毕业论文-前组协调式爬楼梯机器人设计

前组协调式爬楼梯机器人 II 摘 要 目前，世界上有众多国家在研究机器人，其中大多国家已涉足商业服务机器人的开发。随着服务性机器人进入到人们的生活，它给人们带来了很多帮助和便利 .比如把可以翻越障碍的机器人应用到轮椅上，这样可以辅助残疾人上下楼梯。本文所设计的前组协调式机器人， 它可以实现爬楼梯功能， 由步进电机做为驱动，依靠机器人的平行四边形结构实现爬楼梯过程， 通过尾部轮组让机器人可以很平稳的爬楼梯。而且机架之间由一块较宽的杆件连接，这样机器人的整体就非常的牢固。该机器人的机构简单、性能优越、活动范围大，而且造价也很低。如果我们把这种机器人应用到轮椅上，这样不仅可以大大改善残疾人的生活质量，而且对于轮椅行业的发展也具有推动作用 .在这样的环境下，它具有很大的市场潜力。 关键词 ：服务机器人，轮椅，爬楼梯装置 前组协调式爬楼梯机器人 III Abstract At present， many countries around the world in the study of robot， most countries have involved in business services robot development. With service robots into peoples lives， it brings a lot of help and facilitate to the human being. For example ， that acrossing over the barriers robot can be applied to the wheelchair， his can help people with disabilities climb stairs. This article is designed a kind of coordinate robot， i。 t can bring about climb stair function， which is drived by step motor， and it rely on robot parallelogram structure to achieve the process of climbing stairs. And it also can climb stairs smoothly through rear series wheel.There s a wide range bar connection between frame shelf， so that the whole robot is very rigid.The robot mechanism is simple and has superior performance、 large range of activities ，and also low cost. If we apply such a robot to the wheelchair， so can not only greatly improve the quality of life of persons with disabilities， but also promoting the development of the industry for a wheelchair. In such an environment， it has great market potential. Keywords: Service robots， wheelchair， Stair climbing device 前组协调式爬楼梯机器人 IV 目 录 第一章 前 言 1 1.1 引言 1 1.2 机器人的发展现状 7 1.3 智能轮椅的发展 9 1.4 本课题的研究内容和意义 .10 1.4.1 研究意义 .10 1.4.2 研究内容及拟解决的问题 .11 1.5 小结 11 第二章 总体设计方案 .12 2.1 概述 .12 2.2 爬楼原理及运动分析 .13 2.2.1 爬楼梯原理 .13 2.2.2 爬楼过程的运动分析 .14 2.2.3 爬楼性能分析 .15 2.3 具体的零件设计 .15 2.3.1 连杆 .15 2.3.2 本体 .15 2.3.3 轴 .16 2.3.4 轮子 .17 2.3.5 齿轮 .17 2.3.6 轴承 .17 2.4 电源的选择： .18 2.5 前组协调式爬楼梯机器人的电机选择 .18 2.6 前组协调式爬楼梯机器人装配图 .21 2.7 小结 .21 第三章 零部件的校核 .22 3.1 轴的校核 .22 3.1.1 