一种爬楼机器人

一种爬梯机械人的设计摘要在日常生活和生产中经常要将重物搬上楼梯，传统的方法基本是靠人力搬运完成，有时由于重物太重或人手不足而无法搬运，本课题就是为克服这个难题而设计的。本论文主要对爬楼机器人星型轮的传动机构及控制系统进行详细设计。首先介绍了国内外爬楼机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍了本爬楼机器人总体结构。在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上，设计了相对优势较明显的轮组结构爬楼机器人。对机器人小车的运动学模型进行分析，论证小车实现任意曲线运动所包含的自转、直线前进、圆弧前进三个基本运动单元的可行性。引入虚拟样机技术，通过Pro/Engineer三维建模并进行模拟运动仿真。文章最后研究设计了在各种环境下，以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。在控制系统中，采用超声波传感器的对称排列，获取了自主上楼梯所必须地两个关键参数和 q；对驱动大功率电机的电路进行分析，设计了更适合大功率，更安全的电机驱动电路，直流马达配合高功率MOSFET型驱动器。 关键词：爬楼机器人；三星轮； MOSFET驱动电路；单片机 C8051F310 / 53AbstractMoving weight from up and down is required in our daily activities and productivities, and it was done by hand. While it is too heavy or short handed to finished in some times. This thesis is designed to overcome the obstacles and it gives a detailed designing on transmission device and control system of star-like wheel of stair-climbing robot. Firstly ,it introduced a current situation of stair-climbing robot at home and abroad, clarified the purposes and meanings, introduced a overall structure of stair-climbing robot. After deeply analysis the stair-climbing frame and the object, designed a wheelsets stair-climbing robot with more advantages than others . Analyzed the kinematics model of the robot car,and demonstrate the available of achieving any curve movement with the rotation, straight forward, and arc forward . Robot can achieve track controlling based on speed matching. With the aid of virtual prototyping technology, through the 3D software of Solid Works, the dynamic analysis of the stair-climbing robot is carried out in ADAMS. At last, the thesis design the controller system with the core of C8051F310 based on rule environment ，In the control system, with the help of arranged ultrasonic sensors, get the two key parameters and q which import for climbing staircase Analyzed the circuit of high-power motor driving, design a more suitable circuit than IC L298N.Which is dc generator with highly efficient driving MOSFET.Key words：Stair-climbing robot；Threestar wheels；MOSFET driving circuit；Single chip microcomputer C8051F310目录摘要IAbstractII第一章 引言11.1 课题研究的目的和意义11.2 移动机器人的发展概况11.3 爬楼梯机器人目前的研究状况41.4 论文研究的主要内容6第二章 爬楼机器人的总体设计82.1 爬楼机器人的设计要求82.2 爬楼机器人的总体方案8第三章 