自動(dòng)爬樓搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)
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自動(dòng)爬樓搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)
The car that climbs the stair automatically
摘 要
在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)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(gè)話題設(shè)計(jì)了一輛自動(dòng)爬樓梯的貨車。本文首先介紹了爬樓梯機(jī)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(gè)方面對(duì)汽車進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(dòng)小車，后輪主要用于行星輪的旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，我們需要很大的力量來爬樓梯。我們還選擇了高功率電動(dòng)機(jī)通過蝸輪和蝸桿為汽車提供動(dòng)力。此外，我們調(diào)整了車的籃子，以便當(dāng)汽車爬上樓梯時(shí)，貨物總是在水平面上。第二,我們需要做的汽車電路設(shè)計(jì),我們使用單片機(jī)控制器,在汽車前面有四個(gè)超聲波測(cè)距儀當(dāng)小車的樓梯,首先控制變形輪和電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)汽車上樓梯,汽車轉(zhuǎn)向角,與此同時(shí),車籃子里始終保持水平。
關(guān)鍵詞:變形輪 行星輪 重心調(diào)整 單片機(jī)
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(dòng)爬樓搬運(yùn)小車的研究目的和意義 1
1.2 自動(dòng)爬樓梯搬運(yùn)小車國(guó)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(dòng)爬樓梯搬運(yùn)小車的總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 4
2.2 自動(dòng)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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.1 變形輪的設(shè)計(jì) 7
3.1.1 變形輪的確定 7
3.1.2 自由度計(jì)算 8
3.1.3 機(jī)械原理分析 8
3.1.4 尺寸確定 8
3.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9
3.3 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.3.1蝸輪蝸桿減速系統(tǒng) 10
3.4 后輪輪組設(shè)計(jì) 10
3.5 重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12
4 爬樓梯機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14
4.1 階梯攀爬服務(wù)機(jī)器人控制原理 14
4.2超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì) 14
4.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 15
5總結(jié) 17
致 謝 18
參考文獻(xiàn) 19
1 緒論
1.1自動(dòng)爬樓搬運(yùn)小車的研究目的和意義
2015到2035年，中國(guó)將進(jìn)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(dòng)電梯，但是對(duì)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(guó)有多少空巢老人，他們獨(dú)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(duì)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(yùn)到家里?；谶@個(gè)目的，我設(shè)計(jì)一款自動(dòng)爬樓梯搬運(yùn)小車，這個(gè)小車可以很輕松的幫助老人搬運(yùn)貨物，可以節(jié)省老人爬樓梯的體力。
1.2 自動(dòng)爬樓梯搬運(yùn)小車國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
爬樓梯搬運(yùn)機(jī)器國(guó)外是最早就開始研究的，最先的爬樓梯機(jī)器是1892年美國(guó)Bray公司發(fā)明的一款爬樓梯輪椅。自此，其他各國(guó)也開始了研究爬樓梯的裝置，目前，國(guó)外的爬樓梯裝置技術(shù)已經(jīng)很成熟了，各種產(chǎn)品都投入市場(chǎng)了，我國(guó)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(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。足式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動(dòng)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(diǎn):運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，滿足各種樓梯樣式的爬行，但是機(jī)械復(fù)雜，不能搬運(yùn)大型的重物，平地運(yùn)動(dòng)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(guó)一個(gè)公司發(fā)明了一個(gè)輪椅車采用的是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為 35°，上下樓梯速度為每分鐘15～20臺(tái)階。
圖1.2-2 履帶式爬樓梯裝置
履帶式爬樓梯的優(yōu)缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，重心波動(dòng)小，運(yùn)動(dòng)滿足復(fù)雜的地形要求。但是爬樓梯時(shí)履帶磨損嚴(yán)重，車輪重量大，容易對(duì)樓梯造成損傷。
