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机械系统设计课程论文爬楼机器人设计 2022机械系统设计课程论文 爬楼机器人设计 一、设计要求 设计一台能够转向和平地上行走的爬楼机器人，要求机器人从四个方位都能攀爬楼梯，在攀爬过程中机器人要保持水平姿态。从机械系统观念出发，提出不少于二套设计设计方案，并进行必要的方案评价和技术论证。 二、设计背景与意义 在城市里, 楼梯是人造环境中最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。因此, 机器人的爬梯能力是移动机器人的重要越障性能指标。通过加载不同的仪器设备，机器人可广泛用于危险环境探查、救灾、助残、搬运等作业, 其应用价值巨大12。 三、爬楼机器人研究现状 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、步行式爬楼梯装置3。 (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。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。 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。 四、两种设计方案 袋鼠滑冰”机器人 （1）、设计构想 本产品通过曲柄凸轮机构的运动特色，设计出爬楼梯时的组件，也就是四个脚。人爬楼梯时，腿是弯曲的，用在机构上，就可以采用曲柄式的摇臂，带动袋鼠腿式的板结构，实现 爬楼的运动。 在最上面的板边上，装有红外传感器，可以根据编程设置在哪个楼道实现转弯，手工操作亦可。 整个机构，传感器的应用和机构电气控制很重要。机械和电子要实现一体化，不能单单依靠机构，那样运动机构的设计太繁琐太笨重，机器人本身就是机电一体化的典型代表。 （2）、机构组成与三维建模 机器名称：“袋鼠滑冰”机器人 机器人组成：如图1所示。 图1 机器人组件分解爆炸图 此机器人由多个部件组成：上平板、箱体、4个用于爬楼的“脚”、4个摇臂、还有一些其他的零小部件。 （3）、工作原理： 图2 机器人爬楼时立体图 3.1 爬楼 如图2所示，4个“脚”上都装有压力传感器，当蓝色的“脚”接触楼梯，压力传感器感应，摇杆转动带动红色的“脚”向前进，同时蓝色的“脚”会缓慢转动，当红色的“脚”接触上面的楼梯，压力传感器感应，摇杆转动带动蓝色的“脚”，依次循环爬楼。4个“脚”分别装有锁定装置，使得爬楼运动的时候，摇臂转动360°，而4个“脚”始终保持图示姿势，实现爬楼的目的。 图3 机器人平地行走时立体图 3.2平地行走 如图3所示，在平地上行走时，4个“脚”收缩至上图所示，此时三个滚轮支撑整个机器人实现直走或者转向，滚轮可360度转动。 蜘蛛式爬楼机器人 （1、）机构组成与工作原理 1、可变轮设计 可变轮的设计是本方案的核心设计，通过轮子的变化，实现平地行走与爬楼两种功能，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4 5。 图4 可变轮收缩状态图5可变轮伸张状态 2、伸缩系统 为实现设计要求中的“爬楼过程中保持水平姿态”和“四个方位”均能攀爬楼梯，本方案借鉴飞机起落架的结构原理，采用四气缸控制收缩，内外嵌套式的系统。这样通过控制系统的控制，机器人可以前后左右四个方向自由行走和爬楼。当需要处围系统工作时，内层系统的相应气缸同时收缩，而使轮架收起，反之亦然。 图5伸缩系统结构图图6伸缩系统结构俯视图 图7 伸缩系统工作原理示意图2 工作原理： 车体在爬楼过程中，前轮高后轮低，此时楼梯下方电动推杆伸张，位于楼梯上方的推杆收缩使座椅始终保持水平。 （2）、工作方式与爬楼模拟 爬楼时，外脚架（或内架）升起，内脚架（或外脚架）一端升起，一端下降，使上端保持水平。爬上楼梯后，外围轮架放下，收层轮架收起，开始与楼梯垂直的方向的移动，行至下一个楼梯，然后使用内层轮架重复爬楼过程。 图8 爬楼过程 图9平地或楼梯过渡过程 五、方案评价和技术论证 方案一结构简单，成本低，但越障能力不高；方案二功能全面，但机构复杂，且控制系统将较为复杂，成本高。本次设计只是对爬楼机器人的系统结构做了概念性的设计，设计中没有涉及到运动学的分析问题，同时对于系统中的控制系统并没有深入分析，由于对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中了解和掌握。 参考文献 1 王占礼,赵德超等. 曲柄星轮式爬楼梯轮椅爬升机构设计J.长春工业大学学 报,2022.4(32):105108 2 刘祚时, 童俊华, 胡发焕. 一种轮组结构爬楼梯机器人的传动和结构设计J. 电机工程 学报,2022(25):4851 3 黄先琪.一种新型的爬楼梯机器人J. 机器人技术,2022(36):7576 4 可伸缩叶轮式爬楼机器人 /project/15526/ 5 全国3D大赛优秀作品-助老助残爬楼梯机器人
