要.IABSTRACT.II第一章第一章 综述综述1.1 爬楼梯轮椅的调查报告11.1.1 前言11.1.2 爬楼轮椅的概念21.1.3 爬楼轮椅的分类21.1.4 解读爬楼轮椅商家的宣传噱头51.1.5 关于国产爬楼轮椅的可靠性解读61.2 国内外服务型机器人的现状81.2.1 服务机器人的定义81.2.2 服务机器人的的市场现状和前景81.2.3 国内外的研究现状91.3 本项目的主要设计内容与主要设计指标141.3.1 课程设计内容141.3.2 课程设计指标141.4 设计进度安排14第二章第二章 手动差速器爬楼机装置机械系统结构设计简介手动差速器爬楼机装置机械系统结构设计简介2.1 爬楼执行机构的类型比较152.2 设计思路简介172.2.1 总体思路简介 172.2.2 减速器设计思路简介172.2.3 动力机构简介192.2.4 行驶机构简介202.2.5 座椅挑平机构简介202.2.6 制动机构简介21第三章第三章 手动差速器爬楼机装置具体机械系统结构设计手动差速器爬楼机装置具体机械系统结构设计3.1 爬楼驱动方案简介223.1.1 电动式爬楼机驱动方案简介223.2 手动差速器爬楼机驱动方案设计26IV3.2.1 本课题设计原理与受力分析263.2.2 手动差速器爬楼机运动过程简要分析283.2.3 手动差速器爬楼机运动过程具体分析313.2.4 手动差速器爬楼机性能设计323.2.5 手动差速器爬楼机平地运动结构设计333.3 本章小结33第四章第四章 爬楼机差速器具体结构设计爬楼机差速器具体结构设计4.1 差速器内部材料设计与校核344.1.1 齿轮设计与校核344.1.2 低速轴的设计与轴承的选型354.1.3 低速轴的校核 374.1.4 高速轴的设计与轴承的选型394.1.5 高速轴的校核 404.1.6 轴承的校核434.1.7 键的选择434.1.8 联轴器的选择 444.2 差速器整体设计454.2.1 差速器原理454.2.2 同步装置原理47第五章第五章 爬楼机技术经济分析爬楼机技术经济分析5.1 手动差速器式爬楼轮椅的技术分析.48 5.2 手动差速器式爬楼轮椅的经济分析.48 5.3 动差速器式爬楼轮椅的结论与展望.48参考文献参考文献50心得心得51致谢致谢52XXX1第一章综述第一章综述1.11.1 爬楼梯轮椅的调查报告爬楼梯轮椅的调查报告.1 前言前言 据中国残疾人联合会发布的数据,截止 2010 年末,我国各类残疾人数已达 8502 万1。分别为,视力残疾 1263 万人,听力残疾 2054 万人,言语残疾13 万人,涉及 2.8 亿2亲属。此外,2013 年 5 月的一份数据显示:根据农村贫困残疾人摸底调查,目前我国仍有 1500 万以上残疾人生活在国家贫困线以下,占贫困人口总数的 12%以上3。在以上残疾人群中,绝大多数都有不同程度的自卑和抑郁情绪,又由于各种不便,他们接触社会、感受大自然,甚至呼吸室外新鲜空气的机会都要比普通人少很多,一部分人甚至处于与世隔绝状态4,这一现状严重影响他们的心理5、性格和身体健康,应当引起残疾人家属、相关单位和全社会的关注。目前,市场上各类辅具的诞生,也给部分残疾人的生活带来一定程度便利。辅具的使用,可以让残疾人更多的接触社会,更方便的走出家门,有利于融入社会、参与工作和创业。更重要的是,通过走出家门与社会交流,更有利于心情改善和身心健康。各类辅具的诞生也让身患残疾的人们更独立、自由和自尊。但是,面对社会上各种噱头和夸张宣传的存质量及安全隐患的辅具产品,却令人难以筛选,以至于造成不必要的经济损失和安全事故。为此,本文从个人选购辅具的经历出发,主要以近两年刚刚兴起的爬楼轮椅(又名电动爬楼机或电动载人爬楼机)为例,对目前(截止 2014 年 9 月)市场上出现的各类型爬楼轮椅作一个技术、性能和安全性等指标的归纳和比对,让众多抱有爱心、孝心和有限积蓄的残疾人家属在选购辅具时,有效规避宣传陷阱和安全隐患。.2 爬楼轮椅的概念爬楼轮椅的概念1中国残疾人联合会残联201225 号文件 /ggtz/content/2012-03/12/content_30382667.htm 2国务院残疾人工作委员会办公室 2014 年 3 月 20 日刊发残工委发20141 号文件/ggtz/content/2014-03/20/content_30456017.htm 32013 年 5 月 20 日,中国残疾人联合会转载新华社报导 /special/6dh/2013-05/20/content_30450395.htm 4 2014 年 9 月 22 日广东省残疾人联合会转载羊城晚报讯/2013cdpf/dfdt/sjclxx/201409/t20140912_470775.htm XXX2“爬楼轮椅”是一种以蓄电池为动力,实现载人上下楼梯功能的无障碍设备(又名电动爬楼机或电动载人爬楼机)。.3 爬楼轮椅的分类爬楼轮椅的分类目前,“爬楼轮椅”可分为:星轮式、履带式、智能踏步式(步进支撑式)、自驾式(其中又分为轮组式和履带式)1 1、 星轮式爬楼轮椅星轮式爬楼轮椅注:对“47Kg6”的描述依据见页脚参考来源2 2、 履带式爬楼轮椅履带式爬楼轮椅 注:关于重量 467-115Kg8的描述见页脚参考来源1、结构简单2、造价便宜1、星轮间距是固定的,对楼梯台阶尺寸的通用性差3、安全防滑制动简易,可靠性差4、操控性差,比较繁琐5、来自个人发明和作坊式生产,缺少安全标准和基本安全认证6、5 星轮式 47Kg,笨重,不可折叠和携带出行星轮式爬楼轮椅由均匀分布在底部轴杆两侧的若干小轮实现攀爬,平地行走时,各小轮自转。爬楼梯时,各小轮绕轴杆公转。目前有两侧各配三轮、四轮和五轮形式的星轮式爬楼轮椅。安全和可靠性仍有待改进。履带式爬楼轮椅是模仿坦克的行驶方式,通过在履带传送装置上安装用户自已的轮椅,实现爬楼梯功能。其体积、重量等受使用楼道限制,因此便携性和灵活性尚有待改善。1、操作者轻松、省力1、体积大,占用空间,窄小楼道难以拐弯操作,下楼后不便存放2、笨重,不含轮椅重量在 46-115Kg3、履带需要定期更换,后期成本高a、国产履带需要经常更换b、进口履带对楼梯损伤严重4、上到最后一个台阶或下楼时第一个台阶存在安全隐患5、对 30以上楼梯,安全性不确定6、传动部件暴露较多,存故障隐患XXX33 3、 智能踏步式(步进支撑式)爬楼轮椅智能踏步式(步进支撑式)爬楼轮椅注:关于重量 33.49-34.3Kg10的描述见页脚参考来源德国 AAT 公司与奥地利 SANO 公司相同功能型号的爬楼轮椅技术比较智能踏步技术源自德国 AAT 公司,优于早期奥地利 SANO 公司的步进支撑技术,他们的相似之处在于都是模仿人类步态,利用爬楼机自身轮胎或攀爬脚与操作者本人的两条腿形成四点稳定,可升降的操作手柄利用杠杆原理确保能轻松操作爬楼机,据试验表明,当爬楼机与操作人员分别处在适当的不同台阶层,通过调节操作手柄长度,仅需要乘座者 1/20 到 1/4 重量的臂力便可以轻松掌握爬楼安全。AAT 公司的理念是:爬楼机的操作不同于平地驾驶,更多的安全保障应来自可靠的设备和护理人员,而非由残疾人自已掌握,因为乘座者视角和行为能力的局限,无法应对爬楼过程中出现的意外和突发状况。1、安全。有阶沿探测和自刹车功能2、轻便。