多功能轮椅机器人的结构设计及其性能分析.pdf

《多功能轮椅机器人的结构设计及其性能分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、罗功能轮椅讥器人的结构设计及其性能分析术口袁磊南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063摘要：轮椅机器人可以为肢体残疾人群和老龄人群提供帮助，从而改变他们的生活质量。针对现有轮椅存在结构、功能单一的缺点，设计了一种多功能轮椅机器人，着重分析了其转向和升降性能，为轮椅机器人设计和制造提供了一定的理论基础。关键词：轮椅梯形转向机构智能轮椅移动机器人中图分类号：TH122；TP242．3文献标识码：A文章编号：1000—4998(2013)03—0035—04随着人们生活水平的提高．人类的寿命在逐渐延意角度，直到水平姿态，下肢可联动

2、摆动；轮椅上附有长。伴随而来的是人口老年化问题越来越成为社会关折叠小桌和拐杖机构，满足不同人群的使用需求C6]。注的焦点；同时随着工业化进度越来越快，汽车的数量1．2轮椅总体结构也在逐年增加．因交通事故导致瘫痪和肢体残疾的人本轮椅机器人主要分为上下两部分，下部底盘是也越来越多⋯_2]。这些人群都离不开轮椅的帮助。普通一个携带超声波传感器的四轮小车，上部是一个多功的轮椅由于智能化程度较低、功能单一，已经不能满足能座椅．两者之间靠一个带自锁功能的可伸缩气弹簧这类人群的需要，迫切需要运用现代高新技术的轮椅支撑．座椅的升降靠2个电机带动

3、齿轮齿条传动完成，机器人来改善他们的生活质量和生活自由度][4]。图1给出了轮椅机器人的结构简图，轮椅机器人的主笔者在分析用户需求的基础上，设计了一种基于要尺寸数据如表1。轮式移动小车底盘的可升降多功能的轮椅机器人_5]，表1轮椅机器人的主要尺寸数据／ram并进行结构建模和性能分析．得出可行性方案。名称最大高度座椅高度移动小车尺寸座椅面尺寸升降高度1总体结构设计’参数13oo620700~400~500450x5000～350_1．1功旁色设计2轮椅各部分的工作原理本轮椅机器人的主要功能包括：独立后轮驱动控制，全方位转动；轮椅升

4、降可上下调节，纵向可摆动任2．1上下升降机构升降机构主要靠～对齿轮和齿条的啮合来实现，齿条焊接在一个带有T型槽的导轨上．导轨与小车底盘相连。齿轮与电机轴相连，齿条与T型槽组成移动副，实现座椅的升降。升降机构在上升过程中，按下控制器上升按钮，电源接通，电机转动，经齿轮齿条副传动，齿轮带动气弹簧伸长并自锁，座椅上升，上升后的状态如图2(b)；下降过程，按下控制器下降开关，气弹航空技术实验基金资助项目(编号：ZH20o829O02)江西科学与技术基金资助项目(编号：201l1BBE50029)江西省教育基金资助项目(编号：DB2011

5、03o93)收稿日期：2012年9月机械制造51卷第583期2013／3簧泄压，在重力和气弹簧缓冲作用下，座椅缓慢下降至初始位置，如图2(_a)所示。2．2平躺机构平躺机构的驱动是采用自锁型的气弹簧提供动力，靠背在气弹簧的作用下可以从水平姿态恢复到正常姿态，利用气弹簧的自锁性使靠背在平放过程中的任意角度都可以停住。连杆机构的主要作用是使靠背和靠脚实现联动，即在靠背放平的同时，靠脚也能上升，直至靠背、座椅、靠脚处于同一平面．其结构模型如图3所示。平躺机构的摆角机构采用一组双摇杆机构．连杆1和靠脚固定在一起，连杆3与靠背固定在一起。

6、当需要平躺时，打开气弹簧开关，人体后仰。靠背就向后运考虑到老年人和伤残人士的使用需要．设计了两动，靠重力压缩气弹簧，带动连杆3绕关节旋转，通过根多功能拐杖，与轮椅靠背整合在一起，既可当轮椅平双摇杆机构中的连杆2和连杆1，带动靠脚向上摆动，躺时的支撑，又可以取出当拐杖使用，如图6所示。直至水平姿态。当需要恢复座椅状态时，只要人体坐起．打开气弹簧开关，气弹簧自动伸长从而恢复到初始3轮椅转向和升降性能分析状态。3．1转向性能分析2-3行走机构本轮椅的转向是靠转向电机、双梯转向传动机构、考虑到本轮椅机器人的工作环境主要是室内和路齿轮齿条

7、转向器和行星齿轮差速器共同完成的．轮椅况较好的室外的转向动力学模型如图7所示。环境．因此本根据阿克曼定理E7]中车辆转向时各车轮纯滚动的轮椅的底部小要求，对于后轮驱动的4x2轮式轮椅，转向时必须满足车采用四轮式以下3个条件。结构。这种结(1)通过前轮偏转实现转向，车轮偏转的程度决构优点在于动定了轮椅转弯半径的大小。作平稳、移动(2)两前轮作纯滚动，要求内侧前轮偏转角比速度可调、结外侧前轮偏转角IB要大，内、外侧前轮偏转角和的构简单和控制关系为：操纵方便等．图4为笔者所c。tfl-eot=等(1)设计的行走机构。式中：K为两转向节

8、立轴与前轮轴心线交点之间距离。行走机构除了能实现直行、后退、转向和避障之K为500mm；L为车辆前后轴距，L为450mm。外，同时也是整个轮椅机器人的核心支架，升降机构控(3)转向时，两个驱动轮在同一时间内走过的路制驱动系统都装在这个支架上。程是不相等的，外侧驱