新型多功能爬樓梯小車(chē)設(shè)計(jì)

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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 課題名稱 新型多功能爬樓梯小車(chē)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 學(xué)院年級(jí)專業(yè) 指導(dǎo)老師 職 稱  本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書(shū) 本人鄭重聲明： 所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)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(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)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(jì)（論文）使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解有關(guān)收集、保留和使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）被查閱和借閱；學(xué)校可以公布畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文）。保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shū)。 2、不保密。 （請(qǐng)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(duì)于大多數(shù)人而言，上下樓梯搬運(yùn)貨物是一件非常辛苦困難的事。即使已經(jīng)有手推車(chē)的存在，但其并不具備自動(dòng)爬樓功能。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本文研究了一種載貨小車(chē)既可在平地使用,又可以上下攀爬樓梯的小車(chē)。 本文首先對(duì)爬樓梯小車(chē)的總體方案進(jìn)行構(gòu)想。要設(shè)計(jì)爬樓梯小車(chē)就要構(gòu)想出小車(chē)的基本結(jié)構(gòu)框架。設(shè)想出小車(chē)應(yīng)該有攀爬機(jī)構(gòu)、重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并在此章節(jié)對(duì)這些機(jī)構(gòu)做出詳細(xì)介紹。 其次要提出爬樓梯小車(chē)爬樓裝置的設(shè)計(jì)方案，采用行星輪式結(jié)構(gòu)。小車(chē)選用全輪驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。四輪驅(qū)動(dòng)相比一般的兩輪驅(qū)動(dòng)方式軌跡更穩(wěn)、效率更高，具備良好的實(shí)用性。爬樓小車(chē)的爬樓功能夠通過(guò)行星輪來(lái)實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯,驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)。 再次，對(duì)小車(chē)的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。選擇合理的小車(chē)的貨箱，對(duì)小車(chē)的三星輪組尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)分析以及對(duì)小車(chē)的原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行信息設(shè)計(jì)。 最后, 將運(yùn)用 SolidWorks軟件完成對(duì)爬樓梯小車(chē)的三維模型建立，再進(jìn)行小車(chē)爬樓梯過(guò)程演示，做出最后的小車(chē)優(yōu)化分析和總體評(píng)價(jià)。 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(guó)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(chē)的總體方案構(gòu)想 9 2.1小車(chē)攀爬機(jī)構(gòu) 9 2.2原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 12 2.3重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 13 2.4本章小結(jié) 14 3爬樓梯小車(chē)的關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì) 16 3.1執(zhí)行電機(jī)的選型 16 3.2爬樓梯小車(chē)貨箱選擇 20 3.3爬樓梯小車(chē)三星輪組的尺寸設(shè)計(jì) 20 3.4小車(chē)原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 3.5本章小結(jié) 28 4爬樓梯小車(chē)的建模 29 4.1爬樓梯小車(chē)3D模型的建立 29 4.2爬樓梯小車(chē)爬樓演示 33 4.3本章小結(jié) 36 總結(jié)與展望 37 參考文獻(xiàn) 39 附錄 42 致謝 43 V 1緒論 1.1研究課題的背景 隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，帶來(lái)的現(xiàn)象是樓梯房的崛起，土地資源短缺。但是在我國(guó)很多小型城市或者二十世紀(jì)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(lái)好處的同時(shí)也為我們帶來(lái)了不便，對(duì)于老人來(lái)說(shuō)上下樓梯本就困難，如果是手上還要提著東西那將會(huì)大大影響他們上樓梯的效率，還有對(duì)于有小孩的家庭，一般的嬰兒車(chē)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(guó)是人口大國(guó)，近年來(lái)我國(guó)老齡化以及二胎政策的開(kāi)放很對(duì)家庭都會(huì)面臨著怎么把貨物輕松搬上樓層的問(wèn)題，上下樓梯不方便這個(gè)情況變得更加嚴(yán)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(fèi)水平提高。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的飛速發(fā)展下，人們掀起了一陣網(wǎng)購(gòu)狂潮?？爝f的大件小件成堆。對(duì)于沒(méi)有設(shè)置電梯的居民來(lái)說(shuō)如何將這些大件快遞搬運(yùn)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(guó)5歲以下的幼兒數(shù)量統(tǒng)計(jì)。隨著二胎政策的開(kāi)放，更多的家庭都新添了小孩子。問(wèn)題又來(lái)了，在照看小孩子的過(guò)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?yàn)橐鎸?duì)一手拿著貨物一手抱著孩子的情況，對(duì)于樓層在五到八層的人們來(lái)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題往往讓他們苦不堪言。 圖1.2 2012-2018年我國(guó)5歲以下幼兒統(tǒng)計(jì) 隨著時(shí)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(chē)的理念也開(kāi)始出現(xiàn)。