1、1 摘 要 机器人是一门涉及计算机科学、机械、电子、自动控制、人工智能等多个方面的科学。 步行者机器人是一台在四连杆机构的基础上而设计出来的爬楼梯机器人。它最大的特点是能够始终保持自身重心，实现爬上楼梯的目的，动作稳定，优美。虽然该作品结构较为简单，但是其中采用了模块化设计，使其可以随时更新、升级（这是现今机电一体化工程中鲜有的设计方法）；使机器不仅能适应不同的楼梯，更可以在不同情况的路面上发挥其作用。其中利用的仿生学原理使该机器人即使在路况不是很好的情况下也可以稳定的进行工作。 1、进行了较完善和全面的方 案设计而后分析论证。重点分析讨论了其中具有代表性的三个方案。并从中选取一个作为设计方案
2、。 2、对于机器人运动方式，系统设计及其驱动要求进行了认真仔细的分析，对比和计算校核。 3、针对已定方案的设计计算，进行了实际制作从而验证了机构的可行性。 关键词：机器人 爬行 台阶 ABSTRACT Robot is a kind of science related to many other ones such as computer science, mechanism, electronics, automation control and artificial intelligence. STEPMAN is a robot for climbing staircase. His
3、design is based on a framework of four-link-shank. He can keep his barycenter in the front of his body all the time of the process of climbing staircase. His act is steadily and graceful. STEPMAN can upgrade at any moment, because of his modularity design. His bionics design made he can fit differen
4、t types of road surface. 1、 Through overall design and carefully analysis, we pick up one of the three representative projects. 2、 We carried out considerable analysis, comparison, calculation and verification on the robots movement, systematic design as well as the requirement of drive. 3、 Accordin
5、g to the design and calculation in the project, I put it in practice and verify the feasibility of the machine. Key words : robot climb step 2 目 录 前 言 1第一章 机械的功能原理设计 1 1 实现功能 2 1 2 原理设计 2 第二章 运动方案设计分析 2 1 方案设计 3 2 1 1 方案一 3 2 1 2 方案二 3 2 1 3 方案三 3 2 2 方案的对比和分析 4 第三章 零件 的选定与基本计算 3 1 材料选取与电机选取 4 3 2 驱
6、动系统技术参数的计算 5 3 2 1 功率的计算 5 3 2 2 死点位置的计算与处理 6 第四章 制作与改进 4 1 制作过程遇到的问题及改进方案 7 4 2 调试及改进结果 7 4 3 机械运动方 案图 9 第五章 总结 5 1 总结和设计制作感受 10 参考文献 113 前 言 在一个学期的机械原理课程学习中，我们学到了有关机械原理的基本概念、基本理论和基本方法。老师授课深入浅出，很适合我们学习专业课的认识规律，便于我们理解和掌握，在整个课程的学习中取得了良好的效果和成绩。 通过一个学期的学习，我们有了基本的机构分析方面的能力，包括机构结构分析、运动分析、 力分析和动力学分析。对于常用机
