毕业设计（论文）-自动爬楼搬运小车设计-爬楼梯机器人.docx

自动爬楼搬运小车设计The car that climbs the stair automatically全套图纸加扣 3012250582摘 要在日常生活和生产中经常会有大量的楼梯，基本是由人力来处理传统的方法，老人爬楼梯和原来一样，现在又想搬重物，所以这个话题设计了一辆自动爬楼梯的货车。本文首先介绍了爬楼梯机器人的研究现状及目前需要解决的问题。根据研究的目的和主要内容，从两个方面对汽车进行了设计。首先，电车必须满足爬楼梯的要求。我们选择前轮为变形轮移动小车，后轮主要用于行星轮的旋转。与此同时，我们需要很大的力量来爬楼梯。我们还选择了高功率电动机通过蜗轮和蜗杆为汽车提供动力。此外，我们调整了车的篮子，以便当汽车爬上楼梯时，货物总是在水平面上。第二,我们需要做的汽车电路设计,我们使用单片机控制器,在汽车前面有四个超声波测距仪当小车的楼梯,首先控制变形轮和电机驱动轴旋转汽车上楼梯,汽车转向角,与此同时,车篮子里始终保持水平。关键词:变形轮 行星轮 重心调整 单片机AbstractOften in daily life and production loads up to stairs, basic is done by manpower handling to the traditional methods, the old people climb stairs have struggled with the originally, now again want to carry heavy things, so this topic design a automatic climbing stairs freight car. Firstly, this paper introduces the research status of stair climbing robot and the problems we need now. According to the purpose and main content of the research, we designed the car from two aspects. First, the trolley must meet the requirements of climbing the stairs. We chose the front wheel to move the trolley for the deformation wheel, and the rear wheel is mainly for the rotation of the planet wheel. At the same time, we need a lot of power to climb the stairs. We also choose the high power motor to provide power to the car through worm gear and worm. In addition, we adjusted the basket of the car so that when the car climbed the stairs, the goods were always on the horizontal plane. Second, we need to do to the car circuit design, we use single chip controller, in front of the car with four ultrasonic range finder when the small car to the stairs, first of all to control deformation wheel and motor drive shaft rotates the car up the stairs, the car turned to the corner, in the