毕业设计（论文）-扫楼梯机器人设计.docx

随着新世纪的科学技术快速的发展，人们对于生活的品质要求也是越来越高,机器人的使用也是越来越多。在家庭使用过程中有使用过扫地机器人，那么人们在一些住房中往往还会有楼梯，那么由于楼梯有很多阶层，通过人工来进行清扫的话，需要对每一个楼梯阶层进行清扫，人们还要使用簸箕扫帚一点点的去扫，这样的话造成劳动强度增大而且人们也会很繁重。本次设计结合节省人力、节省劳动强度，设计一种可以进行爬楼梯和清扫楼梯两用的机器人。该机器人采用的是履带式的爬行行走机构，使用双电机的结构,在正常行驶的时候两个电机速度一样，如果要转弯的话那么就可以通过一个高速、一个低速来实现转弯。爬楼梯的时候由于轮子是变形轮配合履带，所以上楼梯是很方便的。除去爬楼梯之外，这里还增设可以对每一个阶层进行清扫的装置，本次的是采用的是吸尘装置进行清理，随着一点点爬楼可以一点点吸尘清扫楼梯上的垃圾，从而结合了机械专业的知识的应用来完成本次设计。关键词：清洁机器人；伺服电机；舵机；吸尘装置ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnologyinthenewcentury,peoplelsrequirementsforthequalityoflifearealsoincreasing,andtheuseofrobotsisalsoincreasing.Intheprocessofhouseholduse,ifasweepingrobothasbeenused,peopleoftenhavestairsinsomehouses.Therefore,duetothemanylevelsofstairs,manualcleaningisrequiredforeachlevelofstairs.Peoplealsoneedtouseadustpanbroomtosweepgradually,whichincreaseslaborintensityandmakespeopleveryheavy.Thisdesigncombineslaborsavingandlaborintensitysavingtodesignarobotthatcanbeusedforbothclimbingandcleaningstairs.Therobotadoptsacrawlertypewalkingmechanismandusesadualmotorstructure.Duringnormaldriving,thetwomotorshavethesamespeed.Ifturningisnecessary,itcanbeachievedthroughonehighspeedandonelowspeed.Whenclimbingstairs,itisveryconvenienttoclimbstairsbecausethewheelsaredeformedandmatchedwithtracks.Inadditiontoclimbingstairs,therearealsodevicesaddedherethatcancleaneverylevel.Thistime,avacuumcleanerisusedforcleaning,andasyouclimbthestairs,youcangraduallyvacuumandcleanthegarbageonthestairs,combiningtheapplicationofmechanicalknowledgetocompletethisdesign.Keywords:cleaningrobots;Servomotor;Steeringgear;Vacuumcleaningdevice第一章绪论1Ll本次课题研究目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 本次设计的主要内容6第二章总体结构方案设计和分析72.1 方案的提出72.2 方案的结构设计和分析7第三章扫楼梯机器人机械部分设计93.1 爬升行走部分驱动电机选型93.2 爬升转向部分驱动电机选型93.2.1 