爬楼梯机器人
一种爬楼机器人
一种爬梯机械人的设计[摘要]在日常生活和生产中经常要将重物搬上楼梯，传统的方法基本是靠人力搬运完成，有时由于重物太重或人手不足而无法搬运，本课题就是为克服这个难题而设计的。
本论文主要对爬楼机器人星型轮的传动机构及控制系统进行详细设计。
首先介绍了国内外爬楼机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。
然后进一步介绍了本爬楼机器人总体结构。
在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上，设计了相对优势较明显的轮组结构爬楼机器人。
对机器人小车的运动学模型进行分析，论证小车实现任意曲线运动所包含的自转、直线前进、圆弧前进三个基本运动单元的可行性。
引入虚拟样机技术，通过Pro/Engineer三维建模并进行模拟运动仿真。
文章最后研究设计了在各种环境下，以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。
在控制系统中，采用超声波传感器的对称排列，获取了自主上楼梯所必须地两个关键参数θ和 q；对驱动大功率电机的电路进行分析，设计了更适合大功率，更安全的电机驱动电路，直流马达配合高功率MOSFETⅡ型驱动器。
关键词：爬楼机器人；三星轮； MOSFET驱动电路；单片机 C8051F310AbstractMoving weight from up and down is required in our daily activities and productivities, and it was done by hand. While it is too heavy or short –handed to finished in some times. This thesis is designed to overcome the obstacles and it gives a detailed designing on transmission device and control system of star-like wheel of stair-climbing robot. Firstly ,it introduced a current situation of stair-climbing robot at home and abroad, clarified the purposes and meanings, introduced a overall structure of stair-climbing robot.After deeply analysis the stair-climbing frame and the object, designed a wheelsets stair-climbing robot with more advantages than others . Analyzed the kinematics model of the robot car,and demonstrate the available of achieving any curve movement with the rotation, straight forward, and arc forward . Robot can achieve track controlling based on speed matching. With the aid of virtual prototyping technology, through the 3D software of Solid Works, the dynamic analysis of the stair-climbing robot is carried out in ADAMS. At last, the thesis design the controller system with the core of C8051F310 based on rule environment ，In the control system, with the help of arranged ultrasonic sensors, get the two key parameters θ and q which import for climbing staircase Analyzed the circuit of high-power motor driving, design a more suitable circuit than IC L298N.Which is dc generator with highly efficient driving MOSFETⅡ.Key words：Stair-climbing robot；Three–star wheels；MOSFET driving circuit；Single chip microcomputer C8051F310II目录[摘要] ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I Abstract ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ II 第一章引言 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.1 课题研究的目的和意义 ------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.2 移动机器人的发展概况 ------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.3 爬楼梯机器人目前的研究状况--------------------------------------------------------------------------------- 4 1.4 论文研究的主要内容---------------------------------------------------------------------------------------------- 6第二章爬楼机器人的总体设计 ---------------------------------------------------------------------------------------- 8 2.1 爬楼机器人的设计要求 ------------------------------------------------------------------------------------------ 8 2.2 爬楼机器人的总体方案 ------------------------------------------------------------------------------------------ 8第三章爬楼机器人传动、轮组及转向机构设计 --------------------------------------------------------------- 11 3.1爬楼梯机器人小车的执行电机选择------------------------------------------------------------------------- 113.1.1技术指标------------------------------------------------------------------------------------------------------ 113.1.2电机选型 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 3.2爬楼机器人的机构设计 ----------------------------------------------------------------------------------------- 133.2.1 机器人小车传动机构设计 ------------------------------------------------------------------------------- 133.2.2传动部件的设计与校核 ----------------------------------------------------------------------------------- 153.2.3爬楼机器人转向机构设计 -------------------------------------------------------------------------------- 193.2.4机器人小车结构设计--------------------------------------------------------------------------------------- 20 3.3爬楼机器人小车三维实体建模 ------------------------------------------------------------------------------- 223.3.1 Pro/E软件介绍 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 223.3.2三维实体建模------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 3.4 爬楼机器人小车行驶性能分析------------------------------------------------------------------------------- 233.4.1可跨越最大垂直障碍高度 -------------------------------------------------------------------------------- 233.4.2最小转弯半径------------------------------------------------------------------------------------------------- 24第四章爬楼机器人控制系统设计----------------------------------------------------------------------------------- 26 4.1 机器人爬楼梯的控制目标 ------------------------------------------------------------------------------------- 26 4.2 机器人的体系结构及系统组成------------------------------------------------------------------------------- 26 4.3控制系统主要硬件的选择 -------------------------------------------------------------------------------------- 