3756 一種爬梯機械人的設計,一種,爬梯,機械人,設計 一種爬梯機械人的設計[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計的。本論文主要對爬樓機器人星型輪的傳動機構及控制系統(tǒng)進行詳細設計。首先介紹了國內(nèi)外爬樓機器人研究現(xiàn)狀，闡明本課題研究的目的、意義。然后進一步介紹了本爬樓機器人總體結構。在深入分析爬樓機構及其攀爬對象的基礎上，設計了相對優(yōu)勢較明顯的輪組結構爬樓機器人。對機器人小車的運動學模型進行分析，論證小車實現(xiàn)任意曲線運動所包含的自轉、直線前進、圓弧前進三個基本運動單元的可行性。引入虛擬樣機技術，通過 Pro/Engineer 三維建模并進行模擬運動仿真。文章最后研究設計了在各種環(huán)境下，以單片機 C8051F310 為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鍵參數(shù) θ 和 q；對驅(qū)動大功率電機的電路進行分析，設計了更適合大功率，更安全的電機驅(qū)動電路，直流馬達配合高功率 MOSFETⅡ型驅(qū)動器。 關鍵詞：爬樓機器人；三星輪； MOSFET 驅(qū)動電路；單片機 C8051F310AbstractIIAbstractMoving weight from up and down is required in our daily activities and productivities, and it was done by hand. While it is too heavy or short –handed to finished in some times. This thesis is designed to overcome the obstacles and it gives a detailed designing on transmission device and control system of star-like wheel of stair-climbing robot. Firstly ,it introduced a current situation of stair-climbing robot at home and abroad, clarified the purposes and meanings, introduced a overall structure of stair-climbing robot. After deeply analysis the stair-climbing frame and the object, designed a wheelsets stair-climbing robot with more advantages than others . Analyzed the kinematics model of the robot car,and demonstrate the available of achieving any curve movement with the rotation, straight forward, and arc forward . Robot can achieve track controlling based on speed matching. With the aid of virtual prototyping technology, through the 3D software of Solid Works, the dynamic analysis of the stair-climbing robot is carried out in ADAMS. At last, the thesis design the controller system with the core of C8051F310 based on rule environment ，In the control system, with the help of arranged ultrasonic sensors, get the two key parameters θ and q which import for climbing staircase Analyzed the circuit of high-power motor driving, design a more suitable circuit than IC L298N.Which is dc generator with highly efficient driving MOSFETⅡ.Key words：Stair-climbing robot；Three–star wheels；MOSFET driving circuit；Single chip microcomputer C8051F310目錄目錄[摘要] -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------IAbstract ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------II第一章 引言 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1 課題研究的目的和意義 -------------------------------------------------------------------------------------------11.2 移動機器人的發(fā)展概況 -------------------------------------------------------------------------------------------11.3 爬樓梯機器人目前的研究狀況 ---------------------------------------------------------------------------------41.4 論文研究的主要內(nèi)容 ----------------------------------------------------------------------------------------------6第二章 爬樓機器人的總體設計 ----------------------------------------------------------------------------------------82.1 爬樓機器人的設計要求 -------------------------------------------------------------------------------------------82.2 爬樓機器人的總體方案 -------------------------------------------------------------------------------------------8第三章 爬樓機器人傳動、輪組及轉向機構設計 ----------------------------------------------------------------113.1 爬樓梯機器人小車的執(zhí)行電機選擇 -------------------------------------------------------------------------113.1.1 技術指標 ------------------------------------------------------------------------------------------------------113.1.2 電機選型 --------------------------------------------------------------------------------------------------------113.2 爬樓機器人的機構設計 ------------------------------------------------------------------------------------------133.2.1 機器人小車傳動機構設計 --------------------------------------------------------------------------------133.2.2 傳動部件的設計與校核 ------------------------------------------------------------------------------------153.2.3 爬樓機器人轉向機構設計 ---------------------------------------------------------------------------------193.2.4 機器人小車結構設計 ---------------------------------------------------------------------------------------203.3 爬樓機器人小車三維實體建模 --------------------------------------------------------------------------------223.3.1 Pro/E 軟件介紹 ------------------------------------------------------------------------------------------------223.3.2 三維實體建模 -------------------------------------------------------------------------------------------------223.4 爬樓機器人小車行駛性能分析 -------------------------------------------------------------------------------233.4.1 可跨越最大垂直障礙高度 ---------------------------------------------------------------------------------233.4.2 最小轉彎半徑 -------------------------------------------------------------------------------------------------24第四章 爬樓機器人控制系統(tǒng)設計 -----------------------------------------------------------------------------------264.1 機器人爬樓梯的控制目標 --------------------------------------------------------------------------------------264.2 機器人的體系結構及系統(tǒng)組成 -------------------------------------------------------------------------------264.3 控制系統(tǒng)主要硬件的選擇 ---------------------------------------------------------------------------------------28目錄4.3.1 單片機的選型 -------------------------------------------------------------------------------------------------284.3.2 傳感器的選擇 -------------------------------------------------------------------------------------------------294.4 機器人控制系統(tǒng)的程序編制 -----------------------------------------------------------------------------------31第五章 總結與展望 -------------------------------------------------------------------------------------------------------385.1 全文總結 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------385.2 展望 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------38致 謝 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------III參考文獻 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------IV一種爬梯機械人的設計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！進入新的 21 世紀，人類除了致力于自身的發(fā)展外，還十分關注機器人、外星人和克隆人等問題。機器人正是本論文研究的對象。 “機器人”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)代的科學幻想小說，戲劇，電影和電視，都有許多關于機器人的精彩描繪。而且越來越多的機器人出現(xiàn)在我們的生活生產(chǎn)中，更多科學工作者和業(yè)余愛好者也投入到機器人研究的行列當中來 。機器人應用范圍遍及工業(yè)、科技和國防的各個領域。在“機器人王國”日本，一直擁有全世界 60%左右的機器人，工業(yè)機器人應用于最多的工業(yè)部部門依次為家用電器制造、汽車制造、塑料成型、通用機械制造和金屬加工等工業(yè)，而且正應用于更多的新領域中。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界服役機器人約 100 萬臺；機器人學也維持較好的發(fā)展勢頭，充滿希望的進入這嶄新的世紀。1.1 課題研究的目的和意義 本文討論的移動機器人是具有越障功能，能夠靈巧翻越樓梯的一種光機電一體化的智能裝置。用作搬運的自主移動機器人，要求能隨工作任務和環(huán)境的改變，智能地重規(guī)劃行駛路徑，并要求能快速適應工作環(huán)境。要達到這種水平，當前還有很多問題需要深入的研究，而其中的機器人樓梯環(huán)境順利翻爬問題是較為重要的一個研究課題。越障機器人的研究，對擴展機器人的作業(yè)空間，在人不能到達或不便到達的環(huán)境中進行作業(yè)，具有重要的意義。越障機器人還可用于工業(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.減輕勞動強度，提高勞動生產(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，爬樓梯機器人的研究是解決當前全自主機器人在非結構環(huán)境下正常工作的重要環(huán)節(jié)之一。爬樓梯機器人可應用于危險環(huán)境探查、偵察、救災、導盲、助殘、搬運、清掃、維修、安裝等作業(yè)，其實際意義重大。 1.2 移動機器人的發(fā)展概況 一種爬梯機械人的設計2機器人一詞最早使用是在 1920 年捷克作家卡雷爾·查培克的劇本《羅薩姆的萬能機器人》中，劇中機器人(Robot)這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞力。 機器人一詞雖出現(xiàn)得較晚，然而這一概念在人類的想象中卻早已出現(xiàn)。制造機器人是機器人技術研究者的夢想，代表了人類重塑自身、了解自身的一種強烈愿望。自古以來，就有不少科學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器人概念的文字資料。春秋后期，我國著名的木匠魯班在機械方面也是一位發(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·德沃爾設計了第一臺電子程序可編的工業(yè)機器人，并于 1961年發(fā)表了該機器人專利。1962 年，美國萬能自動化(Unimation)公司的第一臺機器人Unimate 在美國通用汽車公司（GM）投入使用，這標志著第一代機器人的誕生。從此，機器人開始成為人類生活中的現(xiàn)實。 要給機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，即認為機器人（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）是人造的機器或機械電子裝置?！爸悄軝C器人”是一種集數(shù)學、物理、化學、生物、機械、電子、材料、能源、計算機硬件、軟件、人工智能等眾多領域的科學與技術知識于一身的綜合技術平臺。機器人技術的迅速發(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)濟和人民生活產(chǎn)生了重大影響，而且這種影響必將進一步擴大 。目前在工業(yè)上運行的 90%以上的機器人，都不具有智能。隨著工業(yè)機器人數(shù)量的快速增長和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對機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器人和特種機器人。這些智能機器人，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……這些智能機器人，不僅應用各種反饋傳感器，而且還運用人工智能中各種學習、推理和決策技術。智能機器人還應用許多最新的智能技術，如臨場感技術、虛擬現(xiàn)實技術、多智能體技術、一種爬梯機械人的設計3人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術、遺傳算法和遺傳編程、仿生技術、多傳感器集成和融合技術以及納米技術等 [4]。