舵机概述10322舵机的选型103.3 爬升前轮设计123.4 爬楼机器人后轮设计123.5 清扫吸尘器的设计133.6 探测装置以及减震的设计143.7 框架的强度校核14第四章运动学模型分析164.1 数学基础164.1.1 位置和姿态的表示164.1.2 齐次坐标变换174.2 运动学模型174.3 数学工具和力学原理184.3.1 爬楼机器人运动分析184.3.2 爬楼机器人的重心计算方法19第五章三维制图和虚拟装配215.1 三维制图介绍215.2 三维零件图的建模215.2.1 底板的三维建模215.2.2 履带部件的建模215.2.3 吸尘装置的建模235.3 三维实体的装配24结论26参考文献27致谢29第一章绪论1.1 本次课题研究目的和意义随着人工智能科学和计算机技术的发展,智能机器人技术成为研究热点,其中的服务机器人首当其冲。服务机器人出现的原因主要有三点:一是人力成本逐步提高;二是群众希望垃圾清理、家务劳动等繁琐的体力劳动,照顾病人和儿童;第三,人口老龄化和社会福利体系的完善也为一些服务机器人提供了广阔的市场应用前景服务机器人工业机器人的地方在于,它是适应特定任务的机器人系统,具有广阔的活动空间,可以在非结构化中自由活动,所以服务机器人是一个从自动洁净室、地板、真空、家庭服务、机器人、机械设计技术技术技术、计算机科学、控制技术、机器人学、等多学科形成一个整体的机器人智能机器人的先驱,这项研究从上世纪80年代开始，已经产生了很多概念样机和产品，目前已经形成了很多应用前景，如果清洁机器人能进化成一种既能爬楼梯又能扫楼梯的两用机器人，可以省去人较强的劳动强度，代替人完成劳动强度大的重复性工作，有助于用机器代替人工。将机械原理与机械结构的应用结合起来，具有重要的现实意义。1.2 国内外研究现状这里针对爬楼梯和清扫方面的机器人进行的相关国内外的研究情况进行分析。机器人在爬楼方面的应用可以用于一些高难度的任务，这不仅能确保操作人员的人身安全，也可以增加产品的产量，提高效率，从一定程度上降低了人力的劳动强度，并且在减少原材料的需求量的同时，还让所需要的成本也得到减少。根据不同的地形，移动机器人的运动方式主要有以下几种，即轮辐式、履带式和双足式等。爬楼机器人的研究，国外起步较早。最早出现的专利是美国的Bray在1892年发明的爬楼梯轮椅。从那个时候开始，其他国家也开始投入研究，其中美国、德国、日本、英国的技术相对成熟，他们的一些产品已经投入市场使用。根据主要实现原理，当前拥有爬楼装置专利的国内外主要有三种，分为履带式、轮组式、步行式爬楼装置、接下来将介绍和分析国内外各种装置的发展情况，以及他们的优劣点。第一种是步行式爬楼机器人运动时平稳，对于不同磁村的楼梯都可以适应，但是它对控制方面的要求非常高，操作复杂，在平地行走时非常缓慢，动作幅度也不是很大口叫图1-1美国机器人大狗图1-2日本巨型移动机器人第二种是履带式的爬楼装置。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部的传动结构是履带式，可爬坡的最大坡度为35°,上下楼梯速度为每分钟1520个台阶。法国TOPChair公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮提供正常情况下平地使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把四个轮手气，依靠履带无需旁人辅助便可自动完成爬楼功能B。图1-3爬楼机器人履带式第三种是轮组式的爬楼梯装置。轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。单轮组式的结构稳定性较差，爬楼过程中需要有人协助草能保住重心平稳。而双轮组式虽可以实现自主爬楼，但由于体积过大而且重量偏重，影响使用范围国。图1-4（八）两轮式（b）三轮式（C）四轮式我国在上个世纪八十年代已经对轮组式爬楼装置进行了研究，1987年取得专利，是一种用于平地以及楼梯上运行的多用轮椅诬，前后的轮子都是由几个星形轮构成，除自转外还绕滚轮进行公转从而实现上下楼梯。