选择轴的材料 .22 3.1.2 按弯扭合成强度计算 .22 3.2 平键连接的强度校核 .27 3.2.1 键的选择 .27 3.2.2 对大齿轮和轴连接的键进行校核 .27 3.2.3 对轮胎与轴连接的键进行校核 .27 3.3 轴承的校核 .28 3.4 齿轮的校核 .28 前组协调式爬楼梯机器人 V 3.4.1 齿轮选择 .28 3.4.2 精度等级的选择 .28 3.4.3 齿轮几何尺寸及强度的计算 .29 3.5 小结 .31 第四章 电控部分 .32 4.1 驱动系统的设计 .32 4.1.1 控制要求 .32 4.1.2 控制面板的设计 .33 4.2 电路图及压 /频转换 .34 4.2.1 电路图 .34 4.2.2 精密压 /频转换器 .35 4.3 小结 .35 第五章 技术经济分析与对未来的展望 .36 5.1 技术分析 .36 5.2 经济分析 .36 5.3 未来展望 .36 5.4 小结 .37 参 考 文 献 38 致 谢 .40 声 明. 41 前组协调式爬楼梯机器人 1 第一章 前 言 1.1 引言 针对前组式爬楼梯机器人的设计，是要把它合理的应用到智能轮椅上去，去改变原来所用的轮椅的形态，使它更好的为残疾人服务。这种机器人属于服务型机器人，像这样的机器人还有很多。 从 1959 年美国第一台工业机器人到本世纪 80 年代初， 机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。制造价格不断降低，而其质量与性能却在迅速提高。开拓了机器人行业的新进展。 就目前看来机器人可分为以下两大类： 1.工业机器人。工业机器人已经广泛地应用于各种自动化生产线上，它是机器人家族中最重要的成员，工业机器人由操作机 (机械本体 )、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制，可重复编程，能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备， 工业机器人包括模仿人类关节结构的关节型工业型机器人直角坐标型机器人，园柱坐标型机器人、球坐标型机器人、喷漆机器人、焊接机器人等等。 图 1-1 搬运机器人 图 1-2 全位置智能焊接机器人 2.先进机器人。近年来，人类活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发，消防、战斗系统，宇宙探测、采掘、建筑、医前组协调式爬楼梯机器人 2 疗服 图 1-3 各种机器人 务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。 前组协调式爬楼梯机器人 3 21 世纪，机器人可能会成为与我们朝夕 相处的伙伴，各国都在加大力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。 针对机器人的迅速发展，才会想到把它应用到各个领域上。我们根据它其除了平地行走的基本功能外，还能够翻越障碍，如爬楼梯这个特点把它应用到轮椅上再好不过了。而需要解决的是它怎样如何实现这个爬楼梯的过程，可以很好的让轮椅自己爬楼梯。 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Bray 发明的爬楼梯轮椅。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分为履带式、轮组式、步行式以及其他附加辅助式爬楼梯装置。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。 1.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。如图 1.4(a)所示是英国 Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底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15-20 个台阶。图 1-4 是法国 Topchair 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它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。日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基础上，研究了一种代号为 “Sakadankun” 的双履带式的爬楼梯装置，如图 1-4(c)，即左右两侧各有两组履带相互连接在一起，解决了在水平状态与楼梯倾角切换时，座椅倾角过大而影响使用安全的问题。 