爬楼装置的综述

爬楼装置的综述摘要: 介绍了常见的爬楼装置，特别介绍了德国stairBOT的爬楼原理以及日本本田机器人Asimo的先进类人行走上下楼，重点分析各种爬楼装置的原理和特点， 以及它们的创新点来介绍各种装置的性能，分析了这些装置的优点与不足。并进行了横向比较，最后总结提出了爬楼装置研究中新的发展方向。关键词: 爬楼; 综述; 轮式机器人; 腿式机器人; 本田机器人 0. 引言很多危险场所, 如战场、核生化灾害地、恐怖爆炸地等需要愈来愈多的移动机器人搭载机械手等设备代替人去执行任务。一辆遥控机器人小车由于左右两边履带各有一电机控制, 在爬楼时不能垂直台阶棱线爬行, 且远方工作人员的控制信号滞后, 将导致机器人左右摆动, 影响速度, 甚至可能使机器人翻倒而无法工作。随着遥控机器人在军事、防恐中的应用, 机器人自主爬楼技术是军用及警用遥控机器人的关键技术之一。近年来，随着技术不断发展，各式各样的爬楼装置不断出现，在这些装置中有不少很有特色，对最终方便快捷实现机器人爬楼奠定了基础。1. 爬楼的一般原理虽然爬楼装置种类有很多，但他们的原理基本上是相通的。在开始设计上下楼梯机器人的设计前，我想先阐述一些机器人上下楼梯的原理， 图1如图1所示，将一块重为W的物体放在摩擦系数为的水平面上，并且用一个水平推力P推该物体，那么根据力平衡原理，物体收到地面给它的两个力：一个是支承力N，大小与重力相同，即NW（注意：是标量相等），方向相反；另一个力为摩擦力f，方向与水平推力P相反，大小由P决定，当PN时，f=N，物体滑动。由此我们可以得出结论，物体所受摩擦力的大小有它所受推力P，支承力N，地面摩擦系数决定，而与它与地面接触面积无关。很多人认为，履带式小车比轮式小车抓地力要好，其实这是一个误区，因为履带式小车所受的摩擦力均匀分布在履带上，而轮式小车的摩擦力只是集中在轮胎与地面的接触面上，就抓地力而言，它们是一样的，但在小车转弯或者爬坡时，履带式小车所受的摩擦力分布不会像轮式小车那样发生剧变，所以就表现出更好的操控性。接下来让我们分析一下为什么有些小车能爬上楼梯，而有些小车不能。图2先看一下图2，我将其中的一些力赋予具体的数值，以便于了解。假设小车的重量W=100牛顿，重心如图所示，所有的接触面摩擦系数0.5（摩擦系数小于1，一般从0.30.5之间，摩擦系数越大，越有利与小车爬坡），而我又假设小车能够爬上楼梯，那么它的前轮处于欲抬非抬状态（即前轮不受地面支承力），那么它的受力分析如图所示。我们得出如下方程式：竖直方向上力平衡：力矩平衡：其中r为小车前轮半径，rL得出：牛顿 即前轮与台阶的摩擦力至少为50牛顿，小车才能爬上台阶。但是根据水平方向力分析，假设后轮能提供最大摩擦力，即牛顿，又由于水平方向上力平衡，即牛顿，又假设前轮也能提供最大摩擦力，即牛顿，这远远小于实际所需的摩擦力，所以小车不能爬上台阶。图3让我们再来看一下图3的情况，小车的重量还是W100牛顿，台阶还是原来的高度，但是车轮的直径大大增加，设前轮与台阶接触点指向圆心的方向与竖直方向的夹角，车轮半径为r，那么L，当小车前轮处于欲抬非抬状态时，受力分析如图所示。小车受到重力W，方向竖直向下。后轮受到地面支撑力，方向竖直向上，摩擦力，方向水平向右，前轮受到台阶支撑力，方向指向前轮圆心，摩擦力，方向垂直于。我们得出方程：竖直方向上力平衡：100牛顿力矩平衡：又假设前轮能提供最大摩擦力，即联立方程式得出：牛顿，44.80牛顿，牛顿而又假设后轮能提供最大摩擦力，即牛顿，而根据水平方向力平衡原理，后轮摩擦力只需达到牛顿即可，所以满足要求，小车可以爬上台阶。 由此我们可以得出结论，在相同重量和台阶高度及摩擦系数的条件下，小车的车轮直径较大的，比较容易爬上台阶。（注意：上述结论都是在静力平衡状态下得出的，不排除在一定速度下，不具备条件的小车可已爬上台阶）在设计制作的时候，由于尺寸以及马达输出功率的限制，我们不可能无限加大车轮直径，但我们可以加大车轮的有效直径。