新型多功能爬樓梯小車設(shè)計

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畢業(yè)設(shè)計（論文） 畢業(yè)設(shè)計(論文) 課題名稱 新型多功能爬樓梯小車設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué) 號 學(xué)院年級專業(yè) 指導(dǎo)老師 職 稱  本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信承諾書 本人鄭重聲明： 所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本人簽名： 年 月 日 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）使用授權(quán)書 本人完全了解有關(guān)收集、保留和使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許畢業(yè)設(shè)計（論文）被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨籍厴I(yè)設(shè)計（論文）的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編畢業(yè)設(shè)計（論文）。保密的畢業(yè)設(shè)計（論文）在解密后遵守此規(guī)定。 本論文屬于： 1、保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。 2、不保密。 （請您在以上相應(yīng)方框打“√”） 作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 年 月 日 內(nèi)容提要 對于大多數(shù)人而言，上下樓梯搬運貨物是一件非常辛苦困難的事。即使已經(jīng)有手推車的存在，但其并不具備自動爬樓功能。針對這個問題,本文研究了一種載貨小車既可在平地使用,又可以上下攀爬樓梯的小車。 本文首先對爬樓梯小車的總體方案進行構(gòu)想。要設(shè)計爬樓梯小車就要構(gòu)想出小車的基本結(jié)構(gòu)框架。設(shè)想出小車應(yīng)該有攀爬機構(gòu)、重心調(diào)節(jié)機構(gòu)和原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)，并在此章節(jié)對這些機構(gòu)做出詳細介紹。 其次要提出爬樓梯小車爬樓裝置的設(shè)計方案，采用行星輪式結(jié)構(gòu)。小車選用全輪驅(qū)動的驅(qū)動方式。四輪驅(qū)動相比一般的兩輪驅(qū)動方式軌跡更穩(wěn)、效率更高，具備良好的實用性。爬樓小車的爬樓功能夠通過行星輪來實現(xiàn)攀爬樓梯,驅(qū)動電機選用步進電機。 再次，對小車的關(guān)鍵構(gòu)件進行設(shè)計分析。選擇合理的小車的貨箱，對小車的三星輪組尺寸進行設(shè)計分析以及對小車的原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)尺寸進行信息設(shè)計。 最后, 將運用 SolidWorks軟件完成對爬樓梯小車的三維模型建立，再進行小車爬樓梯過程演示，做出最后的小車優(yōu)化分析和總體評價。 Summary Moving up and down the stairs to carry the goods is a very difficult thing to do. Even if there is a trolley or something, but there is no automatic climbing function. In view of this problem, this paper studies an automatic unloading truck which can be used both on the flat ground and up and down the stairs, and has completed its mechanical structure and overall design. In this paper, the overall scheme of stair climbing trolley is conceived firstly. To design a stair-climbing car, we should conceive the basic structure frame of the car. It is envisaged that the car should have climbing mechanism machines, center of gravity regulators and in-situ steering institutions, and that these institutions should be described in detail in this section. Secondly, we should put forward the design scheme of stair climbing device, and adopt planetary wheeled structure. The car chooses the drive mode of the all-wheel drive. Compared with the general two-wheel drive mode, the four-wheel drive has a more stable trajectory and higher efficiency, and has good practicability. Climbing the building of the car can be achieved through the planetary wheel climbing stairs, driving the motor selection stepper motor. Thirdly, the key components of the small car are designed and analyzed. Choosing a reasonable small car container, the size of the Samsung Wheel group of the small car is designed and analyzed, as well as the size of the in-situ steering mechanism of the car for information design. Finally, we will used SolidWorks software to complete the three-dimensional model of stair climbing car, and then carry out the car climbing staircase process demonstration, make the final car optimization analysis and overall evaluation.  