meantime, the inside of the car basket always stay levelKey words: deformation wheel planet wheel center of gravity adjustment single chip microcomputer.ii目录摘 要iAbstractii1 绪论11.1自动爬楼搬运小车的研究目的和意义11.2 自动爬楼梯搬运小车国内外研究现状11.3 课题研究的主要内容32 自动爬楼梯搬运小车的总体方案设计42.1 爬楼机器人的设计要求42.2 自动爬楼梯小车方案比较42.2.1 足式42.2.2 履带式52.2.3 轮组式53 爬楼梯机器人的机械结构设计73.1 变形轮的设计73.1.1 变形轮的确定73.1.2 自由度计算83.1.3 机械原理分析83.1.4 尺寸确定83.2 转向机构的设计93.3 驱动结构设计103.3.1蜗轮蜗杆减速系统103.4 后轮轮组设计103.5 重心调节机构的设计124 爬楼梯机器人控制系统的设计144.1 阶梯攀爬服务机器人控制原理144.2超声波测距电路设计144.3驱动电路设计155总结17致 谢18参考文献191 绪论1.1自动爬楼搬运小车的研究目的和意义2015到2035年，中国将进入急速老龄化阶段，老年人口将从2.12亿增加到4.18亿，占比29%。城镇化加速发展，城市老年率急剧增加，一线城市高楼林立，都是有自动电梯，但是对于那些二线或者三线城市，城市大多数楼层在七到八层，一般这样的楼房都没有电梯，那么只能靠爬楼梯上楼。那么试想中国有多少空巢老人，他们独自守着家，而且更为紧迫的是他们还要迈着年老的步伐一步一步的上下楼梯。对于这些老人他们只能自己买菜自己做饭，还要下楼买东西，再把它们搬到家里，由于楼层高的原因，老人体力很难支撑他们将重物搬运到家里。基于这个目的，我设计一款自动爬楼梯搬运小车，这个小车可以很轻松的帮助老人搬运货物，可以节省老人爬楼梯的体力。1.2 自动爬楼梯搬运小车国内外研究现状爬楼梯搬运机器国外是最早就开始研究的，最先的爬楼梯机器是1892年美国Bray公司发明的一款爬楼梯轮椅。自此，其他各国也开始了研究爬楼梯的装置，目前，国外的爬楼梯装置技术已经很成熟了，各种产品都投入市场了，我国爬楼梯装置研究落后，不过爬楼梯装置无外乎三种，足式、轮组式和履带式。（1）足式 足式是最早的爬楼梯装置，爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。足式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外形也是跟人的差不多的，两足交替爬楼梯。图 1.2-1足式爬楼梯装置足式爬楼梯的优缺点:运动平稳，满足各种楼梯样式的爬行，但是机械复杂，不能搬运大型的重物，平地运动缓慢。 (2)履带式 履带式爬楼梯装置就是根据装甲车改的，其中英国一个公司发明了一个轮椅车采用的是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为 35，上下楼梯速度为每分钟1520台阶。图1.2-2 履带式爬楼梯装置履带式爬楼梯的优缺点：运动平稳，重心波动小，运动满足复杂的地形要求。但是爬楼梯时履带磨损严重，车轮重量大，容易对楼梯造成损伤。 (3)轮组式 轮组式爬楼梯装置是在一个轮子的基础上，将轮子变成轮组，常见的是三轮和四轮。iBOT是一个轮组爬楼梯的装置，最早由美国发明家发明的。它由6 个轮子组成，前面有一对实心脚轮，后面有两对行星结构的充气轮胎，通过两后轮交替翻转可以上下楼梯。但是这个爬楼梯装置造价昂贵，很难普及。我国对于这个轮组式装置也有研究， 不过都是在外国发明的爬楼梯装置上面做的一些改进。图1.2-3 轮组式爬楼梯装置轮组式爬楼梯装置的优缺点：水平面运动平稳和灵活，但是爬楼梯的时候，重心波动较大。 (4)复合类装置 基于履带式、轮式、足式爬楼梯的优缺点，采用复合型，有履带-足式、轮-履带-足式，这些都是全部依靠足式来爬楼梯，其他的主要是在平地上运动灵活，这样就实现了平地和爬楼梯的转换运动。