一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計

一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 摘要 在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常要將重物搬上樓梯，傳統(tǒng)的方法基本是靠人力搬運完成，有時由于重物太重或人手不足而無法搬運，本課題就是為克服這個難題而設(shè)計的。本論文主要對爬樓機(jī)器人 星型輪的傳動機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計 。首先介紹了國內(nèi)外爬樓機(jī)器人研究現(xiàn)狀，闡明本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步介紹了本爬樓機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)。在深入分析爬樓機(jī)構(gòu)及其攀爬對象的基礎(chǔ)上，設(shè)計了相對優(yōu)勢較明顯的輪組結(jié)構(gòu)爬樓機(jī)器人。對機(jī)器人小車的運動學(xué)模型進(jìn)行分析，論證小車實現(xiàn)任意曲線運動所包含的自轉(zhuǎn)、直線前進(jìn)、圓弧前進(jìn) 三個基本運動單元的可行性。引入虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過進(jìn)行模擬運動仿真。文章最后研究設(shè)計了在各種環(huán)境下，以單片機(jī) 核心的爬樓控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，采用超聲波傳感器的對稱排列，獲取了自主上樓梯所必須地兩個關(guān)鍵參數(shù) 和 q；對驅(qū)動大功率電機(jī)的電路進(jìn)行分析，設(shè)計了更適合大功率，更安全 的 電機(jī)驅(qū)動電路 ，直流馬達(dá)配合高功率 驅(qū)動器 。 關(guān)鍵詞 ：爬樓機(jī)器人 ；三星輪； 單片機(jī) I up is in it by it is or to in is to it a on of of it a of at a of a of of on of D of is At 8051on In of q of a C is dc . 8051目錄 摘要 I 第一章 引言 題研究的目的和意義 動機(jī)器人的發(fā)展概況 樓梯機(jī)器人目前的研究狀況 文研究的主要內(nèi)容 第二章 爬樓機(jī)器人的總體設(shè)計 樓機(jī)器人的設(shè)計要求 樓機(jī)器人的總體方案 第三章 爬樓機(jī)器人傳動、輪組及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 1 樓梯機(jī)器人小車的執(zhí)行電機(jī)選擇 1 指標(biāo) 1 機(jī)選型 1 樓機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計 3 器人小車傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 3 動部件的設(shè)計與校核 5 樓機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 9 器人小車結(jié)構(gòu)設(shè)計 0 樓機(jī)器人小車三維實體建模 2 軟件介紹 2 維實體建模 2 樓機(jī)器人小車行駛性能分析 3 跨越最大垂直障礙高度 3 小轉(zhuǎn)彎半徑 4 第四章 爬樓機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 6 器人爬樓梯的控制目標(biāo) 6 器人的體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成 6 制系統(tǒng)主要硬件的選擇 8 目錄 片機(jī)的選型 8 感器的選擇 9 器人控制系統(tǒng)的程序編制 1 第五章 總結(jié)與展望 8 文總結(jié) 8 望 8 致 謝 考文獻(xiàn) V 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 1 第一章 引言 自盤古開天辟地，人類誕生以來，人們就一直用智慧開辟著完美的生活！進(jìn)入新的 21世紀(jì)，人類除了致力于自身的發(fā)展外，還十分關(guān)注機(jī)器人、外星人和克隆人等問題。機(jī)器人正是本論文研究的對象。 “機(jī)器人”這人名詞對許多人來說，并不陌生。從古代的神 話傳說，到現(xiàn)代的科學(xué)幻想小說，戲劇，電影和電視，都有許多關(guān)于機(jī)器人的精彩描繪。而且越來越多的機(jī)器人出現(xiàn)在我們的生活生產(chǎn)中，更多科學(xué)工作者和業(yè)余愛好者也投入到機(jī)器人研究的行列當(dāng)中來 。 機(jī)器人應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、科技和國防的各個領(lǐng)域。在“機(jī)器人王國”日本，一直擁有全世界 60%左右的機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于最多的工業(yè)部部門依次為家用電器制造、汽車制造、塑料成型、通用機(jī)械制造和金屬加工等工業(yè)，而且正應(yīng)用于更多的新領(lǐng)域中。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界服役機(jī)器人約 100 萬臺；機(jī)器人學(xué)也維持較好的發(fā)展勢頭，充滿希望的進(jìn)入這嶄新的 世紀(jì)。 題研究的目的和意義 本文討論的移動機(jī)器人是具有越障功能，能夠靈巧翻越樓梯的一種光機(jī)電一體化的智能裝置。