一种爬梯机械人的设计
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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一种爬梯机械人的设计
3.2爬楼机器人的机构设计
通过总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，并结合爬楼机器人的自身的动力传输要求，本设计采用前轮驱动后轮转向的设计思路，运用蜗轮蜗杆减速机构将动力从电动机传输到车轮，下面本文就从动力的传输路径来对各机构的设计做详细介绍。 3.2.1 机器人小车传动机构设计
机器人中间主体前半部分用来布置驱前轮轮组运行的传动结构，其传动过程：首先由电机（FW1）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到前小轴，驱动轮组中心齿轮转动；在上楼梯时，锁轴器工作将小轴和管轴锁紧，小车轮不再转动以防止小车轮滑移，动力通过管轴传递到三星轮，驱动其转动。机器人主体传动结构布局如图3.5所示。
（1）蜗轮蜗杆减速系统
爬楼机器人不管是在平地行驶还是在爬楼的过程中都要求车身平稳，要满足这个要求就必须使爬楼机器人以较慢的速度行驶。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3.1、图3.2所示。
图3.1 涡轮减速系统示意图1 图3.2 涡轮减速系统示意图2 （2）动力传输转向系统
如图3.1、图3.2所示，采用锥齿轮啮合，用来改变传动方向，同时避免了小车轴的轴向串动。
（3）轮组系统
由于爬楼和转向的功能要求不一样，因此本设计前后轮采用不同的轮组来适应相应的功能实现。
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一种爬梯机械人的设计
如图3.3所示，前轮轮组采用行星轮式结构，包括传动轴1、管轴2、旋转臂 3、中心齿轮4、过渡齿轮5、驱动齿轮6、轮毂7和小车轮8。传动轴一端与中心齿轮配合，通过轴承空套在转臂 3 上，传动轴上有锥齿轮与之配合，并通过轴承空套在主车架上；传动轴二一端通过螺栓与转臂3固连，另一端与锁轴器固连，并通过轴承空套的主车架上；传动轴与管轴通过轴承相互空套；过渡齿轮5，驱动齿轮6各自通过轴承空套在转臂3和轮毂7上；小车轮8通过螺栓与驱动齿轮6固连，三个小车轮的中心轴线呈等角分布。
图3.3 前轮轮组机构示意图6
3
7
2
4
1
8
5
1传动轴；2管轴；3旋转臂；4中心轮；5过渡轮；6驱动轮；7轮毂；8小车轮
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一种爬梯机械人的设计
由于转臂3，过渡齿轮5，驱动齿轮6（包括小车轮8）都是空套在相应的轴上，因此驱动轮系包含三个结构完全相同的差动轮系，这三个差动轮系共用中心轮和行星架，并且沿周向对称分布，增设过渡齿轮5，可以保证同时着地的两个小车轮8具有和中心齿轮4相同的旋向，朝同一方向滚动前进。
前轮轮组的机械原理：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4转动，中心齿轮带动过渡齿轮5转动，再传给驱动齿轮6，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 3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平稳行驶；当前进的车轮碰上高障碍（如楼梯）而停止不动时，驱动轮系就演变成行星轮系，转臂3带着另外3个车轮绕中心齿轮的轴线回转，实现翻越障碍（即爬楼梯）的目的。
如图3.4所示，后轮轮组也是采用3轮的星型结构，包括摆杆1、轮毂2、小车轮3。摆杆1下端通过轴承空套在转向齿条的一端，上端通过轴承与主车架相连，左端通过轴承空套在轮毂上；小车轮通过轴承空套在轮毂上。
2
3
1
图3.4 后轮轮组示意图 1摆杆；2轮毂；3小车轮
与前轮轮组不同的是后轮轮组不需要驱动小车只需要负责小车的转向，所以它不需要行星齿轮组传动机构。后轮轮组的两层小车轮通过螺栓固连在一起，保证车体转向的轻松实现。
3.2.2传动部件的设计与校核 1、轴的设计与校核
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一种爬梯机械人的设计
（1）驱动轴的设计 <1>选择轴的材料
前文已确定机器人小车的速度为1.5KM/h，速度很低，固选用45#钢调质，由《机械设计》查得屈服强度极限
。
<2>确定轴上的功率P、转速n、和转矩T。 由前文知：
T?0.6N?m、许用弯曲应力、硬度220HB，
/h1.5kmn???2.08r/s
r0.2m?式中r为车轮半径为0.2m，因行星轮系中的齿轮大小相等，所以转速相同。
P?PD??180?0.9?162kw 式中η为锥齿轮传动效率，查《机械设计》书得η=0.9。<3>轴的结构设计
1）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
为了满足轴承的轴向定位，1-2轴段右端、5-6轴段左端需制出一轴肩看，故取2-3轴段的直径d2?3?10mm；为了满足传动带轮和磁轮的的轴向定位要求， 2-3轴段右端需制出一个d3?4?24mm的轴肩；d2?3?d3?4?20mm。各段长度分别为：
L1?2?L5?6?10mm,L2?3?450mm,L3?4?5mm,L4?5?400mm
轴结构如图3.14所示，
图3.5 驱动导轮轴结构图
2)确定轴上圆角和倒角尺寸
各轴肩圆角半径均取r?2，倒角均取为1?45?。
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