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一种 爬梯 机械人 设计 cad 图纸 三维

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机器人 1960 年初 ， 约瑟夫 恩格柏格和乔治迪沃 尔 联 合 创建一个机器人 公司 美国通用机械公司 ，从此工业机器人开始变为现实。 机器人 并不只是另一种 自动化机器。自动化始于工业革命期间，用机器来完成先前人工完成的工作。然而，这种自动化机器仅仅能做到为它设计的特定工作，而机器人能执行各种各样的工作 。 机器人必须有一对手臂。在装卸自动化机器、喷漆、焊接时，手臂必须能够复制人类工人的动作，并且能成千上百次完成传统自动化机器不能完成的工作。 机器人的定义 机器人工业协会 (表了一个 机器人的定义 ， 试图阐明 哪些 机器 仅仅是 自动化 机械， 哪些机器 才是真正的机器人。 定义如下 ： 机器人是一种可重新编程的多功能机械手，为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来 移动材料、零部件、工具、 或专门装置。 这个定义比 本书末尾 语汇编 的定义更加广泛，是更合适 机器人的定义。当我们看到这个短语的定义 ， 我们会了解哪些机械是真正的机器人而哪些机械只是专用 自动化 机器。 首先，机器人是“可重编程的多功能操纵手”。 这句话告诉我们，机器人可以通过改变其内存中存储的信 息 进行示教（重编程） 使机器人做不同的工作。可 对 机器人重新编程 ，使其装卸自 动化机器、喷漆、焊接以及做许多其他的工作（多功能）。机器人是“机械手”。 机械手是 手臂 （或手）可以拿起或移动 物品，在这一点上，我们知道，机器人是 一个 可以 示教从而 做 各种 不同工作的机械手臂。 定义说，机器人“设计成通过可改变的程序动作来移动材料 、零部件、工具、 或专门装置。”材料包括木材 、 钢材 、 塑料 、 纸板 . 机器人也可以处理已加工完成的零部件。例如，机器人可以将 一块 钢装入数控车床，并卸出车床中 已加工 完成的零件。 除了处理材料和零部件，机器人 还 可以安装如磨床 、 缓冲器 、 螺丝刀 、 焊枪 等 工具来执行有效的工作。 2 在制造工厂中机器人也可以配备专门的仪器或设备来完成特殊的工作。机器人可以安装摄像机来检验零件或产品。也可以配备激光器来精确测量正在加工的零件的尺寸。 定义 用 “ 通过可改变的程序动作来完成各种不同操作 ” 这句话进行结尾 ， 这句话强调的事实是 ： 在制造工厂 ， 机器人可以做许多不同的工作。机器人能做的工作 种类只受限于 应用工程师的 创造性 。 机器人的工作 由机器人完成的工作可分为两大类：危险性工作和重复性工作。 危险性工作 许多机器人应用于对人类有危险的工作。这些工作因为有毒气体、较重材料的 处理、高温材料的处理、在旋转 或冲压 机械旁工作或环境中含有高浓度的辐射而被认为是危险的工作。 重复性工作 除了担任危险的工作外，机器人也非常适合做那些在制造工厂里必须做的完全重复的工作。许多工厂的工作要求一个人表现得更像一个机器 ， 而不像一个人类。这项工作可能要将一个工件从这里 取起 并把它 放 到那里。同样的工作每一天都要做上百次。这个工作对判断力和能力要求较少。这并不是批评做这份工作的人 ,而是仅仅指出这些工作存在于许多行业，并且必须完整的完成产品的制作。机器人可以在这样的工作情况下工作，并且不会抱怨 和经受 与 这些工作相关的疲劳和厌倦。 机器人的速度 虽然机器人提高了制造工厂的生产率 ， 但是他们也并不是很快。目前 ， 机器人正常运作速度或许已经接近人类操作员的速度。机器人的每个主要运动通常需要大约 1 秒时间。对一个机器人来说 ,让它们将一块钢从输送机到装载进数控车床大约需要十个不同的动作，这个动作将耗费 10 秒。人类操作员能在同样的时间里完成相同的工作。生产力的增长是一致性的操作的结果。在工作期间人类操作员一遍一遍的重复同样的工作 ， 他或她就会慢下来。机器人在程序化的速度下连续的工作 ,因此在工作日内能完成更多的零件。 可以制造 定制的 自动化设备做与机器人同样的工作。这种 定制 的自动化设备可以在3 不到一半的时间里完成机器人或人 们的装载工作。问题是设计并制 造这种特殊的机器 ,它只能完成特定的 或定制的 工作。如果在工作中有任何改变 ， 这台机器必须完全重建 ， 或仪器必须 报废 并设计制造另一台新 的机器 。另一方面，机器人可以重新编程 ， 并且在同一天就可以做新的工作。 