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机械原理
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一种行星轮式电动爬楼轮椅
Giuseppe Quaglia⁎, Walter Franco, Riccardo Oderio
Politecnico di Torino, Department of Mechanics, Turin, Italy
文章信息 摘要
文章历史:
这篇论文是关于轮椅的，这是一种能够在有组织和无组织的环境中移动、跨越障碍、上下楼梯的爬楼梯轮椅的模型。
介绍了一种由车架、座椅和连接车架与座椅的四连杆机构组成的轮椅的设计。
四连杆移动和旋转轮椅，防止轮椅翻倒，保证乘客在不同的操作中保持舒适的姿势。用代数方法讨论了连杆机构的运动学综合问题。当轮椅面对台阶或楼梯等障碍物时，由于其自适应运动单元，它可以被动地改变运动方式，从车轮滚动到用旋转腿行走。利用运动学方程描述和建模了运动单元的功能。运动单元只需要一个电机，用于轮式和腿式运动。为了评估这种移动的有效性，在一个比例原型上进行了测试。
接收日期:2010年8月14日
接收日期:2011年7月5日
接收日期:2011年7月12日
2011年8月6日在线
关键词:
轮椅 爬楼能力 适应环境
轮的运动 三组轮子
建筑障碍
- 介绍
文明社会必须保障全体成员，包括残疾人的公平生活条件。在过去的几年里，人们态度的改变使社会对这个问题更加敏感。行动不便是残疾人最常见的问题，电动轮椅的引入大大缓解了这一问题。然而，动力轮椅在遇到建筑障碍时是无用的。因此，许多具有爬楼梯能力的轮椅被开发出来。
他们中的一些人使用轨道，如[1]:这些电动轮椅消耗大量的能源，相比电动轮椅。此外，他们是沉重的，接近和离开楼梯是相当危险的，滑移，当转向，是不可避免的。其他一些解决方案采用轮轨运动系统，如[2]或顶端椅子 [3]:这些设计使用的轨道系统仅用于越野和爬楼梯操作，在地面上使用车轮。虽然接近和离开仍然是一个问题，但在能源消耗方面，这些轮椅比以前的解决方案更有效。其他的解决方案，如伊沃特[4]，采用了混合移动系统，其主要缺点是实现合理的安全标准所需的高成本。在[5]中提出了一种更高级的装置，它使用一种特殊的攀登机制来进行台阶攀登操作，并使用车轮进行路面运动:这种解决方案比轮轨轮椅更轻，在上下楼梯时没有问题，但仍然需要大量的执行器。目前还没有商业设备征服市场，跨越障碍仍然是残疾人的一个主要问题。
本文介绍的爬楼梯轮椅是作者在Epi上的研究成果。该项目设计并制造了能够在结构化和非结构化环境中行走、上下楼梯、攀爬障碍物的机器人。由于他们的自适应移动单元，有一个“轮腿”设计，这些机器人可以被动地改变他们的移动模式，当他们遇到一个障碍，从滚动的车轮到步行。
图1在平坦的地形和楼梯上
旋转腿，这样做是根据局部摩擦和动态条件。第一个原型，Epi.q . 1.1和Epi.q . 1.2，在[6]和进一步的发展，称为Epi。q-2，以[7]表示。
运动单元在Epi中实现。q-2现在已经被应用于爬楼梯轮椅，从而提供了一个有效的替代现有的解决方案，可以提高残疾人的灵活性，如[8]所述。
本文介绍了一种改进型轮椅。q，一种有爬坡能力的电动轮椅。本文的结构安排如下:第2节介绍轮椅的设计，第3节研究一种连杆机构，第4节介绍运动单元和各种运动方式。结论见第5节。
- 轮椅设计
轮椅。q，如图1所示，是一个阶梯攀登轮椅的概念。
