殘疾人輪椅的設(shè)計(jì)

輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，但障礙物卻使輪椅受到很大限制。現(xiàn)代由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜的地形卻顯得無(wú)能為力。高通過(guò)性輪椅設(shè)計(jì)是采用輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，正常行駛時(shí)輪式工作，采用四輪驅(qū)動(dòng)；遇到障礙時(shí)腿式工作，從而適應(yīng)大多數(shù)地形；車(chē)身則采用自動(dòng)導(dǎo)軌式調(diào)平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。本次設(shè)計(jì)的主要工作包括：確定輪椅的工作方式以及工作結(jié)構(gòu)形式、主體尺寸，并確定各主要零、部件的結(jié)構(gòu)尺寸及其選型。關(guān)鍵詞：輪椅高通過(guò)性輪腿式機(jī)器人AbstractWheelchairsarefrailelderlyandthedisabledlimbindispensablemeansoftransport,buttheobstacleswhilefillingthewheelchairisveryrestricted.Aswithatraditionalmodernwheeledstructure,canonlywalkonflatground,facingsteps,stairs,butthisismorecomplexterrainpowerless.High-passdesignistheuseofawheelchairwheelleggedrobotstructure,normaldrivingwheelwork,theuseoffour-wheeldrive;encounterobstacleslegworktoaccommodatemostoftheterrain;bodyislevelingautomaticslide-typestructure,thestructureissimple,easytoadjust.Thedesignofthemaintasksinclude:determiningwheelchairworkandtheworkingstructure,bodysize,andidentifythemajorcomponentsandpartsofthestructuresizeandselection.Keywords:wheelchairhighadoptionroundleggedrobotTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1緒論 1\o"CurrentDocument"1.1研究目的 1\o"CurrentDocument"2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1\o"CurrentDocument"2方案選擇 2\o"CurrentDocument"1常見(jiàn)方案 2\o"CurrentDocument"輪組式 2\o"CurrentDocument"履帶式 2\o"CurrentDocument"腿式 3\o"CurrentDocument"復(fù)合式 3\o"CurrentDocument"2方案分析 4\o"CurrentDocument"目前研究中所存在的問(wèn)題 4\o"CurrentDocument"方案選擇 4\o"CurrentDocument"2.3具體方案 5\o"CurrentDocument"總體方案 5\o"CurrentDocument"結(jié)構(gòu)分析 5\o"CurrentDocument"轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 6\o"CurrentDocument"越障功能 6\o"CurrentDocument"移動(dòng)方式 8\o"CurrentDocument"3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"主要參數(shù)設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"電機(jī)選擇 9\o"CurrentDocument"選擇電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式 9\o"CurrentDocument"行走機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇計(jì)算 12\o"CurrentDocument"行走機(jī)構(gòu)電機(jī)功率的計(jì)算 12\o"CurrentDocument"驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12\o"CurrentDocument"總體結(jié)構(gòu) 12\o"CurrentDocument"驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12\o"CurrentDocument"套筒（輪軸）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13\o"CurrentDocument"軸設(shè)計(jì)與校核 14總體設(shè)計(jì) 14\o"CurrentDocument"軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14\o"CurrentDocument"軸的校核 14\o"CurrentDocument"V帶設(shè)計(jì) 15\o"CurrentDocument"確定計(jì)算功率 15\o"CurrentDocument"選擇V帶類(lèi)型 15\o"CurrentDocument"確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速 15驗(yàn)算帶速v 15\o"CurrentDocument"確定V帶的中心距。