33.4-34.3Kg3、可拆卸或折叠,便于存放汽车后备箱4、无易损件,传动和电子部件全内置5、机身主体采用原产国不锈钢和铝合金,构造科学、用料充足1、造价贵XXX4设备自重 最大载重 爬楼速度主机材质电池参数 安全措施 电机参数评价AATC-max U133.4Kg140Kg机身:全铝合金;座椅支架:全不锈钢(316)SANOPT-O 12034.3Kg120Kg机身:铝合金+普通金属件;座椅支架:普通金属AATSDM722Kg115Kg全铝合金+不锈钢(316)SANOPT-U27.6Kg130Kg铝合金+普通金属件自带座椅配轮椅型101418级台阶/分钟,三档可调8-23级台阶/分钟,连续可调对比项目品牌型号图片AAT轮椅塔载更省时省力,可以连人一起塔载至爬楼机,而SANO不可以或很费力阶沿制动阶沿制动主要技术性能指标24V/5Ah密封铅酸24V/5Ah密封铅酸24V.DC275W24V.DC300WAAT选材质量更高,用料更充足,可靠性和耐久性更具优势上表参数来自德国 AAT 及奥地利 SANO 官网,请参阅页脚引用参考9、104 4、 自驾式爬楼轮椅自驾式爬楼轮椅目前,自驾式爬楼轮椅主要有两类:一是轮组式的,二是履带式的轮组式爬楼轮椅是在两组三星或四星轮基础上另加两组同样数量星轮,使其可以在楼梯上行驶,它优于其它类型爬楼轮椅之处在于:能够独立驾驶,可在平地上当电动轮椅使用履带自驾式爬楼轮椅是在传统履带式爬楼机基础上,增加了履带“收起”和电动轮椅功能,使其也能实现独立操作和平地电动行驶功能尽管自驾式爬楼轮椅似乎能满足独立驾驶和自由出行的需要,但由于乘座在爬楼轮椅上“倒着”上楼的视角限制,加之体积与重量因素,使得在操作过程中需要有较高的肢体协调性,以确保安全。尤其在上到最后一级台阶和下楼时的第一个台阶。现实中的台阶都有不同程度的破损、尘土、纸屑、水渍,在无人监护下独立操作,还是存在一定的挑战1、可以独立操作,平地能当电动轮椅2、给使用者带来出行自由和独立1、窄小楼道难以施展2、当轮椅时,因体积大而活动不便3、因重量较大,耗电速度快,且会加快轮子或履带磨损,后期使用成本难以估算4、传动件暴露较多,机械构造繁杂,可靠性和潜在安全隐患不确定XXX5.4 解读爬楼轮椅商家的宣传噱头解读爬楼轮椅商家的宣传噱头 商家宣称采用“不锈钢”或“铝合金”加工而成不锈钢和铝合金都属于合金材料。不论是不锈钢或铝合金,每个国家都有数百种牌号,为了与国际接轨,我国采用最多的是美标和日标命名的牌号(如:国标不锈钢 00Cr17Ni14Mo2 对应的美标是 316,对应的日标是 SUS316),因不锈钢的牌号多达数百种,铝合金牌号也多达数十种,其理化性能与用途范围也是千差万别,更重要的是价格差距甚大。此外,国产合金材料与德、美、日本等国生产的合金材料即便牌号相同,其性能也不尽相同。因此,很多商家宣称采用了铝合金材料(甚至宣称航空级铝合金,其实有些航空部件并不要求采用多优质或多昂贵的铝合金,目的是能达到基本理化标准和减轻重量、便于加工即可)。我们要知道的是:国内生产的爬楼轮椅是否采用铝合金或不锈钢也许只是噱头,其所采用的铝合金及不锈钢牌号、原产国及厚度与结构,才是与成本和技术挂钩的要素。采用劣质、假冒的不锈钢或铝合金加工产品,如果厚度与结构也不科学,反不如用普通金属件结实。其次,受镍、铬成本影响,国内到处充斥着假冒不锈钢,在没有昂贵检测设备(或送检第三方)做来料检验的提前下,即便花很高价钱,也难以确保它是货真价实的优质合金。 商家宣称其爬楼轮椅采用了进口控制器对一台完整的设备而言,其核心部件的质量优劣当然直接关系到整个产品的可靠性。任何零部件质量出现微小的偏差,甚至是组装上的偏差,都会在整个系统(整机)中被传递和放大,进而影响到系统的可靠性。正如国内许多山寨手机,其芯片同样是进口的,为什么其质量与品牌手机差距如此之大呢?对于进口控制器而言,能否正确的使用它才是关键因素,如软件接口、阻抗匹配、接地条件和电磁兼容环境等,都会影响到进口控制器的性能和可靠性发挥。因此,仅仅说采用哪国进口的控制器无法说明其产品质量就一定可靠,因为它更取决于厂商的技术实力,管理标准和实验过程的严谨性,乃至组装工艺。 关于电池和电机锂电池放电曲线较陡,铅酸电池放电曲线平滑,这意味着锂电池一旦电量下降,则设备很快无法使用,而铅酸电池则不然。但由于技术的进步,这一特征区别已逐渐不明显。同样体积(或重量)的锂电池,容量远远大于铅酸电池,XXX6其造价也更高。在此需要说明的是:并非厂家标示的容量越大,其续航能力就越强,电芯质量与设备的能效高低以及设备的自重也是影响电池续航能力的关键因素。也就是说,即便标示同样容量的同类电池,由于电池产地或品牌的不同、设备自重不同、设备能量传递效率不同,其续航能力也大不相同。在部分人印象里,似乎电机的功率直接决定着它的负载能力,其实不然,电机的能效和整个设备的功率传递效率同样决定着它的负载能力。就像不同汽车的发动机,同样的油耗和负载,跑的路程是完全不一样的,这就是能效的差异。有些厂商以大功率电机作为宣传噱头,其实这恰恰表明了其技术的粗糙。小马敢拉大车体现的才是真正的技术水平。所以,不能单纯的看电池或电机的功率和品牌,因为这是一个系统工程,很大程度上与设备厂商的技术实力有关,这就是粗制滥造与科学、精密生产的区别。这一环节我们普通消费者很难考察,因此很多人选择花高价钱购买品牌或进口产品,就是因为品牌厂商的信誉和质量更可靠。 厂家标示的爬楼续航能力可靠吗? 关于这一点,在没有做测试前,只能取决于厂商的诚信和测试的条件,科学与严谨性。.5 关于国产爬楼轮椅的可靠性解读关于国产爬楼轮椅的可靠性解读排除生产标准、质量等因素,其实我个人挺支持国产的。爬楼轮椅属于新兴产品,它即不属于医疗器械,也不属于一般工业设备等。目前各类型的爬楼轮椅生产厂商鱼龙混杂,从业余下岗工人,到机电专业的学生,甚至是代理轮椅出身的经销商,都可以请几个有机电维修经验的师傅花上几个月时间就能“设计”出一台星轮式、履带式或自驾式爬楼轮椅,那么其安全性到底怎样呢?既然国家没有相关生产标准、质量检验标准和检验单位,市面上各类国产爬楼轮椅的安全状况也都只能任由商家自已评说。对用于爬楼梯这种高风险用途的设备,作为机电设计出身的我本人,还是提倡要么不买,要么选进口有保障的。就像买汽车一样,目的是为了出行方便,但安全性是首要前提。在国外网站上,我们可以检索到近 20 年前,国外就有各种类型的自驾式爬楼轮椅,其先进程度是国内自驾式爬楼轮椅无法比拟的,但为什么没有得到普及推广呢?我想原因大概就如德国 AAT 公司的理念:“爬楼机的操作不同于平地驾驶,更多的安全XXX7保障应来自可靠的设备和护理人员,而非由残疾人自已掌握,因为乘坐者视角和行为能力的局限,无法应对爬楼过程中出现的意外和突发状况”。国外在人权、人身安全方面的重视使其在“自驾”功能噱头面前始终不敢跨越雷池半步,该方面的技术应用一直停留在由护理人员操作的层面。相比之下,中国的爬楼机商家为了满足缺乏安全常识的用户需求,几乎是无所畏惧。在生产标准方面,德国就有针对爬楼轮椅的适用标准:ISO 7176-23 和 DIN EN 12182,以及欧盟统一的 CE 认证、EEC 准则 2007/47/EG 和 93/42/EG,柏林技术大学就是提供爬楼轮椅的检测和认证服务的机构之一。希望我国可以早日完善相关标准和法规,严厉堵绝生产所谓“全球首创”的多功能产品,却无视人们健康和生命安全的商家。关爱残疾人,也需要基本的科学和理性。爱心可以是一声问候,但不可以让爱心承载风险。与其送亲人一份不安全的爱心产品,还不如多花些时间陪陪他们。作为残疾人亲属的一员,希望此文可以给更多需要的人提供参考11。XXX81.21.2 国内外服务型机器人的现状国内外服务型机器人的现状.1 服务机器人的定义服务机器人的定义服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,到目前为止尚没有一个严格的定义,不同国家对服务机器人的认识不同。