摘 要

随着当代科学技术的进步与发展，我们在很多领域和行业中都能看到机器人的身影。但是在日常生活中，我们会遇到很多普通移动机器人无法通过或者顺利通过的障碍。楼梯作为日常生活中很常见的障碍，也是移动机器人很难跨越的障碍之一，因此设计一种能适应楼梯环境的移动机器人是非常必要的。而欠驱动系统在很多方面都比完全驱动系统优越，比如减小重量、降低造价、节约能量、增强系统灵活性等方面。因此本文提出并设计一种欠驱动爬楼梯机器人平台的牵引机构来引导其移动，使其具备直线前进、转向和爬楼梯等功能，使该机器人能适应日常楼梯环境。本论文所做的主要工作是欠驱动爬楼机器人平台及牵引机构的结构设计。其中主要为爬楼梯机器人国内外现状的分析及本课题研究的目的和意义，机器人平台及牵引机构的实施方案分析和设计，相关动力部分参数的选择设计以及主要零部件的设计和校核等。在深入分析各种爬楼梯机构后，设计了相对有优势的行星轮组结构的欠驱动爬楼机器人，提出了一套可行的牵引机构设计方案。最后运用了Solidworks 软件进行进行三维建模和运动仿真，并在此基础上对该爬楼机器人的行驶性能进行了分析，对控制系统进行了简要介绍。

关键词：欠驱动机器人；爬楼梯；牵引机构；设计

Abstract

With the progress and development of modern science and technology, we can see the figure of the robot in many fields and industries. But in daily life, we will encounter many ordinary mobile robots can not pass or pass through the obstacles. As a common obstacle in daily life, the stairs is one of the obstacles that the mobile robot is difficult to cross. Therefore, it is very necessary to design a mobile robot which can adapt to the environment of the stairs. In many ways, the under actuated system is superior to the complete drive system, such as reducing weight, reducing cost, saving energy and enhancing system flexibility. Therefore, this paper proposes and design a kind of underactuated climb stairs robot platform traction mechanism to guide the mobile, which has a straight forward, turning and climbing stairs and other functions, so that the robot can adapt to the day-to-day stair environment. The main work of this thesis is the structure design of the platform and the traction mechanism of the less driven climbing tower. Which mainly to climb stairs robot at home and abroad present situation analysis and the research purpose and significance, robot platform and traction mechanism analysis and design, relevant dynamic parameters selection and design and the main parts of the design and checking. After analyzing all kinds of climbing stairs, the relative advantages of the structure of the planet wheel group is analyzed, and the design scheme of the traction mechanism is put forward. Finally, the Solidworks software is used to carry out the three-dimensional modeling and motion simulation, and on this basis, the driving performance of the climbing robot is analyzed, and the control system is introduced.

Key Words: underactuated robot; climbing stairs; traction mechanism; design

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究的主要内容 4

第2章 欠驱动爬楼梯机器人结构设计 5

2.1 欠驱动爬楼梯机器人总体设计方案 5

2.2 行星轮组结构设计 7

2.2.1轮组单元基本原理及传动设计 7

2.2.2 行星轮组单元的结构尺寸设计 8

2.3欠驱动爬楼梯机器人中间主体结构设计 10

2.4欠驱动爬楼梯机器人转向装置结构设计 11

第3章 欠驱动爬楼梯机器人动力设计 12

3.1 轮组机构受力分析 12

3.1.1水平路面行走时受力分析 12

3.1.2爬楼梯时受力分析 13

3.2 电机的选取 14

3.3电池选择 14

第4章 主要部件的设计校核 16

4.1 行星轮组齿轮设计校核 16

4.2轴承寿命计算 18

4.3 轴的设计校核 18

4.3.1 最小轴径计算 18

4.3.2 轴的结构设计 19

4.3.3 轴的校核计算 19

第5章 三维建模及控制系统设计思路 22

5.1 欠驱动爬楼机器人三维建模 22

5.1.1 Solidworks 软件介绍 22

5.1.2欠驱动爬楼梯机器人三维建模 22

5.2 控制系统设计思路 22

总结 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

随着当今社会科学技术的快速发展，各式各样的机器人已经被应用到了航天、工业、国防、救灾、教育等很多的领域，在我们的日常生活也经常会见到他们的身影。一直以来移动机器人的研究都是一个热门话题，而越障能力的研究更是吸引了很多专家学者。另一方面，机器人的小型化和越障能力的矛盾也制约了移动机器人的应用。为了跨越生活中很常见的障碍物——楼梯，本文设计了一种欠驱动爬楼梯机器人平台及其牵引机构来实现该功能。

1.1 课题研究的目的及意义

科学技术的快速发展使各种各类的机器人应用到很多领域，但是我们可以清楚地看到：一方面机器人的应用在增加，而另一方面我们对机器人的需求和要求也在提高。日常生活中，我们经常看到普通的残疾人轮椅无法跨越一些障碍物和上下楼梯，这给一些残疾人的生活带来了极大不便；在许多楼梯或者崎岖路面搬运货物由于机器的限制只能靠人力完成；在一些救灾或工程方面的复杂环境下作业也需要机器人来完成。而楼梯是人造环境中的最常见的障碍,也是移动机器人最难跨越的障碍之一^[1]。因此，研究具有越障功能的机器人，对提高我们工作或生活的便捷性，增强机器人环境适应性，具有重大意义。欠驱动机器人是指独立控制输入少于系统自由度的机器人^[2],它具有以下诸多优点：成本较低、低能耗、驱动装置少、质量轻等。本设计提出一种欠驱动爬楼梯机器人平台的牵引机构来引导其移动，通过牵引机构引导，使该机器人平台具有行进、转向和越障爬楼梯功能。对该平台稍加改进，可以用于各种工厂和住宅楼搬运货物或者解决残障人士上下楼问题，能极大的节省人力成本和提高生产劳动的效率和拓宽残疾人生活空间，具有较大的经济价值和社会价值。

1.2 国内外研究现状

查阅大量资料，我们发现国内对爬楼梯机器人的研究相对比国外晚一些，但近些年，对此类机器人的研究已经逐步展开，并取得了很多成果，出现的专利也很多，然而投入实际生活中应用的还比较少。而国外对此类装置的研究开始得比较早，最早是1892年美国人Bray申请的发明专利——爬楼梯轮椅^[3]。在这之后，很多国家开始了对轮椅机器人的研究^[4]而英美等一些西方发达国家技术相对比较成熟，并且有一些研究成果已经投入市场。相比而言，这些发达国家走在了前列。

总结目前查阅资料中的一些国内外爬楼梯装置和发明专利，按照其实现爬楼梯功能的原理的不同，主要可分为以下几类：履带式爬楼装置、轮组式爬楼装置和步行式爬楼装置，下面对这几种类型的装置的发展和成果做简要介绍。