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1、1 爬楼车发展现状近年来随着计算机技术蓬勃发展，计算和数据传送速度大幅度提高。以此硬件为基础，许多智能算法得以在短时间内实现，智能机器人正变得越来越聪明。随着现实生活中对机器人技术应用的发展，使得机器人成为战胜自然和虚拟障碍的必需品。在很多危险场所，如战场、核生化灾害地、恐怖爆炸地等需要愈来愈多的移动机器人搭载机械手等设备代替人去执行任务。众所周知机器人自主爬楼梯是移动机器人完成危险环境探查、侦察、救灾等任务需要具备的基本智能行为之一。例如,楼梯是这些机器人移动的障碍。在过去的十年里，许多研究已经面向设计可以爬楼梯并能穿越障碍的机器人。但是，已建成的机器人中只有少数能爬楼梯和穿越障碍。爬楼轮式
2、行驶系统均采用各轮独立驱动,自主工作的方式,同时各轮均采用弹性悬挂方式,故工作起来方便灵巧,同心性和转向性均较好。刚性轮具有较高的机械可靠性,较好的转向性和环境适应性,但其行驶稳定性和耐磨损性均较差。充气轮虽然具有较好的行驶稳定性和越障能力,但其环境适应能力差,故不能应用到爬楼车中。筛网轮的机械可靠性、越障性、行驶稳定性和耐磨性均较好,但爬坡能力相对较差。金属弹性轮的爬坡性能、耐磨损性、环境适应性以及机械可靠性、越障能力均较好,但其转向性能较差。椭圆轮、半球轮和无毂轮的爬坡和越障性能及耐磨损性能均较好,但其行驶稳定性较差,机械可靠性最低。以上所列举的轮式行驶系统大都是通过悬架来提高越障车的越障
3、能力,只有个别的考虑到车轮本身的越障能力,而且车轮的越障能力也不是很强。目前主要有腿式、履带式、轮式爬楼车移动机器人，腿式的如四足和六足机器人，尽管这些机器人能够爬楼梯和穿越障碍，但由于腿部的运动，它们不能在平坦的表面上平滑运动；履带式移动机器人以其强大的地形适应性而倍受青睐，其所受的摩擦力均匀分布在履带上，而轮式小车的摩擦力只是集中在轮胎与地面的接触面上，就抓地力而言它们是一样的，但在小车转弯或者爬坡时，履带式小车所受的摩擦力分布不会像轮式小车那样发生剧变，所以就表现出更好的操控性，但是转弯时，履带的磨损、履带开模难度大等都成为其应用的瓶颈；轮式移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地
4、形适应性的前提下，可以充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点。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。但总的来说轮式移动机器人是比较合理的。2 爬楼车总体方案2.1 总体方案设计方案一：腿式机器人。凡是模仿人类或其它动物腿部运动的机器人，称为腿式机器人（一般以连杆机构或者气动机构较为常见），如图.1和图.2所示，它们都可称为腿式机器人。 图.1 图.2 由于腿式机器人的形式多种多样，过台阶的方式也各不相同，上述两种机器人都是可以过台阶的，在此只介绍一种最简单的腿式爬楼梯机器人蛇形机器人简化，取蛇形机器人的两个
5、关节，过台阶方式如图.3所示，图.3黄点处为马达驱动的转动点，过台阶时，机器人一个脚支撑，另一只脚在两个马达的转动下，慢慢抬起，当它接触到台阶上时，它又作为新的支撑点，这样往复运动，就可以达到过台阶的目的了。优点：结构简单；容易实现爬楼越障功能。缺点：驱动方式复杂；平面行驶于攀爬楼梯之间切换不易控制；其转向功能很不容易实现。方案二：图.4为行星越障轮简图。 具体工作原理为:由直流电机8 驱动中心齿轮5 转动,来带动过渡齿轮4 和驱动齿轮2 进行转动,而驱动齿轮2 和车轮1 是固接在一起的,从而带动车轮1 绕驱动轮轴3 转动。行星越障轮在行驶时任意两个车轮接地,对于采用四个行星越障轮的越障车来说