爬楼机器人传动、轮组及转向机构设计113.1爬楼梯机器人小车的执行电机选择113.1.1技术指标113.1.2电机选型113.2爬楼机器人的机构设计133.2.1 机器人小车传动机构设计133.2.2传动部件的设计与校核153.2.3爬楼机器人转向机构设计193.2.4机器人小车结构设计203.3爬楼机器人小车三维实体建模223.3.1 Pro/E软件介绍223.3.2三维实体建模223.4 爬楼机器人小车行驶性能分析233.4.1可跨越最大垂直障碍高度233.4.2最小转弯半径24第四章 爬楼机器人控制系统设计264.1 机器人爬楼梯的控制目标264.2 机器人的体系结构及系统组成264.3控制系统主要硬件的选择284.3.1单片机的选型284.3.2传感器的选择294.4机器人控制系统的程序编制31第五章 总结与展望385.1全文总结385.2展望38致 谢III参考文献IV第一章 引言自盘古开天辟地，人类诞生以来，人们就一直用智慧开辟着完美的生活！进入新的 21世纪，人类除了致力于自身的发展外，还十分关注机器人、外星人和克隆人等问题。机器人正是本论文研究的对象。 “机器人”这人名词对许多人来说，并不陌生。从古代的神话传说，到现代的科学幻想小说，戏剧，电影和电视，都有许多关于机器人的精彩描绘。而且越来越多的机器人出现在我们的生活生产中，更多科学工作者和业余爱好者也投入到机器人研究的行列当中来 。机器人应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域。在“机器人王国”日本，一直拥有全世界 60%左右的机器人，工业机器人应用于最多的工业部部门依次为家用电器制造、汽车制造、塑料成型、通用机械制造和金属加工等工业，而且正应用于更多的新领域中。据统计，目前全世界服役机器人约100万台；机器人学也维持较好的发展势头，充满希望的进入这崭新的世纪。1.1 课题研究的目的和意义 本文讨论的移动机器人是具有越障功能，能够灵巧翻越楼梯的一种光机电一体化的智能装置。用作搬运的自主移动机器人，要求能随工作任务和环境的改变，智能地重规划行驶路径，并要求能快速适应工作环境。要达到这种水平，当前还有很多问题需要深入的研究，而其中的机器人楼梯环境顺利翻爬问题是较为重要的一个研究课题。 越障机器人的研究，对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，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，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，有着十分重要的意义。楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一，爬楼梯机器人的研究是解决当前全自主机器人在非结构环境下正常工作的重要环节之一。爬楼梯机器人可应用于危险环境探查、侦察、救灾、导盲、助残、搬运、清扫、维修、安装等作业，其实际意义重大。 1.2 移动机器人的发展概况 机器人一词最早使用是在 1920 年捷克作家卡雷尔查培克的剧本罗萨姆的万能机器人中，剧中机器人(Robot)这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。 机器人一词虽出现得较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是机器人技术研究者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点或具有模拟动物特征的机器人雏形。 西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的具备有机器人概念的文字资料。春秋后期，我国著名的木匠鲁班在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”，体现了我国劳动人民的聪明才智。 1954 年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于 1961年发表了该机器人专利。1962 年，美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate 在美国通用汽车公司（GM）投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人开始成为人类生活中的现实。 要给机器人下个合适的和为人们普遍同意的定义是困难的。就目前各种定义的共同之处来说，即认为机器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作；（2）具有智力或感觉与识别能力；（3）是人造的机器或机械电子装置。“智能机器人”是一种集数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、能源、计算机硬件、软件、人工智能等众多领域的科学与技术知识于一身的综合技术平台。机器人技术的迅速发展，已对许多国家的工业生产、太空和海洋探索、以及整个国民经济和人民生活产生了重大影响，而且这种影响必将进一步扩大 。目前在工业上运行的 90%以上的机器人，都不具有智能。