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼机构。改变了轮椅需要人辅助或者楼梯扶手的支撑，让它可以调整重心位置,平稳的爬楼汽TOYOT图1-5iB0T爬楼轮椅第四种是复合类的机器人。这种是采用了腿-履复合和轮-腿-履复合等结构。设计主要依靠腿式机构完成越障，以及履带平稳性和轮组灵活性来达到功能的完成。机器人摆臂在一定范围可上下摆动，辅助越长、攀爬，具有较强的越障性能，路面通过性和上下台阶能力。根据调研情况,浙江大学机电研究所在国内率先开展了智能真空机器人的课题研究。经过两年努力,我国设计出首台自主吸尘机器人。智能真空机器人在工作的时候,利用超声波传感器进行距离测量,做到高效清洁咒机器人完成打扫通道和清洁地面后,会自动回到充电座,为电池充电。在5.5X3.5平方米的真实家居环境中，集尘机器人在10分钟内就能覆盖90%的面积,大房间的扫描测试还没有进行。目前,该系统已引入机器视觉和全球定位技术，以提高自动定位功能、智能决策能力和多房间环境下充电效率,使清洁速度和效果得到提升（见图7）。另外,这些年销量比较低的产品KV8清洁机,它也是在我们国家推出的首款清扫机器人。KV8在家庭、办公区域、娱乐场所等不能随意进出的地方得到大量的使用。KV8机器人可以通过碰撞传感器实现随机清扫和碰撞处理，电池需要手动进行充电。有多种工作方式能够选择,打开电源时还可以听到音乐。图1-6国内公司生产的机器人KV8东日本铁路株式会社、新光电机株式会社和豪华工业株式会社共同建造了一款车站地板清洁机器人。该机器人可以沿着墙壁自动启动，并使用旋转刷子清除垃圾。东日本铁路公司和东芝公司一起开发了一种在内部打扫地面的机器人，它有简单的座位布局、尺寸小巧，重量轻巧。它可以轻松地移动于车厢与舱室之间，使用超声波距离感应器感应系统，以及光学非接触式近距离感应器加。日本静水工厂研发出自动清洁机器人,可用于清洁各种工厂。它使用编码器和超声波传感器来感知范围，光电探测器用于检测障碍物。该机器人配备了橡胶垫，橡胶垫接触传感器能让机器人停止，确保人员安全。松下和日立还开发了清洁砖和地毯清洁机器人。在2002年上半年，松下公司推出了一种实验性的清洁机器人。这个机器人设计用于自动执行清洁任务，能够依据房间的布局、地面状况及垃圾的多少进行适应。它搭载了五十个传感器，这使得机器人不仅能进行清洁工作，还能够自动规避障碍物，并在完成清洁任务后自行停止。这台机器人能够在大约九分钟内完成对一个标准的日式房间的清洁工作，这个时间大约是清洁同等大小房间所需时间的1到1.5倍1。其能够清洁房间地板的92%至93%。为了避免碰撞，机器人采用了光学和超声波距离传感器以及压力传感器切。传感器，加热器和其他热源热传感器直接安装在机器人身体上，以防止滚下楼梯的高度上的间隙。对外力大小感应器和滑动质量感应器进行测试，对加入的动态载荷感应器进行监测。确保机器人在遇到常见障碍物时，保持最少10厘米的安全距离，并在探测热源时，至少与热源保持50厘米的距离切。由国际研究团队开发的戴森公司最近发布了一款DC06型号的高级智能吸尘器，它被誉为世界首款完全自动化的真空清洁机器人。这款机器人拥有先进的人工智能技术，能够通过简单的开关操作来大大简化日常的房间清洁工作。如图7所展示，这款拥有50厘米轮廓的机器人模型车的重量为9.2公斤，并装备了超过70个传感器。它的高级处理系统由三个内置计算机组成，能够实时定位并发出每秒高达16条指令来控制吸尘器的运行。当启动电源开关后，这款机器人将在短短三分钟内，借助三台微型计算机和传感器来确定其位置、测量房间尺寸，并识别风琴和家具的排列。如果有外来物体，比如儿童或宠物狗靠近，它会立即停止清扫。此外，在接近楼梯等悬崖边缘时，它会启动安全措施以防坠落。使用时，用户只需开启电源，设定速度并点击'GO'按钮，吸尘器便会开始自动运行，其它程序也将同时启动。然而，由于其售价高达约4000美元，这款产品在市场上的普及率受到限制。如图7所示。图1-7智能机器人DC06三星公司推出了一款名叫Ve-RP30W的机器人吸尘器，其特点在于使用3D地图技术进行定位，以巧妙方式规避障碍。这款机器人能迅速而高效地清洁每个房间角落。遇到障碍物或僵局时，VC-RP30W就会自动进入工作模式加。