爬楼梯机器人的设计构想与思路

爬楼梯机器人的设计构想与思路

一、目的：

检验机械设计者对机械原理、机械设计方法、机械传动控制原理、自动控制原理等多学科知识的综合运用和理解的深刻程度。

二、作品的功能：

个人理解认为，前期可以只作为一个试验模型或玩具，主要目的是考验设计者的设计能力，动手能力，以及创新思维能力。作品可以制作的较小，满足自身爬楼梯的功能即可，可作为一个寓教于乐的玩具。但根据该作品的思路和方法，作出一个具有实际使用价值的产品才因该是最终目的。正所谓科学技术是第一生产力的概念就是体现在这里。

三、具体设计思路要点：

只以用于模型、玩具的思路来设计该机器人，以下为主要设计思路和要点。

1.关于动力来源：

既然是模型，动力来源基本上局限在了电能上，综合考虑执行机构的形式和功率来看，使用电池即可满足一般要求，采用体积小，重量轻的锂离子电池应该是首选，也可考虑使用镍氢充电电池，当然这点主要是考虑了模型的可移动性。同时也可考虑使用外部供电的方式，实现长时间续航的要求。

2.关于执行机构的设计思路：

首先要充分考虑并理解该机的主要工况：具有一定高度和宽度的台阶，同时台阶又是相同的、连续的。因此设计时考虑如何攀爬上一个台阶，则剩下的就是考虑实现连续不断的重复该动作即可。

同时，该机还应该可以在楼梯间的平地行走，这点也是考虑的主要工况之一。

第三，不同的楼梯高度不同，宽度不同，级数也不同，该机要尽量适应大多数楼梯，当然了，绝大多数楼梯是在相关的建筑标准中规定了尺寸的，因而该机对若想适应不同的楼梯，其实面对的差异并不大。

综合上述工况及分析结果，基于连续性运动而考虑，仍然采用轮式结构作为执行机构。可适应连续行走，连续攀爬，重复性好。毋庸置疑，采用小型直流电动机驱动，由于电动机的速度较大，因此必须使用齿轮机构或皮带机构实现减速、增大扭矩。

光是轮胎，要想攀爬楼梯，则轮胎必须足够大，直径至少是台阶高度的十倍以上，否则根本无法跨越，显然与模型设计的理念不符。而且攀爬时运动不平稳，驱动扭矩相当大，自然不予考虑。

因此设计一种行星布置式轮系来作为行走执行机构，中间太阳轮作为输入机构，与电机连接，太阳轮可较小，太阳轮外围不知若干的行星轮。分析计算太阳轮直径可电机转速，决定是否需要使用减速机构降低电机速度。既然是行星轮，则一个、两个肯定是不行的，无法实现稳定、连续的运动，至少三个以上的行星轮，各行星轮用行星架固定，太阳轮旋转时与行星轮上的轮齿啮合，带动行星轮自转，平地

上时，行星轮只会自转，遇到台阶时，则会公转，如此即可实现要求的各种工况。

考虑整机平稳性要求，可设置四个行星轮系，每个轴上各安装两组轮系，每个轮系由一个电机驱动，当然也可使用汽车的桥式结构，布置两根桥，桥内带差速器和半轴，不失为一种良好的选择。使用一个平台连接两根轴（桥），附件，电池等辅助器件可布置在平台上。

大致结构如下图所示：