2012机械系统设计课程论文
爬楼机器人设计
一、设计要求
设计一台能够转向和平地上行走的爬楼机器人，要求机器人从四个方位都能攀爬楼梯，在攀爬过程中机器人要保持水平姿态。

从机械系统观念出发，提出不少于二套设计设计方案，并进行必要的方案评价和技术论证。

二、设计背景与意义
在城市里, 楼梯是人造环境中最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。

因此, 机器人的爬梯能力是移动机器人的重要越障性能指标。

通过加载不同的仪器设备，机器人可广泛用于危险环境探查、救灾、助残、搬运等作业, 其应用价值巨大[1][2]。

三、爬楼机器人研究现状
总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置[3]。

(l)履带式
履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。

履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。

它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。

但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。

(2)轮组式
轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。

单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定；而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。

轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。

此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。

(3)步行式
早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。

上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。

步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。

步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。

四、两种设计方案
<方案一> 袋鼠滑冰”机器人
（1）、设计构想
本产品通过曲柄凸轮机构的运动特色，设计出爬楼梯时的组件，也就是四个脚。

人爬楼梯时，腿是弯曲的，用在机构上，就可以采用曲柄式的摇臂，带动袋鼠腿式的板结构，实现
爬楼的运动。

在最上面的板边上，装有红外传感器，可以根据编程设置在哪个楼道实现转弯，手工操作亦可。

整个机构，传感器的应用和机构电气控制很重要。

机械和电子要实现一体化，不能单单依靠机构，那样运动机构的设计太繁琐太笨重，机器人本身就是机电一体化的典型代表。

（2）、机构组成与三维建模
机器名称：“袋鼠滑冰”机器人
机器人组成：如图1所示。

图1 机器人组件分解爆炸图
此机器人由多个部件组成：上平板、箱体、4个用于爬楼的“脚”、4个摇臂、还有一些其他的零小部件。

（3）、工作原理：
图2 机器人爬楼时立体图
3.1 爬楼
如图2所示，4个“脚”上都装有压力传感器，当蓝色的“脚”接触楼梯，压力传感器感应，摇杆转动带动红色的“脚”向前进，同时蓝色的“脚”会缓慢转动，当红色的“脚”接触上面的楼梯，压力传感器感应，摇杆转动带动蓝色的“脚”，依次循环爬楼。

4个“脚”分别装有锁定装置，使得爬楼运动的时候，摇臂转动360°，而4个“脚”始终保持图示姿势，实现爬楼的目的。

图3 机器人平地行走时立体图
3.2平地行走
如图3所示，在平地上行走时，4个“脚”收缩至上图所示，此时三个滚轮支撑整个机器人实现直走或者转向，滚轮可360度转动。

<方案二>蜘蛛式爬楼机器人
（1、）机构组成与工作原理
1、可变轮设计
可变轮的设计是本方案的核心设计，通过轮子的变化，实现平地行走与爬楼两种功能，在平路上行走时，可变轮收缩成跟普通轮一样的轮子，可在平稳的路面上行驶。

当爬楼时，爬升爪张开，通过爪与楼梯接触，使整个车架上升，从而完成爬楼过程。

可变轮采用双电机结构，正常时，两个电机工作状态相同，当需要转弯时，通过控制电机，使两轮转速一大一小来实现转弯[4] [5]。

图4 可变轮收缩状态图5可变轮伸张状态
2、伸缩系统
为实现设计要求中的“爬楼过程中保持水平姿态”和“四个方位”均能攀爬楼梯，本方案借鉴飞机起落架的结构原理，采用四气缸控制收缩，内外嵌套式的系统。

这样通过控制系统的控制，机器人可以前后左右四个方向自由行走和爬楼。

当需要处围系统工作时，内层系统的相应气缸同时收缩，而使轮架收起，反之亦然。

图5伸缩系统结构图图6伸缩系统结构俯视图
图7 伸缩系统工作原理示意图[2]
工作原理：
车体在爬楼过程中，前轮高后轮低，此时楼梯下方电动推杆伸张，位于楼梯上方的推杆收缩使座椅始终保持水平。

（2）、工作方式与爬楼模拟
爬楼时，外脚架（或内架）升起，内脚架（或外脚架）一端升起，一端下降，使上端保持水平。

爬上楼梯后，外围轮架放下，收层轮架收起，开始与楼梯垂直的方向的移动，行至下一个楼梯，然后使用内层轮架重复爬楼过程。

图8 爬楼过程
图9平地或楼梯过渡过程
五、方案评价和技术论证
方案一结构简单，成本低，但越障能力不高；方案二功能全面，但机构复杂，且控制系统将较为复杂，成本高。

本次设计只是对爬楼机器人的系统结构做了概念性的设计，设计中没有涉及到运动学的分析问题，同时对于系统中的控制系统并没有深入分析，由于对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中了解和掌握。

参考文献
[1] 王占礼,赵德超等. 曲柄星轮式爬楼梯轮椅爬升机构设计[J].长春工业大学学
报,2004.4(32):105~108
[2] 刘祚时, 童俊华, 胡发焕. 一种轮组结构爬楼梯机器人的传动和结构设计[J]. 电机工程
学报,2009(25):48~51
[3] 黄先琪.一种新型的爬楼梯机器人[J]. 机器人技术,2009(36):75~76
[4] 可伸缩叶轮式爬楼机器人/project/15526/
[5] 全国3D大赛优秀作品---助老助残爬楼梯机器人。