6、,实际上相当于八轮驱动。行星越障轮式越障车在平坦地面行驶时,利用车轮快速驱动,其效率与普通轮式爬楼车相同。由于行星越障轮中的三个车轮都是驱动轮,因而有效地利用了行星越障轮的附着重量,而且较多的驱动车轮增加了车轮与地面的接触面积,降低了接地比压,从而提高了行星越障轮在松软地面的通过能力。驱动轮系随着地面对车轮1 作用力的不同,相应地演变成定轴轮系或行星轮系。当行星越障轮在平坦的路面上行驶时,受两个车轮同时着地的约束限制,系杆7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,实现在平坦路面的快速行驶。当前进的车轮碰到障碍物而停止不前时,根据差动轮系传动比关系式,驱动轮系就演变成行星轮系,系
7、杆7 带着另外两个车轮绕行星越障轮中心轴6 转动,实现翻越障碍的目的。 图.4行星越障轮不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动与越障运动之间转换,因此作业时具有很高的可靠性,特别适合用在人类难以到达环境下作业的作业器上。优点:驱动方式简单，容易实现爬楼越障功能。缺点：结构复杂，由于其平面上运动与越障运动之间转换不是由人力控制故易产生误动作，并且其转向功能不容易实现。方案三：在图.5中，实行定轴轮系运转，其各个齿轮的轴线相对于机架的位置都是固定的，其中，电机输出轴接一小圆锥齿轮，直接啮合一个大直径双联圆锥齿轮实现减速，该双联圆锥齿轮的另一端为一圆锥齿轮，该圆锥齿轮啮合一过渡齿轮，过渡齿轮又啮合一个
8、驱动齿轮，该驱动齿轮同轴连接三角轮系中的一个轮子，实现三角轮系的滚动运动。另外新增电机实现轮系的旋转。 图.5 优点：结构简单，易于实现所要求的爬楼功能。轮系的驱动和翻转是由各自独立的电机所控制，这样的设计使爬楼的效果稳定。缺点：电机数量增多，使爬楼车重量增大，成本增高。2.2 总体方案确定本课题拟开发一种采用三组轮系做为行驶系统的爬楼爬楼车。该爬楼车在行驶过程中，在遇到台阶和斜坡等特殊路面时，可通过三组轮系的翻转实现爬楼越障功能。该爬楼车包括：传动系统、行驶系统和转向系统三大系统。通过以上三种方案的对比，以及综合考虑本次毕业设计的要求和任务等因素，选择方案三作为这次设计的最终方案。3 爬楼车
9、行驶系统方案3.1 爬楼车行驶系统方案设计此行驶系统指的是三角轮系在攀爬楼梯或台阶时实现翻转的装置，如下图所示。当爬楼车遇到台阶时，电机驱动三角轮系翻转从而实现攀爬楼梯。 整体方案及内部结构如图.8图.8 3.2 行驶系统轮系尺寸计算 在轮系的设计中,有五个参数是很重要的,这五个参数分别是台阶的高度(a),台阶的宽度(b),轮子的半径(r),轮系的半径，即轮系的中心和它的轮子中心之间的距离(R),支座的厚度即行星轮系固定轮所在的位置 (2t)。为了推算轮系的半径(R)和台阶各自的尺寸(a, b),这些等式经常使用： 在常见的楼梯上一般（单位：mm）：100a200，200b300，由于在相同重
10、量和台阶高度及摩擦系数的条件下，小车的车轮直径较大的，比较容易爬上台阶；同理，在相同重量和车轮直径的条件下，台阶高度较低的，小车比较容易爬上台阶。所以我们可取：a=200，b=200计算得：R=163.3mm在这里我们取：R=200mm为了防止车轮的支座碰撞到楼梯，推导出轮子半径的最小值 ()如下： 计算得：= 82.3 mm 其中R是行星-轮的半径,t是支座厚度的一半。为了防止车轮相互碰撞，推导出轮半径的最大值()如下： = 200mm 取r=120mm，即轮系中车轮的半径为120mm。为了防止支座碰撞到楼梯，推导出支座宽度最大值()如下： = 77.7mm 设计爬楼车是用来翻越10-20厘
