一种爬梯机械人的设计
图3.7 轮组结构爬楼示意
轮组结构的最大 r 值[23]可通过 a 和 b 得到，如图3.8所示。
rmaxa2?b2? （3.3）
2取b=bmin，a=amin，得到rmax=130.4mm。
根据R以及r的范围,取恰当的值，可得到轮组结构转臂宽2tmax，如图3.9所示。
tmax22amin??2r?amin?2R2?amin （3.4） ?2R
图3.8 轮组结构rmax示意
图3.9轮组结构tmax示意
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一种爬梯机械人的设计
综合上述条件公式(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)，可得到轮组结构的主要参数（R，r以及 t）,所设计出来的轮组是以最小楼梯为基础，并满足最高楼梯尺寸的要求，当在更宽尺寸楼梯行驶时，一次翻滚发生滑移便接着进行二次翻滚爬行，所以能够自动适应各种规格的楼梯，具有强适应性。
（2）机器人零件组成及设计
机器人结构中，轮组单元包括3套模数相同的直齿圆柱齿轮（为减轻重量，可考虑采用密度较小的材料）、橡胶轮、轮辐板等；中间主车架部分包括直流电机、蜗轮、蜗杆、锥齿轮、齿轮齿条和各类控制卡板等。 3.3爬楼机器人小车三维实体建模 3.3.1 Pro/E软件介绍
本课题研究的爬楼机器人结构复杂，本文选用三维设计软件Pro/E 5.0对机器人进行三维建模，验证各项设计的合理性。
Pro/E 5.0是由美国参数技术公司（PTC公司）开发的一款三维CAD参数化设计软件。美国参数技术公司（PTC公司）1985年成立。1989年上市即引起机械CAD/CAM/CAE界的极大振动，其销售额及净利润连续45个季度递增，现成为CAID/CAD/CAE/CAM/PDM领域最具代表性的软件公司。
目前在我国普遍使用的三维CAD软件有Pro/E、SolidWorks、SolidEdge、UG等。而是Pro/E公认的易学、易用、界面友好、操作过程直观、简单、功能强大的三维设计软件。具体说Pro/E软件的主要有以下特点：（1）、菜单少，使用直观、简单，界面友好；（2）数据转换接口丰富，转换成功率高；（3）、独特的配置功能；（4）、曲面设计工具。 3.3.2三维实体建模
三维实体造型是验证各项设计的基础，本设计运用Pro/E软件建立三维示意模型，装配完成的机器人三维模型如图3.10所示。
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一种爬梯机械人的设计
图3.10 Pro/E中完成装配的爬楼机器人模型
3.4 爬楼机器人小车行驶性能分析
我们的机器人小车不属于严格的越野车辆，例如其可靠性准则、经济性准则不像一般的越野车辆那样必须考虑周全。下面我们来阐明车轮组机器人的越障通过性指标以及其爬楼时稳定性分析。 3.4.1可跨越最大垂直障碍高度
爬楼机器人小车除具有强劲的爬楼能力外，当然也具备一定的越障能力，下面我们分析一下车轮组的越障能力，如图3.11。
图3.11 车轮组机构尺寸关系图
图中：a-障碍物高度；b-障碍物宽度；r-车轮组小车轮半径；R-为车轮组中心轴到小车轮圆心的距离；
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一种爬梯机械人的设计
车轮组要攀爬上障碍物，必须满足以下关系：
a?3R2?r2 （3.5）
为保证越障时，障碍物不致卡死于两车轮之间，并且越障后的前轮能与障碍物可靠接触，障碍物的宽度[21]要满足如下要求：
?r?b?2?a2?3R2
即： b?2R2?a2?r （3.6） 我们确定了机器人车体及车轮组的各个几何尺寸以后，由式(5.1)就可以确定机器人轮组的最大越障高度amax；且由式(3.6)计算可得机器人轮组越障宽度要求bmax。
通过在机器人车体上安装的红外测距传感，或功能更强的CCD摄像头识别系统，检测出障碍物的三维位置、大小、形状及动作等特征，如果障碍物的高度超amax或宽度没达到 bmax，则机器人执行避障绕行的规划。 3.4.2最小转弯半径
最小转弯半径在很大程度上表征了车辆绕开不可逾越的障碍物和在最小空间内回转的能力，因而它对越障性有很大影响。由前面我们对本机器人小车模型的分析，小车能实现直线前进、圆弧前进这二组基本的运动，可以实现任意曲线的行走。如图3.12，由三维实体模型可知，后轮组摆杆的摆动角度为±60°，轴距L为800mm，因此，易算得机器人车体的最小转弯半径R=1600mm。
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