和基準(zhǔn)長(zhǎng)度 15\o"CurrentDocument"驗(yàn)算小帶輪上的包角 16\o"CurrentDocument"計(jì)算帶的根數(shù) 16\o"CurrentDocument"計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值 16\o"CurrentDocument"計(jì)算壓軸力 17\o"CurrentDocument"帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17\o"CurrentDocument"車(chē)輪半徑尺寸研究 17結(jié)論 19\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 20致謝 211緒論研究目的輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，隨著無(wú)障礙設(shè)施的增多，輪椅使用者的活動(dòng)范圍逐步加大。但障礙物卻使輪椅受到很大限制，因此研發(fā)價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用的可翻越障礙物的輪椅是康復(fù)工程工作者面臨的一項(xiàng)比較緊迫的任務(wù)。現(xiàn)代由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜的地形卻顯得無(wú)能為力。解決這一問(wèn)題的最好方法就是改進(jìn)殘疾人使用的行走設(shè)備，也就是說(shuō)通過(guò)改進(jìn)殘疾人輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)日常生活中所碰到大多數(shù)的地形。本次設(shè)計(jì)的題目高通過(guò)性輪椅設(shè)計(jì)，其主要原理在于四個(gè)輪子在正常運(yùn)動(dòng)中四輪驅(qū)動(dòng)行走；而在遇到障礙的時(shí)候可以像腿一樣的行走，以通過(guò)障礙物；而在車(chē)身則采用滑軌式自動(dòng)調(diào)平結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)爬樓梯裝置的研究開(kāi)始得相對(duì)較早，最早的專(zhuān)利是1892年美國(guó)的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛開(kāi)始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。我國(guó)對(duì)此類(lèi)裝置的研究雖然起步較晚，但近年來(lái)也涌現(xiàn)了很多這方面的專(zhuān)利，然而投入實(shí)際使用的還很少。日本千葉工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出了一款全新的輪椅，這個(gè)輪椅的獨(dú)特之處就是能夠輕易地在不公正的地面上使用。這款輪椅配有一排感應(yīng)器來(lái)探測(cè)障礙和地面變化，并能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。借助于四輪驅(qū)動(dòng)和五軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該款智能機(jī)器人輪椅能夠完成多種難度動(dòng)作。平常，它像普通的輪椅一樣通過(guò)滾動(dòng)前行，但是如果碰到臺(tái)階或者溝道的話，它的輪子就可以變得像腿一樣通過(guò)障礙。使用者需要做的僅僅是通過(guò)操縱桿告訴它往什么方向移動(dòng)，這個(gè)智能機(jī)器人輪椅會(huì)自動(dòng)評(píng)估周?chē)牡匦稳缓笞龀稣_動(dòng)作。當(dāng)然如果路面不平的話，它會(huì)自動(dòng)控制座椅確保它保持水平。2方案選擇2.1常見(jiàn)方案輪組式輪組式的特點(diǎn)是每個(gè)輪組依照星形輪的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)：平地行駛時(shí)，各小輪繞各自軸線自轉(zhuǎn)；爬樓梯時(shí)，各小輪一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了iBOT的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓梯機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時(shí)需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。圖2-1圖2-1雙聯(lián)星形爬樓梯輪椅圖圖2-2雙聯(lián)星形爬樓梯輪椅改進(jìn)圖履帶式履帶式爬樓梯裝置的原理類(lèi)似于履帶裝甲運(yùn)兵車(chē)或坦克，技術(shù)較成熟，操作簡(jiǎn)單，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，對(duì)樓梯的形狀、尺寸適應(yīng)性強(qiáng)。英國(guó)Baronmead公司開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車(chē)，底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為35度，上下樓梯速度為每分鐘15-20個(gè)臺(tái)階。