国际机器人联合会经过几年的搜集整理,给了服务机器人一个初步的定义:服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人,它能完成有益于人类健康的服务工作3,即除了手术机器人、诊断机器人、护理机器人、康复机器人等医用机器人外,也包括各种家用机器人、娱乐机器人、体育机器人、玩具机器人、导游机器人、保安机器人、排险机器人、清洁机器人、秘书机器人、建筑机器人、邮拾和送信机器人以及加油机器人等。随着开发研究的进一步开展和价格的大幅度下降,服务机器人将广泛进入医院、家庭、工地、办公室和体育娱乐场馆,直接与人类共处,为人类排忧解难4。.2 服务机器人的市场现状和前景服务机器人的市场现状和前景服务型机器人可进一步区分为个人和家用机器人与专业服务型机器人。 市场调研与预测 根据国际机器人联盟(IFR)统计部门于 2008 年10 月公佈的最新资料,全球服务型机器人市场概况分述如下:个人和家用服务型机器人: 至 2007 年底,个人和家用服务型机器人累计装置量已超过 340万台,娱乐休闲用机器人已达到 200 万台。至 2011 年底,全球家务用机器人将会达到 460 万台,娱乐休闲用机器人将会达到 735 万台,合计约 1200 多万台,未来四年服务机器人市场总值合计约 57 亿美元,到 2015 年,全球个人和家庭机器人市场的规模预计将达到 150 亿美元,同时,将出现多种类型的个人机器人。专业服务型机器人:至 2007 年底,全球已有 4.9 万台的使用数量,预计到 2011 年底,将增加 5.4 万台专业服务型机器人,总价值约 91.2 亿美元,其中农林矿牧用机器人最多,共将有 1.9 万台,防御救灾与保全机器人预计将有1.56 万台销售量,专业清洁机器人亦约有 4000 台销售量,医疗用机器人约达3420 台,多用途机器人移动平台约 2375 台,水底作业系统预估将有超过 925台销售量。XXX9 专家预测 中国机器人专家、工程院院士徐扬生教授说:“只要 10 年时间,机器人将在世界范围内,普及到每个人的日常生活之中。这将是一个巨大的市场,预计将比现在的汽车市场还要大。”韩国科学家预测:到 2015 年至 2020 年,每个韩国家庭将拥有一个机器人。日本专家估计:到 2020 年日本将有 25%的人口年龄超过 65 岁,护理型机器人将供不应求。德国科学家预计:将在未来的几十年间,家庭生活中将出现的最大变化就是机器人的普及,家庭服务机器人将在日常家庭生活中扮演越来越重要的角色,承担越来越多的工作。.3 国内外的研究现状国内外的研究现状从二十世纪八十年代中期开始,机器人已从工厂的结构化环境进入人的日常生活环境医院、办公室、家庭和其它杂乱及不可控环境,成为不仅能自主完成工作,而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务的智能服务机器人,特别是最近几年,对会清洁地面、割草或充当导游、保姆和警卫等自主移动机器人技术上的进步,大家都有目共睹6。 中国 中国对服务机器人的研究起步很晚,但国家对此非常重视,1986 年 3 月才开始把研究、开发智能机器人的内容已列入国家 863 高科技发展规划中,从 1986 年至 2009 年的 20 多年中,智能机器人主题在 863 的旗帜下,团结了近几千人的研究开发队伍,圆满完成各项任务,建成了一批高水平的研究开发基地,造就了一支跨世纪的研究开发队伍,为我国 21 世纪机器人技术的持续创新发展奠定了基础7。如图 1 所示,这是我国首台具有国际一流语音交互水平和复杂动作及智能运动控制水平的“美女机器人”,这款“美女机器人”具有仿真的美女外形,服装和发型可以根据应用场合更换。她能够根据工作人员说出的指令,马上完成相应的动作,她能够讲英语、四川方言和唱歌、讲笑话,可以与游客进行语音聊天和知识问答,在移动行走时,她能自动识别途中碰到的障碍物,并做语音提示。由北京理工大学牵头、中科院沈阳自动化所、兵器工业集团惠丰机械有限公司、中科院自动化所等单位参加,通过三年的奋斗,研制的“汇童”仿人机器人(如图 2),取得了重大成果, “汇童”仿人机器人具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的自主知识产权的仿人机器人,功能达到了国际先进水平,研制的“汇童”仿人机器人在国际上首次实现了模仿太极拳、XXX10刀术等人类复杂动作。 目前,我国服务机器人研究技术已跨入世界先进行列,但与日本、美国等国家的技术相比还是有差距的,我国科技工作者正在努力向前,热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的服务型机器人与大家见面。 图 1 美女机器人 图 2 汇童机器人 日本 日本将机器人作为一个战略产业,给予了大力支持,而且日本根据目前机器人产业面临的问题,提出了加强机器人研究和推动机器人产业化的具体措施,日本机器人工业之所以领先世界,一方面和他们的机器人文化也有关,在日本,有一种“让机器人成为人”的氛围,在日本,由于人口不多,而且老龄化趋势严重,他们需要机器人来承担劳力的工作,因此培养起浓厚的机器人文化;另一方面,日本政府也希望机器人研发成为本国的支柱产业,所以投入大量资金,为了攻克更关键的服务机器人技术,日本在 2006 年至 2010 年间,每年投入 1000 万美元用于研发服务机器人。日本服务机器人技术的成果例举如下:日本发明出人形的个性机器人保姆“ar”(如图 3),不仅会洗衣,打扫卫生,还会收拾餐具等诸多家务杂活,它依靠车轮移动,共搭载有 5 台照相机以便确认家具的位置。在公开展示活动中, “ar”演示了打开洗衣机盖,将需要清洗的衣物放入洗衣机,用托盘端着餐具送到厨房和拖地等工作。由日本产业技术综合研究所智能系统研究部门仿人研究小组研制的美女机器人 HRP-4C(如图 4),以用户为中心的机器人开放架构(Centered Robot Open Architecture)开发而成,该架构采用产综研一直在研发的实时 Linux、机器人使用的“RT(Robot Technology)中间件” 、可进行机器人仿真的软件“OpenHRP3” 、语音识别技术以及产综研开发的人形机器人“HRP 系列”所采用的双足行走技术等。XXX11 图 3 机器人保姆 图 4 美女机器人 韩国 韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的 10 大“发动机”产业,他们已经把服务型机器人作为国家的一个新的经济增长点进行着重发展,对机器人技术给予了重点扶持,通过不断地努力,韩国近几年来也逐渐跻身研究机器人的世界潮流。韩国信息通信部官员表示,虽然韩国的机器人技术起步比美国、日本和欧洲的竞争者要晚,但是有望在未来 510 年内迎头赶上,韩国科学家成功研制出世界上最聪明的类人机器人“Android”(如图 5),它集众多前沿科技在一身,包括实时数据传输、音像和力觉感应器、高速处理器等,通过它身上装备的音像及力觉感应器可以探测前方物体的运动,能够识别说话声,然后向服务器发送数据,服务器将数据处理后会下达指令给机器人,帮助它与人类以及周围环境进行互动。“夏娃机器人 2 号”(如图 6)是韩国科学家最新研制的一款娱乐型机器人,这位“女性”机器人不仅能和观众进行对话,还能和人进行眼神接触,并会表达各种情绪和唱歌,唱歌时能对上口形和随着歌曲扭动手臂、臀部和膝盖。 图 5 机器人 Android 图 6 夏娃机器人 2 号 美国 美国是机器人的发源地,尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究,忽视应用开发研究的曲折道路,但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位 ,其技术全面、先进,适应性也很强。