(3)輪組式
輪組式爬樓梯裝置是在一個(gè)輪子的基礎(chǔ)上，將輪子變成輪組，常見的是三輪和四輪。iBOT是一個(gè)輪組爬樓梯的裝置，最早由美國(guó)發(fā)明家發(fā)明的。它由6 個(gè)輪子組成，前面有一對(duì)實(shí)心腳輪，后面有兩對(duì)行星結(jié)構(gòu)的充氣輪胎，通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上下樓梯。但是這個(gè)爬樓梯裝置造價(jià)昂貴，很難普及。我國(guó)對(duì)于這個(gè)輪組式裝置也有研究， 不過都是在外國(guó)發(fā)明的爬樓梯裝置上面做的一些改進(jìn)。
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(diǎn)：水平面運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和靈活，但是爬樓梯的時(shí)候，重心波動(dòng)較大。
(4)復(fù)合類裝置
基于履帶式、輪式、足式爬樓梯的優(yōu)缺點(diǎn)，采用復(fù)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(yùn)動(dòng)靈活，這樣就實(shí)現(xiàn)了平地和爬樓梯的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。
復(fù)合類裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制也很復(fù)雜，造價(jià)成本很高
1.3 課題研究的主要內(nèi)容
以設(shè)計(jì)一款自動(dòng)爬樓梯搬運(yùn)貨物的小車為目的，設(shè)計(jì)符合中國(guó)國(guó)情輪組式車輪，同時(shí)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(shí)，為了防止搬運(yùn)的貨物不掉下來，還需要設(shè)計(jì)降低貨物重心的機(jī)構(gòu)。
1.為提高爬樓梯能力，分析中國(guó)的樓梯的結(jié)構(gòu)，按照《建筑樓梯協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)一個(gè)符合我國(guó)爬樓梯搬運(yùn)貨物小車。前輪用變形輪爬樓梯，后輪用輪組轉(zhuǎn)向。
2．通過去圖書館查閱資料，確定小車的總體結(jié)構(gòu)，分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定小車的結(jié)構(gòu)，并且用PRO/E畫出各個(gè)機(jī)構(gòu)的三維圖和用CAD畫出機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配圖。
3. 確定以單片機(jī)為控制系統(tǒng)，分析控制原理并畫出控制流程圖。
23
2 自動(dòng)爬樓梯搬運(yùn)小車的總體方案設(shè)計(jì)
2.1 爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)的爬樓梯裝置要解決的幾個(gè)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(shí)現(xiàn)小車平地和爬樓梯之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。
此外，爬樓梯搬運(yùn)小車還要滿足以下幾個(gè)基本要求:根據(jù)我國(guó)《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》，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(yīng)采用 220、240、260、280、300、320mm；樓梯踏步高與寬的關(guān)系式：2a+b≤600（ a-踏步高，b-踏步寬）。機(jī)器人要適應(yīng)規(guī)定的尺寸范圍，能夠順利的上下樓梯，即強(qiáng)調(diào)它的強(qiáng)適應(yīng)性。
2.2 自動(dòng)爬樓梯小車方案比較
自動(dòng)爬樓梯搬運(yùn)小車由車架、前輪變形輪、后輪三輪組、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和籃筐組成。爬樓梯小車的車輪是設(shè)計(jì)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(diǎn):運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，滿足各種樓梯樣式的爬行，但是機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不能搬運(yùn)大型的重物，平地運(yùn)動(dòng)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(diǎn)：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，重心波動(dòng)小，運(yùn)動(dòng)滿足復(fù)雜的地形要求。但是爬樓梯時(shí)履帶磨損嚴(yán)重，車輪重量大，容易對(duì)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(diǎn)：水平面運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和靈活，但是爬樓梯的時(shí)候，重心波動(dòng)較大。
綜合比較現(xiàn)有爬樓梯裝置，分析它們各自優(yōu)缺點(diǎn)。如下表 2.1 所示。
表2.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比表
移動(dòng)方式
輪式
履帶式
足式
移動(dòng)速度
快
較快
慢
越障能力
差
一般
好
機(jī)械復(fù)雜程度
簡(jiǎn)單
一般
復(fù)雜
能耗量
小
較小
大
機(jī)械控制難易程度
易
一般
復(fù)雜
通過比較可以得出小車車輪使用輪組式比較經(jīng)濟(jì)，為了提高輪式機(jī)構(gòu)的爬樓梯能力，我設(shè)計(jì)了變形輪，變形輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移動(dòng)靈活，制造成本低廉，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好。