法國(guó)Topchalr公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車(chē)輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí)，用戶通過(guò)適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個(gè)車(chē)輪收起，依靠履帶無(wú)需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能。圖2-3履式機(jī)器人腿式早期的爬樓梯裝置一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時(shí)先將負(fù)重抬高，再水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類(lèi)爬樓的動(dòng)作，外觀可視為足式輪椅，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。復(fù)合式現(xiàn)今，爬樓裝置一個(gè)研究創(chuàng)新點(diǎn)是將上述的輪組、腿式、履帶機(jī)構(gòu)相互結(jié)合，吸取各自的優(yōu)點(diǎn)。比較廣泛的組合思路有以下兩種：一是輪履、腿履復(fù)合。比如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系研制的一種小型全自主多種移動(dòng)方式相融合的復(fù)合式越障輪椅。二是采用了輪一履復(fù)合如圖1-6所示和輪一腿一履帶復(fù)合如圖1-7所示等結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來(lái)完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來(lái)達(dá)到功能的完整。圖2-4圖2-4輪一履復(fù)合圖圖2-5輪一腿一履復(fù)合圖方案分析目前研究中所存在的問(wèn)題履帶式的缺點(diǎn)就是對(duì)路面施加的強(qiáng)壓力，不可避免的對(duì)障礙沿有一定的損壞，不適合大絕大多數(shù)室內(nèi)障礙。自重較大，平地行走時(shí)阻力較大，相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)，履帶式轉(zhuǎn)彎需要更大的動(dòng)力，使用過(guò)程中噪聲很大。這些都限制了它在日常生活中的推廣，被接受程度低。腿式爬樓裝置有最好的地形適應(yīng)力，但承載重量較小，具有較大危險(xiǎn)性，且重心偏高。運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn)，顛簸感輕微，但同時(shí)運(yùn)行速度較緩。此外，該類(lèi)型裝置對(duì)控制的要求較高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度不大，動(dòng)作緩慢。復(fù)合式爬樓裝置各種機(jī)構(gòu)的復(fù)合也給控制方面提出了更高的要求，而且爬樓過(guò)程中的穩(wěn)定性、如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作省力與省時(shí)的問(wèn)題以及反向自鎖等問(wèn)題仍然存在。方案選擇本次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想必須滿足以下幾個(gè)性能：平地、越障兩用；平地行駛效率高，操作方便簡(jiǎn)單；越障時(shí)重心波動(dòng)緩和，穩(wěn)定性好；不平坦地形下對(duì)系統(tǒng)的重心作適時(shí)調(diào)節(jié)，避免車(chē)體傾斜給使用者帶來(lái)恐懼；輪椅結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。為了滿足上述要求，考慮到復(fù)合式具有良好的越障能力，所以本次設(shè)計(jì)采用輪腿式復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)，正常行駛時(shí)輪式工作，采用四輪驅(qū)動(dòng)；遇到障礙時(shí)腿式工作，從而適應(yīng)大多數(shù)地形；車(chē)身則采用自動(dòng)導(dǎo)軌式調(diào)平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：第一，平順的行駛能力。輪椅小車(chē)在平地行駛時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，四輪都有單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用輪軸系統(tǒng)傳遞動(dòng)力，使小車(chē)輪快速的前進(jìn)，其效率與普通輪式驅(qū)動(dòng)車(chē)輛相同。當(dāng)遇到可跨越的障礙時(shí)，四輪演變成腿式機(jī)器人形星翻越障礙物前進(jìn)。第二，可靠的越障能力。輪椅小車(chē)翻越障礙時(shí)，小車(chē)輪四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止，抬腿電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抬腿以通過(guò)障礙，轉(zhuǎn)向時(shí)通過(guò)單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，輪子不轉(zhuǎn)動(dòng)。這使得在翻越障礙過(guò)程中，小車(chē)輪不會(huì)發(fā)生滾動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)方位的控制得到精確的保證。這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)小車(chē)越障控制尤其重要。