轮腿式轮椅爬楼机构设计及仿真

医护轮椅爬楼梯轨道技术的图形仿真与教学探讨摘要：图形仿真与教学探讨有着一定的关联。

一方面，对医护轮椅爬楼梯的轨道技术，进行图形仿真设计的分析，说明该技术容易投入生产，以及产品走向市场，对现实医护轮椅爬楼梯所遇到的问题，得到实际性的解决；另一方面，该图形仿真设计的分析，对大学里医疗设备研究和开发的教学，起着探讨的作用。

关键词：医护轮椅轨道技术图形仿真设计教学探讨中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X （2015）12（a）-0237-03目前，在中小城市里，楼层不高，只能依靠步行楼梯爬到相应楼层的现象，还是比较多的，于是医院在急救走路不便的病人时，为了克服步行楼梯带来的问题而用了一些办法，有的用两人抬担架的办法，有的用两人抬轮椅进行摸索爬楼梯的办法……但是效果都不理想，比如：受力过重的人会难以支撑的问题，效率低下的问题，容易造成病人激烈震动的问题，都有待解决。

该次图形仿真也就是医护轮椅爬楼梯的轨道技术，就是一个较好地解决方案，并且它在医疗设备的教学上，具有一定探讨性的价值。

1 相关仿真图图1～图4都是用Pro ENGINEER按照1∶1进行实物仿真设计。

图1主要是说明该技术进行实物生产和投入市场后，在现实中使用的效果及相关细节，当然，如果人坐在医护轮椅上，是要加上安全防护套；图2主要是反映轮子在行驶过程中，受到鼓式刹车装置与弹柱锁的控制作用；图3主要是介绍弹柱锁运动的原理以及具有拆解维护性的作用；图4主要是介绍手把运动的原理，以及通过钢丝绳对鼓式刹车装置和弹柱锁的控制[1]。

2 医护轮椅依靠轨道爬楼梯的整体分析如图1和图2所示，楼梯上架着的双轨道，除了自身受到楼梯接触部分的支撑，还以4根大螺柱垂直于双轨道的方向，通过内置螺纹的空心柱旋转定位，进行辅助性地支撑，再加上双轨道1和双轨道2可以进行灵活伸缩固定配合，如图1的截面细节，以致双轨道能够寻找楼梯更好地支撑点，在面对凹凸不平的斜面楼梯时，就有效地解决双轨道受到的支撑力不均匀，容易滑动的现象；双轨道的两侧都有与轮胎接触的平面和与齿轮配合接触的直齿条，医护轮椅前部分的两小轮，只有轮胎与双轨道的轮胎接触面接触，而后部分的两大轮，除了有轮胎与双轨道的轮胎接触面接触以外，还有齿轮与双轨道的直齿条配合接触，如图1中的细节1，而齿轮和轮胎上的支架是通过螺柱固定在一起，齿轮和轮胎具有共同转动的性能，这样医护轮椅在人为控制下，在斜面轨道上行驶时，轮胎主要是受力支撑的作用，而齿轮与直齿条的齿合转动主要是控制医护轮椅前进的速度，如果齿轮停止转动，轮胎也停止转动，齿轮会受到直齿条的阻碍，导致轮胎无法滑行，促使医护轮椅无法前进。