图 1-4 履带式爬楼梯装置 前组协调式爬楼梯机器人 4 履带式爬楼梯装置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 :论文多功能爬楼梯装置的研究及控制系统的设计，如图 1.5(a)-(c)；按照所使用的轮组的对数不同又可分为单轮组式和双轮组式。 单轮组式是指装置中仅使用了一对轮组，如图 1.5(a)-(c)所示 :而双轮组式是指在装置的前后各使用了一对轮组，如图 1.5(d)。每个轮组依照星形轮系的运动方式，各个小轮既可以绕各自的轴线自转， 又可以随着系杆一起绕中心轴公转。 平地行走时， 各小轮自转；而爬楼梯时，各小轮一起公转。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。 图 1-5 轮组式爬楼梯装置 图 1-5(a)是美国著名发明家 Dean Kamen 发明的一种能自动调节重心的两轮组式轮椅 IBOT。它有 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。 iBOT 几乎能适用于所有楼梯，此外它也能在沙滩、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 iBOT3000 发展到了前组协调式爬楼梯机器人 5 iBOT400O，功能也越来越强大，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 iBOT 的爬楼方式，采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。东南大学机械学院设计的爬楼轮椅采用了四组星形轮，每三个一组，共十二个轮子，除能爬楼梯外还具有遥控的功能。 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。日本早稻田大学理工学术院高西淳夫教授的研究室以及日本机器人开发风险企业 Tmsuk 联合开发的双足行走机器人“wL-16RIII，如图 1-6(a)所示，它由两条机械腿支撑一个座椅构成，每条机械腿有 6 个自由度，可向前、后、侧面移动，座椅底部装有陀螺仪，每条腿上装有压力传感器，通过传感器采集信息，控制其实时调整姿态保持重心平稳。两腿前后伸展距离最长为 1.02 米，左右最长 1.36 米，每条腿上下运动幅度最大 0.34 米。日本长崎大学机械工程系研究了一种高阶爬楼梯装置（如图 1-6)，它由一系列液压操作杆和前后两组星型轮构成，集步行式与轮组式设计理念于一体。装置通过星型轮的翻转上下楼梯，座椅底部的传感器检测装置的平衡情况，控制操作杆自动调节使装置在爬楼过程中始终位于稳定裕度内。在平地使用时，操作杆可以折叠于座椅底部，节省了使用空间。它的最大优点是爬楼幅度较高，甚至能自行上下货车。 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.其他辅助装置 前组协调式爬楼梯机器人 6 为降低制造成本，方便用户安装携带，出现了一批在现有的轮椅上附加辅助设备即可实现爬楼梯的装置。国内研究的比较多的是手动爬楼梯的轮椅，清华大 图 1-6 步行式爬楼梯装置 学精密仪器及机械学系康复工程研究中心已经取得了手动爬楼梯轮椅的专利， 如图 1.7(a)所示。它是在普通轮椅上加设一套爬楼梯执行机构和驱动系统，既可以在平地行驶，又可以仅凭使用者双臂的力量使轮椅上、下楼梯。它结构简单、造价低廉，符合我国的国情 :但是设计中仍存在一些问题，如轮椅在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问题等，其研究也仅停留在理论水平的基础上，并未投入实际应用。 国外比较具有代表意义的是德国 Alber公司开发的 scalamohile爬楼梯辅助装置，如（图 1-7）所示。它是独立于轮椅的一种辅助装置，左右两侧各有两组爬楼梯轮。 它可以方便地和轮椅结合， 依靠这两组轮子的轮流翻转上下楼梯； 同时，每个轮子上都设有自动刹车装置，防止在楼梯边缘打滑。这种装置体积小、重量轻，便于存放和携带，几乎适用于所有楼梯。 Scalamobile 的不足之处是必须在旁人辅助下使用。 除了在轮椅上安装辅助设备外，还出现了一批承载轮椅上下的平台装置，这些装置大多基于楼梯轨道运行，原理简单，易于实现。 图 l-7(c)是加拿大GaraventaLift 公司生产的轨道式爬楼梯装置 “GSLArtira”， 它需要在楼梯上安装轨道，将轮椅直接置于平台装置上沿轨道实现上下楼的运动。