【正文】 1 前 言 近年來隨著計算機技術(shù)蓬勃發(fā)展，計算和數(shù)據(jù)傳送速度大幅度提高。以此硬件為基礎(chǔ)，許多智能算法得以在短時間內(nèi)實現(xiàn)，智能機器人正變得越來越聰明。隨著現(xiàn)實生活中對機器人技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，使得機器人成為戰(zhàn)勝自然和虛擬障礙的必需品。在很多危險場所，如戰(zhàn)場、核生化災(zāi)害地、恐怖爆炸地等需要愈來愈多的移動機器人搭載機械手等設(shè)備代替人去執(zhí)行任務(wù)。眾所周知機器人自主爬樓梯是移動機器人完成危險環(huán)境探查、偵察、救災(zāi)等任務(wù)需要具備的基本智能行為之一。 目前， 主要有腿式、履帶式、輪式爬樓車移動機器人，腿式的 如四足和六足機器人 ，盡管這些機器人能夠爬樓梯和穿越障礙，但由于腿部的運動，它們不能在平坦的表面上平滑運動；履帶式移動機器人以其強大的地形適應(yīng)性而倍受青睞，其所受的摩擦力均勻分布在履帶上，而輪式小車的摩擦力只是集中在輪胎與地面的接觸面上，就抓地力而言它們是一樣的，但在小車轉(zhuǎn)彎或者爬坡時，履帶式小車所受的摩擦力分布不會像輪式小車那樣發(fā)生劇變，所以就表現(xiàn)出更好的操控 性，但是轉(zhuǎn)彎時，履帶的磨損、履帶開模難度大等都成為其應(yīng)用的瓶頸；輪式移動機器人克服了履帶式的這些缺點，在滿足一定地形適應(yīng)性的前提下，可以充分發(fā)揮移動機器人移動靈活、控制簡單等優(yōu)點。一般來說，輪式移動機器人對地形的適應(yīng)性大小與輪子的數(shù)量成正比，但隨著 輪子數(shù)量的增加，又帶來了機器人體積龐大、重量重等缺點。爬樓輪式行駛系統(tǒng)均采用各輪獨立驅(qū)動 ,自主工作的方式 ,同時各輪均采用彈性懸掛方式 ,故工作起來方便靈巧 ,同心性和轉(zhuǎn)向性均較好。剛性輪具有較高的機械可靠性 ,較好的轉(zhuǎn)向性和環(huán)境適應(yīng)性 ,但其行駛穩(wěn)定性和耐磨損性均較差。充 氣輪雖然具有較好的行駛穩(wěn)定性和越障能力 ,但其環(huán)境適應(yīng)能力差 ,故不能應(yīng)用到爬樓車中。金屬彈性輪的爬坡性能、耐磨損性、環(huán)境適應(yīng)性以及機械可靠性、越障能力均較好 ,但其轉(zhuǎn)向性能較差。橢圓輪、半球輪和無轂輪的爬坡和越障性能及耐磨損性能均較好 ,但其行駛穩(wěn)定性較差 ,機械可靠性最低。綜合各方面的優(yōu)缺點，輪式機器人是比較合理的。 該爬樓車輛包括：傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三大系統(tǒng)。本課題著重進行行駛 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 課題內(nèi)容包括 行駛系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計、三角輪系參數(shù)設(shè)計。 2 1 爬樓車設(shè)計方案說明 本課題擬開發(fā)一種采用三角 輪系做為行駛 系統(tǒng)的爬樓車 輛。該車輛在行駛過程中，在遇到臺階和斜坡等特殊路面時，可通過三角 輪系的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)爬樓越障功能。該車輛包括：傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三大系統(tǒng)。 該爬樓車輛可實現(xiàn)自動跨越障礙和爬樓梯功能，平整路面最大行駛速15Km/h，可爬樓梯高度為 100～ 200mm，樓梯寬度為 200～ 300mm，最大爬行坡度 為40176。傳動系統(tǒng)采用電機驅(qū)動，可雙向行駛，可手動控制和自動控制，要求傳動系統(tǒng)運行平穩(wěn)、噪音小、安全可靠。行駛系統(tǒng)采用三角輪系方式，在平整路面行駛時，每組輪系中有兩個輪著地；在爬樓梯上爬行時，通過三角輪系的 翻滾實現(xiàn)爬樓功能。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電機驅(qū)動，要求轉(zhuǎn)變半徑盡可能小 。 2 爬樓車的工作原理與特點 該爬樓車 輛包括：傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三大系統(tǒng)。 此 三大 系統(tǒng)共同構(gòu)成爬樓車的機械裝置部分 ， 各個系 統(tǒng)都由 相應(yīng)的電機來 驅(qū) 動。 行駛系統(tǒng)是靠電機帶動一個 一級圓錐齒輪傳動和兩個一 級圓柱齒輪傳動 來實現(xiàn)減速和增大扭矩，并帶動 整個 主 軸 轉(zhuǎn) 動 來實現(xiàn)三角 輪系的翻轉(zhuǎn) ，三角輪系的翻轉(zhuǎn) 也就實現(xiàn)了 爬樓功能。 具體是三角輪系中的三個輪子通過支架連接在一起，主軸轉(zhuǎn)動時， 爬樓車 依靠三角輪 系中的三個輪子依次與臺階相嚙合，從而達到上下樓梯 的功能。