目錄 內(nèi)容提要 I Summary II 1緒論 1 1.1研究課題的背景 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3研究的主要內(nèi)容與方法 7 2爬樓梯小車的總體方案構(gòu)想 9 2.1小車攀爬機構(gòu) 9 2.2原地轉(zhuǎn)向機構(gòu) 12 2.3重心調(diào)節(jié)機構(gòu) 13 2.4本章小結(jié) 14 3爬樓梯小車的關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計 16 3.1執(zhí)行電機的選型 16 3.2爬樓梯小車貨箱選擇 20 3.3爬樓梯小車三星輪組的尺寸設(shè)計 20 3.4小車原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計 25 3.5本章小結(jié) 28 4爬樓梯小車的建模 29 4.1爬樓梯小車3D模型的建立 29 4.2爬樓梯小車爬樓演示 33 4.3本章小結(jié) 36 總結(jié)與展望 37 參考文獻 39 附錄 42 致謝 43 V 1緒論 1.1研究課題的背景 隨著我國城市化的快速發(fā)展，帶來的現(xiàn)象是樓梯房的崛起，土地資源短缺。但是在我國很多小型城市或者二十世紀以前的建筑樓層，還是以矮樓層為主，以及南方農(nóng)村的住房也是兩到三層的樓房。樓梯在給我們帶來好處的同時也為我們帶來了不便，對于老人來說上下樓梯本就困難，如果是手上還要提著東西那將會大大影響他們上樓梯的效率，還有對于有小孩的家庭，一般的嬰兒車不具備爬樓梯的功能，那么既要手上既要拿著貨物還要抱著小孩這大大增加了上下樓梯的安全隱患。我國是人口大國，近年來我國老齡化以及二胎政策的開放很對家庭都會面臨著怎么把貨物輕松搬上樓層的問題，上下樓梯不方便這個情況變得更加嚴重。 圖1.1所示是快遞業(yè)務(wù)情況。生活條件的變好，緊接著就是人們的消費水平提高。在互聯(lián)網(wǎng)時代的飛速發(fā)展下，人們掀起了一陣網(wǎng)購狂潮。快遞的大件小件成堆。對于沒有設(shè)置電梯的居民來說如何將這些大件快遞搬運上樓也成了大家的困擾。 圖1.1 2018年1月到12月快遞業(yè)務(wù)情況 如圖1.2所示的是我國5歲以下的幼兒數(shù)量統(tǒng)計。隨著二胎政策的開放，更多的家庭都新添了小孩子。問題又來了，在照看小孩子的過程中不管是家里老人還是自己，上下樓梯都存在一定的安全隱患。因為要面對一手拿著貨物一手抱著孩子的情況，對于樓層在五到八層的人們來說這個問題往往讓他們苦不堪言。 圖1.2 2012-2018年我國5歲以下幼兒統(tǒng)計 隨著時代的發(fā)展，人們不斷的追求高品質(zhì)的生活。讓爬樓梯變得更輕松，能夠空手不用提著貨物爬樓梯是人們心中共同希望能夠?qū)崿F(xiàn)的事。因此，研發(fā)既能載人的也能載物的爬樓梯小車的理念也開始出現(xiàn)。對于一些經(jīng)濟條件不夠富裕和農(nóng)村的人們來說，高昂的價格不會被大眾所接受。和國外相比較，我國對爬樓載物車方面的研究起步很晚，只有小部分開始研發(fā)了相關(guān)的爬樓梯裝置或者輪椅，并已經(jīng)有了小規(guī)模的使用，其產(chǎn)品的價格也要比國外低廉一些。但是國內(nèi)的技術(shù)還是存在著不足，生產(chǎn)的產(chǎn)品功能較少，不能夠滿足人們對產(chǎn)品在實用和操作性方面的需求。爬樓梯存在的主要問題就是樓層的高度和上下樓梯的負重，樓層高度不可能直接解決，那么只有對上下樓梯的負重進行解決。如何減輕負重，其實就是需要一個幫忙搬運貨物的多功能爬樓梯小車，因此設(shè)計出一種使用方便、成本較低、結(jié)構(gòu)優(yōu)良、載物能力較高等的爬樓載物小車是必要的。新型多功能爬樓梯小車能夠?qū)崿F(xiàn)在平路正常行駛的情況下也能具有良好的攀爬功能，能在攀爬過程中做到平穩(wěn)、快捷、方便，并實現(xiàn)爬樓和平地行走轉(zhuǎn)換。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 爬樓梯小車最主要是為了解決人們上下樓梯搬運貨物的情況。國外在樓梯攀爬這一方面很早就領(lǐng)先與我們。其中的美國、歐洲和日本名列前茅。隨著我國近些年來科技的發(fā)展進步迅速，以及國家對科研的支持，我國科研人員在近些年內(nèi)也取得了十分顯著的成果，很多有關(guān)于爬樓梯的專利不斷涌現(xiàn)，特別是爬樓梯輪椅的設(shè)計更是層出不窮。由于此設(shè)計受到各方面因素的限制，很多企業(yè)或者個人對此設(shè)計大多都停留在研究這一層面，只有很少的研發(fā)成品被研發(fā)出來并投入到市場使用，但占用的市場份額確實極少的，而且這些成品自動化程度較低還存在很多不足。已知的攀爬樓梯裝置可以分為：行星輪式、步行式、輪履復(fù)合式和輪腿復(fù)合式。 1.2.1行星輪式 行星輪式輪椅的攀爬原理行星輪組的交替翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，且應(yīng)用較為廣泛。攀爬樓梯過程中，輪組中的星輪隨行星架繞中心軸公轉(zhuǎn)；地面工作狀態(tài)下，行星架相對于中心軸靜止，接地面的星輪繞軸線轉(zhuǎn)動。按照行星輪組數(shù)的不同可以分為單輪組式和雙輪組式。 目前比較完善的行星輪式爬樓梯輪椅是美國人發(fā)明的“IBOT”單輪組式智能輪椅，如圖 1.3(a)所示?！