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电动 爬楼机 方案设计 CAD

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电动爬楼机方案设计摘 要随着现代自然科学技术的飞速发展，爬楼装置的研究取得了丰硕的成果。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。因此在此背景下，通过参考三轮车的机构，并进行合理的改进，致力于研究出结构简单、效率高、驱动关节少、可以实用化的新型爬楼装置，将类三轮车的机构应用扩大至爬楼装置领域。在介绍爬楼装置的构型和行走原理的基础上。针对当前研究的爬楼装置缺点， 提出一种新型的爬楼装置以及一种类三轮车机构的总体结构设想方案，介绍了这种新型爬楼装置的构成，最后运用 UG 软件进行了三维建模。计算了装置运动所需的功率，然后确定了电机和电池的型号。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电动轮椅，我们通过在路面电动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。该电动轮椅的设计，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。关键词：爬楼机构；三维建模；设计IVABSTRACTWith the rapid development of science and technology of modern natural and bionic, climb building device research has achieved fruitful results. But they are mostly complex, expensive, far beyond the economic capacity of people in developing countries. Domestic research relatively late, although also gave birth to a lot of patents, but due to the limitation of size, weight, stability and security, also is not really be put into use products. So in this background, by reference to the tricycle, and carry on the improvement of the reasonable, dedicated to the study of simple structure, high efficiency, less joints, climb building can be practical new type of device, the application of the institutions of the class tricycle to device field.Walking on the stairs unit configuration and principle on the basis of. Climb building in view of the current research unit faults, and puts forward a new kind of stairs device and a type tricycle mechanism the overall structure of the projects, climb building this new device structure is presented in this paper, by using the software of UG three-dimensional modeling.To calculate the power needed for the device movement, and then the motor and battery model is determined.Based on the above factors to consider, we imagine can design a electric wheelchair can realize up and down the stairs, we through the road based on the design of the electric wheelchair to be modified, solve people up and down the stairs of the problem in your life.The design of the electric wheelchair, convenient peoples life.So the climb building electric wheelchair design, both from the aspects of practical application and theory