从图中可以看出，轮椅本质上由三部分组成:框架、座椅和连接框架与座椅的连杆机构。轮椅每个运动单元只使用一个电机和传动系统，它只是根据局部摩擦和动态条件，被动地改变其运动方式，从车轮滚动(“前进模式”)到单腿行走(“自动攀登模式”)。
-
- 框架
如图2所示，该框架包括一个底盘(1，红色)，它携带两个机动移动单元(2)(详细描述第3节)，一个支持(3)两个电动齿轮马达(4)，两个空闲三轮组(5)和一个电池组(6)。
底盘主要由两个管状结构(a)通过横杆(b)连接;前面的两个三角形管状结构(c)支撑着三轮组件(5)。这种几何结构提供了如图3所示的安装滚轮的空间，当它被抬起时，同时加强结构抗侧力。连接点(d)为联动机构的铰链。
三轮组(5)由一个蜘蛛组成，围绕中心轴旋转，在其顶点放置三个空闲轮组。车轮尺寸的选择是考虑到大的车轮可以更好地吸收由不平整的地形引起的振动，而小的车轮会降低整体尺寸。因此，较大的轮子被选为运动单元和旋转轮，它们大部分时间与地面接触，而较小的轮子被选为三轮组，它们在接触中。
图2 框架
只有在爬楼梯的过程中才使用地形。三轮组的设计使得轮椅能够爬过210毫米高的障碍物，这一点在仿真中得到了验证。
齿轮马达(4)安装在支架(3)上，通过螺钉与机架刚性连接，电池组(6)安装在座椅下方。所选的齿轮马达为750瓦，传动比为1:64，尽管底盘和支架的设计承载齿轮马达的功率高达1200瓦。
-
- 座位
图3所示的座椅为管状结构，带有椅子和转动轮。
阀座基本上由两个管状结构(e)组成，通过横杆(f)、椅子支架(g)和一根管子(h)连接，管子的末端是一个转动轮(i)。管状结构(e)中的连接点(j)是连杆机构的铰链。
座椅可以相对于框架移动:在爬楼梯的过程中，轮椅实际上是向后移动和重新定位的。
图3 座位
-
- 联动机制
连杆机构产生框架与座椅之间的相对运动。
在爬楼梯的过程中，需要完成三个不同的任务:向后移动座椅，重新定位，抬起旋转轮。当座椅向后移动时，轮椅的重心被放置在一个安全的位置，从而防止翻车。此外，为了保证乘客安全舒适的坐姿，座位也进行了调整。最后将转轮抬起，以保证两个怠速三轮单元与地面接触，如图1所示。
为了完成这些任务，选择了四连杆机构(a, B, a, B，如图4所示)。00
连杆机构由一个微型电机(l)驱动，它与一个不可逆的丝杠系统(m)相连。当座椅达到所需要的位置时，微型电机可以被关闭，不再需要能量来保持位置。
图4 联动机制
未来的计划是为微型电机提供一个闭环控制系统，控制座椅的位置和相对于车架的姿态。座椅的绝对倾斜角可以通过传感器检测到(出于安全考虑是冗余的)。这些信息与期望的姿势相比，将成为控制算法的输入。
2.4轮椅操作
当轮椅在平坦地形上运动时，两个运动单元(2)和转动轮(i)与地面接触，如图5所示。转向是通过驱动两个齿轮马达在不同的速度(差动转向)。
在解决楼梯上升或下降的复杂任务时，最重要的要求是用户的安全性和稳定性。考虑到这些需要，以下是必要的:
bull;足够大的支持基础;
bull;整体重心尽可能低;
bull;轮椅设计，防止任何干扰之间的轮椅，用户和楼梯。
这些功能包括爬楼梯和下楼梯时，使用者的背对着楼梯。
当轮椅上下楼梯时，运动单元(2)和空闲三轮单元(5)与地面接触，与轮椅一体的转动轮(i)被抬起。这种结构是舒适的乘客，因为座位的姿势改变，和稳定，因为重心移动在一个安全的位置。此外，不理想的转向是有限的车轮和地面之间的摩擦。
在爬梯过程中，运动单元中轴的运动轨迹也由电机角速度控制，以使轮椅使用者感受到的整体运动舒适稳定。