第三，對(duì)控制方式容易實(shí)現(xiàn)。任意時(shí)刻輪椅四輪同步驅(qū)動(dòng)行走，轉(zhuǎn)向和抬腿都由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣就能準(zhǔn)確控制移動(dòng)輪椅的行走狀態(tài)。第四，由電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)輪椅的正常前進(jìn)、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、抬腿前進(jìn)三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)單元。具體方案總體方案本設(shè)計(jì)方案中的輪腿式機(jī)器人它是具有足夠的流動(dòng)性簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)為目標(biāo)的環(huán)境中，其作用機(jī)理是不同的從那些其他的移動(dòng)機(jī)器人。四個(gè)車(chē)輪被安裝在每一個(gè)腿尖，和腿機(jī)構(gòu)是很簡(jiǎn)單的。在此輪椅系統(tǒng)有四個(gè)活動(dòng)輪，只有五個(gè)活動(dòng)軸，而機(jī)器人可以直接移動(dòng)通過(guò)一部分的水平的地形。當(dāng)遇到障礙物的時(shí)候它可以像一個(gè)機(jī)器人移動(dòng)也走在臺(tái)階上像腿式機(jī)器人，盡管組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)分析根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求有一下三個(gè)前提：輪腿機(jī)器人作為機(jī)器人的基本討論越障地形合適的機(jī)制，因?yàn)檫@兩個(gè)車(chē)輪和腿是必要的崎嶇地形的機(jī)器人，這類(lèi)機(jī)器人，同時(shí)具有高速和高非結(jié)構(gòu)化地形的適應(yīng)性；提出了機(jī)器人在地面上有四個(gè)接觸點(diǎn)。四是最小數(shù)目，以維持其穩(wěn)定性當(dāng)它提出了一條腿支撐它的身體其他

三條腿；連接到每個(gè)車(chē)輪的前端的一條腿，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，沒(méi)有足夠的空間可設(shè)置的腿和車(chē)輪單獨(dú)的機(jī)器人身體上。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)于機(jī)器人輪椅來(lái)說(shuō)方向控制機(jī)器人是必要的，在正常行駛的過(guò)程中，以及在越過(guò)障礙的時(shí)候，都是需要準(zhǔn)確控制的。對(duì)于這一點(diǎn)，阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)或機(jī)制圖1中示出的是用于轉(zhuǎn)向。圖2-6轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)2.3.4越障功能一般功能腿機(jī)制有利于示于下表。當(dāng)所有的腿不具備多個(gè)自由度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向功能，在下表（圖2）。假設(shè)只有運(yùn)動(dòng)1和2的是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴灰欢ㄐ枰δ?腿尖位置進(jìn)行調(diào)整車(chē)輪。其結(jié)果是，使腿機(jī)制可以變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。為了實(shí)現(xiàn)功能2,它至少是必要的腿頂端能夠移動(dòng)垂直及橫向，如圖3中所示。圖2-7：身體位置調(diào)整，而不離開(kāi)支持任意位置。圖2-8：腿型機(jī)器人可以選擇圖2-7：身體位置調(diào)整，而不離開(kāi)支持任意位置。圖2-8：腿型機(jī)器人可以選擇支承點(diǎn)的位移優(yōu)選的是，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)功能的一個(gè)的自由度，以避免了復(fù)雜的機(jī)制。因此，軸由在軋制控制方向，這兩個(gè)函數(shù)（ii）和（4）來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為如圖4所示。此外，（出）及（v）,實(shí)現(xiàn)了由其他可驅(qū)動(dòng)的軸設(shè)置，如圖4所示。

這機(jī)制下稱(chēng)腿像車(chē)軸。為了四條腿（圖5）實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人配備與上面的前部和后部的腿狀軸。圖2-9腿像車(chē)軸機(jī)制 圖2-10在兩個(gè)腿像軸前部和后部，所以每腿可以提高其輪。圖2-11身體有可能下降，如果所有的車(chē)輪不能被驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)和控制每個(gè)車(chē)輪獨(dú)立地是由于以下原因：當(dāng)輪椅車(chē)體掉落在斜坡上移動(dòng)時(shí)，在粗糙地形有一種可能性，如圖6中所示，如果所有的車(chē)輪還沒(méi)有激活的車(chē)輪；左車(chē)輪的右輪的速度是不同的，即使在粗糙地形上直線移動(dòng)，最后，附著在車(chē)體上的調(diào)整軸。該設(shè)計(jì)輪椅的四個(gè)車(chē)輪和四條腿的功能，并具有一個(gè)可控制的片的一部分，因此，它可以移動(dòng)崎嶇地形上的人或騎在它的水平的東西。另一方面，有四個(gè)主動(dòng)車(chē)輪和其他五個(gè)主動(dòng)軸。輪腿式機(jī)器人具有最小的自由度，除其他機(jī)器人具有相同的遷移率式樣。所以，這是一個(gè)新型崎嶇地形的機(jī)器人。

