《螺桿式行駛助力裝置》研究報(bào)告

螺桿式行駛助力裝置研究報(bào)告劉兆志徐中柯朱斌石教大湯皓晨武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師伍堃[摘要]針對爬樓裝置的穩(wěn)定性問題，設(shè)計(jì)了一種新型的爬樓裝置。對該裝置的結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行了分析和論證，利用螺旋傳動的原理，讓機(jī)構(gòu)中一對僅旋向相反的螺桿組同時(shí)相對而轉(zhuǎn)，抵消橫向作用力并保留向前的推動力，當(dāng)裝置中的雙螺桿組與樓梯臺階接觸時(shí)可向上行駛達(dá)到爬樓的效果。結(jié)果表明該裝置在臺階上做出平穩(wěn)的行駛，具有較好的自鎖功能，結(jié)構(gòu)簡單。為未來便攜式爬樓助力裝置的開發(fā)和應(yīng)用提供了可行性。[關(guān)鍵詞]螺桿爬樓裝置螺旋傳動自鎖[Abstract]Inviewofthestabilityoftheclimbingdevice,anewtypeofclimbingdeviceisdesigned.Thekinematicmodelofthestructureofthedeviceareanalyzedanddemonstrated.Accordingtotheprincipleofhelicaltransmission,thelateralforceofthemechanismisoffsetandtheforwardthrustisretainedthroughthereverserotationonapairofcounterrotatingscrewgroupsinthemechanism.Thedevicemovealongthestairswhenthescrewgroupstouchthestairstep.Theresultsshowthatthedevicecanmakeasmoothrunningonthestep,andhasgoodself-lockingfunctionandsimplestructure.Itprovidesthefeasibilityforthefuturedevelopmentandapplicationofstairclimbingdevice.[Keywords]Screw;Stairclimbingdevice;Screwdrive;Selflocking1研究背景目前國內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利，按爬樓梯功能的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式爬樓梯裝置。其都有各自優(yōu)缺點(diǎn)。履帶式爬樓梯裝置的原理類似于坦克，其原理簡單，技術(shù)也比較成熟。履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率比較高，行走時(shí)重心波動很小，運(yùn)動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用[1]。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處:重量大、運(yùn)動不夠靈活、爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞;且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個(gè)數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組式[2]。單輪組式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在爬樓過程中需要有人協(xié)助才能保證重心的穩(wěn)定;而雙輪組式雖能實(shí)現(xiàn)自主爬樓，但由于其體積龐大且偏重，影響了它的使用范圍。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，如此重復(fù)這兩個(gè)過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作，外觀可視為足式機(jī)器人，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。步行式爬樓梯裝置爬樓時(shí)運(yùn)動平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯;但它對控制的要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動幅度不大，動作緩慢。復(fù)合類機(jī)器人基于履帶式、輪式、腿式移動機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，在研究中，采用了腿一履復(fù)合和輪-腿一履帶復(fù)合等結(jié)構(gòu)[3]。設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來達(dá)到功能的完整。機(jī)器人擺臂在一定范圍可上下擺動，輔助越障、攀爬，具有較強(qiáng)的越障性能、路面通過性和上下臺階能力。但是各種機(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)手動操作省力與省時(shí)的問題以及反向自鎖等問題仍然存在。綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已久，成果也較多,但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，使得這些發(fā)明在國內(nèi)的應(yīng)用前景有一定的局限性。而國內(nèi)的研究相對較晚，雖然誕生了很多專利，但由于受到體積、重量、穩(wěn)定性及安全性的限制，還沒有產(chǎn)品真正安全廣泛的投入使用[4-7]。為了解決移動機(jī)器使用受限的問題，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了一種螺桿式行駛爬樓梯裝置。本研究報(bào)告以該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對象，對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行了分析和論證，發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)簡單能在樓梯臺階上做平穩(wěn)的行駛的雙螺桿式行駛助力裝置。助力器接觸樓梯時(shí)，臺階邊緣嵌入兩側(cè)螺桿的螺紋中，啟動電機(jī)，兩側(cè)旋向相反的螺桿同時(shí)開始旋轉(zhuǎn)，兩側(cè)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的橫向的作用力互相抵消，利用螺旋傳動的原理，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沿樓梯向上的推動力，推動貨物沿樓梯向上方運(yùn)動。為未來便攜式爬樓助力裝置的開發(fā)和應(yīng)用提供了可行性。2設(shè)計(jì)方案2.1助力裝置的設(shè)計(jì)要求經(jīng)分析，設(shè)計(jì)的爬樓梯裝置要解決的幾個(gè)基本問題：1）爬樓梯裝置在爬樓梯過程中的穩(wěn)定性是影響其實(shí)用安全性的重要指標(biāo)2）使用安全性；3）對于多功能爬樓梯裝置，如何實(shí)現(xiàn)平地模式與爬樓模式之間的平滑切換也是重要的問題。其次，爬樓機(jī)器人還要滿足以下基本要求：我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:樓梯踏步高度“不宜大于210mm，并不宜小于140mm；樓梯踏步寬度b，應(yīng)采用220，240，260，280，300，320mm；樓梯踏步高與寬的關(guān)系式:2a+b≤600(a-踏步高，b-踏步寬)”。機(jī)械要適應(yīng)規(guī)定的尺寸范圍，能夠順利的上下樓梯，即強(qiáng)調(diào)它的強(qiáng)適應(yīng)性。2.2助力裝置的總體方案2.2.1助力裝置爬樓原理設(shè)計(jì)經(jīng)綜合分析，本課題確定采用螺桿式爬樓機(jī)構(gòu)。爬樓助力器要求具有在平面行駛和爬樓梯的功能(樓梯規(guī)格:140<_a<_210,220<_b<_320)。本研究報(bào)告設(shè)計(jì)的螺桿式爬樓梯助力器的整體結(jié)構(gòu)由兩部份組成，包括位于機(jī)器中間部位由兩個(gè)個(gè)螺桿驅(qū)動的主車架，以及平地使用的輪式機(jī)構(gòu)。圖1爬樓梯原理簡圖在平地使用時(shí)，可以利用助力器后側(cè)的兩個(gè)大輪在平地拖曳；當(dāng)助力器接觸樓梯時(shí)如上圖1，兩側(cè)螺桿接觸臺階，臺階邊緣嵌入螺紋中，此時(shí)啟動電機(jī)，兩側(cè)旋向相反的螺桿同時(shí)開始旋轉(zhuǎn)，兩側(cè)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的橫向的作用力互相抵消，利用螺旋傳動的原理，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沿樓梯向上的推動力，推動貨物沿樓梯向上方運(yùn)動。由于平地運(yùn)動機(jī)構(gòu)和爬樓運(yùn)動機(jī)構(gòu)是相互獨(dú)立的，所以做成可拆分模塊，爬樓運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊可以安裝在普通拖車上使用。圖2注：螺桿按照圖2中旋向旋轉(zhuǎn)，可以使兩側(cè)螺桿與臺階的壓力保持相等。2.2.2助力裝置傳動設(shè)計(jì)方案由于需要將一個(gè)電機(jī)的動力傳遞到兩個(gè)旋向相反的螺桿上，因此選擇用一對同步齒輪將電機(jī)的扭矩分配到兩根軸上，再利用兩根同步帶將動力分配在螺桿上。圖3傳動部件特寫3結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型分析按照上節(jié)的設(shè)計(jì)，我們確定制作物理樣機(jī)的主要參數(shù)如下:車體長:L=650mm;車體寬:Y=440mm;車體質(zhì)量:M=10Kg;螺桿小徑:D=80mm;螺距P=50mm軸徑d=8mm;3.1電機(jī)的選取假設(shè)一節(jié)臺階的高度為180mm，寬度為240mm，螺桿直徑為80mm，螺距為50mm，預(yù)定要求全重500N的情況下每秒上行1個(gè)臺階。根據(jù)要求，輸出功率，螺桿的轉(zhuǎn)速為,由于在滑動螺旋傳動中，摩擦阻力較大，傳動效率較低，故選擇輸入功率為200W，由一臺200W的電動機(jī)提供。3.2螺桿受力分析長度的設(shè)計(jì)長650mm。材料為滾動軸承鋼，因?yàn)闈L動軸承鋼有以下優(yōu)點(diǎn)：1）高強(qiáng)度和硬度，HRC60－62，承受高的壓應(yīng)力；

