爬楼轮椅后腿机构受力分析与优化设计
发布时间：2021-08-30 06:13
随着科技不断进步和发展,电动轮椅已经逐渐成为老年人及残疾人主要的代步工具。然而,由于人民生活水平的不断提高,对于生活质量也提出了更高的要求,市面上的普通电动轮椅已经无法满足人们出行要求,于是爬楼轮椅应运而生。爬楼轮椅不仅可以如普通轮椅一样在平地上行驶,还可以完成爬楼梯、越障、跨沟等动作,扩大了残疾人及老年人的活动范围。由于市场上现有的爬楼轮椅价格过高,本课题设计一款结构与现有爬楼轮椅不同的轮腿混合式爬楼轮椅。本文主要研究内容是对轮椅后腿进行受力分析和优化设计。文中首先介绍了功能方法树设计方法与通口本体设计理论,利用以上两种理论对后腿的辅助装置进行概念设计,产生多个设计方案,并通过效用价值分析法对比较合理的方案进行评价和分析,从而得到最佳的设计方案。然后借助UG软件强大的虚拟建模和装配功能,采用混合式装配设计方法对浮动轮机构进行零件设计和装配。最后利用MATLAB对浮动轮辅助下的轮椅上下台阶的路径进行仿真。其次,分析轮椅后腿的运动状态,把后腿的运动状态分为空载状态和工作状态。根据达朗贝尔原理,利用动静法分别对爬楼轮椅后腿的两种运动状态进行受力分析,通过仿真了解各个运动副受力的变化规律,确...
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
履带式爬楼轮椅
很好的解决了轮椅在平地与台阶之间切换时倾角过大的问题。履带式爬楼梯轮椅的传动效率高，重心波动小，运动平稳但不够灵活，而且结构较其他形式爬楼轮椅复杂且维修困难，履带在爬楼过程中对台阶有一定的损伤，这限制了其自身的推广应用。我国近些年对爬楼轮椅的研究也有许多成果，在鹿锋华的硕士论文中就设计了一款双轨道位姿调节机构，通过轮子在滑道里滑动来调节轮椅位姿[6]。熊坤设计了一种自动调节位姿机构，其主要结构有扶手下的导轨、滑块、带有凹槽的槽轮等。通过滑块的滑动及卡位来进行锁死[7]。该结构虽然简单可靠，但是调节精度较低。除了履带结构以外，轮式结构的运动也属于连续型。行星轮亦称轮组，轮组式爬楼轮椅的结构与普通轮椅相似，简单的结构使轮组式轮椅被广泛应用[8-10]。轮组式轮椅行星轮的个数一般为 2-4 个，如下图 1.2 所示，通常按照行星轮的个数分为两轮组式、三轮组式、四轮组式。轮组式轮椅的主流结构是采用行星轮，通过连杆的摆动以及轮子的转动进行上下楼梯。虽然行星轮具有结构简单，成本低廉，操作灵活等特点，但是这种结构也存在很大的缺陷，在上下楼梯时，由于重心和速度变化快，轮椅的稳定性变差，在连杆转动的过程中，轮子应该能够自锁和防滑，否则轮椅的安全性会大大下降。
李超等人设计的轮组式爬楼轮椅采用滑道位姿调节机构，轮椅前后都是三轮组式行轮结构[14]。刘学明设计了一款主要由重心轮、曲臂推杆、连接线、支撑轴等组成的心轮轮椅水平调节机构[15]。在轮椅上下楼梯时，重心轮调节机构通过移动曲柄推杆座椅前部或后部抬高来调节，使轮椅重心始终保持垂直向下。该机构结构简单，操容易，不依靠外力通过自身的调节实现座椅平衡，但由于关键部件设计强度和刚度求高，可靠性较低，使其很难推广应用。1.2.2 间歇型爬楼轮椅腿足式机构是模仿人类双腿设计而成，属于典型的间歇型结构，它具有至少两支撑系统，通过不同支撑系统之间的间歇式交替支撑重心来实现位移。早期爬楼轮多采用这种仿生学设计，比如历史上第一台爬楼机器人“WL-16RIII”，它是由日本大学和企业联合研发的双腿行走机器人，如下图 1.3(a)所示。在腿足式爬楼轮椅方面我国的姜晓东等人设计了一款电动步行式无障碍轮椅[16]，其工作原理与大多腿足式器人相似。
本文编号：3372225
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
履带式爬楼轮椅
很好的解决了轮椅在平地与台阶之间切换时倾角过大的问题。履带式爬楼梯轮椅的传动效率高，重心波动小，运动平稳但不够灵活，而且结构较其他形式爬楼轮椅复杂且维修困难，履带在爬楼过程中对台阶有一定的损伤，这限制了其自身的推广应用。我国近些年对爬楼轮椅的研究也有许多成果，在鹿锋华的硕士论文中就设计了一款双轨道位姿调节机构，通过轮子在滑道里滑动来调节轮椅位姿[6]。熊坤设计了一种自动调节位姿机构，其主要结构有扶手下的导轨、滑块、带有凹槽的槽轮等。通过滑块的滑动及卡位来进行锁死[7]。该结构虽然简单可靠，但是调节精度较低。除了履带结构以外，轮式结构的运动也属于连续型。行星轮亦称轮组，轮组式爬楼轮椅的结构与普通轮椅相似，简单的结构使轮组式轮椅被广泛应用[8-10]。轮组式轮椅行星轮的个数一般为 2-4 个，如下图 1.2 所示，通常按照行星轮的个数分为两轮组式、三轮组式、四轮组式。轮组式轮椅的主流结构是采用行星轮，通过连杆的摆动以及轮子的转动进行上下楼梯。虽然行星轮具有结构简单，成本低廉，操作灵活等特点，但是这种结构也存在很大的缺陷，在上下楼梯时，由于重心和速度变化快，轮椅的稳定性变差，在连杆转动的过程中，轮子应该能够自锁和防滑，否则轮椅的安全性会大大下降。
李超等人设计的轮组式爬楼轮椅采用滑道位姿调节机构，轮椅前后都是三轮组式行轮结构[14]。刘学明设计了一款主要由重心轮、曲臂推杆、连接线、支撑轴等组成的心轮轮椅水平调节机构[15]。在轮椅上下楼梯时，重心轮调节机构通过移动曲柄推杆座椅前部或后部抬高来调节，使轮椅重心始终保持垂直向下。该机构结构简单，操容易，不依靠外力通过自身的调节实现座椅平衡，但由于关键部件设计强度和刚度求高，可靠性较低，使其很难推广应用。1.2.2 间歇型爬楼轮椅腿足式机构是模仿人类双腿设计而成，属于典型的间歇型结构，它具有至少两支撑系统，通过不同支撑系统之间的间歇式交替支撑重心来实现位移。早期爬楼轮多采用这种仿生学设计，比如历史上第一台爬楼机器人“WL-16RIII”，它是由日本大学和企业联合研发的双腿行走机器人，如下图 1.3(a)所示。在腿足式爬楼轮椅方面我国的姜晓东等人设计了一款电动步行式无障碍轮椅[16]，其工作原理与大多腿足式器人相似。
本文编号：3372225
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