7、构，如连杆结构、凸轮机构、齿轮机构等及组合机构有了初步认识。在课程中对机构的选型、组合及机械传动系统的设计问题也有涉及。 在有了以上知识的基础上，我们可以发挥自己的创新精神，运用老师所传授的设计理念、分析方法和解决问题的方法；利用学校图书馆、上海市图书馆及网络的资源；尝试自己设计较为复杂的机构，实现预定的功能，在实际生产生活中得到应用。 课程设计正给我们这样一个对理论理解情况、对知识掌握程度、对应用创新能力的考察机会。我们设计制作了“步行者”爬楼梯机器人，应用了连杆机构、链轮机 构等，实现机器人在平地的移动，攀登楼梯、越障等动作。本课题在国际上的研究已很成熟，在工业、军事、航空等领域应用广泛，
8、如爆破车、月球车等。“步行者”爬楼梯机器人是在目前已有的技术水平和制造能力之下设计简单、实用、可靠的爬楼梯机器人。它是我们学习效果的体现也是对知识的应用总结。 4 第一章 机械的功能原理设计 1 1 实现功能 在当今的人类社会中，在楼房已经成为人类进入现代文明的标志之一的同时，各种各样的爬楼梯机器人也随之而出现。但现有的设计中，用于爬楼梯的机器人普遍成本较高，结构较为复杂，不适合在日常生活 中进行广泛的运用。而在日常生活中，我们又需要一种成本相对较低且加工简便的爬楼梯机器人为我们服务。所以我们本次作品的设计从低成本出发，使作品在结构上尽量简化，同时又能满足对爬楼梯这一基本功能的实现（如图 1）
9、，从而为今后功能多元化拓展提供一个良好的运动平台。 图 1 实现爬楼梯功能 1 2 原理设计 步行者号机器人是以链轮作为传动工具。运动部分采用了平行四连杆机构。这个机构的稳定性高，不会出现转弯等现象。其运动半径为 189mm，传动轴每旋转一周直线运动距离为 378mm。在走楼梯时每转一圈跨上 两阶台阶。连杆的长度是由一阶台阶的对角线长度所确定的步行者号的重心设计在机身前部的 1/3 处，这样设计的特点是能够始终保持自身重心，实现爬上楼梯的目的 。运动过程中的传动比为 1:8。 图 2为步行者的运动示意图。 图 2 运动示意图 5 第二章 运动方案设计分析 2 1 方案设计 步行者号机器人是在多
10、种设计方案中被最终选定的方案。在制作之前，我们考虑过很多方案，比较成熟的有三种。 2 1 1 方案一 应用坦克车原理（如图 3），利用履带和楼梯棱角接触时产生的摩擦力使其爬上 32倾角的斜坡（楼梯） 图 3 2 1 2 方案二 前轮的半径为大于 100mm，后轮半径根据链轮的传动比来确定。 （如图 4） 在每个轮子上包上履带，同样利用摩擦力进行攀爬。 图 4 2 1 3 方案三 采用四连杆机构，利用仿生学原理实现拾阶而上一步步踏上台阶的动作。以机架连杆为脚，曲柄为腿设计出 步行者号（如图 5）6 图 5 2 2 方案的对比和分析 方案一 优点：适用于倾角较小的斜坡和楼梯，稳定性好 缺点：不适合
11、坡度较陡的斜坡和楼梯，与楼梯的接触为线摩擦，易打滑。 方案二 优点：结构简单，便于制作。 缺点：该方案只适用 于级数少的台阶，利用其惯性冲到顶端，应用范围窄，稳定性不好。 方案三 优点：由于接触面大，不会与台阶产生滑动，所以运动稳定性高。适用于不同级数、不同高度、不同倾角的台阶。 前两种方案的共同缺点为履带和车轮的连接中会产生打滑且履带与楼梯棱角是线接触也易产生打滑的现象。为了解决以上两种方案的问题，我们 结合书本上四连杆机构的原理进行设计，就形成了步行者号。最终到考虑运动中的稳定性及动作的美观，所以选定了如今的这个方案 。 第三章 零件的选定与基本计算 3 1 材料选取与电机选取 机身自身的
12、强度要求较高，应 选用轻质高强度材料，综合经济因素，选用25*25 角铁。 轴所受的扭矩较大，应选用的零件的刚度高，所以轴直径为 14 材料为 45钢。以确保不会受力而变形。 连杆所受的最大力为机身给予的压应力，所以对于材料的要求不高，故采用Q235 钢 7 两侧的支撑脚应用重量轻、便于加工的材料，所以选用木板。 为了防止机器人在攀爬时突然断电出现电机倒转等情况，所以选用具有自锁功能的涡轮涡杆电机。所选用重量轻，体积小，功率大的汽车雨刮电机。 在连杆和两侧支撑脚固定的部位，选用了滑动轴承，这样可以减少摩擦，使连杆在运动过 程中更灵活，减少能量的损耗。 3 2 驱动系统技术参数的计算 步行者号机
