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養(yǎng)老助殘機器人設(shè)計――總體設(shè)計
摘 要
本次畢業(yè)設(shè)計的目的是設(shè)計出一種面向老人和殘疾人，能夠在普通小區(qū)和公共場合爬樓機器人輪椅。首先通過分析國內(nèi)外爬樓機構(gòu)的優(yōu)缺點，得出本文養(yǎng)老助殘機器人的總體設(shè)計方案。然后基于人體尺寸設(shè)計輪椅的座位、車架和踏板尺寸并分析輪椅在樓梯平臺的轉(zhuǎn)向條件。接著對爬樓機構(gòu)進行設(shè)計并給出驅(qū)動控制方案，介紹輪椅上下樓工作原理。最后使用Creo2.0軟件繪制出零部件模型后進行裝配，完成輪椅機器人的三維建模。
本文采用行星輪機構(gòu)，可以用于機器人平地運行模式和爬樓模式。在平地模式中，兩個輪轂電機分別驅(qū)動兩個后輪運行，通過差速轉(zhuǎn)向。在爬樓模式中，各行星齒輪處于抱死狀態(tài)，電機驅(qū)動輪架翻滾實現(xiàn)爬樓功能。
關(guān)鍵詞：助殘；爬樓；機器人；總體設(shè)計
Ⅰ
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Design of old age disabled robot -- overall design
Abstract
The purpose of this graduation project is to design a robot wheelchair that can be used for the elderly and the disabled and can climb stairs in ordinary communities and public places. First of all, we analyze the advantages and disadvantages of the domestic and international climbing towers and come up with the overall design plan of the old-age helper robot. Then we design the wheelchair seat, frame and pedal dimensions based on the body size and analyze the steering conditions of the wheelchair on the landing platform. Then we designed the stair climbing mechanism and gave a drive control plan, introducing the working principle of the wheelchair up and down building. Finally, we used Creo2.0 software to draw the parts model and then assembled it to complete the 3D modeling of the wheelchair robot.
In this paper, the planetary gear mechanism can be used for the flat ground robot operation mode and the stair climbing mode. In flat mode, two wheel motors drive two rear wheels respectively and the robot turns at different speeds. In the stair climbing mode, the planet gears are in a locked state, and the motor-driven wheel frames roll over to achieve the stair climbing function.
Key words: Supporting the disabled; Climb the stairs; robot; overall design
Ⅱ
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目 錄
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1 緒 論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展 1
1.3 產(chǎn)品用途和適用范圍 4
1.4 本文的主要研究內(nèi)容 4
2 總體方案設(shè)計 5
2.1 引言 5
2.2 性能指標要求 5
2.3 總體方案介紹 6
2.4 座位尺寸設(shè)計 7