其先进的智能识别系统让它能轻松认出需要进行清理垃圾和不需要理会的日常物品。当房主不在时，它还能自动进行清洁工作。用户不仅可以自设设置，还能通过机器人前部安装的摄像头远程操控。止匕外，它的电池允许它在50分钟随意的进行清理地面这项功能与RC3000红外导航信号不同，它依赖于自己生成的三维地图进行移动。图1-8三星机器人VC-RP30W13本次设计的主要内容本次的设计是借助此扫楼梯的机器人，它可以实现既能够爬楼，也可以轻松楼梯的两用的一种特殊机器人。本次的设计主要有以下几点的内容。1、解决机器人爬楼的基本功能的确定与电机的选择这里的爬楼部分的基本功能借助关节机构的设计，并确保关节和关节之间要保证相对的平稳滑动和平稳的转动，并保证在运动的过程中能够平稳和注意一定的逻辑性。这里还要考虑爬楼的过程中整体要能够起到一个减震的效果。2、爬楼部分的运动学的相关分析这里可以对爬楼机构的动态角度进行相关的分析，并利用相应的坐标变换以及局部坐标等方法来完成爬楼行走部分的设计。3、清扫部分的结构分析在清扫部分中利用吸尘器装置来实现清扫，确定好驱动的动力以及清扫吸尘部分的安装和布置。4、总体的三维建模设计本次的整体扫楼梯的机器人利用三维软件来进行建模，并包括各个零件的建模设计和装配体的绘图建模。第二章总体结构方案设计和分析1.1 方案的提出这里的扫楼梯的机器人在进行设计的时候，先要确定好它的结构方案，这里按照它所需要实现的基本功能来对此方案进行一个大致的思路构思。这里的扫楼梯机器人主要是有两个基本功能需要实现。一个是它能够爬楼梯，本次设想的爬楼梯采用履带的行走机构，采用爬楼梯的方式是两个可以倾斜的履带机构，行走靠着后面的四个驱动轮的行走机构来驱动。一个就是清扫的基本功能了，清扫的最简单的方法就是通过吸尘的方法来实现清扫，这里的吸尘要考虑使用吸尘管来进行对楼梯上的垃圾进行吸起来然后进行收集。2. 2方案的结构设计和分析确定好了基本的设计思路后，对本次设计的扫楼梯的机器人的总体结构方案简图如下图所示。驱油行走耙驱动行走物图2-1扫楼梯机器人的结构简图上图中可以看到，这里的整个扫楼梯机器人主要就是两个部分组成，一个就是行走爬楼体部分机构，一个就是吸尘清扫的部分。行走爬楼梯部分是两组的履带行走机构组成，倾斜部分的履带行走主要负责是爬楼，后面的两侧的履带行走机构主要是驱动行走，它可以实现对整个机器人进行驱动行走、转弯等功能，这里的履带行走机构中的驱动动力部分中，前面的两个驱动轮的驱动采用的舵机，后面的两个驱动轮是采用的是减速电机。另外的吸尘清扫部分机构，这里吸尘的部分包括有吸尘电机、吸尘叶片、吸尘箱、吸尘管，吸尘管负责是将楼梯面上的灰尘、垃圾进行吸起来，吸起来的动力就是通过吸尘电机带动吸尘叶片来促使使得有足够的吸力能够将楼梯地面上的灰尘和垃圾进行吸起来，吸起来后是储存在吸尘箱中。本次的扫楼梯机器人它可以随着整个机器人能够一个个的楼梯进行爬行，而且可以对每个楼梯上的阶层进行一点点的清扫，这样就大大节省了劳动强度，很大的方便了人们扫楼梯的工作了。第三章扫楼梯机器人机械部分设计3.1爬升行走部分驱动电机选型这里的行走驱动部分主要是靠着后轮的两个驱动轮来驱动，那么后轮部分采用的是减速电机来进行驱动，主要的原因是一个是该机器人的行走动力，另一个就是要对其行走的时候保证一定的速度来进行减速。根据本次的机器人的负载重量和速度来确定它的减速电机的选型。根据实际的调查得知，爬楼的机器人的行走速度按照V=200mm/s=0.2m/min的大概速度行驶即可。其负载预估其驱动的负载为80KG,那么就是尸=800N.那么就可以按照式子3-1计算出其机器人行走的时候驱动的功率就是(3-1)P=工1000上式中的效率按照0.9即可。那么代入式（3-1）得出FV1000800x0.21000×0.9=077KW=T77W本次的减速电机由于采用的是两个，那么单个电机的驱动功率至少要为88W,那么本次的单个减速电机的功率选择90W的标准功率即可。功率选择完成后，还需要知道其减速比，本次的驱动轮部分的直径可以设计成为直径60mm,根据下式就可以计算出转速多少。