章丘四中校園新聞發(fā)布管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)自動爬梯輪椅的機械系統(tǒng)設計案例目錄自動爬梯輪椅的機械系統(tǒng)設計案例 1 1 21.1.1機械結(jié)構(gòu)組成 21.1.2履帶機構(gòu)及底盤設計 31.1.3輔助支撐機構(gòu)設計 51.1.4座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)設計 6 7本課題擬設計的履帶式爬梯輪椅的主要功能是安全可靠地完成載人爬梯功能，其工作場所以樓道為主，也可考慮許多復雜的外部環(huán)境；輪椅可由老人或者殘障人士獨立操作爬樓梯；對于一些不能自理的老年癡呆癥和神經(jīng)衰弱患者，可以由助手控制輪椅完成爬梯動作。通過對國內(nèi)現(xiàn)有的爬梯輪椅的研究、分析和比較，得出如下結(jié)論，結(jié)合國內(nèi)市場的需求和中國消費者的需求，在結(jié)構(gòu)簡單、完善、操作方便的前提下，設計了一種高安全性、高可靠性、低成本的載人自動爬梯輪椅，設計要求如下：(1)機械結(jié)構(gòu)簡單可靠，傳動機構(gòu)安全可靠，不能出現(xiàn)干涉情況；(2)能實現(xiàn)爬樓梯運動以及平地自由運動；(3)能由人員獨立自主操作爬樓梯；(4)能適應我國室內(nèi)樓梯標準，最大爬樓梯坡度為33°；(5)重量較輕、體積較小、結(jié)構(gòu)緊湊；(6)爬樓梯運動時保證行駛的平穩(wěn)性和可靠性：(7)控制簡單、操作方便。1.1.1機械結(jié)構(gòu)組成自動爬梯輪椅的機械系統(tǒng)主要包括履帶行走機構(gòu)、履帶爬梯機構(gòu)、座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)以及輔助支撐機構(gòu)等。爬梯輪椅平地行走機構(gòu)主要是由兩條履帶構(gòu)成，通過驅(qū)動輪驅(qū)動整個爬梯輪椅在平地上進行運動，差速電機可以實現(xiàn)履帶轉(zhuǎn)彎功能。爬樓機構(gòu)通過電機調(diào)節(jié)兩條履帶輔助輪從而加大履帶長度，實現(xiàn)爬梯輪椅在樓梯上的上下平穩(wěn)運動，到達樓梯頂端時輪椅可以平穩(wěn)著陸。座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)是由電動推桿的一端連接在輪椅座椅底部，同時座椅底部還安裝傾角傳感器，通過傾角傳感器的信號驅(qū)動電動推桿，使座椅始終保持在水平位置。采用NX三維軟件建立的爬梯輪椅的三維模型如下圖2-1所示。圖2-1輪椅總裝配圖1.1.2履帶機構(gòu)及底盤設計履帶機構(gòu)是爬樓梯輪椅實現(xiàn)爬樓梯功能的關鍵，主要由履帶電機、履帶驅(qū)動輪、履帶從動輪、履帶輔助輪、履帶、履帶支撐板、蝸輪蝸桿機構(gòu)、彈簧預緊機構(gòu)和其他輔件組成，如圖2-2所示。圖2-2行走機構(gòu)設計簡圖為了使爬樓梯輪椅平穩(wěn)連續(xù)在樓梯上運動時，要求履帶機構(gòu)底部至少同時由兩級臺階支撐，因此履帶機構(gòu)接地部分長度LtLt其中，b和h分別是樓梯臺階的寬度和高度。我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標準》規(guī)定：樓梯踏步的高度不宜大于210ram，并不宜小于140mm，各級踏步高度均應相同；樓梯踏步的寬度應采用220mm、240mm、260mm、280mm、300mm、320mm，必要時可采用250mm。