全国3D大赛优秀作品---助老助残爬楼梯机器人说明书.pdf

1、团队编号团队编号3DDSG429团队编号团队编号：3DDSG429作品名称：助老助残爬楼梯机器人说明书作品名称：助老助残爬楼梯机器人说明书参赛团队：旗舰队参赛团队：旗舰队目录目录一一 背景及研发现状背景及研发现状系统系统拆分及模具体现拆分及模具体现二二 系统系统拆分及模具体现拆分及模具体现数控编程数控编程有限元分析有限元分析数控编程数控编程、有限元分析有限元分析三三 原理分析原理分析关键技术关键技术三三 原理分析原理分析、关键技术关键技术四四 应用领域及市场前景应用领域及市场前景四四 应用领域及市场前景应用领域及市场前景1研发背景一1、研发背景1 目前老龄化严重，给医护护理及子女带来了巨大压目

2、前老龄化严重，给医护护理及子女带来了巨大压力力，我我们急们急需需一批一批高智高智能化能化机机器人为人服器人为人服务务。力力我需高智机务我需高智机务2 城市化加快，平房被楼房所代替，给老人及残疾人带来了巨大挑城市化加快，平房被楼房所代替，给老人及残疾人带来了巨大挑战战。战战3 随着智能化、自动化、先进机构技术不断提高，给智能化爬随着智能化、自动化、先进机构技术不断提高，给智能化爬楼楼机器人研究带来了巨大挑战机器人研究带来了巨大挑战楼楼发展状2、发展现状目前爬楼机器人主要分为三类目前爬楼机器人主要分为三类1 轮式爬楼梯机器人：利用轮或轮传动达到行进和爬行目的的机器人。利用轮或轮传动达到行进和爬行目

3、的的机器人。其主要为行星式机器人其主要为行星式机器人能实现重载能实现重载且较平稳且较平稳但自动化程度不高但自动化程度不高需借助于需借助于其主要为行星式机器人其主要为行星式机器人，能实现重载能实现重载，且较平稳且较平稳。但自动化程度不高但自动化程度不高，需借助于需借助于附加人力，在自动调节座椅水平方面存在很大缺陷。附加人力，在自动调节座椅水平方面存在很大缺陷。2 履带式爬楼梯机器人：利用履带达到行进和爬行目的的机器人。其利用履带达到行进和爬行目的的机器人。其能适应不同规格的楼梯，但工作时噪音较大，能量损失较高，对楼梯破坏较重。能适应不同规格的楼梯，但工作时噪音较大，能量损失较高，对楼梯破坏较重。

4、3 腿式爬楼梯机器人：利用类似于腿的结构达到行进和爬行目的的机利用类似于腿的结构达到行进和爬行目的的机器人器人其能较好的适应不同规格的楼梯其能较好的适应不同规格的楼梯创意新颖创意新颖但目前自动化程度较低但目前自动化程度较低需需器人器人。其能较好的适应不同规格的楼梯其能较好的适应不同规格的楼梯，创意新颖创意新颖。但目前自动化程度较低但目前自动化程度较低，需需借助于附加人力，且座椅不能保持水平状态。借助于附加人力，且座椅不能保持水平状态。3、各爬楼方案总结、各爬楼方案总结轮式、履带式、腿式爬楼梯机器人虽能实现上下楼功能，轮式、履带式、腿式爬楼梯机器人虽能实现上下楼功能，但存在以下缺陷但存在以下缺陷

5、但存在以下缺陷但存在以下缺陷：1 动化程度不高动化程度不高，需借助于附加人力需借助于附加人力。1 动化程度不高动化程度不高，需借助于附加人力需借助于附加人力。2 座椅不能时刻保持水平状态，在上下楼过程中，使人感到不舒服。座椅不能时刻保持水平状态，在上下楼过程中，使人感到不舒服。3 对楼梯破坏较重，噪音较大，能量损失较高。对楼梯破坏较重，噪音较大，能量损失较高。鉴于此，我们研发鉴于此，我们研发如下爬楼机器人如下爬楼机器人如下爬楼机器人如下爬楼机器人。二 1 二 1 系统拆分（1）座椅结构座椅结构（2）前轮（3）后轮部分（4）探测杆探测杆简图探测杆简图探测杆简图探测杆简图2 模具分析凸模凸模凹模冷

6、却系统凹模冷却系统凸模凸模整体模具整体模具模具正视图模具正视图整体模具整体模具模具正视图模具正视图3 数控编程编辑页面编辑页面3 数控编程编辑页面代码页面4 有限元分析应应应应变变分分析析析析应应力力力分力分分分析析三 结构设计及原理三 结构设计及原理主乘坐机构主乘坐机构主乘坐机构主乘坐机构工作原理：1 车体在爬楼过程中，前轮高后轮低，此时电动推杆1伸张（推杆2保工作原理：1 车体在爬楼过程中，前轮高后轮低，此时电动推杆1伸张（推杆2保持地的状态持地的状态使座椅始终保持水使座椅始终保持水持持平平地的状态地的状态）使座椅始终保持水使座椅始终保持水平.2车体在下楼过程中，前轮低后轮高，此时电动推杆

