可用于载人_物绿色爬楼装置爬行系统优化设计.pdf

图 1爬楼装置整体结构1研究背景针对国内外现有较成熟的爬楼轮椅，依据其工作原理，可分为腿足式爬楼轮椅、行星轮式爬楼轮椅、复合式爬楼轮椅等，以上各种爬楼轮椅在实现爬楼方面都有其相应的局限1。日本早稻田大学和日本尖端机械企业 Tmsuk 一同开发的“WL-16R”系列双足腿足机器人2以及上海交通大学设计开发出的两足载人步行椅机器人“JWCR”都具有较好的载人爬楼能力和灵活性，但由于其过低的能量运用效率，远达不到绿色的要求，复杂的控制要求与缓慢的移动效率也成为了不能忽视的问题3-4。日本的Sasaki K 设计研发的“Freedom”爬楼轮椅，其采用了双轮组四星行星轮设计，并且前轮组可以进行伸缩运动且差速离合原理保证爬楼梯过程中的平稳性及平地运动与爬楼运动的平滑切换，但也导致该型轮椅售价极其高昂5-6。为解决以上难题，同时针对目前市面上主流的爬楼轮椅普遍价格昂贵、体积较大，对于老式、复式楼房狭小的楼道使用不便等问题7，本文提出体积小巧、结构简单、价格适中、行走平稳的可用于载人/物的绿色爬楼装置，并提出针对于该装置的稳定性指标爬楼稳定度，在其基础上对该研究原型与样机进行深入分析与优化仿真。2整机设计2.1目标需求分析根据 GBJ 101-1987建筑楼梯模数协调标准8中所规定的楼梯尺寸，要求爬楼装置可在国内坡度为 12毅至 30毅之间的楼梯平稳运行。爬楼装置的负载不低于 200 kg，保证载人载物时均可表现出良好的爬升性能且保证重心较为稳定。2.2爬楼装置整机设计使用 SOLIDWORKS 对于爬楼装置进行三维建模，其中各结构尺寸均按照成人体型与实际楼梯尺寸设计，爬楼装置整机结构见图 1。爬楼装置通过轮椅背部支撑支架与轮椅轮胎固定件固定轮椅，同时通过可调节机构实现爬楼装置与不同轮距、不同高度的轮椅相匹配。多排轮采用仿生设计，具有轴向伸缩性，在增大爬楼过程中与楼梯的接触的同时，保证了平稳性与安全性，避免过程中出现打滑、重心不稳等现象。电机作为主要动力来源。扶手用于进行人力辅助，实现人机交互。行星轮为爬楼装置的执行部件，具有伸缩功能，用于配合缓冲弹簧进行轴向伸缩运动，提高爬楼过程中的稳定性。收稿日期：2023原03原10曰修回日期：2023原03原30作者简介：庞元硕（2003），男，新疆乌鲁木齐人，在读本科，主要从事机器人技术研究，E-mail：。通信作者：杨玉维（1975），男，天津武清人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事机器人技术、外骨骼、多体动力学等研究，E-mail：。可用于载人/物绿色爬楼装置爬行系统优化设计庞元硕1，2，杨玉维1，2，郑巨烨1，2，耿超群1，2，李照童1，2，宋宇昊1，2摘要：针对国内外爬楼装置存在的结构复杂、系统稳定性与安全性差等问题，提出了一款可用于载人/物绿色的爬楼装置研究原型，进而围绕装置爬楼的平稳性、安全性、高效性、驱动自适应性等关键问题开展优化研究工作。通过 SOLID原WORKS 进行了整体结构模块化设计；在 ANSYS 中对系统的关键零部件进行了有限元分析与有效力学结构优化；利用SOLIDWORKS Motion 插件实现了爬楼过程中质心运动轨迹稳定性仿真。分析结果验证了该装置爬行系统的合理有效性。关键词：爬楼装置；行星轮系；有限元分析；仿真分析中图分类号：TH122文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.10.097（1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.机电工程国家级实验教学示范中心（天津理工大学），天津300384）文章编号：1674-9146渊圆园23冤10原097原04科 技 创 新 与 生 产 力SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITY第 44 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.44No.10Oct.2023轮椅背部支撑支架轮椅轮胎固定件扶手行星轮电机底盘多排轮科技创新与生产力 2023 年第 44 卷第 10 期图 4主要部件所受载荷与约束（a）对行星轮外板所施加的载荷与约束的 a 情况（b）对行星轮外板所施加的载荷与约束的 b 情况（c）对轮椅背部支撑支架施加的载荷与约束参数名称参数含义d行星轮星轮直径R行星轮臂长r行星轮轮架外板圆角半径x行星轮星轮间中心距b星轮中心与楼梯边缘距离a楼梯宽度h楼梯高度2.3爬楼装置行星轮设计新式行星轮因为缓冲弹簧的作用，可大幅降低攀爬台阶时产生的剧烈震动，达到平稳前进的效果。此新型装置在爬楼梯过程可以分为 5 个状态，分别为压缩状态、完全压缩状态、翻越状态、伸展状态与完全伸展状态。本节的尺寸计算只涉及完全压缩状态与完全伸展状态两种瞬时状态，参考楼梯分别选择由调查得到的 30毅及实验得出的极限高度50毅，两种状态两种楼梯共 4 个类型的行星轮运动状态，见图 2。新式行星轮装置应满足在两种状态下都满足GBJ 101-1987 建筑楼梯模数协调标准8所规定的各种楼梯指标。图 3 为行星轮参数示意图，由图 3可见计算公式中的各参数；表 1 为行星轮及楼梯尺寸计算中的参数设置，由表 1 可知各参数具体的名称及参数含义。