13、器人重 5Kg。测的电机的实际电压和实际电流分别为 12V 和 10A，即 电机的 实际功率为 120W。 3 2 1 功率的计算 由计算机模拟得该设计机器人总重约为 10kg（不大于），运动半径为189mm。 图 6 功率的计算 由受力分析（见图 6）可知，连杆在水平向上位置时为受力最大，假设系统内的传动为匀速圆周运动，由力矩平衡可得： F0 RY =F1 R1 同一链条上受力相同： F2=F1 同理力矩平衡： F2 R2=F3 R3 F 主 和 F3 也为同一链条上的力 8 所以 主动力矩 M 主 =F 主 R=F3 R 理论上的输出功率应大于 P=M 主 整理可得： P=（ FO RY
14、R2） /R1 R3 R 选用的为 2 分的链轮，所以链条节距为四分之一英寸，即 6.35mm 由公式 链轮分度圆直径 =节距 /sin( /齿数 )，得： R1=40.49mm， R2=20.31mm R3=40.49mm， R 主 =10.28mm 已知： RY=189mm FO=10Kg 9.8N/Kg=98N =1.5 2 rad/S 代入数值得： P=22 .2W 每一次传动记效率 =0.8,得出功率小于电机的实测功率 所以，设计可行 。 3 2 2 死点位置的计算与处理 死点问题是在四连杆机构中常遇到的问题，我们在制作过程中也遇到同样的问题。如图（ 7）：在本机器中， AB， CD
15、 为运动连杆， BC 为机身，点 A与点 B相对固定。运动过程中， AB， CD 分别以 A， B为基点顺时针转动 （ A B） 图 7 死点的计算 由葛拉索定理可得， A、 B、 C、 D 位于同一三角形时，即点 A、 B、 C 在运动过程9 中成一条直线时，为运动过程中的死点。 理论值： AB=189， BC=285， CD=189， AD=285 加工时若 ABCD，连杆即有可能变为摇杆运动，形成死点。 但，若在加工过程中使后杆长 AB略长于前杆 CD(图 7 B)， 便 有效的解决了上述问题。 第四章 制作 与改进 4 1 制作过程遇到的问题及改进方案 步行者号机器人已经制作成功。在不
16、断的修改制作过程中所遇到的问题有。 1链条过长、减速的次数过多，导致传动的损耗过大。 原形机的传动比为 27:1，选用 10 牙和 30 牙的链轮，总共进行了三次变速，这样增加了传动中的能量损耗。改进后进行两次变速，同时缩小了机身，使链条缩短，减少损失。 2传动 轴上的链轮太小，扭力距不够。 原形机的传动轴上选用的是 10 牙的链轮，这样力矩太小。从而链轮受力过大断裂。改进后选用 40 牙的链轮，既起到减速的目的，同时也增加了扭力矩。 3由于机身过于庞大、沉重，运动时所需做的功率超过了电机的所能提供的范围。 在第一次制作过程中机身的长度和宽度为步行者号的 1.5 倍。且机身两边分别有起固定作用
17、的木板。 再次设计制作时改为去掉木板，用焊接的方法在车身底部增加三点支撑来保持车身的平稳，同 时大大 减轻了车身的重量。 4由于平行四连杆机构 对 两根传动轴的平行度要 求 相 对较高 ，否则在运动过程中连杆会产生死点，但由于零件制作和装配定位中所累计的误差，很难在几次内调整到最佳的位置。最终经过多次的调整确保了两传动轴的平行度。 4 2 调试及改进结果 根据第一次失败的经验，我们作了如上的相应改动，但在设计机身下的支撑脚时遇到了新的问题。经过多次的试验才确定为现有式样。 方案一的问题：由于加工中的误差，连杆比设计时短了，导致在运动过程中所累计的误差不断增多，致使支撑点超出台阶的范围，出现下滑的现象。 10 方案二的问题：方案二是方案一进行的补救，设计时是设想在尾部长支撑脚超出台阶时可以用两侧的短支撑脚 维持平稳。但在实际运动中发现，当用短支撑脚支撑时，整台机器人的重心已经在支撑点后，所以出现了整个机身反转的现象。 方案三是根据原始机机身两边加木板的原理，加长了前支撑脚的长度，同时将后支撑脚与台阶的接触由原先的点接触改为面接触，这样的改动结果确保了运动的稳定性。 图 8 改进方案示意图 另外，步行者号的运动半径为 189mm，在运动过程中我们发现，其运动半径只需 1/2d 的台阶对角线即可（ 89.5mm） ，这样缩短了力臂，同时也减少了举起机身时所做的功。