2.5 車架尺寸設(shè)計 9
2.6 踏板尺寸設(shè)計 10
2.7 前輪尺寸設(shè)計 11
2.8 離合器的設(shè)計 12
2.9 導向輪尺寸設(shè)計 13
2.10 轉(zhuǎn)向參數(shù)的分析 14
2.11 重心調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計 16
3 機械系統(tǒng)設(shè)計計算 18
3.1 鏈傳動設(shè)計計算 19
3.2 驅(qū)動力估算與電機選擇 20
3.3 齒輪設(shè)計計算 21
3.4 中心軸設(shè)計計算 22
3.5 齒輪軸設(shè)計計算 24
4 驅(qū)動控制方案設(shè)計 26
Ⅲ
4.1 傳感器設(shè)計方案 26
4.2 齒輪軸設(shè)計計算 27
4.3 齒輪軸設(shè)計計算 27
5 三維模型和運動演示 30
5.1 Creo2.0三維模型 30
5.2上下樓工作原理 31
6 結(jié)語 33
參考文獻 34
致 謝 35
Ⅳ
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1 緒 論
1.1 研究背景和意義
目前，我國社會已經(jīng)逐步老齡化階段，專家預(yù)估未來30年內(nèi)60歲以上的老齡人口數(shù)量將超越4億[1]。這種老齡化趨勢給社會帶來了愈來愈多看護和醫(yī)療問題，給經(jīng)濟發(fā)展和社會保障系統(tǒng)造就了不小的考驗。伴隨著老年人口數(shù)量的持續(xù)增長，社會上針對養(yǎng)老助殘機器人的需求數(shù)量將會越來越大。
我國城市化水平越來越高，城市規(guī)模越來越大，但是方便行走不便的人士的設(shè)施還是建設(shè)不足，比如人行道、無電梯的住宅樓、公園、購物中心以及汽車站火車站等公共區(qū)域仍然存在許多樓梯和臺階等障礙物。然而市面上大部分的輪椅都是手動普通的電動輪椅，只能滿足平地行駛的需求，對于樓梯和臺階等障礙無能為力，這就使大部分老年人和殘疾人活動范圍大大縮小，只能局限于平地和家中，這樣也給家庭造成了不小的負擔?，F(xiàn)代科技飛速發(fā)展，在各個方面都有了長足的進步。開發(fā)一款面向殘疾人和老年人的兼具爬樓和平地行駛功能的輪椅機器人的條件已近越來越成熟，這將會極大地提高這些人群的出行自由和生活質(zhì)量。
作為一項新興產(chǎn)業(yè)，養(yǎng)老助殘機器人將會在殘疾人和老年人方面將會有巨大的發(fā)展?jié)摿?，廣闊的應(yīng)用前景給服務(wù)型機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的發(fā)展機遇。為了跟進服務(wù)型機器人的發(fā)展趨勢，滿足未來老齡化社會對于養(yǎng)老助殘機器人的日益增長的需求，探尋出一條兼具爬樓和平地行駛功能的養(yǎng)老助殘機器人研究路徑，不僅能使殘疾人和老年人的活動范圍得到提升，又能減輕家庭成員的負擔，這件會產(chǎn)生非常大的社會和經(jīng)濟效益，也能對我國機器人產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展產(chǎn)生積極影響[2]。
1.2 爬樓輪椅機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展
兼具爬樓功能和平地行駛功能的養(yǎng)老助殘機器人需要運用到許多領(lǐng)域的專業(yè)知識，包括機械、電路、控制系統(tǒng)、傳感器、軟件和人工智能，各種各樣的最新科技也將會運用于其中。養(yǎng)老助殘機器人的設(shè)計內(nèi)容包含總體方案的設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、行走穩(wěn)定性的設(shè)計、位置傳感器的設(shè)計、驅(qū)動電機的設(shè)計以及控制系統(tǒng)的設(shè)計。
1.2.1 助行機器人的發(fā)展概述
隨著電機驅(qū)動控制技術(shù)、機械制造技術(shù)、計算機技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外科研機構(gòu)陸續(xù)研巧出各種爬樓梯助行機器人。目前依據(jù)爬樓機器人采用的傳動方式分類，可分為履帶型爬樓機構(gòu)、步進支撐型型爬樓機構(gòu)和星輪型爬樓機構(gòu)等。
1.2.1.1 履帶型爬樓梯機構(gòu)
履帶型機構(gòu)在日常生活中應(yīng)用的比較廣泛，比如探月機器人履帶車、戰(zhàn)場上使用的防爆機器人和用來搶險救災(zāi)的搜救機器人，都是采用履帶機構(gòu)運行。而且市面上已經(jīng)有許多爬樓輪椅采用了履帶型機構(gòu)，對于履帶型爬樓輪椅的研究和推廣已取得初步成功。這履帶式機構(gòu)的種種優(yōu)點是密不可分的。首先，履帶一般比較寬，與地面接觸面積大，不容易陷入地面，利于攀爬障礙和翻越溝壑，地形適應(yīng)性好。其次，履帶型輪椅爬樓很穩(wěn)定，很少出現(xiàn)空轉(zhuǎn)打滑情況[3]。
