多功能轮椅机器人的结构设计及其性能分析

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随 着人们 生 活水 平 的提 高 .人 类 的寿命 在逐 渐 延长。伴 随 而来 的是人 口老 年化 问题 越 来 越 成为 社 会关注 的焦 点 ；同时 随着 工业化 进 度越 来越 快 ，汽 车 的数 量也在 逐 年增 加 .因交 通事 故 导致瘫 痪 和 肢体 残 疾 的人也越 来越 多 2]。这些 人群 都离 不 开轮 椅 的帮 助 。普通的 轮 椅 由 于 智 能 化 程 度 较 低 、功 能 单 - ，已 经 不 能 满 足这类 人 群 的需要 ，迫切需 要 运用 现代 高新 技 术 的轮 椅机器 人来 改 善他 们 的生活 质量 和 生活 自由度 ][4]。

笔 者在 分析 用 户需求 的 基础 上 ，设计 了- 种基 于轮 式 移 动 小 车 底 盘 的 可 升 降 多功 能 的轮 椅 机 器 人 5]，并进 行 结构 建模 和性 能分 析 .得 出可行 性方 案 。

1 总体结构设计 1.1 功 旁色设 计本 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 降可 上 下 调 节 ，纵 向可摆 动 任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)江西侍育基金资助项目(编号：DB201 103o93)收稿日期：2012年9月机械制造51卷 第583期意角 度 ，直 到水 平 姿 态 ，下 肢 可联 动 摆 动 ；轮 椅上 附有折 叠小 桌 和拐杖 机构 ，满 足不 同人群 的使 用需 求C6]。

1.2 轮 椅 总 体 结 构本 轮 椅 机 器 人 主 要 分 为 上 下 两 部 分 ，下 部 底 盘 是- 个携 带超 声波 传感 器 的 四轮 小 车 ，上部 是- 个 多功能 座椅 .两 者之 间靠 -个 带 自锁 功能 的可 伸缩 气 弹簧支撑 .座椅 的升 降靠 2个 电机 带动 齿 轮齿 条传 动完 成 ，图 1给出 了轮椅 机 器人 的结构 简 图 ，轮椅 机器 人 的主要 尺 寸 数 据 如 表 1。

表 1 轮椅机器人的主要尺寸数据/ram名称 最大高度 座椅高度 移动小车尺寸 座椅面尺寸 升降高度参数 1 3oo 620 700400500 450x500 0～3502 轮椅各部分的工作原理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 - 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- 平面 .其结 构模 型如 图 3所 示 。

平 躺 机 构 的 摆 角 机 构 采 用 - 组 双 摇 杆 机 构 .连 杆1和靠脚 固定在 -起 ，连杆 3与靠 背 固定在 -起 。当需要 平躺 时 ，打 开气 弹 簧开 关 ，人 体后 仰 】 背 就 向后 运动 ，靠 重 力压 缩 气 弹簧 ，带 动连 杆 3绕 关 节旋 转 ，通 过双 摇杆 机构 中的连 杆 2和连 杆 1，带 动靠 脚 向上 摆 动 ，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 初始状 态 。

2-3 行 走 机 构考 虑到 本轮椅 机器 人 的工作环 境 主要是室 内和路况 较 好 的 室 外环 境 . 因 此 本轮 椅 的底 部 小车 采 用 四 轮 式结 构 。这 种 结构 优点在 于动作 平稳 、移 动速 度 可 调 、结构 简 单 和 控 制操 纵 方 便 等 。

行走 机构 除 了能 实现 直行 、后退 、转 向和 避 障之外 ，同 时也是 整个轮 椅机 器人 的核心 支架 ，升降 机构 控制驱 动 系统都装 在这 个 支架上 。

2.4 辅 助 机 构本 轮 椅 机 器 人 针 对 经 常 阅读 和 写 作 的 用 户 设 计 了可 收 放 的 小 桌 ， 主要 由 两 块 活 动 塑 料 板 构 成 ， 如 图 5(a)、(b)所 示 。

2013/3考 虑到老 年人 和伤残 人士 的使用需 要 .设 计 了两根 多功 能拐杖 ，与 轮椅靠 背整合 在- 起 ，既 可 当轮椅 平躺 时 的支撑 ，又可 以取 出当拐杖 使用 ，如 图 6所 示 。