如图所示： 图4 图5将履带式小车的履带前端做成一定角度的仰角，这样就增大了车轮的有效直径，或者我们可以继续改进，将仰角做成可调节的，如图6所示： 图6 小车上台阶前小车由前后两端独立的履带组成，中间由一个马达控制的转动点连接。小车在上台阶前，转动点马达转动，将前端履带抬起，如图7所示： 图7 小车上台阶时这样小车就可以比较轻松的上台阶了。2. 常见爬楼装置设计一般的爬楼装置分为腿式爬楼和轮式爬楼装置两种，那么在下面的介绍中我们就从这两个方向展开。2.1 国外新型爬楼装置首先先介绍一款最近出来的爬楼装置。爬楼梯机器人（StairBOT）是一个室内环境的小型机器人。在地板上，他靠着特殊的驱动器，因此也能像其他机器人一样正常的行走。另外，他可以用其自身的轴驱动器通过线性指导机制来改变自身的长度。通过这种机制和其他所有的带煞车的轮子，他能够很好的在正规的楼梯上爬上爬下。用尽量少的电机和传感器设计制作，这也是StairBOT设计的主要目标之一图17爬楼梯机器人（StairBOT）的设计目标：1. 能自由的到达室内的任何地点。 2.长度不超过50cm.3.用尽量少的电机和传感器设计制作4.能被简单的控制电路控制。爬楼梯机器人（StairBOT）的爬楼原理：推轮子上楼的特点！为了简化事物，我们假设机器人的重心在两轮的中间。那么我们得到下面的结论：通过两轮中心的力将能把两个大轮推上一个台阶。那么将有一个分力垂直于台阶。图18 图19当大轮上升到上一个台阶后，后面的推动轮将被收上去。尤其在这个收上动作的开始，因为滑杆很长，可能使车体很下滚。为了防止这种情况发生，爬楼梯机器人（StairBOT）安装了一对支持轮，使大轮能稳定的停在台阶上，从而安全的收到推动轮。图20这台机器人的上楼的整个过程是这样的：首先是识别楼梯，车子一直往前开直到轮子的减震器碰到台阶，这时大轮刹车，直线导轨开始伸长，从而推动大轮向上一个台阶，同时启动大轮向前转，从而辅助上升，这个过程直到大轮碰到上上一个台阶或者导杆减震器碰到台阶为止。这进支持轮放下，支持大轮不动，收上推动轮。下一个过程重复。2.2 轮式机器人以下是轮式爬楼梯装置，图8和图9是用慧鱼模型搭出的，图9是一种警用爬楼梯装置. 图8 图9图9轮式爬楼梯装置的设计一般比较成熟，下面再介绍两款可以爬台阶的小车A.撑竿跳小车，如图11所示支撑轮撑杆 图11小车后部撑杆为一个由齿轮齿条组成的机构，由一个马达驱动，值得注意的是撑杆下端连接的支撑车轮时锁死的，不能转动，以便于在支撑小车时，防止撑杆与地面打滑。平时小车行进时，支撑杆收起，支撑轮与地面不接触，小车正常行进，当小车遇上台阶时，支撑杆伸出，将小车升起，步骤如图所示，到达上一个台阶后，支撑杆收起，小车继续前进，。优点：小车结构简单，所用电机较少，爬台阶高度由撑杆高度决定，适合爬很高的台阶。缺点：爬台阶时动作较多，时间较长，不容易控制。B.行星轮小车，如图所示 图12小车车轮部分如图所示： 图13当小车遇上台阶时,齿轮间的传动被锁住。惰轮此处安装主动齿轮顶端齿轮图14仔细来看齿轮传动齿轮部分，行星轮板的顶端齿轮连接车轮，行星轮板中心将会安装由马达驱动的主动齿轮，在平地行进时，主动齿轮通过惰轮驱动顶端齿轮，各齿轮转动如图所示，顶端齿轮与其连接的车轮一起转动，从而带动小车前进。当小车遇上台阶时，由于台阶与车轮的摩擦力，行星轮的齿轮系都被锁住，无法转动，这时整个行星轮板在中心齿轮的驱动下，变成一个类轮机构转动，从而带动小车爬上台阶. 优点：结构设计成熟，上台阶时不需要停顿，操控容易。缺点：结构复杂，所用零件和马达较多，重量较重，机械效率较差，所爬台阶高度大致为行星轮板高的三分之二。3. 腿式机器人3.1. 日本ASIMO机器人上下楼梯日本的本田公司（Honda）在1986年就开始类人机器人的研究工作，到了2006年为止已经整整20年了。