步行机器人设计
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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
第一章 机械的功能原理设计
1．1 实现功能
在当今的人类社会中，在楼房已经成为人类进入现代文明的标志之一的同时，各种各样的爬楼梯机器人也随之而出现。但现有的设计中，用于爬楼梯的机器人普遍成本较高，结构较为复杂，不适合在日常生活中进行广泛的运用。而在日常生活中，我们又需要一种成本相对较低且加工简便的爬楼梯机器人为我们服务。所以我们本次作品的设计从低成本出发，使作品在结构上尽量简化，同时又能满足对爬楼梯这一基本功能的实现（如图1），从而为今后功能多元化拓展提供一个良好的运动平台。
1．2 原理设计
步行者号机器人是以链轮作为传动工具。运动部分采用了平行四连杆机构。这个机构的稳定性高，不会出现转弯等现象。其运动半径为189mm，传动轴每旋转一周直线运动距离为378mm。在走楼梯时每转一圈跨上两阶台阶。连杆的长度是由一阶台阶的对角线长度所确定的步行者号的重心设计在机身前部的1/3处，这样设计的特点是能够始终保持自身重心，实现爬上楼梯的目的。运动过程中的传动比为1:8。图2为步行者的运动示意图。
第二章 运动方案设计分析
2．1 方案设计
步行者号机器人是在多种设计方案中被最终选定的方案。在制作之前，我们考虑过很多方案，比较成熟的有三种。
2．1．1 方案一
应用坦克车原理（如图3），利用履带和楼梯棱角接触时产生的摩擦力使其爬上32゜倾角的斜坡（楼梯）
2．1．2 方案二
前轮的半径为大于100mm，后轮半径根据链轮的传动比来确定。（如图4）在每个*上包上履带，同样利用摩擦力进行攀爬。
2．1．3 方案三
采用四连杆机构，利用仿生学原理实现拾阶而上一步步踏上台阶的动作。以机架连杆为脚，曲柄为腿设计出步行者号（如图5）
2．2 方案的对比和分析
方案一 优点：适用于倾角较小的斜坡和楼梯，稳定性好
缺点：不适合坡度较陡的斜坡和楼梯，与楼梯的接触为线摩擦，易打滑。
方案二 优点：结构简单，便于制作。
缺点：该方案只适用于级数少的台阶，利用其惯性冲到顶端，应用范围窄，稳定性不好。
方案三 优点：由于接触面大，不会与台阶产生滑动，所以运动稳定性高。适用于不同级数、不同高度、不同倾角的台阶。
前两种方案的共同缺点为履带和车轮的连接中会产生打滑且履带与楼梯棱角是线接触也易产生打滑的现象。为了解决以上两种方案的问题，我们结合书本上四连杆机构的原理进行设计，就形成了步行者号。最终到考虑运动中的稳定性及动作的美观，所以选定了如今的这个方案。
第三章 零件的选定与基本计算
3．1 材料选取与电机选取
机身自身的强度要求较高，应选用轻质高强度材料，综合经济因素，选用25*25角铁。
轴所受的扭矩较大，应选用的零件的刚度高，所以轴直径为14材料为45钢。以确保不会受力而变形。
连杆所受的最大力为机身给予的压应力，所以对于材料的要求不高，故采用Q235钢
两侧的支撑脚应用重量轻、便于加工的材料，所以选用木板。
为了防止机器人在攀爬时突然断电出现电机倒转等情况，所以选用具有自锁功能的涡轮－涡杆电机。所选用重量轻，体积小，功率大的汽车雨刮电机。
在连杆和两侧支撑脚固定的部位，选用了滑动轴承，这样可以减少摩擦，使连杆在运动过程中更灵活，减少能量的损耗。
3．2 驱动系统技术参数的计算
步行者号机器人重5Kg。测的电机的实际电压和实际电流分别为12V和10A，即电机的实际功率为120W。
3．2．1 功率的计算
由计算机模拟得该设计机器人总重约为10kg（不大于），运动半径为189mm。
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