與之相對的，履帶型機構(gòu)也有自身的不足。第一，履帶型機構(gòu)一般體積比較大，導致占地面積也相應(yīng)增大，這在比較狹小的居民樓使用比較麻煩。第二，履帶普遍運行速度偏慢，效率比較低，而且平時大部分時間是平地行走狀態(tài)，這一點就不如輪組型機構(gòu)。第三，履帶因為其特殊的構(gòu)造，爬樓時容易對樓梯邊角造成損壞。第四，如果樓梯邊緣太光滑或者斜度大于35度，這時使用履帶爬樓有很大的安全隱患。第五，履帶長時間使用后容易磨損，而且維修不方便，成本較高[4]。
對此，國內(nèi)外提出過各種各樣的改進機構(gòu)，來自瑞士聯(lián)邦理工學院和蘇黎世藝術(shù)大學的10個學生組成的團隊，就研發(fā)出了一款可以上下樓梯的智能輪椅SCEWO，讓殘障人士的出行更為便利。它是比較有名的，SCEWO輪椅采用了履帶和輪組混合的方式，在平地運動時使用輪組，上下樓梯時則轉(zhuǎn)換為履帶，但SCEWO目前還在網(wǎng)上進行眾籌，即使進展順利，它最快也只能在明年年底之前實現(xiàn)量產(chǎn)。SCEWO輪椅如圖1.1所示。
圖1.1 智能輪椅SCEWO
1.2.1.2 步進支撐型爬樓梯輪椅
步進支撐型爬樓輪椅在歐美發(fā)達國家起點比較早，大約已經(jīng)有100多年歷史，經(jīng)過后人的持續(xù)改進和完善，尤其是現(xiàn)代計算機軟件控制技術(shù)和運動仿生技術(shù)的發(fā)展，傳動機構(gòu)愈來愈復(fù)雜，同時安全性也得到了極大地提升。這種爬樓輪椅原理是通過運動仿生學來模擬人類的爬樓動作，它使用兩套支撐桿進行支撐，如果一套支撐桿著地支撐時，另一套支撐桿進行上下樓動作，就像人雙腿走路一樣來進行交替爬樓[5]。
可是，步進支撐型爬樓輪椅的地形適應(yīng)能力比較弱，在比如山地丘陵等崎嶇不平的情況下很難實現(xiàn)快速行走。還有它的復(fù)雜的機械傳動機構(gòu)和高度智能化的控制技術(shù)[6]，尤其是支撐裝置的制動防滑和安全警示等先進技術(shù)我國還沒有完全掌握，這就導致相應(yīng)的價格居高不下，市場推廣困難重重。
如圖1.2所示的爬樓機器人代號為“WL-16R”，它是由日本早稻田大學的高西研究室和Tmsuk公司聯(lián)合研發(fā)的雙足式爬樓機器人。離地面1.2米處固定有座椅可供人乘坐，乘員需要操控座位兩旁的各種控制手柄來使機器人“走”起來。
圖1.2 “WL-16R”爬樓機器人
1.2.1.3星輪型爬樓機構(gòu)
輪式機構(gòu)在日常甚或中隨處可見，大部分普通和電動輪椅都是采用此機構(gòu)。市面上也有許多爬樓輪椅基于輪式機構(gòu)。如圖1.3所示，常見的爬樓輪椅大多采用Y字型和十字型行星輪組機構(gòu)，車輪尺寸一般較小，爬樓時小輪繞著輪架轉(zhuǎn)動，不斷交替支撐向上爬樓。在平地行駛時，輪式機構(gòu)阻力較小，效率較高，易于轉(zhuǎn)向。
圖1.3 常見星輪式爬樓輪椅
國外采用星型輪式結(jié)構(gòu)的爬樓層出不窮，圖1.4所示為日本豐田公司開發(fā)的無障礙輪椅ibot。它不僅可以上下樓梯，還能直立行走，自動適應(yīng)斜坡、草地等多種復(fù)雜地形，可以說是一款劃時代的產(chǎn)品。只是由于其高達25000美元的售價，真正能夠用得起它的人并不多。
圖1.4 日本豐田開發(fā)的無障礙輪椅ibot
1.3 產(chǎn)品用途和適用范圍
本次畢業(yè)設(shè)計的題目是養(yǎng)老助殘爬樓機器人的總體設(shè)計，主要用來實現(xiàn)老年人和腿腳不便的殘疾人日常的平地行駛，上下樓梯和翻越一些小型的障礙物的需求，方便老弱病殘人士的出行。但是上下樓時，需要乘員手動調(diào)整座椅角度，使整個系統(tǒng)重心前移，以此保證上下樓時的安全性。
1.4 本文的主要研究內(nèi)容
本文主要對星輪式輪椅爬樓機器人進行總體設(shè)計，通過控制行星輪式爬樓機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)上下樓的動作。根據(jù)已學的專業(yè)知識，首先對輪椅進行總體框架設(shè)計，確定基本車體尺寸，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一種電機驅(qū)動的輪組型爬樓機構(gòu)，然后根據(jù)機械設(shè)計原理知識、二維三維繪圖知識對設(shè)計的機構(gòu)來進行理論分析及設(shè)計計算，能夠通過對比現(xiàn)有的技術(shù)方案來提出合理的建議，便于產(chǎn)品的發(fā)展改進。
1.查閱相關(guān)的資料文獻，對現(xiàn)有的方案進行對比分析，并提出設(shè)計思路。