随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提出更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。这些智能机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动；有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；有的具有自主控制和决策能力这些智能机器人，不仅应用各种反馈传感器，而且还运用人工智能中各种学习、推理和决策技术。智能机器人还应用许多最新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等4。21 世纪的机器人智能水平，将提高到更高的水平，令人赞叹。 自从20世纪60年代初，第一台工业机器人发明以来，机器人的发展已有半个多世纪，机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有的领域。机器人大致经过三代的演变：第一代是可编程的示教再现型机器人；第二代是具有一定感觉功能和自适应能力的离线编程机器人；第三代机器人是智能机器人。机器人正在向智能化的趋势发展，智能化的机器系统将从事目前传统机器系统和人工难以胜任的恶劣环境下的一些操作。 移动机器人是机器人学中的一个重要分支，是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在非结构环境下，动态决策与规划、行为控制与执行等多项功能于一体的高智能化机器系统。它与机器人学、计算机视觉、多传感器信息融合、智能控制以及多智能体（Multi-Agent）、机械学等学科密切相关，体现了信息科学和人工智能技术的最新成果，具有重要的军用及民用价值，是现代机器人学中一个重要而且相当活跃的研究领域。 移动机器人的研究早在上世纪60年代就已经开始，斯坦福研究院（SRI）的 Nils Nilssen和Charles Roson等人，在1962至1972年制造出了取名为Shakey的自主移动机器人。从上世纪80年代开始，美国国防高级研究计划局（DARPA）就制定了地面无人作战平台的战略计划，从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如 DARPA 的自主地面车辆（ALV）计划（19831990），能源部制订的为期 10 年的机器人和智能系统计划（RIPS）（19861995），以及后来的空间机器人计划；日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划等。 自上世纪 90 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。美国MIT人工智能实验室开发的一个人形机器人Cog，使用一套传感系统来模拟人的感官。美国佐治亚理工大学的Nomad 150机器人利用激光传感器构建3-D坐标和地图。美国卡耐基梅隆大学的BookStore 计划完全采用了视觉作为导航，实现了基于图像表现的视觉定位和导航。美国 NASA 研制的火星探测机器人“索杰娜”于1997年登上火星，2004 年初美国又相继发射了“勇气号”和“机遇号”火星车，引起了全世界的广泛关注。德国慕尼黑国防大学的移动机器人，能够在整幢大楼中进行自主定位和导航，并可以和人类进行多语言交流，完成由人用语言布置的任务。 国内在移动机器人方面的研究起步较晚，主要的研究工作有：清华大学的 THMR-V 自动驾驶小车，香港城市大学的自动导航车和服务机器人，中国科学院沈阳自动化研究所的 AGV和防爆机器人，中国科学院自动化所自行设计和制造的 CASIA-I 全方位移动机器人视觉导航系统等。 近几年，通过足球机器人比赛的广泛开展，移动机器人作为其中的 RoboCup 中型组全自主机器人，在国内高校和科研院所的积极参与下取得了巨大的进展。目前以上海交通大学的“蛟龙”系列，中科院自动化研究所，深圳固高公司和上海广茂达公司的移动机器人发展较为迅速。 移动机器人在研究和开发过程中所涉及的研究领域很广，包括智能机器人系统、专家系统、多智能体系统、智能体结构设计、图像处理（image-processing）、传感器数据融合（sensor data fusion）、决策对策、进化算法等89。该研究可以催生成熟的一系列高新技术，将为社会经济和文化的发展提供重要手段。 1.3 爬楼梯机器人目前的研究状况 机器人作为一种自动化的机器，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，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一。但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难。 越障机器人的研究，对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，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，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，有着十分重要的意义。