这类装置在欧美国家比较具有使用潜力，因为欧美以独立别墅居多，以独门独户为单位，使这种平台装置与住房的结合易于实现；而国内城市以多层公寓式楼房居多，统一铺设轨道前组协调式爬楼梯机器人 7 需要很大的代价，不切实际。此外，户外楼梯各式各样，针对不同形式的楼梯，需要设计不同的轨道，代价过高，不易推广。 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 图 1-7 辅助爬楼梯装置 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，为了解决轮椅使用受限的问题， 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。 1.2 机器人的发展现状 目前，世界上有众多国家在研究机器人，其中大多国家已涉足商业服务机人的开发。在日本、北美和欧洲，迄今己有近十种类型计数十款服务型机器人入实验和半商业化应用。 日本是世界上发展商业服务机器人最早的国家，目前己有 10 多种服务型器人问世，推动本国商业服务机器人产业发展已成为日本政府既定国策。很长段时间以来，日本一直是世界上最大的机器人制造国，其产量是世界其他国家和的两倍。日本拥有一批年轻、知识渊博的机器人专家，在注册的 5000 多名器人工程师中，近一半是专门研究人工智能领域的。以追求产业开发为导向的本，已经与善于创新的美国在人工智能研究水平上难分伯仲。现在，日本的松电工、 NEC、索尼、丰田、本田等公司都在每年投资上亿美元开发商业服务机人，以保持自己在世界上的领先地位。 近几年，日本公司推出一些家庭服务类机器人，可以起到保安、打扫卫生、照顾老人等作用。由于人工智能、声音及图形识辨科技、无线电脑网络的不断发前组协调式爬楼梯机器人 8 展，新一代家庭机器人将更 “自立 ”与互动，不再需要遥控。在高端方面，索尼公司推出的宠物机器人和机器狗，可以取物，回答主人的问话、照相，当电池不足时可以自己寻找电源插座并给自己充电。 商业服务机器人将为社会带来巨大的效益，也会为其制造者带来滚滚财源。日本在世界机器人产品市场上在占据了很大份额，其机器人产品的造型跟日本其他产品一样，结合传统的理念，运用现代的元素和构成手法，走在了设计的前沿。产品精细，线条洁净简约、实用至上，并带有民族印记。 美国是机器人的诞生地，比起号称 “机器人王国 ”的日本起步至少要早五六年。经过 40 多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进，尤其在工业机器人及军用机器人方面格外引人注目。 2004 年在美国加利福尼亚州 SantaClara 举办的机器人展 “RbNexuS”上，美国机器人产业在商业服务机器人市场开拓方面表现出了积极的动作。该展会的发起者 iRobot 公已于2002 年 9 月推出了低价位机器人吸尘器 “Roomba”， 截止 2004 年 7 月成功售出了50 万台。此外还有大型客机清洗机器人、汽车加油机器人等各种服务型机器人被广泛使用。美国还致力于电子元器件的研究开发，这为商业服务机器人向高性能及低价位迈进提供了支持，并使商业服务机器人模块化成为可能，以增加产品的适用性及趣味性。目前，中国的机器人研究也取得了一些成绩，科研部门和大专院校也在这一领域有所建树。 05 年 1 月 16 日，我国第一台具有自主知识产权的家用服务机器人 “自主吸尘机器 ”， 是由浙江大学流体传动及控制国家重点实验室研制成功。 浙江大学科技人员经过 8 年的研究， 在多个方面进行了原始性创新，拥有完全的自主知识产权，目前己授权发明专利 1 项，实用新型专利 2 项，并已申请发明专利多项。沈阳新松机器人自动化股 份公司研制出了一台名叫 “亮亮 ”家庭机器人。它的下身有两个如汽车尾灯的东西，叫声纳探测，可帮助它躲避障碍物而在家中自如行走。它能唱歌、会说相声、能报警、会发短信，还能教孩子英语。在哈尔滨工业大学，一个能自主走路、说话、干活，同时还能照顾人类、保卫家庭安全的家庭机器人即将诞生。 随着工业的发展，服务机器人不断的出现在人门的生活当中。智能轮椅作为移动机器人的一种，主要用来辅助老年人和残疾人的日常生活和工作，是对他们弱化的机体功能的一种补偿。 智能轮椅在作为代步工具的同时又可以使用携带的机器手臂完成简单的日常活动，使他们重新获得生活能力，找回自立、自尊的感觉，重新融入社会。因而，智能轮椅的研究得到越来越多的关注。为了满足操纵功能低下的一部分人的需要，研究人员将移动机器人技术应用于轮椅，并在机动性能、导航与控制、安全等方面着重考虑，从而研制出了智能轮椅。其典型结构前组协调式爬楼梯机器人 9 就是在电动轮椅上面安装控制系统和环境检测装置， 或者在移动机器人平台上面安装座椅构成。