复合类装置机械结构复杂，控制也很复杂，造价成本很高1.3 课题研究的主要内容以设计一款自动爬楼梯搬运货物的小车为目的，设计符合中国国情轮组式车轮，同时为了提高小车的越障能力，还采用变形轮。此外，在小车爬楼梯时，为了防止搬运的货物不掉下来，还需要设计降低货物重心的机构。1.为提高爬楼梯能力，分析中国的楼梯的结构，按照建筑楼梯协调标准设计一个符合我国爬楼梯搬运货物小车。前轮用变形轮爬楼梯，后轮用轮组转向。 2通过去图书馆查阅资料，确定小车的总体结构，分析各种结构的优缺点，最终确定小车的结构，并且用PRO/E画出各个机构的三维图和用CAD画出机械结构的装配图。3. 确定以单片机为控制系统，分析控制原理并画出控制流程图。202 自动爬楼梯搬运小车的总体方案设计2.1 爬楼机器人的设计要求设计的爬楼梯装置要解决的几个基本问题：(1)小车爬楼梯需要重心平稳。(2)使用安全性。(3)爬楼梯小车需要灵活的实现小车平地和爬楼梯之间的转换运动。 此外，爬楼梯搬运小车还要满足以下几个基本要求:根据我国建筑楼梯模数协调标准，楼梯踏步高度a不能大于 210mm，而且不能小于 140mm；并且楼梯踏步宽度b ，应采用 220、240、260、280、300、320mm；楼梯踏步高与宽的关系式：2a+b600（ a-踏步高，b-踏步宽）。机器人要适应规定的尺寸范围，能够顺利的上下楼梯，即强调它的强适应性。 2.2 自动爬楼梯小车方案比较自动爬楼梯搬运小车由车架、前轮变形轮、后轮三轮组、转向机构、驱动机构和篮筐组成。爬楼梯小车的车轮是设计小车主要考虑的问题之一。2.2.1 足式 图2.2-1 足式爬楼梯小车模型足式爬楼梯的优缺点:运动平稳，满足各种楼梯样式的爬行，但是机械机构复杂，不能搬运大型的重物，平地运动缓慢。2.2.2 履带式 图2.2-2履带式爬楼梯小车模型履带式爬楼梯的优缺点：运动平稳，重心波动小，运动满足复杂的地形要求。但是爬楼梯时履带磨损严重，车轮重量大，容易对楼梯造成损伤。 2.2.3 轮组式 图2.2-3轮组式爬楼梯小车模型轮组式爬楼梯装置的优缺点：水平面运动平稳和灵活，但是爬楼梯的时候，重心波动较大。综合比较现有爬楼梯装置，分析它们各自优缺点。如下表 2.1 所示。表2.1 典型移动机构的性能对比表移动方式轮式履带式足式移动速度快较快慢越障能力差一般好机械复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大机械控制难易程度易一般复杂通过比较可以得出小车车轮使用轮组式比较经济，为了提高轮式机构的爬楼梯能力，我设计了变形轮，变形轮结构简单，移动灵活，制造成本低廉，运动平稳性好。 图2.2-4爬楼梯小车设计模型3 爬楼梯机器人的机械结构设计3.1 变形轮的设计对车轮的要求主要有以下几个方面:(1) 根据环境的不同，能够在普通轮和变形过后的三角轮之间自由转换(2) 变形轮能够承受一定载荷。(3) 爬楼梯过程中要做到噪声小、可靠性高、对楼梯表面的冲击和损伤小。(4) 车轮设计要简化，降低加工成本。3.1.1 变形轮的确定轮子是可移动的运动副所以采用低副合理，低副是面接触，承载能力大，磨损小，并且轮子是连杆机构，连杆机构中低副是封闭的。根据车轮和楼梯的要求，我们设计了三个连杆机构组成的轮辋，通过内盘和外盘的相对转动实现变形轮的变形。为了简化车轮结构考虑一些尺寸，有以下两种方案： (1) 曲柄摇杆机构。如图3.1-1和3.1-2所示，利用三组相同的曲柄摇杆机构控制车轮变形，每对转动副通过钢绳连接，钢绳的另一端接入电机，通过对电机的控制来释放或缠绕钢绳。每对轮辐间有一个弹簧，当钢绳释放时，轮辐张开，弹簧伸长，当钢绳缠绕时，轮子收缩，弹簧压缩。在平坦路面上行走时，变形轮变换成圆形的普通轮平稳行驶，当爬楼梯时，变形轮张开与楼梯接触，使整个车架升高，从而完成爬楼梯过程。该机构全部使用铰链联接，使得这种变形轮在负载状态下，很难保持变形姿态，且利用钢绳控制轮辋的变形比较困难，缺乏实用价值。图3.1-1变形前 图3.1-2变形后 (2) 曲柄摇块机构。如图3.1-2和图3.1-3所示，利用三组相同的曲柄摇块机构作为变形轮的组成机构。