履带-轮式爬楼梯电动轮椅设计【带图纸】

履带-轮式爬楼梯电动轮椅设计【带图纸】

毕业设计说明书论文 QQ 36296518 原创通过答辩

履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 摘 要 随着社会的发展和人类文明程度的进

步，老年人与残障人员愈来愈需要运用

现代高新技术来改善他们的生活质量，而爬楼梯对于老年人和残疾人行动不方便

的，非常困难，所以要增加轮椅自动化程度，于是我们在原轮椅的基础上进行改

进和加装爬楼机构，本文设计的电动轮椅具有爬楼功能，爬楼时用履带驱动，平

地时可像普通轮椅用轮驱动也可轮椅稍后仰用履带驱动。此车在轮椅的基础上安

装履带装置、升降机构、电机、以及控制电路、控制设备，以降低劳动强度、提

高效率，减少他们的困难、提高生活质量、满足市场需求为目的。爬楼梯车具有

适应性强、机动灵活、活动范围大等特点，在我国国民经济的发展中，爬楼梯电

动轮椅的需求量逐年增加，市场发展潜力巨大，爬楼梯电动轮椅行业具有广阔的

发展机遇和良好的投产前景。 关键词:爬楼梯，电动，轮椅，履带轮式 I 履带,轮式爬楼

梯电动轮椅设计

Abstract With the social development and improvement in the level of

human civilization,

oldmen and physically disabled members of society more and more need

to use

modern high-tech to improve their quality of life,but the elderly

and handicapped are

unable to climb the stairs, so we had to increase the automatic

level of the electric

wheelchair to reduce their difficulty. So we have the original on

the basis o f a

wheelchair to improve and the installatio n of Climbing stairs

institutions, the paper

design with the electric wheelchair has Climbing stairs function,

when Climbing stairs

it use track-driven, the ground can be used like an ordinary

wheelchair-wheel-drive

can also be track-driven, when the chair be have fit in

the new equipments

include the tracked device,the body movements, the electromotor,

control circuit and

control equipment, etc, to reduce the labor intensity and difficulty,

and to improve the

efficiency and living quantity, so that can satisfy the requirements

of the market. The

automatic electric wheelchair has new characteristics of high

adaptability, mobility

and orbit, etc. As the development of the national economy, the

requirement of

automatic electric wheelchair will be increased year by year. So the

developing

potential of the automatic electric wheelchair in the market is vast,

it has a good

developing opportunity and well invested prospect. Key

words:Climbing the

stairs,electricity, wheelchair, Track-Wheel 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

目 录 第一章 综

述.....................................................................................................1

1.1 爬楼梯轮椅的意义 ............................................. 1

1.2 国内外爬楼梯轮椅的发展状况 ....................................

2

1.2.1 国外爬楼梯轮椅的发展状况

......................................... 2

1.2.2 国内爬楼梯轮椅的发展状况

......................................... 4

1.3 本项目的设计目的与主要研究内容 ................................

5

1.3.1 课程设计目的 .............................................. 5

1.3.2 课题研究内容 .............................................. 6

1.4 设计进程安排 ..................................................

6

第二章 履带爬楼装置机械系统结构设

计 ...........................................................8

2.1 爬楼机构的比较 ................................................

8

2.2 设计思路 ......................................................

9

......................................... 10 2.3 履带轮式轮椅爬楼原理

2.4 履带爬楼过程分析 .............................................

11

2.5 爬楼性能参数 .................................................

13

2.6 履带爬楼机构的结构设计 .......................................

13

2.7 升降机构的设计 .............................................. 16

2.8 本章小结 .................................................... 18

第三章 电气系统设

计 .............................................................................

........ 19

3.1 履带爬楼梯装置执行电机选择 .................................. 19

3.2 电池选择 .................................................... 20

3.3 电动车电机转速控制 .......................................... 21

3.3.1 驱动方式对电动车性能影响 .................................. 21

3.3.2 现有电动车电机存在主要问题及探索 ...........................

21

3.4 直流电机机械特性 ............................................ 22

3.5 控制系统的设计 .............................................. 23

3.6 本章小结 .................................................... 28

第四章 典型零部件设计及校核计

算 ................................................................