随着机器人控制技术的发展，智能轮椅在更现实的基础上，有了更好的交互性、适应性和自主性。本文旨在介绍智能轮椅的研究现状、发展趋势和其中的关键技术。 1.3 智能轮椅的发展 自 20 世纪 70 年代开始，智能轮椅的发展共经历了 4 个阶段。图 1.8 列出了各个发展阶段的主要研究项目从这些项目可以看出， 第一阶段主要进行了一些探索性的研究，第二阶段则是以 MANUS 为代表车载手臂的设计研究及产品化，从 90 年代开始智能轮椅得到了真正的发展，很多研究机构都研制出了样机，而带手臂智能轮椅则是第四阶段的主要特征和当前的研究热点。 图 1-8 主要智能轮椅机器人研究项目示意图 区分智能轮椅最明显的特征就是它的构型。 早期的智能轮椅都是在移动平台上安装座椅构成，如助残自动装置 (autonomous vehicle for people with motor disabilities， VA H M )等。智能轮椅发展到今天其结构已经发生了重大改变，大部分都是在商业轮椅基础上改造而来， 如具有高度机动性和良好导航能力的助残办公室轮椅 (office wheelchairwith high maneuverability and navigational intelligence forpeople with server handicap， OMNI)、助老 /助残轮椅 (mobilityaid for elderly and disabled people， Maid)等，一小部分智能轮椅采用了模块化设计，如西班牙模块前组协调式爬楼梯机器人 10 化辅助轮椅 (Spanishacronm for integral system for assisted mobility， SIAMO)。而带手臂智能轮椅在作为代步工具的同时， 又可以使用它携带的手臂帮助残疾人和老年人完成一些简单的日常生活， 如德国不来梅大学自动化学院研制的辅助残疾人日常生活的智能轮椅 FRIEND I 和 FRIEND (a friend for assistinghandicapped people)，韩国研制的康复系统 KARES和 KARES (KAIST rehabilitation engineering system)等，成为当前研究的重点。 作为智能轮椅的一个重要组成部分， 车载轻型机械臂在过去几十年里也得到了快速发展。目前，在市场上运作非常成功的为荷兰 Exact Dynamics 公司生产的MANUS 手臂，它是专门用于轮椅安装的，该手臂的初样共有 8 个自由度，投放市场后，根据用户反馈的情况，后来由 Exact Dynamics 公司将其改进成具有 6个回转自由度，安装于一个可升降底座上，结构精巧、灵活可靠，目前已销售160 多套紧随其后的为助残手臂 Handy1(a robotic aid to independence for theseverely disabled)，它具有 4 个自由度，售价为 MANUS 的一半，已安装于多种轮椅。 目前智能轮椅技术有了较大的发展， 从技术上能够较好地满足各种残障人士和老年人的需要，但是在实用性能上还需要进一步完善和提高。主要表现在一些高技术仍处于研发和试验阶段，成本较高，结构化、系统性不强。智能轮椅技术发展方向如下 :智能化，人性化，模块化，产品化。 1.4 本课题的研究内容和意义 1.4.1 研究意义 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。 所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。 而服务机器人，随着工业化的发展，尤其近十年以来，机器人的发展的应用领域在不断拓宽，目前一个很重要的特征，大家都知道，机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业，刚才谈的汽车制造属于是制造业，但服务行业包括清洁、加油、救护、抢险、救灾这些等等，都属于非制造行业和服务行业，那么这里边跟工业机器人相比，它有一个很重要的不同，它主要是一个移动平台，它能够移动、去运动，上面有一些手臂进行操作，同时还装有一些像力觉传感器前组协调式爬楼梯机器人 11 和视觉传感器、超声测距传感器等等。它对周边的环境进行识别，来判断它的运动，完成某种工作，这是服务机器人的基本的一个特点。 本课题通过对前组协调式爬楼梯机器人的研究， 以便于可以设计出能够为人类服务的机器人。通过研究协调式爬楼梯机器人的结构原理让它成为服务机器人，根据它的原理应用到智能轮椅上。 