一种爬梯机械人的设计
1.为提高机器人爬楼梯能力，综合分析国内外现有装置，结合我国《建筑楼梯模数协调标准》，设计通用性强、上下楼梯动作流畅、容易控制的车轮组机构。四个轮组代替通用四轮车的轮子，驱动小车轮与驱动轮组翻滚的电机相互独立。
2.调查市场上现有类似机构的设计方法和工作原理，通过查阅图书馆的电子资源和相关的教材，确定单片机、齿轮传动、距离感应器、直流马达等零部件后，对3轮的星型齿轮的传动机构进行详细设计，并利用PRO/E设计出爬梯机器人的机械图。
3.初步建立以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。分析本机器人的控制原理并利用C语言编写控制程序。在结构环境下，采用超声波传感器解决自主上楼梯过程所必须地两个关键参数θ和 q。
4.分析上述所有零部件及电子元件的选型原理并用数学计算验证，完成设计说明书撰写。
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第二章 爬楼机器人的总体设计
2.1 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 能耗量 机构控制难易程度
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
经分析，设计的爬楼梯装置要解决的几个基本问题[14][15]：(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[17]：楼梯踏步高度a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GB12996—91电动轮椅车的主要技术性能[28]标准。 2.2 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机器人的整体结构由三部分组成，包括位于机器人中间部位由四个轮组[21]驱动的主车架、轮组机构、载台及弧形车身。图 2.1 给出了机器人三维虚拟样机的示意图。机器人车轮的传动部分位于车体的底盘，地盘上边的空白部分则用于配置所需控制电路以及导航所需的传感器等。由于爬楼机器人的特殊要求本设计采用前轮驱动后轮转向设计。车体两侧的轮组皆具有两个旋转自由度，即小车轮的旋转和轮辐的旋转运动。中间两个电机具有自锁功能，采用大减速比的
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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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