癐BOT”的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，動作靈活、對空間的利用率較高。但由于其3萬美元的昂貴價格導(dǎo)致銷量不佳，在2009年公司宣布停產(chǎn)。轉(zhuǎn)機發(fā)生在2016年5月，IBOT輪椅的研發(fā)團隊DEKA研發(fā)公司宣布將于豐田汽車北美公司共同合作，一起研發(fā)新一代IBOT輪椅，IBOT輪椅或?qū)⒃俅卧谑袌錾舷破鹨魂囷Z風(fēng)。 我國國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的“旭威”單輪組式爬樓梯輪椅，如圖 1.3(b)所示。這款產(chǎn)品功能實現(xiàn)為半自動化。這種輪椅在攀爬過程中要有輔助人員的幫組。輪椅采用36v電源動力，可載重 120kg每分鐘攀爬26級臺階，同時還具有可折疊功能。行星輪組可以在原有基礎(chǔ)上進行機構(gòu)變形是這款產(chǎn)品設(shè)計的一大亮點，然后利用輔助星輪在行星輪組翻轉(zhuǎn)時進行過渡，這樣就能使攀爬動作更加平穩(wěn)，減小乘坐者的顛簸感。“旭威”雖然自是半自動化產(chǎn)品不具備國外產(chǎn)品的智能化程度，但此輪椅6000元左右的價格使其更加容易走進尋常百姓家庭。 日本科學(xué)家發(fā)明的“Freedom”是典型的雙輪組式爬樓梯輪椅，如圖 1.3(c)所示?！癋reedom”驅(qū)動系統(tǒng)集成與輪椅后橋，利用差動離合原理實現(xiàn)兩種工作狀態(tài)。平地工作時由電機驅(qū)動輪椅前進；攀爬樓梯時星輪保持自轉(zhuǎn)的同時繞后橋中心軸交替翻轉(zhuǎn)。但由于“Freedom”體積大、驅(qū)動系統(tǒng)復(fù)雜，還有著昂貴的價格，這個產(chǎn)品的使用的范圍和前景都有所限制。 （a） （b） （c） 圖1.3行星輪式輪椅 對上文分析可以知道，實現(xiàn)控制單輪組式爬樓梯輪椅的穩(wěn)定性是比較復(fù)雜的而且基本都是半自動化，此類裝置在攀爬樓梯的過程中，基本上都需要借助外力協(xié)助才能完成攀爬。因為行星輪式攀爬機構(gòu)的自身特點，輪椅在攀爬樓梯時會產(chǎn)生一定的起伏波動，乘坐體驗效果會不佳。并且行星輪式爬樓梯輪椅適應(yīng)臺階尺寸的能力較差，一旦設(shè)計不恰當(dāng)就會很容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。 1.2.2步行式 步行式爬樓梯輪椅的原理是利用仿生學(xué)，設(shè)計出多條機械腿，通過交替升降來驅(qū)動輪椅完成爬樓動作。對樓梯障礙有著很強的適應(yīng)性，運動平穩(wěn)，安全可靠性高是這種機構(gòu)的優(yōu)點?？萍技夹g(shù)的不斷進步，我認為這種步行式爬樓輪椅具有非?？捎^的前景。 世界上第一臺能夠?qū)崿F(xiàn)載人步行的兩足步行機器人“WL-16”，是由日本早稻田大學(xué)教授高西淳夫等人研發(fā)成功。如圖 1.4(a)所示， Stewart 平臺為腿的那一部分，腿部部分擁有六個自由度，每條連桿包含一個直線驅(qū)動器和兩個被動的關(guān)節(jié)。與通常串聯(lián)關(guān)節(jié)式的腿部機構(gòu)相比，這樣的結(jié)構(gòu)雖然保證了機器人在大負重情況下的穩(wěn)定性，但在某種程度上犧牲了兩足機器人的靈活性。 韓國某一研究所開發(fā)出“HUBO FX-1”步行式機器人如圖 1.4(b)所示，這個產(chǎn)品有12個自由度，髖關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)各1個，踝關(guān)節(jié)各2個，3軸感應(yīng)器安裝在每個關(guān)節(jié)，承載力的大小和方向能夠被精確地感應(yīng)出來。 我國只有上海交通大學(xué)對步行機器人的研究較早，早在 2004年就開始了研發(fā)設(shè)計。國家也對這個項目表示支持，研發(fā)出的載人兩足步行機器人“JWCR”有12個自由度。如圖 1.4(c)所示，研發(fā)這款機器人能夠像人一樣行走。 （a） （b） （c） 圖1.4步行式爬樓梯輪椅 步行式爬樓輪椅同樣也存在著一些問題：這一類產(chǎn)品自重大，而且承載能力較差；實現(xiàn)功能動作需要極其繁雜的過程，操作控制系統(tǒng)也需要較高的要求；由于該產(chǎn)品體積龐大，整體重心也比較高，會讓使用者操作不方便，體驗感較差 1.2.3輪履復(fù)合式 單一的履帶行走系統(tǒng)組成早期的履帶式爬樓梯裝置，自身較重、運動靈活性差是這一類機構(gòu)的缺陷。但是它可以適應(yīng)各種路況的能力極強且運行平穩(wěn)，使人們無法摒棄。經(jīng)過多年的研究總結(jié)，科研人員將傳統(tǒng)的單一履帶式結(jié)構(gòu)改進成為新型的輪履復(fù)合式爬樓梯輪椅，使其既可以在地面行走又可以攀爬樓梯。 瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）和蘇黎世藝術(shù)學(xué)院的學(xué)生們共同研發(fā)了“Scalevo”。如圖 1.5(a)所示，“Scalevo”在地面行駛時，兩個輪子的平衡性是利用了水平傳感器，安裝電機來驅(qū)動。攀爬樓梯時，履帶會先和地面發(fā)生接觸，并鉤住每級臺階，推動輪椅前進。這款產(chǎn)品的優(yōu)點就是穩(wěn)定很好，乘坐者有很好的乘坐體驗。 法國公司生產(chǎn)的TopChair-S”電動輪椅,如圖1.5(b)所示，四個車輪可以在正常情況下平地運行使用，使用者可以通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面,然后將四個車輪收起,依靠履帶便能自動完成爬樓。 誠信公司設(shè)計的一款電動爬樓梯輪椅，既能攀爬樓梯又能當(dāng)作擔(dān)架使用，這是一種便攜式爬樓輔助工具。如圖 1.5(c)所示，對于行動不便的人乘坐這款產(chǎn)品時，需要在他人幫助下來保持平衡，這款產(chǎn)品利用履帶的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)攀爬樓梯。此輪椅最大的優(yōu)勢是價格比較低，適合大眾人使用。 （a） （b） （c） 圖1.5輪履復(fù)合式輪椅 履帶式的結(jié)構(gòu)的特點是高傳動效率,重心波動很小,運動過程平穩(wěn)，應(yīng)用范圍較廣，但是由于此種結(jié)構(gòu)自重大、比較笨重且會對樓梯臺階造成一定的損害，并發(fā)生噪聲不利于人們的生活，限制了對此產(chǎn)品的推廣使用。 1.2.4輪腿復(fù)合式 輪腿復(fù)合式爬樓梯輪椅是結(jié)合普通輪椅和仿生步行機器人，在平坦路上就正常的驅(qū)動輪子行走，在攀爬樓梯的時候采用機器人像人一樣用兩天平穩(wěn)的腿攀爬樓梯[24.25]。兩種行走方式的相互結(jié)合使輪椅車身的自重及體積大大減小，同時讓該裝置在任何情況下都變得很靈活。 2012 年 10 月由日本千葉工業(yè)大學(xué)研發(fā)的新型輪椅機器人“RT-Mover”。如圖 1.6(a)所示既可以像普通的輪椅一樣在平坦路面通過車輪滾動前進，還可以模仿人支撐腿動作，輕松爬上較高的樓梯臺階，爬樓梯就像正常人一樣用腿邁過臺階上樓。 日本長崎大學(xué)機械工程系的科研人員也研究了一種爬樓梯裝置。圖1.6(b)，液壓操作桿和前后兩組星型輪組成這種裝置。產(chǎn)品在平地行走的時候，操作桿能夠折疊起來放置在座椅底部，這樣便能節(jié)省空間。該產(chǎn)品有競爭力的優(yōu)勢是爬樓幅度較高，甚至能自動上下卸貨。 德國 AAT 公司也開發(fā)一款爬樓梯裝置“C-max”如圖 1.6(c)。將步進式機器人的支撐爬樓原理與普通電動輪椅的完美結(jié)合?！肮ぁ毙筒竭M支撐腿是這個技術(shù)的專利核心，支撐腿是模仿人在上下樓梯時的姿態(tài)，研發(fā)人員利用凸輪機構(gòu)往復(fù)支撐輪椅車身來達到攀爬樓梯的目的。 （a） （b） （c） 圖1.6輪腿復(fù)合式爬樓梯輪椅 這種將步進式機器人和普通輪椅結(jié)合的設(shè)計有實現(xiàn)的可能，但是傳動機構(gòu)復(fù)雜，還要集成度很高的模塊化結(jié)構(gòu)以及研發(fā)這種裝置的控制系統(tǒng)需要較高的成本，這就導(dǎo)致這種裝置在售價上不會很便宜，并不能被普通民眾所接受。 1.3研究的主要內(nèi)容與方法 通過對爬樓梯輪椅國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的研究，可以看到大多數(shù)產(chǎn)品目前還停留在實驗室或是少數(shù)定做的階段,而且更多的都是在研發(fā)爬樓梯輪椅,爬樓梯輪椅的市場推廣還要考慮大眾消費者的實際條件。而我要考慮設(shè)計的是一款新型多功能爬樓梯的小車,是為了解決上下樓梯搬運貨物的問題。要確保小車具備一定載貨量的同時還同時具備多種功能。例如自動卸貨、貨架和購物車結(jié)合起來有一個位置可提供小孩子乘坐并有一定的安全性。簡化小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低生產(chǎn)成本，方便日后維修保養(yǎng)。本文在比較各種類型爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點后，設(shè)計一款多功能爬樓梯小車，主要是具備多種功能。 本文的章節(jié)安排如下： 第一章為緒論部分，主要介紹了本文的研究背景、研究意義以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了不同種類爬樓梯輪椅的優(yōu)缺點，為論文的研究方向做好鋪墊工作。 第二章介紹的是小車總體方案的構(gòu)想，總結(jié)以往爬樓梯裝置的優(yōu)缺點，確定本次小車主要結(jié)構(gòu)的組成由攀爬機構(gòu)、重心調(diào)節(jié)機構(gòu)、原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)以及動力系統(tǒng)，并對其每一個機構(gòu)的特點原理進行介紹分析。 第三章介紹了爬樓梯小車的關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計。小車的貨箱選擇，小車三星輪組的具體尺寸設(shè)計，還有小車原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)的功能尺寸設(shè)計。 第四章介紹的是針對小車功能的實現(xiàn)，經(jīng)過計算分析得出關(guān)鍵構(gòu)件的具體尺寸。最后在運用Solid Works進行三維建模和小車爬樓梯演示過程。 最后為總結(jié)與展望。對本文所做出的研究與設(shè)計工作做出一個總結(jié)，提出對該設(shè)計的下一階段的研究改進工作。 2爬樓梯小車的總體方案構(gòu)想 由上文對國內(nèi)外現(xiàn)狀分析可以知道攀爬樓梯機構(gòu)分為行星輪式、步行式、輪履復(fù)合式和輪腿復(fù)合式四種類型。其中步行式與輪腿復(fù)合式攀爬機構(gòu)的優(yōu)點是能夠適應(yīng)多種樓梯類型，在運動過程中也比較平穩(wěn)，缺點是這兩種攀爬機構(gòu)是由復(fù)雜的機構(gòu)組成而且其系統(tǒng)控制使其研發(fā)成本很高，導(dǎo)致最后的高額售價讓普通人難以接受。輪履復(fù)合式攀爬機構(gòu)同樣存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，且履帶有著較大的自身重量，工作效率也不高，還會產(chǎn)生噪音。行星輪式攀爬機構(gòu)相對于來說設(shè)計結(jié)構(gòu)原理比較簡單，容易加工維護，既可以在平路自由行走又可以爬樓梯。 通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析，我決定在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，將會設(shè)計一款新型多功能行星輪式爬樓梯小車。該小車在正常工作情況下應(yīng)該做到攀爬不發(fā)生滑落。而且其價格低廉，小車還具備多種功能方便使用者使用，具體要做到以下設(shè)計要點： （1）小車要必須具備平路行駛和樓梯攀爬這兩種功能，爬樓梯小車可以自動切換不需要使用者手動更換模式。同時，對于爬樓梯小車的動力系統(tǒng)要盡可能簡單，動力效果好，在攀爬樓梯過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且電機轉(zhuǎn)速低扭矩大。 （2）小車作為新型多功能爬樓梯裝置主要是為了運載貨物，載貨要符合載重要求，還應(yīng)該具備多種功能，例如自動卸貨、小孩子乘坐，貨架可以設(shè)置掛鉤方便掛雨傘、帶子書包等。 （3）小車還應(yīng)該具有重心調(diào)節(jié)功能。因為貨物的形狀是不同的，疊放在一起會改變小車的重心位置。重心調(diào)節(jié)功能將小車行駛時座椅的重心位置控制在安全范圍以內(nèi)，使用者還能通過調(diào)節(jié)重心位置來使小車在各種狀態(tài)下的行駛性能達到最優(yōu)。 （4）原地轉(zhuǎn)向功能是小車應(yīng)該具備的，方便小車在狹小的空間內(nèi)行駛時進行方向調(diào)節(jié)。 根據(jù)以上幾點，本次構(gòu)想的爬樓梯小車的機構(gòu)主要有攀爬機構(gòu)設(shè)計、動力裝置選擇、原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計分析、重心調(diào)節(jié)機構(gòu)和。 2.1小車攀爬機構(gòu) 此次爬樓梯設(shè)計是選用行星輪組作為攀爬樓梯機構(gòu)的主要部分。目前在現(xiàn)有的行星輪式爬樓梯裝置中，星輪的個數(shù)大多在五個以內(nèi)。星輪個數(shù)的增加，會使爬樓梯小車在攀爬樓梯時穩(wěn)定性更好，但小車的車身體積也會隨之增大。為了讓小車車身體積減小、重量輕且爬樓穩(wěn)定的要求，本設(shè)計采用三星輪組來實現(xiàn)小車的攀爬功能。 現(xiàn)有的爬樓梯裝置設(shè)計中，基本上都是設(shè)計的爬樓梯輪椅，這樣會考慮乘坐者在乘坐輪椅攀爬樓梯時的坐姿方向。而本設(shè)計是設(shè)計多功能爬樓梯載貨小車，所以不用考慮乘坐者的感受，需要考慮的僅僅是貨物的載重和貨箱的空間結(jié)構(gòu)。因。為了使小車在攀爬過程中不會發(fā)生滑落現(xiàn)象導(dǎo)致貨物損害，本文決定選用前后三星輪組同步翻轉(zhuǎn)的四輪驅(qū)動方式。 圖2.1小車攀爬機構(gòu)俯視圖 如圖 2.1 所示，小車的前后各有一對三星輪組，并在三星輪組的內(nèi)側(cè)三星板上面有鏈輪來傳遞動力。電機直接驅(qū)動后橋的三星輪組，通過鏈傳動就可以直接帶動前橋三星輪組進行翻轉(zhuǎn)運動。當(dāng)鏈輪系統(tǒng)傳動比為 1 時，前后三星輪組的運動就會達到同步。這樣就可以使輪椅的攀爬動力輸出更合理，還能提高攀爬效率，而且小車的攀爬動作還具有周期性，很方便對小車爬樓軌跡進行控制。鏈傳動簡單實用，具有良好的受力性能以及精確的的傳動比，由于小車是載貨小車，不具備很快的攀爬速度，所以不用設(shè)定小車的速度。還可以對鏈傳動噪聲進行優(yōu)化改進，盡量減小噪聲。 圖2.2小車攀爬機構(gòu)正視圖 如圖 2.2 所示，步進電機固定在車架上作為小車上下樓梯時的動力源。步進電機擁有自身在一定轉(zhuǎn)速下可以穩(wěn)定保持最大輸出扭矩的特點，再經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器進一步減速增扭，就可以將低速大扭矩動力雙向輸出到后橋三星輪組。為了加長蝸輪蝸桿減速器的輸出距離，減速器的兩個輸出軸可以通過聯(lián)軸器與后橋的兩個半軸相連接。 棘輪安裝在輪椅后橋半軸上，可以利用手動拉桿拉動鎖止棘爪，這樣會對棘輪機構(gòu)進行鎖止，小車在爬樓過程中三星輪組就只能進行向前翻轉(zhuǎn)。 為了防止小車在載貨爬樓梯過程中發(fā)生滑落等安全問題，小車的輪胎要有著較大的摩擦系數(shù)，在攀爬樓梯過程星處于自鎖狀態(tài)。通過控制前橋減速電機，來實現(xiàn)前橋每個星輪可以隨意切換自鎖和自由兩個模式。 如圖2.3所示為三星輪組的齒輪箱。齒輪箱內(nèi)部是采用二級齒輪傳動，每個齒輪的齒輪軸都與兩側(cè)三星板軸承和齒輪鍵連接，齒輪箱最外側(cè)齒輪軸與星輪內(nèi)孔鍵連接。中心齒輪軸和齒輪箱的三星板相對固定，利用棘輪鎖止機構(gòu)的功能可以讓星輪在齒輪傳動的作用下無法自由轉(zhuǎn)動，就能達到攀爬樓梯星輪鎖死的要求。 圖2.3齒輪箱視圖 2.2原地轉(zhuǎn)向機構(gòu) 爬樓梯小車載貨過程中，不僅僅只是為了爬樓梯這一用途，那么在實際生活中這個小車難免經(jīng)常會在比較狹小的空間里進行大幅度的轉(zhuǎn)彎，特別是在小車攀爬樓梯的過程中完成一階段樓梯就需要在樓梯轉(zhuǎn)彎處進行 180的掉頭轉(zhuǎn)彎，為了下一階段上下樓梯調(diào)整一個合適的方向。如果小車缺乏原地轉(zhuǎn)向功能，那么使用者使用起來會顯得非常不方便，如果載重量較大的話遇到這種情況就更麻煩，必須有人協(xié)助才能使用，體現(xiàn)不了設(shè)計的的自主性和智能化，所以小車的原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)顯得尤為重要。 此次設(shè)計原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)的大致步驟是先將整個小車車身原地撐起，再利用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)整個小車的原地轉(zhuǎn)向。我們一般所用到升降裝置的升降高度與原始尺寸是成正比關(guān)系，也就會說升降高度的增加會導(dǎo)致升降裝置的自身尺寸也跟著增大。當(dāng)小車在地面正常行駛或攀爬樓梯時，小車底盤為了不與地面發(fā)生摩擦碰撞，應(yīng)保持一定的最小離地高度。由于小車底盤到最小離地高度平面間的豎直空間較小，而最小離地高度平面與地面間的距離又相對較大，小車僅僅是用推桿電機是無法在有限尺寸空間里完成大距離的升降。本次設(shè)計引入連桿機構(gòu)，將較小的推桿行程通過連桿機構(gòu)進行行程放大。這樣就不僅滿足了本次對小車的設(shè)計要求，而且較小的的推桿行程也意味著可以在較短的時間內(nèi)完成車身支撐，從而提高原地轉(zhuǎn)向效率 圖2.4原地轉(zhuǎn)向機構(gòu) 如圖 2.4所示，此次設(shè)計的原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)是由連桿電機、推桿機構(gòu)、輪轂電機和橡膠輪共同組成。整個原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)都是利用固定圓盤與爬樓梯小車車身底盤固連。推桿電機的推桿是朝地面方向推進，推桿電機底座與固定圓盤利用螺栓固定，固定圓盤與地面保持平行。