對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)條件不夠富裕和農(nóng)村的人們來(lái)說(shuō)，高昂的價(jià)格不會(huì)被大眾所接受。和國(guó)外相比較，我國(guó)對(duì)爬樓載物車(chē)方面的研究起步很晚，只有小部分開(kāi)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(jià)格也要比國(guó)外低廉一些。但是國(guó)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(duì)產(chǎn)品在實(shí)用和操作性方面的需求。爬樓梯存在的主要問(wèn)題就是樓層的高度和上下樓梯的負(fù)重，樓層高度不可能直接解決，那么只有對(duì)上下樓梯的負(fù)重進(jìn)行解決。如何減輕負(fù)重，其實(shí)就是需要一個(gè)幫忙搬運(yùn)貨物的多功能爬樓梯小車(chē)，因此設(shè)計(jì)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(chē)是必要的。新型多功能爬樓梯小車(chē)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(guò)程中做到平穩(wěn)、快捷、方便，并實(shí)現(xiàn)爬樓和平地行走轉(zhuǎn)換。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 爬樓梯小車(chē)最主要是為了解決人們上下樓梯搬運(yùn)貨物的情況。國(guó)外在樓梯攀爬這一方面很早就領(lǐng)先與我們。其中的美國(guó)、歐洲和日本名列前茅。隨著我國(guó)近些年來(lái)科技的發(fā)展進(jìn)步迅速，以及國(guó)家對(duì)科研的支持，我國(guó)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(jì)更是層出不窮。由于此設(shè)計(jì)受到各方面因素的限制，很多企業(yè)或者個(gè)人對(duì)此設(shè)計(jì)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(lái)并投入到市場(chǎng)使用，但占用的市場(chǎng)份額確實(shí)極少的，而且這些成品自動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，且應(yīng)用較為廣泛。攀爬樓梯過(guò)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(duì)于中心軸靜止，接地面的星輪繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。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(guó)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作靈活、對(duì)空間的利用率較高。但由于其3萬(wàn)美元的昂貴價(jià)格導(dǎo)致銷量不佳，在2009年公司宣布停產(chǎn)。轉(zhuǎn)機(jī)發(fā)生在2016年5月，IBOT輪椅的研發(fā)團(tuán)隊(duì)DEKA研發(fā)公司宣布將于豐田汽車(chē)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?chǎng)上掀起一陣颶風(fēng)。 我國(guó)國(guó)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(shí)現(xiàn)為半自動(dòng)化。這種輪椅在攀爬過(guò)程中要有輔助人員的幫組。輪椅采用36v電源動(dòng)力，可載重 120kg每分鐘攀爬26級(jí)臺(tái)階，同時(shí)還具有可折疊功能。行星輪組可以在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)變形是這款產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)，然后利用輔助星輪在行星輪組翻轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行過(guò)渡，這樣就能使攀爬動(dòng)作更加平穩(wěn)，減小乘坐者的顛簸感?！靶裢彪m然自是半自動(dòng)化產(chǎn)品不具備國(guó)外產(chǎn)品的智能化程度，但此輪椅6000元左右的價(jià)格使其更加容易走進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)集成與輪椅后橋，利用差動(dòng)離合原理實(shí)現(xiàn)兩種工作狀態(tài)。平地工作時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪椅前進(jìn)；攀爬樓梯時(shí)星輪保持自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞后橋中心軸交替翻轉(zhuǎn)。但由于“Freedom”體積大、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，還有著昂貴的價(jià)格，這個(gè)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(duì)上文分析可以知道，實(shí)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(dòng)化，此類裝置在攀爬樓梯的過(guò)程中，基本上都需要借助外力協(xié)助才能完成攀爬。因?yàn)樾行禽喪脚逝罊C(jī)構(gòu)的自身特點(diǎn)，輪椅在攀爬樓梯時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的起伏波動(dòng)，乘坐體驗(yàn)效果會(huì)不佳。并且行星輪式爬樓梯輪椅適應(yīng)臺(tái)階尺寸的能力較差，一旦設(shè)計(jì)不恰當(dāng)就會(huì)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(jì)出多條機(jī)械腿，通過(guò)交替升降來(lái)驅(qū)動(dòng)輪椅完成爬樓動(dòng)作。對(duì)樓梯障礙有著很強(qiáng)的適應(yīng)性，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，安全可靠性高是這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)?？萍技夹g(shù)的不斷進(jìn)步，我認(rèn)為這種步行式爬樓輪椅具有非?？捎^的前景。 世界上第一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)載人步行的兩足步行機(jī)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(tái)為腿的那一部分，腿部部分擁有六個(gè)自由度，每條連桿包含一個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)被動(dòng)的關(guān)節(jié)。與通常串聯(lián)關(guān)節(jié)式的腿部機(jī)構(gòu)相比，這樣的結(jié)構(gòu)雖然保證了機(jī)器人在大負(fù)重情況下的穩(wěn)定性，但在某種程度上犧牲了兩足機(jī)器人的靈活性。 