用作搬運的自主移動機(jī)器人，要求能隨工作任務(wù)和環(huán)境的改變，智能地重規(guī)劃行駛路徑，并要求能快速適應(yīng)工作環(huán)境。要達(dá)到這種水平，當(dāng)前還有很多問題需要深入的研究，而其中的機(jī)器人樓梯環(huán)境順利翻爬問題是較為重要的一個研究課題。 越障機(jī)器人的研究，對擴(kuò)展機(jī)器人的作業(yè)空間，在人不能到達(dá)或不便到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，具有重要的意義。越障機(jī)器人還可用于工業(yè)中的一些險難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保 障人身安全，改善勞動環(huán)境 高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，也是最難跨越的障礙之一，爬樓梯機(jī)器人的研究是解決當(dāng)前全自主機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下正常工作的重要環(huán)節(jié)之一。爬樓梯機(jī)器人可應(yīng)用于危險環(huán)境探查、偵察、救災(zāi)、導(dǎo)盲、助殘、搬運、清掃、維修、安裝等作業(yè)，其實際意義重大。 動機(jī)器人的發(fā)展概況 機(jī)器人一詞最早使用是在 1920 年捷克作家卡雷爾²查培克的劇本羅薩姆的萬能機(jī)器人中，劇中機(jī)器人 (個詞的本意是苦 力，即劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞力。 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 2 機(jī)器人一詞雖出現(xiàn)得較晚，然而這一概念在人類的想象中卻早已出現(xiàn)。制造機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)研究者的夢想，代表了人類重塑自身、了解自身的一種強(qiáng)烈愿望。自古以來，就有不少科學(xué)家和杰出工匠制造出了具有人類特點或具有模擬動物特征的機(jī)器人雛形。 西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的具備有機(jī)器人概念的文字資料。春秋后期，我國著名的木匠魯班在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)墨經(jīng)記載，他曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“ 三日而不下”，體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明才智。 1954 年，美國人喬治²德沃爾設(shè)計了第一臺電子程序可編的工業(yè)機(jī)器人，并于 1961 年發(fā)表了該機(jī)器人專利。 1962 年，美國萬能自動化 (司的第一臺機(jī)器人美國通用汽車公司（ 入使用，這標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。從此，機(jī)器人開始成為人類生活中的現(xiàn)實。 要給機(jī)器人下個合適的和為人們普遍同意的定義是困難的。就目前各種定義的共同之處來說，即認(rèn)為機(jī)器人（ 1）像人或人的上肢，并能模仿人的動作；（ 2）具有智力或感覺與識別能力； （ 3）是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。“智能機(jī)器人”是一種集數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、電子、材料、能源、計算機(jī)硬件、軟件、人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識于一身的綜合技術(shù)平臺。機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，已對許多國家的工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索、以及整個國民經(jīng)濟(jì)和人民生活產(chǎn)生了重大影響，而且這種影響必將進(jìn)一步擴(kuò)大 。 目前在工業(yè)上運行的 90%以上的機(jī)器人，都不具有智能。隨著工業(yè)機(jī)器人數(shù)量的快速增長和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對機(jī)器人的工作能力也提出更高的要求，特別是需要各種具有不同程度智能的機(jī)器人和特種機(jī)器人。這些智能機(jī) 器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動；有的具有視覺和觸覺功能，能夠進(jìn)行獨立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗；有的具有自主控制和決策能力這些智能機(jī)器人，不僅應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還運用人工智能中各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。智能機(jī)器人還應(yīng)用許多最新的智能技術(shù)，如臨場感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多智能體技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法和遺傳編程、仿生技術(shù)、多傳感器集成和融合技術(shù)以及納米技術(shù)等 4。 21 世紀(jì)的機(jī)器人智能水平，將提高到更高的水平，令人贊嘆。 