自動爬樓搬運小車設計

自動爬樓搬運小車設計,自動,搬運,小車,設計 自動爬樓搬運小車設計 The car that climbs the stair automatically 摘 要 在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常會有大量的樓梯，基本是由人力來處理傳統(tǒng)的方法，老人爬樓梯和原來一樣，現(xiàn)在又想搬重物，所以這個話題設計了一輛自動爬樓梯的貨車。本文首先介紹了爬樓梯機器人的研究現(xiàn)狀及目前需要解決的問題。根據(jù)研究的目的和主要內(nèi)容，從兩個方面對汽車進行了設計。首先，電車必須滿足爬樓梯的要求。我們選擇前輪為變形輪移動小車，后輪主要用于行星輪的旋轉。與此同時，我們需要很大的力量來爬樓梯。我們還選擇了高功率電動機通過蝸輪和蝸桿為汽車提供動力。此外，我們調(diào)整了車的籃子，以便當汽車爬上樓梯時，貨物總是在水平面上。第二,我們需要做的汽車電路設計,我們使用單片機控制器,在汽車前面有四個超聲波測距儀當小車的樓梯,首先控制變形輪和電機驅動軸旋轉汽車上樓梯,汽車轉向角,與此同時,車籃子里始終保持水平。 關鍵詞:變形輪 行星輪 重心調(diào)整 單片機  Abstract Often in daily life and production loads up to stairs, basic is done by manpower handling to the traditional methods, the old people climb stairs have struggled with the originally, now again want to carry heavy things, so this topic design a automatic climbing stairs freight car. Firstly, this paper introduces the research status of stair climbing robot and the problems we need now. According to the purpose and main content of the research, we designed the car from two aspects. First, the trolley must meet the requirements of climbing the stairs. We chose the front wheel to move the trolley for the deformation wheel, and the rear wheel is mainly for the rotation of the planet wheel. At the same time, we need a lot of power to climb the stairs. We also choose the high power motor to provide power to the car through worm gear and worm. In addition, we adjusted the basket of the car so that when the car climbed the stairs, the goods were always on the horizontal plane. Second, we need to do to the car circuit design, we use single chip controller, in front of the car with four ultrasonic range finder when the small car to the stairs, first of all to control deformation wheel and motor drive