60V(3-2)n=11D60×0.2×100063.7rminn=%X60得出本次的驱动轮需要的转速为63.7rmino那么它的驱动电机本次选择的是XD37-GB520这种直流的减速电机，该电机可的转速10、20、30、50、100、200、300、500、600rmin这几种，减速比的范围比较大，可以选择3到1800的这些减速比均可。本次的直流减速电机选择转速为600rmin,减速比选择为10的减速比即可。3. 2爬升转向部分驱动电机选型这里的转向部分就是平段的行走机构中的两个驱动轮的驱动动力电机，这里的驱动电机采用的是舵机。3. 2.1舵机概述舵机按照一般的来说它集成了直流电机、控制器、减速器功能为一体的，并通过整合在一个外壳里的一种伺服驱动单元。它可以通过简单的输入信号，此信号来获取较为精确的转动角度来反馈到控制器当中。在舵机内部是安装有一个电位器，这个电位器也叫做角度传感器，它可以检测出转动时候所产生的角度，通过控制器所反馈而来的电位器信息就能够较为精确的控制和保持输出的转动部分的角度了。这样来看，舵机的控制方式是一种闭环的控制，也可以这么说舵机也叫做伺服马达，英文简称之为SERVOo舵机的主体结构见下图，主要有外壳、减速齿轮组、电机、电位器还有控制电路等。它的简单工作原理就是控制整个电路接受一定的信号源，此信号源就是控制信号，此控制信号可以用来驱动电机的转动，然后内部的齿轮组是可以将电机的输出转速成倍数的进行缩小，那么最终的输出的转矩也就会放大出相应的倍数出来；电位器和齿轮组的末端是一起进行转动的，电位器可以用来测量出舵机输出轴的转动角度；内部的电路板是可以检测并按照电位器来判断舵机输出轴的转动角度，并可以控制舵机转动到一定的角度下，并保持在最终的角度下停止阿。舵盘图3-1舵机的外形结构组成3. 2.2舵机的选型本次的舵机选型中包括的是前端的行走轮，这里驱动的行走轮是为了要对其进行转角转动也就是为了整个机器人的转向考虑的。在计算选型舵机的时候要对其驱动轮的转动惯量进行计算，这里的驱动轮的转动惯量按照圆柱体的转动惯量设计即可，如下图所示。(3-3)TTJX=KmDi2=京p*LD?kgm2OOZ111.212Jy=-m(+-g-)kgm2l®图3-2圆柱体转动惯量计算方法这里的转动惯量计算式如式3-3jW=WPLD：=32o式中m：驱动力驱动的重量，这里可以预估其重量，当然还要考虑整个机器人附加的叠加效果的重量，那么这里的重量也要按照80Kg计算。D：圆柱体的直径部分，本次的驱动轮直径是60mm代入上式得出f7=l80×0.062=0.036Am28转动的速度按照舵机的一般转速，舵机的转动速度一般是按照在60度角的所需时间，一般是在Slls/60°0.2Is/60°,本次就按照一个中间值015s60°来确定它的一个转速，按照015s/60°得出的转动速度得出的结果就是n=×60=66r/min0.15×6那么舵机必须的启动转矩就是按照式子3-4计算T_2nNMlJM+，犷)(34)S60式中的乙为舵机的转子惯量，4加速时间按照1秒代入式3-4TS=2C66京;（三）36)=m+0.25>必须转矩&=(TL+Ts)2式中的为负载转矩这里转矩计算，T1=F-×10'=80×XIO-3=2ANm1 22这里的JM是舵机的惯量，安全系数选择的是S=2.0所以由于转子惯量很小，可以忽略不计，计算出来的必须的启动转矩就是大约(2.4+0.25)×2=5.3o本次选择的舵机的型号是MG945,该舵机可以驱动的最大扭矩为11Nm,所以符合本次的设计计算结果。这里选择的舵机基本参数如表3-1所示表3-1舵机基本参数速度(s60度)扭力(Nm)电压(V)质量(g)型号0.16111250MG9453.3爬升前轮设计本次设计的爬升机构的思路是一个可变行的轮组来代替正常的轮子，其结构是由如图所示，这种轮在正常的路上是圆形的，可以保证在正常路上的行进速度,一旦到了爬楼梯的时候，轮组的轮爪张开与地面接触使整个爬楼机器人上升，从而完成一个爬楼的过程。轮子的动力来源是采用的双电机，正常情况下是双电机的转速以及功率都是一样的，当要转弯的时候，就采取差速法来转弯，一个速度大一个速度小从而实现转弯的一个操作。图3-3爬升前轮3.4爬楼机器人后轮设计爬楼机器人后轮的思路是以正常的轮胎为基础，外加上一个履带式轮辐作为辅助，这样能更好的保持爬楼机构的稳定性。