其中，移动机器人从事各项事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。针对各种不同的运动环境，一直以来移动机器人所采用的运动方式大体包括轮式、履带式、足式等。 国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是 1892 年美国的 Bray 发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。 总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。下面分别对国外、国内各种类型装置的发展作简要介绍，并分析其各自优缺点。 (1)步行式 早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。 步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。(2)履带式 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。英国 Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为 35，上下楼梯速度为每分钟 15-20 个台阶。法国 Topchair 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。 履带式结构传动效率比较高16，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。 (3)轮组式 轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定6；而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。美国著名发明家 Dean Kamen 发明的了一种能自动调节重心的两轮组式轮椅 iBOT。它有 6 个轮子，前面有一对实心脚轮，后面有两对行星结构的充气轮胎，通过两后轮交替翻转可以上下楼梯。iBOT 几乎能适用于所有楼梯，此外它也能在沙滩、斜坡和崎岖的路面上行驶，而且后轮可以直立行走，为使用者提供了更多方便之处，帮助他们能达到正常人的高度。它最大的优点就是在轮椅重心安装了陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号调整重心的位置，使轮椅能在不同状态下保持平衡。经过数十年的研究开发，它己经由 iBOT3000 发展到了 iBOT4000，功能也越来越强大，是目前该领域中性能最高的产品，它的售价在 3 万美元左右，相当于一辆中档桥车的价格，难以被普通使用者接受。 我国在上世纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究，1987年专利号为 86210653 的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。 轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大1213，很难在普通住宅楼梯上使用。 (4)复合类机器人 基于履带式、轮式、腿式移动机器人的优缺点9，在研究中，采用了腿-履复合和轮-腿-履带复合等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。机器人摆臂在一定范围可上下摆动，辅助越障、攀爬，具有较强的越障性能、路面通过性和上下台阶能力。 但是各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。 综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动机器人使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。1.4 论文研究的主要内容本课题以开发具备初步爬楼梯能力的机器人小车为目的，重点研究设计符合中国国情爬楼梯的轮组结构，并设计基于单片机的底层驱动控制系统。本文所从事的工作主要有以下几点:1.为提高机器人爬楼梯能力，综合分析国内外现有装置，结合我国建筑楼梯模数协调标准，设计通用性强、上下楼梯动作流畅、容易控制的车轮组机构。四个轮组代替通用四轮车的轮子，驱动小车轮与驱动轮组翻滚的电机相互独立。2.调查市场上现有类似机构的设计方法和工作原理，通过查阅图书馆的电子资源和相关的教材，确定单片机、齿轮传动、距离感应器、直流马达等零部件后，对3轮的星型齿轮的传动机构进行详细设计，并利用PRO/E设计出爬梯机器人的机械图。3.初步建立以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。分析本机器人的控制原理并利用C语言编写控制程序。在结构环境下，采用超声波传感器解决自主上楼梯过程所必须地两个关键参数和 q。4.分析上述所有零部件及电子元件的选型原理并用数学计算验证，完成设计说明书撰写。第二章 爬楼机器人的总体设计2.1 爬楼机器人的设计要求比较现有爬楼梯装置，综合分析其各自优缺点。见下表 2.1 所示。