2.3.5移動(dòng)方式在下圖中給出了輪腿式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，以及越障過(guò)程，按照順序給出了輪椅越過(guò)障礙，向前移動(dòng)的過(guò)程圖。圖2-12運(yùn)動(dòng)方式圖崎嶇的地形上移動(dòng)戰(zhàn)略腿部模式每個(gè)前輪的步驟超過(guò)了一個(gè)洞。之后，每個(gè)以同樣的方式在孔后輪步驟。3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參數(shù)設(shè)計(jì)主要尺寸長(zhǎng)度：1200mm，寬度：820mm，高度：350mm重量120kg半徑：100mm，寬度：30mm輪圈尺寸電機(jī) （直流電機(jī)）23W40W電池36V圖3-1參數(shù)數(shù)據(jù)電機(jī)選擇選擇電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式因?yàn)槲覀兊妮喴涡枰軌蚺罉窃秸?，所以?duì)電機(jī)的要求就比較高。所以我們選擇電動(dòng)單輪車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)輪椅的電機(jī)。永磁直流無(wú)刷電機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)，除了有普通直流電機(jī)調(diào)試性能好、調(diào)速范圍寬和調(diào)速方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)外，還有功率因素高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別是由于它不存在機(jī)械換相器與電刷，大大的減少了換相火花，機(jī)械磨損和機(jī)械噪聲，使得它在中小功率范圍內(nèi)得到了更加廣泛的應(yīng)用，是電機(jī)的主要發(fā)展方向之一。對(duì)于永磁直流無(wú)刷電機(jī)的控制方式，可以分為兩大類(lèi)有位置傳感器控制方式和無(wú)位置傳感器控制方式。典型的有位置傳感器控制方式是使用霍爾傳感器控制方式。無(wú)位置傳感器控制方式是目前比較廣泛使用且較為新穎的一類(lèi)控制方式，包含有反電動(dòng)勢(shì)控制方法、磁鏈計(jì)算法、狀態(tài)觀測(cè)器法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。反電動(dòng)勢(shì)控制方法中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和電機(jī)在外電路過(guò)流時(shí)的保護(hù)極為重要，對(duì)軟件發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)負(fù)載的保護(hù)也提出了較高的要求［6］。目前我國(guó)電動(dòng)車(chē)所使用的電機(jī)一般為直流電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的直流電機(jī)是有刷直流電機(jī)，但由于電刷的存在，帶來(lái)了因機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的噪聲、火花、電磁干擾等缺點(diǎn)，再加上電機(jī)的制造成本高、維修困難、使用壽命短等，其使用范圍受到很大影響。目前在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中常用的位置傳感器種類(lèi)主要有如下幾種：第一，電磁式位置傳感器。電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的，有開(kāi)口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開(kāi)關(guān)電路等多種類(lèi)型，在BLDCM中用的較多的是開(kāi)口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時(shí)，其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波方可使用。第二，磁敏式位置傳感器。磁敏式傳感器是利用某些半導(dǎo)體敏感元件的電參數(shù)按一定規(guī)律隨周?chē)艌?chǎng)變化而變化的原理制成。其基本原理是霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目前，常見(jiàn)的磁敏式傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻和磁敏二極管等組成。一般來(lái)說(shuō)，這種器件對(duì)環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，成本低廉。第三，光電式位置傳感器。光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)，由跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光部分和固定不動(dòng)的光源等部件組成。有絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器之分，增量式編碼器精度很高，多用于精密控制中，價(jià)格昂貴，且需要附加初始位置定位裝置；絕對(duì)式編碼器價(jià)格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于一定的速度控制中?？傊?