research, is has the very high value.Key words:The stairs agencies;3 D modeling;design目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 引言11.2 爬楼梯装置的出现和发展11.2.1 什么是电动爬楼梯装置21.2.2 电动爬楼梯装置的分类21.3 电动爬楼梯装置参数41.3.1 电动爬楼梯装置主要技术指标41.3.2 电动爬楼梯装置结构设计的思路41.4 课题来源及主要研究内容51.4.1 课题来源51.4.2 论文主要研究内容5第二章 电动爬楼机构基本组成及设计62.1 引言62.2 电动爬楼梯装置“轮胎”设计62.3 传动装置设计72.4 转向装置设计102.5 铝合金结构框架设计102.6 刹车装置设计132.7 整个机构布局设计142.7.1 爬楼机构基本参数介绍142.7.2 人机工程学参考152.7.3 UG 介绍172.7.4 爬楼装置三维建模172.8 爬楼装置运动过程182.9 本章小结19第三章 动力系统设计213.1 引言213.2 驱动方式213.3 电机选型233.3.1 功率计算233.3.2 爬行机构驱动力矩计算243.4 爬楼装置速度控制设计273.5 爬楼装置电池选择283.5.1 电池介绍283.5.2 电池容量计算293.6 本章小结29第四章 爬楼装置强度校核及材料选择304.1 引言304.2 爬楼装置强度校核304.2.1 爬楼装置主框架强度校核304.2.2 爬楼装置前后支架强度校核304.3 爬楼装置材料选择324.3.1 各种材料特性介绍334.3.2 选择材料344.4 整个机构自重344.5 本章小结34第五章 结论与展望355.1 主要结论355.2 研究展望35参考文献37致 谢39 第一章 绪论1.1 引言当今时代，21 世纪的到来，人们日常生活水平不断提高，我国已进入人口老龄化社会，加之近年来灾难频发，老年人及残疾人上下楼不便的问题日益凸显， 自动爬楼梯轮椅正是这是这个问题的解决方案1，对提高老年人及残疾人士的生活质量有重要意义。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高楼居住的居民，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电动轮椅，我们通过在路面电动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。该电动轮椅的设计，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。1.2 爬楼梯装置的出现和发展机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，但是非结构环境给机器人的运动造成了自助决策和路径规划的困难。越障机器人的研究，对扩展机器人的作业空间，具有重要的意义。越障机器人可用于工业中的一些险难作业，不仅可以提高产品的质量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，提高劳动生产率，以及降低生产成本，有着十分重要的意义。针对各种不同的运动环境，移动机器人所采40用的运动方式大体包括轮式、履带式、足式等。1.2.1 什么是电动爬楼梯装置电动爬楼梯装置是以电池作为辅助能源，具有多个车轮或者其它机构，能实现电动爬楼梯、电动或电助动功能的特种机构。它虽然具有普通轮椅的外表特征， 但更主要的是，它是在普通轮椅的基础上，安装电动机、控制器、电池、转把、闸把等操纵部件和显示仪表系统的、机电一体化的个人交通工具。1.2.2 电动爬楼梯装置的分类总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。下面分别对以上三种装置的发展作简要介绍，并分析其各自的优缺点。（1） 履带式履带式爬楼梯装置的原理简单，技术也比较成熟。它能对路面的环境进行简单的判断，用智能化的方式采取下一步行动。履带式爬楼梯的机器人有属带设备与四轮设备两种运行方式，当它“触碰”到前面的路面，判断出环境为普通路面环境时，它就以四轮方式行进；如果它判出前面的路面为楼梯环境时，它将切换为履带行进的方式完成爬楼梯的过程。直到楼梯爬完，它再次判断路面换进，切换为四轮行进的方式。履带行进的方式能适合各种复杂的环境，它能在不规则的路面上进行，如果将这种智能机器人的原理改造成电动轮椅，那么这种行进方式能给乘坐在轮椅上的老年人或残疾人带来很多便利。然而这种智能机器人也有它的局限性，因为这种机器人需同时携带两套行进设备，所以它的体积大，重量大， 这种机器人设备不便于携带与安置。同时机器人使用履带行进时，不规则的环境会给履带设备造成一定的伤害，这加大了智能机器人维护的成本。图 1.1 履带式爬楼梯装置（2） 轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定； 而双轮式虽然能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的适用范围。轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高， 重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。