284.3.1单片机的选型------------------------------------------------------------------------------------------------- 284.3.2传感器的选择------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 4.4机器人控制系统的程序编制----------------------------------------------------------------------------------- 31第五章总结与展望 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 385.1全文总结------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38 5.2展望 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38致谢 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- III 参考文献 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- IV第一章引言自盘古开天辟地，人类诞生以来，人们就一直用智慧开辟着完美的生活！进入新的21世纪，人类除了致力于自身的发展外，还十分关注机器人、外星人和克隆人等问题。
全国3D大赛作品助老助残爬楼梯机器人说明书
全国3D大赛作品助老助残爬楼梯机器人说明书一、产品概述全国3D大赛作品——助老助残爬楼梯机器人，是一款专为老年人和残障人士设计的辅助设备。
本产品设计目的在于提供一种能够方便、安全、高效地帮助他们上下楼梯的解决方案。
通过精密的机械设计和先进的控制系统，本产品能够有效地提升使用者的上下楼梯能力，减轻他们的负担，提高生活质量。
二、产品特点1、安全性：本产品设计首要考虑的是使用者的安全。
采用稳定的机械结构和防滑材料，确保在使用过程中不会发生意外。
同时，设有紧急停止按钮，可在必要时立即停止机器运行。
2、易用性：操作简单，使用者只需轻轻推动控制杆，即可轻松上下楼梯。
同时，设有语音提示功能，引导使用者进行操作。
3、适应性：本产品设计考虑了不同使用者的需求，可以通过调节座椅和脚踏板的位置来适应不同身高和使用者需求。
4、节能性：采用高效电机和节能设计，保证机器在运行过程中的能源消耗最小化。
三、使用方法1、开启：按下开启按钮，机器人将自动识别楼梯并开始运行。
2、操作：推动控制杆来控制机器人的上下移动。
向上推动控制杆，机器人将向上爬楼梯；向下推动控制杆，机器人将向下爬楼梯。
3、停止：在任何时候，按下紧急停止按钮，机器人将立即停止运行。
4、关闭：在完成使用后，按下关闭按钮，机器人将自动返回待机状态。
四、注意事项1、使用前请仔细阅读本说明书，了解机器人的操作方法和注意事项。
2、请在安全环境下使用本产品，避免在潮湿、高温或极寒环境中使用。
3、请勿让儿童或未经训练的人使用本产品，避免发生意外。
4、使用过程中，如遇任何问题或故障，请立即停止使用，并售后服务。
5、在使用结束后，请关闭机器人，以节约能源并延长机器寿命。
五、售后服务我们提供全面的售后服务，包括产品咨询、使用指导、维修保养等。
在使用过程中遇到任何问题，您可以随时我们的客服团队，我们将尽快为您解决问题。
同时，我们也提供定期的保养服务，以确保您的机器始终处于良好的工作状态。
爬楼梯机器人设计
爬楼梯机器人设计摘要机器人是一门涉及计算机科学、机械、电子、自动控制、人工智能等多个方面的科学。
步行者机器人是一台在四连杆机构的基础上而设计出来的爬楼梯机器人。
它最大的特点是能够始终保持自身重心，实现爬上楼梯的目的，动作稳定，优美。
虽然该作品结构较为简单，但是其中采用了模块化设计，使其可以随时更新、升级（这是现今机电一体化工程中鲜有的设计方法）；使机器不仅能适应不同的楼梯，更可以在不同情况的路面上发挥其作用。
其中利用的仿生学原理使该机器人即使在路况不是很好的情况下也可以稳定的进行工作。
1、进行了较完善和全面的方案设计而后分析论证。
重点分析讨论了其中具有代表性的三个方案。
并从中选取一个作为设计方案。
2、对于机器人运动方式，系统设计及其驱动要求进行了认真仔细的分析，对比和计算校核。
3、针对已定方案的设计计算，进行了实际制作从而验证了机构的可行性。
关键词：机器人爬行台阶目 录前 言 (1)第一章机械的功能原理设计1．1 实现功能 (2)1．2 原理设计 (2)第二章运动方案设计分析2．1 方案设计 (3)2．1．1 方案一 (3)2．1．2 方案二 (3)2．1．3 方案三 (3)2．2 方案的对比和分析 (4)第三章零件的选定与基本计算3．1 材料选取与电机选取 (4)3．2 驱动系统技术参数的计算 (5)3．2．1 功率的计算 (5)3．2．2 死点位置的计算与处理 (6)第四章 制作与改进4．1 制作过程遇到的问题及改进方案 (7)4．2 调试及改进结果 (7)4．3机械运动方案图 (9)第五章总结5．1总结和设计制作感受 (10)参考文献及相关网址 (11)前言在一个学期的《机械原理》课程学习中，我们学到了有关机械原理的基本概念、基本理论和基本方法。
老师授课深入浅出，很适合我们学习专业课的认识规律，便于我们理解和掌握，在整个课程的学习中取得了良好的效果和成绩。
通过一个学期的学习，我们有了基本的机构分析方面的能力，包括机构结构分析、运动分析、力分析和动力学分析。
爬楼机器人原理
爬楼机器人原理一、引言随着科技的不断进步和人们对于生活品质的要求提高，爬楼机器人应运而生。
