新型爬楼梯装置设计
新型爬楼梯装置设计
在城市环境中，楼梯是常见的障碍物之一。设计一种能够上下楼梯的装置，不仅能够应用于危险环境探查、救灾、助残等场景，还能满足搬运等作业需求。本文介绍了一种新型爬楼装置的设计方案，该装置采用可变轮结构，能够在平地行驶和爬楼梯之间自由切换，具有结构简洁、性能可靠的特点。
1. 研究背景与意义
在城市环境中，楼梯是最常见的障碍物之一。设计一种能够上下楼梯的装置，不仅能够应用于危险环境探查、救灾、助残等场景，还能满足搬运等作业需求。本文介绍了一种新型爬楼装置的设计方案，该装置采用可变轮结构，能够在平地行驶和爬楼梯之间自由切换，具有结构简洁、性能可靠的特点。
2. 总体设计方案
本课题以开发具备初步爬楼梯能力的装置为目的，重点研究设计符合中国国情爬楼梯的轮组结构，并设计基于单片机的底层驱动控制系统。本文所从事的工作主要有以下几点：
为提高装置爬楼梯能力，综合分析国内外现有装置，结合我国《建筑楼梯模数协调标准》，设计通用性强、上下楼梯动作流畅、容易控制的车轮组机构。四个轮组代替通用四轮车的轮子，驱动轮与驱动轮组翻滚的电机相互独立。
调查市场上现有类似机构的设计方法和工作原理，通过查阅图书馆的电子资源和相关的教材，确定单片机、齿轮传动、距离感应器、直流马达等零部件后，对3轮的星型齿轮的传动机构进行详细设计，并设计出爬梯装置的机械图。
初步建立以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。分析本装置的控制原理并利用C语言编写控制程序。在结构环境下，采用超声波传感器解决自主爬楼梯过程所必须地两个关键参数θ和 q。
分析上述所有零部件及电子元件的选型原理并用数学计算验证，完成设计说明书撰写。
3. 新型爬楼装置的总体方案
经综合分析，本课题确定采用爬楼梯优势较强的轮式机构。新型爬楼装置要求具有在平面行驶和爬楼梯的功能（楼梯规格：140≤a≤210，220≤b≤320），当然也具备转向避障和良好的行走线性轨迹。本论文设计的轮组式新型爬楼装置的整体结构由三部分组成，包括位于爬楼装置中间部位由四个轮组驱动的主车架、轮组机构、载台及弧形车身。图爬楼装置三维虚拟样机的示意图。爬楼装置车轮的传动部分位于车体的底盘，地盘上边的空白部分则用于配置所需控制电路以及导航所需的传感器等。由于新型爬楼装置的特殊要求本设计采用前轮驱动后轮转向设计。车体两侧的轮组皆具有两个旋转自由度，即轮的旋转和轮辐的旋转运动。中间两个电机具有自锁功能，采用大减速比的蜗轮蜗杆减速系统，与前轮小轴相连驱动车轮，实现爬楼装置前进、后退和越障。遇楼梯时锁轴器将后轮小轴与管轴锁紧，最后通过管轴驱动轮辐，实现爬楼装置的爬楼动作。后车身一个小功率电机通过大减速比的蜗轮蜗杆减速系统后再通过齿轮齿条的连接驱动车后轮左右摆动，实现左右转弯动作。
4. 爬楼机构设计
新型爬楼装置需要能够运送重物并且能够以一定速度上下楼梯，这就要求设计出符合要求的爬楼机构、下楼机构、能保持水平机座。在本次设计中爬楼机构采用的是一个在平路上行走时，可变轮收缩成跟普通轮一样的轮子，可在平稳的路面上行驶。当爬楼梯时，爬升爪张开，通过爪与楼梯接触，使整个车架上升，从而完成爬楼过程。可变轮采用双电机结构，正常时，两个电机工作状态相同，当需要转弯时，通过控制电机，使两轮转速一大一小来实现转弯。本中设计中的新型爬楼装置结构简洁合理而且十分紧凑，符合设计说明书提出的各项技术要求，能满足生产实践的需要。运用Solidworks三维设计软件以及cad绘图软件进行了三维设计并且绘制了二维工程图纸。
5. 控制系统设计
本课题以开发具备初步爬楼梯能力的装置为目的，重点研究设计符合中国国情爬楼梯的轮组结构，并设计基于单片机的底层驱动控制系统。本文所从事的工作主要有以下几点:
为提高装置爬楼梯能力，综合分析国内外现有装置，结合我国《建筑楼梯模数协调标准》，设计通用性强、上下楼梯动作流畅、容易控制的车轮组机构。四个轮组代替通用四轮车的轮子，驱动轮与驱动轮组翻滚的电机相互独立。
调查市场上现有类似机构的设计方法和工作原理，通过查阅图书馆的电子资源和相关的教材，确定单片机、齿轮传动、距离感应器、直流马达等零部件后，对3轮的星型齿轮的传动机构进行详细设计，并设计出爬梯装置的机械图。
初步建立以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。分析本装置的控制原理并利用C语言编写控制程序。在结构环境下，采用超声波传感器解决自主爬楼梯过程所必须地两个关键参数θ和 q。
分析上述所有零部件及电子元件的选型原理并用数学计算验证，完成设计说明书撰写。
6. 总结
本设计对一种新型爬楼装置进行了结构设计。新型爬楼装置需要能够运送重物并且能够以一定速度上下楼梯，这就要求设计出符合要求的爬楼机构、下楼机构、能保持水平机座。在本次设计中爬楼机构采用的是一个在平路上行走时，可变轮收缩成跟普通轮一样的轮子，可在平稳的路面上行驶。当爬楼梯时，爬升爪张开，通过爪与楼梯接触，使整个车架上升，从而完成爬楼过程。可变轮采用双电机结构，正常时，两个电机工作状态相同，当需要转弯时，通过控制电机，使两轮转速一大一小来实现转弯。本中设计中的新型爬楼装置结构简洁合理而且十分紧凑，符合设计说明书提出的各项技术要求，能满足生产实践的需要。运用Solidworks三维设计软件以及cad绘图软件进行了三维设计并且绘制了二维工程图纸。