自從 20世紀(jì) 60 年代初，第一臺工業(yè)機(jī) 器人發(fā)明以來，機(jī)器人的發(fā)展已有半個多世紀(jì)，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有的領(lǐng)域。機(jī)器人大致經(jīng)過三代的演變：一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 3 第一代是可編程的示教再現(xiàn)型機(jī)器人；第二代是具有一定感覺功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人；第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人。機(jī)器人正在向智能化的趨勢發(fā)展，智能化的機(jī)器系統(tǒng)將從事目前傳統(tǒng)機(jī)器系統(tǒng)和人工難以勝任的惡劣環(huán)境下的一些操作。 移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支，是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多項功能于一體的高智能化機(jī)器系統(tǒng)。它與機(jī)器人 學(xué)、計算機(jī)視覺、多傳感器信息融合、智能控制以及多智能體（ 機(jī)械學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)，體現(xiàn)了信息科學(xué)和人工智能技術(shù)的最新成果，具有重要的軍用及民用價值，是現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)中一個重要而且相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域。 移動機(jī)器人的研究早在上世紀(jì) 60年代就已經(jīng)開始，斯坦福研究院（ 1962至 1972年制造出了取名為 從上世紀(jì) 80 年代開始，美國國防高級研究計劃局（ 制定了地面無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃， 從此，在全世界掀開了全面研究室外移動機(jī)器人的序幕。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動機(jī)器人的序幕，如 自主地面車輛（ 劃（ 1983 1990），能源部制訂的為期 10 年的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計劃（ 1986 1995），以及后來的空間機(jī)器人計劃；日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計劃等。 自上世紀(jì) 90 年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人更高層次的研究。美國 發(fā)的一個人形機(jī)器人 用一套傳感系統(tǒng)來模擬人的感官。美國佐治亞理工大學(xué)的 50 機(jī)器人利用激光傳感器構(gòu)建 3國卡耐基梅隆大學(xué)的 劃完全采用了視覺作為導(dǎo)航，實現(xiàn)了基于圖像表現(xiàn)的視覺定位和導(dǎo)航。美國 制的火星探測機(jī)器人“索杰娜”于 1997年登上火星， 2004 年初美國又相繼發(fā)射了“勇氣號”和“機(jī)遇號”火星車，引起了全世界的廣泛關(guān)注。德國慕尼黑國防大學(xué)的移動機(jī)器人，能夠在整幢大樓中進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航，并可以和人類進(jìn)行多語言交流，完成由人用語言布置 的任務(wù)。 國內(nèi)在移動機(jī)器人方面的研究起步較晚，主要的研究工作有：清華大學(xué)的 動駕駛小車，香港城市大學(xué)的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的 國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計和制造的 方位移動機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)等。 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 4 近幾年，通過足球機(jī)器人比賽的廣泛開展，移動機(jī)器人作為其中的 型組全自主機(jī)器人，在國內(nèi)高校和科研院所的積極參與下取得了巨大的進(jìn)展。目前以上海交通大學(xué)的“蛟龍”系列，中科院自動化研究所，深圳固高公司和上海廣茂達(dá)公司的 移動機(jī)器人發(fā)展較為迅速。 移動機(jī)器人在研究和開發(fā)過程中所涉及的研究領(lǐng)域很廣，包括智能機(jī)器人系統(tǒng)、專家 系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)、智能體結(jié)構(gòu)設(shè)計、圖像處理（ 傳感器數(shù)據(jù)融合（ 決策對策、進(jìn)化算法等 8 9。 該研究可以催生成熟的一系列高新技術(shù)，將為社會經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展提供重要手段。 樓梯機(jī)器人目前的研究狀況 機(jī)器人作為一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是 一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的多功能全自主的移動機(jī)器人技術(shù)多年來一直是機(jī)器人研究中的熱點問題之一。但是非結(jié)構(gòu)環(huán)境給移動機(jī)器人的運動造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難。 