电动轮椅车的仿真模拟与优化设计随着社会的发展，无障碍出行问题越来越受到人们的重视。

电动轮椅车作为一种重要的便携工具，为行动不便的人群带来了更多的自由和独立，因此越来越多的人开始关注电动轮椅车的仿真模拟与优化设计。

电动轮椅车的仿真模拟是通过利用计算机技术对电动轮椅车进行模拟运行，以验证其可行性和效果。

通过仿真模拟，我们可以模拟不同的场景，如不同的道路条件、坡度、载重等，以及不同的用户需求，以评估车辆的性能和表现。

仿真模拟可以帮助我们在实际制造和组装之前，快速检验设计，并且在设计中进行改进和优化。

在电动轮椅车的仿真模拟中，要考虑到的因素很多，例如车辆的动力系统、控制系统、底盘结构、电池性能等。

首先，动力系统是电动轮椅车的核心部分之一，它决定了车辆的动力输出和续航能力。

在仿真模拟中，我们可以模拟不同的电机和驱动系统，从而选择最适合的动力系统。

其次，控制系统是电动轮椅车的灵魂，它决定了车辆的操控性能和安全性。

通过仿真模拟，我们可以测试控制系统的精度和鲁棒性，从而提高车辆的操控性能。

此外，底盘结构和电池性能也是影响电动轮椅车性能的重要因素，在仿真模拟中同样需要进行优化设计。

在电动轮椅车的优化设计中，我们可以采用多种方法来改进车辆的性能和使用体验。

首先，可以通过优化车辆的结构和材料来提高车辆的稳定性和耐久性。

例如，采用轻量化的材料，可以降低车辆的重量，提高能耗效率。

其次，可以通过优化动力系统和控制系统的设计来提高车辆的动力输出和操控性能。

例如，采用高效的电机和先进的控制算法，可以提高车辆的加速性能和制动性能。

此外，还可以通过优化电池和电源管理系统的设计来提高车辆的续航能力。

例如，采用更高能量密度的电池和智能的电源管理系统，可以延长电动轮椅车的续航里程。

除了在设计过程中进行优化，我们还可以通过实际测试和用户反馈来不断改进电动轮椅车的设计。

通过与使用者的沟通和合作，了解他们的需求和体验，我们可以更好地满足用户的期望。

多功能电动轮椅关键机构设计与仿真分析摘要：随着人口老龄化和残疾人口增加，电动轮椅作为一种重要的辅助设备，已经成为现代社会不可或缺的一部分。

本文旨在设计一种多功能电动轮椅，通过对关键机构的设计和仿真分析，提高其性能和安全性，以满足不同用户的需求。

关键词：多功能电动轮椅；关键机构；设计；仿真分析1电动轮椅整体方案设计第一，底座应该采用轻量化材料，如铝合金或碳纤维，以提高整车的稳定性和操控性。

底座上应安装电动驱动系统，包括电机、电池、控制器等，以实现电动推进和转向功能。

同时，底座下方应配备避震系统，以提高车辆的行驶舒适性。

第二，座椅应该具有多种调节功能，如高度调节、倾斜调节、座椅深度调节等。

座椅材料应该采用舒适、透气的材料，如网布或皮革，以提高乘坐舒适度。

座椅后方应配备可调节的头枕，以提供头部支撑。

第三，扶手应该具有多种调节功能，如高度调节、前后调节、旋转调节等。

扶手材料应该采用舒适、防滑的材料，如橡胶或软质塑料，以提高握把舒适度和安全性。

第四，电动轮椅的附加功能应该包括升降、倾斜、折叠等。

升降功能可以帮助用户在不同高度的场合下使用轮椅，如上下楼梯、进出电梯等。

倾斜功能可以帮助用户在不同角度下使用轮椅，如倾斜座椅可以帮助用户进行换位操作。

折叠功能可以方便用户进行携带和存储。

2关键机构设计2.1升降机构设计升降机构是一种能够将轮椅升降到不同高度的装置，它可以帮助行动不便的人士更加方便地进出建筑物、车辆等场所。

设计时需要考虑到多种因素，以确保其功能完备、结构稳定、安全可靠。

（1）功能需求：具备升降、旋转、倾斜等多种功能，以适应不同场合的需求。

例如，在进入车辆时，需要将轮椅升降到车门高度，并旋转90度，以方便进入车内；（2）结构设计：电动轮椅升降机构的结构需要紧凑、稳定、安全。

在设计时需要考虑到轮椅的重量、尺寸、稳定性等因素，以确保升降机构能够承受重量并保持平稳；（3）控制系统：需要配备智能控制系统，以实现升降、旋转、倾斜等功能。

多功能智能轮椅设计—结构外观设计与运动仿真学院：工业自动化学院专业：机械电子工程姓名：何梓浩学号： 160404102530指导老师：文豪职称：讲师中国·珠海二○二○年五月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计《多功能智能轮椅设计—结构外观设计与运动仿真》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

本人签名：日期：年月日北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计多功能智能轮椅设计—结构外观设计与运动仿真摘要在人口老龄化日趋严重、意外事故和自然灾害多发的时代，行动不便和肢体残障人士日益增多。

