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。 (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。 (4)复合类机器人
基于履带式、轮式、腿式移动机器人的优缺点，在研究中，采用了腿一履复合和轮-腿一履带复合等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。机器人摆臂在一定范围可上下摆动，辅助越障、攀爬，具有较强的
越障性能、路面通过性和上下台阶能力。但是各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。
综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动机器人使用受限的问题，同时考虑到我国经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。
2 爬楼机器人结构原理
2. 1爬楼梯机器人总体方案设计
2.1.1爬楼机器人的设计要求
比较现有爬楼梯装置，综合分析其各自优缺点。见下表2. 1所示。 表2. 1典型移动机构的性能对比表 移动机构方式 移动速度 越障能力 机构复杂程度 能源消耗 控制难易程度 经分析，设计的爬楼梯装置要解决的几个基本问题
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轮式 快 差 简单 小 易 履带式 较快 一般 一般 较小 一般 腿式 慢 好 复杂 大 复杂
(1)爬楼梯装置在爬楼梯过程中的稳定性是影响其实用安全性的重要指标; (2)使用安全性;
(3)对于多功能爬楼梯装置，如何实现平地模式与爬楼模式之间的平滑切换也是重要的 问题。
其次，爬楼机器人还要满足以下几个基本要求:
(1)我国《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b，应采用220, 240, 260, 280, 300, 320mm;楼梯踏步高与宽的关系式:2a + b <_ 600(“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)爬楼机器人的动力系统的参数要符合，国标GB 12996-91电动轮椅车的主要技术 性能标准。
2. 1. 2爬楼机器人的总体方案
经综合分析，本课题确定采用爬楼梯优势较强的轮式机构。爬楼机器人要求具有在平 面行驶和爬楼梯的功能(楼梯规格:140<_a<_210, 220<_b<_320)，当然也具备转向避障和良好的行走线性轨迹。本论文设计的轮组式爬楼梯机器人的整体结构由两部份组成，包括位于机器人中间部位由四个轮组驱动的主车架，以及轮组机构。 2. 2.爬楼机器人传动设计
2.2.1轮组单元的传动设计及基本原理
如图2. 2所示，轮组采用行星轮式结构，包括传动轴，过渡齿轮，中心齿轮，小车轮和驱动齿轮轮组的机械原理:车体重量通过轴承间接承载在四个轮组上，轮组中的所有齿轮都绕转臂上的小轴转动，当电机动力传到传动轴时，轴带动中心齿轮转动，中心齿轮带动过渡齿轮转动，再传给驱动齿轮，由于小车轮与驱动齿轮固连，机器人前进。当车轮组机构运行在平直的路面上时，受两个车轮同时着地的约束限制，转臂不能转动只能随车沿路面平动，此时驱动轮系为定轴轮系，实现机构在平直面上的快速行驶; 当小车遇上台阶时，由于台阶与车轮的摩擦力，行星轮的齿轮系都被锁住，无法转动，这时整个行星轮板在中心齿轮的驱动下，变成一个类轮机构转动，从而带动小车爬上台阶。
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图2. 2轮组机构示意图
2. 2. 2爬楼机器人结构设计
(1)轮组单元的结构设计
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 + b <_ 600 ( a一踏步高b一踏步宽)。 根据以上条件可知:bmin =220, a min =140, a max =190mm;
如图2.4所示，有以下关系
L=
取b＝得到
，a＝
则r＋x220
＝184.4mm
5
同理取得b＝，a＝，有＝134.4m
轮组结构的最大值r可通过a和b得到，如图2.5所示
＝
，得到
＝130.4
根据Ｒ以及ｒ的范围，取恰当的值，可以得到轮组结构转臂宽
，如图２.６所示
综合上述条件公式可以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。
2. 2. 3小车物理样机设计参数
按照上节的设计，我们确定制作物理样机的主要参数如下: 车体长:L=782 mm; 车体宽:Y=660 mm;
车体重心高度:h=100mm; 车体质量:M=61Kg;
车体重心位置:两个车轮组回转中心连线的中点; 车轮组中心轴到小车轮圆心的距离R=180mm; 车轮组半径:r=80mm;
车轮组中心齿轮半径:r1=60mm; 车轮组过渡齿轮半径:r2=30mm; 小车轮驱动齿轮半径:r3=60mm; 2.3电机功率计算
根据装置平地和爬楼两种不同的运动情形，分别计算驱动电机所需的功率。设装置机
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架的质量mb为25kg，每个轮组的质量ms为4kg，加载设备的最大重量m、不超过20kg，因此车体和负载的总质量上限为61kg。该总质量由四个轮组共同分担，取车轮与地面之间的附着系数 Φ为0. 710
(1)平地所需功率
轮组在电机驱动下，克服小的行驶阻力旋转前进，此时有八个小车轮同时着地 分担小车的重量。 驱动轮承受的正压力:N=[1/8(驱动轮的附着力:
=N=54.2N
+
)+1/2
]*g=76.3N;
小车轮的直径d为160mm，轮组半径R为180mm。根据装置运行速度和车轮直径 算得各参数如下。
设平地运动最大速度为:v=3. 5km/h=0. 97m/s ; 小车轮最大转速为:=
=116rpm
小车轮最大角速度为:=12.1rad/s
小车轮受到的外力转矩为:=d/2=4.34Nm
电机所需的功率为: =
=58.3W（其中电机传递的机械效率为=90%）
由于是八个小车轮着地，则需要两个功率为4=233. 2W的电机。
(2)爬楼所需功率
装置在爬楼时需要克服车体和负载的重力做功，估算重力作用线与驱动轴之间的垂直
距离L为300mm。所需克服阻力矩为:M2=GxL= [ 1/2 (25+20) +2x4] *g*0. 3=91. 5N·m;爬楼最快速度:n2=4rpm ;
驱动轮最大角速度：
=
=1.57rad/s
电机所需的功率为：==159.6W
我们所选的电机是瑞士MAXON公司的空心杯无刷直流电机EC45 (136207)，电机性能参数如下:额定电压:24V;额定功率:250W;额定电流:7. 47A ;额定转速:4520rpm；最大连续转矩:310mNm;转子惯量:209gcm2.
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