该曲柄摇块机构由外盘、内盘、内盘转动轴、外盘转动轴、轮辋以及轮辐组成。其中，外盘是相对内盘固定着的，并且与外盘滑动轴固定在一起，内盘与内盘转动轴固定为一体与舵机连接，主要靠舵机控制内盘与外盘的相对转动使轮子变形。这个变形轮可以承受一定的载荷同时变形很容易。 图3.1-3变形轮组成图 图3.1-4变形轮变形示意图通过以上机构变形的比较，我们选择曲柄摇块机构。3.1.2 自由度计算以变形轮的每一组连杆机构为研究对象，由图11可知:N=3,PL=4,PH=0.故该机构的自由度为F=3N-2PL+PH=1，其中，P为构件数; PL为低副个数; PH 为高副个数。故该机构可以实现唯一确定的变形运动。3.1.3 机械原理分析变形轮的变形过程如图11和图12所示: 内盘为变形驱动盘与控制舵机直接连接，外盘与小车的传动轴链接带动整个轮转动。当小车检测到楼梯的时候，小车停下来，控制舵机转动，内盘与外盘滑动轴发生相对转动，外盘滑动轴沿轮槽滑动，当外盘滑动轴滑到最大位置，变形量最大。在平地的时候，小车以普通圆形轮在地面上滚动。3.1.4 尺寸确定根据地形尺寸参数(表 2)的要求，本文中我们设计的变形轮轮辋内径为R=100mm，内盘中心孔到内盘转动轴的距离为 25.76 mm，轮毂导槽两端到中心距离分别为45mm 和 80 mm，轮辋厚度为 20 mm，宽为 50mm，轮辐设计成弧状，最小宽度为6 mm，厚为10mm，轮片最大变换角为30。表3.1地形尺寸参数台阶高度h/（mm）台阶跨度b/（mm）台阶宽度B/（mm）连续台阶坡度/（。）120180220350600120015303.1.5 CREO三维仿真图图 3.1-5变形轮3.2 转向机构的设计经分析，小车转向装置和设计要求，采用的是后轮转向，而本设计确定采用齿轮齿条式转向系统。如图3.2-1所示，齿轮齿条是由齿条和圆柱齿轮组成，相比其他转向器，齿轮齿条传动效率高，结构简单。 图3.2-1转向机构示意图齿轮齿条的转向原理：在小车爬楼梯的时候，小车遇到楼梯的拐弯处，小车控制舵机转动然后通过蜗轮蜗杆大减速比，带动齿轮转动使齿条滑动，然后铰链机构偏移使后轮转动一定的角度达到转向的目的。3.3 驱动结构设计机器人中间主体前半部分用来布置驱前轮变形轮运行的传动结构，其传动过程：首先由电机提供驱动力，带动蜗杆驱动蜗轮转动，蜗轮与锥齿轮同轴相连，锥齿轮通过啮合将动力传递变形轮的轴套连接件。小车爬楼梯的时候，首先变形轮变形，然后电机提供的驱动力使小车向上转动攀爬楼梯。3.3.1蜗轮蜗杆减速系统爬楼梯搬运小车必须要保证传动平稳，小车爬楼梯速度缓慢。蜗轮、蜗杆起到两级减速作用，具有较大的减速比，能够将电动机端的高速转换成前车轴端的低速，并具有自锁功能，给两侧小车轮提供足够的保持力矩，在主体内部电机掉电的情况下，两侧车轮组保持原姿态而不会出现滑移现象。如图3.3-1所示。图3.3-1 驱动机构示意图3.4 后轮轮组设计轮组的结构尺寸范围根据楼梯的踏步高a和踏步宽b 两个参数来确定。建筑楼梯模数协调标准规定楼梯踏步高度不宜大于210mm，并不宜小于140mm；楼梯踏步宽度，应采用220、240、260、280、300、320mm；楼梯踏步高与宽的关系式：2a+b600（a-踏步高、b -踏步宽）。根据以上条件可知：bmin=220，amin=140，amax=190mm ； 如图所示，有以下关系： (3-1) (3-2)取b=bmin，a=amin，则r+x220，得到Rmin=150.6mm；同理取 b=bmin，a=amax， 有Rmin=167.8mm；图3.4-1轮组结构爬楼示意图轮组结构的最大 r 值可通过 a 和 b 得到，如图3.4-1所示。 (3-3) 取b=bmin，a=amin，得到rmax=130.4mm。根据R以及r的范围,取恰当的值，可得到轮组结构转臂宽2tmax，如图3.4-3所示。 (3-4) 图3.4-2 轮组结构rmin示意图图3.4-3轮组结构tmax示意图综合上述条件公式，可得到轮组结构的主要参数（R，r以及 t）,所设计出来的轮组是以最小楼梯为基础，并满足最高楼梯尺寸的要求，当在更宽尺寸楼梯行驶时，一次翻滚发生滑移便接着进行二次翻滚爬行，所以能够自动适应各种规格的楼梯，具有强适应性。