同時，固定圓盤還固連著連桿機構(gòu)的機架桿，并利用穩(wěn)定環(huán)增強機架桿受到彎矩時的穩(wěn)定性。推桿電機的推桿與連桿鉸接圓盤固定連接，使連桿鉸接圓盤可以隨推桿上下移動。要讓機構(gòu)穩(wěn)定性好并且重量盡量減小的話，原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)就要選用4根曲柄支撐桿來支撐小車。在一根支撐桿上面安裝輪轂電機，另外三根支撐桿安裝的是一般的橡膠輪胎，而且每個輪子都要垂直于地面接觸。 當(dāng)小車在工作時如果遇到原地旋轉(zhuǎn)的情況，首先就要利用爬樓梯機構(gòu)，要讓小車的整個底盤現(xiàn)對于原來有一定的提高，同時推桿電機的推桿推動連桿鉸接圓盤向下移，連桿鉸接圓盤也帶動4 根支撐桿進行下旋。支撐桿上連接的輪轂電機及輪子在推桿電機伸長至最大行程時，隨支撐桿轉(zhuǎn)動至最下方位置。再利用推桿電機的自鎖性，連桿機構(gòu)將小車原地撐起，三個橡膠輪在輪轂電機的帶動下，拖動整個小車做圓周運動。在小車完成原地旋轉(zhuǎn)后，再利用攀爬樓梯機構(gòu)將整個車身高度升高，推桿電機的推桿把各個支撐桿收回至原始位置。最后降低車身高度，使小車回到地面行走狀態(tài)。 2.3重心調(diào)節(jié)機構(gòu) 因為是載貨小車，且貨物的不同形狀裝入貨箱會讓小車的重心位置發(fā)生很大的變化，在攀爬樓梯的過程中很容易發(fā)行安全事故。所以小車整體的重心位置對小車所運載貨物的安全和小車機械機構(gòu)都有著很重要的關(guān)系。小車在原地轉(zhuǎn)向時，小車整體重心位置就應(yīng)該控制在支撐點連接圓的圓心附近，這樣就能保證輪椅原地轉(zhuǎn)向時的平穩(wěn)，同時提高整個連桿機構(gòu)的受力性能。小車在地面行走時，底盤的的前橋和后橋就要合理的分配重力，這樣是為了防止小車在行駛時驅(qū)動輪打滑。小車在上下樓梯時，貨箱和貨物的整體重心位置會發(fā)生變化從而引起前橋軸和后橋主軸承受輸出扭矩及彎矩的變化。小車車身是整體左右對稱，重心調(diào)節(jié)機構(gòu)是對貨物重心位置相對車身來進行前后調(diào)節(jié)，從而讓小車在各個行駛狀態(tài)下有著最佳性能。 圖2.5重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) 如圖 2.5所示，重心調(diào)節(jié)機構(gòu)是將齒輪齒條傳動和直線滑軌機構(gòu)結(jié)合在一起?；壍耐廛壒潭ㄔ谧握{(diào)平機構(gòu)的內(nèi)齒圈底部，滑動外軌的外側(cè)安裝一根齒條?；壍膬?nèi)軌固定在小車車架上面。小車車架上安裝一臺外接齒輪的渦輪蝸桿減速電機，這樣齒輪與滑動外軌的齒條就相互嚙合。電機開啟時，滑動外軌就在齒輪齒條傳動下帶動小車座椅相對車身作前后移動，使用者通過對減速電機的控制來調(diào)節(jié)至不同行駛狀態(tài)下的貨物的重心位置。 2.4本章小結(jié) 本章主要對爬樓梯小車的總體進行一個構(gòu)想如下： （1）閱讀大量文獻參考國內(nèi)外所研究的類似產(chǎn)品，構(gòu)想出本次設(shè)計爬樓梯小車的總體機構(gòu)框架 （2）小車的攀爬機構(gòu)，選用行星輪組作為主要部分。并選用前后三星輪組同步翻轉(zhuǎn)的四輪驅(qū)動方式。 （3）重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)重心避免在上下樓梯時發(fā)生傾覆。 （4）原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)。遇見狹窄地方或者樓梯拐角處，利用原地轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行轉(zhuǎn)向使用會變得很方便。  3爬樓梯小車的關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計 3.1執(zhí)行電機的選型 3.1.1電機功率計算 根據(jù)裝置要實現(xiàn)平地和爬樓兩種不同的運動情況,計算輪驅(qū)動電機所需的功率。設(shè)裝置本身的質(zhì)量為25㎏,載貨量最大不超過60㎏,因此裝置本身和貨物的總質(zhì)量上限為85㎏。通過《機械設(shè)計手冊》就曉得了，實心橡膠輪胎在優(yōu)質(zhì)路面上滾動摩擦系數(shù)μ為0.05[31]。由于是載貨小車，所以對小車的速度要求并不高。出于對安全的考慮，我將小車平地行駛時最大速度設(shè)置為 3.6kmh，規(guī)定上下坡的最大速度為1.8kmh 假設(shè)最大行駛坡度為8。爬樓梯小車在攀爬樓梯時每分鐘可以攀爬 9 級臺階。 小車在地面行走時，電機輸出的扭矩經(jīng)三星輪組齒輪箱傳遞到驅(qū)動輪，驅(qū)動輪在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tt的作用下對地面作用圓周力F0，當(dāng)小車與地面作純滾動運動時。在靜摩擦力的作用下，地面對驅(qū)動輪的反作用力 Ft，F(xiàn)t就是小車的驅(qū)動力。 Ft=Ttr=Teiηr （3.1） 式中：Te—電動機輸出扭矩，N.m； i—減速器傳動比； η—傳動系統(tǒng)的機械效率。 小車在地面行駛時，小車的驅(qū)動力和阻力有平衡關(guān)系[32]，平衡方程為： Ft=Ff+Fw+Fi+Fj （3.2） 式中:Ff—小車地面行走時的星輪滾動阻力，N; Fw—小車地面行走時的空氣阻力，N; Fi—小車地面行走時的坡度阻力，N; Fj—小車地面行走時的加速阻力，N。 地面行走狀態(tài)下小車的速度很低，忽略空氣阻力Fw。小車輪子的滾動阻力和小車地面行走時的坡度阻力計算如下： Ff=Gcosθμe （3.3） Fi=Gsinθ （3.4） 式中：G—小車和貨物總重力，N; θ—小車地面行駛坡度。； μ—小車輪胎與地面的摩擦系數(shù)； r—星輪半徑，mm。 爬樓梯小車從靜止加速到一定的運動速度時存在加速阻力為： Fj=Kmdvdt （3.5） 式中：K—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； m—小車和貨物的總質(zhì)量，kg； dvdt—小車的行駛加速度，ms2。 