图5 爬楼梯序列
- 连杆机构的设计
四连杆机构,第二节中提到的,需要完成三个不同的任务在爬楼梯操作:移动质心的座位向后防止倾覆,调整座位,乘客有一个舒适的姿势,并举起转动轮子,这样两个闲置三轮单元和地面接触。为了降低能耗，连杆机构由一个不可逆系统驱动，当达到所需位置时，可以将其关闭。连杆的长度也是为了减少能源需求而选择的。为此，该机构移动和调整座椅，使座椅的质心有一个小的上升，如图6所示。
图6座椅相对于框架的相对运动;座位的重心是由字母E指定的
-
- 四连杆合成
一旦选择了四连杆机构，只需确定其几何形状。图7所示为四杆机构的初始位置(红色)和一般位置(绿色)。a和框架内的裸铰链，如图2中的(d)所示。0 0 A和B是在阀座上制作的铰链，如图3中的(j)所示。E为座椅的质心，如图6所示。
四连杆机构的每一个连杆都可以用复数在一个复平面上表示，如[9]和[10]中所述。对于图7，单个链路可以表示为:
（1）
在旋转之后，变成:
（2）
对于四杆机构的一般位移，可以写出以下方程:
（3）
（4）
可改写为:
（5）
（6）
sis的位移点e .如果alpha;,beta;andgamma;are,上述问题成为线性,只需要两个方程。这些新的方程来自于四杆机构的进一步位移。
轮椅的问题包括将座椅向后移动和旋转。这意味着移动点E (s)和一个合适的位置,与此同时,旋转zlink由一个适当的角度(beta;),如图7所示。j2 j因此，如果选择两个位移，例如初始位置和最终位置之间的中间位置，问题可以表示为:
图7四连杆在初始位置(红色)和一般-j位置(绿色)
这就变成了线性问题:
（9）
答案是：
（10）
只有依据(A)ne;0。
另两个方程与位移无关，表示：
（11）
（12）
算法被用来找到可能的解决方案与不同价值观的alpha;andgamma;as输入,而四连杆的总体尺寸验证为了不超过限定值。
最后，从提出的解决方案中选择最佳的机制。当前应用程序的尺寸如表1所示。
表1 四连杆机构的连杆，有尺寸
|
链接 |
数值 |
|
A0B0 |
90mm |
|
A0A |
87mm |
|
AB |
60mm |
|
B0B |
115mm |
- 运动单元的机械设计
轮椅。设计q是为了应对平坦、倾斜或起伏的地面、不平整的地形、楼梯和障碍物。运动单元的设计始于这样一个想法，即不同的运动只可以通过一个传动系统来实现，只需在运动链上锁定或解锁一定的自由度即可。每个运动单元选择一个行星齿轮传动装置作为传动系统，其中两个自由度是车轮和行星载体的旋转。
如图8所示，运动单元轴向连接到框架(0)，但通过轴承实现自由旋转。运动单元由齿轮电机(1)、行星载体(2)、太阳齿轮(3)、第一行星齿轮(4)、第二行星齿轮(5)、车轮(6)组成。
轮椅每个运动单元只使用一个电机和一个传动系统，根据局部摩擦和动态条件(表2)，轮椅被动地改变其运动方式，从轮上滚动(“前进模式”)到腿上行走(“自动攀登模式”)。
图8轮椅运动单位
表2轮椅运动单元命名法
|
元素 |
象征 |
半径 |
速度 |
标签 |
|
框架 |
0 |
|||
|
齿轮马达 |
M |
omega;M |
1 |
|
|
行星架 |
Omega; |
2 |
||
|
太阳能 |
s |
omega;s |
3 |
|
|
装置 |
PG1 |
omega;pg |
4 |
|
|
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