21 世紀的機器人智能水平，將提高到更高的水平，令人贊嘆。 自從 20 世紀 60 年代初，第一臺工業(yè)機器人發(fā)明以來，機器人的發(fā)展已有半個多世紀，機器人的應用越來越廣泛，幾乎滲透到所有的領域。機器人大致經(jīng)過三代的演變：第一代是可編程的示教再現(xiàn)型機器人；第二代是具有一定感覺功能和自適應能力的離線編程機器人；第三代機器人是智能機器人。機器人正在向智能化的趨勢發(fā)展，智能化的機器系統(tǒng)將從事目前傳統(tǒng)機器系統(tǒng)和人工難以勝任的惡劣環(huán)境下的一些操作。移動機器人是機器人學中的一個重要分支，是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在非結構環(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器系統(tǒng)。它與機器人學、計算機視覺、多傳感器信息融合、智能控制以及多智能體（Multi-Agent）、機械學等學科密切相關，體現(xiàn)了信息科學和人工智能技術的最新成果，具有重要的軍用及民用價值，是現(xiàn)代機器人學中一個重要而且相當活躍的研究領域。 移動機器人的研究早在上世紀 60 年代就已經(jīng)開始，斯坦福研究院（SRI）的 Nils Nilssen 和 Charles Roson 等人，在 1962 至 1972 年制造出了取名為 Shakey 的自主移動機器人。從上世紀 80 年代開始，美國國防高級研究計劃局（DARPA）就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器人的序幕。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕，如 DARPA 的自主地面車輛（ALV）計劃（1983—1990），能源部制訂的為期 10 年的機器人和智能系統(tǒng)計劃（RIPS）（1986—1995），以及后來的空間機器人計劃；日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃等。 自上世紀 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、高適應性的移動機器人控制技術，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。美國 MIT 人工智能實驗室開發(fā)的一個人形機器人 Cog，使用一套傳感系統(tǒng)來模擬人的感官。美國佐治亞理工大學的 Nomad 150 機器人利用激光傳感器構建 3-D坐標和地圖。美國卡耐基－梅隆大學的 BookStore 計劃完全采用了視覺作為導航，實現(xiàn)了基于圖像表現(xiàn)的視覺定位和導航。美國 NASA 研制的火星探測機器人“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“機遇號”火星車，一種爬梯機械人的設計4引起了全世界的廣泛關注。德國慕尼黑國防大學的移動機器人，能夠在整幢大樓中進行自主定位和導航，并可以和人類進行多語言交流，完成由人用語言布置的任務。 國內(nèi)在移動機器人方面的研究起步較晚，主要的研究工作有：清華大學的 THMR-V 自動駕駛小車，香港城市大學的自動導航車和服務機器人，中國科學院沈陽自動化研究所的 AGV 和防爆機器人，中國科學院自動化所自行設計和制造的 CASIA-I 全方位移動機器人視覺導航系統(tǒng)等。 近幾年，通過足球機器人比賽的廣泛開展，移動機器人作為其中的 RoboCup 中型組全自主機器人，在國內(nèi)高校和科研院所的積極參與下取得了巨大的進展。目前以上海交通大學的“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公司的移動機器人發(fā)展較為迅速。 移動機器人在研究和開發(fā)過程中所涉及的研究領域很廣，包括智能機器人系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)、智能體結構設計、圖像處理（image-processing）、傳感器數(shù)據(jù)融合（sensor data fusion）、決策對策、進化算法等 [8～9] 。該研究可以催生成熟的一系列高新技術，將為社會經(jīng)濟和文化的發(fā)展提供重要手段。 1.3 爬樓梯機器人目前的研究狀況 機器人作為一種自動化的機器，所不同的是這種機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器。對不同任務和特殊環(huán)境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。非結構環(huán)境中的多功能全自主的移動機器人技術多年來一直是機器人研究中的熱點問題之一。但是非結構環(huán)境給移動機器人的運動造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難。 越障機器人的研究，對擴展機器人的作業(yè)空間，在人不能到達或不便到達的環(huán)境中進行作業(yè)，具有重要的意義。越障機器人還可用于工業(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.減輕勞動強度，提高勞動生產(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，移動機器人從事各項事務響應任務時，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 Bray 發(fā)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、德國和日本占主導地位，技術相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。