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行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯轮椅设计

作　者: 王丽娟
导　师: 芮延年
学　校: 苏州大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯装置动力学模型结构优化设计系统仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 385次
引　用: 1次
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内容摘要

轮椅在老年人和残疾人的生活中扮演着重要的角色,尤其是随着人口老龄化和残疾人数量的增加,轮椅将为改善这一特殊人群的生活起到不可替代的作用。然而,普通的手动和电动轮椅都不兼具爬楼、翻越障碍的功能,降低了使用者的行动自由度。目前国内有关爬楼梯装置主要有履带式、步行式和滚轮式三种类型。履带式爬楼梯装置对楼梯损坏大,且体积大、质量重,通常不适于家居使用。步行式爬楼梯装置体积大,灵活性差、技术要求高,且控制复杂。一般滚轮式爬楼梯装置虽然具有体积小、重量轻、转动灵活等特点,但其稳定性控制较为复杂,且造价高。针对上述问题,本文通过对各类爬楼梯装置的优缺点分析研究,将爬楼功能与普通轮椅相结合,设计了一种行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯轮椅装置。该爬楼梯装置主要由机械系统和控制系统两部分组成。本文重点研究了行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯装置机械系统的运动步态、稳定性以及对其关键机械结构进行了优化设计。本课题首先通过对自动爬楼装置的结构、爬楼过程等主要影响因素进行分析研究,根据灵活、稳定、可靠性设计准则,提出了一种行星滚轮转换步行式驱动自动爬楼梯装置的总体机械结构设计方案。在总体结构方案确定的基础上,运用力学、机械原理、现代设计方法等知识对其进行数学建模,通过运动学和逆运动学设计方法,研究了轮椅的运动步态;然后对该行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯装置的爬行机构、定位机构、机械稳定机构等关键技术与结构进行设计;最后利用有限元等软件对行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯装置关键结构零部件受力进行了仿真。本课题的研究为该技术的实际应用奠定了理论基础。本文各章节内容安排如下:第一章:概述。主要阐述了爬楼梯装置设计的社会背景与重要意义,研究探讨了国内外的发展现状,并对其进行归纳总结、分析各自优缺点,最后确立了研究方向和内容。第二章:爬楼轮椅装置的方案设计。通过对爬楼装置爬楼运动过程的分析,先研究设计了三种方案,再通过对设计方案的基本原理和受力分析进行了比较分析,最后确定了一个优选方案。并对行星滚轮转换步行式驱动爬楼轮椅装置的运动过程、爬楼性能、平地运行结构问题进行了研究探讨。第三章:系统动力学数学模型的构建。在方案确立的基础上,运用力学、机械原理、现代设计方法等知识对其进行数学建模,通过运动学和逆运动学设计方法,研究轮椅的运动步态。第四章:关键结构设计。分别对装置的爬行机构、定位机构、机械稳定机构等关键技术进行研究探讨。第五章:系统仿真。利用有限元软件对对装置的关键结构零部件进行了仿真及结构优化。第六章:总结与展望。对本文的工作进行总结,并对以后的研究做出展望。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章概述  10-18
  1.1 课题的研究背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
  1.3 本课题的主要研究内容  16-17
  1.4 本文研究内容与安排  17-18
第二章爬楼轮椅装置的方案设计  18-28
  2.1 概述  18
  2.2 设计方案  18-24
    2.2.1 双星行星轮驱动方案  18-20
    2.2.2 水平垂直交错步行式驱动方案  20-21
    2.2.3 行星滚轮转换步行式驱动方案  21-24
  2.3 结构初步设计  24-27
    2.3.1 运动过程设计  24-25
    2.3.2 爬楼性能设计  25-26
    2.3.3 平地运行结构设计  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章系统动力学数学模型  28-42
  3.1 概述  28-29
  3.2 正运动学设计方法  29-30
  3.3 逆运动学设计方法  30-31
  3.4 逆运动学模型  31-35
    3.4.1 瞬态前后轮支撑轮椅的逆运动学模型  32-33
    3.4.2 瞬态后支架和前轮支撑轮椅的逆运动学模型  33
    3.4.3 瞬态前支架和后轮支撑轮椅的逆运动学模型  33-34
    3.4.4 瞬态前后支架支撑轮椅的逆运动学模型  34-35
  3.5 轮椅运动矢量分析  35-41
    3.5.1 前后轮轴有相同的斜角时，轮椅的运动  35-37
    3.5.2 后支架和前轮轴有相同的斜角时，轮椅的运动  37-38
    3.5.3 前支架和后轮轴有相同的斜角时，轮椅的运动  38-40
    3.5.4 前后支架有相同斜角时，轮椅的运动  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第四章关键结构设计  42-49
  4.1 爬行机构  42-44
  4.2 定位机构  44-45
  4.3 机械稳定性  45-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章系统仿真  49-71
  5.1 有限元分析的基本步骤及表达式  49-52
  5.2 优化设计理论  52-54
  5.3 软件介绍  54-57
    5.3.1 MOTIONVIEW  54
    5.3.2 HYPERMESH  54-55
    5.3.3 OPTISTRUCT  55-56
    5.3.4 MSC.PATRAN/NASTRAN  56-57
  5.4 优化设计方法与步骤  57-58
  5.5 动力学仿真及有限元分析  58-62
    5.5.1 爬楼关键结构的几何模型  58
    5.5.2 有限元分析  58-62
  5.6 优化设计分析  62
  5.7 优化结果  62-66
  5.8 结构优化设计分析  66-69
    5.8.1 稳健性研究  66-67
    5.8.2 尺寸误差的可靠性分析  67-69
  5.9 本章小结  69-71
第六章总结与展望  71-73
参考文献  73-77
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文  77-78
致谢  78-79

行星滚轮转换步行式驱动爬楼梯轮椅设计

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