轮组式楼宇助行器设计

摘  要

楼梯是人造环境中最常见的障碍，也是移动机器人最难跨越的障碍之一，本设计主要研究爬楼机器人行走机构的结构设计。在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上，针对楼梯结构的变性，研制了具有爬楼梯强适应能力的轮组结构，本文设计的行星轮组式行走机构由4组行星轮系组成，相当于8×8轮驱动。静力学分析表明，行星轮系的越障高度与轮距和轮胎直径成正比关系。随着车轮对地面作用力的不同，驱动轮系可相应地演变成定轴轮系或行星轮系，该机构保证机器具有良好的机动性，能够在平地行驶，爬楼梯，和跨越障碍等动作状态之间很好的过度转换。介绍了机器人的结构特点及其运动功能的实现。并对机器人的结构布局、轮组设计、传动方案等内容进行详细阐述。根据机器人车体主要结构参数得设计，最后绘制出CAD二维零件图及装配图。本设计所作的工作，为进一步设计出结构性能更优，控制智能更高的爬楼机器人搭建了良好的平台。

关键词：爬楼梯机器人；越障机构；轮系；传动机构设计

目  录

摘  要 I

Abstract II

第1章  绪　论 1

1.1  论文研究的目的和意义 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 3

1.4  设计研究的主要内容 5

第2章 轮组式爬楼梯机器人小车的总体设计 6

2.1  轮组式爬楼梯机器人总体方案设计 6

2.1.1  轮组式爬楼助行器的设计要求 6

2.1.2  轮组式爬楼助行器的总体方案 6

2.2 轮组式爬楼助行器的机构设计 7

2.2.1  轮组式爬楼小车传动设计 7

2.2.2  轮组式爬楼小车结构设计 9

2.2.3  轮组式爬楼小车的运动状态 11

第3章  轮组式爬楼梯机器人小车的执行电机选择 15

3.1  选择电动机的技术指标 15

3.2  电机选型 15

3.3  电机功率计算 16

3.4 电池选择 17

第4章  轮组式爬楼小车传动系统设计与运动参数的计算 18

4.1  传动系统传动比计算及分配 18

4.1.1  应用平地中的行驶传动系统 18

4.1.2  应用爬楼的行驶传动系统 18

4.2 蜗杆传动设计 19

4.2.1  蜗杆与蜗轮的设计 19

4.2.2  蜗杆与蜗轮几何尺寸计算 21

4.2.3  蜗轮零件工作图设计 22

4.3  链传动的设计 23

4.3.1  大小链轮的设计 23

4.3.2  链轮几何尺寸计算 24

4.3.3 链轮零件工作图设计 25

4.4 直齿圆柱齿轮传动设计 26

4.4.1  直齿圆柱齿轮设计 26

4.4.2  直齿圆柱齿轮几何尺寸计算 28

4.4.3  直齿圆柱齿轮零件工作图设计 28

4.5  直齿锥齿轮传动设计 30

4.5.1  直齿锥齿轮设计 30

4.5.2  直齿锥齿轮几何尺寸计算 31

4.5.3  直齿锥齿轮零件工作图设计 32

第5章  轮组式爬楼小车轴的设计计算 33

5.1  轴的材料选择 33

5.2  轴的运动参数和动力参数计算 34

5.2.1  平地行驶传动系统各轴参数 34

5.2.2  爬楼驶传动系统各轴参数 35

5.3  轴的设计计算 35

5.3.1  蜗杆轴的设计计算 36

5.3.2  蜗轮轴的设计计算 37

5.3.3  锥齿轮轴的设计计算 38

5.3.4  传动轴一的设计计算 39

5.3.5  传动轴二的设计计算 40

第6章  轮组式爬楼小车的主要零部件的设计与选择 42

6.1  离合器的设计 42

6.1.1  离合器的设计要求 42

6.1.2  离合器的选择 42

6.1.3  离合器的设计计算 42

6.2  联轴器的设计 43

6.2.1  联轴器的选择 43

6.2.2  联轴器的设计计算选择 44

结  论 45

参考文献 46

致  谢 48