爬楼梯轮椅升降轮机构尺寸优化设计

王宇飞，张 庆

(南京理工大学机械工程学院， 江苏 南京 210094)

作者简介：王宇飞（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为机械设计，13953843763@163.com.

通讯作者：张庆，男，副教授，dazhang@njust.edu.cn.

摘要：爬楼梯轮椅的行驶轮升降机构是典型的并联四连杆机构，为了提高轮椅行驶轮升降时的力学性能，减少所需的整体驱动力矩，在对轮椅进行动力学分析的基础上，以四连杆机构除机架外的连杆以及杆间角度为设计变量，以所需驱动力矩函数的积分为目标函数，并列出约束条件，在MATLAB中编程，利用带有惩罚函数的粒子群算法对爬楼梯轮椅行驶轮升降机构进行优化设计。对比优化前后目标函数值以及所需驱动力矩曲线发现，优化后目标函数值和驱动力矩明显减小，避免了力矩过大所造成的损耗。总之，优化设计使轮椅在升降过程中的力学性能有了极大的提升。

关键词：爬楼梯轮椅；并联四杆机构；优化设计；粒子群算法；MATLAB

中图分类号：TH122       文献标识码：A      文章编号：2095-509X(2021)05-0001-05

爬楼梯轮椅主要有履带式、行星轮式、腿足式以及复合式4种形式^［1］，本文研究的是轮履复合式爬楼梯轮椅^［2］的行驶轮升降机构，该机构采用并联四连杆的形式，能够通过一个电机实现前后轮的同时收放，主要是实现在进行上下楼梯运动前平地轮行驶和爬楼梯履带行驶两种形式的切换。但是在切换过程中切换机构将承受较大的负载，长此以往将会影响升降轮机构寿命，为了解决以上问题，需要对升降轮机构的并联四连杆机构的杆长以及杆间夹角进行优化。

受飞鸟捕食行为启发，1995年Kennedy和Eberhart共同提出了粒子群优化（PSO）算法^［3］。其主要利用个体对信息的共享，使群体的运动在限制条件下慢慢变为有序的过程来获得最小值的解。PSO算法广泛应用于工程优化、神经网络^［4］训练以及模糊系统控制等方面。

1 理论模型

1.1 并联双四连杆机构动力学分析

如图1所示，行驶轮升降机构是由OABC和OEFG两组四连杆机构并联而成的单自由度并联四连杆机构，其中OCG为机架，即轮椅履带底盘的骨架，驱动曲柄AOE是由电机驱动的构件，D和H点分别为后轮和前轮的中心点，为方便表示驱动角度，设定坐标系相对于机构轮椅机架固定，以O点作为坐标轴原点、机架OC作为Y轴负方向建立坐标系，1,…,5分别为各连杆相对于X轴正方向的夹角，θ1,…,θ5分别为∠AOE、∠BCD、∠FGH、杆OG关于X轴正方向夹角、杆CG关于X轴正方向夹角，l1，…，l4分别为连杆OA、AB、BC、CO长度，l5为后轮连杆CD长度，l6，…，l9分别为连杆OE、EF、FG、GO长度，l10为前轮连杆GH长度。图1中虚线部分为轮椅的履带槽外轮廓。