我國對此類裝一種爬梯機械人的設計5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 早期的爬樓梯裝置一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機構由鉸鏈桿件機構組成。上樓時先將負重抬高，再水平向前移動，如此重復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，外觀可視為足式機器人，采用多條機械腿交替升降、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，技術也比較成熟。英國 Baronmead 公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結構，可爬樓梯的最大坡度為 35°，上下樓梯速度為每分鐘 15--20 個臺階。法國 Topchair 公司生產(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，當遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當操作將兩側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。 履帶式結構傳動效率比較高 [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。單輪組式結構穩(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 Dean Kamen 發(fā)明的了一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅 iBOT。它有 6 個輪子，前面有一對實心腳輪，后面有兩對行星結構的充氣輪胎，通過兩后輪交替翻轉可以上下樓梯。iBOT 幾乎能適用于所有樓梯，此外它也能在沙灘、斜一種爬梯機械人的設計6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 iBOT3000 發(fā)展到了 iBOT4000，功能也越來越強大，是目前該領域中性能最高的產(chǎn)品，它的售價在 3 萬美元左右，相當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，除自轉外還繞滾輪軸公轉而實現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學物理與機電學院的蘇和平等人借鑒了 iBOT 的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓梯機構，設計了一種雙聯(lián)星形機構電動爬樓梯輪椅。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)復合類機器人 基于履帶式、輪式、腿式移動機器人的優(yōu)缺點 [9]，在研究中，采用了腿-履復合和輪-腿-履帶復合等結構。設計主要是依靠腿式機構來完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來達到功能的完整。機器人擺臂在一定范圍可上下擺動，輔助越障、攀爬，具有較強的越障性能、路面通過性和上下臺階能力。 但是各種機構的復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，但是它們大多結構復雜、造價昂貴，遠遠超出了發(fā)展中國家人民的經(jīng)濟承受能力。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，為了解決移動機器人使用受限的問題，同時考慮到我國使用者的經(jīng)濟承受能力，需要研究一種價格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置。1.4 論文研究的主要內(nèi)容一種爬梯機械人的設計7本課題以開發(fā)具備初步爬樓梯能力的機器人小車為目的，重點研究設計符合中國國情爬樓梯的輪組結構，并設計基于單片機的底層驅(qū)動控制系統(tǒng)。本文所從事的工作主要有以下幾點:1.為提高機器人爬樓梯能力，綜合分析國內(nèi)外現(xiàn)有裝置，結合我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標準》，設計通用性強、上下樓梯動作流暢、容易控制的車輪組機構。四個輪組代替通用四輪車的輪子，驅(qū)動小車輪與驅(qū)動輪組翻滾的電機相互獨立。2.調(diào)查市場上現(xiàn)有類似機構的設計方法和工作原理，通過查閱圖書館的電子資源和相關的教材，確定單片機、齒輪傳動、距離感應器、直流馬達等零部件后，對 3 輪的星型齒輪的傳動機構進行詳細設計，并利用 PRO/E 設計出爬梯機器人的機械圖。3.初步建立以單片機 C8051F310 為核心的爬樓控制系統(tǒng)。分析本機器人的控制原理并利用 C 語言編寫控制程序。在結構環(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鍵參數(shù) θ 和 q。4.分析上述所有零部件及電子元件的選型原理并用數(shù)學計算驗證，完成設計說明書撰寫。一種爬梯機械人的設計8第二章 爬樓機器人的總體設計2.1 爬樓機器人的設計要求比較現(xiàn)有爬樓梯裝置，綜合分析其各自優(yōu)缺點。見下表 2.1 所示。表 2.1 典型移動機構的性能對比表移動機構方式 輪式 履帶式 腿式移動速度 快 較快 慢越障能力 差 一般 好機構復雜程度 簡單 一般 復雜能耗量 小 較小 大機構控制難易程度 易 一般 復雜經(jīng)分析，設計的爬樓梯裝置要解決的幾個基本問題 [14][15]：(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；(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)標準》規(guī)定 [17]：樓梯踏步高度 a 不宜大于 210mm，并不宜小于 140mm；樓梯踏步寬度 b ，應采用 220、240、260、280、300、320mm；樓梯踏步高與寬的關系式：2a + b≤600（a-踏步高，b-踏步寬）。