【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 上下樓梯過(guò)程中，小車輪不會(huì)發(fā)生滾動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)方位的控制得到精確的保證。這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)小車下樓梯控制尤其重要。(3)、機(jī)器人車體的轉(zhuǎn)彎容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)傳感器檢測(cè)出障礙物超過(guò)越障范圍時(shí)，機(jī)器人需要采取轉(zhuǎn)彎避障的措施。本設(shè)計(jì)采用小功率電機(jī)通過(guò)大減速比的蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)后再通過(guò)齒輪齒條的連接驅(qū)動(dòng)車后輪左右擺動(dòng)，可使小車輕松實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，小車所需的轉(zhuǎn)彎半徑可小于車身寬度，具有更好的機(jī)動(dòng)性能。(4)、機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其姿態(tài)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，只需一個(gè)電機(jī)就能完成驅(qū)動(dòng)功能。第三章 爬樓機(jī)器人傳動(dòng)、輪組及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)平地或爬樓等不同狀況下的實(shí)際需要，以國(guó)標(biāo)GB12996—91電動(dòng)輪椅車為標(biāo)準(zhǔn)，確定動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)。國(guó)標(biāo)中對(duì)電動(dòng)輪椅車的主要技術(shù)性能[26]。，以及本裝置特點(diǎn)（小車輪比一般車車輪都要小一個(gè)規(guī)格，速度快，其功率也將提高很多），確定本裝置的技術(shù)指標(biāo)如下:最大載重為20kg,，最大爬樓速度為每分鐘16個(gè)臺(tái)階。裝置攜帶24V蓄電池自主供電，電池容量為12安時(shí)(一次行程20～35km)。 電動(dòng)輪椅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容性能指標(biāo)室內(nèi)型室外型道路型速度（km/h）≤≤≤18爬坡能力≥8176?！?176。≥6176。一次充電最大行程（km）≥10≥20≥45電機(jī)類型選擇多功能爬樓梯裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)——電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它在一定程度上決定了裝置使用的安全性、可靠性。平地驅(qū)動(dòng)采用兩個(gè)小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，爬樓動(dòng)作由另兩個(gè)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)以蓄電池作為供電能源，可供選擇的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)[14]。(l)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速起動(dòng)與停止。它通常不需要反饋就能對(duì)位移或速度進(jìn)行精確控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。但是步進(jìn)電機(jī)能耗太大，速度也不高，且存在一個(gè)固有缺點(diǎn)，即在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大，不利于整個(gè)裝置的穩(wěn)定。(2)直流電機(jī)直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，具有很寬的調(diào)速范圍，且易于平滑調(diào)節(jié)。它具有控制特性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，滿足裝置對(duì)突發(fā)情況做出反應(yīng)的靈敏性要求；而且低速時(shí)平穩(wěn)性好，滿足了裝置在爬樓運(yùn)動(dòng)時(shí)低速穩(wěn)定性的要求。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)，可以滿足裝置爬坡、翻越臺(tái)階的性能要求。但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用換相器和電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換相，因而存在相對(duì)的機(jī)械摩擦，由此帶來(lái)噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等問(wèn)題，需要經(jīng)常維護(hù)。(3)無(wú)刷直流電機(jī)針對(duì)傳統(tǒng)直流電機(jī)的上述弊病，無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換相電路取代了機(jī)械換相裝置，不僅繼承了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，且具有無(wú)噪音、免維護(hù)、可靠性高的優(yōu)越特性。因此我們選用無(wú)刷直流電機(jī)作為裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，前輪驅(qū)動(dòng)和后輪轉(zhuǎn)向各采用兩個(gè)普通的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)型號(hào)選擇由上可知，本設(shè)計(jì)采用普通無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力源,機(jī)器人最大載重為20KG，車體及電池重量大約為15KG。