3 轮椅转向和升降性能分析3.1 转 向 性 能 分 析本 轮椅 的转 向是 靠转 向电机 、双梯 转 向传 动机构 、齿轮齿 条转 向器 和行 星齿轮差 速器 共 同完成 的 .轮椅的转 向动力 学模 型如 图 7所示 。

根 据 阿 克 曼 定 理 E7]中 车 辆 转 向 时 各 车 轮 纯 滚 动 的要 求 ，对 于后 轮驱 动 的 4x2轮式 轮椅 ，转 向时必须 满足以 下 3个 条 件 。

(1)通 过 前轮偏 转 实现转 向 ，车 轮偏 转 的程 度决定 了轮椅转 弯半 径 的大 小 。

(2)两前 轮作 纯滚 动 ，要 求 内侧 前轮 偏转 角 比外侧前 轮偏 转角 IB要大 ，内 、外侧前 轮偏 转角 和 的关 系为 ：c。tfl-eot 等 (1)式 中 ：K 为两转 向节立 轴 与前 轮轴 心线 交点 之 间距 离 。

(3)转 向时 ，两个 驱 动轮在 同- 时 间 内走过 的路程是 不相 等 的 ，外侧驱 动轮 转得要 快 ，而 内侧 驱 动轮转得 慢 .即 ：： (2) n R-0.5 - 式 中 ：/， 、n：分 别 为慢 、快 速侧 驱动 轮转 速 ； 为转 弯 半机械制造51卷 第583期径 ；口 为 后 轴 轮 距 。

本 轮 椅 选 用 的 双 梯 形 转 向 机 构 8]，结 构 如 图 8所 示 ，其 中横 拉 杆 AD C的 长 1290 mm；梯 形 臂 D OB 的 长 /3150 mm；E 为 齿 条 滑 块 ，主 销 后 倾 角 西2.5。。

本 轮椅选 定 的转 向器 是齿 轮齿 条 转 向器 ，其 齿条两端 球 铰 中心 距 M250 mm，齿 条 轴线 到梯 形 底 边 的安 全 距 离 h50 mm。 则 梯 形 底 角 与 、 以 及 Z 、Z3的关 系 为 ：z：：(. ； -z，cos )z(Z3Sin - ) (3)二 当轮椅 需要 转 向时 ，只要 使转 向电机 正转 或 反转 ，则 经过 齿 轮齿条 转 向器 后 ，齿条 便 会 向左或 向 右移 动- 个距 离 s，如 图 9所 示 。 以右转 弯 为例 ，齿 条 向右 移动- 段 行程 s后 ，通 过左 横 连杆 拉 动左 梯形 臂 ，使 之转过 角 ，同 时 右 横 连 杆 向 右 推 动 右 梯 形 臂 ，使 之 转 过角取 梯 形 的 右 角 定 点 D 为 坐 标 原 点 ，可 得 出 齿 条 行程 s与 内侧 轮转 角 的关 系 ：s c。s(咖 - 12-[/3sin( )-h]。 (4)由 式 (1)得 本 轮 椅 机 器 人 的 转 向 阿 克 曼 角 A 为 ：Ac。 -cot 1.1 l>0所 以本 轮 椅机 器人 能 有 效 转 向且 不 会 发 生漂 移 。

由于本 轮 椅采 用 的是后 两 轮独 立驱 动 ，所 以 内外侧 驱动轮 的转 速能 够 满足 式 (2)。加上本 轮 椅 的速度 要求 不高 。因此 可 以不用 考虑 由于加 速度 过大 造成 的转 向时机械制造51卷 第583期侧 翻的 问题 。说 明轮椅 机器 人 的行走 机构 能满 足 阿克曼转 向定 理 的 3个 条件 。

3.2 升 降 性 能 分 析在 SolidW orks三 维 软 件 下 建 立 齿 轮 齿 条 传 动 三 维模型 ，在转 换 成 .xJ 格式 导入 Admas下进 行座 椅升 降G1取 98 N，人 体 的质 量 G2取 980 N，和人 体 给予 的 向下压 力为 ：G1G298980 1 100 N动 力 学 仿 真 。 齿轮 齿 条 的 模 数 是2 mm，齿 轮 的 齿数 是 38，齿 条 长500 mm。如 图 10所 示 。 赋 予 材 料属 性 ， 建 立 好 各项 运 动 副 后 .给出初 始约 束 。