图 1.2 轮组式爬行装置（3） 步行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，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳， 适合不同尺寸的楼梯；但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史，但是它们大多结构复杂、造价昂贵。国内的研究相对较晚，国内由于种种原因，没有集中人力、物力、财力投入到爬楼梯机器人的研究中，同时由于使用爬楼梯机器人需要较昂贵的成本，所以在日常生活中也未广泛投入使用。如果要让爬楼梯机器人在我国广泛使用，需要解决决爬楼梯机器人的成本问题与多功能使用两个方面的问题。1.3 电动爬楼梯装置参数1.3.1 电动爬楼梯装置主要技术指标p 安全工作载重：140kgp 整机重量：33.4kgp 最大台阶高度：210|225mm（加长）p 攀爬速度：8-32 级台阶/min，可无级调速p 攀爬级数（充电一次，负载 75kg）：约 25 层楼（即 375 级台阶）p 宽度：485|440mm（不包含扶手）p 长度：915|730mm（折叠搁脚板后）p 高度：1090|1440mm1.3.2 电动爬楼梯装置结构设计的思路本文所述的电动爬楼梯装置是一种类似电动三轮车的运动机构。它可以用常用电机驱动，并且这种连续的转动形式避免了大惯性力的产生，并且结构简单、技术成熟。由于这种电动爬楼梯装置相对于一般电动爬楼梯装置的这种优点，根据应用需求的不同，可以对电动爬楼梯装置的局部进行衍生设计。如将电动爬楼梯装置的传动机构由原先的链条传动改为蜗轮蜗杆传动，这样可以实现较大传动比，降低了电机输出扭矩的要求，同时又适应了爬楼速度低的要求。为了适应攀爬楼梯的需求，可以在轮胎的结构和大小上做些改动，用来适应楼梯不平整的障碍。相比其他电动爬楼梯装置，本文设计的这种电动爬楼梯装置有着很高的可靠性和技术承接性，这对于大规模实际应用有着很好的前景。图 1.1 爬楼装置功能规划1.4 课题来源及主要研究内容1.4.1 课题来源本课题依托于导师承接的工程类项目“电动爬楼梯装置”进行的。1.4.2 论文主要研究内容电动爬楼梯装置的结构设计是研究电动爬楼梯装置最为关键的因素之一。 本课题以基于三轮机构的电动爬楼梯装置机构为研究对象，深入研究了电动爬楼梯装置的运动过程。提出了自己的原创性设计。在此基础上，实现了机构的三维建模。为半转翼飞行机构的实际应用奠定了理论基础。根据上述研究内容，本文总共分为六章，安排如下：第一章 介绍了电动爬楼梯装置的国内外研究现状和电动爬楼梯装置的主要设计参数，说明了电动爬楼梯装置的设计思路。对本课题研究的意义、本文的主要研究内容进行了总结。第二章 通过对市面上现有的三轮车机构分析，提出了一种简约的并能实现爬楼梯功能的机构。并且详细设计、说明了其每个组成部分，阐述了所设计的爬楼梯机构的基本结构及其运动原理，并对半转机构进行了三维建模。第三章 对机构分别在平坦的路面和楼梯两种情况下，进行了功率的计算，并且计算了此机构电机的输出力矩。选择了一款适合的电机。简单介绍了此机构的速度控制方式。在最后对装置的电池进行了选型计算。第四章 对机构进行了强度校核和材料的选择，最后核算了整个装置的重量是否符合要求。第五章 总结了本文的研究成果，针对本文的研究不足之处，提出了今后需要完善并加以解决的地方。第二章 电动爬楼机构基本组成及设计2.1 引言电动爬楼梯装置因具有良好的应用前景逐渐成了当下研究热点。电动爬楼梯装置领域，本文设计了一个独特且实用的电动爬楼梯装置。本文主要对电动三轮车结构在爬楼梯装置应用领域进行了深入的研究，这种仿三轮车机构与上文描述的其它三种电动爬楼梯装置机构有着不同的运动规律和相似的功能。本章详细描述了所研究的电动爬楼梯装置及其结构，并基于运动相似性，在原先三轮车机构的基础上对必要的机构进行了设计、极大简化了机构，减轻了机构重量，为这种机构应用于爬楼梯提供了可能。2.2 电动爬楼梯装置“轮胎”设计经过人长期对爬行装置的设计、改进与创新，分析并制作了很多爬楼梯装置。这些爬楼梯装置的“爬行机构”可以分为两大类：履带式爬楼梯装置，行星轮式爬楼梯装置。履带式爬楼梯装置可以适应较为复杂的路面，运动平稳性很好，但是它对动力系统的要求很高，并且很笨重、价格昂贵。行星轮式爬楼梯装置结构较为简单，但是它对楼梯的大小尺寸要求较高，适应性较差。单从功能上看，本文设计的爬楼梯装置性能上具有明显的优势。要实现这些特定的爬楼梯动作，本机构完全可以胜任，同时结构上的特点注定这是一种轻便的装置。对于本文设计的三轮式爬楼梯装置来说，通过对材质的选择，还可以增加爬楼梯装置的爬行性能。因此在这里先对这种“轮胎”进行介绍。三轮式爬楼梯装置“轮胎”如图 2.1 所示：轮胎圆周外围分布着 12 个大小相同的钢片，在钢片的端点附近帖附着一层橡胶，用于增大摩擦力。其优点：机构简单可行，适应路面性强。缺点：容易产生较大的颠簸，但是可以通过降低爬行速度加以解决。图 2.1 三轮式爬楼装置“轮胎”由于楼梯的最大高度为 0.225m，这里取“轮胎”外圆最大直径为 0.4m，内圆直径为 0.3m。