（1） 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型功率計(jì)算：根據(jù)以上計(jì)算及各個(gè)參數(shù)，本設(shè)計(jì)選擇濟(jì)南科亞電子科技有限公司生產(chǎn)的ZW57BL90230型直流無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 ZW57BL90230型直流無(wú)刷電機(jī)參數(shù)型號(hào)額定功率額定電壓最大轉(zhuǎn)矩ZW57BL90230180W24V2Nm（2） 轉(zhuǎn)向電機(jī)選型 轉(zhuǎn)向電機(jī)只負(fù)責(zé)車體轉(zhuǎn)向故不需太大的功率，因此本設(shè)計(jì)選擇濟(jì)南科亞電子科技有限公司生產(chǎn)的ZW57BL52225型直流無(wú)刷電機(jī)作為轉(zhuǎn)向電機(jī)。 ZW57BL52225型直流無(wú)刷電機(jī)參數(shù)型號(hào)額定功率額定電壓最大轉(zhuǎn)矩ZW57BL5222545W24V通過(guò)總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利，并結(jié)合爬樓機(jī)器人的自身的動(dòng)力傳輸要求，本設(shè)計(jì)采用前輪驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力從電動(dòng)機(jī)傳輸?shù)杰囕?，下面本文就從?dòng)力的傳輸路徑來(lái)對(duì)各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。 機(jī)器人小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人中間主體前半部分用來(lái)布置驅(qū)前輪輪組運(yùn)行的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)過(guò)程：首先由電機(jī)（FW1）提供驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪與錐齒輪同軸相連，錐齒輪通過(guò)嚙合將動(dòng)力傳遞到前小軸，驅(qū)動(dòng)輪組中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；在上樓梯時(shí)，鎖軸器工作將小軸和管軸鎖緊，小車輪不再轉(zhuǎn)動(dòng)以防止小車輪滑移，動(dòng)力通過(guò)管軸傳遞到三星輪，驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。（1）蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)爬樓機(jī)器人不管是在平地行駛還是在爬樓的過(guò)程中都要求車身平穩(wěn)，要滿足這個(gè)要求就必須使爬樓機(jī)器人以較慢的速度行駛。蝸輪、蝸桿起到兩級(jí)減速作用，具有較大的減速比，能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)端的高速轉(zhuǎn)換成前車軸端的低速，并具有自鎖功能，給兩側(cè)小車輪提供足夠的保持力矩，在主體內(nèi)部電機(jī)掉電的情況下，兩側(cè)車輪組保持原姿態(tài)而不會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象；、。 渦輪減速系統(tǒng)示意圖1 渦輪減速系統(tǒng)示意圖2（2）動(dòng)力傳輸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、采用錐齒輪嚙合，用來(lái)改變傳動(dòng)方向，同時(shí)避免了小車軸的軸向串動(dòng)。（3）輪組系統(tǒng)由于爬樓和轉(zhuǎn)向的功能要求不一樣，因此本設(shè)計(jì)前后輪采用不同的輪組來(lái)適應(yīng)相應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)。，前輪輪組采用行星輪式結(jié)構(gòu)，包括傳動(dòng)軸管軸旋轉(zhuǎn)臂 中心齒輪過(guò)渡齒輪驅(qū)動(dòng)齒輪輪轂7和小車輪8。傳動(dòng)軸一端與中心齒輪配合，通過(guò)軸承空套在轉(zhuǎn)臂 3 上，傳動(dòng)軸上有錐齒輪與之配合，并通過(guò)軸承空套在主車架上；傳動(dòng)軸二一端通過(guò)螺栓與轉(zhuǎn)臂3固連，另一端與鎖軸器固連，并通過(guò)軸承空套的主車架上；傳動(dòng)軸與管軸通過(guò)軸承相互空套；過(guò)渡齒輪5，驅(qū)動(dòng)齒輪6各自通過(guò)軸承空套在轉(zhuǎn)臂3和輪轂7上；小車輪8通過(guò)螺栓與驅(qū)動(dòng)齒輪6固連，三個(gè)小車輪的中心軸線呈等角分布。58476321 前輪輪組機(jī)構(gòu)示意圖1傳動(dòng)軸；2管軸；3旋轉(zhuǎn)臂；4中心輪；5過(guò)渡輪；6驅(qū)動(dòng)輪；7輪轂；8小車輪由于轉(zhuǎn)臂3，過(guò)渡齒輪5，驅(qū)動(dòng)齒輪6（包括小車輪8）都是空套在相應(yīng)的軸上，因此驅(qū)動(dòng)輪系包含三個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的差動(dòng)輪系，這三個(gè)差動(dòng)輪系共用中心輪和行星架，并且沿周向?qū)ΨQ分布，增設(shè)過(guò)渡齒輪5，可以保證同時(shí)著地的兩個(gè)小車輪8具有和中心齒輪4相同的旋向，朝同一方向滾動(dòng)前進(jìn)。前輪輪組的機(jī)械原理：車體重量通過(guò)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4轉(zhuǎn)動(dòng)，中心齒輪帶動(dòng)過(guò)渡齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，再傳給驅(qū)動(dòng)齒輪6，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 3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)在平直面上的平穩(wěn)行駛；當(dāng)前進(jìn)的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪系就演變成行星輪系，轉(zhuǎn)臂3帶著另外3個(gè)車輪繞中心齒輪的軸線回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)翻越障礙（即爬樓梯）的目的。，后輪輪組也是采用3輪的星型結(jié)構(gòu)，包括擺桿輪轂小車輪3。