11、米高、20-30厘米宽的台阶。考虑到, 和的值、可用的轮和支座的尺寸, 车轮的半径为120mm( 即r=120mm),支座的宽度为 80mm(即t=40mm)。再考虑到a, b, r 和t的值,轮系半径R为200mm。3.3 行驶系统电动机的选择预计爬楼车辆重量不超过45千克，设爬楼车辆的最大载荷为30千克，由此得爬楼车加上载荷的重量不超过75千克。爬楼车关于主要的轴是对称的,因而它的一半能通过计算推断出来。 爬楼车一半的自由体受力在图9中表示。和分别是三角轮系前面的轴和后面的轴上所受的反作用力矩。、分别是三角轮系前面的轴和后面的轴上所受的反作用力x和y方向的分量。、是轮子与楼梯的摩擦力，、是
12、楼梯对轮子的反作用力(其它轮子与楼梯没有任何联系)。和分别是爬楼车质量的一半和任一个三角轮系质量的一半。是支座和水平线之间的夹角, 是爬楼车主体与水平线之间的角度，即等于爬楼车在楼梯上时楼梯的斜坡度。平衡方程的推导如下：其中m是爬楼车质量的一半。考虑到三角轮系系的自由体受力图和式(6)、(7), 得出和如下: 比较式(9)和(10)得出大于,因而大于。此外,再加上和是爬楼车上三角轮系必不可少的扭矩和式（8）的一半,可推导出以下内容：在= 0时， 达到最大值。因此,所有三角轮系的最大实际扭矩值推导如下：其中M是爬楼车的质量。考虑到爬楼车及载荷的重量(75千克)、式(12)，三角轮系翻转所需的最大
13、扭矩值为：T=73.5 N/m则三角轮系翻转爬楼梯时所需消耗的功率为：P=Tn/9.55=73.5269.55=200 W已知爬楼车行驶系统采用一级圆锥齿轮传动和两个一级圆柱齿轮传动，它们的传动效率分别为：=0.96，=0.97，深沟球轴承的效率为：=0.99，联轴器的效率为：=0.98则电动机输出功率为： =P/(0.960.970.970.980.99)=228.2 W那么，该爬楼车的行驶系统所需的电动机功率为：228.2 W，查机械设计手册，可选择的电动机有：型号 输出转矩 输出转速 额定功率 额定电压 减速比 额定转速 (N/mm) (r/min) (W) (V) (r/min) 90
14、SZ53 2977 750 308 110 4 3000110ZYT54 2977 750 308 220 4 3000根据爬楼车所携带电池组的型号，选取110ZYT54型号的电机为本爬楼车辆的驱动电机。论证结果综合上述分析，本次设计的爬楼车行驶系统采用定轴三角轮系翻转机构，以达到爬楼车爬楼梯的能力，这样也提高了行驶的稳定性。参考资料1 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，2005，18（4）：828-8332 章小兵，宋爱国。 基于视觉引导的机器人自主爬楼。 安徽工业大学学报，2006，23（2）：186-1883 武明，项海筹，张济川。新型爬楼爬楼车辆稳定性的灵敏度分析。 甘肃工业大学学报，1998，24（1）：40-454 乌兰本其。手动爬楼梯爬楼车辆的设计与研究：学位论文。北京：清华大学，19945 项海筹，乌兰术其，张济川。手动爬楼梯爬楼车辆。中国康复医学杂志，1994，9(2)：62-666 武明。一种新型爬楼梯爬楼车辆的设汁与动态稳定性研究学位论文。北京：清华大学，19967 张海洪，谈士力，龚振邦。全方位越障机构的设计。机械设计与制造工程，2000，29（3）：12-138 宋家成。实用电机修理手册。山东科学技术出版社，1997，3（1）9 徐灏。机械设计手册。机械工业出版社。1991，9（1）
