一种爬楼机器人 - 图文

一种爬梯机械人的设计

蜗轮蜗杆减速系统，与前轮小轴相连驱动车轮，实现机器人前进、后退和越障。遇楼梯时锁轴器将后轮小轴与管轴锁紧，最后通过管轴驱动轮辐，实现机器人的爬楼动作。后车身一个小功率电机通过大减速比的蜗轮蜗杆减速系统后再通过齿轮齿条的连接驱动

车后轮左右摆动，实现左右转弯动作。

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图 2.1 爬楼机器人结构示意图

1三星轮组；2电机；3主车架；4齿轮；5小车轮

图2.2 主车架内部传动及转向结构布局

1驱动电机；2蜗杆；3蜗轮；4锥齿轮；5锁轴器；6 转向齿轮齿条；7转向电机

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该种结构的优点有: (l)、平顺的行驶能力。机器人小车在平地行驶时，由于其结构上的特点，任意时刻都有两个小车轮接地，利用轮组的定轴轮系传递动力，使小车轮快速的前进，其效率与普通轮式驱动车辆相同。当遇到可跨越的障碍时，轮组演变成形星轮系翻滚前进。(2)、可靠的上下楼梯能力。机器人小车上下楼梯时，锁轴器工作将小轴和管轴锁紧，使电机驱动轮组翻滚时，轮组中心齿轮不转动。这使得在上下楼梯过程中，小车轮不会发生滚动，使得运动方位的控制得到精确的保证。这一优点对小车下楼梯控制尤其重要。(3)、机器人车体的转弯容易实现。通过传感器检测出障碍物超过越障范围时，机器人需要采取转弯避障的措施。本设计采用小功率电机通过大减速比的蜗轮蜗杆减速系统后再通过齿轮齿条的连接驱动车后轮左右摆动，可使小车轻松实现左右转弯动作，小车所需的转弯半径可小于车身宽度，具有更好的机动性能。(4)、机器人结构简单。其姿态的控制相对简单，只需一个电机就能完成驱动功能。

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第三章 爬楼机器人传动、轮组及转向机构设计

3.1爬楼梯机器人小车的执行电机选择 3.1.1技术指标

根据平地或爬楼等不同状况下的实际需要，以国标GB12996—91电动轮椅车为标准，确定动力系统的参数。国标中对电动轮椅车的主要技术性能[26]规定如表3.2所示。参考表3.2，以及本装置特点（小车轮比一般车车轮都要小一个规格，速度快，其功率也将提高很多），确定本装置的技术指标如下:最大载重为20kg,平地时最大运行速度为1.5km/h，最大爬楼速度为每分钟16个台阶。装置携带24V蓄电池自主供电，电池容量为12安时(一次行程20～35km)。

表3.2 电动轮椅国家标准

性能指标 项目内容 室内型 速度（km/h） 爬坡能力 ≤4.5 ≥8° 室外型 ≤6.0 ≥8° ≥20 道路型 ≤18 ≥6° ≥45 一次充电最大行程（km） ≥10 3.1.2电机选型

1、电机类型选择

多功能爬楼梯装置的驱动机构——电机是整个系统的核心，它在一定程度上决定了装置使用的安全性、可靠性。平地驱动采用两个小功率电机驱动，爬楼动作由另两个大功率电机驱动。整个系统以蓄电池作为供电能源，可供选择的电机有步进电机、直流电机和无刷直流电机

(l)步进电机

步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，能够快速起动与停止。它通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制，控制系统结构简单，维修方便。但是步进电机能耗太大，速度也不高，且存在一个固有缺点，即在低速转动时振动和噪声大，不利于整个装置的稳定。

(2)直流电机

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直流电机具有良好的起动、制动和调速特性，具有很宽的调速范围，且易于平滑调节。它具有控制特性好、响应速度快等优点，满足装置对突发情况做出反应的灵敏性要求；而且低速时平稳性好，满足了装置在爬楼运动时低速稳定性的要求;起动转矩大、过载能力强，可以满足装置爬坡、翻越台阶的性能要求。但是传统的直流电机均采用换相器和电刷以机械方法进行换相，因而存在相对的机械摩擦，由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题，需要经常维护。

(3)无刷直流电机

针对传统直流电机的上述弊病，无刷直流电机采用电子换相电路取代了机械换相装置，不仅继承了直流电机的优点，且具有无噪音、免维护、可靠性高的优越特性。

因此我们选用无刷直流电机作为装置的驱动电机，前轮驱动和后轮转向各采用两个普通的无刷直流电机驱动。

2、电机型号选择

由上可知，本设计采用普通无刷直流电机作为动力源,机器人最大载重为20KG，平地最大速度为1.5km/h，车体及电池重量大约为15KG。

（1） 驱动电机选型

功率计算：P?F????m1?m2??g????20?15??kg??9.8?0.42?m/s??144.06W 根据以上计算及各个参数，本设计选择济南科亚电子科技有限公司生产的ZW57BL90-230型直流无刷电机作为驱动电机，ZW57BL90-230型直流无刷电机参数如表3.3所示。

表3.3 ZW57BL90-230型直流无刷电机参数

型号 ZW57BL90-230

额定功率 180W

额定电压 24V

最大转矩 2Nm

（2） 转向电机选型

转向电机只负责车体转向故不需太大的功率，因此本设计选择济南科亚电子科技有

限公司生产的ZW57BL52-225型直流无刷电机作为转向电机，ZW57BL52-225型直流无刷电机参数如表3.4所示。

表3.4 ZW57BL52-225型直流无刷电机参数

型号 ZW57BL52-225

额定功率 45W

额定电压 24V

最大转矩 0.5Nm

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