例如:专治中风的机器人医生(如图 7)将在密歇根州圣约瑟夫默西奥克兰医院率先上岗,XXX12这种机器人头部是一个显示屏,能显示网络另一端医生的形象和声音,显示屏上方安装了一个摄像头,可以把医院现场的图像和声音传回给医生,有了这种机器人,医生在任何地方只要利用一台笔记本电脑和互联网,就可以远程遥控机器人为病人提供治疗服务。 美国军方为战争中下半身受伤而不能行走的士兵设计出了一款新型助残机器人(如图 8),它可以直接将用户的下半身紧紧围拢起来,以便更好的感知用户臀部或其他位置的运动,从而提供更加灵敏的操控。 图 7 机器人医生 图 8 助残机器人 欧洲 德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的,因为战争,导致劳动力短缺,以及国民技术水平高,都是实现使用机器人的有利条件。到了70 年代中后期,政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路,即对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动,这个计划推动了服务机器人技术的发展。德国经过近十年的努力,其服务机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位:新一代机器人保姆 Care-O-Bot3(如图9)遍布全身的不计其数的传感器、立体彩色照相机、激光扫描仪和三维立体摄像头,让它既能识别生活用品也能避免误伤主人;它还具有声控或手势控制有自我学习能力,还能听懂语音命令和看懂手势命令。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列,而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平,这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术,大力支持服务机器人研究计划,并且建立起一个完整的科学技术体系,特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。这款名为 NAO 的两台双足智能机器人(如图 10),是法国阿德巴兰机器人公司研制的,它具有讨人喜欢的外形、温柔的语音和 25 个灵活的关节,能执行多种动作指令。XXX13 图 9 机器人 Robot Care-O-Bot3 图 10 Robot NAO从 70 年代末开始,英国政府推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施,如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等,使英国机器人开始了在生产和服务领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。譬如:英国机器人研究公司(RM)开发的霹雳舞机器人 MechRC(如图 11)既能在课堂上大显身手,会帮助孩子们学数学、几何、物理、设计和工程学,又能跳舞,因为这个机器人身上有着多个灵活的关节,通过计算机设定好的程序,就能做出各种人类的舞蹈动作。俄罗斯由于没有国家发展服务机器人的统一规划,有限的国家订货和市场需求使得俄罗斯机器人技术的发展以科研和实验为主,以储备技术,便于随时根据市场需要制造出高质量的机器人,当前俄罗斯机器人的技术面临的问题是机器人技术的智能化程度较低,需要不断地增加功能、完善技术和提高质量。今后,俄罗斯将重点发展检查类机器人和室内外清扫和清洁机器人 8。近几年来,俄罗斯服务机器人技术上也取得可喜的成绩:俄罗斯首次研制的人形机器人 “阿涅亚”利用了“新纪元”公司许多独特的研究(如图 12) ,这款机器人机械结构和程序保障系统十分先进,它们能用双脚行走,能与人对话。 图 11 霹雳舞机器人 图 12 阿涅亚机器人XXX141.31.3 本项目的主要设计内容与主要设计指标本项目的主要设计内容与主要设计指标.1 课程设计内容课程设计内容1.检索和阅读相关文献,撰写手摇差速器式爬楼机技术现状综述报告;2.电动爬楼机方案设计与论证(含主要结构件强度刚度分析) ;3.建立与方案对应的电动爬楼机的三维结构图并生成二维工程图纸。4.撰写方案论证报告和毕业论文。.2 课程设计指标课程设计指标1.电动爬楼机设计技术指标: 安全工作载重:140kg 整机重量:33.4kg 最大台阶高度:210|225mm(加长)11 攀爬速度:8-32 级台阶/min,可无级调速 攀爬级数(充电一次,负载 75kg):约 25 层楼(即 375 级台阶) 宽度:485|440mm(不包含扶手) 长度:915|730mm(折叠搁脚板后) 高度:1090|1440mm2.毕业设计最终提交设计资料(文档):(1)文献翻译 1 份,40000 以上(翻译“Control System Engineering”p1-7)(2)开题报告 1 份;(3)方案论证报告 1 份,三维设计图和二维工程图纸各 1 套;(4)毕业设计论文 1 份。1.41.4 设计进度安排设计进度安排2014 年 10 月 20 日2013 年 11 月 9 日(3 周):选择题目,收集材料; 2014 年 11 月 10 日2013 年 12 月 7 日(4 周):布置任务,明确目标、计XXX15划; 2014 年 12 月 8 日2015 年 1 月 4 日(4 周):试验环境搭建,关键技术试验,应用原型构造; 2015 年 1 月 5 日2015 年 2 月 5 日(4 周):方案研究,系统分析、设计; 2015 年 2 月 6 日2015 年 3 月 11 日(5 周):继续前期工作,准备毕业设计中期院内检查; 2015 年 3 月 12 日2015 年 4 月 1 日(3 周):后期完善调整,系统完整实现; 2015 年 4 月 2 日2015 年 4 月 15 日(2 周):指导老师验收成果,毕业论文写作; 2015 年 4 月 16 日2015 年 5 月 31 日(2 周):毕业论文预提交、修改、评阅、答辩。第二章第二章 手动差速器爬楼机装置机械系统结构设计手动差速器爬楼机装置机械系统结构设计2.12.1 爬楼执行机构的类型比较爬楼执行机构的类型比较 (a)单组轮式 (b) 双组轮式图 1 组轮式爬楼轮椅( 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。爬楼梯装置按照所使用的轮组对数可分为单轮组式 (图 1a)和双轮组式 (图 1b)。轮组式爬楼装置与其他构型的装置相比, 质量轻便, 运动灵活, 在无障碍环境下具有较XXX16好的行动性能。但是上下楼梯时该类型装置重心起伏较大, 会使乘坐者感到不适, 因此需要设计一种自适应座椅调平机构。 图 2 履带式爬楼轮椅( 2)履带式履带型机构的爬楼梯轮椅应用较多, 它采用比星型轮机构更为连续的行走方式传动效率比较高。在上下楼梯过程中, 轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动的, 其重心的波动很小,运动非常平稳。图 2 为某履带式爬楼梯轮椅。但履带式爬楼梯轮椅最大不足是平地行走时阻力较大, 运动不灵活, 在爬楼梯时履带容易损坏楼梯沿。 