朱同波，蔡 凡

（1.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建廈門361102；2.閩南理工學(xué)院工業(yè)機(jī)器人測(cè)控與模具快速制造省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建泉州362700）

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加深，人們的居住環(huán)境也得到了極大地改善。然而很多達(dá)到一定年限的老式住宅因受多種因素限制而無(wú)法安裝電梯，從而給人們的出行帶來(lái)了諸多不便。為減輕人們搬運(yùn)重物上下樓的勞動(dòng)量，爬樓機(jī)隨之產(chǎn)生，目前市面上存在的電動(dòng)爬樓梯機(jī)器主要有輪式、履帶式、混合式等，其控制相對(duì)復(fù)雜，制造成本高，不能很好地滿足家用需求[1-3]。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)爬樓機(jī)，可用作普通市民和工人用于日常工作和生活中攜帶重物的重要輔助工具，既可以做平地行走，又可以做爬樓運(yùn)動(dòng)，解決人們?cè)跊]有電梯的建筑中攜重物上下樓難的問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)[4]。

1 爬樓機(jī)的功能分析與方案設(shè)計(jì)

由于爬樓機(jī)功能不同，其爬樓方式也不同。常用的爬樓方式主要有輪組式、履帶式、步行式三種。本課題采用的是輪組式，相較于其他形式的行走機(jī)構(gòu)，三角系式機(jī)構(gòu)最大特點(diǎn)是利用直流無(wú)刷電機(jī)對(duì)爬樓機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制[5]。綜合考慮其結(jié)構(gòu)、功能、成本等多種因素，確定爬樓機(jī)的功能有行駛功能和爬樓功能。（1）行駛功能：爬樓機(jī)在滿載或空載情況下，可手動(dòng)或自動(dòng)前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)。（2）爬樓功能：在遇到樓梯時(shí)，可利用三角輪系翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)爬樓功能。同時(shí)具有跨越障礙物的功能。

三角輪系式機(jī)構(gòu)如圖1所示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在電動(dòng)機(jī)1的帶動(dòng)下，齒輪3正常運(yùn)行，利用齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)過(guò)渡齒輪3和驅(qū)動(dòng)齒輪4旋轉(zhuǎn)。值得一提的是，驅(qū)動(dòng)齒輪4和車輪8基于支撐軸實(shí)現(xiàn)相連，在車輪8的帶動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)軸2持續(xù)運(yùn)行。通過(guò)圖1進(jìn)一步了解到，在正常運(yùn)行的情況下，任意兩個(gè)車輪接地，只能隨著爬樓機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向保持平動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪成為定軸輪系。通過(guò)車輪實(shí)現(xiàn)快速驅(qū)動(dòng)，其效率與常見的爬樓車一致。其中兩個(gè)車輪都為常見的驅(qū)動(dòng)輪，合理應(yīng)用了它的附著重量，運(yùn)行中的驅(qū)動(dòng)車輪使車輪與地面產(chǎn)生碰觸，使接地比壓持續(xù)走低，從而大大增強(qiáng)了松軟地面的通過(guò)性能。

圖1 三角輪系式機(jī)構(gòu)圖

當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，按照傳動(dòng)比的關(guān)系，在輪系桿7的驅(qū)動(dòng)下，整個(gè)輪圍繞中心軸6旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪系就會(huì)轉(zhuǎn)變成為星輪系，完成翻轉(zhuǎn)障礙運(yùn)動(dòng)。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 爬樓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬樓機(jī)的適用范圍相對(duì)比較廣，在平地、階梯、斜坡上均能正常運(yùn)行。不僅能根據(jù)情況完成障礙的智能跨越，同時(shí)也具備爬樓梯功能。爬樓機(jī)自重60 kg，載重為150 kg。

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三角輪系設(shè)計(jì)。作為爬樓機(jī)使用頻率最高的一類行走機(jī)構(gòu)，三角輪系結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣必然會(huì)對(duì)爬樓機(jī)的性能起決定性作用。本設(shè)計(jì)可應(yīng)用于高a=100 mm ～200 mm，寬b=200 mm ～300 mm 的障礙物。經(jīng)綜合考慮及分析后，將輪子的半徑設(shè)置為120 mm，支架寬度設(shè)置為80 mm，輪系半徑設(shè)置為200 mm，如圖2所示。

選用各方面性能優(yōu)勢(shì)均比較突出的三角輪系式結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)此結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，各個(gè)輪系都需要和相匹配的電機(jī)進(jìn)行控制。在遇到障礙物時(shí)，在電機(jī)的帶動(dòng)下，主軸驅(qū)動(dòng)整個(gè)支架翻轉(zhuǎn)，也就是行星齒輪系進(jìn)行制動(dòng)，由于三個(gè)輪子與支架都存在一定的旋轉(zhuǎn)約束，在跨越障礙時(shí)，輪子會(huì)與障礙物相嚙合，從而實(shí)現(xiàn)障礙跨越[6]。

當(dāng)輪系碰觸第一節(jié)臺(tái)階邊緣時(shí)，固定行走機(jī)構(gòu)，在電機(jī)和減速器的帶動(dòng)下，三角輪系開始發(fā)生旋轉(zhuǎn)，要保證乘坐者的安全性與平穩(wěn)性，就需要一直保持水平狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)，要全面考慮它的重心位置，避免出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜。

