图2-3 座椅靠背放下时的状态

2。3 轮-履变结构滚轮设计

如图2-4和图2-5所示，轮-履变结构滚轮主要由打开机构、辅助轮、外轮、履带以及传动机构等组成。在路况较好时，打开机构收缩在轮内，整体处于滚轮模式，具有较高的机动性；当路面状况较差时，打开机构就会撑开履带切换为履带模式，大大提高机器人的越过障碍的能力。在前进过程中驱动电机的动力通过齿轮传递给外轮，外轮再传递给履带，通过履带与地面之间的摩擦使轮椅式服务机器人前进。

图2-4 滚轮整体结构图                     图2-5 滚轮爆炸图

2。3。1 打开机构的设计

作为滚轮模式切换的执行者，打开机构的设计是轮-履变结构滚轮设计的关键，本文设计的打开机构三维模型如图2-6所示。

图2-6 打开机构三维模型

打开机构主要由电动缸、摇杆和辅助轮组成的。电动缸和摇杆分别通过销钉连接在滚轮内部的内板上，电动缸和摇杆也用销钉连接在一块，辅助轮安装在摇杆上。通过电动缸的伸缩带动摇杆的摆动，打开机构就可以实现打开和收回的动作。为了便于安装，摇杆设计为两层，中间用于安装电动缸。辅助轮也分为左右两部分安装在摇杆两侧。这种设计允许两侧的辅助轮在任意角度上非同步地打开，方便机器人顺利越过障碍。

（1）摇杆设计

考虑到实际使用情况，打开机构打开的速度并不需要太大，主要是在遇到障碍时使用。打开机构受力最大的情况主要出现在上下楼梯和斜坡时，假设斜坡对轮椅式服务机器人支撑力主要集中在后面的两个辅助论上，则每个辅助轮需要的力为：

式中和分别为使用者和轮椅式服务机器人的重量，为斜坡的角度。根据前文叙述，和分别取100Kg和30Kg，取最大斜坡角度30度。带入以上数据，每个辅助轮需要承受563N的力，辅助轮把力传递给摇杆，使摇杆承受较大的弯曲应力。

初步设计摇杆总长350mm，摇杆和电动缸的连接处距离摇杆和内板的连接处125mm。则根据受力分析，摇杆在和电动缸的连接处承受最大的弯矩95。5Nm。可以根据以下公式设计摇杆的尺寸：

式中为摇杆收到最大的弯矩，b为摇杆的宽度，初步设计为2*13。25=26。5mm，为摇杆的高度，为材料的许用弯曲应力，设计为摇杆和以下零件都采用Q235a钢，弯曲应力为152MPa。将以上数据带入式2-2，求得h的最小取值为11。9mm，取整为40mm。摇杆的尺寸如图2-7所示。文献综述

图2-7 摇杆的尺寸图

（2）电动缸选型

根据前文叙述，撑开辅助轮的力是由电动缸提供的。根据滚轮内部的空间初步设计电动缸的行程为150mm，如图2-8所示。当打开机构撑开时，电动缸与摇杆的角度为110度；当打开机构收回时，电动缸与摇杆的角度为20度。电动缸的实际行程为144mm。那么电动缸所需的最大推力为：

根据所需的推力选择电动缸的参数如表2-1所示。

表2-1 电动缸参数

行程 最大推力 推进速度

150mm 2000N 7。5mm/s

图2-8 打开机构驱动电动缸

（3）辅助轮设计

辅助轮设计为直径150mm，分为两片轮。两片轮中间空有45mm的间隙，两片轮总宽100mm，去掉间隙为55mm，如图2-9所示。

图2-9 辅助轮三维模型

2。3。2驱动系统设计

（1）驱动电机选型

为了机器人能够正常运行，驱动电机应该既能满足在平地上通过滚轮形式行进时所需的功率，又能满足在斜坡或楼梯上通过履带行进时所需的功率。一般情况下，电机的峰值扭矩与额定扭矩都相差比较大，且电机在峰值工况不的工作时间不会太长。因此设计为驱动电机的额定扭矩应满足机器人处于平常行进状态时所需的功率，峰值扭矩应满足机器人处于爬坡或上楼梯时所需的功率。为简化机器人的整体结构，不再额外设计制动装置，选择带自锁的电机。