shaft rotates the car up the stairs, the car turned to the corner, in the meantime, the inside of the car basket always stay level Key words: deformation wheel planet wheel center of gravity adjustment single chip microcomputer. iii 目錄 摘 要 i Abstract ii 1 緒論 1 1.1自動爬樓搬運小車的研究目的和意義 1 1.2 自動爬樓梯搬運小車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 課題研究的主要內(nèi)容 3 2 自動爬樓梯搬運小車的總體方案設計 4 2.1 爬樓機器人的設計要求 4 2.2 自動爬樓梯小車方案比較 4 2.2.1 足式 4 2.2.2 履帶式 5 2.2.3 輪組式 5 3 爬樓梯機器人的機械結構設計 7 3.1 變形輪的設計 7 3.1.1 變形輪的確定 7 3.1.2 自由度計算 8 3.1.3 機械原理分析 8 3.1.4 尺寸確定 8 3.2 轉向機構的設計 9 3.3 驅動結構設計 10 3.3.1蝸輪蝸桿減速系統(tǒng) 10 3.4 后輪輪組設計 10 3.5 重心調(diào)節(jié)機構的設計 12 4 爬樓梯機器人控制系統(tǒng)的設計 14 4.1 階梯攀爬服務機器人控制原理 14 4.2超聲波測距電路設計 14 4.3驅動電路設計 15 5總結 17 致 謝 18 參考文獻 19 1 緒論 1.1自動爬樓搬運小車的研究目的和意義 2015到2035年，中國將進入急速老齡化階段，老年人口將從2.12億增加到4.18億，占比29%。城鎮(zhèn)化加速發(fā)展，城市老年率急劇增加，一線城市高樓林立，都是有自動電梯，但是對于那些二線或者三線城市，城市大多數(shù)樓層在七到八層，一般這樣的樓房都沒有電梯，那么只能靠爬樓梯上樓。那么試想中國有多少空巢老人，他們獨自守著家，而且更為緊迫的是他們還要邁著年老的步伐一步一步的上下樓梯。對于這些老人他們只能自己買菜自己做飯，還要下樓買東西，再把它們搬到家里，由于樓層高的原因，老人體力很難支撐他們將重物搬運到家里?；谶@個目的，我設計一款自動爬樓梯搬運小車，這個小車可以很輕松的幫助老人搬運貨物，可以節(jié)省老人爬樓梯的體力。 1.2 自動爬樓梯搬運小車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 爬樓梯搬運機器國外是最早就開始研究的，最先的爬樓梯機器是1892年美國Bray公司發(fā)明的一款爬樓梯輪椅。自此，其他各國也開始了研究爬樓梯的裝置，目前，國外的爬樓梯裝置技術已經(jīng)很成熟了，各種產(chǎn)品都投入市場了，我國爬樓梯裝置研究落后，不過爬樓梯裝置無外乎三種，足式、輪組式和履帶式。 （1）足式 足式是最早的爬樓梯裝置，爬樓梯執(zhí)行機構由鉸鏈桿件機構組成。足式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作，外形也是跟人的差不多的，兩足交替爬樓梯。 圖 1.2-1足式爬樓梯裝置 足式爬樓梯的優(yōu)缺點:運動平穩(wěn)，滿足各種樓梯樣式的爬行，但是機械復雜，不能搬運大型的重物，平地運動緩慢。 (2)履帶式 履帶式爬樓梯裝置就是根據(jù)裝甲車改的，其中英國一個公司發(fā)明了一個輪椅車采用的是履帶式的傳動結構，可爬樓梯的最大坡度為 35°，上下樓梯速度為每分鐘15～20臺階。 圖1.2-2 履帶式爬樓梯裝置 履帶式爬樓梯的優(yōu)缺點：運動平穩(wěn)，重心波動小，運動滿足復雜的地形要求。但是爬樓梯時履帶磨損嚴重，車輪重量大，容易對樓梯造成損傷。 (3)輪組式 輪組式爬樓梯裝置是在一個輪子的基礎上，將輪子變成輪組，常見的是三輪和四輪。iBOT是一個輪組爬樓梯的裝置，最早由美國發(fā)明家發(fā)明的。