，光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)定，體積小、重量輕，但對(duì)環(huán)境要求較高。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電，與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。BLDCM由于采用自控式逆變器，電機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是BLDCM的重要優(yōu)點(diǎn)之一。本次我們選用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)型號(hào)是24V，600W的電動(dòng)機(jī)，蓄電池采用的就是24V能充電的干蓄電池。直流無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問(wèn)題，所以這種電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。在控制無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)中，基本框架如圖1.6所示。電流檢測(cè)4電流反饋圖3-2三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)電源種類(lèi)為直流，根據(jù)工作條件以及工作方式，確定電機(jī)為直流ZYT系列直流永磁馬達(dá)。一、ZYT系列直流馬達(dá)概述ZYT系列永磁直流馬達(dá)采用鐵磁體永久磁鐵激磁，系封閉自冷式。作為小功率直流馬達(dá)，可在各種裝置中用作驅(qū)動(dòng)元件。二、使用條件海拔不超過(guò)4000m;環(huán)境溫度：-25°C?40°C；相對(duì)濕度：小于等于95%（±25°C）允許溫升：不超過(guò)75K（海拔為1000m時(shí)）三、型號(hào)說(shuō)明如：90ZYT08/H190表示：機(jī)座號(hào)用55、70、90、110表示其相應(yīng)機(jī)座外徑為55-110mm。ZYT表示：永磁式直流電動(dòng)機(jī)08表示：鐵芯長(zhǎng)代號(hào)0-49表示短鐵芯產(chǎn)品，51-99表示長(zhǎng)鐵芯產(chǎn)品，101-149示特長(zhǎng)鐵芯產(chǎn)品。H1表示：派生結(jié)構(gòu)，其代號(hào)用H1、H2、H3……每個(gè)機(jī)座號(hào)按用戶提出要求順序排列功率在：30W?1.2KW匹配直流調(diào)速器可無(wú)級(jí)調(diào)速。四、技術(shù)參數(shù)：功率：20W?1200W；電壓：24V、36V、48V、90V、110V、180V、220V；扭矩：0.050mN.m?3822mN.m；轉(zhuǎn)速：1500r/min3000r/min6000r/min（55、70）；安裝方式：A1底腳安裝A3法蘭安裝（6）機(jī)座外徑為（mm）：55、70、90、110、130五、安裝形式安裝機(jī)構(gòu)型式安裝結(jié)構(gòu)型式代號(hào)機(jī)座號(hào)單軸伸雙軸伸機(jī)殼外圓安裝A5AA555-11011端蓋凸緣安裝A3AA355-110底腳安裝A1AA155-110圖3-3安裝機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇計(jì)算高通過(guò)性輪椅最大質(zhì)量為M=160Kg。選取輪與地面的摩擦系數(shù)f為O.25,機(jī)器人由四輪驅(qū)動(dòng)，故每個(gè)輪承擔(dān)的最大重量為m=40kg，根據(jù)摩擦力計(jì)算公式F=fmg=0.25*40*10=100N。力矩公式T=FR，代人得所需電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T=100*100=10000N?mm。行走機(jī)構(gòu)電機(jī)功率的計(jì)算根據(jù)公式Pw=Fv/1000=100*1.4=140W,因此得到所需的電動(dòng)機(jī)功率為140W。所以選擇四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)為150W,選用無(wú)極調(diào)速。驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)電機(jī)與車(chē)體之間的連接是通過(guò)螺栓、L型鋁材和開(kāi)槽圓柱頭螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。聯(lián)接驅(qū)動(dòng)輪的套筒材料選用強(qiáng)度和剛度較好的45鋼。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞過(guò)程是：電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與之連接的套簡(jiǎn)轉(zhuǎn)動(dòng).從而使驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，于是實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)。套筒與驅(qū)動(dòng)輪問(wèn)采用較緊的過(guò)盈配合，套筒與電機(jī)軸配合采用較小的過(guò)盈配合。驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，驅(qū)動(dòng)輪外因材料為橡膠。輪觳材料為尼龍66。為減輕輪子重量，在輪上有六個(gè)均勻分布的減重孔。驅(qū)動(dòng)輪的軸孔是根據(jù)電機(jī)的軸徑而定的。12