1.4.2 研究内容及拟解决的问题 首先了解一下多功能爬楼梯装置，它主要由以下四部分组成 :车身、机械传动机构、执行电机及其驱动控制系统。车身包括座椅和支撑座椅的两侧框架。机械传动机构主要由车轮和链条组成，装置底部安装两组车轮，前后各一组。前面一组是主驱动轮，在平地无障碍的情况下，用主驱动轮可实现装置的平地运动功能，类似于普通的电动轮椅；后面一组是爬楼辅助轮，在遇到楼梯、台阶等障碍时，可通过这组车轮的交替运动来跨越障碍。前后两组车轮具有独立的电机执行机构和驱动控制系统。 之所以要了解这个多功能爬楼梯装置跟我所要研究的爬楼机器人有相似之处。 而本论文所要研究的前组协调式爬楼梯机器人主要是一种小型机器人装置，其除了平地行走的基本功能外，还能够翻越障碍，如楼梯。其主要特点是前面两边各有两个轮子通过连杆连接，形成爬楼机器人主体，后侧有一组轮子实现爬楼辅助功能。该机器人由前、中、后三个轮组相互配合进行爬楼梯过程，用胶皮轮作为行走机构，这样可以加大与地面的摩擦，防止打滑。利用梁将电机、齿轮紧密地捆绑在一起，防止齿轮间脱落、打滑。 它的每个轮组都是通过连杆连接，然后在通过电机的驱动使它们动起来。首先前面的轮组通过后面两个轮组推动是它迈出第一步， 接着中间的轮组通过前面的轮组拉动和后面的轮组推动迈出第二步，后面的轮组紧跟着爬上楼梯，同时也起到保持平衡的作用。如何实现这些动作，就是目前所要解决的。 1.5 小结 本文首先介绍了机器人的发展史， 然后介绍了机器人的几大分类以及应用的领域。阐述了前组协调式爬楼梯机器人在应用当中的意义，以及所要解决遇到的问题。 前组协调式爬楼梯机器人 12 第二章 总体设计方案 机器人的爬楼梯机构是由 4 个连杆机构组成一个平行四边形机构， 通过四边形机构实现爬楼梯过程。首先由连杆机构组成机器人的框架，通过连杆使平行四边形机构跟轴连接，然后在每个轴上安装一台电机作为驱动 .当机器人在行走过程当中如遇到障碍物（楼梯） ，通过轴不停的转动平行四边形机构会发生变形。在这种情况下，当轮子与障碍物（楼梯）接触的时候，平行四边形机构会随着受到的外力变形，又由于电机带动轴转使连杆不断受到外力，迫使机器人越过障碍物 (楼梯） 。 整个机器人中的杆件都是选用铝作为材料，这样使它的总质量可以达到很轻，而且铝这种材料价格也很便宜很普遍，很容易买到。 为了让机器人在爬楼梯或行走中更加平稳， 本文在它的机架中间用一个较宽的杆件把两侧固定起来，以便在机器人爬楼梯过程中更加稳固。 它的驱动元件是由 3 个步进电机组成，这 3 个电机分别按在 3 个轴上，然后靠齿轮传动，带动轴的转动。 机构尺寸参数： 1.连杆：长度 L=160mm 宽度 B=20mm 2.轴长：长度 L=400mm 直径 D=40mm 3.轮子：直径 D=60mm 2.1 概述 前组协调式爬楼机器人主要是一种小型机器人装置， 其除了平地行走的基本功能外，还能够翻越障碍，如楼梯。其主要特点是前面两边各有两个轮子通过连杆连接，形成爬楼机器人主体，后侧有一组轮子实现爬楼辅助功能。 主体框架：由前，中，后 3 个轮组成，在机架中部装有本体（驱动系统） ， 3个电机。 具体简介：连杆的长短可根据楼梯来选择；用胶皮轮作为腿的脚，这样可以加大与地面的摩擦，防止打滑；中间轮适当加宽可防止机器人走偏。 制作齿轮箱：利用梁将电机、齿轮 紧密地捆绑在一起，防止齿轮 -间脱落、打滑。 均衡利用三个电机：将三个电机串联起来，使前轮、中间轮、后轮得到相同的扭矩，防止机器人走偏。 前组协调式爬楼梯机器人 13 图 2-1 前组式爬楼梯机器人 2.2 爬楼原理及运动分析 2.2.1 爬楼梯原理 前组协调式爬楼机器人主要是一种小型机器人装置， 其除了平地行走的基本功能外，还能够翻越障碍，如楼梯。其主要特点是前面两边各有两个轮子通过连杆连接，形成爬楼机器人主体，后侧有一组轮子实现爬楼辅助功能。如图 2-2 图 2-2 前组协调式爬楼梯机器人结构 该结构主要由驱动电机、轴、齿轮、连杆、轴承组成。电机跟连杆固定并且电机轴与小齿轮连接用螺钉固定，大齿轮和轴用键连接，轴承与轴和连杆都为紧配合。前轴和中间轴之间由连杆形成了一个平行四边形结构，它是这个爬楼机器人的关键。后边的连杆与本体连接形成一体，当爬楼梯时，它随着本体与机架转动保持机器人的平稳。 前组协调式爬楼梯机器人 14 2.2.2 爬楼过程的运动分析 本文所设计的机器人是依靠其平行四边形结构在不同时间的形状而进行爬楼运动的。在平地时，平行四边形结构为矩形，不受任何外力只受自身重力。电机驱动机器人向前行走时给它个推动力， 当它接触到楼梯时受到了楼梯带来的阻力四边形发生变行， 但是电机没有停止转动不断给机器人推动力迫使前轮翻越楼梯，同时平行四边形结构带动中间轮和后轮向前运动。 