29

4.1 传动系统动力参数计算 ........................................ 29

4.2 轴的计算 .................................................... 30

III 履

带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 第五章 技术经济分析报

告 .............................................................................. 39

5.1 履带轮式轮椅技术分析 ........................................ 39

5.2 履带轮式轮椅经济分析 ........................................ 39

5.3 履带轮式轮椅结论和展望 ...................................... 40

参考文

献 ........................................................................................................ 41

致

谢 ............................................................................................................. 42 IV 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

第一章 综 述 1.1 爬楼梯轮椅的意义 轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少

的代步工具，随着无障碍设施的

增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯却使轮椅受到很大限制，因此研 发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任 务。楼梯的出现是人类建筑史上的一个重要的成就，它不仅缩小了房屋的建筑面 积、充分利用了有限的生存空间，而且为进出高层建筑物提供了方便的通道。尤 其是在人口数量日益增长、经济飞速发展的现代化社会中，为了提高人均住房面 积，改善人们的生活质量，高楼别墅不断涌现。然而，在发挥优势的同时，楼梯 对老年人、肢体残障人士的出行带来了很多不便，对他们的行动造成了障碍，影 响了他们与外界的沟通和交流。这个问题随着老年人和残疾人数量的增多显得日 益突出。 [1]

老年人和残疾人比例的显着增加给经济、社会的发展都带来了很大的影响，

医疗、护理、社会服务等各方面需求的压力也越来越大。为关心老年人、残疾人

的生活，改善他们的生活质量，减轻医疗护理事业的压力，各式各样的助老、助

残运动装置也应运而生。

日本的身体残疾者中，肢体残疾者占60%，而且有近半数是下肢残疾者。造 成下肢残疾的原因，过去多是战争和工伤，近年来则越来越多的是交通事故和运

动、娱乐中的事故，尤其是年青人。另一方面，老年人中随着年龄的增加，因体

力下降和脑血管病变造成残疾的情况也越来越多。下肢最重要的功能是行走。一

旦不能行走，不用说到室外，就是在室内移动也很困难，其生活空间大受限制。

老年人若周围没有适当的人照顾，容易变成卧床不起的状况。若是轻度残疾，使

用手杖等简单的辅助工具，就可以在与健康人相同的范围内移动。但以自身之力

不能步行时，就必须用轮椅作为移动工具。使用轮椅时，靠自身之力就可以移动

到想去之处，所以其使用价值非常高。但对于使用轮椅者，还有一些问题。普通

轮椅不具备攀登楼梯和跨越路障的功能，从而限制了以轮椅代步的下肢截瘫者及

年老体弱者的活动范围，影响其走向生活和回归社会的深度和广度。为此，人们

从以下方面解决这一问题:房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，在公共场所 设置轮椅上、下楼梯的固定搬运装置、便携式轮椅搬运小车、爬楼梯轮椅，这种 轮椅可在平地上行驶，且具备爬楼梯的功能。可设计成手动型或电机驱动型。由 于它们具有机动灵活、适用性广等优点，吸引了众多学者从事该项研究。本文就1

履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 是为了能解决以上所遇到的问题而专门设计的一种爬楼轮椅。目前,国外已有许

多种爬楼梯轮椅的发明专利问世。然而,它们多数结构复杂,价格昂贵,不完全适 合于发展中国家使用者的经济承受能力。为此,我们设计了一种实现爬楼梯功能

的爬楼梯轮椅。与已有的其它专利相比,其结构更为简单、制造成本也更为低廉,

而且,它可以很容易地从爬楼梯状态转换到平地行走状态。所以,它对于轮椅使用

者是非常适合的,特别对于发展中国家的使用者更是如此 。随着社会的发展和人

类文明程度的提高，人们别是身体有各种残障的社会成员愈来愈需要运用现代高

新技术来改善他们的生活质量，拓展生活自由度。另一方面，因为各种交通事故，

天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力(如行走，动 手能力等)。因此，用于帮助残疾人行走的智能移动轮椅的研究越来越热烈。此 方面的研究对我国这样一个人口结构即将进入老龄化的国家更是具有非常重要 的社会和现实意义。