表 2.1 典型移动机构的性能对比表移动机构方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好机构复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂经分析，设计的爬楼梯装置要解决的几个基本问题1415：(1)爬楼梯装置在爬楼梯过程中的稳定性是影响其实用安全性的重要指标；(2)使用安全性；(3)对于多功能爬楼梯装置，如何实现平地模式与爬楼模式之间的平滑切换也是重要的问题。其次，爬楼机器人还要满足以下几个基本要求：(1) 我国建筑楼梯模数协调标准规定17：楼梯踏步高度a不宜大于 210mm，并不宜小于 140mm；楼梯踏步宽度b ，应采用 220、240、260、280、300、320mm；楼梯踏步高与宽的关系式：2a + b600（a-踏步高，b-踏步宽）。机器人要适应规定的尺寸范围，能够顺利的上下楼梯，即强调它的强适应性。 (2) 爬楼机器人的动力系统的参数要符合，国标GB1299691电动轮椅车的主要技术性能28标准。2.2 爬楼机器人的总体方案经综合分析，本课题确定采用爬楼梯优势较强的轮式机构。爬楼机器人要求具有在平面行驶和爬楼梯的功能（楼梯规格：140a210，220b320），当然也具备转向避障和良好的行走线性轨迹。本论文设计的轮组式爬楼机器人的整体结构由三部分组成，包括位于机器人中间部位由四个轮组21驱动的主车架、轮组机构、载台及弧形车身。图 2.1 给出了机器人三维虚拟样机的示意图。机器人车轮的传动部分位于车体的底盘，地盘上边的空白部分则用于配置所需控制电路以及导航所需的传感器等。由于爬楼机器人的特殊要求本设计采用前轮驱动后轮转向设计。车体两侧的轮组皆具有两个旋转自由度，即小车轮的旋转和轮辐的旋转运动。中间两个电机具有自锁功能，采用大减速比的蜗轮蜗杆减速系统，与前轮小轴相连驱动车轮，实现机器人前进、后退和越障。遇楼梯时锁轴器将后轮小轴与管轴锁紧，最后通过管轴驱动轮辐，实现机器人的爬楼动作。后车身一个小功率电机通过大减速比的蜗轮蜗杆减速系统后再通过齿轮齿条的连接驱动车后轮左右摆动，实现左右转弯动作。25413图 2.1 爬楼机器人结构示意图1三星轮组；2电机；3主车架；4齿轮；5小车轮图2.2 主车架内部传动及转向结构布局1驱动电机；2蜗杆；3蜗轮；4锥齿轮；5锁轴器；6 转向齿轮齿条；7转向电机该种结构的优点有: (l)、平顺的行驶能力。机器人小车在平地行驶时，由于其结构上的特点，任意时刻都有两个小车轮接地，利用轮组的定轴轮系传递动力，使小车轮快速的前进，其效率与普通轮式驱动车辆相同。当遇到可跨越的障碍时，轮组演变成形星轮系翻滚前进。(2)、可靠的上下楼梯能力。机器人小车上下楼梯时，锁轴器工作将小轴和管轴锁紧，使电机驱动轮组翻滚时，轮组中心齿轮不转动。这使得在上下楼梯过程中，小车轮不会发生滚动，使得运动方位的控制得到精确的保证。这一优点对小车下楼梯控制尤其重要。(3)、机器人车体的转弯容易实现。通过传感器检测出障碍物超过越障范围时，机器人需要采取转弯避障的措施。本设计采用小功率电机通过大减速比的蜗轮蜗杆减速系统后再通过齿轮齿条的连接驱动车后轮左右摆动，可使小车轻松实现左右转弯动作，小车所需的转弯半径可小于车身宽度，具有更好的机动性能。(4)、机器人结构简单。其姿态的控制相对简单，只需一个电机就能完成驱动功能。第三章 爬楼机器人传动、轮组及转向机构设计3.1爬楼梯机器人小车的执行电机选择3.1.1技术指标根据平地或爬楼等不同状况下的实际需要，以国标GB1299691电动轮椅车为标准，确定动力系统的参数。国标中对电动轮椅车的主要技术性能26规定如表3.2所示。参考表3.2，以及本装置特点（小车轮比一般车车轮都要小一个规格，速度快，其功率也将提高很多），确定本装置的技术指标如下:最大载重为20kg,平地时最大运行速度为1.5km/h，最大爬楼速度为每分钟16个台阶。装置携带24V蓄电池自主供电，电池容量为12安时(一次行程2035km)。表3.2 电动轮椅国家标准项目内容性能指标室内型室外型道路型速度（km/h）4.56.018爬坡能力886一次充电最大行程（km）1020453.1.2电机选型1、电机类型选择多功能爬楼梯装置的驱动机构电机是整个系统的核心，它在一定程度上决定了装置使用的安全性、可靠性。平地驱动采用两个小功率电机驱动，爬楼动作由另两个大功率电机驱动。整个系统以蓄电池作为供电能源，可供选择的电机有步进电机、直流电机和无刷直流电机14。(l)步进电机步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，能够快速起动与停止。它通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制，控制系统结构简单，维修方便。但是步进电机能耗太大，速度也不高，且存在一个固有缺点，即在低速转动时振动和噪声大，不利于整个装置的稳定。(2)直流电机直流电机具有良好的起动、制动和调速特性，具有很宽的调速范围，且易于平滑调节。它具有控制特性好、响应速度快等优点，满足装置对突发情况做出反应的灵敏性要求；而且低速时平稳性好，满足了装置在爬楼运动时低速稳定性的要求;起动转矩大、过载能力强，可以满足装置爬坡、翻越台阶的性能要求。