轮椅成为了这部分人群日常生活的一部分，相比市面上的普通轮椅而言，使用者更加倾向于使用多功能智能轮椅。

为帮助这部分需求群体提高生活质量，有必要研究一款价格相对低廉、姿态可调、具备室内导航、利用操纵杆实现自主移动等多功能的智能轮椅。

本文主要对多功能智能轮椅结构外观设计与运动仿真进行研究。

首先根据人机工程学的相关知识对轮椅的尺寸进行选定，然后利用Pro/E对轮椅进行三维建模并检验各零部件之间是否存在干涉，接着通过ANSYS Workbench的有限元分析检验模型设计的合理性，并使用Pro/E对轮椅的机构进行运动仿真，最后通过Keyshot对轮椅模型进行外观渲染，最终为多功能智能轮椅的运动控制系统和功能模块搭建出一个可移动并且能实现相关功能的平台。

关键词：多功能；智能轮椅；结构设计；静力学分析；运动仿真北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计Multifunctional intelligent wheelchair design-structural design andmotion simulationAbstractIn an age of increasing population aging, frequent accidents and natural disasters, people with limited mobility and physical disabilities are increasing. Wheelchairs have become part of the daily life of this group of people. Compared with ordinary wheelchairs on the market, users are more inclined to use multi-functional smart wheelchairs. In order to help this part of the demand group improve the quality of life, it is necessary to research a multi-functional smart wheelchair with relatively low price, adjustable posture, indoor navigation, and autonomous movement using a joystick.This article mainly studies the structural design and motion simulation of the multifunctional intelligent wheelchair.First, select the size of the wheelchair based on the relevant knowledge of ergonomics, then use Pro / E to three-dimensionally model the wheelchair and check whether there is interference between the parts, and then verify the model design through the finite element analysis of ANSYS Workbench The rationality of the use of Pro / E to simulate the motion of the wheelchair mechanism, and finally render the appearance of the wheelchair model through Keyshot, and finally build a movable and able to achieve the relevant functions for the motion control system and function module of the multifunctional intelligent wheelchair Platform.Keywords: multifunctional; intelligent wheelchair; structural design; static analysis; motion simulation北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计目录1 绪论 (1)1.1选题背景与目的 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.3本文设计内容 (3)2 多功能智能轮椅总体尺寸设计方案 (5)2.1人机工程学在多功能智能轮椅中的应用 (5)2.2人体测量数据在多功能智能轮椅中的应用 (6)2.3轮椅总体尺寸选取 (7)3 轮椅结构设计 (10)3.1元器件选型和机构设计 (10)3.2P RO/E环境下多功能智能轮椅的零件建模 (13)3.3P RO/E环境下多功能智能轮椅的虚拟装配 (16)3.4轮椅爬坡能力的计算 (17)4 材质选定与有限元分析 (19)4.1部分零部件的材质选定 (19)4.2ANSYS W ORKBENCH软件介绍 (20)4.3轮椅关键部件有限元静力学分析 (21)5 运动仿真与最终效果 (27)5.1轮椅机构的机构运动分析模块选定 (27)5.2轮椅机构运动仿真 (27)5.3基于K EYSHOT的外观渲染 (30)5.4小组作品的最终效果 (31)6 总结与展望 (34)参考文献 (35)致谢 (36)附录 (37)附录一多功能智能轮椅装配图 (37)附录二底盘零件图 (37)附录三渲染效果图 (38)附录四3D打印实物图 (38)北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计1 绪论1.1选题背景与目的近年来老龄人口比重日益上升，联合国发布的报道称，世界总人口中老年人的数量占比将在21世纪超过五分之一。

摘要随着社会的发展和人类文明程度的进步，老年人与残障人员愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量，而爬楼梯对于老年人和残疾人行动不方便的，非常困难，所以要增加轮椅自动化程度，于是我们在原轮椅的基础上进行改进和加装爬楼机构，本文设计的电动轮椅具有爬楼功能，爬楼时用履带驱动，平地时可像普通轮椅用轮驱动也可轮椅稍后仰用履带驱动。

此车在轮椅的基础上安装履带装置、升降机构、电机、以及控制电路、控制设备，以降低劳动强度、提高效率，减少他们的困难、提高生活质量、满足市场需求为目的。

爬楼梯车具有适应性强、机动灵活、活动范围大等特点，在我国国民经济的发展中，爬楼梯电动轮椅的需求量逐年增加，市场发展潜力巨大，爬楼梯电动轮椅行业具有广阔的发展机遇和良好的投产前景。