如图 2.2 所示2.3 传动装置设计图 2.2 爬楼装置“轮胎”尺寸示意图在本爬楼装置中，发现其运动特点上有别于真正三轮车的运动，爬楼装置不需要很高的速度，同时又需要很大的扭矩用于驱动装置前进，若用常用电机驱动， 就必须使用与常用电机相适应的传动形式，以达到低速、大扭矩的特点。也就是说要使用降速、增扭矩的传动装置。所以本文使用蜗轮蜗杆传动如图 2.3 所示。一、涡轮蜗杆传动的优点：(1) 单级速比大：圆住齿轮传动和圆锥齿轮传动的单级速比一般最大为 1/10 左右，而速比1/70-1/100 的祸轮蜗杆传动是容易制选的。因而蜗轮蜗杆传动减速器可以用较小的外形尺寸达到大的速比。(2) 运转式噪音低、振动小:圆往齿轮和圆锥齿轮在心合时，主要是滚动接触，而蜗轮主要是滑动接触， 因此产生噪音和振动的因素少。为此，驱动电动扶梯、电梯、移动人行道以及近年来防止公害的机器，都喜欢使用蜗轮蜗杆减速器。(3) 用蜗轮蜗杆减速器轴可以垂直布置而互不相交:蜗杆轴和蜗轮轴的布置，有时可做到既能节约原动机和从动机的安装面积而又方便和合理。(4) 可以防止逆转：蜗杆导程角小于摩擦角时，理论上不能山蜗轮驱动蜗杆，一也就是说可以设计自锁的蜗杆传动装置。但是，实际上齿面摩擦系数因振动等原因由静摩擦系数变成动摩擦系数，因此有时会缓慢地转动，要达到完全自锁是困难的。但是这特点对于爬楼梯装置来说是很好的。二 涡轮蜗杆传动的缺点：(1) 效率低：蜗轮蜗杆传动和其它形式的 N 轮传动比较，在传递动力时齿面摩擦损失大， 效率低。目前，由于制造方法改善，可以达到接近理论值的效率，有些蜗轮蜗杆传动在速比为 1/5,蜗杆转速为 180。转/分的情况下，效率达到 98%。但中心距相同， 若速比为 1/70,蜗杆转速为 200 转/分时，效率约 60%.(2) 容易产生齿面粘附：渐开线齿形圆柱齿轮，若齿面承受载荷，由于各部分的变形，轮齿接触状态向好的方面变化，而蜗轮蜗杆传动的轮齿接触状态是向坏的方面变化，也就是说向齿面油膜破裂的方向变形，容易产生齿面粘附。因此，应该估计到变形量调整组装时的轮齿接触状态和轴承间隙。还必须尽量小心谨慎地进行跑合运转。(3) 成本高蜗轮蜗杆传动采用铜合金材料，由于一般投有专用切齿机床，切齿加工效率低，而且用手工进行齿面修整很费工时，.由于上述各种理由，蜗轮蜗杆传动被认为是成本高的传动装置。但是，若适当地选用标准化产品，也逐渐可以达到良好的综合经济效益。图 2.3 爬楼装置传动装置示意图图 2.4 爬楼装置带传动示意图图 2.5 爬楼装置齿轮传动示意图图 2.6 涡轮三维示意图图 2.7 涡杆三维示意图2.4 转向装置设计在本爬楼装置中，所用的转向装置不同于真正三轮车的转向装置，如图 2.8 所示，这种转向装置不同与轴承式转向装置，其易于加工制造和组装。2.5 铝合金结构框架设计图 2.8 爬楼装置转向示意图为了保证爬楼机构在运动时，楼梯不会触碰“轮胎”之间的框架造成损伤。本文有必要对其结构进行分析，初步定楼梯倾斜角度为 45 度。我们将爬楼机构简化为一个如图 2.9，2.10 所示的连杆机构。图 2.9 爬楼机构完全在楼梯斜面时的简化示意图（1） 当爬楼装置完全在楼梯斜面时： D/2=0.4/2=0.2mH= 0.225sin 45 = 0.159m由于 D/2 大于 H，楼梯台阶尖端不会超过轮胎上端 AB 连线，所以楼梯台阶尖端不会触碰到框架结构。（2） 当爬楼装置不完全在楼梯斜面时：将爬楼梯机构爬楼梯时的状态简化后，如图 2.9 所示图 2.10 爬楼机构不完全在楼梯斜面时的简化示意图由正玄定理得：a=sinab=sin bcsin c其中：取a = L = 0.73ma= 1350式中a 两轮之间距离b 后轮距楼梯顶端的距离c 前轮距楼梯顶端的距离a楼梯顶端夹角DABC 面积 S= b c sina2同时a+ b+ c = 1800 即b+ c = 450得： S = sin bsin c sina a 2sin 2 a2即b= c = 22.50 时 S 最大求楼梯尖端触碰爬楼装置框架的最可能位置，即求 H 最大处。又S = 1 H a ，即 H2在DADC 中：aMAX= 2SmaxaH maxsin c得 H= 2 sina2= 0.15m 小于 D ,所以不会干涉max2根据前面计算所得，在考虑不干涉前轮转弯、后轮，并且符合装置自重的情况下，本文设计的主框架结构如图 2.11 所示，这种框架结构不仅简单，减轻了机构的自重，而且还有利于加工制造，节省了成本。图 2.11 爬楼装置主框架结构2.6 刹车装置设计图 2.12 爬楼装置主框架结构局部特写前文介绍了爬楼装置的传动机构，由于蜗轮蜗杆具有一定的反向自锁功能， 这一特质有利于装置防止倒溜，保证了人身安全。对于其刹车装置，本文直接采用三轮车所用的刹车装置，这种装置简单、可靠。并且采购方便、便宜。其刹车装置如图 2.13 所示。图 2.13 爬楼装置刹车装置2.7 整个机构布局设计2.7.1 爬楼机构基本参数介绍a. 整车整备质量：包括动力蓄电池，不包括乘员或装载质量，随车工具，车载充电器。b. 功率：指物体在单位时间内所做的功。功率越大转速越高，自行车的最高速度也越高，常用最大功率来描述自行车的动力性能。最大功率一般用马力或千瓦来表示，1 马力等于 0.735 千瓦。c. 扭矩：扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是指从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发电机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了自行车在一定范围内的负载能力。