將式子聯(lián)立能夠算出： Teiηr=Gcosθμe+Gsinθ+Kmdvdt （3.6） 當(dāng)小車將要達到最大行駛速度v時，仍然會存在加速阻力，因此小車平地行駛所需要的最大功率P為： P=Ftv=Teiηr=Gcosαδr+Gsinα+kmdvdt （3.7） 在上面所得式中，取G=850N,m=85kg,δ=0.05,k=1。 小車在平地行駛時，坡度α=0，r=70mm,v=2ms, dvdt=0.2ms2,那么小車在平地行駛時的功率為P1為114w。 但考慮到實際情況，由于小車的功能是載貨而且是為了解決爬樓梯載貨，那么當(dāng)小車在平地行駛時，更多的是和商場購物車一樣的功能，反而是被使用者雙手推著走，小車在平地被使用時，更多的處于斷電狀態(tài)。在這里所計算的小車平地行駛的最大功率是為了方便在特殊情況下小車需要在平路自動行駛，例如在遇到有一定坡度的路面上就需要小車通電行駛。 爬樓梯小車在上樓梯的時候?qū)嶋H上是將電能轉(zhuǎn)化為重力勢能的過程。小車的三星輪組上樓梯時需要進行翻滾，在與地面接觸時小車的輪子只做純滾動運動，滾動摩擦力偶極小所以忽略不計，小車攀爬樓梯時所需要的電機平均輸出功率就是重力對小車輸出功率的絕對值。因此，爬樓梯時小車所需要的平均輸出功率P0為： P0=Gvsinα （3.8） 式中v是小車沿樓梯上升的平均速度，v和小車每分鐘攀爬樓梯的高度h與時間t的比值，即： vsinα=ht （3.9） 由設(shè)計可得，小車每分鐘可以爬上9級臺階，每級臺階高為160mm，所以可以得出h=1440mm，t=60s ，將這兩個數(shù)據(jù)帶入到上面的兩個式中可以計算得到： P0=22.4w 小車在攀爬樓梯的過程中，小車車身和貨物的重心位置會隨著三星輪組的翻轉(zhuǎn)而上下起伏，電機輸出扭矩的大小每一時刻都不容易被確定，我們可以對小車上樓梯過程中電機輸出扭矩的最大值Tmax進行求解。假設(shè)一下小車的三星輪組始終保持水平在翻轉(zhuǎn)過程中，小車攀爬樓梯時電機需要輸出的最大扭矩Tmax就是小車三星輪組中心軸承受的最大作用力與最大作用距離的乘積。乘坐者和輪椅的總重力 G是三星輪組承受最大作用力，行星架的長度 R為最大作用距離，小車在攀爬樓梯時電機輸出的最大瞬時功率為： P2=GR2πn60 (3.10) 將所得數(shù)據(jù)代入：G=850N,R=120mm,n=3可以計算得出: P2=32w 3.1.2選擇小車電機 由上文已知小車在地面行走所需最大功率為 114W，綜合考慮功率儲備和傳動效率，最小電機功率P3為： P3=P1K1η (3.11) 上式中：η—總傳動效率； K1—功率儲備系數(shù)； 在這里取η=0.8；K1=1.1,那么可以得到P3=152W。 設(shè)計兩臺相同的電機作為該設(shè)計的動力系統(tǒng)，每一臺電機的功率都要大于等于76W。我選取的電機為MY1016Z-100W24V，電機的最大輸出功率為100W。因為設(shè)計的小車的平地行走的最大速度v為 3.6km/h，那么可以得到減速電機的最大輸出轉(zhuǎn)速為： n=v106120πr=128rmp 然后將小車在坡面行駛時的最大設(shè)計速度帶入式（2-14）中，可以得到小車在坡面行駛時的電機轉(zhuǎn)速為64rmp。 攀爬過程中，電機輸出功率會發(fā)生變化，所以攀爬電機的功率不能低于小車在攀爬樓梯時的最大瞬時功率，在此同時電機還能保持3rpmmin。所以爬樓梯小車的電機需要選擇一種低速大扭矩電機。一般的直流無刷電機的轉(zhuǎn)速高達3000rpm，那么減速器的減速比應(yīng)該為1000:1。減速比過大會導(dǎo)致減速器體積急劇增大，不符合國家標準規(guī)定。步進電機具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點可以成為小車爬樓梯電機的最佳選擇。要將步進電機的扭矩雙向輸出至后橋三星輪組，在這里選用與電機匹配良好的雙向輸出蝸輪蝸桿減速器。 本文選取的步進電機功率在考慮機構(gòu)傳遞效率及功率儲備情況下的最小輸出功率P4為： P4=P2K2η (3.12) 取K2=1.2；η=0.75；那么P4=68W。 因此選擇應(yīng)用較為廣泛的 86BYG250H86 型步進電機，電機在轉(zhuǎn)速雖然低于200rmp，最大扭矩輸出還是有12Nm。由最大扭矩輸出T計算出電機減速之前轉(zhuǎn)速最小值為： n1=60P42πT=63rp 因為渦輪蝸桿減速器的減速比大多都為5的整數(shù)倍，因此選擇市面常見的NMRV050 型雙輸出渦輪蝸桿減速器，它的減速比為25。由此能夠推算出步進電機在小車攀爬樓梯時的轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在70rpm。 3.2爬樓梯小車貨箱選擇 小車的貨箱是小車的核心結(jié)構(gòu)，貨箱用于載貨。本文設(shè)計的小車的貨箱設(shè)計理念是以超市購物車為設(shè)計原型。小車貨箱既能裝載一定的貨物還留有幼兒乘坐的位置，將兩者結(jié)合大大的方便了人們的日常生活。 如表3.1所示是一些貨架的尺寸參數(shù)以及材料結(jié)構(gòu)： 表3.1貨箱基本內(nèi)容與參數(shù) 單位：（mm） 內(nèi)容項目 基本參數(shù) 金屬貨架 日式貨架 雙層貨架 便攜式貨籃 575*490*350 590*484*463 850*510*440 868*496*527（75L） 由表中數(shù)據(jù)可以選擇便攜式貨籃868*496*527（75L）作為本次設(shè)計爬樓小車的貨箱。 參考《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標準》的內(nèi)容規(guī)定[33]，選取樓梯高度為 160mm，寬度為 320mm 是本次設(shè)計的樓梯標準。 3.3爬樓梯小車三星輪組的尺寸設(shè)計 三星輪組是此次設(shè)計的攀爬機構(gòu)的重要部分。由星輪與齒輪箱組成三星輪板。小車的攀爬樓梯軌跡是由星輪和齒輪箱的尺寸參數(shù)共同決定的。 小車在攀爬樓梯時，由于自鎖機構(gòu)的作用前后三星輪組的所有星輪都無法自由旋轉(zhuǎn)，整個車身要完成爬樓動作必須由三星輪組的同步翻轉(zhuǎn)來帶動，所以在這里可以把星輪與臺階平面間的相對滑動忽略掉。因為小車的三星輪組的外形尺寸是完全相同的，都是在鏈傳動系統(tǒng)的作用下，三星輪組的翻轉(zhuǎn)速度是相同的。所那么只對其中一組三星輪進行尺寸研究。 