推导可得行星轮星轮间中心距 x 为R=x3姨（1）x=h2+b+d22（2）假设楼梯宽度 a 范围为 70 mm 至 250 mm，楼梯高度 h 范围为 100 mm 至 320 mm，计算可得2h+a臆650 mm（3）d2+b臆250 mm（4）当楼梯宽度 a=70 mm、楼梯高度 h=70 mm 时，由式（3）和式（4）可得 Rmin=75 mm。当楼梯宽度a=250 mm、楼梯高度 h=320 mm 时，由式（3）和式（4）可得 Rmax=234.5 mm。假设行星轮星轮直径 d 和行星轮臂长 R 确定，行星轮轮架外板圆角半径 r 推导可得b2+h+d222臆r臆d24+b2x4xxd24+b232（5）综上所述，行星轮主要参数设定为行星轮星轮直径 d=36 mm，行星轮星轮间中心距 x=160 mm，行星轮轮架外板圆角半径 r=150 mm，行星轮臂长及可伸缩范围为 R=105 mm125 mm。3基于 ASNSYS 的静力学分析采用 ASNSYS 进行有限元分析。对作为驱动轮的行星轮中具有主要支撑作用与限位作用的行星轮外板、作为在攀爬过程中需承受较大载荷的轮椅背部支撑支架与导向轮装置进行分析。对行星轮外板所施加的两种载荷，考虑到在爬楼过程中行星轮做翻转运动时对外板的压力角度，施加两种极端情况载荷加以分析，装置总设计质量为 300 kg，取安全系数 渍=1.5，对行星轮外板中心轴施加固定约束，a情况视作装置静止与地面时受力状态，b 情况视为行星轮在翻转爬楼时外板侧边极端情况受力及轮椅背部支架底部施加固定约束，模拟其使用时的实际情况，主要部件所受载荷与约束见图 4。图 2行星轮运动状态（a）行星轮处于完全伸展状态攀爬 30楼梯（b）行星轮处于完全压缩状态攀爬 30楼梯（c）行星轮处于完全伸展状态攀爬 50楼梯（d）行星轮处于完全伸展状态攀爬 50楼梯图 3行星轮参数示意图表 1行星轮及楼梯尺寸计算中的参数设置 98 0123456时间 t/s8007006005004003002001000理想情况参数1参数3参数2位移曲线K1K2K3K理想曲线曲线 127.6949.8922.89715.613曲线 257.60122.1072.60532.404曲线 368.40131.1942.19540.277材料最大屈服强度/MPa普通碳钢187.5铝合金210部件最大屈服强度/MPa最大等效应力/MPa最大形变/mm行星轮外板 a187.585.504.8010-3行星轮外板 b187.5156.141.1010-2支架187.535.051.5410-2各项设置完成之后，通过解算可以得到零件各方向上应变、应力及变形等。本文主要考虑零件强度与刚度问题，故选取了等效应力分布云图与总形变分布云图作为输出结果并加以进行分析，得到若干分析结果。图 5 为行星轮外板静力学分析结果 1；图 6 为行星轮外板静力学分析结果 2；图 7 为支撑支架静力学分析结果。在图 5图 7 中可看出各零件的最大形变与最大应力位置，为保证装置可以正常工作，最大应力应该小于材料的许用应力，安全系数 渍=1.5，经计算得到各零件最大屈服强度，见表 2。进行对比可知材料处于许用应力范围内。最大形变值均发生在容许范围内，故基本可忽略不计，各材料性能的对比见表 3。4基于虚拟样机技术的爬楼仿真利用 SOLIDWORKS Motion 软件搭建虚拟样机，进行爬楼仿真。为精简仿真结果，去除不必要的细节，尽可能对模型进行简化处理，因此不考虑电机和同步带的结构以及底盘上所载物品的具体形状。将简化模型导入到 SOLIDWORKS Motion 工作环境之中。对参数设定进行修改并多次仿真模拟。通过虚拟样机仿真获得实验数据，可得优化前后质心 z 轴位移对比图，见图 8。为评价不同参数爬楼系统的平稳度，特提出爬楼稳定度指标 K，其表达式为K=3j=1移棕iKi（6）式中：棕i为权数；K1、K2、K3依次为系统最大振动偏差、系统平均振动偏差、系统最大振动偏差与系统平均振动偏差的比值，其表达式分别为K1=max X-X0（7）K2=nj=1移Xi-X0in（8）K3=K1K2（9）式中：X 为实际位移；X0为理想位移；n 为样本数目。在实际爬楼情况下，K1和 K2两个指标更加重要，因此权重更大，分别取 棕1、棕2、棕3为 0.4、0.4、0.2。将仿真位移曲线导出样本并代入式（6）式（9），得到不同位移曲线的爬楼稳定度指标，见表 4。爬楼稳定度指标 K 的值越小，其对应位移曲线的振动越小，优化效果越好。通过对比，可知曲线1 为最优情况，最优参数即为最终设定的 SOLID-WORKS Motion 参数。见表 5。图 7支撑支架静力学分析结果图 6行星轮外板静力学分析结果 2图 5行星轮外板静力学分析结果 1表 2各材料最大屈服强度表 3各材料性能的对比表图 8优化前后质心 z 轴位移对比图表 4不同位移曲线的爬楼稳定度指标庞元硕，等：可用于载人/物绿色爬楼装置爬行系统优化设计 99 科技创新与生产力 2023 年第 44 卷第 10 期Crawing System Optimization Design of a Green Stair-climbing Devicefor People/ObjectsPANG Yuanshuo,YANG Yuwei,ZHENG Juye,GENG Chaoqun,LI Zhaotong,SONG Yuhao(1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;2.National