座 椅 的 质 量则 N-条 承 受 座 椅齿 条 的 线 速 度 v100 mm/s，齿 轮 的 节 圆 直 径 d84mm，则 升 降 电机 的转 速 为 ：n ： 鱼 ：鱼 23 r/min～ 3.14d 3.14x84 - -又 升 降 电机 功率 P 2 kW ，所 以齿 轮受 到 的扭矩为 ：： 830 N .m将 计 算 结 果 输 入 到 模 型 中 进 行 动 力 学 仿 真 ， 可 得到 图 11、图 12、图 13所示 的运 动 曲线 。

曲线 ，可得 到所 选碳 钢材 料 的齿轮 齿条 .以及 焊接 模 型强度都 能 够满 足 。也可 以认 为该升 降结 构方 案理 论上亦 是可 行 的 。

2013/3生 箔 机 控 制 系 统 的 设 计 与 实 现口 刘相杰 口 罗经津 口 肖麟芬中船重工集团第 707研究所 江西九江 332007摘 要 ：介 绍 了以 PLC为核心的铜箔生产控制 系统的设 计，分析 了生箔机控制原理及主要 功能的实现 .阐述 了在 系统控制过程中有关张力解算、张力控制等关键技术的处理。实践表明，该系统在功能、性能和控制精度上达到或接近国外同类产品 的先进水平，投入运行后取得 了良好 的经济效益。

关键词 ：生箔机 张力控制 PLC 触摸屏 压力传 感器中图分类号：TH122；TP273 文献标识码：B 文章编号：1000-4998(2013)03-0038-03随 着信息 产业 的迅 速发展 .印制 电路板 的应 用 日益 增多 ，铜箔 作为 印制 电路板 、覆铜 板等 不 可缺少 的主要 原 材 料 ，市 场 需 求 也 日益 增 加 。受 印 制 电 路 板 的 加 工复 杂性 、丁艺 要求 等影 响 对 铜箔 的生 产加 工要 求 严格 ，不 仅要 求 厚 冰 匀 ，且 各项 物 理 、化 学 性能 要 求 稳定 。生箔 机作 为铜箔 生产 过程 中极其 重要 的控制 设备 ，其 对生 产 中铜箔张 力 的精 确控 制不 仅直 接影 响 到铜 箔质 量 ，还 关系 到厂 家 的生产效 益 。所 以在 铜箔生 产过 程中 ，需 对铜 箔 卷 的张 力进 行 准 确监 测 ，对钛 辊 、收 卷 辊的 转 速 要 求 精 确 调 节 。

生 箔 机 控 制 系 统 在 线 监 控 点 多 、采 样 精 度 高 、逻 辑条件 复杂 ，若 用 -般 逻 辑 控制 方式 设 计 ，系统 繁琐 ，故障率高 。性能 难 以满足 工艺要 求 。为此 ，宜 采用 先进 的计 算机 技术 和控 制理论 设计 ，提 高系统 的稳定性 和可靠 性 ；添加通 信功 能 。实时显示 各 监测 点 的变化 趋势 及故 障 报警 画 面 ，形 成 自动 检测 、控 制 、监 管 相 结合 的-收稿 日期：2012年 11月体 化 系 统 。

1 生箔机工作原理生箔 机 主要 由钛 辊 、阳极 、整 流装 置 、传 动 装置 及电控系统 等组 成 .其 生产 工艺 如图 1所示生 箔 机 工 作 时 ，电 解 槽 中充 满 硫 酸 铜 电 解 液 .由 泵稳 定 调 节 控 制 其 液 面 高 度 。钛 辊 置 于 电 解 槽 中 .在 高 频开 关 电源 产生 的低 电压大 电流作 用 下 ，钛 辊 吸收铜 离子 ，生 成 镀 铜 层 ； 钛 辊 在 变 频 器 驱 动 下 以 - 定 速 度 转动 ，粘 附其上 的铜箔 在张 力带 动下 ，自动 剥离 钛辊 生成4 结论本文设 计 了-种 多 功 能 可升 降 的轮 椅 机器 人 ，根据 各 组 成 机 构 的 工 作 原 理 进 行 结 构 设 计 ，包 括 独 立 后两轮 驱动 的行走 机构 、齿轮 齿条 传动 的升 降机构 、联动的 平 躺 机 构 、 以 及 提 供 书 写 小 桌 和 支 撑 拐 杖 功 能 的辅 助机 构 。着 重分 析 了其转 向和 升降性 能 ，为 轮椅 机器人的设 计 的后 续研 究制 作奠定 了基 础 。