爬楼机器人是一种能够沿着垂直表面爬升的机器人，可以在高楼大厦等场所执行各种任务，如清洁窗户、维修管道等。
本文将介绍爬楼机器人的原理以及其工作方式。
二、爬楼机器人的原理爬楼机器人的原理主要基于两个方面：附着力和移动方式。
1. 附着力爬楼机器人的附着力是指机器人能够稳定地与垂直表面接触，以防止在爬升过程中的滑动或脱落。
现有的爬楼机器人通常采用以下几种附着力原理：a) 吸盘附着力原理：机器人通过使用吸盘在表面上产生负压，以增加与垂直表面的接触力，从而保持稳定的附着力。
b) 磁性附着力原理：机器人通过使用磁性材料与垂直表面产生吸引力，以实现稳定的附着力。
c) 静电附着力原理：机器人通过携带带电物质，使其与垂直表面产生静电作用力，以保持稳定的附着力。
2. 移动方式爬楼机器人的移动方式一般分为两种：轮式移动和腿式移动。
a) 轮式移动：轮式移动是一种常见的移动方式，机器人通过安装轮子，以滚动的方式在垂直表面上行走。
轮式移动具有简单、稳定的特点，但受到表面粗糙度的限制。
b) 腿式移动：腿式移动是一种仿生学的移动方式，机器人通过模仿昆虫的步态，在垂直表面上使用多个腿部进行爬升。
腿式移动具有较好的适应性和灵活性，可以适应复杂的表面条件。
三、爬楼机器人的工作方式爬楼机器人的工作方式可以分为以下几个步骤：1. 附着爬升准备：爬楼机器人在执行任务前需要判断表面的条件，选择合适的附着力方式来保持稳定。
例如，如果表面光滑，可以选择使用吸盘附着力原理；如果表面具有磁性，可以选择磁性附着力原理。
2. 附着爬升：机器人利用附着力原理，稳定地附着在垂直表面上，并开始进行爬升。
在此过程中，机器人需要动态地调整附着力，并确保稳定的接触面积。
3. 导航与控制：爬楼机器人通常配备有导航与控制系统，可以通过传感器获取周围环境信息，并根据任务要求进行准确的导航和控制。
管道攀爬机器人结构设计及行走动力特性分析
虽然串联机器人动力学特性及结构优化设计已经取得了许多重要成果，但仍 然存在许多研究方向值得进一步探索。例如，如何建立更加精确、高效的动力学 模型，以满足实时控制的需求；如何将新型优化算法应用于结构优化设计中，以 获得更好的优化效果；如何提高机器人的柔性和自适应性，以适应更加复杂和动 态的环境等。
此外，随着和机器学习技术的快速发展，这些技术也开始被应用于串联机器 人的设计和控制中。例如，通过机器学习方法，可以实现对机器人的自适应控制、 故障诊断和维护等。这为串联机器人的进一步发展提供了新的机遇和挑战。
因此，在未来的研究中，可以综合考虑这两种方法，设计一种混合式的控制 策略，以实现机器人在不同条件下的稳定攀爬。此外，还可以进一步研究机器人 感知和决策等方面的技术，以提高机器人在复杂环境中的自主能力。
感谢观看
控制算法
管道攀爬机器人的控制算法包括位姿估计、轨迹跟踪等。位姿估计是指对机 器人在管道中的位置和姿态进行估计，通过对传感器数据的处理和分析来实现。 轨迹跟踪是指根据位姿估计结果，控制机器人按照预设的轨迹行走，通过对电机 进行控制来实现。
在控制算法的设计过程中，需要考虑机器人的作业效率和安全性。为了提高 作业效率，需要缩短位姿估计的时间，提高轨迹跟踪的精度。为了确保安全性， 需要加入防抖动和异常情况处理等功能，以避免机器人在行走过程中出现问题。
爬杆机器人是一种能够在垂直杆上自主攀爬的机器人，这种机器人在电力线 路巡检、救援、建筑等领域有广泛的应用前景。然而，要实现机器人的自主攀爬， 需要解决一系列的关键问题，包括对环境的感知、运动规划、控制策略等方面。 在本次演示中，我们将重点探讨爬杆机器人的攀爬控制。
机器人攀爬控制是实现自主攀爬的关键技术之一。在攀爬过程中，机器人需 要通过对环境的感知，获取关于杆子位置、姿态等信息，再根据这些信息调整自 身的运动状态，实现稳定的攀爬。在这个过程中，控制算法起着至关重要的作用。
03052007089+王锐+爬楼机器人运动学、动力学分析及遥控装置的设计
二、构思符合要求的越野小车
滚翻式
缺点：控制复杂 转换环节太多
端举式
缺点：越障高度有限 行进与越障转换慢
背跃式
缺点：速度慢 重心高，不稳定
三、最优方案
行星轮式
行星齿轮功能图：
行星轮式 当在平地行进时，动 齿轮通过惰轮驱动顶端齿 轮，顶端齿轮与其连接的 车轮一起转动，从而带动 小车前进。 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，. 星型轮的模型仿真 2. 带变速箱的双联电机的模型 3. 整车运动的模型仿真
行星轮模型整体主视图如下：
行星轮内部结构图：
带变速箱的双联电机的模型
传动齿轮组
整车模型仿真俯视图:
汇报完毕 不足之处请各位教员 批评指正 谢谢！
四、机械设计分为以下三个部分
（一） 带变速箱的双联电机设计 （二）星型轮的设计 （三）车体底盘和车轮的设计
（一）、带变速器的双联电机设计
1. 选择合适的微电机{
转矩 转速 小车速度
2. 设计减速器齿轮传动{ 电机转速 3. 设计各个传动零部件{ 4. 校核齿轮和轴{
强度校核 疲劳校核 轴的设计 齿轮的设计
爬楼梯机器人运动学、动力 学分析
指导教员：李玉亮 胡立明 汇 报 人：王锐 学 号：03052007089 同组成员: 张鑫
设计内容
1. 分析爬楼梯机器人原理 2. 构思符合要求的爬楼梯机器人 3. 选择最优设计方案 4. 机械设计 5. 模型仿真
一、分析爬楼梯机器人原理
这种机器人实现越野主要体现在爬上一定 高度的楼梯． 由分析研究得出以下结论： 在相同重量和台阶高度及摩擦系数的条件 小车的车轮直径较大的， 下，小车的车轮直径较大的，比较容易爬上台 阶。
RB-D01型双层轨道式爬壁移动机器人说明书解读