它由6 個輪子組成，前面有一對實心腳輪，后面有兩對行星結構的充氣輪胎，通過兩后輪交替翻轉可以上下樓梯。但是這個爬樓梯裝置造價昂貴，很難普及。我國對于這個輪組式裝置也有研究， 不過都是在外國發(fā)明的爬樓梯裝置上面做的一些改進。 圖1.2-3 輪組式爬樓梯裝置 輪組式爬樓梯裝置的優(yōu)缺點：水平面運動平穩(wěn)和靈活，但是爬樓梯的時候，重心波動較大。 (4)復合類裝置 基于履帶式、輪式、足式爬樓梯的優(yōu)缺點，采用復合型，有履帶-足式、輪-履帶-足式，這些都是全部依靠足式來爬樓梯，其他的主要是在平地上運動靈活，這樣就實現(xiàn)了平地和爬樓梯的轉換運動。 復合類裝置機械結構復雜，控制也很復雜，造價成本很高 1.3 課題研究的主要內(nèi)容 以設計一款自動爬樓梯搬運貨物的小車為目的，設計符合中國國情輪組式車輪，同時為了提高小車的越障能力，還采用變形輪。此外，在小車爬樓梯時，為了防止搬運的貨物不掉下來，還需要設計降低貨物重心的機構。 1.為提高爬樓梯能力，分析中國的樓梯的結構，按照《建筑樓梯協(xié)調(diào)標準》設計一個符合我國爬樓梯搬運貨物小車。前輪用變形輪爬樓梯，后輪用輪組轉向。 2．通過去圖書館查閱資料，確定小車的總體結構，分析各種結構的優(yōu)缺點，最終確定小車的結構，并且用PRO/E畫出各個機構的三維圖和用CAD畫出機械結構的裝配圖。 3. 確定以單片機為控制系統(tǒng)，分析控制原理并畫出控制流程圖。 23 2 自動爬樓梯搬運小車的總體方案設計 2.1 爬樓機器人的設計要求 設計的爬樓梯裝置要解決的幾個基本問題： (1)小車爬樓梯需要重心平穩(wěn)。 (2)使用安全性。 (3)爬樓梯小車需要靈活的實現(xiàn)小車平地和爬樓梯之間的轉換運動。 此外，爬樓梯搬運小車還要滿足以下幾個基本要求:根據(jù)我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標準》，樓梯踏步高度a不能大于 210mm，而且不能小于 140mm；并且樓梯踏步寬度b ，應采用 220、240、260、280、300、320mm；樓梯踏步高與寬的關系式：2a+b≤600（ a-踏步高，b-踏步寬）。機器人要適應規(guī)定的尺寸范圍，能夠順利的上下樓梯，即強調(diào)它的強適應性。 2.2 自動爬樓梯小車方案比較 自動爬樓梯搬運小車由車架、前輪變形輪、后輪三輪組、轉向機構、驅動機構和籃筐組成。爬樓梯小車的車輪是設計小車主要考慮的問題之一。 2.2.1 足式 圖2.2-1 足式爬樓梯小車模型 足式爬樓梯的優(yōu)缺點:運動平穩(wěn)，滿足各種樓梯樣式的爬行，但是機械機構復雜，不能搬運大型的重物，平地運動緩慢。 2.2.2 履帶式 圖2.2-2履帶式爬樓梯小車模型 履帶式爬樓梯的優(yōu)缺點：運動平穩(wěn)，重心波動小，運動滿足復雜的地形要求。但是爬樓梯時履帶磨損嚴重，車輪重量大，容易對樓梯造成損傷。 2.2.3 輪組式 圖2.2-3輪組式爬樓梯小車模型 輪組式爬樓梯裝置的優(yōu)缺點：水平面運動平穩(wěn)和靈活，但是爬樓梯的時候，重心波動較大。 綜合比較現(xiàn)有爬樓梯裝置，分析它們各自優(yōu)缺點。如下表 2.1 所示。 表2.1 典型移動機構的性能對比表 移動方式 輪式 履帶式 足式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 機械復雜程度 簡單 一般 復雜 能耗量 小 較小 大 機械控制難易程度 易 一般 復雜 通過比較可以得出小車車輪使用輪組式比較經(jīng)濟，為了提高輪式機構的爬樓梯能力，我設計了變形輪，變形輪結構簡單，移動靈活，制造成本低廉，運動平穩(wěn)性好。 圖2.2-4爬樓梯小車設計模型 3 爬樓梯機器人的機械結構設計 3.1 變形輪的設計 對車輪的要求主要有以下幾個方面: (1) 根據(jù)環(huán)境的不同，能夠在普通輪和變形過后的三角輪之間自由轉換 (2) 變形輪能夠承受一定載荷。 (3) 爬樓梯過程中要做到噪聲小、可靠性高、對樓梯表面的沖擊和損傷小。 (4) 車輪設計要簡化，降低加工成本。 3.1.1 變形輪的確定 輪子是可移動的運動副所以采用低副合理，低副是面接觸，承載能力大，磨損小，并且輪子是連桿機構，連桿機構中低副是封閉的。根據(jù)車輪和樓梯的要求，我們設計了三個連桿機構組成的輪輞，通過內(nèi)盤和外盤的相對轉動實現(xiàn)變形輪的變形。為了簡化車輪結構考慮一些尺寸，有以下兩種方案： (1) 曲柄搖桿機構。如圖3.1-1和3.1-2所示，利用三組相同的曲柄搖桿機構控制車輪變形，每對轉動副通過鋼繩連接，鋼繩的另一端接入電機，通過對電機的控制來釋放或纏繞鋼繩。每對輪輻間有一個彈簧，當鋼繩釋放時，輪輻張開，彈簧伸長，當鋼繩纏繞時，輪子收縮，彈簧壓縮。在平坦路面上行走時，變形輪變換成圓形的普通輪平穩(wěn)行駛，當爬樓梯時，變形輪張開與樓梯接觸，使整個車架升高，從而完成爬樓梯過程。該機構全部使用鉸鏈聯(lián)接，使得這種變形輪在負載狀態(tài)下，很難保持變形姿態(tài)，且利用鋼繩控制輪輞的變形比較困難，缺乏實用價值。 圖3.1-1變形前 圖3.1-2變形后 (2) 曲柄搖塊機構。如圖3.1-2和圖3.1-3所示，利用三組相同的曲柄搖塊機構作為變形輪的組成機構。該曲柄搖塊機構由外盤、內(nèi)盤、內(nèi)盤轉動軸、外盤轉動軸、輪輞以及輪輻組成。其中，外盤是相對內(nèi)盤固定著的，并且與外盤滑動軸固定在一起，內(nèi)盤與內(nèi)盤轉動軸固定為一體與舵機連接，主要靠舵機控制內(nèi)盤與外盤的相對轉動使輪子變形。這個變形輪可以承受一定的載荷同時變形很容易。 圖3.1-3變形輪組成圖 圖3.1-4變形輪變形示意圖 通過以上機構變形的比較，我們選擇曲柄搖塊機構。 3.1.2 自由度計算 以變形輪的每一組連桿機構為研究對象，由圖11可知:N=3,PL=4,PH=0.故該機構的自由度為F=3N-2PL+PH=1，其中，P為構件數(shù); PL為低副個數(shù); PH 為高副個數(shù)。故該機構可以實現(xiàn)唯一確定的變形運動。 3.1.3 機械原理分析 變形輪的變形過程如圖11和圖12所示: 內(nèi)盤為變形驅動盤與控制舵機直接連接，外盤與小車的傳動軸鏈接帶動整個輪轉動。當小車檢測到樓梯的時候，小車停下來，控制舵機轉動，內(nèi)盤與外盤滑動軸發(fā)生相對轉動，外盤滑動軸沿輪槽滑動，當外盤滑動軸滑到最大位置，變形量最大。在平地的時候，小車以普通圓形輪在地面上滾動。 3.1.4 尺寸確定 根據(jù)地形尺寸參數(shù)(表 2)的要求，本文中我們設計的變形輪輪輞內(nèi)徑為R=100mm，內(nèi)盤中心孔到內(nèi)盤轉動軸的距離為 25.76 mm，輪轂導槽兩端到中心距離分別為45mm 和 80 mm，輪輞厚度為 20 mm，寬為 50mm，輪輻設計成弧狀，最小寬度為6 mm，厚為10mm，輪片最大變換角為30°。 表3.1地形尺寸參數(shù) 臺階高度h/（mm） 臺階跨度b/（mm） 臺階寬度B/（mm） 連續(xù)臺階坡度/（。） 120～180 220～350 600～1200 15～30 3.1.5 CREO三維仿真圖 圖 3.1-5變形輪 3.2 轉向機構的設計 經(jīng)分析，小車轉向裝置和設計要求，采用的是后輪轉向，而本設計確定采用齒輪齒條式轉向系統(tǒng)。如圖3.2-1所示，齒輪齒條是由齒條和圓柱齒輪組成，相比其他轉向器，齒輪齒條傳動效率高，結構簡單。 圖3.2-1轉向機構示意圖 齒輪齒條的轉向原理：在小車爬樓梯的時候，小車遇到樓梯的拐彎處，小車控制舵機轉動然后通過蝸輪蝸桿大減速比，帶動齒輪轉動使齒條滑動，然后鉸鏈機構偏移使后輪轉動一定的角度達到轉向的目的。 3.3 驅動結構設計 機器人中間主體前半部分用來布置驅前輪變形輪運行的傳動結構，其傳動過程：首先由電機提供驅動力，帶動蝸桿驅動蝸輪轉動，蝸輪與錐齒輪同軸相連，錐齒輪通過嚙合將動力傳遞變形輪的軸套連接件。小車爬樓梯的時候，首先變形輪變形，然后電機提供的驅動力使小車向上轉動攀爬樓梯。 