爬樓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析及遙控裝置的設(shè)計(jì)-文庫吧
2025-07-12 03:09 本頁面
【正文】 各白優(yōu)缺點(diǎn)。 (1)履帶式 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，其原理簡單，技術(shù)也比較成熟。英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車，底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為350，上下樓梯速度為每分鐘1520個(gè)臺(tái)階。法國Topchair公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí)，用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個(gè)車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能。履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動(dòng)輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處:重量大、運(yùn)動(dòng)不夠靈活、爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞。且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。 (2)輪組式 輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個(gè)數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組式。單輪組式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在爬樓過程中需要有人協(xié)助才能保證重心的穩(wěn)定。而雙輪組式雖能實(shí)現(xiàn)自主爬樓，但由于其體積龐大且偏重，影響了它的使用范圍。 (3)步行式 早期的爬樓梯裝置一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時(shí)先將負(fù)重抬高，再水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動(dòng)作，外觀可視為足式機(jī)器人，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。步行式爬樓梯裝置爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯。但它對控制的要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度不大，動(dòng)作緩慢。 (4)復(fù)合類機(jī)器人 基于履帶式、輪式、腿式移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，在研究中，采用了腿一履復(fù)合和輪腿一履帶復(fù)合等結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來達(dá)到功能的完整。機(jī)器人擺臂在一定范圍可上下擺動(dòng)，輔助越障、攀爬，具有較強(qiáng)的越障性能、路面通過性和上下臺(tái)階能力。但是各種機(jī)構(gòu)的復(fù)合也給控制方面提出了更高的要求，而且爬樓過程中的穩(wěn)定性、如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作省力與省時(shí)的問題以及反向自鎖等問題仍然存在。 綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史，成果也較多，但是它們大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)展中國家人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。國內(nèi)的研究相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積、重量、穩(wěn)定性及安全性的限制，還沒有產(chǎn)品真正投入使用。由此可見，為了解決移動(dòng)機(jī)器人使用受限的問題，同時(shí)考慮到我國經(jīng)濟(jì)承受能力，需要研究一種價(jià)格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置。 2 爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理2. 1爬樓梯機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)比較現(xiàn)有爬樓梯裝置，綜合分析其各自優(yōu)缺點(diǎn)。見下表2. 1所示。 表2. 1典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對比表移動(dòng)機(jī)構(gòu)方式輪式履帶式腿式移動(dòng)速度快較快慢越障能力差一般好機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度簡單一般復(fù)雜能源消耗小較小大控制難易程度易一般復(fù)雜經(jīng)分析，設(shè)計(jì)的爬樓梯裝置要解決的幾個(gè)基本問題 (1)爬樓梯裝置在爬樓梯過程中的穩(wěn)定性是影響其實(shí)用安全性的重要指標(biāo)。 (2)使用安全性。 (3)對于多功能爬樓梯裝置，如何實(shí)現(xiàn)平地模式與爬樓模式之間的平滑切換也是重要的問題。 其次，爬樓機(jī)器人還要滿足以下幾個(gè)基本要求: (1)我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:樓梯踏步高度“不宜大于210mm，并不宜小于140mm。樓梯踏步寬度b，應(yīng)采用220, 240, 260, 280, 300, 320mm。樓梯踏步高與寬的關(guān)系式:2a + b _ 600(“a踏步高，b踏步寬)。機(jī)器人要適應(yīng)規(guī)定的尺寸范圍，能夠順利的上下樓梯，即強(qiáng)調(diào)它的強(qiáng)適應(yīng)性。 (2)爬樓機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)要符合，國標(biāo)GB 1299691電動(dòng)輪椅車的主要技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)。2. 1. 2爬樓機(jī)器人的總體方案 經(jīng)綜合分析，本課題確定采用爬樓梯優(yōu)勢較強(qiáng)的輪式機(jī)構(gòu)。爬樓機(jī)器人要求具有在平面行駛和爬樓梯的功能(樓梯規(guī)格:140_a_210, 220_b_320)，當(dāng)然也具備轉(zhuǎn)向避障和良好的行走線性軌跡。