基于曲柄摇杆机构的多足爬楼机器人设计

李瑞年 肖增文 陈 钢

（南京工程学院 机械工程学院，南京 210000）

随着经济的发展和城市化的深入，人们的生活质量不断提高。一些已经使用了一段时间的老房子存在无法安装电梯的情况，影响了人们的生活质量。为了减轻负重，爬楼机应运而生。目前，市场上的电动爬梯机械有轮式、履带式以及混合式等。这些爬楼机器人的主要问题在于使用者不能独立使用爬楼机器人完成上下楼功能，需要有人协助实现爬楼功能，无法满足家庭需要[1]。因此，研究设计一种可以由使用者独立完成上楼功能的机器尤为重要。近些年，快递行业飞速发展。在无电梯的小区，快递配送的“最后一公里”成为急需解决的问题。设计的多足爬楼机可以用作人们日常工作和生活中搬运重物的电动工具，还可用于协助快递员完成“最后一公里”的快递配送。它既可以平地行走，又可以做爬楼运动，解决了人们在没有电梯的建筑中搬运重物上下楼难的问题，具有结构简单、价格便宜等优点。

1 多足爬楼机器人的整体结构设计

基于曲柄摇杆机构的多足爬楼机器人简图，如图1所示。

多足爬楼机器人采用47.3 N·m的直流电机，可实现超过100 kg的承载质量。本机器人的长度超过800 mm，因此可轻松实现在300 mm以下的不同间距的楼梯间爬行。此外，它还可以实现在间歇平台的运动，且整个机器的重心低，腿部机构也可有效实现防滑功能。整体设计采用多足式结构，在机器后面有做交替运动的3组腿完成不间歇爬楼运动，具备安全性高、稳定性好以及效率高等优点。

2 多足爬楼机器人传动结构设计

为使多足爬楼机器人能够在保持低重量的基础上完成一定高度的楼梯攀爬，设计了使用曲柄摇杆机构的腿足式移动系统。为了能够更好地实现由单电机驱动整体爬升，需设计配合使用传动结构来完成3组机械腿能够一直保持旋转相位角相差120°的要求，保证安全稳定工作，同时使3组机械腿保持统一旋转方向与旋转速度[2]。传动结构俯视图如图2所示。

多足爬楼机器人的传动结构主要由6个齿轮构成。在传动结构中选择使用齿轮，能够保障传动的稳定性和传动可控性。6个齿轮的分布为：左侧1个为输入齿轮，与减速电机输出轴上输出齿轮啮合；其余5个齿轮在传动箱体中间，其中3个齿轮为3组机械腿的输出齿轮，剩下2个齿轮调整齿轮旋转方向，通过两两啮合使得3个输出齿轮的旋转方向相同，且这3个输出齿轮和2个调整齿轮的齿顶圆、齿根圆完全相同，保证了3组机械腿的旋转速度相同，使得3组机械腿能够始终保持120°的相位角，从而完成不间断的循环往复运动。

传动结构中齿轮与传动轴设计紧凑，上面的轴为曲柄轴传输动力，下面的轴为固定轴与摇杆连接，以保证多足爬楼机器人的重心低稳和3组腿互不干扰。

5个传动齿轮啮合与3组机械腿的曲柄轴和固定轴的设计位置，如图3所示。

3 多足爬楼机器人腿部结构设计

设计中选用腿足式移动机构来适应爬楼这一场合，如图4所示。通过设计独特的腿足式结构来增大爬楼时的受力，避免出现轮式和履带式移动系统的缺陷。当机械腿与楼梯表面接触时，如图4中箭头所示，整体受力方向向上，使得腿足式移动机构能够适应在不同倾斜角度的楼梯上运动。同时，为避免打滑，在机械腿足部加上橡胶足套，使爬楼机器人获得更多的摩擦力和支持力[3]。

所有机械腿都成对出现，可最大限度使得爬楼机器人整体处于稳定状态。多足爬楼机由3组腿构成，如图5和图6所示。3组腿分别通过传动轴固定，且每组腿在运动过程中相位角相差120°，即在运动过程中，前一组腿传动轴在转动时相位角会先于后一组腿的传动轴旋转120°。3组腿的运动：第1组腿抬起，第2组腿着地支撑并预备抬起，第3组腿着地支撑；第1组腿抬升至一定高度后，第2组腿抬起，第3组腿着地支撑；第1组腿接触楼梯表面着地支撑后，第2组腿继续抬升，第3组腿抬升，以此类推，3组腿依次抬起和着地。这种独特设计的循环往复运动结构保证了3组腿能够依次爬楼和支撑着地，使得爬楼机器人在运动过程中可始终保持平稳状态。

4 结语

在不装备电梯的老式建筑中，存在着不方便搬运物品上下楼的问题，需要爬楼机为人们提供便利，降低劳动强度，提高搬运效率。国内外对于爬楼机都有一定的研究，但是依然存在一些问题，需要设计开发一种成本低廉、功能合理、使用便捷的电动载物爬楼机。本次设计的爬楼机采用单电机驱动、曲柄摇杆机构的腿足式移动系统，通过各种独特的机构设计，提高设备的安全性，可适用于平地和楼梯间。