后轮的结构是仿照"QTCarrier履带式机器人，我们在原来的基础上增加了一种辅助轮，这样既能保证上下楼梯的稳定性，又减小噪音。也保证了使用者安全性。如图是本次设计的后轮的结构三维图。图3-4爬升后轮3.5清扫吸尘器的设计这里的清扫吸尘器部分是包括了吸尘电机、吸尘叶片、吸尘盒、吸尘管等组成。这里的吸尘管就采用胶管来作为主体结构，吸尘管的最终末端是大头也就是宽度和长度比较大的尺寸，然后连接的吸尘管的其余部分就是一个圆管的零件，然后吸尘管最终是连接插入到吸尘盒中。这里采用的是直流的吸尘电机，本次的吸尘电机的规格参数如表3-2所示。表3-2吸尘电机的规格参数项目名称项目说明型号NXK0282-1200应用干湿两用电压12V/24V绝缘等级E特征环保、高效、节能、寿命长吸尘管孔径16mm真空气压(KPa)15空气流量(m3/min)1.85功率50W3. 6探测装置以及减震的设计下楼机构采用机械式弹簧减震系统，保证下楼时的平稳、舒适以及安全。探测杆是由三部分组成，第一部分是杆上的动力系统一一电机，这个电机最开始的时候是没有设计这个的，但是上楼的时候探测装置会很妨碍上楼影响爬楼的速度。给这个部位加上一个小电机，使其在上楼时收起，这样在上楼的时候就不会被探测装置妨碍到了。其次是探测装置的减震系统，减震系统是整个设计的很重要的一部分，设计的减震系统主要是应用弹簧，通过探测装置内部的弹簧与外部套筒的配合，来满足扫楼梯机器人使用者的要求，使下楼时可以稳定，也为下楼时起到一个支撑作用，还会变得更加舒适和安全。最后一个部分是电磁控制系统，在探测杆上安装电磁铁。通过探测杆里的弹簧受压，可以保证机器人在上下楼梯时，直线驱动轮离开台阶之后，还一直有支持力，这样就可以防止侧翻发生。而且，由于弹簧元件受压力就会产生一种预紧力和自身的弹性系数，通过预紧和有一个弹性系数的加持就可以保证探测杆的滑轮以地面接触时，小车的探测装置可以再很短的时间内到达下一个台阶，这时小车的驱动轮又要离开台阶。这种方式不仅可以保证上下楼的效率，又可以保证安全，两全其美，使机器人在水平方向一直处于移动状态，本次应用的减震系统这一方面是要好于其他机构的。最开始扫楼梯机器人的设计是单杆支撑下楼，但是考虑到我们会载着重物难免会发生一边沉的情况，为了保证运动时的稳定性以及安全性，不易发生侧翻，在单杆下方加了两个轮子，一方面保证稳定，在一方面可以是移动更加顺畅。4. 7框架的强度校核这里对框架的强度校核，也就是对整个扫楼梯的履带行走机构的上方的一个连接板进行强度校核，此连接板上方是连接上方的吸尘装置以及吸尘装置的底架部分，这里可以校核它的受弯的应力是否满足要求。本次的上连接板对应受力部分的横截面面积是Z=150x8=1200mm2。上连接板上承受的力要考虑上方的吸尘部分的底架，还有整个吸尘装置的部分，总共的质量按照IOKg,那么重量大小就是100N。根据受弯强度的满足条件F为材料的抗弯许用应力，本次上方的连接板的材质是LYl2,它的抗弯许用应力50q。A：A=1200mm2。=o.oWPQsomax1200所以上连接板的抗弯强度符合要求，不会被压弯。第四章运动学模型分析4.1 数学基础5. 1.1位置和姿态的表示在研究爬楼机器人之前，首先要建立好严谨的数学模型。机器人本是就是一个复杂的机械系统。其中爬楼机器人最重要的两个特点就是运动学和动力学。这两大特性将决定操控系统的设计等相关联的主要内容。其中运动学建模是为了再给各个关节运动之前确定各个关节之间的运动关系。因为其结构复杂，并且在运动过程中会出现变形轮受力不均的现象，所以有必要深入研究数学模型。刚体的姿态是刚体本身的参考点的位置和姿态，并且本次设计可以通过很多方法把它表示出来，简单的来说，就有其次变换，泰勒公式，和一些其他的数学方法，并且看空间中，设计中要确定爬楼机器人的空间位置确定他的每一个关节的自由度，完整的展现出一个小车所需要的移动状态，而更好的应用数学来为所研制的机械服务。在通常的学术定义上，物体的姿态被称为空间六个自由度状态。而且还要准确地知道机器人在行走的过程中，每个自由关节的位置，以便及时把控程序的控制，在爬楼机器人的每个关节都安有两个自由度，这样可以更高效的完成设计时所期望的目的，本篇文章的优点在于它可以将运动变化和映射矩阵相互关关联起来，从而更好地解决相关问题。