圖2-3國內(nèi)樓梯設計標準圖為了盡可能增大爬樓梯輪椅對標準樓梯臺階的適應范圍，同時考慮到輪椅自身體積尺寸，選取寬度為280mm、高度為210mm的樓梯臺階作為履帶機構(gòu)設計標準，將所選用的樓梯踏步的寬度和高度代入公式2-1可得與地面接觸的履帶的總長度為707mm,約等于700mm。BORRACHATEM系列橡膠具有縱向柔韌性、橫向剛度、BOM牽引性能好、重量輕、振動低、噪音小、能降低地面壓力、舒適經(jīng)濟等優(yōu)點。因此，選擇BORRACHA履帶作為爬梯輪椅的行走機構(gòu)。以穩(wěn)定可靠的方式傳遞履帶電機輸出扭矩，履帶機構(gòu)的驅(qū)動輪采用輪齒結(jié)構(gòu)。由于對驅(qū)動輪和輔助輪精度的要求，在驅(qū)動輪和輔助輪設計中采用了從動齒，大大提高了傳動的可靠性。為了便于安裝牽引機構(gòu)的第一級臺階或障礙物，空轉(zhuǎn)聯(lián)軸器的中心高度應超過梯子或障礙物的高度，即從動輪和輔助輪半徑Rt、中心間距l(xiāng)1和接近角l1結(jié)合履帶選型確定履帶機構(gòu)的驅(qū)動輪半徑為160mm，從動輪和輔助輪的半徑為42mm，接近角約為45°。由于選用的履帶電機自帶直角減速器，因此履帶驅(qū)動輪直接與履帶電機的輸出軸相連，履帶電機通過電機固定支架安裝在底盤上，從動輪和引導輪通過內(nèi)外支撐板安裝在底盤側(cè)面，如圖所示。為了減輕爬樓梯輪椅整體重量，根據(jù)爬樓梯輪椅各機構(gòu)尺寸以及安裝需求等，選用鋁型材搭建爬樓梯輪椅的底盤結(jié)構(gòu)，所選用的鋁型材和聯(lián)接方式如圖2-4，2-5所示。圖2-4鋁型材圖2-5鋁型材聯(lián)接方式橡膠履帶組件各組成部分的作用及功能如下：(1)驅(qū)動輪：驅(qū)動輪與履帶的動力傳遞與變換裝置相連，驅(qū)動履帶運動。(2)從動輪：從動輪起到在履帶轉(zhuǎn)向時支撐履帶的作用。(3)輔助輪：輔助輪在結(jié)構(gòu)上與履帶架相連，可以改變履帶形狀，加大履帶受力面積，起到支撐和穩(wěn)定作用。(4)履帶：履帶是輪椅行走和爬梯的主要工具。(5)履帶架：履帶架的作用是固定和支撐履帶機構(gòu)的部件。(6)行走架：行走架起到連接左右履帶架及其連接支撐車輛的其他零部件的作用，由于行走架的存在履帶車輛才形成完整的統(tǒng)一體。(7)彈簧預緊機構(gòu)：彈簧預緊機構(gòu)由彈簧架軸、彈簧、螺母、中間架、連接架組成，彈簧預緊機構(gòu)通過軸套和輔助輪的軸相連接，彈簧預緊機構(gòu)通過壓縮或者釋放連接在彈簧架軸上的螺母，從而使輔助輪旋轉(zhuǎn)，在輔助輪旋轉(zhuǎn)到一個合適的位置后，行走機構(gòu)開始攀爬樓梯或者下樓梯；(8)蝸輪蝸桿傳導系統(tǒng)：蝸輪蝸桿與小電機相連，負責將電機的輸出力矩傳遞到與輔助輪相連的軸上；(9)履帶保護殼：保護履帶邊緣，防止在行駛時被沙石損壞。通過NX三維軟件對爬梯輪椅的履帶機構(gòu)進行三維建模，起模型如下圖所示圖2-6行走機構(gòu)三維圖1.1.3輔助支撐機構(gòu)設計為了避免爬樓梯輪椅在樓梯斜面和頂部平臺之間過渡時向后或者向前發(fā)生翻倒司題，分別設計了輔助支撐機構(gòu)，如圖2-7所示。圖2-7輔助支撐機構(gòu)三維圖輔助支撐機構(gòu)主要由輔助支撐電機，蝸輪蝸桿，彈簧預緊機構(gòu)和輔助支撐架組成。輔助支撐電機是一個舵機，可以調(diào)節(jié)固定角度，實現(xiàn)正反旋轉(zhuǎn)調(diào)控，固定在底盤上，電機轉(zhuǎn)動軸與蝸輪蝸桿相連并且能相對轉(zhuǎn)動。