在这20年中，他们在这个领域取得了举世瞩目的成绩，ASIMO的研制成功让Honda公司成为目前这个领域最领先的公司。在这篇文章中，我们将详细了解一下ASIMO是如何工作的，基本的原理是什么。ASIMO和人类一样，有髋关节，膝关节和足关节。机器人中的关节一般用“自由度”来表示。一个自由度表示一个运动可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。ASIMO拥有26个自由度，分散在身体的不同部位。其中脖子有2个自由度，每条手臂有6个自由度，每条腿也有6个自由度。腿上自由度的数量是根据人类行走，上下楼梯所需要的关节数研究出来的ASIMO身上两个传感器保证了ASIMO能够正常行走，它们是速度传感器和陀螺传感器。它们主要用来让ASIMO知道他身体目前前进的速度以及和地面所成的角度，并依次计算出平衡身体所需要调节量。这两个传感器起的作用和我们人类内耳相同。要进行平衡的调节，ASIMO还必须要有相应的关节传感器和6轴的力传感器，来感知肢体角度和受力情况。上下楼梯的动作如果只是靠事先的程序输入的话绝对不可能实现。即使是输入了阶梯的高度及前后的距离，如果多达29层的话，也会因误差累积而无法正常走下来。为此，Honda在ASIMO的每只脚上，都装了一个6轴力传感器，用来监测每一步的稳定程度。再结合陀螺仪和加速度传感器，ASIMO使用了独特的数学算法来让他上下楼梯，并能够上下斜坡而如履平地。Honda的工程通过使其脚内侧不紧贴地面、脚趾比台阶边缘向前探出少许这样的站立方式来探测出台阶的边缘。在这一状态下，如果通过脚底的压力传感器进行压力分布测量的话，可以预先测出边缘的位置。下楼梯时的着地点也可以同样进行预测。虽然操作人员向ASIMO输入了楼梯大致的高度，但是最终则是通过 ASIMO足底的传感器来确认楼梯位置的。不只是下楼梯，ASIMO还能够在斜坡上转弯。这时由于ASIMO的每一步都要变换姿势，并改变与ZMP的关系，较下楼梯难度更大。下楼梯与在斜坡转弯使用了相同的算法，因此不需要改变模式。图303.2 其他一些腿式机器人如图所示，它们都可称为腿式机器人。 图15 图16 图17 图18由于腿式机器人的形式多种多样，过台阶的方式也各不相同，上述四中机器人都是可以过台阶的，我在此介绍一种最简单的腿式机器人，它是由蛇形机器人简化过来的，取蛇形机器人的两个关节，过台阶方式如图所示： 图19黄点处为马达驱动的转动点，过台阶时，机器人一个脚支撑，另一只脚在两个马达的转动下，慢慢抬起，当它接触到台阶上时，它又作为新的支撑点，这样往复运动，就可以达到过台阶的目的了。4. 小结和展望各种爬楼装置都有各自的特点，本文介绍的只是无数爬楼装置中的典型的几种。其中类人的爬楼装置是将来机器人进入家庭的发展方向，本田的asimo在这方面已经做的很成熟，是高端爬楼装置的发展方向。相比而言，轮式爬楼装置的填补了低端爬楼装置的空白，装置的实现相对容易些，简单，不需要大量的传感器和复杂的算法。这两种截然不同的原理互相补充，将在不同的需求场合发挥各自的作用。参考文献1日本本田公司的人形机器人J1机器人技术与应用, 2001(4)1.2王全福1机器人技术的发展趋势J1机器人技术与应用, 2001(3)1.3Laboring humanoid robot J1A IST Today, 2002(5)1.4A tele-operated humanoid robot drives a backhoe in the open air J1A IST Today, 2003(3)1.5 Kuffner J J1Graphical simulation and high - 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