韓國(guó)某一研究所開(kāi)發(fā)出“HUBO FX-1”步行式機(jī)器人如圖 1.4(b)所示，這個(gè)產(chǎn)品有12個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)各1個(gè)，踝關(guān)節(jié)各2個(gè)，3軸感應(yīng)器安裝在每個(gè)關(guān)節(jié)，承載力的大小和方向能夠被精確地感應(yīng)出來(lái)。 我國(guó)只有上海交通大學(xué)對(duì)步行機(jī)器人的研究較早，早在 2004年就開(kāi)始了研發(fā)設(shè)計(jì)。國(guó)家也對(duì)這個(gè)項(xiàng)目表示支持，研發(fā)出的載人兩足步行機(jī)器人“JWCR”有12個(gè)自由度。如圖 1.4(c)所示，研發(fā)這款機(jī)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(wèn)題：這一類產(chǎn)品自重大，而且承載能力較差；實(shí)現(xiàn)功能動(dòng)作需要極其繁雜的過(guò)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(huì)讓使用者操作不方便，體驗(yàn)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(yùn)動(dòng)靈活性差是這一類機(jī)構(gòu)的缺陷。但是它可以適應(yīng)各種路況的能力極強(qiáng)且運(yùn)行平穩(wěn)，使人們無(wú)法摒棄。經(jīng)過(guò)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(jìn)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(shí)，兩個(gè)輪子的平衡性是利用了水平傳感器，安裝電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。攀爬樓梯時(shí)，履帶會(huì)先和地面發(fā)生接觸，并鉤住每級(jí)臺(tái)階，推動(dòng)輪椅前進(jìn)。這款產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)就是穩(wěn)定很好，乘坐者有很好的乘坐體驗(yàn)。 法國(guó)公司生產(chǎn)的TopChair-S”電動(dòng)輪椅,如圖1.5(b)所示，四個(gè)車(chē)輪可以在正常情況下平地運(yùn)行使用，使用者可以通過(guò)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(gè)車(chē)輪收起,依靠履帶便能自動(dòng)完成爬樓。 誠(chéng)信公司設(shè)計(jì)的一款電動(dòng)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(duì)于行動(dòng)不便的人乘坐這款產(chǎn)品時(shí)，需要在他人幫助下來(lái)保持平衡，這款產(chǎn)品利用履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯。此輪椅最大的優(yōu)勢(shì)是價(jià)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(diǎn)是高傳動(dòng)效率,重心波動(dòng)很小,運(yùn)動(dòng)過(guò)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(huì)對(duì)樓梯臺(tái)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(duì)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(jī)器人，在平坦路上就正常的驅(qū)動(dòng)輪子行走，在攀爬樓梯的時(shí)候采用機(jī)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(chē)身的自重及體積大大減小，同時(shí)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(jī)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(guò)車(chē)輪滾動(dòng)前進(jìn)，還可以模仿人支撐腿動(dòng)作，輕松爬上較高的樓梯臺(tái)階，爬樓梯就像正常人一樣用腿邁過(guò)臺(tái)階上樓。 日本長(zhǎng)崎大學(xué)機(jī)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(shí)候，操作桿能夠折疊起來(lái)放置在座椅底部，這樣便能節(jié)省空間。該產(chǎn)品有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)是爬樓幅度較高，甚至能自動(dòng)上下卸貨。 德國(guó) AAT 公司也開(kāi)發(fā)一款爬樓梯裝置“C-max”如圖 1.6(c)。將步進(jìn)式機(jī)器人的支撐爬樓原理與普通電動(dòng)輪椅的完美結(jié)合。“工”型步進(jìn)支撐腿是這個(gè)技術(shù)的專利核心，支撐腿是模仿人在上下樓梯時(shí)的姿態(tài)，研發(fā)人員利用凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)支撐輪椅車(chē)身來(lái)達(dá)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(jìn)式機(jī)器人和普通輪椅結(jié)合的設(shè)計(jì)有實(shí)現(xiàn)的可能，但是傳動(dòng)機(jī)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(jià)上不會(huì)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(guò)對(duì)爬樓梯輪椅國(guó)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)推廣還要考慮大眾消費(fèi)者的實(shí)際條件。而我要考慮設(shè)計(jì)的是一款新型多功能爬樓梯的小車(chē),是為了解決上下樓梯搬運(yùn)貨物的問(wèn)題。要確保小車(chē)具備一定載貨量的同時(shí)還同時(shí)具備多種功能。例如自動(dòng)卸貨、貨架和購(gòu)物車(chē)結(jié)合起來(lái)有一個(gè)位置可提供小孩子乘坐并有一定的安全性。簡(jiǎn)化小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(diǎn)后，設(shè)計(jì)一款多功能爬樓梯小車(chē)，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(guó)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(diǎn)，為論文的研究方向做好鋪墊工作。 第二章介紹的是小車(chē)總體方案的構(gòu)想，總結(jié)以往爬樓梯裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，確定本次小車(chē)主要結(jié)構(gòu)的組成由攀爬機(jī)構(gòu)、重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及動(dòng)力系統(tǒng)，并對(duì)其每一個(gè)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)原理進(jìn)行介紹分析。 第三章介紹了爬樓梯小車(chē)的關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)。小車(chē)的貨箱選擇，小車(chē)三星輪組的具體尺寸設(shè)計(jì)，還有小車(chē)原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的功能尺寸設(shè)計(jì)。 