定制 的自动化设备在工业中仍然有一定的作用。如果公司知道一份工作多年来不会改变 ， 尽快的定制自动化机器仍然是一个不错的选择。 在工厂中有其他的一些定制的自动化设备不能轻易的完成 的 工作 。对于这些工作机器人可能是个不错的选择。 其中一个例子就是 喷漆 ，它 是一项具有危险性的工作 ， 因为从许多油漆散发出来烟雾都是有毒和易爆的。现在由机器人来做外壳喷漆的工作。机器人已经被“ 示 教” 进行 喷涂由公司制造的不同大小的外壳 尺寸。另外，机器人可以在喷漆室这种有毒的环境下工作，从而毋须考虑 这种烟雾对工作在室内的人长期的影响。 柔性 自动化 机器人有另一个优点 :“他们 在制造工厂 可以 做不同的工作”。如果机器人在最初购买是用于装卸冲床并且这个工作在产品设计上不再需要改变时 ,在工厂里机器人可以去做另一个工作。例如 ， 它可以 移到 装配操作的 末端 来 卸载从输送机运输来的已完成的附件，并放到 货 盘 出货。 准确性和重复性 机器人的一个重要特征是能准确的完成其任务。当机器人编制程序程以执行特定的任务时 ， 它被引导到 确定特定的点并且编制程序来记录所在点的位置 ， 程序 编制 完成后 ，机器人转向“运行” 并 执行程序。可惜的是 ,这个机器人不会 走到所有 程序设定点的准确位置 ， 例如 ， 机器人可能会产生与确切点 寸的误差。机器人在第一次执行点的计划中，如果 寸是最大误差 ， 就说明该机器人的精度为 寸。 除了准确性 ， 我们也关心机器人的可重复性。一个机器人的重复性 是 衡量 其每次程序执行后返回到与其程序点之间的位置 接近程度 。举例来说 ,第一次执行程序时，机器人产生 寸的误差，在接下来的执行计划中，机器人在到达这个点之前的循环会产生 寸的误差。 虽然 机器人共有 寸的误差 。但 从最初的编程点 ， 其精度为 寸 ， 其重复 性 为 寸。 4 机器人的主要部件 机器人的主要部件有机械手、电源、控制器。 机械手用来抓取制造中所需要的资料 ， 零件 ， 或特殊工具。电源提供机械手运动的动力。控制器用来控制电源 ， 使机械手完成其任务。 机器人的轴运动 机器人机械手的 不同运动形式 是由 机器人的自由度数或轴 来定义的 。如果机器人的机械臂可以旋转 ， 这个机器人可以称为是一个单轴机器人。如果机械手可以上下移动以及旋转 ， 机器人可称为双轴机器人。如果除了旋转运动和上下运动 ，机械手也可以延长其手臂， 或称为 “延伸”， 这个机器人可认为是一个三轴机器人 (如图 大多数工业机器人都有三个主轴运动 (旋转、上下 、 延伸 )以及一些 短轴 运动。 图 两个线性轴和一个旋转轴运动的三轴机器手 机器人的 短轴 存在于 机器人的手腕 ， 机器人的手 腕与机器人手臂的末端连接。机器人手腕有三个 可能的 运动 或 轴 ： 俯仰 、 翻转 、 偏转 （如图 手腕上下弯曲是 俯仰 运动，手腕的 转动 是 翻转 运动，手腕的 侧面 运动 偏转 运动。 5 图 器人手腕的三个自由度 长轴与短轴的结 合给了机器人六种能完成 的动作 (六轴或六个自由度数 )。许多工业机器人装配了所有的六轴 ， 然而 ， 其中 有三个 长 轴 ， 仅 仅 只有一个或两个短轴。 机器人的分类 机器人的手臂 末端 可以达到的总面积称为 工作区间 。 根据其工作区间， 机器人可以分为四 类 ： 圆柱坐标机器人 、 直角坐标机器人 、 球坐标机器人和关节坐标机器人。也可以按控制方式， 将 机器人 分为三种运动形式 ： 拾取和放置运动 、 点到 点运动 、连续轨迹 运动 ,这些术语描述机械手在其工作区间的动作。 本文摘 选自“机器人及自动化系统”，罗伯特 L胡克斯特拉， 南西部出版公司， 1986 年。 6 a in 960s up to a A is by a do it a a of A an be to of a in of be a in an to IA is as A is a to or of a of is in IA at of is an of a We at at a so as to in a is a “ In IA us a be to do by in A be to do A is a “ A is or up or At we a is an be to do on to a to is in of a 7 A a a of an a of In to a be as to be or to do in a be of or be to of IA of a of a do in a of a do is by of by be