機器人要適應規(guī)定的尺寸范圍，能夠順利的上下樓梯，即強調(diào)它的強適應性。 (2) 爬樓機器人的動力系統(tǒng)的參數(shù)要符合，國標GB12996—91 電動輪椅車的主要技術性能 [28]標準。2.2 爬樓機器人的總體方案經(jīng)綜合分析，本課題確定采用爬樓梯優(yōu)勢較強的輪式機構。爬樓機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），當然也具備轉向避障和良好的行走線性軌跡。本論文設計的輪組式爬樓機器人的整體結構由三部分組成，包括位于機器人中間部位由四個輪組 [21]驅(qū)動的主車架、輪組機構、載臺及弧形車身。圖 2.1 給出了機器人三維虛擬樣機的示意圖。機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航所需的傳感器等。由于爬樓機器人的特殊要求本設計采用前輪驅(qū)動后輪轉向設計。車體兩側的輪組皆具有兩個旋轉自由度，即小車輪的旋轉和輪輻的旋轉運動。中間兩個電機具有自鎖功能，一種爬梯機械人的設計9采用大減速比的蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)，與前輪小軸相連驅(qū)動車輪，實現(xiàn)機器人前進、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)機器人的爬樓動作。后車身一個小功率電機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)左右轉彎動作。圖 2.1 爬樓機器人結構示意圖1 三星輪組；2 電機；3 主車架；4 齒輪；5 小車輪圖 2.2 主車架內(nèi)部傳動及轉向結構布局1 驅(qū)動電機；2 蝸桿；3 蝸輪；4 錐齒輪；5 鎖軸器；6 轉向齒輪齒條；7 轉向電機12345一種爬梯機械人的設計10該種結構的優(yōu)點有: (l)、平順的行駛能力。機器人小車在平地行駛時，由于其結構上的特點，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，其效率與普通輪式驅(qū)動車輛相同。當遇到可跨越的障礙時，輪組演變成形星輪系翻滾前進。(2)、可靠的上下樓梯能力。機器人小車上下樓梯時，鎖軸器工作將小軸和管軸鎖緊，使電機驅(qū)動輪組翻滾時，輪組中心齒輪不轉動。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)、機器人車體的轉彎容易實現(xiàn)。通過傳感器檢測出障礙物超過越障范圍時，機器人需要采取轉彎避障的措施。本設計采用小功率電機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)左右轉彎動作，小車所需的轉彎半徑可小于車身寬度，具有更好的機動性能。(4)、機器人結構簡單。其姿態(tài)的控制相對簡單，只需一個電機就能完成驅(qū)動功能。一種爬梯機械人的設計11第三章 爬樓機器人傳動、輪組及轉向機構設計3.1 爬樓梯機器人小車的執(zhí)行電機選擇3.1.1 技術指標根據(jù)平地或爬樓等不同狀況下的實際需要，以國標 GB12996—91 電動輪椅車為標準，確定動力系統(tǒng)的參數(shù)。國標中對電動輪椅車的主要技術性能 [26]規(guī)定如表 3.2 所示。參考表 3.2，以及本裝置特點（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），確定本裝置的技術指標如下:最大載重為 20kg,平地時最大運行速度為 1.5km/h，最大爬樓速度為每分鐘 16 個臺階。裝置攜帶 24V 蓄電池自主供電，電池容量為 12 安時(一次行程 20～35km)。表 3.2 電動輪椅國家標準性能指標項目內(nèi)容室內(nèi)型 室外型 道路型速度（km/h） ≤4.5 ≤6.0 ≤18爬坡能力 ≥8° ≥8° ≥6°一次充電最大行程（km） ≥10 ≥20 ≥453.1.2 電機選型1、電機類型選擇多功能爬樓梯裝置的驅(qū)動機構——電機是整個系統(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驅(qū)動，爬樓動作由另兩個大功率電機驅(qū)動。整個系統(tǒng)以蓄電池作為供電能源，可供選擇的電機有步進電機、直流電機和無刷直流電機 [14]。(l)步進電機步進電機具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(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行精確控制，控制系統(tǒng)結構簡單，維修方便。但是步進電機能耗太大，速度也不高，且存在一個固有缺點，即在低速轉動時振動和噪聲大，不利于整個裝置的穩(wěn)定。一種爬梯機械人的設計12(2)直流電機直流電機具有良好的起動、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、響應速度快等優(yōu)點，滿足裝置對突發(fā)情況做出反應的靈敏性要求；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;起動轉矩大、過載能力強，可以滿足裝置爬坡、翻越臺階的性能要求。但是傳統(tǒng)的直流電機均采用換相器和電刷以機械方法進行換相，因而存在相對的機械摩擦，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。(3)無刷直流電機針對傳統(tǒng)直流電機的上述弊病，無刷直流電機采用電子換相電路取代了機械換相裝置，不僅繼承了直流電機的優(yōu)點，且具有無噪音、免維護、可靠性高的優(yōu)越特性。因此我們選用無刷直流電機作為裝置的驅(qū)動電機，前輪驅(qū)動和后輪轉向各采用兩個普通的無刷直流電機驅(qū)動。