第四章介紹的是針對(duì)小車(chē)功能的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得出關(guān)鍵構(gòu)件的具體尺寸。最后在運(yùn)用Solid Works進(jìn)行三維建模和小車(chē)爬樓梯演示過(guò)程。 最后為總結(jié)與展望。對(duì)本文所做出的研究與設(shè)計(jì)工作做出一個(gè)總結(jié)，提出對(duì)該設(shè)計(jì)的下一階段的研究改進(jìn)工作。 2爬樓梯小車(chē)的總體方案構(gòu)想 由上文對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析可以知道攀爬樓梯機(jī)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(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能夠適應(yīng)多種樓梯類型，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也比較平穩(wěn)，缺點(diǎn)是這兩種攀爬機(jī)構(gòu)是由復(fù)雜的機(jī)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(jià)讓普通人難以接受。輪履復(fù)合式攀爬機(jī)構(gòu)同樣存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，且履帶有著較大的自身重量，工作效率也不高，還會(huì)產(chǎn)生噪音。行星輪式攀爬機(jī)構(gòu)相對(duì)于來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理比較簡(jiǎn)單，容易加工維護(hù)，既可以在平路自由行走又可以爬樓梯。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的分析，我決定在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，將會(huì)設(shè)計(jì)一款新型多功能行星輪式爬樓梯小車(chē)。該小車(chē)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(jià)格低廉，小車(chē)還具備多種功能方便使用者使用，具體要做到以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)： （1）小車(chē)要必須具備平路行駛和樓梯攀爬這兩種功能，爬樓梯小車(chē)可以自動(dòng)切換不需要使用者手動(dòng)更換模式。同時(shí)，對(duì)于爬樓梯小車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)要盡可能簡(jiǎn)單，動(dòng)力效果好，在攀爬樓梯過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且電機(jī)轉(zhuǎn)速低扭矩大。 （2）小車(chē)作為新型多功能爬樓梯裝置主要是為了運(yùn)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(dòng)卸貨、小孩子乘坐，貨架可以設(shè)置掛鉤方便掛雨傘、帶子書(shū)包等。 （3）小車(chē)還應(yīng)該具有重心調(diào)節(jié)功能。因?yàn)樨浳锏男螤钍遣煌?，疊放在一起會(huì)改變小車(chē)的重心位置。重心調(diào)節(jié)功能將小車(chē)行駛時(shí)座椅的重心位置控制在安全范圍以內(nèi)，使用者還能通過(guò)調(diào)節(jié)重心位置來(lái)使小車(chē)在各種狀態(tài)下的行駛性能達(dá)到最優(yōu)。 （4）原地轉(zhuǎn)向功能是小車(chē)應(yīng)該具備的，方便小車(chē)在狹小的空間內(nèi)行駛時(shí)進(jìn)行方向調(diào)節(jié)。 根據(jù)以上幾點(diǎn)，本次構(gòu)想的爬樓梯小車(chē)的機(jī)構(gòu)主要有攀爬機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力裝置選擇、原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和。 2.1小車(chē)攀爬機(jī)構(gòu) 此次爬樓梯設(shè)計(jì)是選用行星輪組作為攀爬樓梯機(jī)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(gè)數(shù)大多在五個(gè)以內(nèi)。星輪個(gè)數(shù)的增加，會(huì)使爬樓梯小車(chē)在攀爬樓梯時(shí)穩(wěn)定性更好，但小車(chē)的車(chē)身體積也會(huì)隨之增大。為了讓小車(chē)車(chē)身體積減小、重量輕且爬樓穩(wěn)定的要求，本設(shè)計(jì)采用三星輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的攀爬功能。 現(xiàn)有的爬樓梯裝置設(shè)計(jì)中，基本上都是設(shè)計(jì)的爬樓梯輪椅，這樣會(huì)考慮乘坐者在乘坐輪椅攀爬樓梯時(shí)的坐姿方向。而本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)多功能爬樓梯載貨小車(chē)，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(chē)在攀爬過(guò)程中不會(huì)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(dòng)方式。 圖2.1小車(chē)攀爬機(jī)構(gòu)俯視圖 如圖 2.1 所示，小車(chē)的前后各有一對(duì)三星輪組，并在三星輪組的內(nèi)側(cè)三星板上面有鏈輪來(lái)傳遞動(dòng)力。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)后橋的三星輪組，通過(guò)鏈傳動(dòng)就可以直接帶動(dòng)前橋三星輪組進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鏈輪系統(tǒng)傳動(dòng)比為 1 時(shí)，前后三星輪組的運(yùn)動(dòng)就會(huì)達(dá)到同步。這樣就可以使輪椅的攀爬動(dòng)力輸出更合理，還能提高攀爬效率，而且小車(chē)的攀爬動(dòng)作還具有周期性，很方便對(duì)小車(chē)爬樓軌跡進(jìn)行控制。鏈傳動(dòng)簡(jiǎn)單實(shí)用，具有良好的受力性能以及精確的的傳動(dòng)比，由于小車(chē)是載貨小車(chē)，不具備很快的攀爬速度，所以不用設(shè)定小車(chē)的速度。還可以對(duì)鏈傳動(dòng)噪聲進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，盡量減小噪聲。 圖2.2小車(chē)攀爬機(jī)構(gòu)正視圖 如圖 2.2 所示，步進(jìn)電機(jī)固定在車(chē)架上作為小車(chē)上下樓梯時(shí)的動(dòng)力源。步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)，再經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速器進(jìn)一步減速增扭，就可以將低速大扭矩動(dòng)力雙向輸出到后橋三星輪組。為了加長(zhǎng)蝸輪蝸桿減速器的輸出距離，減速器的兩個(gè)輸出軸可以通過(guò)聯(lián)軸器與后橋的兩個(gè)半軸相連接。 