2.對輪椅進行總體設(shè)計，通過設(shè)計計算確定各個零部件的相應(yīng)尺寸。
3.使用Creo2.0軟件繪制零件三維圖，將零件裝配得到最終的產(chǎn)品。
4.使用AUTOCAD軟件繪制零件圖和二維裝配圖。
37
第2章 總體方案設(shè)計
2總體方案設(shè)計
2.1 引言
本文設(shè)計的養(yǎng)老助殘機器人采用的是星型輪組式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)爬樓性能較好，通過改變離合器工作狀態(tài)來獲得較好的爬樓性能和運行速度。星型輪組式后輪可以實現(xiàn)爬樓功能，靠背設(shè)置成可以向前傾斜，可以利于保持輪椅爬樓過程的平穩(wěn)運行，保障乘員的安全性。輪椅機器人的爬樓機構(gòu)亦可用于平地行駛，由電機驅(qū)動后輪運行，有較高的平地運行效率，且輪組式機構(gòu)對樓梯邊角不會造成破壞。
養(yǎng)老助殘機器人是由車身和座位、運動機構(gòu)、操縱手柄和驅(qū)動控制系統(tǒng)等幾部分組成。乘員可以使用控制手柄來調(diào)整運動速度和模式，控制輪椅轉(zhuǎn)向。驅(qū)動控制系統(tǒng)通過接受傳感器反饋的信息，分析并智能選擇輪椅機器人的工作模式。運動機構(gòu)被設(shè)計成星型輪式機構(gòu)，在收到控制系統(tǒng)的指令后，不斷向上翻滾爬樓梯。座椅和車身下方空間被用來安裝傳動機構(gòu)和電機。
本文首先對養(yǎng)老助殘機器人總體方案進行介紹，包含性能指標要求和爬樓機構(gòu)的構(gòu)想；參考人體工學的相關(guān)尺寸對輪椅機器人座位尺寸、車架尺寸和踏板尺寸等總體尺寸進行設(shè)計。依照地形參數(shù)設(shè)計出輪椅的后輪、前輪和前導輪等行走機構(gòu)的相應(yīng)尺寸，對輪椅在樓梯平臺轉(zhuǎn)彎條件進行分析，確保輪椅在大部分樓梯范圍的正常使用；之后可以按照設(shè)計得出的尺寸在Creo2.0中繪制輪椅機器人的三維模型和CAD零件圖和總裝圖；最后設(shè)計控制系統(tǒng)方案，介紹輪椅的工作原理。
2.2 性能指標要求
為了確保養(yǎng)老助殘機器人能夠適應(yīng)各種尺寸的樓梯，通過查閱《中國民用建筑設(shè)計準則》中的樓梯步距和坡度，可將理想的樓梯參數(shù)設(shè)置為寬度，高度，坡度。輪椅機器人是為殘疾人和老年人服務(wù)的，要保證運行安全性，速度不宜過快。參照室外型電動輪椅國家標準，本文設(shè)計的輪椅機器人平地行駛性能指標包括：最大速度，爬坡能力，單次充電最大行程。為了提高安全性，輪椅機器人需要平穩(wěn)爬樓，可將輪椅機器人上樓速度設(shè)置為級/分鐘，一次上樓臺階數(shù)不少于100。養(yǎng)老助殘機器人主要性能指標如表2.1所示。
表2.1 養(yǎng)老助殘機器人性能指標
2.3 總體方案介紹
本文所設(shè)計的養(yǎng)老助殘機器人是由車身車架、驅(qū)動電動機及其控制系統(tǒng)、兩組爬樓機構(gòu)和兩組前導向輪組成的。車身車架包括輪椅的座位、放腳的踏板和可供乘員使用的靠背角度調(diào)節(jié)裝置。整套設(shè)備一共需要兩個驅(qū)動電動機，分別安放在輪椅的前下方，通過兩組鏈傳動來驅(qū)動后側(cè)的行走機構(gòu)。系統(tǒng)一共有兩組行走機構(gòu)，平地行駛時可以通過差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，通過后輪的翻轉(zhuǎn)可以完成上下樓梯的需求。車前身的兩組導向輪能夠在翻越樓梯等障礙時起導向作用，用于彌補前輪越障能力的不足。車身右手邊是控制手柄，可以方便乘員實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、調(diào)速和前進后退等功能。
圖2.1 行星輪行走機構(gòu)
行星輪爬樓機構(gòu)如圖2.1所示，基本結(jié)構(gòu)為三個行星齒輪組成的行星齒輪系。三個行星齒輪圍繞著中心齒輪一次分布，與中心齒輪為外嚙合，外部與之相連接的輪架作為轉(zhuǎn)臂，共同組成本文行星齒輪行走機構(gòu)。在三個行星齒輪外部安裝三個車輪，可以隨著齒輪運動而運轉(zhuǎn)。箱體中心軸和齒式離合器通過平鍵聯(lián)接，可以通過改變離合器和工作狀態(tài)來變更機構(gòu)運行模式。當離合器沒有工作時，三個車輪受中心軸的驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)，此時機構(gòu)進入平地運行模式。當齒式離合器處于工作狀態(tài)時，中心齒輪和行星齒輪都將無法轉(zhuǎn)動，此時輪架會充當轉(zhuǎn)臂的功能，中心軸會直接驅(qū)動整個輪架進行翻轉(zhuǎn)，機構(gòu)的工作狀態(tài)便會切換成爬樓模式[7]。
采用此方案有如下優(yōu)點，同一機構(gòu)可以經(jīng)由簡單轉(zhuǎn)變，得到分別適合平地運行和爬樓的兩種驅(qū)動模式，適用性良好，而且操作簡便，結(jié)構(gòu)緊湊。