圖2.2-4爬樓梯小車設(shè)計(jì)模型
3 爬樓梯機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 變形輪的設(shè)計(jì)
對(duì)車輪的要求主要有以下幾個(gè)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(zhuǎn)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(duì)樓梯表面的沖擊和損傷小。
(4) 車輪設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)化，降低加工成本。
3.1.1 變形輪的確定
輪子是可移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)中低副是封閉的。根據(jù)車輪和樓梯的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)連桿機(jī)構(gòu)組成的輪輞，通過內(nèi)盤和外盤的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變形輪的變形。為了簡(jiǎn)化車輪結(jié)構(gòu)考慮一些尺寸，有以下兩種方案：
(1) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。如圖3.1-1和3.1-2所示，利用三組相同的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)控制車輪變形，每對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副通過鋼繩連接，鋼繩的另一端接入電機(jī)，通過對(duì)電機(jī)的控制來釋放或纏繞鋼繩。每對(duì)輪輻間有一個(gè)彈簧，當(dāng)鋼繩釋放時(shí)，輪輻張開，彈簧伸長(zhǎng)，當(dāng)鋼繩纏繞時(shí)，輪子收縮，彈簧壓縮。在平坦路面上行走時(shí)，變形輪變換成圓形的普通輪平穩(wěn)行駛，當(dāng)爬樓梯時(shí)，變形輪張開與樓梯接觸，使整個(gè)車架升高，從而完成爬樓梯過程。該機(jī)構(gòu)全部使用鉸鏈聯(lián)接，使得這種變形輪在負(fù)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(shí)用價(jià)值。
圖3.1-1變形前 圖3.1-2變形后
(2) 曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。如圖3.1-2和圖3.1-3所示，利用三組相同的曲柄搖塊機(jī)構(gòu)作為變形輪的組成機(jī)構(gòu)。該曲柄搖塊機(jī)構(gòu)由外盤、內(nèi)盤、內(nèi)盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸、外盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸、輪輞以及輪輻組成。其中，外盤是相對(duì)內(nèi)盤固定著的，并且與外盤滑動(dòng)軸固定在一起，內(nèi)盤與內(nèi)盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定為一體與舵機(jī)連接，主要靠舵機(jī)控制內(nèi)盤與外盤的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使輪子變形。這個(gè)變形輪可以承受一定的載荷同時(shí)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(jī)構(gòu)變形的比較，我們選擇曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。
3.1.2 自由度計(jì)算
以變形輪的每一組連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，由圖11可知:N=3,PL=4,PH=0.故該機(jī)構(gòu)的自由度為F=3N-2PL+PH=1，其中，P為構(gòu)件數(shù); PL為低副個(gè)數(shù); PH 為高副個(gè)數(shù)。故該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)唯一確定的變形運(yùn)動(dòng)。
3.1.3 機(jī)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(qū)動(dòng)盤與控制舵機(jī)直接連接，外盤與小車的傳動(dòng)軸鏈接帶動(dòng)整個(gè)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)小車檢測(cè)到樓梯的時(shí)候，小車停下來，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)盤與外盤滑動(dòng)軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，外盤滑動(dòng)軸沿輪槽滑動(dòng)，當(dāng)外盤滑動(dòng)軸滑到最大位置，變形量最大。在平地的時(shí)候，小車以普通圓形輪在地面上滾動(dòng)。
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?cè)O(shè)計(jì)的變形輪輪輞內(nèi)徑為R=100mm，內(nèi)盤中心孔到內(nèi)盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離為 25.76 mm，輪轂導(dǎo)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(shè)計(jì)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(tái)階高度h/（mm）
臺(tái)階跨度b/（mm）
臺(tái)階寬度B/（mm）
連續(xù)臺(tái)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
經(jīng)分析，小車轉(zhuǎn)向裝置和設(shè)計(jì)要求，采用的是后輪轉(zhuǎn)向，而本設(shè)計(jì)確定采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器，齒輪齒條傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
