章丘四中校園新聞發(fā)布管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)爬梯輪椅行走性能分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22641自動(dòng)爬梯輪椅行走性能分析案例 111734 132765 131985 211405 7本文設(shè)計(jì)的爬梯輪椅應(yīng)具有良好的道路通行能力，不僅能在平坦的道路上自由行走，還能穿越樓梯、障礙物、山坡等非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境，而輪椅的主要功能還體現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下良好的運(yùn)輸能力，本文所研究的輪椅攀爬是一種爬行式輪椅攀爬。當(dāng)面對(duì)樓梯、障礙物等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境時(shí)，主要通過(guò)爬行伸縮機(jī)構(gòu)完成運(yùn)動(dòng)。因此，本文對(duì)輪椅攀爬性能的研究主要是研究爬行攀爬機(jī)構(gòu)的行走性能。本課題的爬梯輪椅的動(dòng)力源則是直流伺服電機(jī)。而爬梯輪椅要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能則不需要使用差速器和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，而是通過(guò)程序控制分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)包括雙邊差速、單邊制動(dòng)以及雙邊反向在內(nèi)的三種不同類(lèi)型轉(zhuǎn)向方式。本文中的爬梯輪椅采用的是雙邊差速、單邊制動(dòng)以及雙邊反向這三種轉(zhuǎn)向方式，能夠使爬梯輪椅適應(yīng)不同的使用環(huán)境及路況。設(shè)計(jì)人員及操作人員可以根據(jù)不同的使用環(huán)境及路況選用不同的轉(zhuǎn)向方式來(lái)實(shí)現(xiàn)爬梯輪椅的運(yùn)動(dòng)。下文就是對(duì)爬梯輪椅履帶的轉(zhuǎn)向理論進(jìn)行了分析。本文設(shè)計(jì)的履帶式爬梯輪椅采用了上述三種轉(zhuǎn)向方式，本章只針對(duì)雙邊差速的轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行分析。爬梯輪椅履帶底盤(pán)在平地穩(wěn)定轉(zhuǎn)向具有對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，主要是以軸線(xiàn)O為旋轉(zhuǎn)中心軸，其中OT表示轉(zhuǎn)向中心軸線(xiàn)O縱向?qū)ΨQ(chēng)投影到底盤(pán)的投影面。履帶底盤(pán)的轉(zhuǎn)向半徑表示轉(zhuǎn)向中心軸線(xiàn)O與對(duì)稱(chēng)平面之間形成的距離，用字母R表示，相互之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可用下列關(guān)系式4-1表示：ωZ式4-1中，V表示底盤(pán)轉(zhuǎn)向時(shí)的平均速度，R表示履帶底盤(pán)轉(zhuǎn)向半徑，ωZ表示爬梯輪椅履帶底盤(pán)的轉(zhuǎn)向角速度。履帶底盤(pán)在轉(zhuǎn)向時(shí)，整個(gè)底盤(pán)都是圍繞轉(zhuǎn)向軸線(xiàn)O回轉(zhuǎn)，底盤(pán)的速度為角速度ωv1v1上式中，L是履帶底盤(pán)的軌距，V1為右側(cè)履帶的速度，V2為左側(cè)履帶的速度。圖4-1底盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖自動(dòng)爬梯輪椅在自動(dòng)爬梯過(guò)程中，行走的地面一般具有凹凸不平的特征，若自動(dòng)爬梯輪椅無(wú)法克服凹凸不平的地面障礙，即喪失面對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的通過(guò)能力，學(xué)術(shù)上將此類(lèi)越障能力成為爬梯輪椅的幾何通透性。非結(jié)構(gòu)化的障礙物在真實(shí)的路面環(huán)境中出現(xiàn)的頻率很高，因此自動(dòng)爬梯輪椅的越障能力要作為分析其爬梯過(guò)程的主要研究?jī)?nèi)容，論文在閱讀大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的路面環(huán)境特征，選取斜坡、凸臺(tái)和樓梯三種典型的結(jié)構(gòu)化障礙作為主要的研究環(huán)境。斜坡、凸臺(tái)和樓梯三種典型的結(jié)構(gòu)化障礙分別具有其獨(dú)特的特征參數(shù)，為保障履帶式爬梯輪椅穩(wěn)定、安全、高效的進(jìn)行行走，以下將著重分析這兩類(lèi)典型結(jié)構(gòu)化障礙的具體特征參數(shù)。1斜坡在驅(qū)動(dòng)力充足的情況下，將電動(dòng)爬梯輪椅完全置于斜坡上，如上圖4-2所示。