d. 最大总质量（kg）：自行车满载时的总质量。最大装载质量（kg）：自行车在道路上行驶时的最大装载质量。e. 轴距（mm）：通过车辆两车轮的中心，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间的距离。简单的说，就是自行车前轴到后轴的距离。轮距（mm）：车的左右轮胎面中心线间的距离。2.7.2 人机工程学参考（1） 人体常用参数表 2.1 男性主要尺寸身高（mm）1543158316041677175417751817坐高（mm）836858870908947958979臀宽（mm）284295300321347355369前臂长（mm）206216220237253258268大腿长（mm）413428436465496505523小腿长（mm）324338344369396403419表 2.2 女性主要尺寸身高（mm）1449148315041570164016591697坐高（mm）789809819855891901920臀宽（mm）295310318344374382400前臂长（mm）185193198213229234242大腿长（mm）387402410438467476494小腿长（mm）300313319344370376390（2） 坐垫和座椅尺寸选择所以脚垫的位置及座椅的长度以男性 175cm 标准进行选择： 座椅的尺寸、脚垫的尺寸如图2.14、2.15所示图 2.14 座椅尺寸示意图图 2.15 脚垫尺寸示意图2.7.3 UG 介绍Unigraphics Solutions(UGS)是全世界享誉盛名的 MCAD 供应商，主要通过其虚拟产品开发（VPD）为汽车、航空、航天、造船、通用机械以及电子工业等领域提供多极化的、集成的、包括软件产品与服务在内的完整 MCAD 解决方案37。UG 是面向 CAD/CAE/CAM 的高端设计软件，是目前最先进的、最流行的、最便捷的设计软件之一。该软件不但拥有十分强大的实体造型、曲面造型和虚拟装配等功能，还可以在设计过程当中进行有限元计算、动力学分析和仿真模拟，提高并检查设计的可靠性。同时它还可以直接生成数控代码，应用于产品加工。具体来说 UG 软件具有以下特点22：（1） 它具有简洁方便的用户界面，大部分操作可以通过鼠标直接完成；在进行每一步操作时，都有相应的提示信息。便于用户正确完成每一步操作。（2） 引入了复合建模的理念，将各类建模思想融为一体，其中包括实体建模、曲面建模和线框建模等建模思想。（3） 专门的 OEM 供应商程序，提供了最大限度的 MCAD 价值，并且完全与 OEM 兼容。（4） 强大的编程框架可以使用户和软件供应商开发出与 UG 能很好集成的应用程序。（5） 提供了良好的二次开发工具 GRIP 和 UFUNC，并能通过高级语言接口， 使 UG 的图形功能与高级语言的计算功能紧密的结合起来。2.7.4 爬楼装置三维建模虚拟设计技术是当前设计制造领域的一门极具应用前景的技术。本质是计算机支持的仿真技术。它使用软件建立机械系统的实体模型，直观而方便的分析和评价系统性能，从而为物理样机的设计与制造提供相应的参数依据。在概念设计阶段，虚拟设计技术就能够对整个系统进行分析。各组成部件的相对运动情况也可以通过虚拟仿真得以实现。在各种机械系统中，可以运用软件模拟系统的运动， 这样可以在计算机上方便的比较机械系统的优劣，并有针对的修改设计缺陷。本文基于 UG 软件对简约化半转机构进行设计和仿真。UG 自带的机构运动分析模块Motion 提供机构仿真分析和文档生成功能，可在 UG 环境中定义机构，包括铰链、连杆、弹簧、初始运动条件、阻力等，而后直接在 UG 中进行仿真、分析机构运动22。采用 UG 机构运动分析模块 Motion 进行机构仿真分析，可以极其方便地对机械设计方案进行模拟、验证、修改、优化，彻底改变传统机械设计方案需要组织研究团队进行复杂设计计算，制造物理样机的漫长过程，缩短了生产、设计周期， 节约设计成本23。爬楼装置整个装置如图 2.16 所示。2.8 爬楼装置运动过程图 2.16 爬楼装置三维建模整体效果图本文所设计的爬楼装置结构上简单可靠，速度上比传统的爬楼装置要快，其爬楼过程如下：电机驱动蜗杆转动，带动涡轮旋转，即带动装置后轮旋转，驱动整个装置前进。当后轮进入楼梯后其运动如图 2.16 所示，轮子外缘部分有一层橡胶，用于增大摩擦系数，相比于光滑的轮子攀爬楼梯，如图 2.17 所示，增大了压力，从而增大了摩擦力。G=N图 2.17 爬楼装置轮胎爬楼示意图N1G2.9 本章小结图 2.18 普通轮胎爬楼示意图本文在论述常见三轮车的基础上，提出了一种新型爬楼装置；针对传统的爬楼装置过于笨重、结构复杂难以制造、成本高昂等缺陷，借鉴三轮车的结构设计， 通过全新的设计，研究出了一种全新的爬楼装置三轮式爬楼机构。通过对其结构的分析，了解了爬楼机构的组成形式和结构特点。并通过三维软件 UG，按照所设计的尺寸，画出了爬楼装置的三维效果图。为今后的加工制造提供了较为直观的参考。第三章 动力系统设计3.1 引言动力系统的研究是设计爬楼装置的重要部分之一。经过数十年的发展出现了多种动力驱动装置，归结起来可分为四类：(1) 电机驱动；(2) 汽油机驱动；(3) 柴油机驱动；(4) 人力驱动。