圖3.2-1轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖
齒輪齒條的轉(zhuǎn)向原理：在小車爬樓梯的時(shí)候，小車遇到樓梯的拐彎處，小車控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)然后通過蝸輪蝸桿大減速比，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)使齒條滑動(dòng)，然后鉸鏈機(jī)構(gòu)偏移使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。
3.3 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人中間主體前半部分用來布置驅(qū)前輪變形輪運(yùn)行的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)過程：首先由電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪與錐齒輪同軸相連，錐齒輪通過嚙合將動(dòng)力傳遞變形輪的軸套連接件。小車爬樓梯的時(shí)候，首先變形輪變形，然后電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力使小車向上轉(zhuǎn)動(dòng)攀爬樓梯。
3.3.1蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)
爬樓梯搬運(yùn)小車必須要保證傳動(dòng)平穩(wěn)，小車爬樓梯速度緩慢。蝸輪、蝸桿起到兩級(jí)減速作用，具有較大的減速比，能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)端的高速轉(zhuǎn)換成前車軸端的低速，并具有自鎖功能，給兩側(cè)小車輪提供足夠的保持力矩，在主體內(nèi)部電機(jī)掉電的情況下，兩側(cè)車輪組保持原姿態(tài)而不會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。如圖3.3-1所示。
圖3.3-1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
3.4 后輪輪組設(shè)計(jì)
輪組的結(jié)構(gòu)尺寸范圍根據(jù)樓梯的踏步高a和踏步寬b 兩個(gè)參數(shù)來確定?！督ㄖ翘菽?shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》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(yīng)采用220、240、260、280、300、320mm；樓梯踏步高與寬的關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)爬樓示意圖
輪組結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)闹担傻玫捷喗M結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臂寬2tmax，如圖3.4-3所示。
(3-4)
圖3.4-2 輪組結(jié)構(gòu)rmin示意圖
圖3.4-3輪組結(jié)構(gòu)tmax示意圖
綜合上述條件公式，可得到輪組結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)（R，r以及 t）,所設(shè)計(jì)出來的輪組是以最小樓梯為基礎(chǔ)，并滿足最高樓梯尺寸的要求，當(dāng)在更寬尺寸樓梯行駛時(shí)，一次翻滾發(fā)生滑移便接著進(jìn)行二次翻滾爬行，所以能夠自動(dòng)適應(yīng)各種規(guī)格的樓梯，具有強(qiáng)適應(yīng)性。
3.5 重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖3.5-1車籃子重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖
如圖3.5-1所示，小車通過兩個(gè)支撐桿支撐，然后跟籃子以活動(dòng)鉸鏈相連，這樣在小車爬樓梯的時(shí)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(huì)掉下來，同時(shí)降低了爬樓梯的重心，易于小車爬樓梯。
4 爬樓梯機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
選用16位單片機(jī)MC9S12XS128MAA作為攀爬機(jī)器人的核心處理單元，機(jī)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(chǔ)信息并計(jì)算、判斷和決策下一步動(dòng)作的主控制部以 及將結(jié)果輸出到電動(dòng)機(jī)、舵機(jī)或電磁離合器使車輪或執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部分。
4.1 階梯攀爬服務(wù)機(jī)器人控制原理
機(jī)器人開機(jī)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(gè)單元，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行初始化。小車在平地上面運(yùn)動(dòng)時(shí)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)變形輪前進(jìn)，小車爬樓梯的遇到拐角時(shí)就驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)向； 初始化完成后，四個(gè)超聲波傳感器開始檢測(cè)周圍的障礙物，當(dāng)檢測(cè)到前方為階梯時(shí)，則機(jī)器人在離階梯一定距離時(shí)停止，然后變形輪開始變形，變形完成后機(jī)器人開始攀爬階梯。
圖4.1-1直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路示意圖
4.2超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)