3.5 重心调节机构的设计图3.5-1车篮子重心调节结构示意图如图3.5-1所示，小车通过两个支撑杆支撑，然后跟篮子以活动铰链相连，这样在小车爬楼梯的时候，篮子始终可以和地面保持水平，确保了小车爬楼梯篮子里面的东西不会掉下来，同时降低了爬楼梯的重心，易于小车爬楼梯。4 爬楼梯机器人控制系统的设计选用16位单片机MC9S12XS128MAA作为攀爬机器人的核心处理单元，机器人的控制系统包括感知外界环境的传感器部分，存储信息并计算、判断和决策下一步动作的主控制部以 及将结果输出到电动机、舵机或电磁离合器使车轮或执行机构实现运动的驱动部分。4.1 阶梯攀爬服务机器人控制原理机器人开机后，锂电池组提供的电压经过各稳压电源模块稳压后供给各个单元，对机器人进行初始化。小车在平地上面运动时，直流电机驱动变形轮前进，小车爬楼梯的遇到拐角时就驱动舵机转向； 初始化完成后，四个超声波传感器开始检测周围的障碍物，当检测到前方为阶梯时，则机器人在离阶梯一定距离时停止，然后变形轮开始变形，变形完成后机器人开始攀爬阶梯。图4.1-1直流电动机驱动电路示意图4.2超声波测距电路设计HC-SPO4 超声波测距模块可提供 2400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm；该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路图4.2-1为超声波测距电路，其工作原理为：(1)先利用 I/O口TRIG引脚触发测距电路，给定最少10us 的高电平信号；(2)测距模块自动发送 个40KHz 的方波，自动检测是否有信号返回；(3)若有信号返回，则 I/O口ECHO引脚输出高电平，高电平持续的时间即超声波从发射到返回的时间。MC9S12XS128芯片的PA引脚分别接 个HC-SRO4 超声波测距模块的TRIG引脚和 ECHO引脚。 以第一个HC-SRO4 超声波测距模块为例，初始化时PA0（TRIG）引脚、PA1（ECHO）引脚均为低电平，当给 PA0引脚一个10us 的高电平时，通过STC11 芯片的P51、P52引脚发送给MAX232芯片高电平信号，MAX232芯片自动发出个40KHz 的超声波脉冲，通过发射器发射，并检测反射波，当检测到有反射波信号时，则 PA1引脚由低电平变为高电平，XS128芯片中的计数器开始计时，当超声波遇到障碍物后反射，接收器接收到反射波信号，经 TLO74芯片转化后返回 STC11 芯片，使PA1 引脚由高电平变为低电平，计数器停止计时。 图4.2-1超声波测距电路示意图4.3驱动电路设计直流电动机正转、反转及停止的驱动电路见图22所示。BTX790芯片内部为一个半桥，当引脚为、INH引脚为时，OUT引脚输出高电平，当IN引脚为0、INH引脚为时，OUT引脚输出低电平，通过SR引脚外接电阻的大小来调节 MOS管导通和关断时间，防止电磁干扰。 图4.3-1中，PP4为,PP5为0时，电动机正转PP4为0、PP5为时，电动机反转。 直流电动机的控制形式如表4.1所示。图4.3-1直流电动机驱动电路表4.1直流电动机控制PP4PP5电动机转向00停止10正传01反转5总结本文对比分析国内外现有爬楼机构，设计了符合我国楼梯尺寸规范爬楼机器人。对机器人小车进行了三维实体模型的分析，阐明了设计方案的可行性。最后对进行了驱动控制系统的设计。我们按论文的叙述顺序把本论文所从事的工作大致归纳如下：1、对比现有爬楼机构，分析爬楼动作的要求，选取了优势较强的变形轮结构作为攀爬装置。根据我国建筑楼梯模数协调标准，设计了强适应能力的后轮轮组结构尺寸和前轮变形轮尺寸。该变形轮在地面的能快速移动，实现平地与越障或上下楼梯姿态的变形切换。符合建筑楼梯标准的楼梯都能够平稳上下。2根据小车总体设计方案，我们还设计后轮转向的齿轮齿轮齿条装置，为小车遇到拐弯处实现转向，同时还设计小车的驱动机构，采用了蜗轮蜗杆实现大减速比，保证小车爬楼梯的平稳性要求。最后还设计货篮的重心调节装置，使货篮能够在小车爬楼梯仍能保持水平3 设计了以MC9S12XS128MAA单片机为控制核