爬楼梯机器人物化成果论.docx

爬楼梯轮椅物化成果一，概论针对目前普通轮椅不具备爬楼梯功能，而国内市场上尚未出现比较成熟，实用的爬楼轮椅这一现状，我们设计了一种实用的星轮行星轮转换式可爬楼轮椅。该轮椅既可以像普通轮椅一样在平地上行走，又可以攀爬楼梯，通过手摇来驱动。我们在行星齿轮结构的基础上加以改进，在中心轴和转臂间设一离合器，离合器分离时，驱动中心齿轮便会带动各行星齿轮旋转，此时为行星轮驱动模式，适用于平地行走；而操作离合器使其结合时，中心轴和转臂锁死，各行星齿轮将不能自传，驱动中心轴整个行星轮系将整体翻转，主动翻越障碍，此时为星轮驱动模式，适用于爬楼梯。这种新的结构我们称之为星轮行星轮转换结构。在此结构的基础上，我们在万向轮两侧增加了一对起引导和越障作用的导向轮，导向轮与万向轮的巧妙结合增强了万向轮的越障能力。此外我们还正确设计重心位置，并将靠背设计成可调形式，爬楼梯时可以调节重心位置，保证了爬楼的完全性和舒适性。对于残疾人轮椅的改进，以有不少人提出各种解决方案：有的使用履带式的辅助爬升设备帮助轮椅上下楼梯，有的采用步进式的结构一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺仪控制两轮结构的翻转，立起来上下楼梯，但这些方案都有一些不尽人意的地方，比如：结构复杂，造价高，使用不便，不能很好的适应平地行驶等，因而都未能得到较广泛的应用。在总结前人设计经验的基础上，我们在星轮行星轮转换式结构的基础上设计一种新型轮椅，一种简单实用，安全可靠，既能够适应平地行走，又能够上下楼梯的轮椅，希望能够为残疾人带来福音。1、主要研究内容 爬楼机器人的原理研究和机械结构的设计。要求机器人能在平地行驶，攀爬通常规格的楼梯，转弯，以及具备一定的避障能力。 对其运动过程分析，提取出爬楼机器人关键动作，运用运动学和动力学理论分别进行了运动学（运用Matlab进行仿真）和动力学分析，最后对爬楼机器人进行静态稳定性分析。 使用三维实体造型软件Pro/E建立了爬楼机器人的三维实体模型， 然后将Pro/E导出的模型导入ADAMS软件中，定义刚体，添加约束、力、运动等，完成爬楼机器人的虚拟样机的机械系统模型。 针对六轮腿移动机器人越障行为进行了仿真，对机器人机构设计进行优化。 控制系统的设计。使机器人能够自动转弯、与楼梯栏杆（或墙壁）保持一定距离、避开跨越不了的障碍。2、关键技术及难点爬楼机器人的设计与优化运动学分析与仿真虚拟样机的机械系统模型的建立控制系统的设计3、爬楼机器人结构的基本原理轮子的机械原理如图1所示：、为轴，1为基本构件，2为太阳轮，3、4为行星轮， 5为行星架（即转臂），6为小车轮，动力电机传到轴，轴带动太阳轮2转动，太阳轮带动行齿轮3转动，再传给4，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5不能转动只能随车沿路面平动，此时驱动轮系演变成定轴轮系，实现机构在平直面上的快速行驶；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5带着另外4个车轮绕前轮的轴线回转，实现翻越障碍（即爬楼梯）的目的。其自由度F=3n-2PL-PH=34-24-2=2 其中n为除机架外的构件，PL为n个活动构件之间的低副， PH为n个构件之间的高副.爬楼机器人的机构设计根据原理图和爬楼梯的要求设计了爬楼机器人机构简图，如图2。整个机构设有四个电机，每个电机负责给一个行星轮机构提供动力。电机传递动力给太阳轮所在传动轴的，再通过齿轮之间的相互啮合来传递动力，最终将动力传递给小车轮，实现平直路面上的行驶。当遇到小障碍物时，行走机构立即演变成行星轮机构，直接跨越。当遇到在攀登范围内的大障碍（楼梯）时，机构一直以行星轮机构作用，达到攀登的目的。当遇到攀登范围之外的障碍，要求机器人转向时，通过控制左右两个电机的转速快慢来实现。 1、楼梯 2、小车轮 3、4传动齿轮 5、行星轮 6、太阳轮 7、行星架（转臂） 8、车架三、可行性分析 行星轮系是由太阳轮（几何轴线固定的齿轮）、行星轮（随行星架绕主轴线回转的构件）、行星架（支持行星轮且能承受外力矩的构件）构成的。本课题研究的爬楼机器人基本原理如图1，从机构分析，运用差动轮轮系传动比的相关公式，可以得出如下关系式：其中，为中心齿轮2的转速；为转臂5的转速；为驱动齿轮4的转速；为中心齿轮2的齿数；为驱动齿轮4的齿数。当驱动轮系为定轴轮系时，=0，所以/=/，车轮6与中心齿轮2具有相同的旋向。当驱动轮系为行星轮系时，=0，所以/=1-/，在电机旋向不变的情况下，要使整个车轮组继续往前运动，转臂的旋向必须和中心齿轮的旋向相同，所以/0，即。当取得较大值时，可以提高车轮组的越障能力。对机器人的运动学分析是采用整车为研究对象，找出爬楼的最大坡度，来优化行星轮、太阳轮及行星架的尺寸比，并且运用Matlab对其仿真。 Matlab（Matrix Laboratory）是一种高度集成化的科学计算环境，是集数值计算和图形处理等功能与一体的工程计算及数值分析软件。Matlab现有30多个工具箱，Simulik工具箱就是其中应用广泛，影响较大的一个。它是一个用来进行动态系统建模、仿真和分析的集成软件包。不仅可以进行线性系统仿真，也可进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可以实现离散时间系统甚至连续-离散时间系统的仿真，还支持多制式采样率的系统仿真。利用Matlab可以分析出结构的运动轨迹、速度、加速度。ADAMS是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机、电、液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。通过Pro/E导出的模型导入ADAMS软件中，定义刚体，添加约束、力、运动等，完成爬楼机器人的虚拟样机的机械系统模型。电机使用单片机进行控制，通过编码器构成反馈系统；在机器人两侧装上激光测距扫描仪，保证机器人与楼梯的在安全距离范围，通过单片机不断采集信号，用PID控制电机速度，修正其轨迹；在机器人前端大于越障范围处安装激光测距仪，使机器人原速返回另择路径。五 、参考文献1 蔡自兴编著.机器人学.北京:清华大学出版社，2000 2 Robin R. Murphy Introduction to AI Robotics 电子工业出版社，20043 蔡自兴 21世纪机器人技术的发展趋势 南京化工大学学报 2000.74 国家863计划智能机器人专家组.机器人博览.中国科学技术出版社，20015 梁斌，王巍，王存恩.未来我国发展月球车的初步构想.中国航天，20036 蔡鹤皋.机器人将是21世纪技术发展的热点.中国机械工程第11卷.2002.27 罗志增，蒋静坪.机器人感觉与多视觉融合.北京:机械工业出版社，2002.68 张海洪 龚振邦. 具有越障功能的全方位移动机构研究. 高技术通讯,20019 蔡改贫 吴光华 欧阳田. 越障机器人运动学分析与仿真.江西有色金属，2008.3.10李贻斌，刘明，周风余.移动机器人多超声传感器信息融合方法.系统工程与电子技术，1999;21(9):55-57