越障機(jī)器人的研究，對擴(kuò)展機(jī)器人的作業(yè)空間，在人不能到達(dá)或不便到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，具有重要的意義。越障機(jī)器人還可用于工業(yè)中的一些險難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境 高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有 著十分重要的意義。其中，移動機(jī)器人從事各項事務(wù)響應(yīng)任務(wù)時，樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，也是最難跨越的障礙之一。針對各種不同的運動環(huán)境，一直以來移動機(jī)器人所采用的運動方式大體包括輪式、履帶式、足式等。 國外對爬樓梯裝置的研究開始得相對較早，最早的專利是 1892 年美國的 明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國、德國和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。我國對此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專利，然而投入實際使用的還 很少。 總結(jié)目前國內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利，按爬樓梯功能實現(xiàn)的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式爬樓梯裝置。下面分別對國外、國內(nèi)各種類型裝置的發(fā)展作簡要介紹，并分析其各自優(yōu)缺點。 (1)步行式 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 5 早期的爬樓梯裝置一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時先將負(fù)重抬高，再水平向前移動，如此重復(fù)這兩個過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作，外觀可視為足式機(jī)器人，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。 步行式爬樓梯裝置爬樓時運動平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯 ;但它對控制的 要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩慢。 (2)履帶式 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克，其原理簡單，技術(shù)也比較成熟。英國 司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為 35°，上下樓梯速度為每分鐘 15臺階。法國 司生產(chǎn)的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個車輪供正常情況下平地運行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔 助便能自動完成爬樓等功能。 履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率比較高 16，行走時重心波動很小，運動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處 :重量大、運動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。 (3)輪組式 輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組式。單輪組式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在爬樓 過程中需要有人協(xié)助才能保證重心的穩(wěn)定 6；而雙輪組式雖能實現(xiàn)自主爬樓，但由于其體積龐大且偏重，影響了它的使用范圍。 美國著名發(fā)明家 明的了一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅 有 6 個輪子，前面有一對實心腳輪，后面有兩對行星結(jié)構(gòu)的充氣輪胎，通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上下樓梯。 乎能適用于所有樓梯，此外它也能在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上行駛，而且后輪可以直立行走，為使用者提供了更多方便之處，幫助他們能達(dá)到正常人的高度。它最大的優(yōu)點就是在輪椅重心安裝了陀螺儀，控制器根據(jù)陀 螺儀的信號調(diào)整重心的位置，使輪椅能在不同狀態(tài)下保持平衡。經(jīng)過數(shù)十年的研究開發(fā)，它己經(jīng)由 展到了 能也越來越強(qiáng)大，是目前該領(lǐng)域中性能最高的一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 6 產(chǎn)品，它的售價在 3 萬美元左右，相當(dāng)于一輛中檔橋車的價格，難以被普通使用者接受。 我國在上世紀(jì)八十年代對輪組式爬樓梯裝置已有研究， 1987年專利號為 86210653 的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了 用星形輪系作為爬樓梯機(jī)構(gòu)，設(shè)計了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。 輪組式爬樓梯裝置的活動范圍廣，運動靈活，但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高，重心起伏較大，會使乘坐者感到不適。