棘輪安裝在輪椅后橋半軸上，可以利用手動(dòng)拉桿拉動(dòng)鎖止棘爪，這樣會(huì)對(duì)棘輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖止，小車(chē)在爬樓過(guò)程中三星輪組就只能進(jìn)行向前翻轉(zhuǎn)。 為了防止小車(chē)在載貨爬樓梯過(guò)程中發(fā)生滑落等安全問(wèn)題，小車(chē)的輪胎要有著較大的摩擦系數(shù)，在攀爬樓梯過(guò)程星處于自鎖狀態(tài)。通過(guò)控制前橋減速電機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)前橋每個(gè)星輪可以隨意切換自鎖和自由兩個(gè)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(jí)齒輪傳動(dòng)，每個(gè)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(duì)固定，利用棘輪鎖止機(jī)構(gòu)的功能可以讓星輪在齒輪傳動(dòng)的作用下無(wú)法自由轉(zhuǎn)動(dòng)，就能達(dá)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(jī)構(gòu) 爬樓梯小車(chē)載貨過(guò)程中，不僅僅只是為了爬樓梯這一用途，那么在實(shí)際生活中這個(gè)小車(chē)難免經(jīng)常會(huì)在比較狹小的空間里進(jìn)行大幅度的轉(zhuǎn)彎，特別是在小車(chē)攀爬樓梯的過(guò)程中完成一階段樓梯就需要在樓梯轉(zhuǎn)彎處進(jìn)行 180的掉頭轉(zhuǎn)彎，為了下一階段上下樓梯調(diào)整一個(gè)合適的方向。如果小車(chē)缺乏原地轉(zhuǎn)向功能，那么使用者使用起來(lái)會(huì)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(jì)的的自主性和智能化，所以小車(chē)的原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)顯得尤為重要。 此次設(shè)計(jì)原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的大致步驟是先將整個(gè)小車(chē)車(chē)身原地?fù)纹穑倮眯D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)小車(chē)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(huì)說(shuō)升降高度的增加會(huì)導(dǎo)致升降裝置的自身尺寸也跟著增大。當(dāng)小車(chē)在地面正常行駛或攀爬樓梯時(shí)，小車(chē)底盤(pán)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(chē)底盤(pán)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(duì)較大，小車(chē)僅僅是用推桿電機(jī)是無(wú)法在有限尺寸空間里完成大距離的升降。本次設(shè)計(jì)引入連桿機(jī)構(gòu)，將較小的推桿行程通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行行程放大。這樣就不僅滿足了本次對(duì)小車(chē)的設(shè)計(jì)要求，而且較小的的推桿行程也意味著可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成車(chē)身支撐，從而提高原地轉(zhuǎn)向效率 圖2.4原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 如圖 2.4所示，此次設(shè)計(jì)的原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是由連桿電機(jī)、推桿機(jī)構(gòu)、輪轂電機(jī)和橡膠輪共同組成。整個(gè)原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)都是利用固定圓盤(pán)與爬樓梯小車(chē)車(chē)身底盤(pán)固連。推桿電機(jī)的推桿是朝地面方向推進(jìn)，推桿電機(jī)底座與固定圓盤(pán)利用螺栓固定，固定圓盤(pán)與地面保持平行。同時(shí)，固定圓盤(pán)還固連著連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架桿，并利用穩(wěn)定環(huán)增強(qiáng)機(jī)架桿受到彎矩時(shí)的穩(wěn)定性。推桿電機(jī)的推桿與連桿鉸接圓盤(pán)固定連接，使連桿鉸接圓盤(pán)可以隨推桿上下移動(dòng)。要讓機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性好并且重量盡量減小的話，原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)就要選用4根曲柄支撐桿來(lái)支撐小車(chē)。在一根支撐桿上面安裝輪轂電機(jī)，另外三根支撐桿安裝的是一般的橡膠輪胎，而且每個(gè)輪子都要垂直于地面接觸。 當(dāng)小車(chē)在工作時(shí)如果遇到原地旋轉(zhuǎn)的情況，首先就要利用爬樓梯機(jī)構(gòu)，要讓小車(chē)的整個(gè)底盤(pán)現(xiàn)對(duì)于原來(lái)有一定的提高，同時(shí)推桿電機(jī)的推桿推動(dòng)連桿鉸接圓盤(pán)向下移，連桿鉸接圓盤(pán)也帶動(dòng)4 根支撐桿進(jìn)行下旋。支撐桿上連接的輪轂電機(jī)及輪子在推桿電機(jī)伸長(zhǎng)至最大行程時(shí)，隨支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)至最下方位置。再利用推桿電機(jī)的自鎖性，連桿機(jī)構(gòu)將小車(chē)原地?fù)纹?，三個(gè)橡膠輪在輪轂電機(jī)的帶動(dòng)下，拖動(dòng)整個(gè)小車(chē)做圓周運(yùn)動(dòng)。在小車(chē)完成原地旋轉(zhuǎn)后，再利用攀爬樓梯機(jī)構(gòu)將整個(gè)車(chē)身高度升高，推桿電機(jī)的推桿把各個(gè)支撐桿收回至原始位置。最后降低車(chē)身高度，使小車(chē)回到地面行走狀態(tài)。 2.3重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 因?yàn)槭禽d貨小車(chē)，且貨物的不同形狀裝入貨箱會(huì)讓小車(chē)的重心位置發(fā)生很大的變化，在攀爬樓梯的過(guò)程中很容易發(fā)行安全事故。所以小車(chē)整體的重心位置對(duì)小車(chē)所運(yùn)載貨物的安全和小車(chē)機(jī)械機(jī)構(gòu)都有著很重要的關(guān)系。小車(chē)在原地轉(zhuǎn)向時(shí)，小車(chē)整體重心位置就應(yīng)該控制在支撐點(diǎn)連接圓的圓心附近，這樣就能保證輪椅原地轉(zhuǎn)向時(shí)的平穩(wěn)，同時(shí)提高整個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的受力性能。小車(chē)在地面行走時(shí)，底盤(pán)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(chē)在行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪打滑。