图 2-3 前组协调式爬楼梯机器人爬楼过程 机器人爬楼梯过程如图 2-3 中最上方那幅图是机器人在平地行走时的状态，这时候整个机器人都很稳固，和平常小车行驶一样。电机驱动轴不挺转动，在轴与机架之间用轴承连接，这样可以说除了驱动力跟自身重力不在有任何外力；中间图为机器人受到楼梯的阻力时，平行四边形的形态。在这个时候，电机仍然不停的工作。由于平行四边形结构上下左右四个边的连接情况不一样，所以会导致形状随受力发生变形。 平行四边形结构的上边那根连杆与左右连杆是由梯形轴连接，而下边那根连杆与左右连杆是固定住的 。当遇到楼梯时，前轮会受到阻力并且向行走的反方向移动，与前轮连接的连杆还是向原方向移动。因为每个轮都有电机驱动，所以说驱动力大于机器人受到的阻力，迫使前轮滑过楼梯；最下方图为机器人上台阶时平行四边形结构的形态，当机器人的前轮爬到上一阶楼梯后，电机仍然驱动每个轮子转动。当中轮遇到楼梯的时候后，同样受到楼梯带来前组协调式爬楼梯机器人 15 的阻力向反方向移动， 这时候平行四边形发挥它的作用使前轮站立起来同时拉动中间轮向台阶上移动。 在整个爬楼梯过程中，后轮一直起到保持平衡的作用。 2.2.3 爬楼性能分析 为使这款装置能满足普通居民的使用需求， 首先需要了解我国普通住宅的楼梯尺寸。根据中华人民共和国国家标准住宅设计规范 (GB 50096-1999)的规定 :“住宅楼梯梯段净宽不应小于 1.10 米， 6 层及 6 层以下住宅，一边设有栏杆的梯段净宽不应小于 1 米多功能爬楼梯装置的研究及控制系统的设计 (楼梯梯段净宽系指墙面至扶手中心之间的水平距离 )住宅楼梯踏步宽度不应小于 0.26 米，踏步高度不大于 0.175 米，坡度为 33.94，为接近舒适性标准。 “普通住宅的层高一般为 2.80m，按一级台阶高度是 0.175m 计算，共 16 个台阶。机器人的车轮尺寸的设置以上述普通住宅楼梯尺寸的要求为基准。 机器人的总体宽度应小于梯段净宽并留有余量；而装置运动 时所能达到的最高点 (约为车轮半径与驱动轴之间距离的和 )应大于踏步的高度。本文设计的装置总体宽度是 403mm，爬楼辅助轮的直径为 60mm，经计算尺寸符合上述要求。 2.3 具体的零件设计 2.3.1 连杆 在整个机器人的设计当中，杆件占了很大一部分。在选择杆件的材料时，为了考虑到整个机器人的重量和价格问题，我选用了铝这种材料。根据现住房楼梯尺寸确定了每个杆件的长度，长为 200mm，宽为 10mm，高为 20mm。 2.3.2 本体 本体就是驱动系统所安装的地方，它里面包含了驱动系统和电池的安装位置。本体也是由铝制成，它通过一根长轴与机架连接。根据机器人的整体大小确定本体的长约 200mm，宽 140mm，高 50mm.如 2-4 图： 前组协调式爬楼梯机器人 16 图 2-4 本体 2.3.3 轴 轴的材料全部用 45 号钢，正火处理。 。考虑轴上零件的定位和固定，加工工艺和装拆工艺等要求，根据轴的直径在轴上面开深度不同的挡圈槽，齿轮轴上还要开键槽，用于安装齿轮，齿轮轴的键槽宽 2mm，深 2mm，长 8mm，挡圈槽宽1mm，深 0.31mm，符合国家标准。所有配合都是基轴制。如图 2-5， 2-6 所示： 图 2-5 长轴 图 2-6 短轴 前组协调式爬楼梯机器人 17 2.3.4 轮子 轮子用橡胶材料制成，为了减轻重量，轮毂也是设计成空的，并开有键槽，以便和轴连接。 轮子是和齿轮轴连接的。 轮子的直径大小设计为 60mm， 宽 10mm，如图 2-7 所示： 图 2-7 轮子 2.3.5 齿轮 在齿轮的设计当中，我选择了小齿轮齿数为 20，大齿轮齿数为 40 的两个齿轮配合。根据实际情况它们的模数都选择 m=1，以及标准压力角为 =20。为了便于连接，大齿轮上开有键槽，小齿轮上做了一个凸台，并开有 M3 的螺纹，用开操长圆柱端紧固螺钉与电机轴连接 .大齿轮的材料选择 45 钢，调制处理；小齿轮的材料选择 40Cr，热处理方法选择表面处理，如图 2-8 所示： 图 2-8 齿轮啮合 2.3.6 轴承 为了使轴跟连杆很好的连接起来，本文使用了深沟球轴承，通过它的连接轮子可以跟着轴一起转动了。 前组协调式爬楼梯机器人 18 2.4 电源的选择： 为满足装置在室内外均能使用的要求，必须实现自主供电，用可充电电池作为车载电源。电池的选用需要考虑以下几个因素 :电池容量、电压大小、重量、使用寿命以及价格成本等 .目前，可供选择的蓄电池主要有下列几种 :铅酸电池、镍氢电池、镍锌电池和铿电池。镍氢电池、镍锌电池和铿电池虽然性能优越，使用寿命长，但是价格昂贵，一般比铅酸电池高 4-5 倍，增加了装置的制造成本。铅酸蓄电池成本低廉、应用历史长、相对更加成熟，改进后的免维护铅酸电池性能更加稳定可靠，使用也更方便，得到了广泛应用。