of in to be of of of of or or of n to to be in in a to a a be to a up it is of or no or no is as a of is to of in be to of A be at a or a 8 in a At at or of a of a a to us a of a it a as as A do in of in is a of of As he or to to at be to do An do in by a or a a is a or it If is in he or be a A on be in If a a is a in be a be a An of an is is a A is of on A to of In in of on a in be to do in If a to a is no to a in be to in be to of be to a a 9 ne of is it is to a it is to to of is is go to of is by of is to an In to we s of a is a of it to is a is of it is a of a he of a is to up or in to so be to he of a by of or If a s is to be a If up as as is a If in to is to be a up as as of 10 of he of a in s of a is to of s or of a up is of is of 11 he or of a he of or of or of he of s: is T be to be by of . o, 1986. 12 教师评语 教师签名： 开 题 报 告 论文题名 爬梯机械人的设计 专 业 名 称 ： 学 号 ： 学 生 姓 名 ： 导 师 姓 名 ： 1 目录 一、课题意义 2 (一 )具有 越障功能 移动机器人 的 简介 .(二 ) 具有越障功能机器人研究 的文献综述 . 4 二 、课题方案 8 （ 一 ） 课题研究的 主要内容 8 （二） 研究目标及创新 10 三 、可行性分析 10 四 、课题进度安排 12 五 、参考文献 . 2 一、课题意义 (一 ) 具有越障功能 移动机器人 的 简介 机器人作为一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能 力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。 非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难 越障机器人的研究对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境减轻劳动强度，提 高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 其中， 移动机器人从事各项 事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一 。 针对各种不同的运动环境，一直以来移动机器人所采用的运动方式大体包括轮式、履带式、足式等。 国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是 1892 年美国的明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了 很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。 总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要 3 分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。下面分别对国外、国内各种类型装置的发展作简要介绍，并分析其各自优缺点。 (l)履带式 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较 成熟。 英国 部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为 35 ，上下楼梯速度为每分钟 15国 的底部有四个 车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。 