擺桿1下端通過(guò)軸承空套在轉(zhuǎn)向齒條的一端，上端通過(guò)軸承與主車架相連，左端通過(guò)軸承空套在輪轂上；小車輪通過(guò)軸承空套在輪轂上。321 后輪輪組示意圖1擺桿；2輪轂；3小車輪與前輪輪組不同的是后輪輪組不需要驅(qū)動(dòng)小車只需要負(fù)責(zé)小車的轉(zhuǎn)向，所以它不需要行星齒輪組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。后輪輪組的兩層小車輪通過(guò)螺栓固連在一起，保證車體轉(zhuǎn)向的輕松實(shí)現(xiàn)。軸的設(shè)計(jì)與校核（1）驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)1選擇軸的材料，速度很低，固選用45鋼調(diào)質(zhì)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得屈服強(qiáng)度極限、許用彎曲應(yīng)力、硬度220HB。2確定軸上的功率P、轉(zhuǎn)速n、和轉(zhuǎn)矩T。由前文知：，因行星輪系中的齒輪大小相等，所以轉(zhuǎn)速相同。式中η為錐齒輪傳動(dòng)效率，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》書得η=。3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 為了滿足軸承的軸向定位，12軸段右端、56軸段左端需制出一軸肩看，故取23軸段的直徑；為了滿足傳動(dòng)帶輪和磁輪的的軸向定位要求， 23軸段右端需制出一個(gè)的軸肩；。各段長(zhǎng)度分別為：， 驅(qū)動(dòng)導(dǎo)輪軸結(jié)構(gòu)圖2)確定軸上圓角和倒角尺寸各軸肩圓角半徑均取，倒角均取為。3)齒輪與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接。按d23=d45=10mm查手冊(cè)(GB/T10961990)得平鍵,鍵槽半徑取R=b/2=1mm,鍵槽用鍵槽銑刀加工，同時(shí)為了保證磁輪套與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇磁輪套輪轂與軸的配合為H7/n6；滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選 軸的直徑尺寸公差為m6。首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（），做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖（（a））。在確定軸承的支點(diǎn)位置時(shí)，從《機(jī)械手冊(cè)》查得30209單列圓錐滾子軸承a=。1)計(jì)算軸上的作用力：錐齒輪：2)計(jì)算支反力：繞支點(diǎn)2點(diǎn)力矩和,得同理，繞支點(diǎn)1點(diǎn)力矩和,得3)轉(zhuǎn)矩，繪彎矩圖①水平面彎矩圖：（c）所示3處彎矩：②垂直平面彎矩圖：（b）所示3處彎矩：③合成彎矩：（d）所示 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖5）計(jì)算當(dāng)量彎矩應(yīng)力校正系數(shù)3處：從以上計(jì)算結(jié)構(gòu)中可以看出截面3是危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將截面3的計(jì)算結(jié)果列于下表載 荷水平面垂直面支反力F彎 矩 M總彎矩MC扭 矩 T進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即截面3）。軸的計(jì)算應(yīng)力為：前面選定軸材料為45鋼調(diào)質(zhì)，許用彎曲應(yīng)力，因此,故軸安全可靠。 經(jīng)綜合分析課題的具體要求和現(xiàn)有的各種向機(jī)構(gòu)，本設(shè)計(jì)確定采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其它形式轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較小；傳動(dòng)效率高；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，可自動(dòng)消除齒間間隙。這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度，還可以防止系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向原理：小車行駛路況較好時(shí)，齒輪在齒條的中間位置；當(dāng)小車在行駛過(guò)程中遇到超過(guò)其攀爬范圍的障礙時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿帶動(dòng)齒輪向上下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)嚙合關(guān)系齒條上下移動(dòng)，從而牽引后輪輪組左右擺動(dòng)完成小車轉(zhuǎn)向壁障動(dòng)作。 （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(lái)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22260、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）。根據(jù)以上條件可知：bmin=220，amin=140，amax=190mm ； ，有以下關(guān)系： （） （）取b=bmin，a=amin，則r+x≤220，得到Rmin=；同理取 b=bmin，a=amax， 有Rmax=； 輪組結(jié)構(gòu)爬樓示意輪組結(jié)構(gòu)的最大 r 值[23]可通過(guò) a 和 b 得到。 （）取b=bmin，a=amin，得到rmax=。根據(jù)R以及r的范圍,取恰當(dāng)?shù)闹?，可得到輪組結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臂寬2tmax。 （） 輪組結(jié)構(gòu)rmax示意綜合上述條件公式()()()()，可得到輪組結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)（R，r以及 t）,所設(shè)計(jì)出來(lái)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）機(jī)器人