关键词：爬楼梯，电动，轮椅，履带轮式AbstractWith the social development and improvement in the level of human civilization,oldmen and physically disabled members of society more and more need to usemodern high-tech to improve their quality of life,but the elderly and handicapped areunable to climb the stairs, so we had to increase the automatic level of the electricwheelchair to reduce their difficulty. So we have the original on the basis o f awheelchair to improve and the installatio n of Climbing stairs institutions, the paperdesign with the electric wheelchair has Climbing stairs function, when Climbing stairsit use track-driven, the ground can be used like an ordinarywheelchair-wheel-drivecan also be track-driven,when the chair be tilted.we have fit in the new equipmentsinclude the tracked device,the body movements, the electromotor, control circuit andcontrol equipment, etc, to reduce the labor intensity and difficulty, and to improve theefficiency and living quantity, so that can satisfy the requirements of the market. Theautomatic electric wheelchair has new characteristics of high adaptability, mobilityand orbit, etc. As the development of the national economy, the requirementofautomatic electric wheelchair will be increased year by year. So the developingpotential of the automatic electric wheelchair in the market is vast, it has a gooddeveloping opportunity and well invested prospect.Key words：Climbing the stairs,electricity, wheelchair, Track-Wheel目录第一章综述 (1)1.1 爬楼梯轮椅的意义 (1)1.2国内外爬楼梯轮椅的发展状况 (2)1.2.1国外爬楼梯轮椅的发展状况 (2)1.2.2国内爬楼梯轮椅的发展状况 (4)1.3本项目的设计目的与主要研究内容 (5)1.3.1课程设计目的 (5)1.3.2课题研究内容 (6)1.4设计进程安排 (6)第二章履带爬楼装置机械系统结构设计 (8)2.1爬楼机构的比较 (8)2.2设计思路 (9)2.3履带轮式轮椅爬楼原理 (10)2.4履带爬楼过程分析 (11)2.5爬楼性能参数 (13)2.6履带爬楼机构的结构设计 (13)2.7 升降机构的设计 (16)2.8 本章小结 (18)第三章电气系统设计 (19)3.1 履带爬楼梯装置执行电机选择 (19)3.2 电池选择 (20)3.3 电动车电机转速控制 (21)3.3.1 驱动方式对电动车性能影响 (21)3.3.2 现有电动车电机存在主要问题及探索 (21)3.4 直流电机机械特性 (22)3.5 控制系统的设计 (23)3.6 本章小结 (28)第四章典型零部件设计及校核计算 (29)4.1 传动系统动力参数计算 (29)4.2 轴的计算 (30)第五章技术经济分析报告 (39)5.1 履带轮式轮椅技术分析 (39)5.2 履带轮式轮椅经济分析 (39)5.3 履带轮式轮椅结论和展望 (40)参考文献 (41)致谢 (42)第一章综述1.1 爬楼梯轮椅的意义轮椅是年老体弱者以及下肢伤残者必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯却使轮椅受到很大限制，因此研发价格低廉、简单易用的爬楼梯轮椅是康复工程工作者面临的一项比较紧迫的任务。

轮式爬楼梯轮椅设计一、本课题的研究目的和意义：高龄人群以及下肢残障者的最大障碍是步行能力的减弱甚至缺失，他们不仅丧失行动力，更需要有劳动能力的人来加以护理。

目前，大多数老体弱者及肌体伤残者都选择轮椅作为他们的代步工具，而且使用范围越来越广。

轮椅也由手动轮椅、电动轮椅趋向智能轮椅的方向发展，但由于他们一般采用传统的轮式结构，一般仅适合在平地上使用，很少具备爬楼和翻越障碍的能力。

楼梯和路障使轮椅的使用受到了很大的限制，很多场合尤其是室外，比如银行、购物中心门前等或多或少有几级台阶，室内也有很多地方没有电梯，这也给轮椅用户造成很多不便。

当然，国家也花费了大量的人力和财力在某些场所修建了相应的轮椅坡道和其他公用设施以方便残疾人活动。

但由于各种因素的影响，这些措施的作用也非常有限。

为了给老年人和残疾人提供高性能的代步工具，解决楼梯或路障对他们使用轮椅造成的不便，帮助他们提高行动自由度，重新更好的融入社会，并考虑到我国的基本国情，研究一种价格适宜、小巧轻便的轮式爬楼梯轮椅装置具有重大的意义和实用价值。

二、文献综述（国内外研究情况及其发展）：轮椅是康复的重要工具，它不仅是肢体伤残者的代步工具，更重要的是使他们借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。