在计算时，建立一个坐标系，可以用3x1的位置矢量来确定该空间的一点坐标的位置。在直角坐标系中4中用p%PyPz表示空间位置中的一个点P,P,Py,Pz表示是点）在坐标系出的三个坐标分量。为了规定在空间中的一个刚体B的方位，另外还要设一个空间直角坐标系团的三个坐标主要矢量右,外，同时相对于直角坐标系A的方向余弦组成3x3矩阵）=%方Jz/来表示刚体B相对于坐标Z的方位，为被人们命名为旋转矩阵，这个矩阵一共有九个元素，这9个元素中只有3个是独立的，同时其本身也是正交矩阵。WK是旋转矩阵，在这个式子里（K能够得至KI=K通过上面的讨论，本次设计是运用位置矢量来描述空间坐标中的点的位置，用旋转矩阵来描述这个物体的方位，想要完全的藐视刚体3在空间的位姿（位置和姿态），通常是用刚体5与坐标系5相连接。3啊的坐标系原点通常在物体的特征点上，比如刚体的质心等。相对于参考坐标系4,坐标系Z的原点位置和坐标轴的方位，分别由位置矢量/4。和旋转矩阵片人来表示。这样刚体5的位姿可以用坐标系3来表示，即：8=RaPb.4.1.2齐次坐标变换已知一个坐标的某个点，那个另外一个直角坐标系中的坐标可通过齐次坐标变换来求得。在表达刚体在空间中的坐标时，可以选择的坐标系5和4的本身与原点不重合,并且还要加上坐标轴的位置不重合,计算的时候就可以更好的确定,尸和'尸之间的关系来进行描述'P=+5(4-1)一般情况下在空间中的一个点的直角坐标会同他的其次坐标可以用以下的数学公式来表达：尸JZIY(其中。是非零的常数)而且不是无限远处所对应的点尸=XyZIT只是表示坐标位置上的原点，还有在0001丫用来无穷远处的点在X轴上。齐次坐标不仅可以表示矢量的方向，它还可代空间中点的位置。在这种情况发生的前提下，如果里面的第三个面中的一个元素不是零的时候,可以用来表示点的所在位置，而当中有一个是0的话，他所代表的就是方向。等式(3.1)中2尸是非齐次的，等式经过齐次坐标变换得到：尸ZAP“一。"(4-2)在计算时，假如要把齐次坐标标记成尸和'尸，同时'°1，上面的式子就可以表示出：L°1Jo7综合反映了平移变换和旋转变换，称为齐次变换矩阵。4.2运动学模型运动学建模是研究机器人行走的基础，设计时将运用数学公式的推导，确定机器人各个部位随时间运动关系的一种建模方式，是运用数学模型建立。本次论文就是通过参考以往的方法，来对机器人的轮子进行D-H矩阵法进行运动学建模的。H矩阵(DenaVit-HartenbergMatriX)这是建立机器人正向运动方程的通用方法。主要是有四个大部分组成，分别为：尸-位置矩阵，O-透视矩阵，/-比例变换，R-旋转矩阵的。H发着的优点就是在每个关节处都有一个坐标系，用于连杆参数以及变量、角度等。通过一系列的推导变换得出关节的位姿，从而得出连杆之间的关系。这种方法在机器人控制算法、3D模型运算方面有很广泛的应用的。爬楼机器人在求解轮组的运动移动状态和关节在运动下的状态的数学运动模型时。一般有两个方面，即：正向运动学和逆向运动学的数学建模。在正运动学中，设计主要是解决机器人是否能按照正常的逻辑进行运动，能否执行使用者的命令，并完成其所给的任务。而在逆运动学中，主要是解决机器人在规划步态时机器人本身的位置和姿态是否按照规定的坐标进行摆动，同时还要解决各个机构之间所产生的影响，通常来说，运动学问题研究的就是爬楼机器人在运动中各个关联关节之间的配合能否达到预期效果，并合理地完成任务。在运动学的正向运动解和逆向运动解的结果是不同的，正解的结果只能有一个，而逆向运动的解是不确定的，可能是无穷多个，也可能是无解。机器人本身的逆运动学的求解方法数量繁多，比如代数法和数值解法。只要满足一下两个条件就可以了：(1)三个相邻关节轴交于一点；(2)三个相邻关节轴相互平行。爬楼机器人的设定显然是达到了逆运动学问题中的封闭形式的解。本篇文章将采用代数法来解决在逆运动学上所需要解决的问题。对于运动学中的逆运动学,我们将运用数学公式推导出爬楼机器人的结构以及各个相关联关节之间的关系，可以达到更好的解决关节变量移动时的参数，将所得到的参数带入方程组，来解决逆运动学的问题。