一种新型的爬楼梯机器人

机械2009年第5期总第36卷机器人技术75 收稿日期：2009-03-23作者简介:黄先琪（1959-,四川南部人，教授级高级工程师，工学学士，主要研究方向为机电系统设计。一种新型的爬楼梯机器人黄先琪（四川交通职业技术学院 机电工程研究所，四川成都611130摘要：研制了一种利用平行四边形变形特点，实现上下楼梯功能的机器人，用于楼道、 墙面自动吸尘器。该机器人结构紧凑、体积小、重量轻、操作方便，爬楼梯速度快、平稳可靠，采用单片机控制系统，用以协调整个系统的行走、转向等动作，实 现全工作过程的自动化。实验结果验证平行四边形机构机器人具有较强的越障能力和路面适 应能力。关键词:爬越;楼梯;机器人;设计中图分类号：TP242. 3文献标识码:A文章编号：1006-0316 (2009 05-0075-02A new type of stair climbing robot researchHUANG Xian-qi(Sichuan Traffic Vocational and Technical College, Chengdu 611130, ChinaAbstract : A new type of stair climbing robot using parallelogram deformation characteristics is designed for auto vacuum cleaner for corridors and walls. The robot is compact, small size, light weight, easy to operate, stair climbing fast, reliable and stable.A single-chip computer control system is used for coordinating the entire operating system, which can coordinate the actions of processing and turning. The experimental results verify the parallelogram robot has a good ability to over obstaeles and adapt roads.Key words： climbing ; stairs ; robot ; design1爬楼梯机器人现状移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体 的综合系统。早在20世纪60年代,就已经开始了关于移动机器人的研究，按照移动方式可 以采用轮式、履带式和腿式三种机构模型。1. 1轮式机器人直接利用车轮或类轮转动达到行进或爬坡目的的机器人称为轮式机器人(图1 O在满足一定地形适应性前提下，可充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点。 但对地形的适应性大小与轮子的数量成正比，随着轮子数量的增加又带来了体积庞大、重 量重等缺点。1.2履带式机器人直接利用履带转动达到行进或爬坡目的的机器人称为履带式机器人（图2。地面适应性强、稳定性高、机构简单，但能量损耗 高。1.3腿式机器人模仿人类或其它动物腿部运动的机器人称为腿式机器人（图3o地面适应性强，稳定 性高，但 机构及控制复杂、运行速度低。图1轮式机器人图2履带式机器人图3腿式机器人纟爬越楼梯机器人机构设计2.1楼道、墙面自动吸尘器设计方案楼道、墙面自动吸尘器由原动系统、传动系统、76 机器人技术机械2009年第5期总第36卷工作系统和控制系统等组成，通过德国慧鱼创意组 合模型完成组装（图4。该机 器人 本体与平行四边形机构用较链相连，六个车轮的直径均为85 mm;前轮上安装有二个电动 机，一个驱动转向，另一个 驱动小车的前进和后退；中间轮和后轮上各安 装有一个电动机，驱动小车前进和后退；四个电动机具有相同的功率。利用平行四边形变形特点，改变与主体相连平行四边形机构的角度，可使前车轮、中间车轮分别抬起和落下，来实现自适应在楼梯面的爬行。2.2楼道、墙面自动吸尘器本体结构分析本体主要起支撑整车支架的作用。前端、中间采用二轴四轮驱动轮，分别安装 在两侧向平行四边形机构上，与其链接在一起。同时，本体上安放了小车控制机构，尾部安装一轴二轮驱动轮。后车轮也用来起支撑作用，后车轮采用电动轮，其动力有助于提 高吸尘器爬越楼梯的能力。在本体上连接两个四边形机构来达到在楼梯上行进的目的。2. 3爬楼梯运动分析经试验，在驱动力允许条件下，该机器可爬楼梯台阶的高度为40 mmo爬楼梯过程如图 6所示:首先整车向前运动，直到前轮接触台阶(图6 (a，然后前轮越过台阶(图6 (b,这时 前车轮机构向上抬起，然后在中间轮和后轮电动机驱动力的作用下，前两个轮子越过台阶(图6 (c,而中间轮和后轮与台阶始终保持接触，当中间两个轮子越 过台阶时(图6 (d，安装在主体机构上的后车 轮在电动机作用下同时爬楼梯台阶(图6 (e 0图4楼道、墙面自动吸尘器图5本体结构(a (b (c(d (e图6爬楼梯示意图3小结楼道、墙面自动吸尘器本体采用平行四边形机构实现上下楼梯功能，爬行速度 快、平稳 可靠。转向机构采用传统差速机构，增加红外线位置扫描系统实现智能化。吸尘器机构采用 伸缩机构，同时实现对地面、楼梯、扶手及墙面的自动吸尘。控制系统采用单片机控制器，用以协调整个系统行走、转向、伸缩及吸尘等动作，实现全工 作过程的自动化。该机器人参加2008年9月第三届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组竞赛并荣获一等奖。参考文献：面移动侦察车辆研究李波，等可爬越楼梯的新型地J 兰州工业高等专科学校学报,2004, (122 乔凤斌，等机器人六轮移动机器人爬楼梯能力分析J.机器人，2004, (73 徐国华，等移动机器人的发展现状及其趋势J机器人技术与应用，2001, (6 4 李翠兰，等一种新型的可被动适应崎岖表面的六轮月球漫游车J 传动技术，2005, (3 33 3 0 总修正量 0 0 0 333 0 N G 0 ? K 3GCDWF总 1000 3330NFa0HLHG0, ?000333ONF1F22F, 00032F