图 3 多足式爬楼轮椅( 3)多足式多足式爬楼梯轮椅的主要特点是具有两套或两套以上支承装置多套支承装置交XXX17替支承, 以实现上下楼梯的功能。这种机构的爬楼梯过程类似于人上下楼梯的过程, 也有人称之为步行式爬楼梯轮椅, 如图 3。早期的爬楼梯轮椅多采用这种方式,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, 先由其中一套支承装置支承, 抬高轮椅及另一套支承系统, 再水平向前移动, 上一级台阶。然后, 由另一套支承装置支承, 将前面那套支承装置收回, 如此循环, 直到爬完整段楼梯为止, 其爬楼梯过程不连续。此种类型的爬楼梯轮椅运动相对比较平稳, 但是对控制的要求比较高, 操作比较复杂。在以上爬楼机构中, 由于轮组式爬楼梯轮椅可以兼顾平地行驶和爬楼梯, 而且结构紧凑, 体积小巧, 效率较高, 操作相当简单, 是比较理想的爬楼梯机构。结合我国国情和轮椅使用者的经济承受能力, 在分析现有爬楼梯机构优缺点的基础上, 设计了一种基于轮组机构的爬楼梯轮椅, 既可满足爬楼梯功能, 又安全可靠, 操作方便, 通用性好而且价格适中的可爬楼梯轮椅。2.22.2 设计思路简介设计思路简介.1 总体思路简介总体思路简介本次毕业设计查阅了很多文献资料,国内没有成熟的产品。结合自己的想象与老师的指导,查阅大量有关内容和大学所学的相关知识,设计出了手动差速器,变速爬楼机。众所周知,一个爬楼机应该分为机械传动、机械结构、 动力装置。对于机械结构主要包括底盘、行星轮机构、座椅挑平机构、制动机构。而手动爬楼机是要靠人力驱动,人们可以自己调节爬楼速度。所以,手动差速器爬楼机不仅仅是针对老年人的,他同样适用于那些上身健全,但双腿不方便的青壮年人士。.2 减速器设计思路简介减速器设计思路简介我们知道在手动差速器爬楼机中最重要的就是在座位之下的变速机构。在日常生活中,我们经常能看到不同的变速机构,如图 1 这是汽车变速器.XXX18 图 1 汽车变速器工作原理简图简图,而图 2 则是汽车变速器实体图。当然,作为轮椅来说并不需要如此 图 2 汽车变速器实体图复杂的变速装置,用三档或二档变速器完全可以满足人们的需求。例如图3 就是一个三档变速器的模型图。图 4 为三档变速器工作原理图。XXX19 图 3 三档变速器模型图图 4 二档变速器原理图基于这种简易二档变速器的原理,这是本次设计的机械传动机构的初步构想。.3 动力机构简介动力机构简介XXX20 图 1 手动差速器爬楼机动力机构如图 1,动力机构由两个驱动桥组成, 前后桥各有一套传动系统, 由减速器、 差速器和左右轮系组成。轮椅采用全驱形式, 以保证爬楼梯时通过足够的翻转力矩。.4 行驶机构简介行驶机构简介图 2 星型轮传动简介行驶机构采用轮组结构。轮组结构一般由二个以上的小轮组成。小轮数为 2 时, 结构最简单, 但爬楼时轮架所需的翻转力矩最大, 轮组支架中心的起伏也最大。随着小轮个数的增加, 轮组支架所需的翻转力矩减小, 组轮架中心的XXX21起伏减小, 但结构也随之复杂, 本设计选用由三个小轮构成的轮组结构, 即星型轮结构。图 2 为星型轮机构传动简图。其工作过程为: 动力输入端带动中心链轮 5 转动, 中心链轮通过链条 3 带动小轮链轮 2 转动, 从而实现 3 个车轮的转动。平地行驶时, 轮系为定轴轮系, 任意两个小轮着地, 实现前行; 遇到障碍或楼梯时, 利用一个离合器将支架 4 与动力输入轴连成一个整体, 定轴轮系演变为行星轮系, 带动支架翻转, 从而实现越障和爬楼梯。.5 座椅挑平机构简介座椅挑平机构简介 图 3 滚道滑轨式座椅挑平机构原理图在上下楼时爬楼梯轮椅整体是倾斜的, 坐在倾斜的轮椅会使乘坐者感到不适。为了克服这一弊端和轮椅爬楼过程中重心的起伏, 本次设计借鉴了合肥工业大学设计了一种滚道滑轨式的座椅调平机构如图 3。其主要由圆弧形轨道及滚轴组成。滑轨焊接在底架上, 滚轴通过螺纹连接固定在座椅底部的支架上, 其轴端安装有轴承可以在滑轨里滑动, 从而实现座椅的调平。.6 制动机构简介制动机构简介为了保证爬楼过程的安全性, 必须保证良好的制动性。制动机构分为刹车和防上下滑动两部分, 当人在上下楼梯时,为保证安全必须设置一些装置以保证车不上下打滑移动。XXX22第三章第三章 手动差速器爬楼机装置具体机械系统结手动差速器爬楼机装置具体机械系统结构设计构设计3.13.1 爬楼驱动方案简介爬楼驱动方案简介.1 电动式爬楼机驱动方案简介电动式爬楼机驱动方案简介众所周知,在日常生活中,爬楼机多为电动式驱动。所以在这里,我先简单介绍一下几种电驱动方案,来和本设计进行比较。(1) 双星行星轮驱动方案设计方案原理为了使设计的轮椅能具有适宜不平路面和爬楼梯功能,并要求其安全平稳性,本方案利用 4 轮自调整适应凹凸不平地面的原理来提高轮椅的平稳性;采用行星差动轮系结构实现爬楼梯功能;利用电磁制动(断电刹车)保证了其安XXX23全性;采用位置开关+姿态调整电机,对轮椅上下楼时进行倾斜自动调整控制,确保轮椅爬楼过程的安全性,其结构原理如图 1 所示。图 1 双星行星轮驱动爬楼梯轮椅简图图 1 所示双星行星轮驱动轮椅,其主要驱动电动机与光电码盘组成半闭环速度负反馈系统,实现速度控制,在上楼、下楼时实现控制行星轮的翻转速度可减小或消除整个上楼及下楼过程中的冲击。通过倾斜仪控制轮椅上楼、下楼还是禁止,乘坐者在上下楼时可实时且任意控制轮椅运动状态。姿态调整电动机与测斜仪构成位置闭环负反馈系统,可以调整座椅姿态,控制整个轮椅的重心位置既起到安全保护作用,也可以满足不同人的舒适性要求;并在上楼和下楼完成后将轮椅由危险位置调整到安全位置。设计方案受力分析XXX24图 2 行星轮驱动受力分析图 如图 2 行星轮驱动受力分析图所示进行受力分析。 由周转轮系传动比 W1/Wh=1-1/2=0.5,取行星轮效率为 90%,则有: T1W1=ThWh.Th=0.45T1轮椅整体列平衡方程: N1+N2+F3=G N3=F1+F2 F1=fN1 F2=fN2 F3=fN3对其去矩,FR-N1R+F2-N2(L+R)+G(L/2+R-Hsin)因为随着轮椅重心的逆时针转动和太阳轮输出力矩的逐渐增大,后轮与地面脱离接触。考虑到齿轮的受力,如果认为地使 变大,会使 T1 减小甚至出现负值。但是使机构平衡的力矩会随着 T1 的减小而变大。从图 1 双星行星轮驱动爬楼梯轮椅简图和图 2 行星轮驱动受力分析图可以看出;该爬楼梯机具有整体结构小巧、转动灵活等特点,在平地行走或跨越一般障碍以及较为规范的楼梯是可行的;但是对一些非规范的楼梯(台阶高度、水平尺寸)爬行存在着问题,另外该爬楼梯轮椅对楼梯地面摩擦系数有一定要求。(2)水平垂直交错步行式驱动方案设计方案原理XXX25图 3 水平垂直交错步行式驱动爬楼梯轮椅简图 如图 3 所示,本方案讲爬楼梯动作分解为水平动作和垂直动作,通过对两台电动控制来完成轮椅水平运动和垂直运动,实现整个轮椅上下楼梯的功能。 如图 3 所示,为了实现升降运动平稳,采用两套剪式高空作业平台中的水平垂直交错步行式机构作为升降运动的主要结构。电动机推拉推杆水平运动,带动交错步行式机构运动,实现轮椅竖直方向上运动。电动机是直线往复减速机,本身就带有齿条,运行时尺杆做直线运动,且速度较高,省去了其他零件的组装。电动机上还附有制动装置,制动装置 和电动机的主电源分开控制,制动装置的电源断开时,可以实现制动,可防止电动机停止时减式机构受较大重力而向下运动。上板通过两侧各两个滚子和导轨相连,电动机固定在导轨上。当电动机工作时,底板沿着导轨向前运动实现了上板的水平运动。水平运动时,支架和地面的摩擦力远大于滚子和导轨之间的摩擦力,可保证支架固定。 