簡易星輪式爬樓輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真

張玉葉，張 靖，趙蓓蓓

（1.蘇州托普信息職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 蘇州 215311；2.空軍濟南航空四站裝備修理廠，山東 濟南 250022）

我國目前已進入老齡化社會，截至2017年底，中國60歲及以上老年人口已超過2.41億，到2050年預計將達到4.87億[1]149。輪椅是很多老年人和相關(guān)的肢體殘疾人的代步工具，目前市場上的很多輪椅體積都比較大，并且沒有爬樓功能，在老年人出行的時候，都需要相關(guān)的輔助人員。

世界上的第一款爬樓機構(gòu)就是采用星輪爬樓方式，最初是由美國的一位工程師開發(fā)設(shè)計的，結(jié)構(gòu)上比較簡單實用。履帶式爬樓機構(gòu)是繼星輪爬樓機構(gòu)之后使用最多的爬樓機構(gòu)，該種爬樓機構(gòu)相對于星輪式具有很好的適應性。支撐式爬樓梯輪椅機構(gòu)工作原理主要來自于仿生學，模仿人爬樓的動作，兩個支撐裝置分別支撐，交替向前，進而實現(xiàn)爬樓動作。

王占禮等[2]56通過單輪轂電機驅(qū)動三星輪組進行爬樓翻轉(zhuǎn)試驗，爬樓機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，動作靈活，但動力有所欠缺，且對翻轉(zhuǎn)過程中的平衡性考慮較少；李育文等設(shè)計了履帶式爬樓輪椅，雖穩(wěn)定性及其對各種路況的適應能力有所提高，但也加劇了樓梯的磨損[3]135；Quaglia等將三星輪與履帶相結(jié)合，實現(xiàn)自動爬樓，但履帶造成樓梯磨損的不足仍存在[4]84；周秋雨等通過在驅(qū)動輪上安裝桿件翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)輪椅爬樓，但桿件前端橡膠套與臺階接觸面積小，受力集中，易損壞[5]74。

本文針對目前輪椅爬樓較為困難和爬樓輪椅舒適性的不足，設(shè)計了一款以星輪為基礎(chǔ)的爬樓輪椅，該輪椅爬樓方便，在使用時可保證乘坐者的舒適性。

一、爬樓機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

（一）爬樓機構(gòu)的選擇

依據(jù)目前爬樓機構(gòu)的種類，綜合對比各種爬樓機構(gòu)類型，其結(jié)果如表1[6]286所示。

表1 不同爬升越障機構(gòu)的對比

從表1的對比分析中可以看出，在所有類型中星輪式的爬樓機構(gòu)整體評價較好[7]25-29，因此本文選擇星輪機構(gòu)作為爬樓機構(gòu)的主要裝置，該種機構(gòu)具有爬樓穩(wěn)定、適應性強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，并且在平面行駛的時候，可通過電機完成動力的提供。

（二）爬樓機構(gòu)尺寸設(shè)計

首先需要對相關(guān)的關(guān)鍵部件進行尺寸設(shè)計，因此在本文中，首先就要確定的是星輪尺寸和星輪架尺寸，星輪和星輪架的尺寸主要是依據(jù)樓梯來進行確定，若爬樓機構(gòu)尺寸過大，則爬樓效果較差，會與臺階的臺面發(fā)生接觸干涉；如果尺寸太小，此時雖然爬樓效果較好，但是在平面行駛的狀況下，其適應能力較差，遇到坑洼地面，則輪椅無法行駛，因此對爬樓機構(gòu)的尺寸設(shè)計必須實用，需做較為深入的分析。

通過查閱文獻《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標準》，確定國內(nèi)普通臺階的高度不超過20cm，不低于14cm，臺階寬度不超過30cm，不低于20cm，并且寬度和高度需要滿足下式：

式中：a-臺階高度；

b-臺階寬度。

因此若需要保證星輪爬樓機構(gòu)的適應能力，在最小寬度的臺面獲得穩(wěn)定支撐，臺階的支撐寬度應該至少為20cm。依據(jù)該條件，可以確定星輪的直徑必須小于20cm，由于輪轂電機可以確定，因此另外兩個星輪尺寸需要依據(jù)輪轂電機確定。通過查閱《機械設(shè)計手冊》第六版，本文選用電機齒輪為19cm，因此星輪的直徑也為19cm。

