基于曲柄搖桿機構的多足爬樓機器人設計

李瑞年 肖增文 陳 鋼

（南京工程學院 機械工程學院，南京 210000）

隨著經濟的發展和城市化的深入，人們的生活質量不斷提高。一些已經使用了一段時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量。為了減輕負重，爬樓機應運而生。目前，市場上的電動爬梯機械有輪式、履帶式以及混合式等。這些爬樓機器人的主要問題在于使用者不能獨立使用爬樓機器人完成上下樓功能，需要有人協助實現爬樓功能，無法滿足家庭需要[1]。因此，研究設計一種可以由使用者獨立完成上樓功能的機器尤為重要。近些年，快遞行業飛速發展。在無電梯的小區，快遞配送的“最后一公里”成為急需解決的問題。設計的多足爬樓機可以用作人們日常工作和生活中搬運重物的電動工具，還可用于協助快遞員完成“最后一公里”的快遞配送。它既可以平地行走，又可以做爬樓運動，解決了人們在沒有電梯的建筑中搬運重物上下樓難的問題，具有結構簡單、價格便宜等優點。

1 多足爬樓機器人的整體結構設計

基于曲柄搖桿機構的多足爬樓機器人簡圖，如圖1所示。

多足爬樓機器人采用47.3 N·m的直流電機，可實現超過100 kg的承載質量。本機器人的長度超過800 mm，因此可輕松實現在300 mm以下的不同間距的樓梯間爬行。此外，它還可以實現在間歇平臺的運動，且整個機器的重心低，腿部機構也可有效實現防滑功能。整體設計采用多足式結構，在機器后面有做交替運動的3組腿完成不間歇爬樓運動，具備安全性高、穩定性好以及效率高等優點。

2 多足爬樓機器人傳動結構設計

為使多足爬樓機器人能夠在保持低重量的基礎上完成一定高度的樓梯攀爬，設計了使用曲柄搖桿機構的腿足式移動系統。為了能夠更好地實現由單電機驅動整體爬升，需設計配合使用傳動結構來完成3組機械腿能夠一直保持旋轉相位角相差120°的要求，保證安全穩定工作，同時使3組機械腿保持統一旋轉方向與旋轉速度[2]。傳動結構俯視圖如圖2所示。

多足爬樓機器人的傳動結構主要由6個齒輪構成。在傳動結構中選擇使用齒輪，能夠保障傳動的穩定性和傳動可控性。6個齒輪的分布為：左側1個為輸入齒輪，與減速電機輸出軸上輸出齒輪嚙合；其余5個齒輪在傳動箱體中間，其中3個齒輪為3組機械腿的輸出齒輪，剩下2個齒輪調整齒輪旋轉方向，通過兩兩嚙合使得3個輸出齒輪的旋轉方向相同，且這3個輸出齒輪和2個調整齒輪的齒頂圓、齒根圓完全相同，保證了3組機械腿的旋轉速度相同，使得3組機械腿能夠始終保持120°的相位角，從而完成不間斷的循環往復運動。

傳動結構中齒輪與傳動軸設計緊湊，上面的軸為曲柄軸傳輸動力，下面的軸為固定軸與搖桿連接，以保證多足爬樓機器人的重心低穩和3組腿互不干擾。

5個傳動齒輪嚙合與3組機械腿的曲柄軸和固定軸的設計位置，如圖3所示。

3 多足爬樓機器人腿部結構設計

設計中選用腿足式移動機構來適應爬樓這一場合，如圖4所示。通過設計獨特的腿足式結構來增大爬樓時的受力，避免出現輪式和履帶式移動系統的缺陷。當機械腿與樓梯表面接觸時，如圖4中箭頭所示，整體受力方向向上，使得腿足式移動機構能夠適應在不同傾斜角度的樓梯上運動。同時，為避免打滑，在機械腿足部加上橡膠足套，使爬樓機器人獲得更多的摩擦力和支持力[3]。

所有機械腿都成對出現，可最大限度使得爬樓機器人整體處于穩定狀態。多足爬樓機由3組腿構成，如圖5和圖6所示。3組腿分別通過傳動軸固定，且每組腿在運動過程中相位角相差120°，即在運動過程中，前一組腿傳動軸在轉動時相位角會先于后一組腿的傳動軸旋轉120°。3組腿的運動：第1組腿抬起，第2組腿著地支撐并預備抬起，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。這種獨特設計的循環往復運動結構保證了3組腿能夠依次爬樓和支撐著地，使得爬樓機器人在運動過程中可始終保持平穩狀態。

4 結語

在不裝備電梯的老式建筑中，存在著不方便搬運物品上下樓的問題，需要爬樓機為人們提供便利，降低勞動強度，提高搬運效率。國內外對于爬樓機都有一定的研究，但是依然存在一些問題，需要設計開發一種成本低廉、功能合理、使用便捷的電動載物爬樓機。本次設計的爬樓機采用單電機驅動、曲柄搖桿機構的腿足式移動系統，通過各種獨特的機構設計，提高設備的安全性，可適用于平地和樓梯間。