设计方案受力分析XXX26 图 4 水平垂直交错步行式机构受力分析图 如图 4 水平垂直交错步行式机构受力分析图所示进行受力分析。为了方便电动机的布置以及获得水平垂直交错步行式机构比较优良的运动特性,即 B 产生较小的位移,可将 O 点抬升较大高度,同时将普通轮椅的深度按比例缩小。压力角和传动角要选择合适,才能保证传动机构中间跨过一级台阶。压力角和传动角要选择合适,才能保证传动机构有较好的传力性能。 从图 3 水平垂直交错步行式驱动爬楼梯轮椅简图,和图 4 水平垂直交错步行式机构受力分析图可以看出:该爬楼梯轮椅稳定性好,能适用于不同的楼梯结构,但是由于该驱动采用水平垂直交错步行式驱动方式,对驱动电动机功率要求较大,即驱动电机、电池都较大,以致整体轮椅较重。3.23.2 手动差速器爬楼机驱动方案设计手动差速器爬楼机驱动方案设计.1 本课题设计原理与受力分析本课题设计原理与受力分析设计方案基本原理XXX27 对比了上面两个非手动差速器驱动方案之后,我们不难发现:滚轮驱动方案具有灵活、结构小巧等特点,但是其稳定性差;步行式驱动方式具有稳定性好,但结构往往较大。综合前面两个方案,行驶机构采用前文提到的轮组结构。驱动机构将滚轮式驱动与步行式驱动相结合的形式“行星滚轮转换步行式驱动方案”,其结构如图 1 所示。图 1 行星滚轮转换步行式驱动方案简图由图一可以看出,该设计方案主要由一下几个部分组成:车身、机械传动机构、差速器机构、座椅调平机构。机械转动机构主要由车轮、四连杆机构、齿轮和齿条组成,装置底部安装两组车轮,前后各一组。装置的爬楼功能通过与前后两组轮相连的四连杆机构而实现,前面一组是主驱动轮,在平地无障碍的情况下,用主驱动轮可实现装置的平地运动功能,类似于普通电动轮椅;后面一组是爬楼辅助轮,在遇到楼梯、台阶等障碍时,可通过这组车轮中间处的齿条带动齿轮旋转,齿条的支撑板与台阶面接触,驱动轴以车轮中心为圆心旋转,带动车身的运动来跨越障碍。前后两组车轮具有独立的差速器控制机构系统。所设计的前、后轮配合机械结构设计装置中,使用齿轮与齿条的啮合,带动轮子的反转,最终完成爬楼功能。(2)设计方案受力分析由图 1 所示,爬楼梯轮椅采用的是星轮行星轮转换式方案。驱动后置。其基本原理为:平地行走时,后三角轮两轮着地,驱动行星齿轮系的中心齿轮便XXX28可以前进;爬楼时,利用一个离合器锁紧机构将行星齿轮系锁住,驱动中心齿轮便会使三角轮整体翻转逐级爬上楼梯,如图 2 所示。图 2 行星滚轮转换步行式驱动不打滑条件受力图星轮行星轮转换式结构是具有 3 个行星齿轮的行星齿轮系,在中心齿轮外依次均布三惰轮和三行星轮,左右两半箱体相连接作为转臂,由此构成具有 3个行星齿轮的行星齿轮系。箱体中心固定有齿式离合器固定端,齿式离合器活动端与中心轴通过华健滑动链接。当齿式离合器活动端与固定端分离时,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 3 个车轮旋转,便可以在地上行走。当拨动齿式离合器活动端使其与齿式离合器固定端结合时,中心齿轮和箱体锁住,从而各齿轮均不自转而只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行星轮结构模式。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,此种结构模式可用于攀爬楼梯。设前后轮轴距为 l,人和车的重心与后轮轴距离为 xl.则 Ny=N1=xGXXX29 N1=(1-x)G Nx=N1tan30能爬上楼的条件是: (1-x)GxGtan30其中 =0.3;0.3(1-x)0.58x得: x0.34 因驱动轮为车体的主要重量,加之爬楼时车体向后倾斜,人的重心后移图 2 所示距后轮轴 0.34 倍的两轮轴距处。 .2 手动差速器爬楼机运动过程简要分析手动差速器爬楼机运动过程简要分析 (1)平地行驶 平地行驶时,行星轮任意两个小轮着地,其效率与普通轮式车辆相同。 (2)跃障轮椅直线行进时遇到一般障碍,当障碍物高度较小时,可利用小车轮尺寸优势直接通过;当前进的车轮碰上较高障碍而不能直接通过时,离合器结合,定轴轮系发生演变,带动支架翻转,越过障碍如图 1 所示。 XXX30 图 1 轮椅跃障过程 (3)跨沟 轮椅可以跨越一定宽度的壕沟,其跨沟原理与跃障相同,当行星轮不能通过小沟时,离合器接通带动支架翻转实现跨沟,如图 2 所示。 图 2 轮椅跨沟过程XXX31(4)爬楼梯 轮椅爬楼梯过程如图所示,平地时(图 3(a),任意两个小轮着地,离合器不分离,可以有效利用车轮附着质量,提高车轮通过性;当最前端的车轮遇到楼梯(或障碍物)时(图 3(b),前行星轮离合器开始,同时小轮自锁,带动前支架翻转(图 3(c)3(d)),轮椅开始爬楼;当后轮遇到楼梯时(或障碍物)时(图 3(e),后行星轮离合器开启带动后支架翻转开始爬楼(图 3(f)。爬楼过程座椅始终保持水平。 图 3 轮椅爬楼梯过程XXX32.3 手动差速器爬楼机运动过程具体分析手动差速器爬楼机运动过程具体分析 图 1 爬楼梯过程 如图 1 攀爬阶梯过程所示,当装置处于爬楼运动时,轮椅装置后轮一旦靠近台阶,差速器直接驱动与后四连杆机构相对应的后齿轮,使其与齿条慢慢啮合,则后轮离地面,此时整个车身由前轮和后齿条的支撑板来支撑着。当后轮在齿轮齿条的啮合运动下,接触到下一个台阶时,整个车身的重量就被转移到后轮和前轮上,小轮自锁,使其不能绕轮毂自由旋转。这样做的目的是防止在爬楼过程中,由于轮缘的转动,对爬楼过程造成影响。两后轮到位后,与其相连的齿条机构就回复初始状态等待下一次爬步;当轮椅装置前轮靠近台阶时,差速器就直接驱动与前四杆机构相对应的前齿轮,使其与齿条慢慢啮合,则前轮离开地面,此时整个车身由后轮和前齿条的支撑板来支撑着。当前轮在齿轮齿条的啮合运动下,接触到台阶面时,整个车身的重量就被转移到前轮和后轮上,小轮自锁,使其不能绕轮毂自由旋转。至此,装置完成了向上一个台阶的运动,如此重复便可实现上楼梯的功能。下楼梯过程与上楼类似,在爬楼过程中,每个时刻都至少有三处着地,且受力对称。 正常行驶情况,轮并列在同一水平面,可由前轮驱动运行,此时制动装置不工作。装置向后移动碰到第一个台阶的前沿时,制动装置启动,差速器通过齿条带动齿条旋转,齿条支撑板与台阶面接触,驱动轴以车轮中心为圆心旋转,带动车身向后移动,到达第一个台阶的台阶面上,而装置也完成了上台阶过程。装置的下楼过程与上楼过程正好相反。XXX33.4 手动差速器爬楼机性能设计手动差速器爬楼机性能设计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标准住宅设计规范(GB50096-1999)的规定:“住宅楼梯段净宽不应小于 1.10 米,6 层及 6 层以下住宅,一边没有栏杆的梯段净宽不应小于 1 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 16 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自转,也可以随着系杆一起绕中心轴公转。IBOT 驱动轮直径是 305mm,图 1 是 IOBO 的运动轨迹图,轨迹 图 1IBOT 运动轨迹图 图 2 本设计装置运动轨迹图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,星形轮每公转一周能翻越 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分成两步完成,驱动XXX34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。.5 手动差速器爬楼机平地运动结构设计手动差速器爬楼机平地运动结构设计装置在平地无障碍情况下运动时类似于普通的电动轮椅。