7、2伸张（推杆1保持平地的状态）使座椅始终保持水平.平.2车体在下楼过程中，前轮低后轮高，此时电动推杆2伸张（推杆1保持平地的状态）使座椅始终保持水平.上楼机构上楼机构变轮变轮的设计的设计上楼机构上楼机构-可可变轮变轮的设计的设计收缩时的可变轮收缩时的可变轮张张开始的可变轮开始的可变轮收缩时的可变轮收缩时的可变轮张张开始的可变轮开始的可变轮在平路上行走时，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，

8、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。行驶。当爬楼时，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。后轮部分后轮部分后轮采用的是仿履带结构是以TAQTCarrier履结构，是以TAQTCarrier履带式机器人为参照改进的。只不过把他的履带式改为只不过把他的履带式改为多个小轮式的，这样既使机器人在爬楼过程中保持机器人在爬楼过程中保持平稳，又大大的减少了噪音音。下下楼机构楼机构-探测杆的设计探测杆的设计采用机械式弹簧减震系统采用机械式弹簧减震系统保证

9、下楼时平稳保证下楼时平稳舒适舒适采用机械式弹簧减震系统采用机械式弹簧减震系统，保证下楼时平稳保证下楼时平稳、舒适舒适探测杆原理图探测杆简图探测杆原理图探测杆简图探测杆探测杆主要由三部分组成，第一部分是杆上的动力系统-电机，按理说这部分可以不用但我们考虑到上楼时若不用则探测杆会对爬楼有阻碍作用这部分可以不用，但我们考虑到上楼时，若不用，则探测杆会对爬楼有阻碍作用，影响爬楼效率。我们通过加一个小电机，使之上楼时往后摆，便解决了探测杆阻碍爬楼问题。第二部分是杆的减震系统 其原理类似于我们所熟知的机械式弹簧减震系统第二部分是杆的减震系统,其原理类似于我们所熟知的机械式弹簧减震系统。通过内部螺纹杆与外筒

10、套的调节，来满足不同体重乘坐者在乘坐时，系统可提供足够且适宜的支持力，保证在下楼过程中的安全性、舒适性。第三部分是电磁控制系统，即探测杆上的电磁铁。通过使用内置的受压弹簧，第三部分是电磁控制系统，即探测杆上的电磁铁。通过使用内置的受压弹簧，我们可以保证机器人在上下楼过程中，当直线驱动轮脱离台阶后，始终有支持力作用，防止发生侧翻事故。而且，由于弹簧元件的高预紧压缩量和适中的弹簧系数，可保证探测杆的滑行轮与地面脱离接触时，探测杆可在较短的时间内到达下阶台阶可保证探测杆的滑行轮与地面脱离接触时，探测杆可在较短的时间内到达下阶台阶面，这时直线驱动轮刚刚要脱离本阶台面。这种工作形式既可有效保证其安全到达

11、下阶台面，又可保证一定运行速度，使机器人在水平方向上始终处于移动状态，这是机械式弹簧减震机构优于其他直线驱动机构的一点。探测杆探测杆实现平稳下楼实现平稳下楼主乘坐主乘坐上下楼过上下楼过主乘坐主乘坐上下楼过上下楼过程保持座椅水平程保持座椅水平可变轮可变轮用用可变轮可变轮-用用于平地和楼梯行走于平地和楼梯行走角度传感器角度传感器与电动推杆的配合角度传感器角度传感器与电动推杆的配合要真正保持水平，则角度传感器所产生的信号必须准确且无延时地送给电动推杆使之信号必须准确，且无延时地送给电动推杆，使之工作。我们在座椅的扶手上，安装了信号转换器，将角度传感器传来的微弱电信号经放大传给电将角度传感器传来的微弱

12、电信号，经放大传给电动推杆的动力系统，使之工作，将主平台调平。可变轮收缩与张开的控制可变轮收缩与张开的控制可变轮张开是为了爬楼，但如果一直张开，就会使得其在平路上行走很颠簸，所以，其收缩与张开是机器人行驶时能否平稳进行的关键能否平稳进行的关键。轮的收缩是在轮上加钢绳拉紧所致。每对转动副上都有钢绳连接，且最后前面两个轮上钢绳连在一起，接入电机，钢绳连接，且最后前面两个轮上钢绳连在起，接入电机，通过对电机的控制，来释放或缠绕钢绳。而每对轮辐间有一个弹簧，当轮子收缩时，弹簧压缩。前视前视侧视侧视上楼上楼创新性结构创新性结构上楼创新性结构创新性结构主乘坐上下楼过程保持座椅水平主乘坐上下楼过程保持座椅水平可变轮-用可变轮-用于平地和楼梯行走探测杆实现平稳下楼下楼下楼答答四 应用领域及市场前景四 应用领域及市场前景应用领域：应用领域：此产品主要供于老年人及残疾人上下楼梯，使他们行动更加方便。们行动更加方便。市场前景：市场前景：上下楼时，行驶平稳，上平台始终保持水平；在平路行驶平稳，与其他电动轮椅无差别。若投入生产，生产成本低，价格也很可观。并且，随着中国进入人口老龄化高峰期，老年人口越来越多，照顾老年人的负担越来越重。特别是在城市老年人上下楼很不方便而这款外形美观价格便宜乘市，老年人上下楼很不方便，而这款外形美观，价格便宜，乘坐安全舒适是产品，相信会很受欢迎。谢谢