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轮腿式爬梯机器人设计

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摘要：本设计涉及一种爬楼梯机械装置，包括前机身、后机身、机身连接部件、四个五星形轮腿、四个直流伺服电机和轮腿固定部件，其特点是：前机身和后机身通过机身连接部件连接为一体，四个五星形轮腿分别通过轮腿固定部件固定在前、后机身两侧上，且每个五星形轮腿与固定在机身上的直流伺服电机传动连接。每个五星形轮腿包括五个车轮杆，车轮杆之间的夹角相等且外伸长度可以调整，五星形轮腿转过一周，能够实现攀爬五个台阶的楼梯。本发明爬楼梯的效率高，同时能够较好的适应室外不平整地形，可以作为灾后搜救、野外搜索、环境探测移动机器人的平台。

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HYPERLINK\l_Toc17875轮腿式爬梯机器人设计
HYPERLINK\l_Toc24837一、设计背景及意义 4
HYPERLINK\l_Toc19552二、主要设计模板 5
HYPERLINK\l_Toc7720三、关键位置受力分析 9
HYPERLINK\l_Toc19769四、实现的功能 10
HYPERLINK\l_Toc29432五、设计感想及任务分工 11
HYPERLINK\l_Toc24837六、参考文献 11


一、设计背景及意义
移动机器人可以完成危险环境下的探查、侦察、巡逻、救灾和排爆等工作，其应用前景越来越广泛。楼梯是移动机器人在工作中最常见、最难跨越的障碍之一,所以攀爬楼梯是移动机器人适应非结构化环境所必备的功能之一。
国内外现有爬楼梯移动机器人按实现爬楼梯功能的原理主要分为轮式、腿式、履带式、复合式（如轮腿式、关节履带式、轮履式等）。轮式爬楼梯移动机器人具有结构简单、效率高、重量轻和易于控制的优点,但其环境适应性较差，很难适应楼梯这类特殊的结构化环境。腿式爬楼梯移动机器人具有较强的环境适应能力，可通过调整腿部姿态来适应崎岖不平的地形,但这种机器人结构复杂、移动速度慢、效率低，难以实现稳定步态规划和稳定平衡的控制。履带式爬楼梯移动机器人具有良好的爬楼梯性能和一定的越障能力，但其灵活机动性较差，自身重量较大，爬越楼梯的速度较慢。复合式爬楼梯移动机器人具有很强的地形适应能力和较好的机动性，但其结构和控制系统一般较复杂，需要进行复杂的轨迹规划和步态规划等。
针对上述问题，为了同时实现机器人高速、高效和稳定的爬楼梯功能，通过对不同类型爬楼梯移动机器人运动特性进行综合分析，我们设计并实现了一种新型轮腿式爬楼梯移动机器人。
二、主要设计模板
所设计的轮腿式爬楼梯移动机器人采用对称结构，由机身和4个结构尺寸完全相同的独立驱动单元构成。其中主要零部件分别为：车轮与电机（4组），前后连接装置，前后底板。下面分别对其进行介绍：
车轮与电机（4组）

车轮和电机的设计是整个机器人的最主要部分，我们采用4驱的车轮，是为了使得机器人的灵活性更好，同时也可以面对更加复杂的环境。如上图所示，5条轮腿系杆沿轮腿本体的轮毂圆周均匀分布，相互之间的夹角均为72˚。轮腿系杆通过2个螺栓固定在轮腿本体上，调节轮腿系杆与轮腿本体的配合深度可以适应不同高度的楼梯、台阶。

前后连接装置

前后连接装置主要为了将前后底板连接到一起，同时由于我们这里做了特殊的设计，因此前后底板是可以互相发生转动的，这是为了避免当车的一侧遇到障碍时发生侧翻的情况。

前后底板

这是车的两块底板，主要起到了载体的作用。

三、关键位置受力分析
根据我们的设计，我们认为车轮与车体的连接轴以及前后底板的连接轴是危险受力点，因此我们对这两根轴进行了solidworks应力分析来检测其中的应力变化。
轮轴分析
上图便是对车轮与车体的连接轴做的应力分析结果图，从中可以清楚的看到，应力集中主要发生在轴的两个台阶处，特别是放置轴承的位置，应力集中特别明显，同时从图中还可以看出，在轴的左端发生了比较明显的变形，这个是由于我们做实验时设置的是45钢，因此强度不足，通过这次检测，我们认为实际生产时应该采用强度更高的合金钢等。

前后轴分析
上图便是对前后底板的连接轴做的应力分析，从图中我们可以看到应力集中同样是发生在轴的台阶处，然而与上图不同的是，在这里的应力集中并不严重，因此45钢的强度已经完全足够使用了。同时从图中还能看出，在与后底板连接的部位，在实验中受到了较大的挤压力的作用，因此关于螺栓的选择要保证满足要求。
四、实现的功能
在这次设计中，我们设计的机器人基本实现了爬梯的基本功能，同时通过我们的设计，还能防止一定程度的侧翻，使得机器人的稳定性更好，对环境的适应性也更好。
五、设计感想及任务分工
通过本次实验，让我了解到团队合作精神的重要性。团队合作是一种永无止境的过程，合作的成败取