考虑到爬楼装置的可行性和安全经济性，本章选择电机驱动作为其驱动源， 首先计算爬楼装置在平坦的路面和爬楼时所需的功率和输出力矩，再选择相应的电机，并根据爬楼装置爬楼的具体要求，计算出整个机构在带负载的情况下，爬楼消耗的能量总和，由此选择相应大小的电源。3.2 驱动方式（1） 电机驱动优点：电机驱动具有体积小、成本低、卫生环保等特点缺点：驱动功率小、持续性低图 3.1 普通电机实物图（2） 汽油机驱动优点：持续性高、动力强缺点：汽油机驱动体积相对较大、成本高、在楼层有限的空间内容易造成空气污染、自重大、噪音相对较大图 3.2 普通汽油机实物图（3） 柴油机驱动优点：续性高、动力强劲缺点：汽油机驱动体积大、成本高、在楼层有限的空间内更容易造成空气污染、自重更大、噪音大图 3.3 普通柴油机实物图（4） 人力驱动优点：经济、环保缺点：对人力要求较高、动力不强、用在爬楼梯装置上不切实际图 3.4 普通人力轮椅实物图综合考虑，由于爬楼装置对可控性、环保性、自重等方面的限制，本装置选用电机驱动。3.3 电机选型3.3.1 功率计算根据具体设计情况及设计要求确定爬楼梯电动轮椅的具体设计：一种三轮式爬楼梯电动轮椅设计参数如下：轮椅总重量：33.4kg；载荷：140kg；平坦路面轮椅最大行走速度：v1=1m/s；最大爬坡角度：45爬楼梯速度：（832）阶/min，最大楼梯高度 225mm.爬楼梯装置沿重力方向的速度V = 32 0.225 60 = 0.12m / s（1） 爬楼装置在平路上运动时：运动时轮子可假设为纯滚动，则 F=N，式中： 轮子与地面之间的滚动摩擦系数，查机械设计手册得=0.05。在水平路面上行走时所需的总功率为：P1=Fv1=Nv1=Gv1=0.05（33.4+140）101=86.7w（2） 爬楼装置在爬楼时：、爬 45坡时的功率：轮子受力分析，如图 4 所示。机构主要需要克服自身重力，忽略机构摩擦损失的能量，根据受力分析图可得出爬坡时所需的总功率为：P2= G V=（33.40+140）100.12=208.08(W)考虑到效率问题：取效率h= 0.9 ，则电机输出功率 P3 为： P3= G V h=231.2w通过比较可以得出最大行走功率为 231.2w。电机输出功率为 231.2w 即可满足要求。路面特征黏着系数（滚动摩擦系数）全新坚硬的柏油、混泥土（干）0.07柏油路面（湿）0.05混泥土路面（湿）0.04泥土路面（干）0.045泥土路面（湿）0.01松沙路面0.01图 3.5 爬坡时受力分析表 3.1 不同路面状况的粘着系数本文取路面黏着系数为 0.053.3.2 爬行机构驱动力矩计算爬楼梯的动作实际上就是将整体质量向上一级台阶搬运的过程，装置在爬楼时需要克服车体和负载的重力做功。采用简化的力学模型计算所需克服阻力矩为：II爬楼速度最大为 32 阶/min ,沿楼梯方向的速度为v = v / sin 450 = 0.171m / s 。确定主轴转速为：n=vII /pDr/s=0.136 r/s则后轮所需扭矩为：M=9549P/ n =271Nm所用传动机构（蜗轮蜗杆）传动比为 300则电机输出扭矩为M1= M100= 0.9N m选用有刷无齿电机，低速性适用于轮椅这类的低速场合，而且没有齿轮传动会使传动效率较高，占用的空间体积较小，噪音较小，启动平稳。该电动机自带020km/h 无级变速，正是轮椅的速度范围。 24V 时额定功率：150W180W ；36V 时额定功率：180W250W。表3.2 ZYT系列直流电机部分型号型号转 矩转 速功率电 压电流(A)允许顺逆(mN.m)(r/min)(w)(v)不大于转速差(r/min)55ZYT0163.7300020241.520055ZYT0263.7300020271.320055ZYT0363.7300020480.720055ZYT0463.73000201100.3420055ZYT0555.7600035242.530055ZYT0655.7600035272.230055ZYT0755.7600035481.330055ZYT0855.76000351100.5430055ZYT5192.3300029242.120055ZYT5292.3300029271.820055ZYT5392.3300029481.120055ZYT5492.33000291100.4620055ZYT5579.6600050243.4530055ZYT5679.6600050273.130055ZYT5779.6600050481.7430070ZYT03159.2300050481.520070ZYT04159.23000501100.720070ZYT05135.4600085245.230070ZYT06135.4600085274.830070ZYT07135.4600085482.630070ZYT08135.46000851101.130070ZYT51223300070244.320070ZYT52223300070273.820070ZYT53223300070482.220070ZYT542233000701100.9520070ZYT55191.26000120247.530070ZYT56191.16000120276.630070ZYT57191.16000120483.830070ZYT58191.160001201101.6300经查机械手册可知，普通的 Z 系列直流电机达不到要求，故本文从厂家网站选择了一款无刷直流马达。