全国3D大赛优秀作品---助老助残爬楼梯机器人说明书.pdf

团队编号团队编号3DDSG429团队编号团队编号 3DDSG429 作品名称 助老助残爬楼梯机器人说明书作品名称 助老助残爬楼梯机器人说明书 参赛团队 旗舰队参赛团队 旗舰队 目录目录 一一 背景及研发现状背景及研发现状 系统系统拆分及模具体现拆分及模具体现二二 系统系统拆分及模具体现拆分及模具体现 数控编程数控编程有限元分析有限元分析数控编程数控编程 有限元分析有限元分析 三三 原理分析原理分析关键技术关键技术三三 原理分析原理分析 关键技术关键技术 四四 应用领域及市场前景应用领域及市场前景四四 应用领域及市场前景应用领域及市场前景 1研发背景一1 研发背景 1 目前老龄化严重 给医护护理及子女带来了巨大压目前老龄化严重 给医护护理及子女带来了巨大压 力力 我我们急们急需需一批一批高智高智能化能化机机器人为人服器人为人服务务 力力我需高智机务我需高智机务 2 城市化加快 平房被楼房所代替 给老人及残疾人 带来了巨大挑 城市化加快 平房被楼房所代替 给老人及残疾人 带来了巨大挑战战 战战 3 随着智能化 自动化 先进机构技术不断提高 给 智能化爬 随着智能化 自动化 先进机构技术不断提高 给 智能化爬楼楼机器人研究带来了巨大挑战机器人研究带来了巨大挑战楼楼 发展状2 发展现状 目前爬楼机器人主要分为三类目前爬楼机器人主要分为三类 1 轮式爬楼梯机器人 利用轮或轮传动达到行进和爬行目的的机器人 利用轮或轮传动达到行进和爬行目的的机器人 其主要为行星式机器人其主要为行星式机器人能实现重载能实现重载且较平稳且较平稳但自动化程度不高但自动化程度不高需借助于需借助于其主要为行星式机器人其主要为行星式机器人 能实现重载能实现重载 且较平稳且较平稳 但自动化程度不高但自动化程度不高 需借助于需借助于 附加人力 在自动调节座椅水平方面存在很大缺陷 附加人力 在自动调节座椅水平方面存在很大缺陷 2 履带式爬楼梯机器人 利用履带达到行进和爬行目的的机器人 其利用履带达到行进和爬行目的的机器人 其 能适应不同规格的楼梯 但工作时噪音较大 能量损失较高 对楼梯破坏较重 能适应不同规格的楼梯 但工作时噪音较大 能量损失较高 对楼梯破坏较重 3 腿式爬楼梯机器人 利用类似于腿的结构达到行进和爬行目的的机利用类似于腿的结构达到行进和爬行目的的机 器人器人其能较好的适应不同规格的楼梯其能较好的适应不同规格的楼梯创意新颖创意新颖但目前自动化程度较低但目前自动化程度较低需需器人器人 其能较好的适应不同规格的楼梯其能较好的适应不同规格的楼梯 创意新颖创意新颖 但目前自动化程度较低但目前自动化程度较低 需需 借助于附加人力 且座椅不能保持水平状态 借助于附加人力 且座椅不能保持水平状态 3 各爬楼方案总结 各爬楼方案总结 轮式 履带式 腿式爬楼梯机器人虽能实现上下楼功能 轮式 履带式 腿式爬楼梯机器人虽能实现上下楼功能 但存在以下缺陷但存在以下缺陷但存在以下缺陷但存在以下缺陷 1 动化程度不高动化程度不高 需借助于附加人力需借助于附加人力 1 动化程度不高动化程度不高 需借助于附加人力需借助于附加人力 2 座椅不能时刻保持水平状态 在上下楼过程中 使人 感到不舒服 座椅不能时刻保持水平状态 在上下楼过程中 使人 感到不舒服 3 对楼梯破坏较重 噪音较大 能量损失较高 对楼梯破坏较重 噪音较大 能量损失较高 鉴于此 我们研发鉴于此 我们研发 如下爬楼机器人如下爬楼机器人如下爬楼机器人如下爬楼机器人 二 1 二 1 系统拆分 1 座椅结构座椅结构 2 前轮 3 后轮部分 4 探测杆 探测杆简图探测杆简图探测杆简图探测杆简图 2 模具分析 凸模凸模 凹模冷却系统凹模冷却系统 凸模凸模 整体模具整体模具模具正视图模具正视图整体模具整体模具模具正视图模具正视图 3 数控编程 编辑页面编辑页面 3 数控编程 编辑页面代码页面 4 有限元分析 应应应应变变分分析析析析 应应力力力分力分分分析析 三 结构设计及原理三 结构设计及原理 主乘坐机构主乘坐机构主乘坐机构主乘坐机构 工作原理 1 车体在爬楼过程中 前轮高后轮低 此时电动推杆1伸张 推杆2保 工作原理 1 车体在爬楼过程中 前轮高后轮低 此时电动推杆1伸张 推杆2保 持地的状态持地的状态使座椅始终保持水使座椅始终保持水持持平平地的状态地的状态 使座椅始终保持水使座椅始终保持水平 2车体在下楼过程中 前轮低后轮高 此时电动推杆2伸张 推杆1保持 平地的状态 使座椅始终保持水平 平 2车体在下楼过程中 