智能交替爬楼机器人

第二十六届“冯如杯”学生创意大赛论文简化仿生智能交替式爬楼机器人北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品1摘要楼梯，是古人用来上高处的巧妙的工具之一，却也是人造环境中最常见的障碍，成为了现代移动机器人在移动和运输过程中最难跨越的障碍之一。目前国内外现有的爬楼梯的装置和各种各式专利，可按照爬楼梯的功能实现的原理分为轮组式、履带式、轮腿式等。本论文主要针对爬楼机器人的结构提出了一种新的设计方面的创意，设计了一款简化腿轮交替式爬楼运输电动机器人。采用双腿交替式机构实现爬越障碍，采用多电机驱动实现旋转与伸缩要求，采用车轮与机械腿交替实现既可在平地行走也可跨越障碍的多功能要求。腿轮式交替系统能适应不断变化的地面特性，能攀越楼梯等复杂障碍，具有极强的机动性、灵活性和地面适应性。爬升装置是爬楼机器人的关键，在深入研究爬楼运输机器人的工作原理基础上，充分考虑爬楼运输机器人爬升装置的结构和尺寸以及爬升功率、安全性等要求，在爬升装置设计的同时还对机器人行走环节进行了创新设计。增加红外测距传感器增强环境适应性；腿与框架螺栓联接，便于拆卸存放；结构设计合理，体积小，质量轻，便于市场推广。可适用于各种工厂、住宅楼的货物搬运。关键词：爬楼机器人，轮腿交替式，越障，货物搬运Keywords:climbing-stairsrobot,roundlegsalternating,obstaclecrossing，fright北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品2目录摘要...............................................................................................................1一、引言.......................................................................................................31.创意背景.....................................................................................................32.国内研究现状.............................................................................................33.国外研究现状.............................................................................................4二、核心创意..............................................................................................51.运动构型.....................................................................................................52.转向机构.....................................................................................................63.升降装置.....................................................................................................7三、可行性分析..........................................................................................81.总体结构分析.............................................................................................82．相关技术分析...........................................................................................81）环境结构分析........................................................................................................82）驱动系统分析........................................................................................................93）电机构型选择......................................................................................................104）控制系统..............................................................................................................115）运动分析..............................................................................................................12四、创意的应用前景................................................................................14结论.............................................................................................................14参考文献.....................................................................................................15北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品3一、引言1.创意背景机器人作为自动控制的机械中的高级机器，与其他机器所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，例如规划能力、感知能力、动作能力和协同能力，并具有高度灵活性。对不同任务和特殊环境的有一定的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重大区别。近年来，机器人研究中的热点之一是非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术。但是，非结构环境由于其复杂性，给移动机器人的运动造成了智能决策和路径规划等方面的困难。越障机器人可用于工业中的一些危险困难的作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且能保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本。并且，越障机器人的研究能扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业。其中，当移动机器人从事各项任务和响应事务的时候，楼梯，是人造各种环境之中的最常遇的障碍、同时也是最难跨越的障碍之一。2.国内研究现状国内发展较晚，主要有星轮式、有轮组式、有摆臂式、还有军用爬楼机器人的创意设计等等，但都未付诸生产。下图1为长春工业大学与空军航空大学合作设计的星轮式结构，操作简单，稳定性好，重心波动范围小，缺点是体积过大，对地面适应能力差。下图2为东华大学设计的全方位自主机器人。北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品4图1图23.国外研究现状国外主要研究基于履带式的爬楼机器人，其原理简单，技术也比较成熟。英国baronmead公司使用的一种履带传功结构，可爬楼梯的最大坡度为350，上下楼梯速度为每分钟15—20个台阶。如图3所示。法国topchair生产的电动爬楼楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况平地运行使用，当遇到特殊地形的时候，可收起车轮，将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，自动完成爬楼。优点是传动效率高，重心波动小，运动非常平稳，使用地形范围广。但也有不足：重量大，运动不够灵活，对楼梯有损坏，平地使用阻力大，转弯不方便。如图4所示。北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品5图3图4通过对国外、国内各种类型装置分别分析其各自优缺点，可以得出结论：国外虽然在爬楼梯装置方面的研究已有一百多年的历史，成果也十分丰硕，但是它们大多结构十分复杂、造价颇为昂贵，远远超出了我国人民的经济承受能力；而国内的研究相对较晚，虽然也诞生了一些专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性等重要因素的限制，还没有产品能够真正的投入使用。由此可见，为了解决移动机器人使用限制的这个问题，同时考虑到我国经济承受能力，就需要研究一种价格略为低廉、功能比较多样的一种爬楼梯装置。针对现有种类的机器人的功能单一化的问题，本文所涉及的内容即为简化智能交替式爬楼机器人设计理念、相关功能的延展与开发的全部内容。通过直线单元机构、转动机构、交替垂直运动机构在各种电控配件的合理控制下实现当今爬楼机器人难以解决的问题，最大限度的解决各种复杂的环境所面临的问题。二、核心创意1.运动构型轮式移动机构具有重量轻、结构简单、高速高效等优点,但其适应能力有所不足。而相比之下,传统两腿式机器人多为简单的双腿交替式，优点是原理简单，易于设计，操作方便，适应能力强，越障效果显著，但是在平地行走重心不平稳，速度缓慢，使用范围小。轮腿交替式便可克服这些缺点，在平地上用轮滑行，越障时变形为双腿式，实现多功能化。如图5为简化模型，整个设计实为圆柱模型。上部分为旋转机构，下部分为腿轮交替式结构，最上面的载物台没有画出。机器人在平地由四轮驱动，当检测到障碍时便自动停下，各机构配合执行旋转、平移、伸缩等一系列由自动控制进行的动作。北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品6图52.转向机构由电机带动转向，可实现原地零半径转向。与此同时，创新点便在于此转向机构还承载着一项任务：将重心向左移动。然后相对应的另一支机械腿收缩，并旋转到上一级阶梯上方，载物台再将重心前移（即右移）。之后右腿先拉升，再将左腿旋转，回到初始状态。整套动作为一个完整循环。如图6所示。由于机器人部件尺寸一定，而楼梯的大小却不一定，由此应设计可调式尺寸。北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品7图63.升降装置伸缩器由多电机带动齿轮，再由螺杆传动方式达到目的。在不同情况由单片机根据测得数据与地面指控信息来得出结果，控制不同电机，带动相应的伸缩腿伸缩，进行一系列的爬升、越障、变换、交替等动作。腿的结构主要是螺杆和攻有内螺纹的齿轮以及轴承、螺杆套组成的螺旋传动结构。螺旋传动，是目前最重要的机械传动方式之一。利用螺杆以及螺母组成的螺旋副是实现传动要求十分有效的一个方法。这个结构的主要作用是可以把旋转转运动经过传动化为直线运动，可同时将运动和力一起传递。螺旋传动有三种类型,具体来说有:滚动螺旋传动，滑动螺旋传动以及精密螺旋传动。这三种传动均有优缺点,但是相对来说,滑动螺旋传动应用是最为广泛的,因为它结构非常简单、加工十分方便、价格也很低廉。如图7所示。北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品8图7三、可行性分析1.总体结构分析爬楼机器人主要由封闭机身，爬升装置，转向器，运载台四个部分组成，通过各种比较拟采用电机驱动，在转向器及伸缩器