基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的多足爬樓機(jī)器人設(shè)計(jì)

李瑞年 肖增文 陳 鋼

（南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210000）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的深入，人們的生活質(zhì)量不斷提高。一些已經(jīng)使用了一段時(shí)間的老房子存在無法安裝電梯的情況，影響了人們的生活質(zhì)量。為了減輕負(fù)重，爬樓機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。目前，市場上的電動(dòng)爬梯機(jī)械有輪式、履帶式以及混合式等。這些爬樓機(jī)器人的主要問題在于使用者不能獨(dú)立使用爬樓機(jī)器人完成上下樓功能，需要有人協(xié)助實(shí)現(xiàn)爬樓功能，無法滿足家庭需要[1]。因此，研究設(shè)計(jì)一種可以由使用者獨(dú)立完成上樓功能的機(jī)器尤為重要。近些年，快遞行業(yè)飛速發(fā)展。在無電梯的小區(qū)，快遞配送的“最后一公里”成為急需解決的問題。設(shè)計(jì)的多足爬樓機(jī)可以用作人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪邪徇\(yùn)重物的電動(dòng)工具，還可用于協(xié)助快遞員完成“最后一公里”的快遞配送。它既可以平地行走，又可以做爬樓運(yùn)動(dòng)，解決了人們在沒有電梯的建筑中搬運(yùn)重物上下樓難的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

1 多足爬樓機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的多足爬樓機(jī)器人簡圖，如圖1所示。

多足爬樓機(jī)器人采用47.3 N·m的直流電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)超過100 kg的承載質(zhì)量。本機(jī)器人的長度超過800 mm，因此可輕松實(shí)現(xiàn)在300 mm以下的不同間距的樓梯間爬行。此外，它還可以實(shí)現(xiàn)在間歇平臺的運(yùn)動(dòng)，且整個(gè)機(jī)器的重心低，腿部機(jī)構(gòu)也可有效實(shí)現(xiàn)防滑功能。整體設(shè)計(jì)采用多足式結(jié)構(gòu)，在機(jī)器后面有做交替運(yùn)動(dòng)的3組腿完成不間歇爬樓運(yùn)動(dòng)，具備安全性高、穩(wěn)定性好以及效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2 多足爬樓機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使多足爬樓機(jī)器人能夠在保持低重量的基礎(chǔ)上完成一定高度的樓梯攀爬，設(shè)計(jì)了使用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的腿足式移動(dòng)系統(tǒng)。為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)整體爬升，需設(shè)計(jì)配合使用傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來完成3組機(jī)械腿能夠一直保持旋轉(zhuǎn)相位角相差120°的要求，保證安全穩(wěn)定工作，同時(shí)使3組機(jī)械腿保持統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)速度[2]。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)俯視圖如圖2所示。

多足爬樓機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由6個(gè)齒輪構(gòu)成。在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中選擇使用齒輪，能夠保障傳動(dòng)的穩(wěn)定性和傳動(dòng)可控性。6個(gè)齒輪的分布為：左側(cè)1個(gè)為輸入齒輪，與減速電機(jī)輸出軸上輸出齒輪嚙合；其余5個(gè)齒輪在傳動(dòng)箱體中間，其中3個(gè)齒輪為3組機(jī)械腿的輸出齒輪，剩下2個(gè)齒輪調(diào)整齒輪旋轉(zhuǎn)方向，通過兩兩嚙合使得3個(gè)輸出齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相同，且這3個(gè)輸出齒輪和2個(gè)調(diào)整齒輪的齒頂圓、齒根圓完全相同，保證了3組機(jī)械腿的旋轉(zhuǎn)速度相同，使得3組機(jī)械腿能夠始終保持120°的相位角，從而完成不間斷的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中齒輪與傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)緊湊，上面的軸為曲柄軸傳輸動(dòng)力，下面的軸為固定軸與搖桿連接，以保證多足爬樓機(jī)器人的重心低穩(wěn)和3組腿互不干擾。

5個(gè)傳動(dòng)齒輪嚙合與3組機(jī)械腿的曲柄軸和固定軸的設(shè)計(jì)位置，如圖3所示。

3 多足爬樓機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中選用腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)來適應(yīng)爬樓這一場合，如圖4所示。通過設(shè)計(jì)獨(dú)特的腿足式結(jié)構(gòu)來增大爬樓時(shí)的受力，避免出現(xiàn)輪式和履帶式移動(dòng)系統(tǒng)的缺陷。當(dāng)機(jī)械腿與樓梯表面接觸時(shí)，如圖4中箭頭所示，整體受力方向向上，使得腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)在不同傾斜角度的樓梯上運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，為避免打滑，在機(jī)械腿足部加上橡膠足套，使爬樓機(jī)器人獲得更多的摩擦力和支持力[3]。

所有機(jī)械腿都成對出現(xiàn)，可最大限度使得爬樓機(jī)器人整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。多足爬樓機(jī)由3組腿構(gòu)成，如圖5和圖6所示。3組腿分別通過傳動(dòng)軸固定，且每組腿在運(yùn)動(dòng)過程中相位角相差120°，即在運(yùn)動(dòng)過程中，前一組腿傳動(dòng)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相位角會(huì)先于后一組腿的傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)120°。3組腿的運(yùn)動(dòng)：第1組腿抬起，第2組腿著地支撐并預(yù)備抬起，第3組腿著地支撐；第1組腿抬升至一定高度后，第2組腿抬起，第3組腿著地支撐；第1組腿接觸樓梯表面著地支撐后，第2組腿繼續(xù)抬升，第3組腿抬升，以此類推，3組腿依次抬起和著地。這種獨(dú)特設(shè)計(jì)的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)保證了3組腿能夠依次爬樓和支撐著地，使得爬樓機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中可始終保持平穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié)語

在不裝備電梯的老式建筑中，存在著不方便搬運(yùn)物品上下樓的問題，需要爬樓機(jī)為人們提供便利，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高搬運(yùn)效率。國內(nèi)外對于爬樓機(jī)都有一定的研究，但是依然存在一些問題，需要設(shè)計(jì)開發(fā)一種成本低廉、功能合理、使用便捷的電動(dòng)載物爬樓機(jī)。本次設(shè)計(jì)的爬樓機(jī)采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的腿足式移動(dòng)系統(tǒng)，通過各種獨(dú)特的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的安全性，可適用于平地和樓梯間。