圖3-4驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖3-5套筒(輪軸)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖套筒(輪軸)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖所示。該軸在T作中承受扭矩和不大的彎矩.故為傳動(dòng)軸。由于要與電機(jī)軸相連，故做成空心軸(套簡(jiǎn))。由于外聯(lián)驅(qū)動(dòng)輪，故做成光軸。套筒與電機(jī)軸用M3的標(biāo)準(zhǔn)圓柱銷(xiāo)聯(lián)接.套筒上開(kāi)一3mm銷(xiāo)孔。套筒的長(zhǎng)度主要取決于后輪的寬度及電機(jī)軸的長(zhǎng)度，計(jì)算為32mm。套筒上銷(xiāo)孔與筒端的距離取為6mm。(2)強(qiáng)度校核。行走機(jī)構(gòu)屬于重要的部件。套簡(jiǎn)要承受一定的載荷，故選用45號(hào)鋼。該軸主要承受扭矩及不大的彎矩，故按扭矩來(lái)計(jì)算軸的強(qiáng)度。圖3-6電機(jī)固定板結(jié)構(gòu)圖 圖3-7固定板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(3)電機(jī)固定板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖7所示。我們將驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)固定板加.I：成L形。電機(jī)同定板材料選用LY12,尺寸據(jù)電機(jī)的尺寸而定。電機(jī)與同定板的聯(lián)接使用3個(gè)M3的標(biāo)準(zhǔn)螺釘。同定板與底盤(pán)的聯(lián)接使用3個(gè)M6的六角頭螺栓，分布如左圖。13軸設(shè)計(jì)與校核總體設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅中共有兩根軸，材料均為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理250?300HBs,45號(hào)鋼的。b=600Mpa，其屈服極限為。s=355MPa，對(duì)塑性材料有：彎曲[°]f=1?1.2[G]，扭轉(zhuǎn)[T]=。5?0.6[o]，擠壓2]p=L5?2.5[o]，剪切花]廣。.6?0.8[o]。因45號(hào)鋼許用n為安全系數(shù)，對(duì)塑性材料通常取L5?22，故[o]n為安全系數(shù)，對(duì)塑性材料通常取L5?22，故拉應(yīng)力為n2[。]=178MPa，[t]=90MPa。其設(shè)計(jì)如下：軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：PT9550000T=——= —<[T]tW 0.2d3 tT~06-d>A3,— d>25x3 =21.25mm則有：7n，取A=25，則》1。5 ，取與輪配合的軸徑為d=20mmk軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)軸的直徑選擇相應(yīng)的鍵，從而確定鍵槽尺寸,此軸中間一段只要一般的粗糙度即可，而兩端與軸承配合的軸要保證相當(dāng)?shù)木?，其余的保證普通精度即可。軸的校核此軸主要受扭矩作用，所以只要對(duì)軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)應(yīng)力強(qiáng)度校核即可，查閱參考文獻(xiàn)可TT=一知校核公式為： Wp。軸的兩端為危險(xiǎn)截面，應(yīng)對(duì)它進(jìn)行扭應(yīng)力強(qiáng)度較核:T =max<[T]maxWP14竺二5.457竺二5.457KN1.05^C — ^max代入數(shù)據(jù)可得：max wpT=9550p=9550x式中：maxn備=0.000158m35.457 _一一”一 =3.476MPa<[t]=90MPa0.000158由此可知強(qiáng)度符合要求，設(shè)計(jì)合理。V帶設(shè)計(jì)確定計(jì)算功率由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-7查得工作情況系數(shù)KA=1.2，故P—KP—1.2x0.48—0.576kw選擇V帶類(lèi)型根據(jù)Pca，n1=970r/min，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖8-11可知，選用B型帶確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速初選小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1,查表8-6dd1-damin=60mm大帶輪直徑d1/dd2=n2/n1，得出"d2=60mm驗(yàn)算帶速〃兀dn 兀x60x1000sv— d1^—— —10mis60x1000 60x1000因?yàn)?ms<v<25mS，故帶速合適。確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長(zhǎng)度⑴由式0.7(5+dd2)<a0<2(dd,+dd2)得200<a0<450，取a0—230mm15⑵計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度LdL=2a+-(d+d)+42—R)=540.94mmd0 02d d2 4a0由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-2選取V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度L=550mmd⑶計(jì)算實(shí)際中心距aL—La=a+d2d0=550mma=a+0.03L=550mma=a—0.015L=550mm驗(yàn)算小帶輪上的包角a=180。