但是传统的直流电机均采用换相器和电刷以机械方法进行换相，因而存在相对的机械摩擦，由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题，需要经常维护。(3)无刷直流电机针对传统直流电机的上述弊病，无刷直流电机采用电子换相电路取代了机械换相装置，不仅继承了直流电机的优点，且具有无噪音、免维护、可靠性高的优越特性。因此我们选用无刷直流电机作为装置的驱动电机，前轮驱动和后轮转向各采用两个普通的无刷直流电机驱动。2、电机型号选择由上可知，本设计采用普通无刷直流电机作为动力源,机器人最大载重为20KG，平地最大速度为1.5km/h，车体及电池重量大约为15KG。（1） 驱动电机选型功率计算：根据以上计算及各个参数，本设计选择济南科亚电子科技有限公司生产的ZW57BL90-230型直流无刷电机作为驱动电机，ZW57BL90-230型直流无刷电机参数如表3.3所示。表3.3 ZW57BL90-230型直流无刷电机参数型号额定功率额定电压最大转矩ZW57BL90-230180W24V2Nm（2） 转向电机选型 转向电机只负责车体转向故不需太大的功率，因此本设计选择济南科亚电子科技有限公司生产的ZW57BL52-225型直流无刷电机作为转向电机，ZW57BL52-225型直流无刷电机参数如表3.4所示。表3.4 ZW57BL52-225型直流无刷电机参数型号额定功率额定电压最大转矩ZW57BL52-22545W24V0.5Nm3.2爬楼机器人的机构设计通过总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，并结合爬楼机器人的自身的动力传输要求，本设计采用前轮驱动后轮转向的设计思路，运用蜗轮蜗杆减速机构将动力从电动机传输到车轮，下面本文就从动力的传输路径来对各机构的设计做详细介绍。3.2.1 机器人小车传动机构设计机器人中间主体前半部分用来布置驱前轮轮组运行的传动结构，其传动过程：首先由电机（FW1）提供驱动力，带动蜗杆驱动蜗轮转动，蜗轮与锥齿轮同轴相连，锥齿轮通过啮合将动力传递到前小轴，驱动轮组中心齿轮转动；在上楼梯时，锁轴器工作将小轴和管轴锁紧，小车轮不再转动以防止小车轮滑移，动力通过管轴传递到三星轮，驱动其转动。机器人主体传动结构布局如图3.5所示。（1）蜗轮蜗杆减速系统爬楼机器人不管是在平地行驶还是在爬楼的过程中都要求车身平稳，要满足这个要求就必须使爬楼机器人以较慢的速度行驶。蜗轮、蜗杆起到两级减速作用，具有较大的减速比，能够将电动机端的高速转换成前车轴端的低速，并具有自锁功能，给两侧小车轮提供足够的保持力矩，在主体内部电机掉电的情况下，两侧车轮组保持原姿态而不会出现滑移现象；如图3.1、图3.2所示。 图3.1 涡轮减速系统示意图1 图3.2 涡轮减速系统示意图2（2）动力传输转向系统如图3.1、图3.2所示，采用锥齿轮啮合，用来改变传动方向，同时避免了小车轴的轴向串动。（3）轮组系统由于爬楼和转向的功能要求不一样，因此本设计前后轮采用不同的轮组来适应相应的功能实现。如图3.3所示，前轮轮组采用行星轮式结构，包括传动轴1、管轴2、旋转臂 3、中心齿轮4、过渡齿轮5、驱动齿轮6、轮毂7和小车轮8。传动轴一端与中心齿轮配合，通过轴承空套在转臂 3 上，传动轴上有锥齿轮与之配合，并通过轴承空套在主车架上；传动轴二一端通过螺栓与转臂3固连，另一端与锁轴器固连，并通过轴承空套的主车架上；传动轴与管轴通过轴承相互空套；过渡齿轮5，驱动齿轮6各自通过轴承空套在转臂3和轮毂7上；小车轮8通过螺栓与驱动齿轮6固连，三个小车轮的中心轴线呈等角分布。58476321图3.3 前轮轮组机构示意图1传动轴；2管轴；3旋转臂；4中心轮；5过渡轮；6驱动轮；7轮毂；8小车轮由于转臂3，过渡齿轮5，驱动齿轮6（包括小车轮8）都是空套在相应的轴上，因此驱动轮系包含三个结构完全相同的差动轮系，这三个差动轮系共用中心轮和行星架，并且沿周向对称分布，增设过渡齿轮5，可以保证同时着地的两个小车轮8具有和中心齿轮4相同的旋向，朝同一方向滚动前进。前轮轮组的机械原理：车体重量通过轴承间接承载在四个轮组上，轮组中的所有齿轮都绕转臂上的小轴转动，当电机动力传到传动轴时，轴带动中心齿轮4转动，中心齿轮带动过渡齿轮5转动，再传给驱动齿轮6，由于小车轮与驱动齿轮固连，机器人前进。当车轮组机构运行在平直的路面上时，受两个车轮同时着地的约束限制，转臂 3不能转动只能随车沿路面平动，此时驱动轮系为定轴轮系，实现机构在平直面上的平稳行驶；当前进的车轮碰上高障碍（如楼梯）而停止不动时，驱动轮系就演变成行星轮系，转臂3带着另外3个车轮绕中心齿轮的轴线回转，实现翻越障碍（即爬楼梯）的目的。如图3.4所示，后轮轮组也是采用3轮的星型结构，包括摆杆1、轮毂2、小车轮3。摆杆1下端通过轴承空套在转向齿条的一端，上端通过轴承与主车架相连，左端通过轴承空套在轮毂上；小车轮通过轴承空套在轮毂上。321图3.4 后轮轮组示意图1摆杆；2轮毂；3小车轮与前轮轮组不同的是后轮轮组不需要驱动小车只需要负责小车的转向，所以它不需要行星齿轮组传动机构。后轮轮组的两层小车轮通过螺栓固连在一起，保证车体转向的轻松实现。3.2.2传动部件的设计与校核1、轴的设计与校核（1）驱动轴的设计选择轴的材料前文已确定机器人小车的速度为1.5KM/h，速度很低，固选用45#钢调质，由机械设计查得屈服强度极限、许用弯曲应力、硬度220HB，。确定轴上的功率P、转速n、和转矩T。