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)

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，φ1,…,φ5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。……