此外，輪組式爬樓梯裝置體積較大 12 13，很難在普通住宅樓梯上使用。 (4)復(fù)合類機(jī)器人 基于履帶式、輪式、腿式移動機(jī)器人的優(yōu)缺點 9，在研究中，采用了腿 履帶復(fù)合等結(jié)構(gòu)。設(shè)計主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來完成越障，以及履帶平穩(wěn) 性和輪組的靈活性來達(dá)到功能的完整。機(jī)器人擺臂在一定范圍可上下擺動，輔助越障、攀爬，具有較強(qiáng)的越障性能、路面通過性和上下臺階能力。 但是各種機(jī)構(gòu)的復(fù)合也給控制方面提出了更高的要求，而且爬樓過程中的穩(wěn)定性、如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實現(xiàn)手動操作省力與省時的問題以及反向自鎖等問題仍然存在。 綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史，成果也較多，但是它們大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)展中國家人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。國內(nèi)的研究相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積、重量、穩(wěn)定性及安全性 的限制，還沒有產(chǎn)品真正投入使用。由此可見，為了解決移動機(jī)器人使用受限的問題，同時考慮到我國使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，需要研究一種價格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置。 文研究的主要內(nèi)容 本課題以開發(fā)具備初步爬樓梯能力的機(jī)器人小車為目的，重點研究設(shè)計符合中國國情爬樓梯的輪組結(jié)構(gòu)，并設(shè)計基于單片機(jī)的底層驅(qū)動控制系統(tǒng)。本文所從事的工作主要有以下幾點 : 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 7 合分析國內(nèi)外現(xiàn)有裝置，結(jié)合我國建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計通用性強(qiáng)、上下樓梯動作流暢、容易控制的車輪組機(jī)構(gòu)。四個輪組代替通用四輪車的 輪子，驅(qū)動小車輪與驅(qū)動輪組翻滾的電機(jī)相互獨立。 過查閱圖書館的電子資源和相關(guān)的教材，確定單片機(jī)、齒輪傳動、距離感應(yīng)器、直流馬達(dá)等零部件后， 對 3輪的星型齒輪的傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，并利用 設(shè)計出爬梯機(jī)器人的機(jī)械圖 。 核心的爬樓控制系統(tǒng)。分析本機(jī)器人的控制原理并利用 結(jié)構(gòu)環(huán)境下，采用超聲波傳感器解決自主上樓梯過程所必須地兩個關(guān)鍵參數(shù)和 q。 計算驗證，完成設(shè)計說明書撰寫。 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 8 第二章 爬樓機(jī)器人的總體設(shè)計 樓機(jī)器人的設(shè)計要求 比較現(xiàn)有爬樓梯裝置，綜合分析其各自優(yōu)缺點。見下表 示。 表 型移動機(jī)構(gòu)的性能對比表 移動機(jī)構(gòu)方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 機(jī)構(gòu)控制難易程度 易 一般 復(fù)雜 經(jīng)分析，設(shè)計的爬樓梯裝置要解決的幾個基本問題 1415： (1)爬樓梯裝置在爬樓梯過程中的穩(wěn)定性是影響其實用安全性的重要指標(biāo) ； (2)使用安全性； (3)對于多功能爬樓梯裝置，如何實現(xiàn)平地模式與爬樓模式之間的平滑切換也是重要的問題。 其次，爬樓機(jī)器人還要滿足以下幾個基本要求： (1) 我國建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 17：樓梯踏步高度 210不宜小于 140梯踏步寬度 b ，應(yīng)采用 220、 240、 260、 280、 300、 320梯踏步高與寬的關(guān)系式： 2a + b 600（ 機(jī)器人要適應(yīng)規(guī)定的尺寸范圍，能夠順利的上下樓梯，即強(qiáng)調(diào)它的強(qiáng)適應(yīng)性。 (2) 爬樓機(jī)器人的動力系統(tǒng)的參數(shù) 要符合，國標(biāo) 91電動輪椅車的主要技術(shù)性能 28標(biāo)準(zhǔn)。 樓機(jī)器人的總體方案 經(jīng)綜合分析，本課題確定采用爬樓梯優(yōu)勢較強(qiáng)的輪式機(jī)構(gòu)。爬樓機(jī)器人要求具有在平面行駛和爬樓梯的功能（樓梯規(guī)格： 140 a 210， 220 b 320），當(dāng)然也具備轉(zhuǎn)向避障和良好的行走線性軌跡。本論文設(shè)計的輪組式爬樓機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)由三部分組成，包括位于機(jī)器人中間部位由四個輪組 21驅(qū)動的主車架、輪組機(jī)構(gòu)、載臺及弧形車身。圖 出了機(jī)器人三維虛擬樣機(jī)的示意圖。機(jī)器人車輪的傳動部分位于車體的底盤，地盤上邊 的空白部分則用于配置所需控制電路以及導(dǎo)航所需的傳感器等。由于爬樓機(jī)器人的特殊要求本設(shè)計采用前輪驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向設(shè)計。