因此，本装置选用免维护铅酸蓄电池作为供电能源。 2.5 前组协调式爬楼梯机器人的电机选择 前组协调式爬楼梯机器人 电机是整个系统的核心， 它在一定程度上决定了装置使用的安全性、可靠性。 ，可供选择的电机有步进电机、直流电机和无刷直流电机。 1.步进电机 步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，能够快速起动与停止。它通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制，控制系统结构简单，维修方便。但是步进电机能耗太大，速度也不高，且存在一个固有缺点，即在低速转动时振动和噪声大，不利于整个装置的稳定。 2.直流电机 直流电机具有良好的起动、制动和调速特性，具有很宽的调速范围，且易于平滑调节。它具有控制特性好、响应速度快等优点， 满足装置对突发情况作出反应的灵敏性要求；而且低速时平稳性好，满足了装置在爬楼运动时低速稳定性的要求；起动转矩大、过载能力强，可以满足装置爬坡、翻越台阶的性能要求。但是传统的直流电机均采用换相器和电刷以机械方法进行换相， 因而存在相对的机械摩擦，由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题，需要经常维护闭。 目前直流电机的驱动方式， 主要有两种形式 :线性驱动方式和开关驱动方式。其中线性驱动方式可以看成一个数控电压源。该驱动方式的优点是驱动电机的力矩纹波很小， 可应用于对电机转速要求非常高的场合； 缺点是该方式通常比较复杂， 成本较高， 尤其是要提高驱动的功率时，相应的电路成本将提升很前组协调式爬楼梯机器人 19 多。 图 2-9 H 桥三种电路的驱动形式 目前的 H 桥驱动主要有 3 种方式。 图 2-9(a)中 H 桥的 4 个桥臂都使用 N 沟道增强型 MOS 管； 图 2-9(b)中 H 桥的 4 个桥臂都使用 P 沟道增强型 MOS 管； 图 2-9(c)中上下桥臂分别使用 P 沟道增强型 MOS 管和 N 沟道增强 MOS 管。由于 P 沟道 MOS 管的品种少， 价格较高， 导通电阻和开关速度等都不如 N 沟道 MOS 管， 因此最理想的情况应该是在 H 桥的 4 个桥臂都使用 N 沟道 MOS 管。 但是在如图 2-9(a)中可以看到， 为了使电机正转， Q1 和 Q4 应该导通， 因此 S4 电压应该高于 Q4 的源极电压， S1 电压应该高于 Q1 的源极电压， 由于此时 Q1 的源极电压近似等于 VCC， 因此就要求 S1 必须大于 (VCC + V gs)，在很多电路中除非作一个升压电路否则是比较困难得到的， 因此 (a)这种连接方式比较少见。同理图 2-9 (b) 中为了使电机正转， S4 电压就必须低于 0V- VGS， 在使用时也不方便。因此最常用的是图 2-9(c)的电路， 该电路结合了上述两种电路各自的优点， 使用方便。 3.无刷直流电机 针对传统直流电机的上述弊病， 无刷直流电机采用电子换相电路取代了机械换相装置，不仅继承了直流电机的优点，且具有无噪音、免维护、可靠性高的优越特性吧。因此我们选用无刷直流电机作为装置的驱动电机，前侧采用两个无刷直流轮毅电机独立驱动，后侧采用一个普通的无刷直流电机驱动，本文称其为爬楼驱动电机。 无刷直流电机采用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器， 不仅保留了直流电动机的优点， 而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点， 使它一经出现就以极快的速度发展和普及。每种直流无刷电机都配备相应的驱动模块， 该模块一般都集成了换相、 内闭环控制和速度检测等功能， 大大减轻了单片机的负担， 让单片机有更充裕的时间来处理上层的算法。 因此， 在前组协调式爬楼梯机器人 20 机器人行走机构的控制中直流无刷电机一直受到青睐。 通过分析及实际应用，在这里选择步进电机较为合适，既实惠而且可以达到所设计的机器人需要的功率。在这里我选择步进电机 42BYG250c，步矩角 1.8，静扭矩为 0.54N.M， 电流为 1.5A， 机身长为 48， 适合的驱动器为 SH-20402AmA。 4.电机技术数据 表 2-1 电机技术数据 型号 相数 步距角 电流 A 电阻 电感 mH 保持转矩 N/m 重量 Kg 转动惯量 gc 频率 （半步方 式 KZ）42BYG250C 2 0.9/1.8 1.5 2.0 3.85 0.54 0.36 82 1.5 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2