1.2 国内外爬楼梯轮椅的发展状况 1.2.1 国外爬楼梯轮椅的发展状况

履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术

也比较成熟。如图 1.1(a)所示是英国 Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底

图 1.1 国外爬楼梯轮椅

部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为 35 度，上下楼梯速度为每分钟

15 一 20 个台阶。图 1.1(b)是法国 Topchair 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底 部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过 适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带 无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基

础上，研究了一种双履带式的爬楼梯装置，如图 1 .1(c)，即左右两侧各有两组履

带相互连接在一起，解决了在水平状态与楼梯倾角切换时，座椅倾角过大而影响

2 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 使用安全的问题。图中履带式爬楼梯装置履带式结构传动效率比较高，行走时重

心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能

使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。

早期的爬楼梯轮椅一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组

成。上楼时先将轮椅抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段

楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多

条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。 图 1.2 步行式爬楼梯装置

日 本早稻田 大学理工 学术院高 西淳夫教 授的研究室 以及日本 机器人开

发风

险企 业 Tmsuk 联合开发的双足行走机器人“WL-16RIII”，如图 1.2(a)所示，它由

两条机械腿支撑一个座椅构成，每条机械腿有 6 个自由度，可向前、后、侧面移

动，座椅底部装有陀螺仪，每条腿上装有压力传感器，通过传感器采集信息，控

制其实时调整姿态保持重心平稳。WL 一 16RIII 两腿前后伸展距离最长为

1.02

米，左右最长 1.36 米，每条腿上下运动幅度最大 0.34 米。日本长崎大学机械工

程系研究了一种高阶爬楼梯装置如图 1 .2(b)，它由一系列液压操作杆和前后两组 星型轮构成，集步行式与轮组式设计理念于一体。装置通过星型轮的翻转上下楼

梯，座椅底部的传感器检测装置的平衡情况，控制操作杆自动调节使装置在爬楼 过程中始终位于稳定裕度内。在平地使用时，操作杆可以折叠于座椅底部，节省 了使用空间。它的最大优点是爬楼幅度较高，甚至能自行上下货车。

步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制 的要

履带,轮求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢:此外，座椅距3 式爬楼梯电动轮椅设计 地面的高度较大，易给使用者造成心理恐惧，距离实际应用还有很大的距离。

国外比较具有代表意义的是德国 Alber 公司开发的 scalamohile 爬楼梯辅助装

置，如图 1.3(a)所示。它是独立于轮椅的一种辅助装置，左右两侧各有两组爬楼 梯轮。它可以方便地和轮椅结合，依靠这两组轮子的轮流翻转上下楼梯。同时， 每个轮子上都设有自动刹车装置，防止在楼梯边缘打滑。这种装置体积小、重量

轻，便于存放和携带，几乎适用于所有楼梯。Scalamobile 的不足 之处是必须在 旁人辅助下使用。

除了在轮椅上安装辅助设备外，还出现了一批承载轮椅上下的平台装置，这

置 大 多 基 于 楼 梯 轨 道 运 行 ， 原 理 简 单 ， 易 于 实 现 。 图

l.3(b) 些 装

是 加 拿 大

GaraventaLift 公司生产的轨道式爬楼梯装置“GSLArtira”，它需要在楼梯上安装 轨道，将轮椅直接置于平台装置上沿轨道实现上下楼的运动。这类装置在欧美国

(a) (b)

图 1.3

家比较具有使用潜力，因为欧美以独立别墅居多，以独门独户为单位，使这种平

台装置与住房的结合易于实现;而国内城市以多层公 寓式楼房居多，统 一铺设轨 道需要很大的代价，不切实际。此外，户外楼梯各式各样，针对不同形式的楼梯，

[1] 需要设计不同的轨道，代价过高，不易推广。

1.2.2 国内爬楼梯轮椅的发展状况

我国对此类 装置的研 究虽然起 步较晚， 但近年来也 涌现了很 多这方面

的专 利，然而投入实际使用的还很少。

我国在 上世 纪八 十年 代对 轮组 式爬 楼梯装 置已 有研 究， 1987 年

专利号 为

86210653 的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮 都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古民族大学4 履带,轮