車體兩側(cè)的輪組皆具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度，即小車輪的旋轉(zhuǎn)和輪輻的旋轉(zhuǎn)運動。中間兩個電機(jī)具有自鎖功能，采用大減速比的一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 9 蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)，與前輪小軸相連驅(qū)動車輪，實現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退和越障。遇樓梯時鎖軸器將后輪小軸與管軸鎖緊，最后通過管軸驅(qū)動輪輻，實現(xiàn)機(jī)器人的爬樓動作。后車身一個小功率電機(jī)通過大減速比的蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)后再通過齒輪齒條的連接驅(qū)動車后輪左右擺動，實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎動作。圖 爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 1三星輪組； 2電機(jī)； 3主車架； 4齒輪； 5小車輪 圖 車架內(nèi)部傳動及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)布局 1驅(qū)動電機(jī)； 2蝸桿； 3蝸輪； 4錐齒輪； 5鎖軸器； 6 轉(zhuǎn)向齒輪齒條； 7轉(zhuǎn)向電機(jī) 1 2 3 4 5 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 10 該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有 : (l)、平順的行駛能力。機(jī)器人小車在平地行駛時，由于其結(jié)構(gòu)上的特點，任意時刻都有兩個小車輪接地，利用輪組的定軸輪系傳遞動力，使小車輪快速的前進(jìn)，其效率與普通輪式驅(qū)動車輛相同。當(dāng)遇到可跨越的障礙時，輪組演變成形星輪系翻滾前進(jìn)。 (2)、可靠的上下樓梯能力。機(jī)器人小車上下樓梯時，鎖軸器工作將小軸 和管軸鎖緊，使電機(jī)驅(qū)動輪組翻滾時，輪組中心齒輪不轉(zhuǎn)動。這使得在上下樓梯過程中，小車輪不會發(fā)生滾動，使得運動方位的控制得到精確的保證。這一優(yōu)點對小車下樓梯控制尤其重要。 (3)、機(jī)器人車體的轉(zhuǎn)彎容易實現(xiàn)。通過傳感器檢測出障礙物超過越障范圍時，機(jī)器人需要采取轉(zhuǎn)彎避障的措施。本設(shè)計采用小功率電機(jī)通過大減速比的蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)后再通過齒輪齒條的連接驅(qū)動車后輪左右擺動，可使小車輕松實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎動作，小車所需的轉(zhuǎn)彎半徑可小于車身寬度，具有更好的機(jī)動性能。 (4)、機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單。其姿態(tài)的控制相對簡單，只需一個電機(jī)就能完成驅(qū) 動功能。 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 11 第三章 爬樓機(jī)器人傳動、輪組及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 樓梯機(jī)器人小車的執(zhí)行電機(jī)選擇 根據(jù)平地或爬樓等不同狀況下的實際需要，以國標(biāo) 91電動輪椅車為標(biāo)準(zhǔn)，確定動力系統(tǒng)的參數(shù)。國標(biāo)中對電動輪椅車的主要技術(shù)性能 26規(guī)定如表 考表 及本裝置特點（小車輪比一般車車輪都要小一個規(guī)格，速度快，其功率也將提高很多），確定本裝置的技術(shù)指標(biāo)如下 :最大載重為 20h，最大爬樓速度為每分鐘 16個臺階。裝置攜帶 24，電池容量為 12安時 (一次行程 20 35 表 動輪椅國家標(biāo)準(zhǔn) 項目內(nèi)容 性能指標(biāo) 室內(nèi)型 室外型 道路型 速度（ km/h） 18 爬坡能力 8° 8° 6° 一次充電最大行程（ 10 20 45 1、電機(jī)類型選擇 多功能爬樓梯裝置的驅(qū)動機(jī)構(gòu) 電機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，它在一定程度上決定了裝置使用的安全性、可靠性。平地驅(qū)動采用兩個小功率電機(jī)驅(qū)動，爬樓動作由另兩個大功率電機(jī)驅(qū)動。整個系統(tǒng)以蓄電池作為供電能源，可供選擇的電機(jī)有 步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無刷直流電機(jī) 14。 (l)步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，能夠快速起動與停止。它通常不需要反饋就能對位移或速度進(jìn)行精確控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。但是步進(jìn)電機(jī)能耗太大，速度也不高，且存在一個固有缺點，即在低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大，不利于整個裝置的穩(wěn)定。 (2)直流電機(jī) 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 12 直流電機(jī)具有良好的起動、制動和調(diào)速特性，具有很寬的調(diào)速范圍，且易于平滑調(diào)節(jié)。