通過公式1的條件，從而可確定踏步寬度bmin=20cm的時候，則可以確定的是踏步高度amin=14cm，踏步高度amax=20cm?？梢钥闯雠罉歉叨群团_階寬度呈現(xiàn)反比的關(guān)系。

在圖1中，星輪半徑為r，輪架臂長為R,星輪中心距為l，星輪中心和樓梯邊緣之間的距離為x，依據(jù)圖1分析可以得到下式：

取a=amin,b=bmin,又由已知條件可知r+x≤20cm，得到：Rmax=14.1cm；

同理取a=amax，b=bmin時，同上可以得到：Rmin=9.7cm。

最終確定星輪臂長R=12cm。

由圖1可以看出，兩個星輪安裝相切的時候，則星輪尺寸為最大：

代入a=amax，b=bmax時得出rmax＞r，所以上文中的r=9.5cm較為合理。

通過圖1可以看出星輪尺寸和輪架尺寸為固定值的時候，可以推出關(guān)于輪臂寬度公式：

圖1 星輪機構(gòu)主要參數(shù)示意圖

將上述固定數(shù)值代入公式5，從而可以計算出t=4cm，因此星輪臂寬2t=8cm。

通過上文的計算，最終可以確定星輪機構(gòu)的主要參數(shù)尺寸：R=12cm，r=9.5cm，t=4cm。

（三）爬樓機構(gòu)傳動設(shè)計

在爬樓機構(gòu)進行爬樓的時候，機體處于下傾的狀態(tài)，因此其所承受的扭矩等力也較大，為了保證整體質(zhì)量和體積較小，以減少爬樓負載，因此需要使結(jié)構(gòu)盡量地緊湊，在機械設(shè)計上需要設(shè)計有鏈傳動、渦輪蝸桿和齒輪傳動等機構(gòu)。

通過對各個傳動機構(gòu)的分析，最終本文采用行星齒輪傳動機構(gòu)，該機構(gòu)具有噪聲小、傳動效率低等特點。

傳動系統(tǒng)的機構(gòu)原理如圖2所示，本機構(gòu)傳動系統(tǒng)由兩級減速構(gòu)成，整體設(shè)計緊湊，第一級采用錐齒輪傳動，第二級傳動采用星輪差速傳動。傳動系統(tǒng)中所采用的齒輪均為標準的漸開線齒輪，齒輪的模數(shù)均為2mm，通過圖2可以計算得出：

圖2 行星輪系機構(gòu)傳動原理

首先固定齒輪4的齒數(shù)為70，因此該齒輪直徑可以通過模數(shù)計算得出，其結(jié)果為140mm，本文取其傳動比為10，因此依據(jù)差速傳動比計算公式得：

此外依據(jù)2K-H行星輪系裝配條件，從而可以得到公式7：

在上式中S、Z7和Z6均為相關(guān)的公因式，其中np為行星輪個數(shù)，本設(shè)計上該數(shù)量取3，其次依據(jù)公式得：

從而可得出輪7的齒數(shù)為67，依據(jù)模數(shù)，從而可以計算出輪7直徑為134mm，依據(jù)上式從而可以計算得出輪5的齒數(shù)為22，從而可以計算出其直徑為44mm。在安裝上輪5和輪6固定安裝在一個軸上，因此為了滿足以上條件，從而可以計算出輪6的齒數(shù)為20。

二、三維建模

本文所設(shè)計的爬樓輪椅結(jié)構(gòu)復雜，其中所涉及的零件較多。本文中對于模型的建模采用UG軟件對其進行三維建模。

星輪機構(gòu)是爬樓機構(gòu)中最為重要的一種機構(gòu)，該機構(gòu)的設(shè)計決定爬樓是否能夠成功，該系統(tǒng)中的星輪機構(gòu)包括前星輪與后星輪，前星輪只是三個普通的輪椅車輪組合在一起，而后星輪則是接受來自電機的動力，從而驅(qū)動整個機器進行工作，因此后星輪作為驅(qū)動輪與前星輪的設(shè)計有所不同，后星輪的三個工作輪，主要是三個帶輪，需要通過帶傳動驅(qū)動其進行工作。在三個星輪中間處設(shè)計一個原動帶輪，該帶輪的主要動力來源于主軸。通過主軸的轉(zhuǎn)動，從而帶動原動帶輪轉(zhuǎn)動，帶動上下兩側(cè)的張緊輪進行轉(zhuǎn)動，最終帶動三個帶輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動整機進行爬樓。其三維建模如圖3所示。