HC-SPO4 超聲波測(cè)距模塊可提供 2～400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)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(cè)距電路，其工作原理為：(1)先利用 I/O口TRIG引腳觸發(fā)測(cè)距電路，給定最少10us 的高電平信號(hào)；(2)測(cè)距模塊自動(dòng)發(fā)送 ８?jìng)€(gè)40KHz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；(3)若有信號(hào)返回，則 I/O口ECHO引腳輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間即超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。MC9S12XS128芯片的PA引腳分別接４ 個(gè)HC-SRO4 超聲波測(cè)距模塊的TRIG引腳和 ECHO引腳。 以第一個(gè)HC-SRO4 超聲波測(cè)距模塊為例，初始化時(shí)PA0（TRIG）引腳、PA1（ECHO）引腳均為低電平，當(dāng)給 PA0引腳一個(gè)10us 的高電平時(shí)，通過STC11 芯片的P51、P52引腳發(fā)送給MAX232芯片高電平信號(hào)，MAX232芯片自動(dòng)發(fā)出８?jìng)€(gè)40KHz 的超聲波脈沖，通過發(fā)射器發(fā)射，并檢測(cè)反射波，當(dāng)檢測(cè)到有反射波信號(hào)時(shí)，則 PA1引腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，XS128芯片中的計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波遇到障礙物后反射，接收器接收到反射波信號(hào)，經(jīng) TLO74芯片轉(zhuǎn)化后返回 STC11 芯片，使PA1 引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。
圖4.2-1超聲波測(cè)距電路示意圖
4.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止的驅(qū)動(dòng)電路見圖22所示。BTX790芯片內(nèi)部為一個(gè)半Ｈ橋，當(dāng)ＩＮ引腳為１、INH引腳為１時(shí)，OUT引腳輸出高電平，當(dāng)IN引腳為0、INH引腳為１時(shí)，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(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，防止電磁干擾。 圖4.3-1中，PP4為１,PP5為0時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)PP4為0、PP5為１時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 直流電動(dòng)機(jī)的控制形式如表4.1所示。
圖4.3-1直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
表4.1直流電動(dòng)機(jī)控制
PP4
PP5
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向
0
0
停止
1
0
正傳
0
1
反轉(zhuǎn)
5總結(jié)
本文對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有爬樓機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了符合我國(guó)樓梯尺寸規(guī)范爬樓機(jī)器人。對(duì)機(jī)器人小車進(jìn)行了三維實(shí)體模型的分析，闡明了設(shè)計(jì)方案的可行性。最后對(duì)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
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(duì)比現(xiàn)有爬樓機(jī)構(gòu)，分析爬樓動(dòng)作的要求，選取了優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的變形輪結(jié)構(gòu)作為攀爬裝置。根據(jù)我國(guó)《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)計(jì)了強(qiáng)適應(yīng)能力的后輪輪組結(jié)構(gòu)尺寸和前輪變形輪尺寸。該變形輪在地面的能快速移動(dòng)，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的樓梯都能夠平穩(wěn)上下。
2根據(jù)小車總體設(shè)計(jì)方案，我們還設(shè)計(jì)后輪轉(zhuǎn)向的齒輪齒輪齒條裝置，為小車遇到拐彎處實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時(shí)還設(shè)計(jì)小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用了蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)大減速比，保證小車爬樓梯的平穩(wěn)性要求。最后還設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了以MC9S12XS128MAA單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)。
致 謝
在我選到了這個(gè)課題，我其實(shí)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(shí)在這個(gè)基礎(chǔ)上加了一些自己的東西，確定了自己的設(shè)計(jì)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(dǎo)我們?cè)趺醋鍪隆Ｊ紫?，要求我們查資料，確定方案，分析各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，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(gè)機(jī)構(gòu)之間的連接以及他們的尺寸等等。最后畫出CAD裝配圖，應(yīng)該注意哪些細(xì)節(jié)，此外，老師還對(duì)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(dǎo)師，他對(duì)我要求嚴(yán)格，時(shí)刻督促我們，她是一個(gè)非常敬業(yè)的老師。
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