物理与机电学院的苏和平等人借鉴了 iBOT 的爬楼方式，采用星形轮式爬楼梯电动轮椅设计

系作为爬楼

梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助

图 1.4

或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。东南大学机械学 院设计的爬楼轮椅采用了四组星形轮，每三个一组，共十二个轮子，除能爬楼梯 外还具有遥控的功能。国内研究的比较多的是手动爬楼梯的轮椅，清华大学精密

仪器及机械学系康复工程研究中心已经取得了手动爬楼梯轮椅的专利，如图

1.4 所示。它是在普通轮椅上加设一套爬楼梯执行机构和驱动系统，既可以在平地

行 驶，又可以仅凭借使用者双臂的力量使轮椅上、下楼梯。它结构简单、造价低廉，

符合我国的国情:但是设计中仍存在一些问题，如轮椅在爬 楼过程中的稳定性、 如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁问 题等，其研究也仅停留在理论水平的基础上，并未投入实际应用。

1.3 本项目的设计目的与主要研究内容 1.3.1 课题设计目的

履带轮式轮椅具有适应性强、机动灵活、活动范围大等特点，在我国国民经

济的发展中，残疾人对爬楼车的需求量逐年增加，市场发展潜力巨大，爬楼梯轮

椅行业具有广阔的发展机遇和良好的投产前景。爬楼轮椅是目前残疾人广泛采用

的爬楼梯的工具，因其比固定上楼装置具有灵活性大、使用轻便、成本低廉，所

以市场广阔设计开发电动爬楼车，实现减轻残疾人要求、提高适应人、满足市

场的需求为目的。 5 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 1.3.2 课题研究内容

步行式爬楼梯装置体积庞大，缺乏灵活性且控制复杂，技术要求较高;其它 附加的辅助装置虽然稳定性相对较好，然而由于其不能和轮椅融为一体，限制了 它的使用范围。轮式爬楼梯装置技术要求很高。在比较了各类爬楼梯装置的优缺 点后参考模块化可重组履带结构原理，将爬楼功能与普通轮椅相结合设计了一种 爬楼梯装置。它在平地行走时利用轮式机构，爬楼梯时放下履带机构进行工作。 (1)分析爬楼梯时各部分元件以及楼梯的受力根据传统履带方式爬楼梯的力学 分析用AutoCAD绘制履带传动机构装配图。

(2)根据重量尺寸，选择电机。设计控制系统控制电机驱动履带完成爬楼梯的

功能。

设计后应能够实现的功能:

1.适用性广，应能攀登多种尺寸的楼梯;

2.操作过程尽量简单，平地行驶与上下楼梯两种工况的转换简单易行;

3.乘坐要平稳舒适，爬楼梯时坐位应基本保持水平状态

4.轮椅结构尽量简单，造价低廉。

拟解决的主要问题:

1.爬楼机构的设计。

2.爬楼梯运动过程分析。

3.电机，电池的选择。

4.电动轮椅的运动控制系统设计。

1.4 设计进程安排 根据上述的设计方案，本项目的主要设计工作分为以下四个阶段: 1. 调研阶段

包括调查国内外电动爬楼车的发展状况，调研国内外相关技术、研究分析现

有爬楼车的结构性能、并进行设计方案论证等，在此阶段我主要对我国所生产的

手动爬楼车进行了分析研究，初步明确了设计思路，并初步定下了设计方案。 2.

各个模块的研究分析阶段

本设计课题主要包括三个方面的内容:电机的设计选择;履带装置的设计计 算;升降装置的选择。此阶段是本次毕业设计的基础定型阶段，在此阶段，我通 过不断对比手动轮椅和电动轮椅的各种优缺点，进行比较和改进。以及在电机的 选用上，分析比较了在这种场合中使用交流电机还是使用直流电机，使用交流电6 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 机就不用在轮椅上安装电池，这会给使用带来很大的不便，那样要移动多少距离