圖3 后星輪三維模型

本文所設(shè)計的爬樓輪椅主要采用電驅(qū)動的方式對其進行驅(qū)動，通過直流電瓶對直流電機進行驅(qū)動，電機通過帶動齒輪轉(zhuǎn)動，最終經(jīng)過二級齒輪傳動帶動主軸轉(zhuǎn)動，從而帶動星輪機構(gòu)運動。此外，還設(shè)計了電機固定架，其三維模型如圖4所示。

圖4 傳動系統(tǒng)三維模型

在爬樓輪椅進行爬樓的時候，整個輪椅一定會發(fā)生向下傾斜的狀態(tài)，為了保證爬樓的安全性以及乘坐者的乘坐舒適性，乘坐者的位置也要保持向下傾斜的狀態(tài)。因此椅座與機架之間的連接方式主要是采用滑輪的方式進行連接，整機機架如圖5所示。

圖5 整機機架

座椅的安裝方式是將兩個軸穿過座椅，因此在工作的時候，通過滾動軸承在滑軌之間的滑動，即可進行滑動，其最終模型如圖6所示（圖6見下頁）。

圖6 爬樓座椅三維模型

三、爬樓機構(gòu)的運動仿真

筆者對該爬樓機構(gòu)進行ADAMS運動仿真，在軟件中設(shè)初始的輪轂轉(zhuǎn)速為55rom，三個輪轂所受到的合力為370N/m，將該項數(shù)據(jù)代入ADAMS中進行仿真分析，從而可以得到輪轂角速度的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 輪轂角速度

依據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，對爬樓機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)進行分析。由圖7可以看出，輪轂角速度變化較為頻繁，但是隨著時間不斷的推進，雖然數(shù)值一直在波動，但是變化量較小，整體穩(wěn)定在534o/s。輪轂理論角速度通常為527o/s，理論計算的數(shù)值和仿真所得到的結(jié)果，相差較小，因此說明該種仿真結(jié)果比較可信。通過仿真計算，該爬樓機構(gòu)的傳動比主要依據(jù)齒輪傳動和星輪之間的差動所決定，上述理論在計算中，減速器為5∶1，傘齒輪傳動比為3∶1，行星齒輪差速器傳動比為11∶1，因此該種減速比為165∶1。

本文利用剛體動力學方法[8]68，將其轉(zhuǎn)換成瞬態(tài)問題，該種方法可以較為簡單地分析出傳動輪齒的剛度和強度，施加相關(guān)的受力條件，其分析結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 轉(zhuǎn)化等效應力值

圖9 位移變形量

利用ADAMS軟件對爬梯機翻轉(zhuǎn)爬升系統(tǒng)，在軟件中進行了攀樓輔助裝備的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和攀樓輪轂運動的仿真分析，從數(shù)據(jù)結(jié)果分析得到本方案設(shè)計的攀樓輔助設(shè)備的攀樓機可行性較高。應用ADAMS軟件中的相關(guān)仿真模塊對輸出齒進行仿真分析，驗證整機機械結(jié)構(gòu)運動可靠性，并為之后的攀樓輔助設(shè)備機械結(jié)構(gòu)的改進優(yōu)化提供了依據(jù)。

四、結(jié)論

本文針對國內(nèi)外研究、應用現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地提出了一種利用行星輪系爬樓的爬樓輪椅機構(gòu)，并對其整體方案的設(shè)計以及各種關(guān)鍵問題作了深入地研究分析。主要完成了：

1.爬升機構(gòu)的設(shè)計。在眾多爬樓方案對比中選擇星輪作為爬樓機構(gòu)的主要爬樓裝置，并對其進行尺寸設(shè)計與傳動設(shè)計。

2.完成對模型的三維建模，應用UG三維建模軟件，對輪椅的各個部分進行建模，最后完成對模型的裝配處理。

3.應用ADAMS軟件對模型進行運動仿真，確保爬樓輪椅設(shè)計的可行性。