目前，我国已经进入老龄化社会，随着老人的数量不断增加，由于行动不便对轮椅的需求数量增加，普通的轮椅很难适应我国老人上下楼的需要，因为我国大部分楼房建筑是以六层以下建筑为主，该类建筑中没有安装电梯，对于使用轮椅的人来说，上下楼及其不方便，或重心易下滑，单人难上楼，需另建专用车道。

因此迫切需要开发能够简便、轻巧的上下楼轮椅。

在我国，每年约有数十万老人、残疾人等需坐轮椅车行走。

过去旧式轮椅车存在不能自行上、下楼等问题，使病人的活动空间大为缩小。

并使监护人看护病人也很困难。

为了给千百万残疾人一个自由、舒适的空间，再加上该产品有着很大实用性，存在着非常广阔的市场。

于是人们不断进行着艰苦的研究，一代又一代可上楼的轮椅应运而生。

轮腿式爬楼梯机器人的机械系统设计摘要：移动机器人在很多领域发挥越来越重要的作用，例如物品运输，危险或城市环境下作业，担负救援任务和军事用途等，而楼梯是移动机器人在人造环境中最常见、最难跨越的障碍之一，本文综合轮式爬楼梯移动机器人和腿式爬楼梯移动机器人的优点，设计了一款新型的轮腿式爬楼梯移动机器人，可以为工程应用提供一定的帮助。

关键词：移动机器人；爬楼梯；机械系统中途分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1引言随着社会的发展，在复杂环境中运动的移动机器人引起了国内外学者的兴趣，在服务机器人领域成为一个研究热点[1]。

楼梯在城市环境中随处可见，它们被设计成需要跨越的垂直距离，对于机器人和车辆来说是一个巨大的挑战。

例如，在城市搜救、楼宇建筑内运送货物、楼宇建筑内运送老幼病残弱、楼宇建筑内的清洁、楼宇建筑内消防灭火等。

因此爬楼梯机器人的应用对人身安全、减轻劳动强度，提高劳动生产率，降低生产成本等方面有很重要的意义。

国内外学者对爬楼梯机器人进行了很多研究，美国发明家Dean Kamen研发了一款叫 IBOT300的智能轮椅 [2]，它能够实现爬楼梯功能，如图1所示，该轮椅有三种运动模式：平坦路面上6轮行驶；崎岖路面上4个后轮行走；遇到阶梯障碍时两对后轮交替攀爬。

波士顿动力公司的M. Buehler等人研制的Big Dog机器人[3]，如图2所示，能够跳过1米沟渠，爬上45度的斜坡，以5米/秒的速度运行，并携带超过50公斤的有效载荷。

日本长崎大学机械工程系研发了一种爬楼梯装置,如图3所示，上下楼梯动作的实现是通过四组行星轮的翻转和四条伸缩“腿”的移动上下楼梯[4]。

我国上海交通大学发明了一款被动行星轮爬楼梯机器人[5]，如图3所示，它的机械系统是由机器人底盘、四组一样的行星轮系、机器人驱动等构成。

该移动机器人能够攀爬30°的楼梯，可以很好的适应非平坦的地形。

哈尔滨工业大学的纪军红团队研制一种具备前后各两个摆臂的履带式移动机器人，该机器人能够适应较复杂地面,具有很强的多地形自适应越障能力[6]。

Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2023, 12(1), 60-65 Published Online February 2023 in Hans. https:///journal/met https:///10.12677/met.2023.121008爬楼机器人机械结构设计与仿真许 婕，廖鑫森，黄景德*，陈子杰珠海科技学院机械工程学院，广东 珠海收稿日期：2023年1月12日；录用日期：2023年2月14日；发布日期：2023年2月21日摘要当前爬楼机器人存在的主要问题影响着相关产品的性能，制约了产品的推广。

首先针对爬楼能力弱、操作空间受限的技术性能问题，设计了一款可替换的模块化爬楼机器人；其次结合楼梯结构特性，基于丝杠和电动推杆构建三个抬升支架，设计了合理的抬升式爬楼模块；最后运用UG 软件建立了爬楼机器人三维模型，并对其关键模块进行了有限元分析和运动仿真。