前言随着经济的发展，人们对于石油、化工原料、核反应堆等的需求量逐步增加，造成储存这些产品的立式油罐的容积越来越大，也越来越高，如果采用人工来完成立式油罐的容积测量、厚度测量、焊缝探伤检查、喷漆、清洁等外围作业显然耗时费力费财，已然成为一项危险作业，而且核反应堆具有辐射，对人体危害极大，在这种背景下，人类迫切需要开发一台代替人工作业的自动化机械来完成这些任务，既可以解放劳动力，提高工作效率，降低任务成本，而且任务执行精确、到位。
故爬壁机器人应运而生。
近几年来，机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。
其中，爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。
概括起来，爬壁机器人主要用于：(1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；(2)石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；(3)建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；(4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；(5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等。
在机械技术发达的国家已经采取了爬壁机器人作为他们完成油罐外围各项工作的首选工具。
比如日本足式磁吸附壁面移动机器人；美国的C-Bot壁面爬行机器人等。
爬壁移动机器人的出现将极大的降低油罐外围任务的成本、工人的劳动强度、安全性，同时提高工作效率，带来相当大的社会效益和经济效益，而且远程无线式控制将成为主流趋势。
因此，移动爬壁机器人的设计和研究有相当好的发展前景。
针对石化核能源企业的现实需求，我认为，爬壁移动式机器人最起码的功能应该有以下几点：1、机器人可沿金属（大多数）、水泥等罐壁垂直爬升和下降；2、可以在任意的某一位置停留，保证执行机构的工作环境；3、罐体表面工作时可以全覆盖；4、采用远程控制，保证用户的安全并最大程度的方便用户。
5、机器人自身带电源，因为使用线缆供电时，线缆容易绞缠、错乱和布置较慢等弊端凸显。
爬楼梯机器人说明书
爬楼梯机器人说明书简介：该项目涉及一种用于搬运重物上下楼梯的机器人，实现上下楼的智能化，该机器人机械系统设计较为巧妙，控制方式灵活，具有较高的技术水平。
可适用于各种工厂、住宅楼的货物搬运。
同时，对载物台稍加人性化设计，便可实现载人上下楼，解决老人和残疾人上下楼问题，具有较大的社会价值和经济价值。
详细介绍：该项目涉及一种用于搬运重物上下楼梯的机器人。
通过倾角传感器控制平衡；通过红外测距传感器增强环境适应性；载物台做水平、竖直运动，重心变化平稳；腿与框架螺栓联接，便于拆卸存放；结构设计合理，体积小，质量轻，便于市场推广。
可适用于各种工厂、住宅楼的货物搬运。
同时，对载物台稍加人性化设计，便可实现载人上下楼，解决老人和残疾人上下楼问题，具有较大的社会价值和经济价值。
作品设计、发明的目的：设计一种智能化程度高、快速、稳定，同时体积小、质量轻、拆装方便、价格低廉、环境适应性强的楼梯运输机器人，解决载重上下楼梯的自动化问题。
基本思路：上楼时先该机器人本体与平行四边形机构用铰链相连六个车轮的直径均为85 mm。
前轮上安装有二个电动机，一个驱动转向另一个驱动小车的前进和后退。
中间轮和后轮上各安装有一个电动机驱动小车前进和后退，四个电动机具有相同的功率。
利用平行四边形变形特点改变与主体相连平行四边形机构的角度可使前车轮、中间车轮分别抬起和落下来实现自适应在楼梯面的爬行。
爬楼梯运动分析经试验在驱动力允许条件下该机器可爬楼梯台阶的高度为40 mm。
爬楼梯过程：首先整车向前运动直到前轮接触台阶，然后前轮越过台阶，这时前车轮机构向上抬起，然后在中间轮和后轮电动机驱动力的作用下前两个轮子越过台阶而中间轮和后轮与台阶始终保持接触当中间两个轮子越过台阶时安装在主体机构上的后车轮在电动机作用下同时爬楼梯台阶楼道、墙面自动吸尘器。
楼道、墙面自动吸尘器本体采用平行四边形机构实现上下楼梯功能爬行速度快、平稳可靠。
转向机构采用传统差速机构增加红外线位置扫描系统实现智能化。
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在第一种方案中，预计通过活塞气缸实现 双腿的伸缩，通过机器人身体的扭转实现 爬楼梯动作，但我们考虑到爪子设计中的 加紧与放松以及机器人在爬楼梯过程中的 稳定性时，现成的参考方案较少，没有找 到较理想的方案，实现较为困难。
第二种方案是旋转爬楼梯机器人， 通过控制机身的旋转角度以及爪子 的加紧与放松实现它的向上攀爬过 程，同样的在它的设计准确性方面 遇到了困难，我们很难确定机器人 在攀爬一步的过程中所需要转过的 角度，并且在抓梯子过程也是遇到 了瓶颈。
部件设计与选型
电机选型
在电机的选择中，通过分析各种电机的优缺点，结合我们自己的需求： 我们用的螺杆传动，需要比较精确的角度控制，步进电机每步的精度在百分之三 到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动 的重复性，能够满足要求； 通过控制它的脉冲数即可控制它的旋转角度，因此在爬楼梯的过程中能够很准确 地控制机器人的行程； 步进电机具有优秀的起停和反转响应，而我们所设计的爬楼梯的过程正是通过通 过点击的起停和反转来实现的； 由于步进电机在整步状态时振动大，为了减小震动我们选择半步状态；
SIMULATION
SIMULATION
小组 分工
TEAM WORK 感想
• 问题 • 经验总结 • 关于Work in a Team
THANKS !