表3.3 无刷直流马达型号转矩转速功率电压电流(A)允许顺逆(N.m)(r/min)(w)(v)不大于转速差(r/min)Z5BLD300-360.9635003003610.5200Z5BLD300-480.963400300488200Z5BLD300-720.963300300725.5200根据上文计算结果，本装置选用 Z5BLD300-36 型号无刷马达。图 3.6 Z5BLD300-36 型号无刷马达实物图3.4 爬楼装置速度控制设计为保证爬楼梯轮椅能够安全、可靠、高效地实现上下楼梯的过程，并可同时作为电动轮椅使用，爬楼梯轮椅的控制器必须具有很强的功能; 除根据电动轮椅控制器所具有的速度调节、运动控制、故障检测等功能之外，还必须具有可以实时检测使用者的坐姿和位置、爬楼梯轮椅与楼梯的相对位置、爬楼梯轮椅的运动状态等功能，并可以根据传感器信息对爬楼梯轮椅的驱动系统进行正确的控制或给出报警信号。(1) 控制系统结构设计爬楼梯轮椅系统除了完成普通轮椅功能要求之外还需运行在电动轮椅和上下楼梯轮椅两种模式下，其控制功能应分别由两套相互独立的开环控制系统来完成， 以实现平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度宽度的楼梯功能要求， 这也就导致电动爬楼梯轮椅的运动形式十分复杂，应针对不同环境下轮椅需要实现的动作设计爬楼梯的控制系统。随着机器人技术的发展，移动机器人控制技术大量应用于爬楼梯轮椅的控制系统中，使得爬楼梯轮椅具有更好的交互性，适应性和自主性。采用嵌入式控制系统可有效解决信息集中处理使得上位机信心处理量大，负担重，实时性差无法满足实际使用的缺点，为爬楼梯轮椅控制系统的研究提供了新的方向。中科院自动化所研制的嵌入式多功能轮椅系统在该方面进行了尝试，采用 ARM + DSP + FPGA 的方式来构建多功能轮椅的中央控制系统、传感器系统、视觉系统和运动控制系统，整个控制系统系统运行稳定，具有实时性高、功耗低，续航时间长的特点，为爬楼梯轮椅向产业化方向发展迈进了一大步。(2) 控制系统算法在未知和不确定的环境下，爬楼梯轮椅需要通过多种传感器收集数据，用以界定周围环境及自身状态信息，需要用一定算法对数据进行分析、融合，比较完整地反映环境特征和自身状态，为系统运动控制提供精确的数据信息。爬楼梯轮椅在行驶时必须不断地感知周围环境及自身状态信息，所以要求控制系统算法能够对实时提供的各种信息进行快速有效处理，并能保证信息的完整性。常规的 PID 控制虽然具有算法简单、精度高、可靠性强的优点，但是仅对于可建立精确数学模型的控制系统具有很好的控制作用。对于爬楼梯轮椅电机调速系统而言，被控对象复杂，具有非线性、强耦合以及时变性的特点，很难达到控制系统的精确鲁棒性和抗干扰性能。模糊控制具有鲁棒性强的优点，能较好的适应轮椅运行过程中路况突变等干扰条件，但单纯的模糊控制不能很好的消除系统的稳态误差。使用复合算法可以使控制器有较强的鲁棒性和较小的静态误差，但复杂的算法本身就是控制器实现的障碍。模糊 PID 控制器结合了模糊控制和PID 控制器两者的优点，可根据不同的偏差和偏差变化率选择不同的比例、微分、积分参数，从而即具有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有PID 控制器精度高的特点，对爬楼梯轮椅运动控制系统具有良好的控制效果。模糊控制系统的工作原理如图 3.7 所示。图 3.7 模糊控制系统工作原理3.5 爬楼装置电池选择3.5.1 电池介绍蓄电池是电动爬楼装置的能源载体，是电动爬楼装置的核心部件之一， 主要分为阀控密封铅酸蓄电池、胶体电池、锂离子电池、镍氢电池和燃料电池等。电动车对蓄电池的要求是容量大，寿命长，重量轻，价格廉。铅酸蓄电池的优点是价格最低，内电阻小、电压稳定，具有良好的防振性能和密封性能；锂离子电池和镍氢电池虽然重量轻，寿命长，但是价格昂贵。在电动爬楼装置的电源广泛采用铅酸蓄电池。但铅酸蓄电池的比能量和比功率都很低，随着科技的发展近年来又使用了新型的蓄电池如镉-镍电池。镉-镍电池放电时，正极 NiOOH 还原为2NiOH，充电时 2NiOH，又被氧化成 NiOOH，镉-镍电池体系以氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为液，加入适当的氢氧化锂可以延长电池的寿命。氢氧化钾（或钠） 不参加反应，但是放电时消耗水，充电时生成水。氢氧化物只起导电的作用，在充电过程中密度和组成没有明显的变化。选择的型号为：GNY-12 其中：G镉为负极 ，N镍为正极，Y圆柱形，12额定容量为 12hA。 参考文献镉-镍电池理论比能量为 214.3h/KgW，实际比能量为：35h/KgW。说明：电池的容量是指电池工作，即电池放电时能提供的电量，有理论容量，实际容量，额定容量（或公称容量）之分，常以 Ah 或 mAh 为单位。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念即单位质量或单位体积的电池所能给出的电量来衡量。3.5.2 电池容量计算由于需求爬 25 层楼。按每层 3m 计算，爬楼装置需要爬升 S = 25 3 = 75m 。