小車(chē)在上下樓梯時(shí)，貨箱和貨物的整體重心位置會(huì)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(chē)車(chē)身是整體左右對(duì)稱，重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是對(duì)貨物重心位置相對(duì)車(chē)身來(lái)進(jìn)行前后調(diào)節(jié)，從而讓小車(chē)在各個(gè)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(jī)構(gòu)是將齒輪齒條傳動(dòng)和直線滑軌機(jī)構(gòu)結(jié)合在一起。滑軌的外軌固定在座椅調(diào)平機(jī)構(gòu)的內(nèi)齒圈底部，滑動(dòng)外軌的外側(cè)安裝一根齒條?；壍膬?nèi)軌固定在小車(chē)車(chē)架上面。小車(chē)車(chē)架上安裝一臺(tái)外接齒輪的渦輪蝸桿減速電機(jī)，這樣齒輪與滑動(dòng)外軌的齒條就相互嚙合。電機(jī)開(kāi)啟時(shí)，滑動(dòng)外軌就在齒輪齒條傳動(dòng)下帶動(dòng)小車(chē)座椅相對(duì)車(chē)身作前后移動(dòng)，使用者通過(guò)對(duì)減速電機(jī)的控制來(lái)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(duì)爬樓梯小車(chē)的總體進(jìn)行一個(gè)構(gòu)想如下： （1）閱讀大量文獻(xiàn)參考國(guó)內(nèi)外所研究的類似產(chǎn)品，構(gòu)想出本次設(shè)計(jì)爬樓梯小車(chē)的總體機(jī)構(gòu)框架 （2）小車(chē)的攀爬機(jī)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(dòng)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(shí)發(fā)生傾覆。 （4）原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。遇見(jiàn)狹窄地方或者樓梯拐角處，利用原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向使用會(huì)變得很方便。  3爬樓梯小車(chē)的關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì) 3.1執(zhí)行電機(jī)的選型 3.1.1電機(jī)功率計(jì)算 根據(jù)裝置要實(shí)現(xiàn)平地和爬樓兩種不同的運(yùn)動(dòng)情況,計(jì)算輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(guò)60㎏,因此裝置本身和貨物的總質(zhì)量上限為85㎏。通過(guò)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》就曉得了，實(shí)心橡膠輪胎在優(yōu)質(zhì)路面上滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ為0.05[31]。由于是載貨小車(chē)，所以對(duì)小車(chē)的速度要求并不高。出于對(duì)安全的考慮，我將小車(chē)平地行駛時(shí)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(chē)在攀爬樓梯時(shí)每分鐘可以攀爬 9 級(jí)臺(tái)階。 小車(chē)在地面行走時(shí)，電機(jī)輸出的扭矩經(jīng)三星輪組齒輪箱傳遞到驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tt的作用下對(duì)地面作用圓周力F0，當(dāng)小車(chē)與地面作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)。在靜摩擦力的作用下，地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的反作用力 Ft，F(xiàn)t就是小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力。 Ft=Ttr=Teiηr （3.1） 式中：Te—電動(dòng)機(jī)輸出扭矩，N.m； i—減速器傳動(dòng)比； η—傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。 小車(chē)在地面行駛時(shí)，小車(chē)的驅(qū)動(dòng)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(chē)地面行走時(shí)的星輪滾動(dòng)阻力，N; Fw—小車(chē)地面行走時(shí)的空氣阻力，N; Fi—小車(chē)地面行走時(shí)的坡度阻力，N; Fj—小車(chē)地面行走時(shí)的加速阻力，N。 地面行走狀態(tài)下小車(chē)的速度很低，忽略空氣阻力Fw。小車(chē)輪子的滾動(dòng)阻力和小車(chē)地面行走時(shí)的坡度阻力計(jì)算如下： Ff=Gcosθμe （3.3） Fi=Gsinθ （3.4） 式中：G—小車(chē)和貨物總重力，N; θ—小車(chē)地面行駛坡度。； μ—小車(chē)輪胎與地面的摩擦系數(shù)； r—星輪半徑，mm。 爬樓梯小車(chē)從靜止加速到一定的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)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(chē)和貨物的總質(zhì)量，kg； dvdt—小車(chē)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(chē)將要達(dá)到最大行駛速度v時(shí)，仍然會(huì)存在加速阻力，因此小車(chē)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(chē)在平地行駛時(shí)，坡度α=0，r=70mm,v=2ms, dvdt=0.2ms2,那么小車(chē)在平地行駛時(shí)的功率為P1為114w。 但考慮到實(shí)際情況，由于小車(chē)的功能是載貨而且是為了解決爬樓梯載貨，那么當(dāng)小車(chē)在平地行駛時(shí)，更多的是和商場(chǎng)購(gòu)物車(chē)一樣的功能，反而是被使用者雙手推著走，小車(chē)在平地被使用時(shí)，更多的處于斷電狀態(tài)。在這里所計(jì)算的小車(chē)平地行駛的最大功率是為了方便在特殊情況下小車(chē)需要在平路自動(dòng)行駛，例如在遇到有一定坡度的路面上就需要小車(chē)通電行駛。 爬樓梯小車(chē)在上樓梯的時(shí)候?qū)嶋H上是將電能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能的過(guò)程。小車(chē)的三星輪組上樓梯時(shí)需要進(jìn)行翻滾，在與地面接觸時(shí)小車(chē)的輪子只做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)摩擦力偶極小所以忽略不計(jì)，小車(chē)攀爬樓梯時(shí)所需要的電機(jī)平均輸出功率就是重力對(duì)小車(chē)輸出功率的絕對(duì)值。因此，爬樓梯時(shí)小車(chē)所需要的平均輸出功率P0為： P0=Gvsinα （3.8） 式中v是小車(chē)沿樓梯上升的平均速度，v和小車(chē)每分鐘攀爬樓梯的高度h與時(shí)間t的比值，即： vsinα=ht （3.9） 由設(shè)計(jì)可得，小車(chē)每分鐘可以爬上9級(jí)臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階高為160mm，所以可以得出h=1440mm，t=60s ，將這兩個(gè)數(shù)據(jù)帶入到上面的兩個(gè)式中可以計(jì)算得到： P0=22.4w 小車(chē)在攀爬樓梯的過(guò)程中，小車(chē)車(chē)身和貨物的重心位置會(huì)隨著三星輪組的翻轉(zhuǎn)而上下起伏，電機(jī)輸出扭矩的大小每一時(shí)刻都不容易被確定，我們可以對(duì)小車(chē)上樓梯過(guò)程中電機(jī)輸出扭矩的最大值Tmax進(jìn)行求解。