一種新型的爬樓梯機(jī)器人

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1、機(jī)械2009年第5期總第36卷機(jī)器人技術(shù)75 ? 收稿日期：2009-03-23 作者簡介:黃先琪（1959-,四川南部人，教授級高級工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向 為機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 一種新型的爬樓梯機(jī)器人 黃先琪 （四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程研究所，四川成都611130 摘要：研制了一種利用平行四邊形變形特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)上下樓梯功能的機(jī)器人，用于樓道、 墻面自動(dòng)吸塵器。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、操作方便，爬樓梯 速度快、平穩(wěn)可靠，采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，用以協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的行走、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，實(shí) 現(xiàn)全工作過程的自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證平行四邊形機(jī)構(gòu)機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力和

2、路面適 應(yīng)能力。關(guān)鍵詞:爬越;樓梯;機(jī)器人;設(shè)計(jì) 中圖分類號：TP242. 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號：1006-0316 (2009 05-0075-02 A new type of stair climbing robot research HUANG Xian-qi (Sichuan Traffic Vocational and Technical College, Chengdu 611130, China Abstract : A new type of stair climbing robot using parallelogram deformation characte

3、ristics 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 action

4、s 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 ; design 1爬樓梯機(jī)器人現(xiàn)狀 移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體 的綜合系統(tǒng)。早在20世紀(jì)60年代,就已經(jīng)開始了關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究，按照移動(dòng)方式可 以采用輪式、履帶式和腿式三種機(jī)構(gòu)模型。 1

5、. 1輪式機(jī)器人 直接利用車輪或類輪轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到行進(jìn)或爬坡目的的機(jī)器人稱為輪式機(jī)器人(圖 1 O在滿足一定地形適應(yīng)性前提下，可充分發(fā)揮移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)靈活、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)。 但對地形的適應(yīng)性大小與輪子的數(shù)量成正比，隨著輪子數(shù)量的增加又帶來了體積龐大、重 量重等缺點(diǎn)。 1.2履帶式機(jī)器人 直接利用履帶轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到行進(jìn)或爬坡目的的機(jī)器 人稱為履帶式機(jī)器人（圖2。地面適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、機(jī)構(gòu)簡單，但能量損耗 高。 1.3腿式機(jī)器人 模仿人類或其它動(dòng)物腿部運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人稱為腿式機(jī)器人（圖3o地面適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定 性高，但 機(jī)構(gòu)及控制復(fù)雜、運(yùn)行速度低。 圖1輪式機(jī)器人圖2履帶式機(jī)器人圖3腿式機(jī)器人

6、纟爬越樓梯機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1樓道、墻面自動(dòng)吸塵器設(shè)計(jì)方案 樓道、墻面自動(dòng)吸塵器由原動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、 76 ?機(jī)器人技術(shù)機(jī)械2009年第5期總第36卷 工作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，通過德國慧魚創(chuàng)意組 合模型完成組裝（圖4。該機(jī) 器人 本體與平行四邊形機(jī)構(gòu)用較鏈相連，六個(gè)車輪的直徑均為85 mm;前輪上安裝有二個(gè)電動(dòng) 機(jī)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，另一個(gè) 驅(qū)動(dòng)小車的前進(jìn)和后退；中間輪和后輪上各安 裝有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)和后退；四個(gè)電動(dòng)機(jī)具有相同的功率。 利用平行四邊形變形特點(diǎn)，改變與主體相連平行四邊形機(jī)構(gòu)的角度，可使前車 輪、中間車輪分別抬起和落下，來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)在樓梯面的爬行。 2.2

7、樓道、墻面自動(dòng)吸塵器本體結(jié)構(gòu)分析 本體主要起支撐整車支架的作用。前端、中間采用二軸四輪驅(qū)動(dòng)輪，分別安裝 在兩側(cè)向平行四邊形機(jī)構(gòu)上，與其鏈接在一起。同時(shí)，本體上安放了小車控制機(jī)構(gòu)， 尾部安裝一軸二輪驅(qū)動(dòng)輪。后車輪也用來起支撐作用，后車輪采用電動(dòng)輪，其動(dòng)力有助于提 高吸塵器爬越樓梯的能力。在本體上連接兩 個(gè)四邊形機(jī)構(gòu)來達(dá)到在樓梯上行進(jìn)的目的。 2. 3爬樓梯運(yùn)動(dòng)分析 經(jīng)試驗(yàn)，在驅(qū)動(dòng)力允許條件下，該機(jī)器可爬樓梯臺(tái)階的高度為40 mmo爬樓梯過程如圖 6所示:首先整車向前運(yùn)動(dòng)，直到前輪接觸臺(tái)階(圖6 (a，然后前輪越過臺(tái)階(圖6 (b,這時(shí) 前車輪機(jī)構(gòu)向上抬起，然后在中間輪和后輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力

8、的作 用下，前兩個(gè) 輪子越過臺(tái)階(圖6 (c,而中間輪和后輪與臺(tái)階始終保持接觸，當(dāng)中間兩個(gè)輪子越 過臺(tái)階時(shí) (圖6 (d，安裝在主體機(jī)構(gòu)上的后車 輪在電動(dòng)機(jī)作用下同時(shí)爬樓梯臺(tái)階(圖 6 (e 0 圖4樓道、墻面自動(dòng)吸塵器圖5本體結(jié)構(gòu) (a (b (c (d (e 圖6爬樓梯示意圖 3小結(jié) 樓道、墻面自動(dòng)吸塵器本體采用平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下樓梯功能，爬行速度 快、平穩(wěn) 可靠。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用傳統(tǒng)差速機(jī)構(gòu)，增加紅外線位置掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化。吸塵器機(jī)構(gòu)采用 伸縮機(jī)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對地面、樓梯、扶手及墻面的自動(dòng)吸塵。 控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制器，用以協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)行走、轉(zhuǎn)向、伸縮及

9、吸塵等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)全工 作過程的自動(dòng)化。 該機(jī)器人參加2008年9月第三屆全國大學(xué)生機(jī) 械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組競賽并榮獲一等獎(jiǎng)。 參考文獻(xiàn)： ⑴ 面移動(dòng)偵察車輛研究 李波，等?可爬越樓梯的新型地 [J] ?蘭州工業(yè)高等?？? 學(xué)校學(xué)報(bào),2004, (12? [2] 喬鳳斌，等?機(jī)器人六輪移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯能力分析[J].機(jī)器人，2004, (7? [3] 徐國華，等?移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢[J]?機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2001, (6 ? [4] 李翠蘭，等?一種新型的 可被動(dòng)適應(yīng)崎嶇表面的六輪月球漫游車 [J] ?傳動(dòng)技術(shù)， 2005, (3 ? 3 3 3 0 總修正量 0 0 0 333 0 N G 0 ' ? K 3G CDWF 總 1000 3330NFa0HLHG0, ?000 333ONF1F22F, 000 3 2F