它具有控制特性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，滿足裝置對突發(fā)情況做出反應(yīng)的靈敏性要求；而且低速時平穩(wěn)性好，滿足了裝置在爬樓運 動時低速穩(wěn)定性的要求 ;起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)，可以滿足裝置爬坡、翻越臺階的性能要求。但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用換相器和電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換相，因而存在相對的機(jī)械摩擦，由此帶來噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等問題，需要經(jīng)常維護(hù)。 (3)無刷直流電機(jī) 針對傳統(tǒng)直流電機(jī)的上述弊病，無刷直流電機(jī)采用電子換相電路取代了機(jī)械換相裝置，不僅繼承了直流電機(jī)的優(yōu)點，且具有無噪音、免維護(hù)、可靠性高的優(yōu)越特性。 因此我們選用無刷直流電機(jī)作為裝置的驅(qū)動電機(jī)，前輪驅(qū)動和后輪轉(zhuǎn)向各采用兩個普通的無刷直流電機(jī)驅(qū)動。 2、電機(jī)型號選擇 由 上可知，本設(shè)計采用普通無刷直流電機(jī)作為動力源 ,機(jī)器人最大載重為 20地最大速度為 h，車體及電池重量大約為 15 （ 1） 驅(qū)動電機(jī)選型 功率計算： 12 2 0 1 5 9 . 8 0 . 4 2 / 1 4 4 . 0 6P F m m g k g m s W 根據(jù)以上計算及各個參數(shù)，本設(shè)計選擇濟(jì)南科亞電子科技有限公司生產(chǎn)的 表 直流無刷電機(jī)參數(shù) 型號 額定功率 額定電壓 最大轉(zhuǎn)矩 80W 24V 2 2） 轉(zhuǎn)向電機(jī)選型 轉(zhuǎn)向電機(jī)只負(fù)責(zé)車體轉(zhuǎn)向故不需太大的功率，因此本設(shè)計選擇濟(jì)南科亞電子科技有限公司生產(chǎn)的 表 直流無刷電機(jī)參數(shù) 型號 額定功率 額定電壓 最大轉(zhuǎn)矩 5W 24V 種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 13 樓機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計 通過總結(jié)目前國內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利，并結(jié)合爬樓機(jī)器人的自身的動力傳輸要求，本設(shè)計 采用前輪驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向的設(shè)計思路，運用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)將動力從電動機(jī)傳輸?shù)杰囕啠旅姹疚木蛷膭恿Φ膫鬏斅窂絹韺Ω鳈C(jī)構(gòu)的設(shè)計做詳細(xì)介紹。 器人小車傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人中間主體前半部分用來布置驅(qū)前輪輪組運行的傳動結(jié)構(gòu)，其傳動過程：首先由電機(jī)（ 供驅(qū)動力，帶動蝸桿驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪與錐齒輪同軸相連，錐齒輪通過嚙合將動力傳遞到前小軸，驅(qū)動輪組中心齒輪轉(zhuǎn)動；在上樓梯時，鎖軸器工作將小軸和管軸鎖緊，小車輪不再轉(zhuǎn)動以防止小車輪滑移，動力通過管軸傳遞到三星輪，驅(qū)動其轉(zhuǎn)動。機(jī)器人主體傳動結(jié)構(gòu)布局如圖 示。 （ 1）蝸輪蝸桿減速系統(tǒng) 爬樓機(jī)器人不管是在平地行駛還是在爬樓的過程中都要求車身平穩(wěn)，要滿足這個要求就必須使爬樓機(jī)器人以較慢的速度行駛。蝸輪、蝸桿起到兩級減速作用，具有較大的減速比，能夠?qū)㈦妱訖C(jī)端的高速轉(zhuǎn)換成前車軸端的低速，并具有自鎖功能，給兩側(cè)小車輪提供足夠的保持力矩，在主體內(nèi)部電機(jī)掉電的情況下，兩側(cè)車輪組保持原姿態(tài)而不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象；如圖 圖 輪減速系統(tǒng)示意圖 1 圖 輪減速系統(tǒng)示意圖 2 （ 2）動力傳輸轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 如圖 示，采用錐齒輪嚙合，用來改變傳動方向，同時避免了小車軸的軸向串動。 （ 3）輪組系統(tǒng) 由于爬樓和轉(zhuǎn)向的功能要求不一樣，因此本設(shè)計前后輪采用不同的輪組來適應(yīng)相應(yīng)的功能實現(xiàn)。 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 14 如圖 輪輪組采用行星輪式結(jié)構(gòu)，包括傳動軸 1、管軸 2、旋轉(zhuǎn)臂 3、中心齒輪 4、過渡齒輪 5、驅(qū)動齒輪 6、輪轂 7 和小車輪 8。傳動軸一端與中心齒輪配合，通過軸承空套在轉(zhuǎn)臂 3 上，傳動軸上有錐齒輪與之配合，并通過軸承空套在主車架上；傳動軸二一端通過螺栓與轉(zhuǎn)臂 3固連，另一端與鎖軸器固連，并通過軸承空套的主車架上；傳動軸與管 軸通過軸承相互空套；過渡齒輪 5，驅(qū)動齒輪 6各自通過軸承空套在轉(zhuǎn)臂 3和輪轂 7上；小車輪 8通過螺栓與驅(qū)動齒輪 6固連，三個小車輪的中心軸線呈等角分布。 