正逆运动学的关系如下所示：关节变量>运动学问题。末端执行位姿运动学逆问题图4-1正逆运动学关系图4.3数学工具和力学原理4.3.1爬楼机器人运动分析通常情况下爬楼机器人的移动方式分为三种：自由转动、直线移动以及圆弧移动。(1)机器人的自转，设计中用B来表示机器人变形轮的自转角速度，取逆时针方向为正方向，匕表示变形轮左轮的速度，匕表示变形轮右轮的速度，就可以得出运动关系式为口7：COSe=-Fa(4-3)a2+b2化简为：分2+k2匕=()g(4-4)a分2+2匕=式巴士2_)(4-5)a根据上面得出的式子，就可以得出变形轮自转时的速度和方向。(2)直线运动。机器人前进的速度设为修，然后表示变形轮与整个车体的关系式为：Vi=V2=V(4-6)(3)圆弧移动。在机器人进行圆弧运动中，设变形轮的半径为七角速度设为则变形轮与整个车身的关系式为：V1cosi=(-)2+b26(4-7)V2cos%=7(T?+6z)2+b2(4-8)在式子中，仇是X轴方向和圆弧圆心与左轮连接线的夹角；为是X轴方向和圆弧圆心与右轮连接线的夹角。由此可以得出仇与之间的关系式：八b0、=arctanR-a(4-9)八b/=arctanR+a¢4-10)将(3-7)(3-8)带入(3-5)(3-6)得出：匕=(')2+J.R-a¢4-11)(.+a,+%七=D侬R+a(4-12)根据以上的计算，就可以知道前轮在二位情况下任意时刻的速度和方向。4. 3.2爬楼机器人的重心计算方法先来介绍一下物理量：质量：爬楼机器人的总质量/，单位加g。质心：爬楼机器人质量的质心单位加g。动量：爬楼机器人与运动有关的线量夕三幺pypz,单位Nws角动量：与绕原点的转动有关的一个量，L三LxLyLzC=PIMP=fall动力学的基本原理可以用这三个式子来解决：下面解释方程组的意义：描述质心速度和动量：C=PIM与移动相关的第二个方程描述动量怎样随外力而变化：p=fall这其中力所代表的就是爬楼机器人身上所有外力的总和，用第一个式子和第二个式子就可以推出力接下来考虑爬楼机器人所受的外力。重力均匀的施加在机器人本体上，其施加的总重量可以认为是施加在机器人的重心上，其中在地球上所表示为00-9.8f(m/?),由于总重量的标准在爬楼机器人步态移动中是不会变化的,所以在本次研究中将会把这个力与其他的力相区分，分别计算：fall=MG+f.把了认为是地面施加给四自由度行走机器人的力，因此求得公式力=MG+fo第五章三维制图和虚拟装配5.1三维制图介绍本次的设计是对扫楼机器人进行的总体设计，包括其二维和三维的制图，这里的三维制图就是在二维设计的基础上，利用三维软件来对其进行的设计。三维制图中主要的软件采用的是SOLIDWORKS软件，先要将其各个零部件都绘制出来，然后利用装配的功能完成整个扫楼机器人的三维模型的虚拟装配。5. 2三维零件图的建模5. 2.1底板的三维建模底板是支承整个扫楼机器人的主体部件，其板的强度要足够，本次的底板上部分是连接着座椅，下部分是安装着行走的履带和履带轮装置等。底板的建模按照其形状是长方体的形状，按照SOLIDWORKS软件中草图绘制完成后实体拉伸即可。然后相对应的其与其他零件的螺钉定位孔等。如下图就是底板的三维图模型。图5-1底板5. 2.2履带部件的建模履带部件中的建模，它里面包括有履带、履带连接的履带行走轮、还有履带行走的导向轮、传动轴、两侧固定这些履带行走轮的侧板、减速电机、舵机及其舵机的连接件等。这里的履带是按照其表面是一节节的形式，本次的三维建模将其简化成一个零件。如下图所示是履带的三维模型。Mr图5-2履带侧板包括的是两个，两端的侧边板的基本尺寸是相同的，按照其履带行走轮的固定位置，还有导向轮的固定位置来确定的安装螺钉孔即可，其余的特征和底板的建模方式相同。不同的是驱动轮的外圆上有和履带相互配合的驱动轮和导向轮的形状类似,连接齿，驱动轮内孔连接的是相应的传动轴，传动轴就是一个圆柱体的特征，形状较为简单。图5-5传动轴驱动轮的驱动部分包括有减速电机和舵机，减速电机是和驱动的主动轮连接,舵机是和驱动的从动轮连接。图5-6减速电机图5-7舵机5. 2.3吸尘装置的建模这里的吸尘装置部分包括了吸尘管、吸尘电机、吸尘盒、吸尘叶片等零