圖4-2以爬梯輪椅為對(duì)象進(jìn)行受力分析，若爬梯輪椅自身重力沿斜坡向下方向的分力大于履帶與斜坡之間產(chǎn)生的摩擦力，電動(dòng)爬梯輪椅將沿斜坡以某個(gè)加速度下滑，得出下式：θmax式4-4中，μ表示履帶與斜面之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，根據(jù)論文對(duì)自動(dòng)爬梯輪椅的設(shè)計(jì)要求，宜選用橡膠作為爬梯輪椅的履帶材料，查閱相關(guān)動(dòng)摩擦系數(shù)表可知混凝土與橡膠之間的動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.65，代入上式，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出θmax即電動(dòng)輪椅能攀爬的最大坡度為33°。2凸臺(tái)在爬梯輪椅行走過(guò)程中，典型的行駛環(huán)境就是出現(xiàn)凸臺(tái)，地面一般來(lái)說(shuō)是凹凸不平的，爬梯輪椅越過(guò)凸臺(tái)的過(guò)程主要可以分為三個(gè)階段，具體如下圖所示。第一個(gè)階段履帶前輪在接觸凸臺(tái)的后端，履帶前端上升，前端角增大；第二個(gè)階段，履帶前端上升的過(guò)程中，重心前進(jìn)至與凸臺(tái)側(cè)面重合的位置，履帶后端開(kāi)始離開(kāi)地面；第三階段是輪椅與凸臺(tái)的頂部平面接觸，直至輪椅完全駛上凸臺(tái)的過(guò)程。圖4-3第一階段圖4-4第二階段圖4-5第三階段在保證行走機(jī)構(gòu)具有足夠的動(dòng)力攀爬凸臺(tái)時(shí)，建立如下圖所示的模型，如下圖4-6所示.圖4-6設(shè)崎嶇不平路面的垂直高度為H，行走機(jī)構(gòu)重心的位置為G（x，y）,履帶與地面的夾角為β，則可以通過(guò)模型得：H=x?tanβ（4-5）通過(guò)NX（UG10.0）測(cè)量三維模型可得行走機(jī)構(gòu)重心的位置x為420mm，履帶與地面的夾角β為33°，將數(shù)值帶入公式4-5可得H=273mm,即行走機(jī)構(gòu)可攀凸臺(tái)的垂直高度為273mm2樓梯從本質(zhì)上講，自動(dòng)爬梯輪椅項(xiàng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)爬梯過(guò)程。面對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境，如何高效、順利地進(jìn)行爬梯過(guò)程是本論文研究的重點(diǎn)，也是一個(gè)極其困難的環(huán)節(jié)。分析了輪椅攀爬特點(diǎn)，攀爬過(guò)程可分為四個(gè)階段，第一階段：輪椅到達(dá)樓梯底部，輔助輪前端與第一臺(tái)階頂角相接觸，準(zhǔn)備攀爬樓梯；第二階段：當(dāng)輪椅驅(qū)動(dòng)輪離開(kāi)地面后，輔助電機(jī)開(kāi)始工作，帶動(dòng)蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)，彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，直至驅(qū)動(dòng)輪，從動(dòng)輪和輔助輪地面在同一直線(xiàn)，從而加大履帶受力面積。第三階段：輪椅到達(dá)樓梯頂部后，彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，預(yù)訂部平面接觸，給輪椅起到一個(gè)支撐作用。第四階段：輔助輪與樓梯平臺(tái)接觸后，彈簧開(kāi)始拉伸，輔助輪開(kāi)始向相反的方向開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，行走機(jī)構(gòu)順利攀爬至樓梯平臺(tái)，輔助輪旋轉(zhuǎn)至原始位置。如圖所示。在爬梯的過(guò)程中，輪椅的攀爬會(huì)產(chǎn)生一定的傾斜角度。如果坡角過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致爬坡過(guò)程中的失穩(wěn)；相反，坡度角越小，越有利于輪椅攀爬的穩(wěn)定性，根據(jù)對(duì)爬梯輪椅爬梯過(guò)程中力學(xué)性能的分析，從安全性能的角度來(lái)看，爬坡的最大坡度角為33°，當(dāng)爬梯輪椅走到最后一級(jí)時(shí)，由于重心方向的改變，碰碰車(chē)輪會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而造成安全問(wèn)題。因此，上下樓梯過(guò)程中需要外力的作用，為了消除輪椅在爬樓梯過(guò)程中的動(dòng)力影響，樓梯的相關(guān)參數(shù)也是影響正常攀爬過(guò)程的關(guān)鍵因素之一，輪椅在上下樓梯的過(guò)程中需要保持平衡，即座椅處于穩(wěn)定的水平狀態(tài)。這是由于電動(dòng)推桿和傾角傳感器組成的座椅平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保了輪椅上下樓梯時(shí)的穩(wěn)定性；履帶與樓梯的有效接觸長(zhǎng)度將直接影響樓梯上升過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。假定樓梯踏板長(zhǎng)度為L(zhǎng)，有效接觸長(zhǎng)度不應(yīng)小于3L，以保證行走過(guò)程的穩(wěn)定性；樓梯板主要包括踏板和立板兩部分，設(shè)計(jì)規(guī)格也有一定的要求，一般來(lái)說(shuō)，需要參考人體腳板尺寸的大小。最舒適的踏板垂直高度為180mm，踏板寬度為280mm。根據(jù)上述規(guī)范，論文選取的履帶接地長(zhǎng)度為700m