履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处 :重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏 ；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广 使用。 (2)轮组式 轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组 式。 单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人 协助才 能保证重心的稳定 ； 而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。 美国著名发明家 一种能自动调节重心的两轮组式轮椅 有 6个轮子，前面有一对实心脚轮，后面有两对行星结构的充气轮胎，通过两后轮交替翻转可以上下楼梯。 外它也能在沙滩、斜坡和崎岖的路面上行驶，而且后轮可以直立行走 ，为使用者提供了更多方便之处，帮助他们能达到正常人的高度。它最大的优点就是在轮椅重心安装了陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号调整重心的位置，使轮椅能在不同状态下保持平衡。经过数十年的研究开发，它己经由 能也越来越强大，是目前该领域中性能最高的产品，它的售价在3万美元左右，相当于一辆中档桥车的价格，难以被普通使用者接受。 我国在上世纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究， 1987年专利号为 4 86210653的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星 形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了 用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。 轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。 (3)步行式 早期的爬楼梯 装置 一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先 将 负重 抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。 步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯 ;但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。 综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全 性的限 制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动机器人 使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置 。 用作搬运的自主移动机器人，要求能随工作任务和环境的改变，智能地重规划行驶路径，并要求能快速适应工作环境。要达到这种水平，当前还有很多问题需要深入的研究，而其中的机器人楼梯环境智能导航问题是较为重要的一个研究课题。 (二 ) 具有越障功能机器人研究 的文献综述 、应用： 楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一，爬楼梯机器人的研究是解决当前 全自主机器人在非结构环境下正常工作的重要环节之一。爬楼梯机器人可应用于危险环境探查、侦察、救灾、导盲、助残、搬运、清扫、维修、安装等作业，其实际意义重大。 5 、对目前研究的状况分类： （ 1）开环控制与伺服控制分类 在目前已开发的研究项目中，开环控制的机器人主要是运用于为残疾人和老人设计的器械中，需要人的辅助来为其导航，其突出特点的是稳定性，确保人的安全性。 伺服控制的设计也可分为嵌入式控制和高智能 制。嵌入式控制运用一些光电传感器，来控制机器人的速度、方向；高智能 够采集更广泛的信息（比如需要高 运算内存空间的视觉采集系统），实现轨迹及运动目标跟踪、视觉信息的分析与处理、地面轨迹图像的计算机理解与处理。 