在忽略摩擦损耗的能量的情况下，爬楼装置消耗的能量为：W = G S = (33.4 +140) 10 75 = 130KJ算上损耗的能量则小号的总能量为：W = W1h= 217KJ式中 h= 0.6选用电池电压为 U=36V,电池额定容量为 T则U T = W1即 T=1672mAh=1.672Ah现在市面上电瓶的容量一般都达到 20Ah，所以完全胜任。3.6 本章小结首先，从爬楼装置爬行时所需的功率入手，阐述了四种不同的动力装置，探讨了其优缺点，最后选择了电机驱动作为其动力装置。通过计算爬楼装置在载重情况下需要的驱动功率和力矩，选择相应型号的电机。其次简要介绍了所选用的速度控制系统，最后根据任务书的要求：需爬 25 层楼梯，计算一共消耗多少能量， 算上效率之后，得出总共消耗的能量之和，即电池的实际容量。第四章 爬楼装置强度校核及材料选择4.1 引言强度校核是设计爬楼装置的重要部分之一。本章主要通过简化受力机构，进而简化计算，算出其强度极限，从而选择相应的材料。考虑到爬楼装置的自重要求，本章通过选择的材料及整个机构的尺寸，最后算出其自重。并根据爬楼装置爬楼的自重要求，验算出整个机构的自重是否超标。4.2 爬楼装置强度校核4.2.1 爬楼装置主框架强度校核图 4.1 爬楼装置主框架简化示意图爬楼装置主框架在平坦的地面时简化后如图 4.1 所示，初步假定整个装置自重33.4Kg，载荷 140Kg。图中，前轮支持力 N1、后轮支持力 N2、前轮摩擦力 F1、后轮摩擦力 F2。加载荷之后整个装置重量G = (33.4 +140) 10 = 1734N主梁长度即座椅长度 L=0.4m4.2.2 爬楼装置前后支架强度校核(1) 求支撑反力FA = FB1= 2 G(2) 列剪力方程画剪力图(3) 画弯矩图得弯矩截面的位置为 L 时最大弯矩为 1 GL281 bh3W= 12= 1 bh2zmax1 h62=1 GLdmaxM maxWX= 8 1 bh2 645钢试选 C 45 钢，查表得r= 7.85 gcm3附表：化学成分质量分数%|C:0.420.50化学成分质量分数%|Si:0.170.37化学成分质量分数%|Mn:0.500.80化学成分质量分数%|Cr:0.25化学成分质量分数%|Ni:0.30化学成分质量分数%|Cu:0.25试样毛坯尺寸/mm:25推荐热处理/|正火:850推荐热处理/|淬火:840推荐热处理/|回火:600力学性能|b/MPa:600力学性能|s/MPa:355力学性能|5(%):16力学性能|(%):40力学性能|AKU/J:39钢材交货状态硬度HBS10/3000，|未热处理钢:229钢材交货状态硬度HBS10/3000，|退火钢:197主要特征:最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理应用举例:主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火1 GLGmax =列方程M maxWx= 8 1 bh26 355MPrbhl 18000g解得： b 0.259mh 0.022m4.3 爬楼装置材料选择爬楼机的材料选择C45 钢满足要求。4.3.1 各种材料特性介绍4.3.2 选择材料选择C45 钢满足强度要求。4.4 整个机构自重梁的重量m = rbhl = 17.8kg电机 5kg+梁 17.8kg+坐垫 1kg+轮子 5kg+传动机构 3kg+电池 3kg=34.8kg，总质量在允许范围之内。4.5 本章小结通过查阅相关资料选取材料并计算校核满足本次设计要求。锻炼了我查阅相关资料文献的能力。第五章 结论与展望5.1 主要结论类三轮式爬楼装置是一种新型的爬楼装置。本文从三轮车结构入手，分析并借鉴了其机构的机构组成和运动规律。简单描述了选用其结构的原因，着重分析了此爬楼装置的结构。在已知的三轮车机构的基础上进行了创新与改造，使之更加适合攀爬楼梯。根据爬楼的运动规律，分析了爬楼机构需要的功率，选用了合适的电机及电池。对本文所设计的爬楼机构和传统的行星轮系爬楼机构和履带式爬楼机构进行了对比，这机构结构简单、可靠、爬楼性能好、操作性能也好。最后，对装置主体结构进行了强度计算，同时根据强度的要求，选用相应的材料。论文主要研究成果如下：（1） 在对三轮车的结构及其运动原理研究的基础上，提出了一种全新的三轮式爬楼机构。通过重新设计、精简传动机构达到了减轻机构重量，并且可以实现爬楼功能的装置，所以将其应用于飞行爬楼。（2） 结合当前爬楼装置的研究状况，阐述了本文所设计的爬楼装置在爬楼方面具有的优越性。并阐述了爬楼装置爬楼的过程和机理。（3） 根据爬楼装置的运动规律，对爬楼装置在爬楼中的功率进行了数值计算，通过其计算结果选用相应的电机，根据任务书的要求，计算耗能总和，并选用合适的电池。（4） 运用 UG 软件对爬楼装置整个机构进行了三维建模。并对所画的机构进行了尺寸分析，所设计的装置尺寸完全符合任务书所要求，也符合人机工程学所要求。（5） 最后对机构的强度进行了计算，并选用了材料校核了机构自重。5.2 研究展望虽然我们对爬楼机构的研究取得了一定的成绩，但与国外先进的爬楼机构相比，还存在一定的差距，还有很多工作要做。在研究过程中，有些问题还未解决或有待改进综上所述，针对电动爬楼梯轮椅的研究已经取得了一定的成效，但也要看到目前阶段主要还停留在实验室或是少数定做，并没有真正产业化，在研究上仍有很多空间。未来的研究