由前文知：式中r为车轮半径为0.2m，因行星轮系中的齿轮大小相等，所以转速相同。式中为锥齿轮传动效率，查机械设计书得=0.9。轴的结构设计1）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足轴承的轴向定位，1-2轴段右端、5-6轴段左端需制出一轴肩看，故取2-3轴段的直径；为了满足传动带轮和磁轮的的轴向定位要求， 2-3轴段右端需制出一个的轴肩；。各段长度分别为：轴结构如图3.14所示，图3.5 驱动导轮轴结构图2)确定轴上圆角和倒角尺寸各轴肩圆角半径均取，倒角均取为。3)齿轮与轴的周向定位采用平键联接。按d2-3=d4-5=10mm查手册(GB/T1096-1990)得平键,键槽半径取R=b/2=1mm,键槽用键槽铣刀加工，同时为了保证磁轮套与轴配合有良好的对中性，故选择磁轮套轮毂与轴的配合为H7/n6；滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选 轴的直径尺寸公差为m6。5.求轴上的载荷首先根据轴的结构图（图3.5），做出轴的计算简图（图3.6（a）。在确定轴承的支点位置时，从机械手册查得30209单列圆锥滚子轴承a=18.6mm。由图3.5可知简支梁的轴的支承跨距。1)计算轴上的作用力：锥齿轮：2)计算支反力：绕支点2点力矩和,得同理，绕支点1点力矩和,得3)转矩，绘弯矩图水平面弯矩图：如图3.15（c）所示3处弯矩：垂直平面弯矩图：如图3.15（b）所示3处弯矩：合成弯矩：如图3.15（d）所示 图3.15 轴的计算简图5）计算当量弯矩应力校正系数3处：从以上计算结构中可以看出截面3是危险截面。现将截面3的计算结果列于下表载 荷水平面垂直面支反力F弯 矩 M总弯矩MC扭 矩 T6.按弯矩合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即截面3）。轴的计算应力为：前面选定轴材料为45钢调质，许用弯曲应力，因此,故轴安全可靠。3.2.3爬楼机器人转向机构设计 经综合分析课题的具体要求和现有的各种向机构，本设计确定采用齿轮齿条式转向系统。如图3.6所示，齿轮齿条式转向系统由与转向轴做成一体的转向齿轮和常与转向横拉杆做成一体的齿条组成。与其它形式转向器比较，齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；转向器的质量比较小；传动效率高；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，可自动消除齿间间隙。这不仅可以提高转向系统的刚度，还可以防止系统工作时产生冲击和噪声。图3.6 转向系统示意图齿轮齿条式转向系统的转向原理：小车行驶路况较好时，齿轮在齿条的中间位置；当小车在行驶过程中遇到超过其攀爬范围的障碍时，电机驱动蜗轮蜗杆带动齿轮向上下转动，通过啮合关系齿条上下移动，从而牵引后轮轮组左右摆动完成小车转向壁障动作。3.2.4机器人小车结构设计 （1）轮组单元的结构设计轮组的结构尺寸范围根据楼梯的踏步高a和踏步宽b 两个参数来确定。建筑楼梯模数协调标准规定楼梯踏步高度不宜大于210mm，并不宜小于140mm；楼梯踏步宽度，应采用220、240、260、280、300、320mm；楼梯踏步高与宽的关系式：2a + b600（a-踏步高、b -踏步宽）。根据以上条件可知：bmin=220，amin=140，amax=190mm ； 如图3.7所示，有以下关系： （3.1） （3.2）取b=bmin，a=amin，则r+x220，得到Rmin=150.6mm；同理取 b=bmin，a=amax， 有Rmax=167.8mm；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。 （3.3）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。 （3.4）图3.8 轮组结构rmax示意图3.9轮组结构tmax示意综合上述条件公式(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。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；车轮组要攀爬上障碍物，必须满足以下关系： （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：即： （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。图3.12 小车转弯示意图第四章 爬楼机器人控制系统设计4.1 机器人爬楼梯的控制目标机器人爬楼梯的复杂性主要有两方面26的原因，一是楼梯形式的多样性，二是机器人爬楼梯过程中所固有的不稳定性，因此必须根据楼梯的形式，选择合适的环境感知和运动控制方法，控制机器人爬楼梯的过程。据课题安排，时间关系，我们采取程序导航的控制系统，验证方案的可行性。假定楼梯两侧都是有墙壁的，机器人具有利用传感器和执行机构完成和外界环境交互的功能，并且能够实时地对外界环境的激励做出反应；在到达楼梯转弯处平台时，通过执行固定的程序进行转弯、移动和对准下一层楼梯台阶；对于不可预测的事件，如检测到形状、大小不同的障碍物，应该进行相应的应对措施，确定机器人的越障或者避障行为。