也有半自动的，通过人的控制为其导航。但便携式、履带等机器人控制距离有限，当履带机器人在危险区域作业时，其控制操作人员的安全不能保证，此外遥控机器人的操作人员需要专门训练，因而进一步提高机器人自主能力是该研究方向的趋势。 （ 2）机构设计上分类 1、履带机器人 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则 的楼梯上也能使用，技术比较成熟。 履带式移动机器人以其强大的地形适应性而倍受青睐，但是也有不足之处。其重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。 2、轮式机器人 轮式移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地形适应性的前提下，可以充分发挥移动机器人 快速性、灵活性、可控性，而且能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向直线移动或在原地旋转任意角度，近年来得到了广泛的研究 。 但是它对地形的适应 性远不如履带式机器人，一般来说，轮式移动机器人对地形的适应性大小与轮子的数量成正比，但是随着轮子数量的增加，又带来了机器人体积庞大、重量重等缺点。怎样使轮子的数量越少而同时又有能够满足使用要求的地形适应性，这对机器人设计具有重要意义。 6 单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定；轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。 3、腿式机器人 早期的爬楼梯轮椅一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由 铰链杆件机构组成。上楼时先将轮椅抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅 爬楼的原理 。 步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯；但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。此外，座椅距地面的高度较大，易给使用者造成心理恐惧，距离实际应用还有很大的距离 4、复合类机器人 基于履带式、轮式、腿式移动机器人的优缺点，在研究中，采用了腿 腿 计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。 机器人摆臂 在一定范围可上下摆动，辅助越障、攀爬，具有较强的越障性能、路面通过性和上下台阶能力。 但是各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。 5、轮、履、腿式移动机构性能比较 车轮式、履带式、腿 式移动系统性能比较见 下 表 1 所示。 表 1 典型移动机构的性能对比表 移动机构方式 轮式 履带式 腿式 移动速度 快 较快 慢 越障能力 差 一般 好 机构复杂程度 简单 一般 复杂 能耗量 小 较小 大 机构控制难易程度 易 一般 复杂 、分析问题 7 1、爬楼梯装置在爬楼梯过程中的稳定性是影响其实用安全性的重要指标； 2、使用安全性； 3、对于多功能爬楼梯装置，如何实现平地模式与爬楼模式之间的平滑切换也是重要的问题。 为解决以上这些问题，传感器技术、计算机控制技术必将越来越多地应用到爬楼梯装置中，从而提高装置的自动化程度以及使用安全性、舒适性。同时，伴随机器人控制技术的发展，移动机器人的大量技术如计算机视觉、机器人导航和 定位、模式识别等也将被运用到爬楼梯装置中，使其朝着智能化的方向发展。多功能爬楼梯装置将融合机械、控制、传感器、人工智能等技术于一体，逐渐跨入服务机器人的行列。 一般在各研究中会采用以下几个研究方法： 在机构的设计中采用功能分析的方法，确定机构各尺寸关系间的约束关系。 运动学分析：建立合理的运动学模型，从而对不同运动阶段进行分析。 运动学仿真与分析：在机器人越障的运动学模型基础上，改变机构相关尺寸进行仿真分析，从而得到最优解。 对机体质心及其稳定性进行分析，选取合适参数做仿真，得到最优解。 介绍了机 器人结构实现方法，从传动设计、零件组成及选用，从设计方面对机器人的结构进行了详细说明。 机构动力消耗问题的研究。 设计的机构在模态环境和非模态环境下使用情况的对比，验证其适应性。 