我们借鉴的他们的上下两排的钩型爪子结构，并根据我们的 需要作出了改进。
参考方案
气动爬梯机 器人的实物
参考方案
乐高机器人爬梯子： 爪子部分运用的是曲 柄滑块机构，虽然我 们并没有采用，但是 他的动作过程对我们 自己的设计也有不少 的帮助。
设计方案
上梯运动主要有三部分
下级台阶的固定运动到上一级台阶二者的交替方式
部件设计与选型
键
根据轴径选择5*5*10普通平键
名称 步进电机 步进电机支架 部件材料列表 联轴器 圆锥滚子轴承 主要传动部件既承受拉力有承受较大扭矩， 角接触球轴承 材料采用综合性能较好的合金钢 键（联轴器） 键（车轮） 轴承座 机架选用质量轻、受压强度较好的铝合金 传动螺杆 螺母副 动拉杆 螺母副选用摩擦较小的青铜 定拉杆 钩子 轮子选用PP共聚物，质量轻且摩擦小 连钩杆 铆钉 车轮 机架
部件设计与选型
数量 1 1 2 2 4 2 4 2 1 1 2 2 4 4 4 4 1
材料 合金钢 合金钢 合金钢 合金钢 合金钢 合金钢 合金钢 合金钢 合金钢 青铜 合金钢 合金钢 合金钢 合金钢 合金钢 PP共聚物 铝合金6063-T5
爆炸图 MOTION 分析过程
SIMULATION
SIMULATION
设计方案
爪子
使用运动导槽与弹簧组合，解决了爪子碰梯子的问题。悬空正常情况下， 爪子的钩子部分受弹簧拉力，张开状态；当爪子运动到横梁处时，被压缩 收起；越过横梁，在弹簧拉力下弹开，钩住横梁，将机器固定。
爪子装配参数
总体方案示意图
设计方案
轮子
为了防止机器人在梯 子上歪斜，设计轮子 外侧凸缘，同时起到 支撑、导向、减小摩 擦的作用；
SIMULATION
SIMULATION
钩子加完约束和载荷后的网格划分图
SIMULATION
SIMULATION
SIMULATION
SIMULATION
螺旋副所在受力轴承的前处理图
SIMULATION
SIMULATION
SIMULATION
SIMULATION前 源自 理 部 分 的 设 置部件设计与选型
计算螺纹升角
求得螺纹升角0.2弧度，11.46°
PI
螺杆直径D2 底边 螺距P tan（螺纹升角） 螺纹升角
3.14 16.00 50.27 10.00 0.20 0.20
mm mm mm
rad
部件设计与选型
螺杆转矩T
求得363.83N· mm
部件设计与选型
每梯运动时间
电机步距角 电机频率 电机转速 每梯时间 0.90 2.50 KHZ 375.00 rpm 4.00 s
螺旋传动
将电机的旋转运动转换为直线运动；螺旋传动在机床的进给机构、起 重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业设备中 有着广泛的应用。
设计方案
运动过程
固定爪钩住梯子横梁，电机正转时将螺母副推出，带动运动爪伸出抓 住梯子横梁，螺母副运动到螺杆末端；
电机反转，带动机器上升，螺母副运动到螺杆近电机的起始端；如此 循环，实现爬梯动。每个行程为每级梯子的斜长度250mm。
部件设计与选型
联轴器
电机伸出轴与螺杆选用 普通凸缘联轴器
部件设计与选型
螺杆