2、電機型號選擇由上可知，本設計采用普通無刷直流電機作為動力源,機器人最大載重為 20KG，平地最大速度為 1.5km/h，車體及電池重量大約為 15KG。（1） 驅(qū)動電機選型功率計算： ??????120159.8042/14.06PFmgkgmsW??????????根據(jù)以上計算及各個參數(shù)，本設計選擇濟南科亞電子科技有限公司生產(chǎn)的ZW57BL90-230 型直流無刷電機作為驅(qū)動電機，ZW57BL90-230 型直流無刷電機參數(shù)如表3.3 所示。表 3.3 ZW57BL90-230 型直流無刷電機參數(shù)型號 額定功率 額定電壓 最大轉矩ZW57BL90-230 180W 24V 2Nm（2） 轉向電機選型轉向電機只負責車體轉向故不需太大的功率，因此本設計選擇濟南科亞電子科技有限公司生產(chǎn)的 ZW57BL52-225 型直流無刷電機作為轉向電機，ZW57BL52-225 型直流無刷電機參數(shù)如表 3.4 所示。表 3.4 ZW57BL52-225 型直流無刷電機參數(shù)型號 額定功率 額定電壓 最大轉矩一種爬梯機械人的設計13ZW57BL52-225 45W 24V 0.5Nm3.2 爬樓機器人的機構設計通過總結目前國內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利，并結合爬樓機器人的自身的動力傳輸要求，本設計采用前輪驅(qū)動后輪轉向的設計思路，運用蝸輪蝸桿減速機構將動力從電動機傳輸?shù)杰囕?，下面本文就從動力的傳輸路徑來對各機構的設計做詳細介紹。3.2.1 機器人小車傳動機構設計機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構，其傳動過程：首先由電機（FW1）提供驅(qū)動力，帶動蝸桿驅(qū)動蝸輪轉動，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)動其轉動。機器人主體傳動結構布局如圖 3.5 所示。（1）蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)爬樓機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端的高速轉換成前車軸端的低速，并具有自鎖功能，給兩側小車輪提供足夠的保持力矩，在主體內(nèi)部電機掉電的情況下，兩側車輪組保持原姿態(tài)而不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象；如圖 3.1、圖 3.2 所示。圖 3.1 渦輪減速系統(tǒng)示意圖 1 圖 3.2 渦輪減速系統(tǒng)示意圖 2（2）動力傳輸轉向系統(tǒng)如圖 3.1、圖 3.2 所示，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)一種爬梯機械人的設計14由于爬樓和轉向的功能要求不一樣，因此本設計前后輪采用不同的輪組來適應相應的功能實現(xiàn)。如圖 3.3 所示，前輪輪組采用行星輪式結構，包括傳動軸 1、管軸 2、旋轉臂 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 3.3 前輪輪組機構示意圖1 傳動軸；2 管軸；3 旋轉臂；4 中心輪；5 過渡輪；6 驅(qū)動輪；7 輪轂；8 小車輪由于轉臂 3，過渡齒輪 5，驅(qū)動齒輪 6（包括小車輪 8）都是空套在相應的軸上，因此驅(qū)動輪系包含三個結構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。前輪輪組的機械原理：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臂上的小軸轉動，當電機動力傳到傳動軸時，軸帶動中心齒輪 4 轉動，中心齒輪帶動過渡齒輪 5 轉動，再傳給驅(qū)動齒輪 6，由于小車輪與驅(qū)動齒輪固連，機器人前進。當車輪組機構運行在平直的路面上時，受兩個車輪同時著地的約束限制，轉臂 12367485一種爬梯機械人的設計153 不能轉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)機構在平直面上的平穩(wěn)行駛；當前進的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動時，驅(qū)動輪系就演變成行星輪系，轉臂 3 帶著另外 3 個車輪繞中心齒輪的軸線回轉，實現(xiàn)翻越障礙（即爬樓梯）的目的。如圖 3.4 所示，后輪輪組也是采用 3 輪的星型結構，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 3.4 后輪輪組示意圖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)動小車只需要負責小車的轉向，所以它不需要行星齒輪組傳動機構。后輪輪組的兩層小車輪通過螺栓固連在一起，保證車體轉向的輕松實現(xiàn)。3.2.2 傳動部件的設計與校核1、軸的設計與校核（1）驅(qū)動軸的設計選擇軸的材料前文已確定機器人小車的速度為 1.5KM/h，速度很低，固選用 45#鋼調(diào)質(zhì)，由《機械設計》查得屈服強度極限 、許用彎曲應力 、硬度MPaS35????MPa601???220HB， 。Pa95][0??確定軸上的功率 P、轉速 n、和轉矩 T。123一種爬梯機械人的設計16由前文知： mNT??6.0srhkrn/08.2./51??式中 r 為車輪半徑為 0.2m，因行星輪系中的齒輪大小相等，所以轉速相同。kwPD169.???式中 η 為錐齒輪傳動效率，查《機械設計》書得 η=0.9。軸的結構設計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，1-2 軸段右端、5-6 軸段左端需制出一軸肩看，故取 2-3軸段的直徑 ；為了滿足傳動帶輪和磁輪的的軸向定位要求， 2-3 軸段右端md1032??