在控制方面的研究： 电机的选择及控制原理； 信号检测装置设计与选择（超声波传感器测距，激光测距扫描仪，基于视觉的检测）； 信息的融合（贝叶斯方法、 据理论、模糊集理论、神经网络、聚类分析、模板方法、估计理论等）； 电路的设计； 控制系统介绍（系统具有开放性）； 、总结 8 通过以上分析，笔者认为爬楼梯机器人首先要解 决好“爬”的问题，即将机构设计好，其次是设计好控制系统，弥补机械部分的不足。机构要解决：机器人平地行驶与爬楼梯之间的转换；爬楼梯的动作； 机构在保持稳定性的基础上保持灵活性；设计最优结构，降低 整个机器人的能耗。控制部分：采集信号，要尽可能准确且具有一定鲁棒性；使机器人功能尽可能完善，并朝着智能化，自主化方向发展。结合我国国情，开发应尽可能结构简单，造价低廉，通用性强。 二 、课题方案 （ 一 ） 、课题研究的主要内容 1、 主要研究内容 爬楼 机器人的原理研究和机械结构的设计。 要求机器人能 在平地行驶，攀爬通常 规格 的 楼梯，转弯，以及具备一定的避 障 能力。 对其运动过程 分析 ，提取出爬楼 机器人关键动作，运用运动学和动力学理论分别进行了运动学 （运用 和 动力学分析，最后对爬楼机器人进行 静态稳定性分析。 使用三维实体造型软件 建立了 爬楼 机器人 的 三维实体模型， 然后将 导出的模型导入 件中，定义刚体，添加约束、力、运动等，完成 爬楼 机器人的虚拟样机的机械系统模型。 针对六轮腿移动机器人越障行为进行了仿真 ，对机器人机构设计进行优化。 控制系统的设计。 使机器人能够 自动转弯、与楼梯栏杆（或墙壁）保持一定距离、避开跨越不了的障碍。 2、 关键技术及难点 爬楼 机器人的设计与优化 运动学分析与仿真 虚拟样机的机械系统模型的建立 控制系统的设计 3、 爬楼 机器人结构的 基本原理 9 轮子的机械原理如图 1所示：、 、 为轴， 1为基本构件， 2为太阳轮， 3、4为行星 轮 ， 5为行星 架 （即转臂） ， 6为 小车轮，动力电机 传到轴，轴带动 太阳 轮 2转动， 太阳轮带动行 齿轮 3转动， 再传给 4，机器人前进。 当车轮组机构运行在平直的路面上时，受两个车轮同时着地的约束限制，转臂 5不能转动只能随车沿路面平 动，此时驱动轮系演变成定轴轮系，实现机构在平直面上的快速行驶； 当前进的车轮碰上高障碍（如楼梯）而停止不动时，驱动轮系就演变成行星轮系，转臂 5带着另外 4个车轮绕前轮的轴线回转，实现翻越障碍（即爬楼梯）的目的。 其自由度 F=3 44 其中 图 1 机器人原理图 4、 爬楼 机器人的机构设计 根据原理图和 爬楼梯的要求设计了爬楼 机器人机构 简图， 如图 2。 整个机构设有四个电机，每个电机负责给一个行星轮机构提供动力。电机 10 传递动力给太阳轮所在传动轴的，再通过齿轮之间的相互啮合来传递动力，最终将动力 传递给小车轮，实现平直路面上的行驶。当遇到小障碍物时，行走机构立即演变成行星轮机构，直接跨越。当遇到在攀登范围内的大障碍（楼梯）时，机构一直以行星轮机构作用，达到攀登的目的。当遇到攀登范围之外的障碍，要求机器人转向时，通过控制左右两个电机的转速 快慢来实现。 图 2 机器人机构简图 1、 楼梯 2、 小车轮 3、 4传动齿轮 5、 行星轮 6、 太阳轮 7、 行 星架（转臂） 8、 车架 （二）、 研究目标及创新 爬楼 机器人 要求具有在平面行驶和爬楼梯的功能，当然也具备转向避障和 11 良好的行走线性轨迹。 本机构具有如下特点： 1）能够实现在平直路面上的轮式快速移动，且跨越一定高度的障碍； 2）无需传感装置来检测允可范围（除不可攀越的障碍物）的障碍； 3）平面运动和越障运动之间的转换取决于路面对小车轮的作用力情况，无需复杂的辅助机构来协同定成，机构实现简单。 三 、可行性分析 行星轮系是由太阳轮（几何轴线 固定的齿轮）、 行星轮（随行星架绕主轴线回转的构件）、行星架（支持行星轮 且能承受外 力矩 的构件） 构成的。 本课题研究的 爬楼 机器人基本原理如图 1，从机构分析， 运用差动轮轮系传动比的相关公式，可以得出如下关系式： 25 44 5 2 其中，2为中心齿轮 2的转速；5为转臂 5的转速；4为驱动齿轮 4的转速；2 的齿数；4的齿数。 当驱动轮系为定轴轮系时， 5 =0，所以 2 / 4 = 4Z / 2Z ，车轮 6与中心齿轮 2 具有相同的旋向。当驱动轮系为行星 轮系时， 4 =0，所以2/5=1Z，在电机旋向不变的情况下，要使整个车轮组继续往前运动，转臂的旋向必须和中心齿轮的旋向相同，所以2/5 0，即2 Z 4 Z。当2 Z 4 以提高车轮组的越障能力。 