Demonstration Center for Experimental Mechanicaland Electrical Engineering Education,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)Abstract：In view of the problems such as complex structure,poor system stability and poor safety of the stair-climbingdevice at home and abroad,a research prototype of green stair-climbing device that can be used for people/objects isproposed,and an optimization research on the key issues such as the stair-climbing stability,safety,efficiency and drivingadaptability of the device.Overall structure modular design is taking through SOLIDWORKS;finite element analysis andeffective mechanical structure optimization are taking for the key components of the system in ANSYS;mass motiontrajectorystabilitysimulationisrealizedbyusingSOLIDWORKSMotion.Theanalysisresultsverifythereasonableeffectiveness of the device crawling system of the stair-climbing device.Key words：stair-climbing device;planetary gear train;finite element analysis;simulation analysis参数阻尼系数/（N/（mm/s）弹簧刚度/（N/mm）马达转数/（r/min）各轮与楼梯摩擦因数参数 10.0520350.05参数 20.0515350.05参数 30.0525350.05经过优化对比，爬楼装置竖直方向位移数值浮动均较小，说明爬楼装置质心位置能够稳定上升，爬楼过程较为稳定，缓冲装置作用明显。5结论1）基于特殊人群轮椅爬楼需求，设计了自适应助力绿色爬楼装置，建立了爬楼装置的三维模型，通过数学模型分析了行星轮的运行尺寸。2）在 ASNSYS 中对主要部件进行静力学分析与材料强度校核，经过模拟，强度校核结果符合理论情况，在标准工况下不会发生断裂。3）在 SOLIDWORKS Motion 中建立虚拟样机模型，将实际楼梯路况数据导入虚拟样机，对爬楼装置爬楼的过程开展动力学仿真分析，获得了爬楼装置运动时质心位移曲线，对于仿真结果进行进一步分析，通过修改爬楼装置参数与重复仿真，得到爬楼装置运行优化参数。参考文献：1张富强,张宇.国内爬楼轮椅车的设计研究现状及发展趋势J.现代工业经济和信息化,2019,9(8):38-39.2CHANNON P H,HOPKINS S H,PHAM D T.Derivationofoptimalwalking motionsfora bipedal walking robotJ.Ro-botica,1992,10(2):165-172.3ABDUL GHANI N M,TOKHI M O,NASIR A N K,et al.Control of a stair climbing wheelchairJ.IAES InternationalJournalofRoboticsandAutomation(IJRA),2012,1(4):203-213.4唐矫燕.载人两足步行椅机器人稳定性分析与控制策略D.上海:上海交通大学,2011.5SASAKIK,EGUCHIY,SUZUKIK.Awheelchairwithleverpropulsion control for climbing up and down stairsC/IEEE.2016 38th Annual International Conference of the IEEE En-gineering in Medicine and Biology Society(EMBC).Orlando:IEEE Publications,2016:3358-3361.6SASAKIK,EGUCHI Y,SUZUKI K.Stair-climbing wheel-chairwith lever propulsion control of rotary legsJ.AdvancedRobotics,2020,34(12):802-813.7何丽.腿轮复合式电动爬楼轮椅的设计与分析D.秦皇岛:燕山大学,2015.8中华人民共和国国家计划委员会.建筑楼梯模数协调标准:GBJ 101-1987S.北京:中国标准出版社,1987.（责任编辑邸开宇）表 5最优参数 100