爬楼梯机器人设计

爬楼梯机器人设计摘要机器人是一门涉及计算机科学、机械、电子、自动控制、人工智能等多个方 面的科学。步行者机器人是一台在四连杆机构的基础上而设计出来的爬楼梯机器人。它 最大的特点是能够始终保持自身重心，实现爬上楼梯的目的，动作稳定，优美。 虽然该作品结构较为简单，但是其中采用了模块化设计，使其可以随时更新、升 级（这是现今机电一体化工程中鲜有的设计方法）；使机器不仅能适应不同的楼 梯，更可以在不同情况的路面上发挥其作用。其中利用的仿生学原理使该机器人 即使在路况不是很好的情况下也可以稳定的进行工作。1、进行了较完善和全面的方案设计而后分析论证。重点分析讨论了其中具 有代表性的三个方案。并从中选取一个作为设计方案。2、对于机器人运动方式，系统设计及其驱动要求进行了认真仔细的分析， 对比和计算校核。3、针对已定方案的设计计算，进行了实际制作从而验证了机构的可行性。关键词：机器人 爬行 台阶目录前 言 1第一章 机械的功能原理设计11 实现功能212 原理设计2第二章 运动方案设计分析21 方案设计3211 方案一3212 方案二3213 方案三322 方案的对比和分析 4第三章 零件的选定与基本计算31 材料选取与电机选取432 驱动系统技术参数的计算5321 功率的计算5322 死点位置的计算与处理6第四章 制作与改进41 制作过程遇到的问题及改进方案742 调试及改进结果743 机械运动方案图9第五章 总结51 总结和设计制作感受 10参考文献及相关网址 11前言在一个学期的机械原理课程学习中，我们学到了有关机械原 理的基本概念、基本理论和基本方法。老师授课深入浅出，很适合我 们学习专业课的认识规律，便于我们理解和掌握，在整个课程的学习 中取得了良好的效果和成绩。通过一个学期的学习，我们有了基本的机构分析方面的能力，包 括机构结构分析、运动分析、力分析和动力学分析。对于常用机构， 如连杆结构、凸轮机构、齿轮机构等及组合机构有了初步认识。在课 程中对机构的选型、组合及机械传动系统的设计问题也有涉及。在有了以上知识的基础上，我们可以发挥自己的创新精神，运用 老师所传授的设计理念、分析方法和解决问题的方法；利用学校图书 馆、上海市图书馆及网络的资源；尝试自己设计较为复杂的机构，实 现预定的功能，在实际生产生活中得到应用。课程设计正给我们这样一个对理论理解情况、对知识掌握程度、 对应用创新能力的考察机会。我们设计制作了“步行者”爬楼梯机器 人，应用了连杆机构、链轮机构等，实现机器人在平地的移动，攀登 楼梯、越障等动作。本课题在国际上的研究已很成熟，在工业、军事、 航空等领域应用广泛，如爆破车、月球车等。“步行者”爬楼梯机器 人是在目前已有的技术水平和制造能力之下设计简单、实用、可靠的 爬楼梯机器人。它是我们学习效果的体现也是对知识的应用总结。第一章 机械的功能原理设计11 实现功能在当今的人类社会中，在楼房已经成为人类进入现代文明的标志之一的同时，各种各样 的爬楼梯机器人也随之而出现。但现有的设计中，用于爬楼梯的机器人普遍成本较高，结构 较为复杂，不适合在日常生活中进行广泛的运用。而在日常生活中，我们又需要一种成本相 对较低且加工简便的爬楼梯机器人为我们服务。所以我们本次作品的设计从低成本出发，使 作品在结构上尽量简化，同时又能满足对爬楼梯这一基本功能的实现（如图1），从而为今后功能多元化拓展提供一个良好的运动平台。图1实现爬楼梯功能1. 2原理设计步行者号机器人是以链轮作为传动工具。运动部分采用了平行四连杆机构。这个机构的稳定性高，不会出现转弯等现象。其运动半径为189mm，传动轴每旋 转一周直线运动距离为378mm。在走楼梯时每转一圈跨上两阶台阶。连杆的长度 是由一阶台阶的对角线长度所确定的步行者号的重心设计在机身前部的1/3处， 这样设计的特点是能够始终保持自身重心，实现爬上楼梯的目的。运动过程中的 传动比为1：8。图2为步行者的运动示意图。图2运动示意图第二章运动方案设计分析2. 1方案设计步行者号机器人是在多种设计方案中被最终选定的方案。