2.4 座位尺寸設(shè)計
座位是養(yǎng)老助殘機器人的重要組成部分，在進行座位的尺寸設(shè)計時要參考人體尺寸，這樣才能保證輪椅的舒適性和合理性[8]。圖2.2和表2.2分別是人體坐姿時尺寸和人身體有關(guān)尺寸。座位部分要求的設(shè)計尺寸有靠背高度、靠背寬度、座面深度、座面寬度和座面高度。座面高度是座面和輪椅踏板的距離，乘員乘坐時小腿自然放在踏板上，而且踏板的角度可以調(diào)節(jié)滿足不同部分身高乘員的需求，設(shè)計時需要參考表2.2中小腿加組高的參數(shù)。參考表2.2里坐姿臀寬數(shù)據(jù)，來進行座面寬度尺寸設(shè)計。為了使靠背能夠方便支撐乘員的腰部，以獲得舒服的坐姿，應(yīng)該參考表2.2里人體坐深尺寸，并且在小腿和坐墊前端留有適當?shù)拈g距?？紤]坐姿肩高尺寸和人體肩寬可以設(shè)計出靠背寬高?？梢愿鶕?jù)坐姿時肘高來設(shè)計座位的扶手高度。參考表2.2和圖2.2的人體坐姿尺寸，可以得出養(yǎng)老助殘機器人的如下參數(shù)：座面高度，座面寬度，座面深度，靠背寬度，靠背高度，扶手高度。
表2.2人體尺寸數(shù)據(jù)
圖2.2坐姿人體部位及尺寸
圖2.3 座位尺寸設(shè)計（正視圖）
圖2.4 座位尺寸設(shè)計（左視圖）
2.5 車架尺寸設(shè)計
輪椅車架確定了輪椅大體結(jié)構(gòu)和基本尺寸，是輪椅車身設(shè)計最重要的部分。為了保證車體重量不太重且結(jié)構(gòu)堅固，車架材料可以選擇鋁合金。根據(jù)上文座位尺寸設(shè)計可得，車架上部與座位連接的尺寸可設(shè)計為 。A處是用來安裝后輪，尺寸比其他稍大以保證強度。B處用來安裝鏈傳動的兩個中間鏈輪，從車架向下伸出，可以利用中部空間。C處用來安裝電機，尺寸限定為。D處用來安裝前輪，用來輪椅轉(zhuǎn)彎，尺寸為。E處和F處用來安裝前踏板，踏板可以調(diào)節(jié)角度。
圖2.5 車架尺寸設(shè)計（正視圖）
圖2.6 車架尺寸設(shè)計（左視圖）
2.6 踏板尺寸設(shè)計
輪椅踏板可以用來放置乘員的雙腳，設(shè)計時應(yīng)該參照表2.3.1人體有關(guān)尺寸，小腿加足高長應(yīng)該不低于459mm，我們可以取457mm。踏板上端與車架相連接，下部與一個氣缸連接，這樣可以方便個性化踏板的角度，以取得最佳放腳狀態(tài)。踏板尺寸如圖所示。
圖2.7 踏板尺寸設(shè)計（正視圖）
圖2.8 踏板尺寸設(shè)計（左視圖）
2.7 前輪尺寸設(shè)計
輪椅需要靠前輪來轉(zhuǎn)向，我們選用萬向輪。設(shè)計前輪直徑為，寬度為，適當?shù)膶挾扔兄谲圀w的穩(wěn)定性。前輪上部與車架底部是相連接的，為了配合尺寸，前輪上部尺寸為。
圖2.9 前輪尺寸設(shè)計（正視圖）
圖2.10 前輪尺寸設(shè)計（左視圖）
2.8 離合器的選擇
(1)牙嵌式離合器
牙嵌式離合器外廓尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，能傳遞較大尺寸，使用較廣泛。但是牙嵌式離合器在轉(zhuǎn)速較大時容易撞擊而折斷，牙數(shù)較少導致固定端和活動端自然對正幾率較小，需要手動調(diào)整，使用較麻煩。
(2)電磁離合器
電磁離合器使用方便，接通電源后通過電磁力使固定端和活動端結(jié)合。但是電磁離合器也有不足：首先是重量較大，其次是相比機械式可靠性不足，最后是安裝精度要求較高，對加工和裝配要求較高。
(3)齒式離合器
齒式和牙嵌式離合器比較類似，但是齒式離合器可以取較多齒數(shù)，而且承載能力較大。為了使固定端和活動端聯(lián)結(jié)更容易，操作更方便，可取較多的齒數(shù)和較小的模數(shù)。
綜合以上離合器分析比較，選擇齒式離合器較合適，其承載能力大，結(jié)構(gòu)經(jīng)湊，重量較輕，體積較小，使用方便。選用的齒式離合器如圖2.11所示。
圖2.11 齒式離合器
2.9 導向輪的設(shè)計
因為萬向輪翻越障礙物能力較差，而且上下樓時沒有緩沖裝置，輪椅會產(chǎn)生較大顛簸，不僅不舒適，更存在安全隱患。在萬向輪方設(shè)置兩個前導輪機構(gòu)可以有效避免這些弊端，前導輪設(shè)計如圖2.12所示。查閱《中國民用建筑設(shè)計準則》，可得理想的樓梯高度為。將導向輪的最大翻越高度設(shè)置為，與地面的夾角為。導向輪使用履帶式方案，可以使輪椅比較平穩(wěn)地上下樓梯和翻越一些簡單的障礙。
圖2.12導向輪的設(shè)計
圖2.13 導向輪尺寸設(shè)計
圖2.14 導向輪實體圖
2.10 轉(zhuǎn)向參數(shù)分析