圖 輪輪組機(jī)構(gòu)示意圖1 傳動軸； 2 管軸； 3旋轉(zhuǎn)臂； 4中心輪； 5過渡輪； 6驅(qū)動輪； 7輪轂； 8小車輪 1 2 3 6 7 4 8 5 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 15 由于轉(zhuǎn)臂 3，過渡齒輪 5，驅(qū)動齒輪 6（包括小車輪 8）都是空套在相應(yīng)的軸上，因此驅(qū)動輪系包含三個結(jié)構(gòu)完全相同的差動輪系，這三個差動輪系共用中心輪和行星架，并且沿周向?qū)ΨQ分布，增設(shè)過渡齒輪 5，可以保證同時著地的兩個小車輪 8具有和中 心齒輪 4相同的旋向，朝同一方向滾動前進(jìn)。 前輪輪組的機(jī)械原理：車體重量通過軸承間接承載在四個輪組上，輪組中的所有齒輪都繞轉(zhuǎn)臂上的小軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)電機(jī)動力傳到傳動軸時，軸帶動中心齒輪 4轉(zhuǎn)動，中心齒輪帶動過渡齒輪 5轉(zhuǎn)動，再傳給驅(qū)動齒輪 6，由于小車輪與驅(qū)動齒輪固連，機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)車輪組機(jī)構(gòu)運行在平直的路面上時，受兩個車輪同時著地的約束限制，轉(zhuǎn)臂 3不能轉(zhuǎn)動只能隨車沿路面平動，此時驅(qū)動輪系為定軸輪系，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)在平直面上的平穩(wěn)行駛；當(dāng)前進(jìn)的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動時，驅(qū)動輪系就演變成行星輪系，轉(zhuǎn)臂3帶著另外 3個 車輪繞中心齒輪的軸線回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)翻越障礙（即爬樓梯）的目的。 如圖 輪輪組也是采用 3輪的星型結(jié)構(gòu)，包括擺桿 1、輪轂 2、小車輪 3。擺桿 1下端通過軸承空套在轉(zhuǎn)向齒條的一端，上端通過軸承與主車架相連，左端通過軸承空套在輪轂上；小車輪通過軸承空套在輪轂上。 圖 輪輪組示意圖 1擺桿； 2輪轂； 3小車輪 與前輪輪組不同的是后輪輪組不需要驅(qū)動小車只需要負(fù)責(zé)小車的轉(zhuǎn)向，所以它不需要行星齒輪組傳動機(jī)構(gòu)。后輪輪組的兩層小車輪通過螺栓固連在一起，保證車體轉(zhuǎn)向的輕松實現(xiàn)。 計與校核 1、軸的設(shè)計與校核 1 2 3 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 16 （ 1）驅(qū)動軸的設(shè)計 選擇軸的材料 前文已確定機(jī)器人小車的速度為 h，速度很低，固選用 45#鋼調(diào)質(zhì)，由機(jī)械設(shè)計查得屈服強(qiáng)度極限 、許用彎曲應(yīng)力 、硬度 220 確定軸上的功率 P、轉(zhuǎn)速 n、和轉(zhuǎn)矩 T。 由前文知： 式中 行星輪系中的齒輪大小相等，所以轉(zhuǎn)速相同。 式中為錐齒輪傳動效率，查機(jī)械設(shè)計書得 =的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 為了滿足軸承的軸向定位， 15取 2032 ；為了滿足傳動帶輪和磁輪的的軸向定位要求， 2443 的軸肩； 04332 。各段長度分別為： 0 0,5,4 5 0,10 5443326521 軸結(jié)構(gòu)如圖 示， 圖 動導(dǎo)輪軸結(jié)構(gòu)圖 2)確定軸上圓角和倒角尺寸 各軸肩圓角半徑均取 2r ，倒角均取為 451 。 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 17 3)齒輪與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接。按 01096平鍵 22 ,鍵槽半徑取 R=b/2=1槽用鍵槽銑刀加工，同時為了保證磁輪套與軸配合有良好的對中性，故選擇磁輪套輪轂與軸的配合為 H7/動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選 軸的直徑尺寸公差為 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（圖 做出軸的計算簡圖（圖 a）。在確定軸承的支點位置時，從機(jī)械手冊查得 30209單列圓錐滾子軸承 a=圖 554005450544332 。 1)計算 軸上的作用力： 錐齒輪：22 2)計算支反力：繞支點 2點力矩和 02 得 2 54 2 5/()4 2 ()(, 2 54 2 5/()4 2 (211122122同理，繞支點 1點力矩和 01 得 25425/()425200()/()(,0100)425425/()425200()/()(212222111 3)轉(zhuǎn)矩，繪彎矩圖 水平面彎矩圖：如圖 c）所示 3處彎矩： 1 5 4 7 垂直平面彎矩圖：如圖 b）所示 3處彎矩： y右 42500425100 42500425100223 113 合成彎矩：如圖 d）所示 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 18 圖 的計算簡圖 5）計算當(dāng)量彎矩 應(yīng)力校正系數(shù) 3處：9 9 2 2 7)( 2 2 7左左右右從以上計算結(jié)構(gòu)中可以看出截面 3 是危險截面?，F(xiàn)將截面 3 的計算結(jié)果列于下表 一種爬梯機(jī)械人的設(shè)計 19 載 荷 水平面 垂直面 支反力 F 0010021 彎 矩 M 154703 425 0 0425 0 044 總彎矩 MC 右左272222 扭 矩 T 2 進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即截面 3）。軸的計算應(yīng)力為： M P