3.3.1蝸輪蝸桿減速系統(tǒng) 爬樓梯搬運小車必須要保證傳動平穩(wěn)，小車爬樓梯速度緩慢。蝸輪、蝸桿起到兩級減速作用，具有較大的減速比，能夠將電動機端的高速轉換成前車軸端的低速，并具有自鎖功能，給兩側小車輪提供足夠的保持力矩，在主體內(nèi)部電機掉電的情況下，兩側車輪組保持原姿態(tài)而不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。如圖3.3-1所示。 圖3.3-1 驅動機構示意圖 3.4 后輪輪組設計 輪組的結構尺寸范圍根據(jù)樓梯的踏步高a和踏步寬b 兩個參數(shù)來確定?！督ㄖ翘菽?shù)協(xié)調(diào)標準》規(guī)定樓梯踏步高度不宜大于210mm，并不宜小于140mm；樓梯踏步寬度，應采用220、240、260、280、300、320mm；樓梯踏步高與寬的關系式：2a+b≤600（a-踏步高、b -踏步寬）。 根據(jù)以上條件可知：bmin=220，amin=140，amax=190mm ； 如圖所示，有以下關系： (3-1) (3-2) 取b=bmin，a=amin，則r+x≤220，得到Rmin=150.6mm；同理取 b=bmin，a=amax， 有Rmin=167.8mm； 圖3.4-1輪組結構爬樓示意圖 輪組結構的最大 r 值可通過 a 和 b 得到，如圖3.4-1所示。 (3-3) 取b=bmin，a=amin，得到rmax=130.4mm。 根據(jù)R以及r的范圍,取恰當?shù)闹?，可得到輪組結構轉臂寬2tmax，如圖3.4-3所示。 (3-4) 圖3.4-2 輪組結構rmin示意圖 圖3.4-3輪組結構tmax示意圖 綜合上述條件公式，可得到輪組結構的主要參數(shù)（R，r以及 t）,所設計出來的輪組是以最小樓梯為基礎，并滿足最高樓梯尺寸的要求，當在更寬尺寸樓梯行駛時，一次翻滾發(fā)生滑移便接著進行二次翻滾爬行，所以能夠自動適應各種規(guī)格的樓梯，具有強適應性。 3.5 重心調(diào)節(jié)機構的設計 圖3.5-1車籃子重心調(diào)節(jié)結構示意圖 如圖3.5-1所示，小車通過兩個支撐桿支撐，然后跟籃子以活動鉸鏈相連，這樣在小車爬樓梯的時候，籃子始終可以和地面保持水平，確保了小車爬樓梯籃子里面的東西不會掉下來，同時降低了爬樓梯的重心，易于小車爬樓梯。 4 爬樓梯機器人控制系統(tǒng)的設計 選用16位單片機MC9S12XS128MAA作為攀爬機器人的核心處理單元，機器人的控制系統(tǒng)包括感知外界環(huán)境的傳感器部分，存儲信息并計算、判斷和決策下一步動作的主控制部以 及將結果輸出到電動機、舵機或電磁離合器使車輪或執(zhí)行機構實現(xiàn)運動的驅動部分。 4.1 階梯攀爬服務機器人控制原理 機器人開機后，鋰電池組提供的電壓經(jīng)過各穩(wěn)壓電源模塊穩(wěn)壓后供給各個單元，對機器人進行初始化。小車在平地上面運動時，直流電機驅動變形輪前進，小車爬樓梯的遇到拐角時就驅動舵機轉向； 初始化完成后，四個超聲波傳感器開始檢測周圍的障礙物，當檢測到前方為階梯時，則機器人在離階梯一定距離時停止，然后變形輪開始變形，變形完成后機器人開始攀爬階梯。 圖4.1-1直流電動機驅動電路示意圖 4.2超聲波測距電路設計 HC-SPO4 超聲波測距模塊可提供 2～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3mm；該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路圖4.2-1為超聲波測距電路，其工作原理為：(1)先利用 I/O口TRIG引腳觸發(fā)測距電路，給定最少10us 的高電平信號；(2)測距模塊自動發(fā)送 ８個40KHz 的方波，自動檢測是否有信號返回；(3)若有信號返回，則 I/O口ECHO引腳輸出高電平，高電平持續(xù)的時間即超聲波從發(fā)射到返回的時間。MC9S12XS128芯片的PA引腳分別接４ 個HC-SRO4 超聲波測距模塊的TRIG引腳和 ECHO引腳。 