輔助支撐架是一個彈簧預緊機構(gòu)，能實現(xiàn)履帶在行走過程中松緊的調(diào)節(jié)，無論輪椅處于何種情形，履帶始終是校緊的，不會出現(xiàn)履帶與同步輪脫離的現(xiàn)象。當自動爬梯輪椅從樓梯斜面向頂部平臺運動時，輔助支撐機構(gòu)開始工作，電機帶動蝸輪蝸桿使軸旋轉(zhuǎn)，這時固定在軸上得預緊機構(gòu)隨軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)一定角度后停止工作，使得驅(qū)動輪，從動輪和輔助輪底面處于同一水平面，從而加大了履帶與樓梯的接觸面積，使輪椅可以更加平穩(wěn)的在樓梯上行走；反之當自動爬樓梯輪椅到達項部平臺時，電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使得前面的輔助輪先接觸地面，隨著頂端平臺延伸，當自動爬樓輪椅逐漸到達頂端時，電機反轉(zhuǎn)恢復到原來的位置，能夠使輪椅更加平穩(wěn)的降落至頂端平臺。通過輔助支撐機構(gòu)的作用，實現(xiàn)了爬樓梯輪椅在樓梯斜面和頂部平臺之間的平穩(wěn)過渡。1.1.4座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)設計自動爬梯輪椅的座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)利用了省力杠桿原理，座椅后端支座安裝在底盤上并可以相對轉(zhuǎn)動，座椅前端支座與座椅調(diào)節(jié)電動推桿的伸縮端相連，如圖2-8所示。圖2-8座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)三維圖座椅后端支座在底盤上的安裝位置以及座椅前端支座與座椅調(diào)節(jié)電動推桿的聯(lián)接位置可以前后調(diào)整，便于根據(jù)試驗測試調(diào)整座椅角度的實際變化范圍。爬梯輪椅上下樓梯過程中，根據(jù)座椅上安裝的傾角傳感器信號控制座椅調(diào)節(jié)電動推桿伸長或縮短，可以實時調(diào)節(jié)座椅角度，從而使乘坐者始終保持水平。綜上所述，乘坐者可以根據(jù)不同的環(huán)境條件選擇爬梯輪椅的運動模式。當爬梯輪椅工作在履帶運動模式時，前后輔助支撐機構(gòu)和座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)會輔助其實現(xiàn)上下樓梯的功能；當爬梯輪椅切換到平地運動模式時，能夠在無障礙的平地上快速靈活運。座椅扶手由控制顯示器和搖桿組成。搖桿可以調(diào)節(jié)輪椅前后左右方向的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)輪椅爬樓以及平地行走前進、后退和轉(zhuǎn)彎的控制?？刂骑@示器可以調(diào)節(jié)電機的正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，輪椅的升降和輪椅速度的控制。使乘坐者可以更加簡單便捷的控制輪椅。NX包含了世界上最強大、最廣泛的產(chǎn)品設計應用模塊。NX包括TEM設計和高性能力學的設計功能，UGUnigraphics是UnigraphicsSolution公司開發(fā)的一套集CAD、CAM和CAE功能于一體的三維參數(shù)化軟件。它是用于計算機設計、分析和制造的最先進的軟件。它應用于航空、航天、汽車、船舶、通用機械、電子等工業(yè)領域，由美國麥克唐納道格拉斯飛機公司生產(chǎn)的UG軟件在相