本論文設(shè)計(jì)的輪組式爬樓梯機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)由兩部份組成，包括位于機(jī)器人中間部位由四個(gè)輪組驅(qū)動(dòng)的主車架，以及輪組機(jī)構(gòu)。2. 如圖2. 2所示，輪組采用行星輪式結(jié)構(gòu)，包括傳動(dòng)軸，過渡齒輪，中心齒輪，小車輪和驅(qū)動(dòng)齒輪輪組的機(jī)械原理:車體重量通過軸承間接承載在四個(gè)輪組上，輪組中的所有齒輪都繞轉(zhuǎn)臂上的小軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)動(dòng)力傳到傳動(dòng)軸時(shí)，軸帶動(dòng)中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，中心齒輪帶動(dòng)過渡齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再傳給驅(qū)動(dòng)齒輪，由于小車輪與驅(qū)動(dòng)齒輪固連，機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)車輪組機(jī)構(gòu)運(yùn)行在平直的路面上時(shí)，受兩個(gè)車輪同時(shí)著地的約束限制，轉(zhuǎn)臂不能轉(zhuǎn)動(dòng)只能隨車沿路面平動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)輪系為定軸輪系，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在平直面上的快速行駛。 當(dāng)小車遇上臺(tái)階時(shí)，由于臺(tái)階與車輪的摩擦力，行星輪的齒輪系都被鎖住，無法轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)整個(gè)行星輪板在中心齒輪的驅(qū)動(dòng)下，變成一個(gè)類輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車爬上臺(tái)階。圖2. 2輪組機(jī)構(gòu)示意圖 2. 2. 2爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)輪組單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 輪組的結(jié)構(gòu)尺寸范圍根據(jù)樓梯的踏步高a和踏步寬b兩個(gè)參數(shù)來確定。《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定樓梯踏步高度不宜大于210mm，并不宜小于140mm。樓梯踏步寬度，應(yīng)采用220, 240, 260, 280, 300, 320mm。樓梯踏步高與寬的關(guān)系式:2a + b _ 600 ( a一踏步高b一踏步寬)。 根據(jù)以上條件可知:bmin =220, a min =140, a max =190mm。，有以下關(guān)系R=l/2 L=a2+(r+x)2取b＝bmin，a＝amin 則r＋x≤220得到Rmax＝同理取得b＝bmin，a＝amax，有Rmax＝輪組結(jié)構(gòu)的最大值r可通過a和b得到，取b＝bmin，a＝amin rmax＝a2+b2／2 ，得到 rmax＝根據(jù)Ｒ以及ｒ的范圍，取恰當(dāng)?shù)闹担梢缘玫捷喗M結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臂寬2tmax，tmax＝amin2＋2ramin2R2amin22R綜合上述條件公式可以得到輪組結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)（R，r以及t）所設(shè)計(jì)出來的輪組是以最小樓梯為基礎(chǔ)，并滿足最高樓梯尺寸的要求，當(dāng)在更寬尺寸樓梯行駛時(shí)，一次翻滾發(fā)生滑移便接著進(jìn)行二次翻滾爬行，所以能夠自動(dòng)適應(yīng)各種規(guī)格的樓梯，具有強(qiáng)適應(yīng)性。 2. 2. 3小車物理樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)按照上節(jié)的設(shè)計(jì)，我們確定制作物理樣機(jī)的主要參數(shù)如下:車體長:L=782 mm。車體寬:Y=660 mm。車體重心高度:h=100mm。車體質(zhì)量:M=61Kg。車體重心位置:兩個(gè)車輪組回轉(zhuǎn)中心連線的中點(diǎn)。車輪組中心軸到小車輪圓心的距離R=180mm。車輪組半徑:r=80mm。車輪組中心齒輪半徑:r1=60mm。車輪組過渡齒輪半徑:r2=30mm。小車輪驅(qū)動(dòng)齒輪半徑:r3=60mm。 根據(jù)裝置平地和爬樓兩種不同的運(yùn)動(dòng)情形，分別計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的功率。設(shè)裝置機(jī)架的質(zhì)量mb為25kg，每個(gè)輪組的質(zhì)量ms為4kg，加載設(shè)備的最大重量m、不超過20kg，因此車體和負(fù)載的總質(zhì)量上限為61kg。該總質(zhì)量由四個(gè)輪組共同分擔(dān)，取車輪與地面之間的附著系數(shù) Φ為0. 710(1)平地所需功率 輪組在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，克服小的行駛阻力旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，此時(shí)有八個(gè)小車輪同時(shí)著地分擔(dān)小車的重量。驅(qū)動(dòng)輪承受的正壓力:N=[1/8(mb+mg)+1/2ms ]*g=。驅(qū)動(dòng)輪的附著力:Fφ=Nφ=小車輪的直徑d為160mm，輪組半徑R為180mm。根據(jù)裝置運(yùn)行速度和車輪直徑算得各參數(shù)如下。設(shè)平地運(yùn)動(dòng)最大速度為:v=3. 5km/h=0. 97m/s 。小車輪最大轉(zhuǎn)速為:n1=60vπd=116rpm小車輪最大角速度為:Ω=2πn160=小車輪受到的外力轉(zhuǎn)矩為:M1=Fφd/2=?m電機(jī)所需的功率為:P1 =M1Ω1η=（其中電機(jī)傳遞的機(jī)械效率為η=90%）由于是八個(gè)小車輪著地，則需要兩個(gè)功率為4P1=233. 2W的電機(jī)。(2)爬樓所需功率 裝置在爬樓時(shí)需要克服車體和負(fù)載的重力做功，估算重力作用線與驅(qū)動(dòng)軸之間的垂直距離L為300mm。所需克服阻力矩為:M2=GxL= [ 1/2 (25+20) +2x4] *g*0. 3=91. 5Nm。爬樓最快速度:n2=4rpm 。驅(qū)動(dòng)輪最大角速度：Ω2=2πn260=電機(jī)所需的功率為：P2=Ω2M2η=
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