就得要多长的电线，而且还有安全危险。所以选用了直流电机安装电池的方法。 在传动方面，比较了各种传动方式的优缺点，最后选用了橡胶履带传动，因为在 爬楼车方面，要求安全系数比较高，摩擦力大不容出现打滑事故。而传统履带重 量大且易磨损楼梯并且需要齿面弯曲疲劳强度设计。

3. 设计阶段

在该阶段，主要工作就是对已经确定下来的各个模块进行适用性分析，主要

考虑各个模块的力学，运动学性能，进行刚度和强度校核，并确定各个机械结构

的具体尺寸和具体装配方法，绘制机械机构装配图、电路控制图等。 4. 总结阶段

在设计的最后，要对自己所做过的材料进行整理，对自己所做过的研究进行

分析，完成毕业论文设计说明书的撰写，修改整理机械设计图和电路控制图，对

设计的产品进行经济分析及适用性分析。 7 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

第二章 履带爬楼装置机械系统结构设计 2.1 爬楼机构的比较 爬楼机构按其运动执行机构可以分为星型轮机构和履带轮机构两种，其中履

带轮机构相对比较成熟在可以爬楼梯防暴机器人等类似装置中应用的比较广泛。

星型轮式爬楼梯轮椅的爬楼梯机构由均匀分布在“Y”形或“+”字形系杆上

的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕

中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转;而爬楼梯时，各小轮一起公转。从而 实现爬楼梯的功能。星型轮多的优点是轮椅爬楼梯时的稳定性好，缺点是体积较

大，很难在普通住宅楼梯上使用。这也是星型轮式爬楼梯轮椅尽管发明专利很多，

真正实施和推广很少的主要原因。

还有一种爬行机构是由三组带有滑道的轮组构成的。当车轮抵住台阶之后，

台阶自然会对轮组中的一个产生阻力，当继续施加动力时，则滑轮将向滑道的后

方滑动。滑轮中心提高，从而将车轮抬起。如此反复进行，从而达到上台阶的目 的。这种轮椅的不足是结构过于复杂。

履带型机构的爬楼梯轮椅应用较多，它采用比星型轮机构更为连续的行走方

式，传动效率比较高。在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的

连线相平行的直线运动，其重心的波动很小，运动非常平稳。 [2]

通过对比可以看出履带爬行机构的优越性，本设计就是采用的履带型爬楼机

构。

2.2 设计思路 本次毕设查阅很多的文献资料，国内没有成熟的产品，结合前苏联的专利和

国内一个发明，根据大学中所学所用过的知识以及相关文献设计了履带轮式轮

椅。

主要资料:

履带爬行式前苏联的专利 1553-120 属履带式。爬楼梯时，用手轮来调整座

椅的水平。动力由大轮经链条带动爬梯传动链。该轮椅具有较好的稳定性与安全

性。六轮移动式(4 个行走轮和2 个爬行轮都为驱动轮，在平面上运行时，机器

人摆起两个摆臂，以普通的 4 轮方式行驶，爬楼梯时，将通过两个摆臂的摆动，

带动两个爬行轮.协调自身的姿态以适应楼梯地形。) 8 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

图2.1 市民发明的爬楼轮椅

图2.1为一位市民发明的爬楼梯轮椅，这种轮椅是在普通轮椅的基础上加装

了一个履带机构并且在履带后部加装了以一个回转机构，上下楼梯时需要人力辅

助把轮椅倾斜一定的角度使轮椅上的人保持平稳以此来实现上下楼功能。但此发

明不具备转向和调速功能。

本文设计的这种履带轮式爬楼梯轮椅在现实生活中应用比较适应当前中国 国情。整体设计主要分为以下几个部分:机械结构、机械传动、动力装置、电器 设备。设计内容包括各个装置设备的由来、结构、校核等。

机械结构

结构主要包括底盘、履带装置、升降装置三部分。下面分别介绍三部分的结

构和所用材料。底盘:底盘是是履带装置的支撑体，主要由高强度工程塑料制成。

履带装置:采用类似于V带传动来连接橡胶履带。通过轴用键连接驱动轮，驱动 轮与橡胶履带啮合而达到行走的目的。因为考虑到要有转向功能，所以采用双履 带机构，中间通过底盘连接，两侧履带分别安装电机，通过两侧速度差来完成转 向的目的。升降装置:采用螺旋千斤顶或分离式液压千斤顶使座椅顶起或放下。 传动方面:

传动件主要有橡胶履带、驱动轮两部分。履带连接爬楼装置中的主轴和副轴

两根轴，履带与轴之间用驱动轮连接，轴和蜗轮蜗杆减速器之间用联轴器传动。

动力方面:

动力件主要是电动机，为轮椅提供动力。由于爬楼轮椅的运动特性，要求爬

楼轮椅用的电源为移动式的，所以就必须选用低压直流电机。因为爬楼梯时履带9

履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 速度不能过快，否则会有倾倒的危险。一般直流电机的转速为几千转，所以需选

用传动比较大的蜗轮蜗杆减速器减速器使履带速度在一个安全范围内。 控制方面:

根据直流电机机械特性选择合适的直流电机控制器，进行接线使履带轮式轮

椅实现起停，前进，后推转向的功能。

2.3 履带轮式轮椅爬楼原理 图2.2 履带轮式爬楼梯原理图 图2.3 平地时履带轮式轮椅状态

在平地时，轮椅与履带保持水平，用轮椅大轮驱动，履带前部的升降机构已

处于最低位置。使履带装置不接触地面。如需用履带驱动，则将升降机构伸长一

小段距离使轮椅稍后倾，让轮椅大轮离开地面。 10 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

图2.4 上楼梯时履带轮式轮椅状态

上下楼梯时，驱动履带前部的升降装置，手动控制升降装置上升到一定角度，

保持轮椅水平，这是履带轮椅就可以完成上下楼的功能。

2.4 履带爬楼过程分析 如下图所示，假设传统履带形式轮廓为长圆形。即中段为长度L的直线履带，

两端为直径为D的半圆履带。履带的质量分布均匀，重心在几何对称中心。又设 单级楼梯的高度为H ，宽度为W。履带爬越楼梯的过程可以分为两个阶段。第一

图2.5 履带翻越楼梯第一阶段

个阶段是从平地攀上第一级楼梯。姿态由水平态变为爬坡态。第二阶段是履带在 各阶楼梯上平稳爬行，姿态不变。以下分不同阶段分析:

11 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 在第一阶段，履带前端与楼梯接触后，在地面摩擦推力和前端摩擦举力的作

用下，重心不断升高，同时履带的中心轴线与地面夹角不断变大，重心缓慢前

移。以第一阶楼梯的尖角A点为支点，履带翻越第一阶楼梯的条件可以用下式描

述:

*

(T1L1)?t+ω L <(GL2)?t

其中，T1为履带推力，G为重力，L1、L2 分别为 T1、G对A点的力臂，ω为

履带抬起的

*

角速度， L 为转动惯量(根据上式，可以得到以下定性的结论:

在履带攀越第一阶楼梯时，攀越成功的必要条件是重心在行进方向上“超越”

了翻越支点A点，即L2>0(重力提供了全部的翻转力矩，履带的移动会加快重心

的“超越”，提供更大的翻转力臂，加速翻转过程(翻转临界点是重心处于A点

*

正上方的时候，此时L2=0，履带轴线和水平地面的夹角称为翻转临界角

*

当“翻越”发生前，即ω为逆时针时，转动角动量ω L 要小，以便于克服重

力翻转力矩，因此应该降低履带的运行速度;当“翻越”发生时，ω为顺时针，

此时履带的后端接地点已经离开地面，不再存在，因此可以加快履带运行速度，

使得L2迅速变大，加快翻越过程。

根据条件I，即所谓重心“超越”条件，利用几何原理，得到下式:

H ?,L 1/ 2Sin ,,,K(1?,Sec ,)

K ,D / 2L

*

计算结果表明:当L,D=3时，最大翻越高度约等于0.3L，此时 ,,约等于50

*

度;当L,D=7时，最大翻越高度约等于0(35L，此时 ,,约等于50度。可见，对

于传统的长圆形节线履带，只有增大长高比，才能获得更好的爬垂直墙效果，在

尺度不变的情况下，就是要降低重心，或者重心前移。

在第二阶段，履带的姿态保持不变，为了稳定地运行，履带的长度一般保证

能够同时和楼梯的3个尖角接触。为此:

2 2

L ?,2 H ,W

以我们常用的楼梯为例，H=15cm，W=30cm，因此L>67cm。取L,D=3，如果取

L=67cm，则最大爬垂直墙高度大约20cm。能满足爬第一阶楼梯的要求。根据以上

分析计算，可知用传统长圆节线履带结构实现爬楼功能时，履带的中心长度很难

小于60cm，整个机器人的长度则要达到80cm以上。 [5]12 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 图2.6 履带翻越楼梯第二阶段

2.5爬楼性能参数 为使这款装置能满足普通居民的使用需求，需要了解我国普通住宅的楼梯尺

寸。根据中华人民共和国国家标准《住宅设计规范》住宅楼梯梯段净宽不应小于

1.10 米，6 层及 6 层以下住宅，一边设有栏杆的梯段净宽不应小于 1 米。(楼梯

梯段 净 宽 系指 墙 面 至 扶手 中 心 之 间的 水 平 距 离)住 宅 楼 梯踏 步 宽 度 不应 小 于

0.26 米，踏步高度不大于 0.175 米，坡度为 33.94 度，为接近舒适性标准。普

通住宅的层高一般为 2.80m，按一级台阶高度是 0.175m 计算，共 16 个台阶。

装置与履带尺寸的设置以上述普通住宅楼梯尺寸的要求为基准。装置的总体

宽度应小于梯段净宽并留有余量，从而确保轮椅有足够的空间放置此装置，而履

带装置高度应大于踏步的高度，才能使履带翻越楼梯。本文设计的是普通轮椅加

装履带机构，其尺寸符合上述要求。

一般楼梯的坡度为 30 度左右，履带轮式轮椅在平地时轮椅与履带保持平行。

所以在上下楼梯时，驱动升降机构上升使轮椅与履带结构为 30 度才能保证爬楼

时轮椅保持水平状态。

2.6 履带爬楼机构的结构设计 根据所要求的尺寸即轴、轴承以及键的校核用制图软 Auto-cad 件绘制的三视

图。 13 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 方案 1 图 2.7 方案 1 的三视图 图

2.8 方案 1

1 升降机构采用的是螺旋千斤顶，千斤顶的顶部与底部经焊接连接一个 的主视图 方案

可以与轮椅和履带装置连接的铰链机构，以便可以转动。 14 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 方案 2 图 2.9 方案 2 的三视图 图 2.10 方案 2 的主视图 15

履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计 方案 2 采用的是升降机构是分离式液压千斤顶，千斤顶是由一个支撑油缸和 一个手动泵组成它们之间由一根油管连接，反复压动手动泵使支撑装置升降。

方案 1 与方案 2 都可以实现顶起放下轮椅的功能，但方案 1 采用螺旋千斤顶

机构由于导程的限制，会有些费时费力。所以重点研究方案 2。

2.7 升降机构的设计 根据普通轮轮椅高度和所设计履带机构高度选择千斤顶

图 2.11 千斤顶升降简图

'

L 为千斤顶高度最低时的长度， L 为千斤顶顶起轮椅一定角度时的长度 。L=BC,

' ' L = B C ,AB 为坐椅，通过千斤顶座椅转动一定角度 ?BAB '

根据图纸 BC=381mm AB= AB ' =316

o

因 为 大 部 分 楼 梯 坡 度 为 30o 所 以 上 楼 梯 是 至 少 把 座 椅

顺 时 针 转 动 30 ，

?BAB ' = 30 o

根据正余弦定理

BB ' AB

,,,,,,,,,,,,,,,,BB ' =162.89

Sin?BAB ' Sin?BB ' A

, , , , =540mm

B'C 2 BC 2 , 2BB' ?2BC BB'Cos?CBB' B'C

所以 B 'C -BC=160mm 千斤顶行程最少为 160mm。 根据所算出行程，考虑千斤顶本身大小进

行选择，在查阅大量的相关产品后选择16 履带,轮式爬楼梯电动轮椅设计

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