以第一個HC-SRO4 超聲波測距模塊為例，初始化時PA0（TRIG）引腳、PA1（ECHO）引腳均為低電平，當給 PA0引腳一個10us 的高電平時，通過STC11 芯片的P51、P52引腳發(fā)送給MAX232芯片高電平信號，MAX232芯片自動發(fā)出８個40KHz 的超聲波脈沖，通過發(fā)射器發(fā)射，并檢測反射波，當檢測到有反射波信號時，則 PA1引腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，XS128芯片中的計數(shù)器開始計時，當超聲波遇到障礙物后反射，接收器接收到反射波信號，經(jīng) TLO74芯片轉化后返回 STC11 芯片，使PA1 引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器停止計時。 圖4.2-1超聲波測距電路示意圖 4.3驅動電路設計 直流電動機正轉、反轉及停止的驅動電路見圖22所示。BTX790芯片內(nèi)部為一個半Ｈ橋，當ＩＮ引腳為１、INH引腳為１時，OUT引腳輸出高電平，當IN引腳為0、INH引腳為１時，OUT引腳輸出低電平，通過SR引腳外接電阻的大小來調(diào)節(jié) MOS管導通和關斷時間，防止電磁干擾。 圖4.3-1中，PP4為１,PP5為0時，電動機正轉PP4為0、PP5為１時，電動機反轉。 直流電動機的控制形式如表4.1所示。 圖4.3-1直流電動機驅動電路 表4.1直流電動機控制 PP4 PP5 電動機轉向 0 0 停止 1 0 正傳 0 1 反轉 5總結 本文對比分析國內(nèi)外現(xiàn)有爬樓機構，設計了符合我國樓梯尺寸規(guī)范爬樓機器人。對機器人小車進行了三維實體模型的分析，闡明了設計方案的可行性。最后對進行了驅動控制系統(tǒng)的設計。 我們按論文的敘述順序把本論文所從事的工作大致歸納如下： 1、對比現(xiàn)有爬樓機構，分析爬樓動作的要求，選取了優(yōu)勢較強的變形輪結構作為攀爬裝置。根據(jù)我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標準》，設計了強適應能力的后輪輪組結構尺寸和前輪變形輪尺寸。該變形輪在地面的能快速移動，實現(xiàn)平地與越障或上下樓梯姿態(tài)的變形切換。符合建筑樓梯標準的樓梯都能夠平穩(wěn)上下。 2根據(jù)小車總體設計方案，我們還設計后輪轉向的齒輪齒輪齒條裝置，為小車遇到拐彎處實現(xiàn)轉向，同時還設計小車的驅動機構，采用了蝸輪蝸桿實現(xiàn)大減速比，保證小車爬樓梯的平穩(wěn)性要求。最后還設計貨籃的重心調(diào)節(jié)裝置，使貨籃能夠在小車爬樓梯仍能保持水平 3 設計了以MC9S12XS128MAA單片機為控制核心的控制系統(tǒng)。 致 謝 在我選到了這個課題，我其實是不知道怎么做的，我查了一下資料，看了別人做的小車，都是不算完整的，不過我整合了別人做的小車，同時在這個基礎上加了一些自己的東西，確定了自己的設計方案。方案是確定了，可是后續(xù)工作還是很難做的，不過有老師的幫助，分析我需要做哪些東西，一步一步的引導我們怎么做事。首先，要求我們查資料，確定方案，分析各個方案的優(yōu)缺點，最終確定自己的方案，然后，要求我回去畫creo三維圖，那么我需要了解那些東西，確定各個機構之間的連接以及他們的尺寸等等。最后畫出CAD裝配圖，應該注意哪些細節(jié)，此外，老師還對我的畢業(yè)論文的目錄給一些建議，需要修改哪些部分。我非常感謝我們導師，他對我要求嚴格，時刻督促我們，她是一個非常敬業(yè)的老師。 參考文獻 [1] 喬林林. 一種新型變形輪行走機構研究[J]. 大科技,2017,(22) [2] 楊萍, 龔林強, 施俊屹等. 階梯攀爬機器人結構及控制方案設計*[J]. 機電工程, 2017, 第34卷(6):557-561，572. 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