本文的爬楼机器人系统的控制目标是：使机器人按照操作员编制的程序，进行爬楼、越障及避障，顺利到达目的地。4.2 机器人的体系结构及系统组成移动机器人的体系结构是由三类基本模块：感知模块，规划模块，执行模块的组织方式所决定的。目前具有代表性体系结构可分为三大类型，即基于知识的体系结构(又称为水平分解型)，基于行为的体系结构(又称为垂直分解型)和混合体系结构。基于知识的体系结构是目前自主移动机器人的控制体系结构之一，如图4.1所示。这种移动机器人控制体系结构强调带有环境模型的中央规划器是机器人智能不可缺少的组成部分，而且该模型必须是准确的、一致的。因此，传感器信息的校验具有与模型本身同等的重要性。基于知识的体系结构是一种按信息流向将功能模块依序分解排列的结构。在这种系统中，感知、建模、规划、任务执行和驱动控制等模块次序分明，前者的输出结果即为后者的输入，所以又称为SMPA(SenseModelPlanAct)结构。这种图4.1基于知识体系结构原理图结构有利于实现高层次的智能级。基于知识的体系结构遵循的是从感知到动作的串行功能分解控制路线，是一种典型的自上向下构建系统的方法。本文的结构环境模型比较适合采用该控制体系，后面两种体系结构比较适合课题的延伸使用，在此不再叙述。本课题的整个爬楼梯机器人系统组成如下图4.2所示。图4.2 机器人系统组成框图本系统主要包括红外测距电路、陀螺仪测角电路、电机驱动电路、单片机及其外围电路四大块组成。根据总体设计思路，本系统主要由以下几部分组成：（1）红外发射电路：由单片机控制发射电路使发射换能器向外发射脉冲。（2）红外接收电路：发射波经障碍物反射回来，由接收换能器接收回波，并经放大电路与整形电路送至单片机。（3）陀螺仪测角电路：陀螺仪上的加速度计将测得的加速度信息传输给单片机系统，然后由单片机系统将信息转换成车体与前进方向的夹角或车体爬楼时与竖直方向的夹角传输给陀螺仪，陀螺仪在施矩信息作用下，通过平台稳定回路控制平台（载物台）及车身的姿态，实现机器人的保持载物台水平和车身与楼梯宽度方向的垂直。（4）电机驱动电路：系统要求控制两个直流电机实现机器人的前进、后退和转向。前方无障碍物时小车轮驱动电机正转，使机器人保持前进状态；若前方楼梯在机器人的能力范围内时，锁轴器工作锁紧小车轴与管轴，小车轮驱动电机保持正转；若前方障碍物高度在机器人能力范围之外，红外传感开始测距，当机器人离障碍物的距离大于某个距离时，小车轮转向电机转动带动后轮轮组左右摆动，机器人开始转向并保持前进；当机器人离障碍物的距离小于某个距离时，小车轮驱动电机反转，机器人保持姿态后退，待后退到离障碍物有一定距离时，小车轮驱动电机正转，小车轮转向电机转动带动后轮轮组左右摆动，实现机器人的避障功能。（5）单片机外围电路：单片机正常工作所必需的外围电路，如外接晶振、复位按钮、“看门狗”电路等。4.3控制系统主要硬件的选择4.3.1单片机的选型（1）单片机简介 随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/0接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机，直译为单片机。单片机外加一些电子元件便可以构成一套简易的控制系统。随着集成电路技术的进步，由单片机构成的计算机应用系统的功能也日益增强，应用领域也越来越广，因此很多公司都致力于开发单片机系统。MCS-51、8051是美国Intel公司推出的比较常用的单片机，同时几家设计半导体芯片的公司陆续推出与之兼容的单片机，如ATMEL89C51系列单片机、DALLAS DA80C320单片机、WINBOND W78C31单片机、Silicon Labs C8051F系列单片机等。本系统采用Silicon Labs公司的C8051F310单片机。（2）C8051F310单片机性能介绍 C8051F310，它是一种完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，内部主要集成了SMBus/C、增强型UART和SPI串行接口、单端/差分ADC、高精度可编程的内部时钟振荡器、VDD监视器、内部上电复位模块、捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(PCA)等功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories专利的高速CIP-51微控制器内核，70%的指令执行时间为一个或者两个系统时钟周期；工作电压为2.73.6V，典型工作电流为5mA，功耗比较低。另外，此单片机还具有16kB可在系统编程的FLASH存储器，可用于非易失性数据存储。 C8051F310的主要特性：高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS),全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)，带模拟多路器、真正10位200ksps的25通道单端/差分ADC，高精度可编程的25MHz内部振荡器，16KB可在系统编程的FLASH存储器，1280字节片内RAM，硬件实现的SMBus/C、增强型DART和增强型SPI串行接口，4个通用的16位定时器，具有5个捕