養(yǎng)老助殘機器人轉(zhuǎn)向方式為驅(qū)動輪差速轉(zhuǎn)向，因為輪椅轉(zhuǎn)彎半徑可能會受到樓梯平臺的尺寸限制，所以一定要對輪椅轉(zhuǎn)向進行參數(shù)分析[8]。設(shè)內(nèi)外輪間距為，樓梯平臺寬度為，轉(zhuǎn)向時輪椅角速度和線速度分別為和，設(shè)內(nèi)側(cè)輪角速度和線速度為和，外側(cè)輪角速度和線速度為和 ，輪椅轉(zhuǎn)彎半徑為。圖2.15所示為養(yǎng)老助殘機器人運動學分析圖。
圖2.15輪椅機器人轉(zhuǎn)彎運動學分析圖
依據(jù)圖2.15所示的幾何關(guān)系，得出：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
輪椅機器人成功轉(zhuǎn)向的條件為：轉(zhuǎn)彎半徑與車身半個寬度之和要小于樓梯轉(zhuǎn)向平臺寬度[9]，即：
（2-4）
將式（2.3.7）代入式（2.3.8）中，可得：
（2-5）
即：
（2-6）
由式（2.3.10）知，由于樓梯尺寸限制，養(yǎng)老助殘機器人在平臺上轉(zhuǎn)向時，外側(cè)輪的角速度與內(nèi)外輪角速度之差之比必須小于轉(zhuǎn)向平臺的寬度和輪椅總寬度之比，當滿足此條件時，輪椅機器人才可以成功轉(zhuǎn)向。在《民用建筑設(shè)計通則》有如下要求：樓梯轉(zhuǎn)向時，扶手轉(zhuǎn)向處平臺寬度不小于樓梯寬度，且不得小于[10]。如果取轉(zhuǎn)向平臺寬度，輪椅寬度，式（2.6）可寫成：
（2-7）
從上式得出，養(yǎng)老助殘機器人在樓梯上轉(zhuǎn)向時，內(nèi)外側(cè)輪的角速度要滿足不等式（2.7）。
2.11 重心調(diào)節(jié)的設(shè)計
當輪椅上下樓時，只需調(diào)節(jié)右邊座椅角度調(diào)節(jié)器，就能使身體前傾，以此來使重心前移，保障人員的安全。如圖2.8所示，這是一種座椅角度調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)時只要手旋動旋鈕即可，這種調(diào)節(jié)器沒有一般角度調(diào)節(jié)器的那種一檔一檔的感覺，可以做到無極調(diào)角，最小角度為60度，最大可以調(diào)節(jié)到200度，是高檔座椅的最佳選擇。這種角度調(diào)節(jié)器采用行星齒輪傳動，調(diào)到任意角度都可實現(xiàn)自鎖，無松動，鎖定可靠。
圖2.16 角度調(diào)節(jié)器尺寸
圖2.17 座椅角度調(diào)節(jié)器
圖2.18 背椅氣缸
第3章 機械系統(tǒng)設(shè)計計算
3 機械系統(tǒng)設(shè)計計算
3.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計
行星輪車架在爬樓時充當搖臂，大小為180mm，考慮到傳動距離較遠，設(shè)計采用鏈傳動方案。為了減小驅(qū)動力，傳動比可取10:1，。傳動方案為二級鏈傳動，每側(cè)分別設(shè)置四個鏈輪，尺寸從前往后分別為，，，。每套鏈傳動各有一個輪轂電機驅(qū)動，從而分別驅(qū)動左右后輪運行。該方案所設(shè)計的鏈傳動系統(tǒng)尺寸如圖3.2和圖3.3所示。圖3.4為鏈傳動系統(tǒng)的三維示意圖。
圖3.1 鏈傳動系統(tǒng)
圖3.2 鏈傳動系統(tǒng)尺寸（前）
圖3.3 鏈傳動尺寸（后）
圖3.4 鏈傳動系統(tǒng)實體
第3章 傳動系統(tǒng)設(shè)計
3.2 驅(qū)動力的估算和電動機的選擇
輪椅爬樓過程中重力主要集中在后輪，前輪阻力較小可忽略，圖3.5為后輪受力圖。在A點建立力矩平衡方程：
（3-1）
時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩主要用來克服重力阻力矩。 （3-2）
，
單邊 （3-3）
時，
（3-4）
減速系統(tǒng)采用兩級鏈傳動，總傳動比為，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩較大，考慮實用性和經(jīng)濟性，選擇合適的電機為。表3.1為電機基本參數(shù)[11]。
表3.1 電機基本參數(shù)
圖3.5 爬樓時后輪受力
圖3.6 型電動機
3.3 齒輪設(shè)計計算
（1）平地行駛狀態(tài)，如圖3.7所示。
? （3-5）
（3-6）
為行星車輪半徑，機構(gòu)行走阻力為阻，與地面主要是滾動摩擦，十分小，所以這種狀態(tài)下齒輪受力狀態(tài)良好。
（2）當行駛的地面坡度為8度時
（3-7）
則
（3-8）
（3-9）
（3）爬樓時，如圖3.8所示
， （3-10）
取，
（3-11）
通過以上三種狀況的對比，齒輪所受轉(zhuǎn)矩最大時是處于在有坡度的地面行駛。
考慮到行星輪的尺寸要求，齒輪的模數(shù)可以取3,這樣便于減少安裝時精度要求[12]。依據(jù)樓梯的尺寸參數(shù)設(shè)計出各行星輪的轉(zhuǎn)矩，得出各齒輪及中心距的尺寸：行星齒輪齒數(shù)18、惰輪齒數(shù)26和中心齒輪齒數(shù)38。