假設(shè)一下小車(chē)的三星輪組始終保持水平在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，小車(chē)攀爬樓梯時(shí)電機(jī)需要輸出的最大扭矩Tmax就是小車(chē)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(zhǎng)度 R為最大作用距離，小車(chē)在攀爬樓梯時(shí)電機(jī)輸出的最大瞬時(shí)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(jì)算得出: P2=32w 3.1.2選擇小車(chē)電機(jī) 由上文已知小車(chē)在地面行走所需最大功率為 114W，綜合考慮功率儲(chǔ)備和傳動(dòng)效率，最小電機(jī)功率P3為： P3=P1K1η (3.11) 上式中：η—總傳動(dòng)效率； K1—功率儲(chǔ)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(jì)兩臺(tái)相同的電機(jī)作為該設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)，每一臺(tái)電機(jī)的功率都要大于等于76W。我選取的電機(jī)為MY1016Z-100W24V，電機(jī)的最大輸出功率為100W。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的小車(chē)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(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)速為： n=v106120πr=128rmp 然后將小車(chē)在坡面行駛時(shí)的最大設(shè)計(jì)速度帶入式（2-14）中，可以得到小車(chē)在坡面行駛時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為64rmp。 攀爬過(guò)程中，電機(jī)輸出功率會(huì)發(fā)生變化，所以攀爬電機(jī)的功率不能低于小車(chē)在攀爬樓梯時(shí)的最大瞬時(shí)功率，在此同時(shí)電機(jī)還能保持3rpmmin。所以爬樓梯小車(chē)的電機(jī)需要選擇一種低速大扭矩電機(jī)。一般的直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)3000rpm，那么減速器的減速比應(yīng)該為1000:1。減速比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致減速器體積急劇增大，不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。步進(jìn)電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點(diǎn)可以成為小車(chē)爬樓梯電機(jī)的最佳選擇。要將步進(jìn)電機(jī)的扭矩雙向輸出至后橋三星輪組，在這里選用與電機(jī)匹配良好的雙向輸出蝸輪蝸桿減速器。 本文選取的步進(jìn)電機(jī)功率在考慮機(jī)構(gòu)傳遞效率及功率儲(chǔ)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(jìn)電機(jī)，電機(jī)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(jì)算出電機(jī)減速之前轉(zhuǎn)速最小值為： n1=60P42πT=63rp 因?yàn)闇u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(jiàn)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(jìn)電機(jī)在小車(chē)攀爬樓梯時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在70rpm。 3.2爬樓梯小車(chē)貨箱選擇 小車(chē)的貨箱是小車(chē)的核心結(jié)構(gòu)，貨箱用于載貨。本文設(shè)計(jì)的小車(chē)的貨箱設(shè)計(jì)理念是以超市購(gòu)物車(chē)為設(shè)計(jì)原型。小車(chē)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(xiàng)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(jì)爬樓小車(chē)的貨箱。 參考《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》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(jì)的樓梯標(biāo)準(zhǔn)。 3.3爬樓梯小車(chē)三星輪組的尺寸設(shè)計(jì) 三星輪組是此次設(shè)計(jì)的攀爬機(jī)構(gòu)的重要部分。由星輪與齒輪箱組成三星輪板。小車(chē)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(chē)在攀爬樓梯時(shí)，由于自鎖機(jī)構(gòu)的作用前后三星輪組的所有星輪都無(wú)法自由旋轉(zhuǎn)，整個(gè)車(chē)身要完成爬樓動(dòng)作必須由三星輪組的同步翻轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)，所以在這里可以把星輪與臺(tái)階平面間的相對(duì)滑動(dòng)忽略掉。因?yàn)樾≤?chē)的三星輪組的外形尺寸是完全相同的，都是在鏈傳動(dòng)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(duì)其中一組三星輪進(jìn)行尺寸研究。 圖3.1小車(chē)三星輪翻轉(zhuǎn)示意圖 在圖 3.1中描述三星輪組翻轉(zhuǎn)時(shí)的最開(kāi)始狀態(tài)，虛線是描述翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，三星輪組完成一個(gè)翻轉(zhuǎn)周期后到達(dá)上一級(jí)臺(tái)階這一狀態(tài)是由雙點(diǎn)劃線所描述的。假設(shè)每組三星輪每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的翻轉(zhuǎn)后，都能保持每級(jí)臺(tái)階的前后位置相對(duì)于翻轉(zhuǎn)前后位置不變，即： c+d=f （3.13） 那么小車(chē)在三星輪組同步翻轉(zhuǎn)以及著地星輪不打滑的情況下，無(wú)論小車(chē)攀爬多少級(jí)的臺(tái)階，小車(chē)車(chē)身的位置都相對(duì)于每一級(jí)臺(tái)階的前后位置為定值，小車(chē)在爬樓時(shí)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(duì)整個(gè)爬樓梯的過(guò)程進(jìn)行控制，同時(shí)星輪和臺(tái)階之間的摩擦與碰撞還被大大減少，小車(chē)的滑落現(xiàn)象還能被避免，小車(chē)的穩(wěn)定性得到了提高。這種攀爬狀態(tài)可以稱之為小車(chē)的理想攀爬狀態(tài)。 在小車(chē)?yán)硐肱逝罓顟B(tài)的一個(gè)周期內(nèi)，三星輪組是把上一級(jí)臺(tái)階的輪子著地點(diǎn)來(lái)作為翻轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。