爬楼梯机器人

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。

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。

毕业设计（论文）--爬杆机器人的机械结构设计爬杆机器人的机械结构设计摘要论文在比较几类爬行机构的优劣的基础上，确定了机器人本体的大致结构。

在此基础上详细阐述了仿生爬行的原理和机器人模块化设计的理念。

根据路灯杆的尺寸数据，设计机器人的三维模型。

机器人建模的过程功能的实现与机械结构的尺寸优化包括以下几个关键点：爬杆机器人设计中的功能机构的协调配合、攀爬手臂夹持重合度的选择、攀爬力的变化与结构参数之间的关系、攀爬力零点的渡过等难点的设计方法和设计准则，为此类爬行机器人的设计提供参考。

关键词：爬杆机器人变直径杆仿生学Mechanical Structure design of Pole-Climbing-RobotAbstractIn the paper，the wormlike imitated pole-climbing robot what the author designed and manufactured is non-intelligence mechanical crawler. Based on compared the merits and demerits of several kind of crawling mechanism，confirmed the general structure of robot body. Based on above-mentioned，expatiated the principle of bionic crawling and the theory of modular designing on robot in detail. Based on the dimension data of poles，we have designed and manufactured the model of robot. The design methods and design guidelines during the course of robot modelingachieve the movement and optimum structural design following several key points： Functional coordination between agencies，choice of climbing arm gripping coincidence，changes of climbing force the relationship between the structural parameters，choice of zero point of climbing force and its transition in pole-climbing robot designing. Provides references forth kind of crawling robot’s designing.Key Words ： pole-climbing robot，variable-diameter pole，bionics 目录1 绪论 11.1 论文研究的目的和意义 11.2 国内外研究现状及存在的主要问题 2机器人的分类 3研究现状 4目前存在的主要问题81.3 研究主要内容和研究对象91.4 本章小结92 爬杆机器人仿生的设计理论研究102.1 仿生机器人概述102.2 总体方案分析112.3 蠕动式仿生爬行方案研究142.4 本章小结153 机器人爬行部分的结构方案163.1 爬行机器人本体结构设计准则16 模块化设计基础理论163.2 机器人结构原理方案分析18夹紧机构方案研究18传动机构方案分析20动力系统方案研究23机器人结构原理及爬行动作原理 243.3 变直径杆爬行问题的解决263.4 安全稳定的工作保障 27夹紧力的保证―弹簧的设计方法研究27 3.4 机器人的结构设计27电机的选型及参数选择 28机器人本体的空间结构设计30抓紧机构尺寸参数的确定33传动机构尺寸参数的确定37上、下凸轮的配合研究413.5 弹簧的设计与校核423.6 本章小结45结语46致谢47参考文献481 绪论1.1 论文研究的目的和意义目前全国日益加快的现代化建设步伐，除了2008年8月在北京举办的奥运会、还有2010年在上海举办的世博会，随着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高，城镇中随之矗立起无数的高层城市建筑，各类集实用性与美观性一体的市政、商业工程诸如电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等如图1.1 ，它们通常5-30m，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃钢结构等，由于常年裸露在大气之中，风沙长年累月的积累会形成灰尘层，该污染影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈，并缩短它们的使用寿命，需要定期进行壁面维护工作。