根据资料，选用牙型角30°的等腰梯形螺纹传动，牙根强度较高，易于制造； 且因内外螺纹是以锥面贴合，易于对中。
直径根据电机伸出轴确定轴承后，取螺杆直径d=16mm，螺距P=10mm。
部件设计与选型
圆锥滚子轴承
电机伸出轴径8mm，联轴器轴肩及轴承内径，选用30302圆锥滚子轴承，轴承内径 15mm，外径42mm，轴承宽度13mm，基本额定载荷Cr22.8KN,Cor21.5KN，满足设 计要求。（背对背安装反装）
爬楼梯机器人
目录
设计目标
实现快速爬上图示梯子： 倾斜角度70° 每层梯子的斜长度250mm 梯子宽400mm 横杆直径32mm 斜梁直径32mm
设计思路
我们小组的任务是爬楼梯机
器人的设计及分析。 我们需要建立一个可以爬上 梯子的机器人，当然边界条 件是越快越好，就此任务， 在最初的概念设计时，我们 提供了三种简单的雏形方案。
轮轴参数
总体方案示意图
总体参数
总体尺寸
总长853mm 总宽442mm 总高192mm 总重13.5KG
总体方案示意图
总体参数
总体方案示意图
部件设计与选型
系统载荷
初步计算机器总重15KG 计算载荷=名义载荷*动载系数*摩擦损耗/动载系数，求得计算载荷=23.23KG
名义载荷 动载系数 摩擦损耗 效率 计算载荷
15.00 KG 1.20 1.20 0.93 23.23 KG
部件设计与选型
载荷分析
根据梯子倾斜角度求得：沿梯子方向分载荷21.83 KG，垂直梯子方向分载荷7.94 KG
沿梯子方向分载荷 垂直梯子方向分载荷 21.83 7.94 KG KG
因为已经考虑摩擦且垂直分量较小， 选型时简化计算，使用250N进行选型
部件设计与选型
电机选型
我们根据所需要的扭矩选用以下型号电机57BYG250B-SAFRML-0302 根据半步时空载启动频率计算出电机转速为375rpm，爬一层梯子大概需要4s。
部件设计与选型
电机选型
部件设计与选型
电机选型
步进电机不能直接与电源相连，必须使用专用的电源 驱动器，而对于驱动器的要求，它必须能够提供较快 的电流上升和下降速度， 使电流波形尽量接近矩形。 我们选择57BYG驱动器 M542，根据与淘宝客服的交流 以及计算我们选择24v锂电池供电电源，大约续航时 间为0.6小时。预计能够满足要求。
设计思路
其实每一种方案都各有利弊，第一种方案结构比较简单， 第二种方案也比较新颖迷人，但在规定的时间内做出满足 要求的机器人，我们把所有的焦点集中到第三种方案。 在再次对我们小组的任务有了更明确的认识，以及对这三 种方案的可行性评估之后，我们选择了第三种方案。
参考方案
参考方案
设计原理：
数控气动爬梯消防机器人是应用仿生学原理来设计机器人爬 动动作。利用空压机提供气源，采用气动作为动力，用单片 机控制电磁阀，驱动气缸带动联杆和钩子有序工作，使两幅 钩子交替有序抬起、伸出、落下，实现机器人自动沿梯子上 下爬动的动作。 整个机器人系统由机器人机身、梯子、空 压机组成。机器人系统最重要的部分就是机器人机身，其特 征在于：机身由4个电磁换向阀、2个双活塞气缸、1个单活 塞气缸、机身架、单片机控制电路以及若干个高精度进口传 感器及其他辅助机械零件装配成。 详细内容见附件《气动爬梯机器人》