2）高的接觸疲勞抗力，接觸應(yīng)力可達(dá)3000-3500MPa；

3）高的耐磨損能力圓軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件為：由上式可得軸的直徑計(jì)算公式：式中A—計(jì)算常數(shù)，與軸的材料和承載情況有關(guān),查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可以看相關(guān)的數(shù)據(jù)求和電機(jī)的扭矩可以算出軸的直徑大于等于7.2mm.選取8mm.4其他零部件的選型4.1聯(lián)軸器RS系列線性頂絲聯(lián)軸器型號:最大外徑:額定扭矩:最大扭矩:偏心誤差:軸角偏角:追高轉(zhuǎn)速:4.2軸承立式、臥式軸承座結(jié)構(gòu)材質(zhì):鑄鐵+軸承鋼軸孔內(nèi)徑:8mm固定孔徑:5mm立式尺寸:長度55mm，厚度13mm，高度30mm重33.76g，固定孔距42mm臥式尺寸:長度47mm，厚度12mm，高度27mm重27.16g，固定孔距37mm4.3同步帶表1同步帶參數(shù)規(guī)格型號wT規(guī)格代號節(jié)線長齒數(shù)D-XL0.5083.05196XL－1970XL497.84－5003.898－985D-L0.7624.58203L－1988L514.35－5048.2554－530D-H1.3725.95670H－2500H1701.8－6350124－500D-XH2.79415.49700XH－2275XH1778.00－5778.580－260D-XXH3.04822.11700XXH－2625XXH1778.00－6667.556－210D-T2.50.62T2.5x500－T2.5x5000500.00－5000.00200－2000D-T513.4T5x500－T5x7000500.00－7000.00100－1400D-T1027T10x500－T10x7050500.00－7050.0050－705D-T20313T20x1700－T20x70001700.00－7000.0085－350D-AT1027AT10x500－AT10x7000500.00－7000.0050－700HTD.DA-3M0.763.1501-3M－5010-3M501.00－5010.00167－1670HTD.DA-5M1.1435.26500-5M－7000-5M500.00－7000.0050－1400HTD.DA-8M1.3728.17512-8M－6880-8M512－688064－860HTD.DA-14M2.814.841750-14M－6860-14M1750－6860125－490HTD.DA-S8M1.3727.48S8M-512－S8M512－64－860由表可選，帶輪的內(nèi)徑為8mm.外徑為23.75mm，型號為23XL型，齒數(shù)23，同步帶周長為350mm，XL型。結(jié)論本文通過數(shù)控機(jī)床加工等方法成功制作了螺桿式行駛助力裝置。該樣機(jī)裝置的尺寸為650mm×440mm×10mm。該螺桿式爬樓助力裝置具有結(jié)構(gòu)，成本低廉，工作可靠，方便維護(hù)保養(yǎng)，零件更換，易于實(shí)現(xiàn)自鎖，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備經(jīng)進(jìn)一步完善其控制系統(tǒng)后，將實(shí)現(xiàn)平地和樓梯間的自動對接，成為爬樓助力裝置中的最佳候選者，為打開國內(nèi)外爬樓助力裝置的市場領(lǐng)域開拓很廣闊的前景，其潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分巨大，很難用具體的數(shù)字衡量。圖4樣機(jī)裝配圖結(jié)論本文通過數(shù)控機(jī)床加工等方法成功制作了螺桿式行駛助力裝置。該樣機(jī)裝置的尺寸為650mm×440mm×10mm。該螺桿式爬樓助力裝置具有結(jié)構(gòu)，成本低廉，工作可靠，方便維護(hù)保養(yǎng)，零件更換，易于實(shí)現(xiàn)自鎖，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備經(jīng)進(jìn)一步完善其控制系統(tǒng)后，將實(shí)現(xiàn)平地和樓梯間的自動對接，成為爬樓助力裝置中的最佳候選者，為打開國內(nèi)外爬樓助力裝置的市場領(lǐng)域開拓很廣闊的前景，其潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分巨大，很難用具體的數(shù)字衡量。致謝本項(xiàng)目研究得到了伍堃的悉心指導(dǎo)，伍堃老師在機(jī)械構(gòu)造研究和機(jī)械加工方面給予了大力的幫助，特此衷心謝忱。參考文獻(xiàn)[1]MoralesR,FeliuV,GonzalezA,etal.Kinematicmodelofanewstaircaseclimbingwheelchairanditsexperimentalvalidation[J].TheInternationalofRoboticsResearch,2006,25(9):825-841.[2]WangT,WngYC,YaoC.Studyonmechanismofamobilerobotusdeinunstructuredenvironment[C]//IEEEInernationalConferenceonRoboticsandBiom