该型机器人底部采用可替换模块，提高了更多应用场景的适应性，可以有效提高人们生活质量和工作效率。

关键词爬楼机器人，结构设计，抬升支架，有限元分析，运动仿真Mechanical Structure Design and Simulation of Climbing RobotJie Xu, Xinsen Liao, Jingde Huang *, Zijie ChenSchool of Mechanical Engineering, Zhuhai College of Science and Technology, Zhuhai GuangdongReceived: Jan. 12th , 2023; accepted: Feb. 14th , 2023; published: Feb. 21st , 2023AbstractAt present, the main problems of climbing robots affect the performance of related products and restrict the promotion of products. Firstly, aiming at the technical performance problems of weak climbing ability and limited operating space, a replaceable modular climbing robot is designed; Secondly, combined with the structural characteristics of the stairs, three lifting brackets are con-structed based on the lead screw and electric push rod, and a reasonable lifting climbing module is designed; Finally, the three-dimensional model of the climbing robot is established by UG software, and the finite element analysis and motion simulation of its key modules are carried out. The rep-*通讯作者。

《新型轮腿式机器人的设计与仿真》篇一一、引言在现今科技不断发展的背景下，机器人技术得到了广泛应用，尤其是针对不同环境和作业需求的机器人设计成为研究热点。

新型轮腿式机器人是一种融合了轮式与腿式移动方式的机器人，具备跨越障碍、适应复杂地形的能力。

本文将详细介绍新型轮腿式机器人的设计与仿真过程。

二、设计目标与需求分析设计新型轮腿式机器人的主要目标是使其能够在复杂地形中灵活移动，同时具备一定载荷能力。

在需求分析阶段，我们需要考虑机器人的工作环境、负载能力、移动速度、能耗等因素。

根据需求分析，设计出具有四轮两腿结构的机器人框架，并设定其可调参数，如轮腿切换机构、驱动电机等。

三、机器人结构设计1. 轮腿结构：新型轮腿式机器人采用四轮两腿结构，轮腿切换机构使得机器人能够在轮式和腿式之间切换。

其中，轮式结构适用于平坦地面，提高移动速度；腿式结构则适用于复杂地形，提高跨越障碍的能力。

2. 驱动系统：采用直流电机作为驱动源，通过齿轮传动系统将动力传递至轮腿结构。

同时，设置控制系统以实现机器人的运动控制和协调。

3. 传感器系统：为满足机器人对环境的感知需求，设计包括距离传感器、速度传感器、姿态传感器等在内的传感器系统。

四、仿真分析利用计算机仿真软件对新型轮腿式机器人进行仿真分析，以验证其设计合理性及性能表现。

1. 运动学仿真：通过建立机器人的三维模型，进行运动学仿真分析。

仿真过程中，对机器人在轮式和腿式状态下的运动轨迹、速度、加速度等参数进行记录和分析。

2. 动力学仿真：在运动学仿真的基础上，进行动力学仿真分析。

通过施加外力、摩擦力等条件，模拟机器人在实际工作环境中的运动状态，评估其动力性能和稳定性。

3. 环境适应性仿真：针对机器人可能面临的不同地形环境，进行环境适应性仿真。

通过模拟复杂地形、障碍物等环境条件，评估机器人的越障能力、地形适应性等性能指标。

五、仿真结果与讨论通过仿真分析，我们可以得出以下结论：1. 新型轮腿式机器人在轮式状态下具有较高的移动速度和稳定性，适应平坦地面环境；在腿式状态下，具备较好的越障能力和地形适应性，适应复杂地形环境。

可重构八足轮腿式爬楼梯轮椅机构设计及运动分析医疗技术的飞速发展和交通的便利给人们的生活带来便利的同时,也使行动不便的老年人和残疾人数量呈现不断的上升趋势,因此轮椅就成了这一部分人的生活、工作和学习的必需品。

然而现在国内外市场上的轮椅普遍都只能在平地上行走,当遇到楼梯、台阶等障碍物时,必须要借助他人的帮助,这就很大程度上限制了这些行动不便的人们的出行。

基于以上情况,本课题研究出一种既可以平地行走,又可以上下楼梯、跨越障碍物的多功能电动轮椅,使残障人士可以乘坐其完全独立出行。

前腿机构和爬楼梯机构相互配合,共同辅助轮椅在上下楼及越障时完成动作,这两部分是本课题所研究轮椅的创新点之一。

本文首先根据这两个机构各自要完成的功能确定出实现其功能的不同方案,然后用模糊综合评价法选出最优方案、完成构形设计并进行三维实体造型。

根据上下楼梯时给轮椅提供驱动力的部位的不同,将轮椅上下楼梯全过程看成是轮椅在四边形模型、五边形模型、六边形模型三个广义行为图模型间连续切换的过程,并利用机械原理知识对这三种广义行为图模型建立数学模型,以便于更全面地分析轮椅的运动学状态。