前轮低后轮高 此时电动推杆2伸张 推杆1保持 平地的状态 使座椅始终保持水平 上楼机构上楼机构变轮变轮的设计的设计上楼机构上楼机构 可可变轮变轮的设计的设计 收缩时的可变轮收缩时的可变轮张张开始的可变轮开始的可变轮收缩时的可变轮收缩时的可变轮张张开始的可变轮开始的可变轮 在平路上行走时 可变轮收缩成跟普通轮一样的轮子 可在平稳的路面上在平路上行走时 可变轮收缩成跟普通轮一样的轮子 可在平稳的路面上 行驶 当爬楼时 爬升爪张开 通过爪与楼梯接触 使整个车架上升 从而完 成爬楼过程 可变轮采用双电机结构 正常时 两个电机工作状态相同 当需 要转弯时 通过控制电机 使两轮转速一大一小来实现转弯 行驶 当爬楼时 爬升爪张开 通过爪与楼梯接触 使整个车架上升 从而完 成爬楼过程 可变轮采用双电机结构 正常时 两个电机工作状态相同 当需 要转弯时 通过控制电机 使两轮转速一大一小来实现转弯 后轮部分后轮部分 后轮采用的是仿履带 结构是以TAQTCarrier履结构 是以TAQTCarrier履 带式机器人为参照改进的 只不过把他的履带式改为只不过把他的履带式改为 多个小轮式的 这样既使 机器人在爬楼过程中保持机器人在爬楼过程中保持 平稳 又大大的减少了噪 音音 下下楼机构楼机构 探测杆的设计探测杆的设计 采用机械式弹簧减震系统采用机械式弹簧减震系统保证下楼时平稳保证下楼时平稳舒适舒适采用机械式弹簧减震系统采用机械式弹簧减震系统 保证下楼时平稳保证下楼时平稳 舒适舒适 探测杆原理图探测杆简图探测杆原理图探测杆简图 探测杆探测杆主要由三部分组成 第一部分是杆上的动力系统 电机 按理说 这部分可以不用但我们考虑到上楼时若不用则探测杆会对爬楼有阻碍作用这部分可以不用 但我们考虑到上楼时 若不用 则探测杆会对爬楼有阻碍作用 影响爬楼效率 我们通过加一个小电机 使之上楼时往后摆 便解决了探测杆阻碍 爬楼问题 第二部分是杆的减震系统 其原理类似于我们所熟知的机械式弹簧减震系统第二部分是杆的减震系统 其原理类似于我们所熟知的机械式弹簧减震系统 通过内部螺纹杆与外筒套的调节 来满足不同体重乘坐者在乘坐时 系统可提供足 够且适宜的支持力 保证在下楼过程中的安全性 舒适性 第三部分是电磁控制系统 即探测杆上的电磁铁 通过使用内置的受压弹簧 第三部分是电磁控制系统 即探测杆上的电磁铁 通过使用内置的受压弹簧 我们可以保证机器人在上下楼过程中 当直线驱动轮脱离台阶后 始终有支持力作 用 防止发生侧翻事故 而且 由于弹簧元件的高预紧压缩量和适中的弹簧系数 可保证探测杆的滑行轮与地面脱离接触时 探测杆可在较短的时间内到达下阶台阶可保证探测杆的滑行轮与地面脱离接触时 探测杆可在较短的时间内到达下阶台阶 面 这时直线驱动轮刚刚要脱离本阶台面 这种工作形式既可有效保证其安全到达 下阶台面 又可保证一定运行速度 使机器人在水平方向上始终处于移动状态 这 是机械式弹簧减震机构优于其他直线驱动机构的一点 探测杆探测杆 实现平稳下楼实现平稳下楼 主乘坐主乘坐 上下楼过上下楼过主乘坐主乘坐 上下楼过上下楼过 程保持座椅水平程保持座椅水平 可变轮可变轮用用可变轮可变轮 用用 于平地和楼 梯行走 于平地和楼 梯行走 角度传感器角度传感器与电动推杆的配合角度传感器角度传感器与电动推杆的配合 要真正保持水平 则角度传感器所产生的 信号必须准确且无延时地送给电动推杆使之信号必须准确 且无延时地送给电动推杆 使之 工作 我们在座椅的扶手上 安装了信号转换器 将角度传感器传来的微弱电信号经放大传给电将角度传感器传来的微弱电信号 经放大传给电 动推杆的动力系统 使之工作 将主平台调平 可变轮收缩与张开的控制可变轮收缩与张开的控制 可变轮张开是为了爬楼 但如果一直张开 就会使得其 在平路上行走很颠簸 所以 其收缩与张开是机器人行驶时 能否平稳进行的关键能否平稳进行的关键 轮的收缩是在轮上加钢绳拉紧所致 每对转动副上都有 钢绳连接 且最后前面两个轮上钢绳连在一起 接入电机 钢绳连接 且最后前面两个轮上钢绳连在起 接入电机 通过对电机的控制 来释放或缠绕钢绳 而每对轮辐间有一 个弹簧 当轮子收缩时 弹簧压缩 前视前视 侧视侧视 上楼上楼 创新性结构创新性结构 上楼 创新性结构创新性结构 主乘坐 上下楼过程保持座椅水平主乘坐 上下楼过程保持座椅水平 可变轮 用可变轮 用 于平地和楼 梯行走 探测杆 实现平稳下楼 下楼下楼 答答 四 应用领域及市场前景四 应用领域及市场前景 应用领域 应用领域 此产品主要供于老年人及残疾人上下楼梯 使他 们行