星輪翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，小車(chē)的其他兩個(gè)星輪都已經(jīng)離開(kāi)樓梯地面，這著地星輪進(jìn)行純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。星輪的滾動(dòng)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(chē)行星架的長(zhǎng)度與星輪中心距離的關(guān)系為： L2=3R2 (3.17) 把文中上式進(jìn)行聯(lián)立可以計(jì)算得到： R=3a-(2πr3)2+b23 （3.18） 上式中r是小車(chē)星輪的半徑。 由式（3.22）能夠得到，理想攀爬狀態(tài)下的小車(chē)，小車(chē)的三星輪半徑r和行星架長(zhǎng)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(chē)是進(jìn)行理想的攀爬樓梯狀態(tài)，在小車(chē)攀爬的高度與設(shè)計(jì)樓梯尺寸相同而樓梯臺(tái)階寬度不同時(shí)，小車(chē)的三星輪組就會(huì)使攀爬狀態(tài)也發(fā)生變化，具體的情況變化如下： （1）在臺(tái)階寬a和最開(kāi)始設(shè)計(jì)尺寸沒(méi)有較大差別的情況下，小車(chē)在上樓梯過(guò)程中星輪翻轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)，每一個(gè)周期內(nèi)三星輪組的翻轉(zhuǎn)就會(huì)帶動(dòng)著地星輪做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，小車(chē)的星輪組的中心距離臺(tái)階側(cè)面長(zhǎng)度與距離c之間有一個(gè)絕對(duì)偏差 x。假設(shè)小車(chē)攀爬了n級(jí)臺(tái)階，結(jié)束攀爬后，小車(chē)的三星輪組和臺(tái)階側(cè)面的距離與最開(kāi)始三星輪組翻轉(zhuǎn)比較，這樣將絕對(duì)偏差累積為nx。在nx≤c-r同時(shí)滿足nx≤d的情況下，小車(chē)在攀爬的過(guò)程中就不會(huì)發(fā)生滑落現(xiàn)象，同時(shí)在這種攀爬狀態(tài)下一樣的會(huì)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(chē)的理想攀爬狀態(tài)。 （2）在樓梯的臺(tái)階寬度a比原來(lái)的尺寸要小的時(shí)候，小車(chē)的三星輪組一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)結(jié)束之后，相較于理想攀爬位置都會(huì)向前偏移一些距離。小車(chē)爬樓梯的時(shí)候翻轉(zhuǎn)到n1級(jí)臺(tái)階時(shí),同樣的會(huì)把絕對(duì)偏差累積為n1x≥c-r≥n1-1x，那么可以把小車(chē)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(chē)攀爬狀態(tài)。但是存在絕對(duì)偏差的累積，小車(chē)的三星輪組從n1翻轉(zhuǎn)之后，小車(chē)的另一個(gè)星輪在和樓梯臺(tái)階發(fā)生接觸之前，臺(tái)階側(cè)面就已經(jīng)被純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的星輪所觸碰。那么小車(chē)的三星輪組再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，就會(huì)發(fā)生其中的星輪和樓梯的臺(tái)階側(cè)面產(chǎn)生摩擦，一直持續(xù)到此次星輪翻轉(zhuǎn)過(guò)程的結(jié)束。在之后的攀爬過(guò)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(tái)階發(fā)生了摩擦，小車(chē)的狀態(tài)成為了自由下落狀態(tài)，小車(chē)滑落的現(xiàn)象同樣不會(huì)發(fā)生，這樣小車(chē)所承載的貨物的安全性得到了保證，同時(shí)小車(chē)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(chē)爬樓梯的狀態(tài)。 （3）在樓梯的臺(tái)階寬度a比原來(lái)的尺寸要大的時(shí)候，小車(chē)的三星輪組一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)結(jié)束之后，相較于理想攀爬位置都會(huì)向后偏移一些距離。小車(chē)爬樓梯的時(shí)候翻轉(zhuǎn)到n2級(jí)臺(tái)階的時(shí)候，這時(shí)候絕對(duì)偏差會(huì)累積到n2x≥d≥n2-1x。那么可以把小車(chē)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(chē)攀爬狀態(tài)。小車(chē)的三星輪組進(jìn)行到n2反轉(zhuǎn)時(shí)，正常情況下行路難應(yīng)該搭上樓梯臺(tái)階，但是因?yàn)樾≤?chē)在上樓的時(shí)候回累計(jì)一定的絕對(duì)偏差從而不能實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯。這種情況下的小車(chē)額三星輪組會(huì)和樓梯的棱角產(chǎn)生碰撞，小車(chē)會(huì)發(fā)生滑落現(xiàn)象，這種攀爬的情況是不成功的。小車(chē)這種情況下的攀爬過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多不能夠確定的碰撞與滑落現(xiàn)象，這就使小車(chē)三星輪組在n2次之后的翻轉(zhuǎn)有著很大的不確定性，小車(chē)同樣就不能遵循設(shè)計(jì)的爬樓軌跡進(jìn)行爬樓工作。同時(shí)小車(chē)的安全性會(huì)大大降低以及穩(wěn)定性會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生滑落現(xiàn)象而受到較大的影響，所以，樓梯臺(tái)階寬度過(guò)大的時(shí)候需要對(duì)小車(chē)的三星輪組尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 從上文分析可以得知，在樓梯的臺(tái)階高度和寬度發(fā)生變化時(shí)，可以得出結(jié)論。所以在這里，由于小車(chē)的三星輪組是參照小車(chē)的理想的攀爬狀態(tài)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以在上文所說(shuō)的情況中該三星輪組還是具備一定的適應(yīng)性。小車(chē)在攀爬過(guò)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(xiǎn)情況的發(fā)生。 樓梯的臺(tái)階尺寸可以測(cè)量得到星輪半徑r與行星架長(zhǎng)度R的關(guān)系，但是其它的約束會(huì)限制半徑r。得出條件： L≥2r （3.19） 將上面的公式聯(lián)立起來(lái)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(chē)的三星輪組在完成一個(gè)周期的翻轉(zhuǎn)后，要讓小車(chē)保持平衡即使不受電機(jī)作用的情況中，位于小車(chē)最下面的行星架與水平面夾角α < 90，也就是當(dāng)β<60時(shí)小車(chē)就可以在樓梯上保持平衡。得出下面的公式： 圖3.2小車(chē)的三星輪翻轉(zhuǎn)示意圖 bf≤tan60 (3.21) 將文中的式(3.18)、（3.19）進(jìn)行聯(lián)立得： ba-2πr3≤tan60 (3.22) 再代入a和b的值可