最后,根据轮椅上下楼过程不同驱动轮运动轨迹的特点以及轮椅整体的运动特点,对各驱动轮的运动轨迹作了规划,再利用MATLAB软件对轮椅上下楼梯运动情况进行仿真分析,得到模型中一些关键点和构件的(角)位移、(角)速度、(角)加速度的变化情况。

通过这些数据,可以直观反应轮椅的运动情况,为后续轮椅运动规律的改进和轮椅的控制提供理论基础。

《新型轮腿式机器人的设计与仿真》篇一一、引言随着科技的飞速发展，机器人技术已经广泛应用于各个领域。

其中，移动机器人是机器人技术的重要组成部分。

为了提高机器人的适应性和灵活性，本文提出了一种新型轮腿式机器人设计。

该设计旨在结合轮式和腿式移动方式的优点，使机器人能够在各种复杂环境中灵活移动。

本文将详细介绍该新型轮腿式机器人的设计思路、设计方法以及仿真结果。

二、新型轮腿式机器人的设计思路1. 设计需求分析在设计新型轮腿式机器人时，我们首先分析了机器人的应用场景和功能需求。

考虑到机器人需要在复杂环境中灵活移动，我们确定了以下设计需求：高灵活性、高适应性、高负载能力以及低能耗。

2. 结合轮式与腿式移动方式的优点为了满足上述设计需求，我们提出了将轮式和腿式移动方式相结合的设计思路。

轮式移动方式具有速度快、能耗低的优点，而腿式移动方式则具有高适应性和高负载能力的特点。

因此，我们将轮式和腿式移动方式的优势相结合，设计出一种新型轮腿式机器人。

三、新型轮腿式机器人的设计方法1. 机械结构设计机械结构设计是新型轮腿式机器人设计的关键步骤。

我们采用了模块化设计思想，将机器人分为轮式模块和腿式模块。

轮式模块采用传统轮式结构，以实现快速移动；腿式模块则采用多关节结构，以实现高适应性和高负载能力。

此外，我们还设计了可切换的轮腿转换机构，使机器人能够在轮式和腿式之间灵活切换。

2. 控制系统设计控制系统是新型轮腿式机器人的大脑。

我们采用了先进的传感器技术和控制算法，实现了对机器人的精确控制。

同时，我们还设计了能量管理系统，以实现低能耗运行。

四、仿真实验与分析为了验证新型轮腿式机器人的设计效果，我们进行了仿真实验。

仿真实验结果表明，该机器人在各种复杂环境中均能实现灵活移动，且具有高灵活性、高适应性、高负载能力和低能耗等优点。

具体分析如下：1. 灵活性分析在仿真实验中，我们发现新型轮腿式机器人在面对复杂地形时表现出色。

在崎岖不平的地形中，机器人能够通过切换为腿式模式，实现灵活的移动。

随着社会老龄化进程的加快以及由于各种疾病、工伤、交通事故等造成下肢损伤人数的增加，为老年人和残疾人提供性能优越的代步工具已成为整个社会重点关注的问题之一[1]。

传统轮椅在平地上运动比较灵活，但当遇到障碍物时其运动会受到很大限制，给使用者带来了极大的不便。

我国智能轮椅研究起步较晚，在结构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距。

虽根据自身特色研制出了技术指标接近国外先进水平的智能爬楼轮椅，但整体来说轮椅的越障能力较差。

国外的智能爬楼轮椅发展速度较快，技术性能高，但是对于国内大多数的老年人和残疾人等人群来说价格昂贵。

为了提高传统轮椅的越障、爬楼能力，解决老年人和残疾人等人群行动不便的难题，研究并设计了一款智能爬楼轮椅，进而改变我国智能爬楼轮椅发展落后的状况，满足人们现代生活质量日益提高的需求。

1　运动过程分析与方案设计1.1　运动过程分析根据老年人和残疾人等人群的实际需求，结合现实生活中轮椅乘坐者可能遇到的路面情况，综合考虑实际需求、现实情况、结构和功能等因素，确定智能爬楼轮椅的运动过程。