需制出一個 的軸肩； 。各段長度分別為：4md20432?? mLLL 40,5,5, 5436521 ???軸結構如圖 3.14 所示，圖 3.5 驅(qū)動導輪軸結構圖2)確定軸上圓角和倒角尺寸各軸肩圓角半徑均取 ，倒角均取為 。2?r?451?3)齒輪與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接。按 d2-3=d4-5=10mm 查手冊(GB/T1096-1990)得平鍵 ,鍵槽半徑取 R=b/2=1mm,鍵槽用鍵槽銑刀加工，同mLhb6??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/n6；滾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 m6。5.求軸上的載荷一種爬梯機械人的設計17首先根據(jù)軸的結構圖（圖 3.5），做出軸的計算簡圖（圖 3.6（a））。在確定軸承的支點位置時，從《機械手冊》查得 30209 單列圓錐滾子軸承 a=18.6mm。由圖 3.5可知簡支梁的軸的支承跨距 。mL85405432 ??????1)計算軸上的作用力：錐齒輪： NFdTtrt 79.20tan20an.???????2)計算支反力：繞支點 2 點力矩和 ,得?ZM??NLF右MrZZrZ 40.36)254/()79.2(,0.)/().(11122 ???????同理，繞支點 1 點力矩和 ,得1?Y NLF右MtYYt 10)425/()20()/(), //1221 ???????3)轉矩，繪彎矩圖①水平面彎矩圖：如圖 3.15（c）所示3 處彎矩： mNLzY ????15470240.3613②垂直平面彎矩圖：如圖 3.15（b）所示3 處彎矩： ??NFMy右 ????425010231③合成彎矩：如圖 3.15（d）所示mY右 ?????? 98.452710425323一種爬梯機械人的設計18圖 3.15 軸的計算簡圖5）計算當量彎矩應力校正系數(shù) 63.095][01????amNaT??26.3.03 處： mNaTM?????93.4527)(8.24'' 左左 右右從以上計算結構中可以看出截面 3 是危險截面?，F(xiàn)將截面 3 的計算結果列于下表一種爬梯機械人的設計19載 荷 水平面 垂直面支反力 F NY102?NFZ4.3621?彎 矩 M my?5473 mM右?504總彎矩 MC NC右????98.272扭 矩 T mN?6.按彎矩合成應力校核軸的強度進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即截面 3）。軸的計算應力為： MPaWTMca 5.6201.98457)(322 ???????前面選定軸材料為 45 鋼調(diào)質(zhì)，許用彎曲應力 ，因此 ,故軸??01????1???ca安全可靠。3.2.3 爬樓機器人轉向機構設計經(jīng)綜合分析課題的具體要求和現(xiàn)有的各種向機構，本設計確定采用齒輪齒條式轉向系統(tǒng)。如圖 3.6 所示，齒輪齒條式轉向系統(tǒng)由與轉向軸做成一體的轉向齒輪和常與轉向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其它形式轉向器比較，齒輪齒條式轉向器最主要的優(yōu)點是：結構簡單、緊湊；轉向器的質(zhì)量比較??；傳動效率高；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，可自動消除齒間間隙。這不僅可以提高轉向系統(tǒng)的剛度，還可以防止系統(tǒng)工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲。一種爬梯機械人的設計20圖 3.6 轉向系統(tǒng)示意圖齒輪齒條式轉向系統(tǒng)的轉向原理：小車行駛路況較好時，齒輪在齒條的中間位置；當小車在行駛過程中遇到超過其攀爬范圍的障礙時，電機驅(qū)動蝸輪蝸桿帶動齒輪向上下轉動，通過嚙合關系齒條上下移動，從而牽引后輪輪組左右擺動完成小車轉向壁障動作。3.2.4 機器人小車結構設計 （1）輪組單元的結構設計輪組的結構尺寸范圍根據(jù)樓梯的踏步高 a 和踏步寬 b 兩個參數(shù)來確定?！督ㄖ翘菽?shù)協(xié)調(diào)標準》規(guī)定樓梯踏步高度不宜大于 210mm，并不宜小于 140mm；樓梯踏步寬度，應采用 220、240、260、280、300、320mm；樓梯踏步高與寬的關系式：2a + b≤600（a-踏步高、b -踏步寬）。根據(jù)以上條件可知：b min=220，a min=140，a max=190mm ； 如圖 3.7 所示，有以下關系：（3.1）/3Rl?（3.2）??22larx?取 b=bmin，a=a min，則 r+x≤220，得到 Rmin=150.6mm；同理取 b=b min，a=a max， 有Rmax=167.8mm；一種爬梯機械人的設計21圖 3.7 輪組結構爬樓示意輪組結構的最大 r 值 [23]可通過 a 和 b 得到，如圖 3.8 所示。（3.3）2maxbr??取 b=bmin，a=a min，得到 rmax=130.4mm。根據(jù) R 以及 r 的范圍,取恰當?shù)闹担傻玫捷喗M結構轉臂寬 2tmax，如圖 3.9 所示。（3.4）??22mininminaxraRt???圖 3.8 輪組結構 rmax示意圖 3.9 輪組結構 tmax示意一種爬梯機械人的設計22綜合上述條件公式(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)，可得到輪組結構的主要參數(shù)（R，r 以及 t）,所設計出來的輪組是以最小樓梯為基礎，并滿足最高樓梯尺寸的要求，當在更寬尺寸樓梯行駛時，一次翻滾發(fā)生滑移便接著進行二次翻滾爬行，所以能夠自動適應各種規(guī)格的樓梯，具有強適應性。（2）機器人零件組成及設計機器人結構中，輪組單元包括 3 套模數(shù)相同的直齒圓柱齒輪（為減輕重量，可