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為了實現(xiàn)在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑最小的要求，本次設(shè)計采用了獨立的轉(zhuǎn)向方式，即通過增加副車架，用電機帶動整個傳動系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)以及輪系偏轉(zhuǎn)，以達到轉(zhuǎn)彎的目的。具體方案 是通過一根有足夠強度的軸實現(xiàn)的，軸的下端與爬樓車的前軸裝置的殼體相連，上端與一塊轉(zhuǎn)向板通過軸承連接，軸中間安裝一大圓錐齒輪，選一合適電機固定在上端板上面，并通過聯(lián)軸器使一齒輪軸與電機相連，同時齒輪軸與大圓錐齒輪以一定的轉(zhuǎn)動比嚙合 傳動 ，當需要轉(zhuǎn)彎時，感應(yīng)系統(tǒng)和控制裝置根據(jù)實際需要 控制轉(zhuǎn)過的角度。 傳動系統(tǒng)是靠電機帶動行星齒輪來實現(xiàn)爬樓車 在水平面以及斜坡面環(huán)境下行駛的目的，其中前后軸交叉使用動力裝置，也就是前軸的左三角輪系和后軸的右三角輪系有動力裝置，相反另外兩個三角輪系 僅為從動輪，對爬樓車起支撐的 3 作用， 在 行駛時 它們 是自由的這樣既節(jié)省了電機 數(shù)量 又減少了 爬樓車的 重量。 該爬樓車有五 個特點： 1） 結(jié)構(gòu)簡單， 整體尺寸不大 且 重量較??； 2）各個系統(tǒng)分別 由各自獨立的電機所 驅(qū)動，控制靈活方便； 3）可安裝或裝載一定重量 的儀器或?qū)嶒炑b置在危險的地方或者人體到不了的地方進行作業(yè)或取樣； 4）采用三角輪系式系 統(tǒng)，使爬樓車能夠在多種環(huán)境下運動，輕松實現(xiàn)在平地 、坡面和臺階面上的運動； 5） 該 爬樓車采用了獨立的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不但使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡化，并且轉(zhuǎn)彎半徑減小，有利于實現(xiàn)在狹小空間內(nèi)的轉(zhuǎn)彎 3 設(shè)計方案 分析 關(guān)于行駛系統(tǒng)的設(shè)計， 如 圖 1所示。 具體是 電機輸出軸 通過聯(lián)軸器 接 一小圓錐齒輪 410， 該小圓錐齒輪與 大圓錐齒輪 411嚙合傳動 實現(xiàn)減速，該大 圓錐齒輪與 三角盤 412 通過螺釘連接在一起，大 圓錐齒輪 轉(zhuǎn)動時帶動三角 圓 盤一起轉(zhuǎn)動。三角 圓 盤上裝有三根軸 413， 小圓柱齒輪 414（ 3 個）、 415（ 3 個）分別裝在 這三根軸上，齒輪 416 與爬樓車殼 體固定在一起。三角盤轉(zhuǎn)動時， 通過 軸 413 帶動小圓柱齒輪 414 既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)與齒輪 416 嚙合傳動，同時也帶動小圓柱齒輪 415既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)與齒輪 417 嚙合傳動 進一步實現(xiàn)減速 ，齒輪 417 與主軸 329通過 圓錐 銷固連在一起，齒輪 417 轉(zhuǎn)動的同時也帶動主軸轉(zhuǎn)動 ，并 通 過三角輪系 圖 2的翻轉(zhuǎn) 實現(xiàn)爬樓功能 。 具體是三角輪系中的三個輪子通過支架連接在一起，主軸轉(zhuǎn)動時，爬樓車依靠三角輪系中的三個輪子依次與臺階相嚙合，從而達到上下樓梯的功能。 小圓柱齒輪 41 415 的 大小相同，但 齒數(shù)和傳動比不同 ，用以增大主軸所傳遞的轉(zhuǎn) 矩，為 三角輪系的翻 轉(zhuǎn)提供足夠的能量 。 4 圖 1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu) 圖 2 三角輪系 5 4 設(shè)計計算 選擇電動機 結(jié)合該課題的實際情況，需要用一個電機來驅(qū)動主軸上的齒輪傳動，帶動 主軸轉(zhuǎn)動以及 三角輪系 翻滾 從而 實現(xiàn)爬樓功能 。 考慮到爬樓車及載荷的 重量 (75千克 )， 三角 輪 系翻轉(zhuǎn)所需的最大 扭矩值 已算出 為： T= N m 則三角輪系翻轉(zhuǎn)爬樓梯時所需消耗的功率為： P=Tn/= 26247。 =200 W 已知爬樓車行駛系統(tǒng)采用一級圓錐齒輪傳動和兩個一 級圓柱齒輪傳動，它們的傳動效率分別為：η =，η =，深溝球軸承的效率為： η =， 聯(lián)軸器的效率為： η = 則電動機輸出功率為： dP =P/( )= W 那么，該爬樓車的行駛系統(tǒng)所需 的電動機功率為： W，查機械設(shè)計手冊，可選擇的電動機有 ： 型號 輸出 轉(zhuǎn)矩 輸出 轉(zhuǎn)速 額定 功率 額定 電壓 減速比 額定轉(zhuǎn)速 (N/mm) (r/min) (W) （ V） (r/min) 90SZ53 2977 750 308 110 4 3000 110ZYT54 2977 750 308 220 4 3000 選取