圖3.7 平地行走時受力分析 圖3.8 爬樓時受力分析
齒輪采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，
選用45 鋼調(diào)質(zhì)處理齒輪，對于中心齒輪, 轉(zhuǎn)矩為
（3-12）
（3-13）
取 ； （3-14）
則
； （3-15）
又 ，取 ； （3-16）
則 （3-17）
故 強度符合設(shè)計要求。
3.4 中心軸設(shè)計計算
圖3.9展示了中心軸的受力狀況，由齒輪箱體的受力平衡得出：
（3-18）
得 （3-19）
中心齒輪 （3-20）
鏈輪對軸的作用力為 （3-21）
（3-22）
得 （3-23）
圖3.9 中心軸受力分析
作出彎矩轉(zhuǎn)矩圖，可以得出
危險點 D處 （3-24）
E處 （3-25）
該軸受力狀況復(fù)雜，功能重要，材料選用45鋼調(diào)制，其中 。
取
（3-26）
（3-27）
（3-28）
（3-28）
相應(yīng)取整得 （3-29）
C和E處軸承校核
（3-30）
中等沖擊，取
則 （3-31）
軸承所需壽命：
轉(zhuǎn)速 （3-32）
軸承所需基本額定動載荷
C處 （3-32）
E處 （3-33）
選用軸承，其 ， ， ， ，符合設(shè)計要求。
中心齒輪鍵連接設(shè)計
是輪轂長度，大小為，選用圓頭平鍵,
, （3-34）
強度符合設(shè)計要求。
3.5 行星齒輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計計算
圖3.10所示為行星齒輪軸爬樓時單輪接地的受力圖，此時齒輪軸受力狀況最危險。
圖3.10 行星齒輪軸受力圖
（3-35）
（3-36）
（3-37）
，得 （3-38）
，得 （3-39）
經(jīng)過計算，A處彎矩最大，
（3-40） ，取 （3-41）
則 （3-42）
軸材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，
A處的直徑 （3-43）
考慮軸承內(nèi)徑尺寸，取整
行星齒輪鍵連接設(shè)計
第4章 驅(qū)動控制方案
為輪轂長度，大小為12，選用圓頭平鍵，，。
（3-44）
強度符合設(shè)計要求
第4章 驅(qū)動控制方案設(shè)計
4 驅(qū)動控制方案設(shè)計
4.1 傳感器系統(tǒng)設(shè)計方案
因為樓梯臺階高度會對輪椅機器人的爬樓能力有一定限制，為了保障乘員上下樓梯過程的安全性，可以設(shè)計一個便于控制器判斷輪椅機器人是否可以順利攀爬此高度的臺階的傳感器系統(tǒng)。在兩個前導輪第一個小輪和最后一個上各安裝一個測距傳感器，可以分別測出前導輪前小輪和后小輪到臺階邊緣的距離和。對兩組傳感器數(shù)據(jù)進行比較，系統(tǒng)判斷是否成立，為前導輪水平投影長度，成立的話輪椅便可攀爬此樓梯。兩個后輪各自安裝兩個向前和向后的測距傳感器，便于檢測上下樓時后輪到樓梯邊緣的距離。
4.2 驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方案
養(yǎng)老助殘機器人驅(qū)動控制方案流程如圖4.1所示。外部型號由測距傳感器信號、調(diào)速按鈕調(diào)速信號和操控手柄選擇模式信號組成。通過各自的通信口，外部信號輸出傳遞給控制器進行分析運算?？刂破魍ㄟ^總線將控制信號傳遞給兩個電動機驅(qū)動器，由此驅(qū)動電動機來帶動所連接的負載。輪椅機器人共有兩個電動機，分別用于驅(qū)動兩后輪運行，每個電機轉(zhuǎn)子位置可以由位置檢測裝置來檢測并反饋給電機驅(qū)動器，組成一個閉合環(huán)路。
圖4.1 養(yǎng)老助殘機器人驅(qū)動控制系統(tǒng)方案圖
4.3 驅(qū)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方案
養(yǎng)老助殘機器人有兩種運動模式：爬樓模式和平地運行模式，圖4.2和圖4.3分別為兩種模式的驅(qū)動控制軟件設(shè)計方案。開始輪椅機器人通電，測距傳感器開始工作，將地面狀況信號反饋給控制系統(tǒng)，此時乘員可以操控手柄切換運動模式：
（1）平地行駛模式。在平地行駛中，控制操控手柄可以實現(xiàn)輪椅左右轉(zhuǎn)彎、前后移動、調(diào)速和停止等功能。控制器輸出控制信號，驅(qū)動第一、二電機開始運轉(zhuǎn)。操縱手柄選擇右轉(zhuǎn)或左轉(zhuǎn)，控制器便會控制對應(yīng)的電機差速來轉(zhuǎn)彎。乘員可以操控手柄設(shè)定速度，控制器便會收到調(diào)速信號，通過控制器分別向第一電機和第二電機發(fā)送控制信號，減低或增加電機轉(zhuǎn)速處于目標速度。當測距傳感器信號顯示輪椅接近臺階時，控制器便會停止電機運轉(zhuǎn)，發(fā)出警報信號，通知用戶選擇切換模式按鈕切換為上下樓模式。