行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成部分比較多，而最重要的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車輪等。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：減速箱在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，將轉(zhuǎn)矩傳送給中心齒輪，然后再傳遞給驅(qū)動(dòng)齒輪，最后在支承軸的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)輪子旋轉(zhuǎn)，由此達(dá)到爬樓機(jī)正常行駛的目的。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖3所示，行星齒輪架是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中不可忽略的一個(gè)重要組成部分，而且齒輪軸以120°部署在行星齒輪架上，在大齒輪的驅(qū)使下正常運(yùn)行，行星齒輪與齒輪圈嚙合驅(qū)使傳動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)銷孔連接驅(qū)使中心軸運(yùn)行。在翻越臺(tái)階的過(guò)程中，行星齒輪系就會(huì)被鎖定。在翻轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)使下，整個(gè)輪系開始運(yùn)動(dòng)，以做出爬樓梯的動(dòng)作。

爬樓機(jī)整體機(jī)構(gòu)如圖4所示。其車體有平行四連桿結(jié)構(gòu)加鉸鏈結(jié)構(gòu)，具有折疊功能，方便攜帶。把手為手拉把手，用于使用者拖拉小車，控制爬樓機(jī)的前行等動(dòng)作。

圖2 輪組與樓梯參數(shù)

圖3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖4 爬樓機(jī)的整體設(shè)計(jì)

2.2 主要零件靜力學(xué)分析

爬樓機(jī)的行駛功能和爬樓功能都是通過(guò)輪系的齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以齒輪的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文對(duì)齒輪進(jìn)行了靜力學(xué)分析，齒輪的實(shí)際結(jié)構(gòu)和承受的載荷是空間結(jié)構(gòu)，但可以將其轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，這樣可以有效減少工作量，并且能夠保證所得結(jié)果滿足精度要求。根據(jù)爬樓要求，在內(nèi)孔表面施加壓力載荷10 MPa，如圖5（a）所示，對(duì)兩側(cè)直線施加無(wú)摩擦約束，約束對(duì)稱面法線方向的位移，如圖5（b）所示

圖5 施加載荷與約束

圖6為應(yīng)力－總變形分析云圖。從圖中可以看出，齒輪受到的徑向應(yīng)力最大值為7.558 MPa，切向應(yīng)力最大值為1.663 MPa，均小于材料的許用應(yīng)力450 MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求。在外部載荷作用下齒輪的最大變形量為4.916×10－6m，對(duì)爬樓機(jī)的行走和翻轉(zhuǎn)均不會(huì)造成影響，滿足設(shè)計(jì)的剛度要求。

圖6 應(yīng)力－總變形分析云圖

在Construction Geometry下插入路徑，在徑向和切向上分別選取起點(diǎn)和終點(diǎn)，得到徑向應(yīng)力路徑圖和切向應(yīng)力路徑圖，如圖7所示。

圖7 應(yīng)力路徑圖

2.3 主要零件模態(tài)分析

齒輪作為主要零部件，在設(shè)計(jì)之前通過(guò)模態(tài)分析可以預(yù)先避免可能引起的共振，節(jié)約開發(fā)成本。同時(shí)也可為后續(xù)的其他動(dòng)力分析奠定基礎(chǔ)，并能根據(jù)振動(dòng)特性對(duì)各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況決定其結(jié)構(gòu)。對(duì)齒輪的模態(tài)變形進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 對(duì)應(yīng)的模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，齒輪的1～3階頻率在3 000 Hz以上，4～6階頻率在4 000 Hz以上，遠(yuǎn)大于電機(jī)的工作頻率（約50 Hz），遠(yuǎn)超本身固有頻率的10%以上，故符合要求。

3 運(yùn)動(dòng)仿真與樣機(jī)制作及樣本制作

利用croe3.0軟件對(duì)電機(jī)、輪胎、三腳架、支架等進(jìn)行建模三維實(shí)體造型、裝配。通過(guò)確定仿真機(jī)構(gòu)、選擇運(yùn)動(dòng)軸、定義時(shí)間15 s等進(jìn)行平地行駛的仿真模擬，結(jié)果如表3所示。

表3 運(yùn)動(dòng)仿真模擬結(jié)果

為了檢驗(yàn)爬樓機(jī)的功能和性能，試制了實(shí)物樣機(jī)，組裝后的爬樓機(jī)實(shí)物圖如圖8所示。對(duì)樣機(jī)的相關(guān)功能進(jìn)行了試驗(yàn)，檢測(cè)的指標(biāo)結(jié)果如表4所示。

圖8 爬樓機(jī)實(shí)物圖

表4 爬樓機(jī)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

根據(jù)爬樓機(jī)使用群體的心理和生理需求，設(shè)計(jì)了一款具有平地行駛功能和爬樓功能的爬樓機(jī)。該爬樓機(jī)在平地或小斜坡運(yùn)行時(shí)，通過(guò)兩個(gè)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪組；在遇到障礙物時(shí)，利用驅(qū)動(dòng)中心軸帶動(dòng)三角輪系整體運(yùn)動(dòng)，有序攀爬樓梯。不僅優(yōu)化了控制系統(tǒng)，還實(shí)現(xiàn)了操作的自動(dòng)化，實(shí)物達(dá)到預(yù)設(shè)要求。本工作的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：（1）確定了爬樓機(jī)的主要功能包括平地行駛功能、爬樓功能和其他輔助功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并確定了滿足人機(jī)工程學(xué)的爬樓機(jī)主要尺寸。（2）利用croe3.0軟件對(duì)爬樓機(jī)的平地行駛功能和爬樓功能進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該功能的可行性。（3）利用ANSYS Workbench 軟件，對(duì)重要零件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，保證爬樓機(jī)在各功能狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求。