1.1.1　平地行驶当轮椅在平地行驶时，其效率与普通轮式车辆相同。

当前后变速电机转速相同时，轮椅能够克服地面摩擦力直线行驶，当前后变速电机存在转速差时可实现轮椅转弯。

1.1.2　跨越障碍当轮椅直线行进遇到较低的障碍物时，可利用行驶机构车轮的尺寸优势直接通过，当前进的车轮碰上较高障碍而不能直接通过时，行驶机构伸展装置运动，行驶机构伸展，翻转越过障碍。

1.1.3　爬楼当在爬楼梯时，行驶机构伸展装置的驱动杆带动固定盘远离驱动盘，使行走轮轴线与固定盘轴向的间距逐渐增大，此时行走轮在轴向上靠近驱动盘，提高支撑能力，增大公转半径，提高越障能力，实现爬楼梯的功能。

1.2　方案设计为满足智能爬楼轮椅的上述运动过程，设计了相应的机械结构和控制系统，整体设计如图1所示。

图1　整体设计方案图智能爬楼轮椅的尺寸应该适合不同人群，因此轮椅的大小设计必须要以人体测量的实际数据为依据，参考人机工程学[2]中关于我国成年人人体主要尺寸得到智能爬楼轮椅的主要设计尺寸，如表1所示。

简易星轮式爬楼轮椅的结构设计及运动仿真
张玉叶;张靖;赵蓓蓓
【期刊名称】《濮阳职业技术学院学报》
【年(卷),期】2022(35)5
【摘要】爬楼轮椅攀爬楼梯功能的实现主要源于其攀爬机构的设计。

行星轮式爬楼轮椅利用行星轮组的交替翻转来实现攀爬楼梯功能,此机构在日常生活中应用得较为广泛。

当轮椅攀爬楼梯时,轮组中的星轮随行星架绕中心轴公转;平地行驶时,行星架相对于中心轴固定不动,触地星轮绕自身轴线转动。

双轮组式爬楼梯轮椅的前后桥各使用了一对行星轮组,结构简单,运动灵活,能够满足相关的功能需求,同时使用者的安全性与舒适度得到了有效的保证。

【总页数】4页(P26-29)
【作者】张玉叶;张靖;赵蓓蓓
【作者单位】苏州托普信息职业技术学院;空军济南航空四站装备修理厂
【正文语种】中文
【中图分类】TB472/TH789
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收稿日期：2013-05-15作者简介：李正中（1974 -），男，重庆长寿人，讲师，工学硕士，研究方向为电力电子与电气传动和电机控制技术。

轮组式爬楼机器人的设计与实现Design and implementation of climbable robot with wheels李正中，张青松，邓 翱，卢 阳，董培武LI Zheng-zhong, ZHANG Qing-song, DENG Ao, LU Yang, DONG Pei-wu（重庆科技学院 自动化系，重庆 401331）摘 要：爬楼机器人是一种能适应多种参数楼梯及复杂障碍的移动式机器人。

本设计通过轮组交替变换的方式实现机器人的爬楼功能，系统应用无线远程控制模式，采用PWM调速实现机器人的行进控制，通过步进电机驱动实现爬楼和越障功能。

本文完成了对爬楼机器人的硬件系统和软件控制程序设计，并通过实物验证了设计方案的可行性和实用性。

关键词：轮组机器人；爬楼控制；红外传感中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2013)09(上)-0074-02Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.09(上).201 爬楼机器人结构现有轮式机器人具有较好的水平移动能力，但其越障性能较差，难以满足现场工作的复杂环境要求。

为了使爬楼机器人能自主探知障碍，并调整运动状态，其硬件系统应包括以下功能模块：主控模块、驱动模块、障碍检测模块、电源模块等。

爬楼机器人控制系统结构图如图1所示。

本系统以STC89C52单片机为控制核心，通过红外传感器探测爬楼机器人周围有无障碍以及车体离障碍的距离等信息，经CPU 处理后产生行进控制信号和爬楼控制信号，分别实现直流电机的行进PWM 调速控制和步进电机的爬楼越障控制[1,2]。

S T C 89C 52水平面内运动爬楼越障控制PWM 电压调速步进电机驱动速度检测信号楼梯障碍检测信号无线信号按键信号图1 爬楼机器人系统结构图2 爬楼机器人的硬件设计2.1 系统结构设计轮组式爬楼机器人的整体结构由两部份组成，包括位于机器人中问部位由两个轮组驱动的主车架，及轮组机构。