（2）爬樓梯模式。在爬樓運動模式下，系統(tǒng)首先上電初始化，通過讀取位置傳感器信號，判斷輪椅是否要進行爬樓模式。當傳感器的信號反饋給PID控制器后，機構(gòu)進行爬樓模式。這時，行星輪離合器鎖死，電機經(jīng)過鏈傳動直接驅(qū)動三角形爬樓機構(gòu)，使其通過不斷翻轉(zhuǎn)爬樓運動 。當爬樓過程結(jié)束時，控制器停止電機工作，可以將靠背恢復(fù)正常角度，再次進入平地行走模式。爬樓運動模式控制器軟件流程如圖4.3.2所示。
圖4.2 助行機器人平地運動模式軟件流程圖
圖4.3 助行機器人爬樓模式軟件流程圖
第5章 三維模型和運動演示
5 三維模型和運動演示
5.1 Creo2.0三維模型
Creo2.0軟件誕生于2011年10月，是由著名的美國PTC公司所開發(fā)的一款三維設(shè)計軟件。作為一款功能強大的三維軟件，Creo軟件受到了許多工程技術(shù)人員的認可，在很多制造領(lǐng)域中發(fā)揮著十分重要的作用[13]。Creo2.0具有易于使用，平臺開放和互操作性強等種種優(yōu)點，基于三維可視化技術(shù)，融合了三維設(shè)計、二維設(shè)計。零件建模和裝配仿真等強大功能，可以滿足各行各業(yè)的設(shè)計需求。綜上，對養(yǎng)老助殘機器人用Creo2.0進行三維建模是可行合理的。
對養(yǎng)老助殘機器人使用Creo2.0進行三維實體有以下過程：首先草繪特征草圖，然后生成各個零部件，接著對零部件總體裝配，最后導出工程圖。特征草圖是包括幾何尺寸、幾何關(guān)系和模型形狀的幾何圖形。Creo2.0使用基于特征方式進行三維建模，一般先使用拉伸、掃描和旋轉(zhuǎn)等方法建立基本特征，接著在所生成的基本特征上減少或添加材料方法來建立附加特征，比如倒角、圓角、抽殼和簡單直孔等處理方法，最終建立所設(shè)計的零件的模型[15]。
養(yǎng)老助殘機器人的三維模型包括以下主要部分：靠枕、車輪、車身、鏈條、踏板和座墊等。Creo2.0的零部件設(shè)計能力突出，而且裝配能力也十分出眾。完成各零部件設(shè)計之后，可以運用配合關(guān)系來指定各零部件和初始角度和相對位置，最后得到養(yǎng)老助殘機器人三維模型。
圖5.1 養(yǎng)老助殘機器人三維模型
5.2上下樓過程原理與演示
養(yǎng)老助殘機器人的平地運行狀態(tài)與普通電動輪椅一樣，都是兩個電動機分別驅(qū)動后輪，使用差速來進行轉(zhuǎn)向。如果遇到臺階，可以借由星型后輪不斷翻轉(zhuǎn)來正常行駛，通過調(diào)節(jié)靠背角度來使整車重心前移，保障安全。
養(yǎng)老助殘機器人上樓步驟如下（圖5.2）：
（1）前導輪靠近臺階邊緣時，進入輪椅上樓狀態(tài)。此時，應(yīng)該使輪椅停下來，調(diào)節(jié)座椅右邊的角度調(diào)節(jié)器使身體保持向前傾斜。
（2）再次啟動電動機，前導輪貼在臺階邊緣處，后輪不斷前進，前導輪就可以將車頭抬升起來。當后輪碰到臺階時，行星輪在電機驅(qū)動下不斷向上翻滾，逐級向上運行。
（3）當輪椅完成上樓工作時，應(yīng)將輪椅停下來，調(diào)整靠背角度至正常狀態(tài)。之后就可以繼續(xù)向前行駛。
助行機器人下樓梯原理與上樓相同，過程圖如圖5.3所示。
圖5.2 輪椅上樓過程
圖5.3 輪椅下樓過程
圖5.4 養(yǎng)老助殘機器人總裝圖
第6章 結(jié)語
6 結(jié) 語
本文所設(shè)計的養(yǎng)老助殘機器人采用的是行星輪式機構(gòu)，通過前導輪的支撐和行星輪不斷向上翻滾來實現(xiàn)爬樓的功能。輪椅是采用正向爬樓方式的，便于與乘員觀察前方狀態(tài)。爬樓和平地行走裝置采用同一個機構(gòu)，減少的電機的數(shù)量，節(jié)約設(shè)計空間。
但是在設(shè)計過程中，我發(fā)現(xiàn)設(shè)計出來的輪椅機器人還有許多不足，主要是使用時不夠人性化，比如輪椅上下樓前需要手動調(diào)節(jié)靠背角度，乘坐不太舒適；爬樓時前輪的磕碰會引發(fā)車體的顛簸，存在安全隱患等等，這些方面都有很大的改進空間。
參考文獻
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致謝
致謝
在畢業(yè)設(shè)計期間，我的指導老師鞠全勇教授在百忙之中給我提供了很多指導意見。從課題選擇到最后的論文答辯，鞠教授都經(jīng)常告知我論文上相應(yīng)的要求，提供了相關(guān)的參考文獻，細致地指出了我論文上不規(guī)范的地方并督促我加以改正。鞠教授在給我的指導意見中多次強調(diào)論文格式的重要性，這反映了一個學生在畢業(yè)設(shè)計上的態(tài)度是否端正。感謝鞠教授對我的耐心指導，讓我能夠順利完成本次畢業(yè)設(shè)計，祝愿鞠教授在學術(shù)上取得更多突破，也祝愿母校明天越來越好。