传统的电动轮椅普遍采用后轮的进行方向及时自动调整以使其与后驱动轮保持一致。这种设计方法存在一个不足之处;由于在这种情况下,前轮肩负转向转的功能,驱动力作用于后轮,在改变车体的运动状态时,如静止到启动,或者行进方向发生变化情况下,前万向轮不能立即切换方向,必须有一段自我调节时间,这样会造成车头摇摆、晃动,影响使用安全性。本装置采用前轮驱动方式设计,即驱动力作用于前轮,后轮为从动轮,在前轮的作用下被动前进。由此,前轮既是驱动轮又是转向轮,转向时的行进方向便容易控制,转向性能得到改善,不容易出现过度转向的现象,使用安全性得到了提高。3.33.3 本章小结本章小结 本章首先给出了三种行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯装置的方案设计,在分析比较后,最终确立了一种装置系统,重点介绍了次爬楼机构的组成与构造;然后对爬楼的机理和过程进行了详细说明,并针对爬楼性能进行分析设计;最后根据装置性能要求对平地运行结构进行分析。 通过本章,可以了解星形轮结构的设计使轮椅可以有效适应多变的路面环境,特别是具有爬楼梯的功能,极大增加了使用者的活动范围;座椅调平机构的应用,可以显著减少因上下楼梯轮椅重心起伏使用者产生的不适。该轮椅轻巧灵活,安全稳定,操纵方便,可以为轮椅使用者解决因普通轮椅不能爬楼梯的困扰,具有很多的应用前进和使用价值。XXX35第四章第四章 爬楼机差速器具体结构设计爬楼机差速器具体结构设计4.14.1 差速器内部主要零件设计与校核差速器内部主要零件设计与校核.1 齿轮设计与校核齿轮设计与校核由于本设计涉及到 3 级差速器,所以此处的齿轮校核只校核一对齿轮。又由于差速器是人手来操纵,所以此处校核方可使用一个小型电动机所产生的转速和功率来校核,因为即使是一个成年人的手臂也不可能达到和电动机一样的工作频率,所以若能满足电动机的设计与校核,则必能满足人的手臂的工作要求。本文取输入轴功率为 5.28kw,转速为 320r/min.(1)小齿轮 45 号刚调质 硬度 197-286Hbs Hcm1=580Mpa Fe1=440Mpa 大齿轮 45 号刚正火 硬度 156-217Hbs Hcm2=380Mpa Fe2=440Mpa 由表 11-5(机设计基础中的表,之后不再熬述)SH=1.0 SF=1.25 【H1】=Hlim1/SH=580/1=580Mpa 【H2】=Hlim2/SH=380/1=380Mpa 【F1】=Fe1/SF=440/1.25=352Mpa 【F2】=Fe2/SF=310/1.25=248Mpa (2) 设齿轮按 8 级进度制造取 K=1,齿宽系数 d=1 小齿轮上转矩 T1=9.55*106*5.28/320=1.58*105 d184mm ,Z1=30 Z2=4.46*30134 故实际传动比 i=134/30=4.47 模数 m=d1/z1=84/30=2.8mm 齿宽 b=d*d1=1*84=84mm 取 b1=90mm b2=90mm 安表 4-1 取 m=3,实际的 d1=z*m=30*3=90mm d2=134*3=402mm 中心距 a=(d1+d2)/2=(90+402)/2=246mmXXX36(3)验算齿轮弯曲强度 查图 11-8 得 Yfa1 =2.6 查图 11-9 得 Ysa1=1.63 Yfa2=2.22 Ysa2=1.81 F1=2KT1YFa1Ysa1/bm2z1=58Mpa【F1】=352Mpa F2=F1 YFa2Ysa2/ YFa1Ysa1=55Mpa【F2】=248Mpa (4)齿轮的圆周速度 V=d1n1/60*1000=1.51m/s 对照表 11-2 选 8 级精度是合适的。 (5)齿轮的具体数据确定 齿顶高 ha=ha*m=3*1=2mm 齿根高 hf=(ha*+c*)m=(1+0.25)*3.75mm 全齿高 h=ha+hf=2+3.75=5.75mm 顶隙 c=c*mn=0.25*3=0.75mm 齿顶圆直径 小齿轮 da1=d1+2ha=90+2*2=94mm 大齿轮 da2=d2+2ha=402+2*2=406mm 齿根圆直径 小齿轮 df1=d1-2hf=90-2*3.75=82.5mm 大齿轮 df2=d2-2hf=406-2*3.75=398.5mm.2 低速轴的设计与轴承的选型低速轴的设计与轴承的选型 (1)选用 45 刚调质 查表 14-2 强度极限 b=650Mpa (2)确定轴输出直径 查表 14-2 得 c=110 则低速轴直径 d2=44.8mm 考虑到键槽,将其直径增大 5%,d2=44.8*(1+5%)=47.04,取d2=50mmXXX37 同理得高速轴直径 d1=32mm 此段轴的直径和长度与联轴器相符,选取 YL11 型联轴器,其轴孔直径为 50mm,和轴配合部分长度为 84mm,取输出直径为 50mm(3)确定各轴端直径与长度 如图 1 所示为低速轴 图 1 低速轴 段:外伸直径 d1=50mm,其长度应比联轴器轴孔长度稍短一些,取 L1=80mm 段:轴肩 h=0.07d=3.5mm 宽 b1.4h=4.7mm (4)d2=d1+2h=57mm 查手册初选 N2211E 型,取内径 55mm,宽度为 25mm(滚子轴承),考虑到齿轴端面和箱体内壁、轴承端面与箱体内壁应用一迪昂距离,取套筒长度 20mm.通过密封盖轴段长应根据密封盖的宽度,并考虑联轴器和箱体外壁有一定距离,取该段长为 55mm。安装齿轮段长度应比轮毂宽度小 2mm. 故段长度 L2=2+20+25+55=102mm (5)段:d3=60mm(取大于 55mm 且为标准值) L3=(85-2)=83mmXXX38 (6)段:d1=60+2*0.07*60=68.4mm 取 70mm 长度与右边套筒长度相同,即 L4=20mm 查手册 N2211 型安装尺寸 d=55mm D=100mm B=23mm d2=64mm (7)段:d5=d3=55mm 长为 25mm (8)校核:齿轮中心线在两轴承中心线上 L1=25+20+83+2+20=150mm L2=25/2+20+(83+2)/2=75mm 满足校核:L/2=150/2=75mm.3 低速轴的校核低速轴的校核 如图 1 为低速轴所受弯矩图 校核低速轴 T2=9.55*106p2/n2=9.55*106*5.22/71.7=6.68*105Nmm 圆周力 Ft=2T2/d2=2*6.68*105/402=3323N 径向力 Fr=Fttan=3323tan20=1209N (1)求垂直面的支承反力 F1r=FrL/2/L=1209*150/2/150=605N F2r=Fr-F1r=1209-604.5=605N (2)求水平面的支承反力 F1H=F2H=Ft/2=3323/2=1662N(3)F 力在支点产生的反力 F1F=FK/L=2300*107.5/150=1648N F2F=F+F1F=1648+2300=3048NXXX39 图 1 低速轴所受弯矩图(4)绘垂直面的弯矩图,如图 1(b) Mav=F2v*L/2=605*0.15/2=45Nm Mav=Mav=45Nm(5)绘水平面的弯矩图,如图 1(c) MaH=F1H*L/2=1662*0.15/2=125Nm(6)绘力产生的弯矩图,如图 1(d) M2F=FK=2300*0.107=247Nm MaF=F1F*L/2=1648*0.15/2=124NmXXX40 (7)绘合成弯矩图,如图 1(e) Ma=256Nm Ma=Ma=256 Nm M2=M2F=247 Nm (8)绘轴传递的弯矩图,如图 1(f) T=Ft*d/2=3323*0.402/2=668Nm (9)由图知大键截面处为危险截面 当量弯矩 Me=476 Nm (取折合系数 =0.6),如图 1(g) (10)计算危险截面的直径 轴材料选用 45 钢,由表 14-1 查的 B=650Mpa 由表 14-3 查的【-1b】=60Mpa d43mm考虑到键槽对轴的消弱,将 d 值加大 5%d=1.05*43=45mm 则设计符合校核。 .4 高速轴的设计与轴承的选型高速轴的设计与轴承的选型 (1)选用 45 钢调质,由表 14-1 硬度为 217-255Hbs 强度极限 B=650Mpa (2)确定带轮端的轴出端直径 由表 14-2 查 C 范围为 118-107,则取 C=110 d1=28.8mm 考虑有键槽,将其直径增大 5% ,d1=28.8*(1+5%) =30.24mm,取 d1=32mm 带轮宽度为(1.52.0)d1=(1.52.0)*32=4864mm,取为 60mm 轴端长度略大于 23mm,取 L1=58mm,如图 1 高速轴XXX41 图 1 高速轴 (3)d2=d1+2h=d1+2*0.07*32=36.5mm 取整 d2=37mm 经验取 l1=20mm ,查表取 l2=12mm,l3 为 0.15D,D 为轴承的径为 12mm (4)d3=d2+2h=37+2*0.07d1=32+2*0.07*37=42.18mm 取 43mm 滚子轴承 ,查表取 N2209 型,故 d3=45mm B=23mm D=85mm 取套筒为 20mm L3=23+20+4=47mm (5)d4为大于 d3且取标准直径,则 d4=50mm L4为小齿轮齿宽且小于其 2mm,故 L4=90-2=88mm (6)d5=d4+2h=50+0.07*2*50=57mm 取 60mm 经验取 L5=8mm (7)d6为 N2209 的安装尺寸,取为 d6=52mm 经验取 L6=12mm (8)d7=d3=43mm L7为轴承宽度为 23mm(其中有退刀槽为 2mm).5 高速轴的校核高速轴的校核 如图 1 为高速轴所受弯矩图XXX42 图 1 高速轴所受弯矩图 校核高速轴 T1=9.55*106p1/n1=9.55*106*5.28/320=1.58*105Nmm 圆周力 Ft=2T1/d1=2*1.58*105/90=3511N 径向力 Fr=Fttan=3511tan20=1277N(1)求垂直面的支承反力 F1r=FrL/2/L=1277/2=639N F2r=Fr-F1r=1277-638.5=639NXXX43 (2)求水平面的支承反力 F1H=F2H=Ft/2=3511/2=1756N(3)F 力在支点产生的反力 F1F=FK/L=1859*82.5/153=1002N F2F=F+F1F=1002+859=2861N(4)绘垂直面的弯矩图,如图 1(b) Mav=F2v*L/2=639*0.153/2=49Nm Mav=Mav=49Nm(5)绘水平面的弯矩图,如图 1(c) MaH=F1H*L/2=1756*0.153/2=134Nm(6)绘力产生的弯矩图,如图 1(d) M2F=FK=1760*0.0825=153Nm MaF=F1F*L/2=1002*0.153/2=77Nm (7)绘合成弯矩图,如图 1(e) Ma=220Nm Ma=Ma=220Nm M2=M2F=153 Nm (8)绘轴传递的弯矩图,如图 1(f) T=Ft*d/2=3511*0.090/2=158Nm(9)由图知大键截面处为危险截面 当量弯矩 Me=253 Nm (取折合系数 =0.6),如图 1(g) (10)计算危险截面的直径 轴材料选用 45 钢,由表 14-1 查的 B=650MpaXXX44 由表 14-3 查的【-1b】=60Mpa d35mm考虑到键槽对轴的消弱,将 d 值加大 5%d=1.05*35=37mm 则设计符合校核。.6 轴承的校核轴承的校核 假设极限条件:每日工作 24 小时,工作 5 年。 (1)高速轴承校核 两轴承径向载荷 P1=Fr1=1277N X=1 Y=0 Lh=(106/60n)(ffc/fpp)=(106/60*320)(1*71*103/1*1277)=8.9*106h L=24*5*365=42800h LhL 则校核复合 (2)低速轴承校核 两轴承径向载荷 P2=Fr2=1209N X=1 Y=0 Lh=(106/60n)(ffc/fpp)=(106/60*71.1)(1*94.8*103/1*1209)=1.1*108hL=24*5*365=42800h LhL 则校核复合.7 键的选择键的选择 (1)主动轴键选择 d=320mm 轴外伸 L=58mm 选择 10*8 GB/T1096-2003【圆头普通平键】XXX45 b=10mm h=8mm l 取 50mm(查手册) 选 45 号钢,共【p】=100Mpa p=4T/dhl=4*1.58*105/32*8*50=49.375【p】 符合校核 与齿轮连接处 L=88mm d=50mm 选择 16*10 GB/T1096-2003【圆头普通平键】 b=16mm h=10mm l 取 70mm(查手册) 选 45 号钢,共【p】=100Mpa p=4T/dhl=4*1.58*105/50*10*70=14.05【p】 符合校核 (2)从动轴键选择 d=50mm 轴外伸 L=80mm 选择 16*10 GB/T1096-2003【圆头普通平键】 b=16mm h=10mm l 取 70mm(查手册) 选 45 号钢,共【p】=100Mpa p=4T/dhl=4*6.68*105/50*10*70=76.3【p】 符合校核 与齿轮连接处 L=83mm d=60mm 选择 18*11 GB/T1096-2003【圆头普通平键】 b=18mm h=11mm l 取 70mm(查手册)选 45 号钢,共【p】=100Mpa p=4T/dhl=4*6.68*105/60*11*70=57.8【p】 符合校核.8 联轴器的选择联轴器的选择 l=80mm d=50mm T=668.02Nm 选择 YL11 型联轴器 查手册得 型号 公称转矩 许用转速(钢) 轴孔直径 轴孔长度(J 型) D D1 YL11 1000 5300 50 84 180 150 XXX464.24.2 差速器整体设计差速器整体设计.1 差速器原理差速器原理 图 1 二挡变速器如图一,输入轴(绿色)与手摇柄相连,轴和上面的齿轮是一个部件。轴和齿轮(红色)叫做中间轴。它们一起旋转。轴(绿色)旋转通过啮合的齿轮带动中间轴的旋转,这时,中间轴就可以传输人的手摇动发出的的动力了。轴(黄色)是一个花键轴,直接和驱动轴相连,来驱动轮椅。车轮转动会带着花键轴一起转动。齿轮(蓝色)在花键轴上自由转动。在手摇柄停止,但轮椅仍在运动中时,齿轮(蓝色)和中间轴都在静止状态,而花键轴依然随车轮转动。齿轮(蓝色)和花键轴是由套筒来连接的,套筒可以随着花键轴转动,同时也可以在花键轴上左右自由滑动来啮合齿轮(蓝色)。XXX47 图 2 挂进一档 挂进 1 档时
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本文标题:基于手动差速器的爬楼机设计含7张CAD图
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