对机器人的运动学分析是采用整车为研究对象，找出爬楼 的最大 坡 度，来优化行星轮、太阳轮及行星架的 尺寸比，并且运用 其仿真。 一种高度集成化的科学计算环境，是集数值计算和图形处理等功能与一体的工程计算及数值分析软件。 有 30多个工具箱， 具箱就是其中应用广泛，影响较大的一个。它是一个用来进行动态系统建模、仿真和分析的集成软件包。不仅可以进行线性系统仿真，也可进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可以实现离散时间系统甚至连续 支持多制式采样率的系统仿真。利用以分析出结构 的运 动轨迹、速度、加速度。 虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。用户使用 以自动生成包括机、电、液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟 12 样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。通过 导出的模型导入 件中，定义刚体，添加约束、 力、运动等，完成爬楼机器人的虚拟样机的机械系统模型。 电机使用单片机进行控制， 通过编码器构成反馈系统；在机器人两侧装上激光测距扫描仪，保证机器人与楼梯的在安全距离范围，通过单片机不断采集信号， 用 正其轨迹；在机器人前端大于越障范围处安装激光测距仪，使机器人原速返回另择路径。 四 、课题进度安排 1 、 2008 年 03 月 2008 年 10 月 ：确定课题题目及研究的内容，收集资料，查阅文献，做前期基础工作 2 、 2008 年 10 月 2008 年 12 月 ：撰写开题报告，开题答辩 3 、 2008 年 12 月 2009 年 06 月 ： 课题研究实施阶段， 完成 主要内容 4 、 2009 年 06 月 2009 年 10 月：撰写论文 5 、 2009 年 11 月；完善论文，论文答辩 。 五 、参考文献 1 蔡自兴编著 北京 :清华大学出版社 ， 2000 2 . I 子工业出版社， 2004 3 蔡自兴 21世纪机器人技术的发展趋势 南京化工大学学报 4 国家 863 计划智能机器人专家组 中国科学技术出版社， 2001 5 梁斌，王 巍，王存恩 中国航天， 2003 6 蔡鹤皋 1 世纪技术发展的热点 1 卷 7 罗志增，蒋静坪 北京 :机械工业出版社， 8 张海洪 龚振邦 . 具有越障功能的全方位移动机构研究 . 高技术通讯 ,2001 9 蔡改贫 吴光华 欧阳田 . 越障机器人运动学分析与仿真 10李贻斌，刘明，周风余 系统工程与电子技术， 1999;21(9):5511 张骏 杨杰 杜华生 吴月华 吴建兵 . 关于 小型越障机器人越障过程中本体位姿控制的研究 . 中国科学技术大学学报 ， 13 12 王德新 王付锐 董二宝 宋轶群 杜华生 杨杰 . 自主越障机器人在非结构化环境下的越障控制研究 13 汪增福 关胜晓 曹洋 . 一种主动适形越障机器人的设计与特性分析 机仿真 . 14 陈慧宝 李婷 徐解民 . 关节式履带机器人的爬梯性能研究 . 电子机械工程 1. 15 肖 俊君 尚建忠 罗自荣 . 一种多姿态便携式履带机器人传动和结构设计 . 机械设计 ， 16 庞涛 尹志强 朱华炳 柳欣 . 爬楼梯小车控制系统的研制 . 合肥工业大学学报 ， 17 唐鸿儒 宋爱国 章小兵 . 基于传感器信息融合的移动机器人自主爬楼梯技术研究 . 传感技术学报 ， 18 苏和平 王人成 . 一种双联星形轮机构电动爬楼梯轮椅的设计 19 苏和平 王人成 . 爬楼梯轮椅的研究进展 20 乔风斌 杨汝清 . 六轮移动机器人爬楼梯能力分析 . 机器人 . 21 武明 项海筹 张济川 . 新型爬楼梯轮椅稳定性的灵敏度分析 . 甘肃工业大学学报 . 22 范明聪 吴月华 杨杰 . 高机动性越障机器人运动学分析与轨迹控制研究 23 康玉辉 . 基于虚拟样机技术的六轮腿移动机器人研究 . 南京理工大学硕士学位论文 24 白琨 . 履带式移动机器人越障能力的研究 . 内蒙古工业大学硕士学位论文 ， 2007. 25 陆丰勤 . 多功能爬楼梯装置的研 究及控制系统的设计 . 南京理工大学硕士学位论文 ， 2008 26 李天庆 . 基于多传感器融合的机器人自主爬楼梯研究 ， 合肥工业大学硕士学位论文 ， 2008 27 瞿亮 北京 2006 28 刘金馄 北京 003 14 29 王正林，王胜开，陈国顺 北京 2005 30 苏金明，王永利 北京 业出版社