在制作之前，我们 考虑过很多方案，比较成熟的有三种。2. 1. 1方案一应用坦克车原理（如图3）,利用履带和楼梯棱角接触时产生的摩擦力使其 爬上32。倾角的斜坡（楼梯）2. 1. 2方案二前轮的半径为大于100mm,后轮半径根据链轮的传动比来确定。（如图4）在 每个轮子上包上履带，同样利用摩擦力进行攀爬。图42. 1. 3方案三采用四连杆机构，利用仿生学原理实现拾阶而上一步步踏上台阶的动作。以机架连杆为脚，曲柄为腿设计出步行者号（如图5）22 方案的对比和分析 方案一 优点：适用于倾角较小的斜坡和楼梯，稳定性好缺点：不适合坡度较陡的斜坡和楼梯，与楼梯的接触为线摩擦，易打滑。 方案二 优点：结构简单，便于制作。缺点：该方案只适用于级数少的台阶，利用其惯性冲到顶端，应用范 围窄，稳定性不好。方案三 优点：由于接触面大，不会与台阶产生滑动，所以运动稳定性高。适用 于不同级数、不同高度、不同倾角的台阶。前两种方案的共同缺点为履带和车轮的连接中会产生打滑且履带与楼梯棱 角是线接触也易产生打滑的现象。为了解决以上两种方案的问题，我们结合书本 上四连杆机构的原理进行设计，就形成了步行者号。最终到考虑运动中的稳定性 及动作的美观，所以选定了如今的这个方案。第三章 零件的选定与基本计算31 材料选取与电机选取机身自身的强度要求较高，应选用轻质高强度材料，综合经济因素，选用 25*25 角铁。轴所受的扭矩较大，应选用的零件的刚度高，所以轴直径为 14 材料为 45 钢。以确保不会受力而变形。连杆所受的最大力为机身给予的压应力，所以对于材料的要求不高，故采用Q235 钢两侧的支撑脚应用重量轻、便于加工的材料，所以选用木板。为了防止机器人在攀爬时突然断电出现电机倒转等情况，所以选用具有自锁 功能的涡轮涡杆电机。所选用重量轻，体积小，功率大的汽车雨刮电机。 在连杆和两侧支撑脚固定的部位，选用了滑动轴承，这样可以减少摩擦，使连杆 在运动过程中更灵活，减少能量的损耗。32 驱动系统技术参数的计算步行者号机器人重5Kg。测的电机的实际电压和实际电流分别为12V和10A,即电机的实际功率为120W。3. 2. 1功率的计算由计算机模拟得该设计机器人总重约为10kg （不大于），运动半径为189mm。由受力分析（见图6）可知，连杆在水平向上位置时为受力最大，假设系统内的传动为匀速圆周运动，由力矩平衡可得：FR =FR0 Y 11同一链条上受力相同：f2=f1同理力矩平衡：FR =FR2233F、和F3也为同一链条上的力主所以主动力矩M =FR=FR主 主3理论上的输出功率应大于P=M、3主整理可得：P= （FRR ） /RR R3O Y 213选用的为2分的链轮，所以链条节距为四分之一英寸，即635mm由公式 链轮分度圆直径=节距/sin（ n /齿数），得：R =404 9mm, R =2031mm12R =4049mm, R 、=1028mm3王已知：Ry=189mm FQ=10KgX9 8N/Kg=98N3=1 5X2nrad/S代入数值得：P=22 2W每一次传动记效率n =08，得出功率小于电机的实测功率所以，设计可行。3. 2. 2死点位置的计算与处理死点问题是在四连杆机构中常遇到的问题，我们在制作过程中也遇到同样的 问题。如图（7）：在本机器中，AB, CD为运动连杆，BC为机身，点A与点B相 对固定。运动过程中，AB，CD分别以A，B为基点顺时针转动 （A-B）图7死点的计算由葛拉索定理可得，A、B、C、D位于同一三角形时，即点A、B、C在运动过程 中成一条直线时，为运动过程中的死点。理论值：AB=189, BC=285, CD=189, AD=285加工时若ABCD，连杆即有可能变为摇杆运动，形成死点。但，若在加工过程中使后杆长AB略长于前杆CD（图7 B）,便有效的解决了上述 问题。第四章制作与改进41 制作过程遇到的问题及改进方案步行者号机器人已经制作成功。在不断的修改制作过程中所遇到的问题有。1链条过长、减速的次数过多，导致传动的损耗过大。原形机的传动比为 27:1，选用 10 牙和 30 牙的链轮，总共进行了三次变速， 这样增加了传动中的能量损耗。