圖3.1小車三星輪翻轉(zhuǎn)示意圖 在圖 3.1中描述三星輪組翻轉(zhuǎn)時的最開始狀態(tài)，虛線是描述翻轉(zhuǎn)過程中的運動狀態(tài)，三星輪組完成一個翻轉(zhuǎn)周期后到達上一級臺階這一狀態(tài)是由雙點劃線所描述的。假設(shè)每組三星輪每經(jīng)過一個周期的翻轉(zhuǎn)后，都能保持每級臺階的前后位置相對于翻轉(zhuǎn)前后位置不變，即： c+d=f （3.13） 那么小車在三星輪組同步翻轉(zhuǎn)以及著地星輪不打滑的情況下，無論小車攀爬多少級的臺階，小車車身的位置都相對于每一級臺階的前后位置為定值，小車在爬樓時所承載的貨物質(zhì)心軌跡是呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的周期性變化。結(jié)合這種情況，那么就可以很容易的對整個爬樓梯的過程進行控制，同時星輪和臺階之間的摩擦與碰撞還被大大減少，小車的滑落現(xiàn)象還能被避免，小車的穩(wěn)定性得到了提高。這種攀爬狀態(tài)可以稱之為小車的理想攀爬狀態(tài)。 在小車理想攀爬狀態(tài)的一個周期內(nèi)，三星輪組是把上一級臺階的輪子著地點來作為翻轉(zhuǎn)點進行翻轉(zhuǎn)。星輪翻轉(zhuǎn)的過程中，小車的其他兩個星輪都已經(jīng)離開樓梯地面，這著地星輪進行純滾動運動。星輪的滾動距離 e 為： e=2πr3 （3.14） 從上式可以得到： e+f=a (3.15) 由勾股定理可以得出星輪間的中心距離L為： L2=f2+b2 (3.16) 小車行星架的長度與星輪中心距離的關(guān)系為： L2=3R2 (3.17) 把文中上式進行聯(lián)立可以計算得到： R=3a-(2πr3)2+b23 （3.18） 上式中r是小車星輪的半徑。 由式（3.22）能夠得到，理想攀爬狀態(tài)下的小車，小車的三星輪半徑r和行星架長度R有非線性反比關(guān)系，前提是樓梯的尺寸一定。假設(shè)把小車是進行理想的攀爬樓梯狀態(tài)，在小車攀爬的高度與設(shè)計樓梯尺寸相同而樓梯臺階寬度不同時，小車的三星輪組就會使攀爬狀態(tài)也發(fā)生變化，具體的情況變化如下： （1）在臺階寬a和最開始設(shè)計尺寸沒有較大差別的情況下，小車在上樓梯過程中星輪翻轉(zhuǎn)結(jié)束時，每一個周期內(nèi)三星輪組的翻轉(zhuǎn)就會帶動著地星輪做純滾動運動，小車的星輪組的中心距離臺階側(cè)面長度與距離c之間有一個絕對偏差 x。假設(shè)小車攀爬了n級臺階，結(jié)束攀爬后，小車的三星輪組和臺階側(cè)面的距離與最開始三星輪組翻轉(zhuǎn)比較，這樣將絕對偏差累積為nx。在nx≤c-r同時滿足nx≤d的情況下，小車在攀爬的過程中就不會發(fā)生滑落現(xiàn)象，同時在這種攀爬狀態(tài)下一樣的會存在周期性攀爬軌跡。我們可以把這種攀爬狀態(tài)看作是小車的理想攀爬狀態(tài)。 （2）在樓梯的臺階寬度a比原來的尺寸要小的時候，小車的三星輪組一個周期的運動結(jié)束之后，相較于理想攀爬位置都會向前偏移一些距離。小車爬樓梯的時候翻轉(zhuǎn)到n1級臺階時,同樣的會把絕對偏差累積為n1x≥c-r≥n1-1x，那么可以把小車三星輪組之前翻轉(zhuǎn)n1-1次的狀態(tài)全部看作是理想的小車攀爬狀態(tài)。但是存在絕對偏差的累積，小車的三星輪組從n1翻轉(zhuǎn)之后，小車的另一個星輪在和樓梯臺階發(fā)生接觸之前，臺階側(cè)面就已經(jīng)被純滾動運動的星輪所觸碰。那么小車的三星輪組再進行翻轉(zhuǎn)，就會發(fā)生其中的星輪和樓梯的臺階側(cè)面產(chǎn)生摩擦，一直持續(xù)到此次星輪翻轉(zhuǎn)過程的結(jié)束。在之后的攀爬過程中很顯然不能夠算作理想的攀爬狀態(tài)，由于星輪在于臺階發(fā)生了摩擦，小車的狀態(tài)成為了自由下落狀態(tài)，小車滑落的現(xiàn)象同樣不會發(fā)生，這樣小車所承載的貨物的安全性得到了保證，同時小車爬樓的穩(wěn)定性也得到了保障。所以，可以接受以上所介紹的小車爬樓梯的狀態(tài)。 （3）在樓梯的臺階寬度a比原來的尺寸要大的時候，小車的三星輪組一個周期的運動結(jié)束之后，相較于理想攀爬位置都會向后偏移一些距離。小車爬樓梯的時候翻轉(zhuǎn)到n2級臺階的時候，這時候絕對偏差會累積到n2x≥d≥n2-1x。那么可以把小車三星輪組之前翻轉(zhuǎn)的n2-1次狀態(tài)全部看作是理想的小車攀爬狀態(tài)。小車的三星輪組進行到n2反轉(zhuǎn)時，正常情況下行路難應(yīng)該搭上樓梯臺階，但是因為小車在上樓的時候回累計一定的絕對偏差從而不能實現(xiàn)攀爬樓梯。這種情況下的小車額三星輪組會和樓梯的棱角產(chǎn)生碰撞，小車會發(fā)生滑落現(xiàn)象，這種攀爬的情況是不成功的。小車這種情況下的攀爬過程中會出現(xiàn)很多不能夠確定的碰撞與滑落現(xiàn)象，這就使小車三星輪組在n2次之后的翻轉(zhuǎn)有著很大的不確定性，小車同樣就不能遵循設(shè)計的爬樓軌跡進行爬樓工作。同時小車的安全性會大大降低以及穩(wěn)定性會因為產(chǎn)生滑落現(xiàn)象而受到較大的影響，所以，樓梯臺階寬度過大的時候需要對小車的三星輪組尺寸進行重新設(shè)計。 從上文分析可以得知，在樓梯的臺階高度和寬度發(fā)生變化時，可以得出結(jié)論。所以在這里，由于小車的三星輪組是參照小車的理想的攀爬狀態(tài)來進行設(shè)計的，所以在上文所說的情況中該三星輪組還是具備一定的適應(yīng)性。小車在攀爬過程中如果發(fā)生滑落，就要趕快調(diào)整三星輪組的尺寸，避免危險情況的發(fā)生。 樓梯的臺階尺寸可以測量得到星輪半徑r與行星架長度R的關(guān)系，但是其它的約束會限制半徑r。得出條件： L≥2r （3.19） 將上面的公式聯(lián)立起來可以得到： a-2πr32+b2≥2r (3.20) 由于a=160mm，b=320mm代入可以算出得到： r≤90mm 由圖3-2所示可知，小車的三星輪組在完成一個周期的翻轉(zhuǎn)后，要讓小車保持平衡即使不受電機作用的情況中，位于小車最下面的行星架與水平面夾角α < 90，也就是當(dāng)β<60時小車就可以在樓梯上保持平衡。得出下面的公式： 圖3.2小車的三星輪翻轉(zhuǎn)示意圖 bf≤tan60 (3.21) 將文中的式(3.18)、（3.19）進行聯(lián)立得： ba-2πr3≤tan60 (3.22) 再代入a和b的值可