—(d—d)X157?！?20。d2 d1 a計(jì)算帶的根數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-5得K:(0.95-0.93)x(156.83-155)/(160-155)+0.93=0.94查表8-2得Kl=1.07查表8-4a,8-4b得P=。 (3.17-2.66)x(970-950)/(1200-950)+2.66=0.580KWP=(P0+AP0)-K-Kl=0.6kwz=Pa=2.38r 取3根V帶。計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-3得A型帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量q=0.18kgm，所以(F) =500⑵5-Ka)Pca+qv2=118.09N0min Kzv16應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力Fo>(F0Am。計(jì)算壓軸力壓軸力的最小值為a1=156.83°(F).=2z(F0).sin乎=187.42N帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)閹л喼睆捷^小故采用實(shí)心式，取帶輪寬為30mm。3.6車(chē)輪半徑尺寸研究圖3-8車(chē)輪半徑尺寸的車(chē)輪半徑R是凸在單輪模式如圖2,腿的運(yùn)動(dòng)模式在2步中，當(dāng)移動(dòng)時(shí)所示，后面的步驟獲得關(guān)注。開(kāi)始時(shí)，我覺(jué)得最低值。車(chē)輪半徑小移動(dòng)在腿部模式輪心理的優(yōu)點(diǎn)是在接觸工序在該過(guò)程中，它能夠降低擺動(dòng)的步伐。級(jí)擺動(dòng)8,R1(圖步幅車(chē)輪半徑或以騎差異，和R2)是必需的。所需的步幅在車(chē)輪半徑的差異但我示于左圖的變化如何。步幅實(shí)現(xiàn)由移動(dòng)轉(zhuǎn)向軸調(diào)整，但文學(xué)硬脂酸更多所需的操作量的運(yùn)作調(diào)整軸的靜態(tài)穩(wěn)定性影響的腳的模式，如盡可能小然而，凹凸輪模式到一個(gè)較小的車(chē)輪半徑地面移動(dòng)性降低。我這里的凸塊我覺(jué)得從車(chē)輪扭矩眼睛所需的最小尺寸的車(chē)輪。輪椅是凸的，和前輪車(chē)輪模式移動(dòng)至下圖中的第一塊接觸時(shí)，輪的狀態(tài)。在這個(gè)時(shí)候，四輪驅(qū)動(dòng)的輪驅(qū)動(dòng)力的后輪和前輪的驅(qū)動(dòng)力Ffrontfrear，因?yàn)樗且粋€(gè)動(dòng)態(tài)我可以利用。但是，在另一方面，前，后，顯示在圖中條在某些情況下，兩個(gè)輪子是在同一時(shí)間在與凸塊接觸。在這種情況下，例如登高凸塊只驅(qū)動(dòng)力各車(chē)輪應(yīng)。因此，這是在與凸塊接觸確定的最低值的R比一個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力。接觸的凸塊圖10是前輪的驅(qū)動(dòng)扭矩我告訴你是怎么。在這里，17前車(chē)輪轉(zhuǎn)矩發(fā)生力施加重量GtF幾個(gè)階段，到前輪，從步驟接點(diǎn)GN的角度0W的，和N,Hbump高度凸塊，汽車(chē)我和車(chē)輪半徑為R由它自己的前輪的前輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩我把電源Ffront切線。一個(gè)3Ffront，N,和G下列等式成立的權(quán)力平衡。Ffront=GsinOWN=GCOSOW此外，下式成立時(shí)前輪最多的凸塊。Ffront=uN口為靜摩擦系數(shù)，是小于的最大靜摩擦系數(shù)Umax。臺(tái)階高度是確定上述口當(dāng)你強(qiáng)迫的輸出范圍內(nèi)Ffront。如混凝土或?yàn)r青和汽車(chē)輪胎的一般道路表面的靜摩擦系數(shù)口的這是說(shuō)，0.6至約0.8。圖3-9車(chē)輪靜模型在Ffront=0.6N下，OW=31,當(dāng)公式u=0.6新局面。此時(shí)，關(guān)系R和Hbump之間的它可表示為。換句話說(shuō)，沒(méi)有另一車(chē)輪模式的車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力，使每個(gè)車(chē)輪爬升Hbump將大約七分之一的R。上式中的R或更多，這是必要的，如果你想移動(dòng)至圖的情況下，即使在凸塊Hbump。如果一個(gè)單一的，Hbump你正在努力去表達(dá)當(dāng)然使用其他的車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力，如圖這是可能的爬上凸部（4個(gè)）以上。有關(guān)以上車(chē)輪的尺寸的結(jié)論7Hbump<R它是在下面，所以需要更少的比最大步長(zhǎng)的腿模式R.,取值范圍為（邁開(kāi)腿模式的最大距離）<R18一個(gè)好的設(shè)計(jì)需要注意到方方面面，稍微的馬虎就能給整個(gè)設(shè)計(jì)帶來(lái)不必要的麻煩，而要成為一個(gè)好的設(shè)計(jì)師就要充分考慮到設(shè)計(jì)過(guò)程中可能遇到的諸多問(wèn)題，養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，積累更多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)工作都是相當(dāng)重要的。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，盡管設(shè)計(jì)之中有許多的缺點(diǎn)和不足，甚至出現(xiàn)了不應(yīng)該有的錯(cuò)誤，但是都是