改进后进行两次变速，同时缩小了机身，使链 条缩短，减少损失。2传动轴上的链轮太小，扭力距不够。原形机的传动轴上选用的是 10 牙的链轮，这样力矩太小。从而链轮受力过大 断裂。改进后选用 40牙的链轮，既起到减速的目的，同时也增加了扭力矩。3由于机身过于庞大、沉重，运动时所需做的功率超过了电机的所能提供的范 围。在第一次制作过程中机身的长度和宽度为步行者号的 1.5 倍。且机身两边分 别有起固定作用的木板。 再次设计制作时改为去掉木板，用焊接的方法在车身 底部增加三点支撑来保持车身的平稳，同时大大减轻了车身的重量。4由于平行四连杆机构对两根传动轴的平行度要求相对较高，否则在运动过程 中连杆会产生死点，但由于零件制作和装配定位中所累计的误差，很难在几次内 调整到最佳的位置。最终经过多次的调整确保了两传动轴的平行度。42 调试及改进结果根据第一次失败的经验，我们作了如上的相应改动，但在设计机身下的支撑 脚时遇到了新的问题。经过多次的试验才确定为现有式样。方案一的问题：由于加工中的误差，连杆比设计时短了，导致在运动过程中 所累计的误差不断增多，致使支撑点超出台阶的范围，出现下滑的现象。方案二的问题：方案二是方案一进行的补救，设计时是设想在尾部长支撑脚 超出台阶时可以用两侧的短支撑脚维持平稳。但在实际运动中发现，当用短支撑 脚支撑时，整台机器人的重心已经在支撑点后，所以出现了整个机身反转的现象。方案三是根据原始机机身两边加木板的原理，加长了前支撑脚的长度，同时 将后支撑脚与台阶的接触由原先的点接触改为面接触，这样的改动结果确保了运 动的稳定性。图8改进方案示意图另外，步行者号的运动半径为189mm，在运动过程中我们发现，其运动半径 只需1/2d的台阶对角线即可（89.5mm）,这样缩短了力臂，同时也减少了举起机 身时所做的功。43机械运动方案图电 机连 杆L连 杆R第五章 个人小结51总结和设计制作感受 课程设计是毕业设计的预演，使我们有机会尝试设计一套完整的系统，也时 我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。在这次课程设计过程中，我在有了专业知识的情况又对原来的设计从新考虑 研究。使我把书本上的知识用于实践之中，也更清晰明了的掌握了这些知识， 并在这过程中学到了很多东西,得到了极大锻炼。例如新学的软件 ADAMS 用以分 析力的关系这些都是对我们以后的毕业设计以及今后的工作都是有好处的。在设 计中遇到许多困难和挫折，但经过组员的共同努力，不畏困苦，面对挫折，一步 步的走向成功，这些都是我在本次课程设计过程中的巨大收获。在设计过程中为了弄清原理，完成预先设定的工作，将机器人、论文、图 纸、PPT、SolidWorks、ADAMS作品专业化、正规化，我们不断学习、研究。自 学了许多相关学科的相关内容，求教了多位专业老师，上网或查阅大量相关资料， 寻求相关比赛及机器人的信息。在学习的过程中我越发觉得机械是一门精准、系 统、经验化的学科，容不得半点偏差，要花大量的时间耐心虚心学习。在机器人 的制作过程中我不断领悟机械学科及行业的精髓。对本专业产生了较大兴趣，激 发了学习热情，同时也使我对机械行业产生了兴趣。在本次课程设计过程中也培 养了我自学能力，这是当今社会所需人才终身学习的必备素质！在现在的企业中越来越强调团队合作，这次设计过程中每次方案的确定都与 同伴有很长的讨论，不同意见随时都会出现，想法各不相同，但最终都能统一意 见，团结一致，协作互助，取得好的结果。这种集体意识、团队精神是我们成功 的保证，也是又一大收获！而这一收获对于即将走向社会的大学生有着很大意义。参考文献：理论力学 作者：范钦珊 高等教育出版社画法几何及工程制图 作者： 中国纺织大学工程图学教研室等 上海科技出版社 计算机辅助绘图设计教程 作者： 管伯良 高志民 中国纺织大学出版社 机械设计与制造简明手册 作者： 中国纺织大学机械系手册编写组 同济大学出版社 机械设计 作者：彭文生 李志明 黄华良 高等教育出版社