爬樓裝置的綜述

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1、爬樓裝置的綜述 摘　要: 介紹了常見的爬樓裝置，特別介紹了德國(guó)stairBOT的爬樓原理以及日本本田機(jī)器人Asimo的先進(jìn)類人行走上下樓，重點(diǎn)分析各種爬樓裝置的原理和特點(diǎn)， 以及它們的創(chuàng)新點(diǎn)來介紹各種裝置的性能，分析了這些裝置的優(yōu)點(diǎn)與不足。并進(jìn)行了橫向比較，最后總結(jié)提出了爬樓裝置研究中新的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞: 爬樓; 綜述; 輪式機(jī)器人; 腿式機(jī)器人; 本田機(jī)器人 0. 引言 很多危險(xiǎn)場(chǎng)所, 如戰(zhàn)場(chǎng)、核生化災(zāi)害地、恐怖爆炸地等需要愈來愈多的移動(dòng)機(jī)器人搭載機(jī)械手等設(shè)備代替人去執(zhí)行任務(wù)。一輛遙控機(jī)器人小車由于左右兩邊履帶各有一電機(jī)控制, 在爬樓時(shí)不能垂直臺(tái)階棱線爬行, 且遠(yuǎn)方

2、工作人員的控制信號(hào)滯后, 將導(dǎo)致機(jī)器人左右擺動(dòng), 影響速度, 甚至可能使機(jī)器人翻倒而無(wú)法工作。隨著遙控機(jī)器人在軍事、防恐中的應(yīng)用, 機(jī)器人自主爬樓技術(shù)是軍用及警用遙控機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，各式各樣的爬樓裝置不斷出現(xiàn)，在這些裝置中有不少很有特色，對(duì)最終方便快捷實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬樓奠定了基礎(chǔ)。 1. 爬樓的一般原理 雖然爬樓裝置種類有很多，但他們的原理基本上是相通的。在開始設(shè)計(jì)上下樓梯機(jī)器人的設(shè)計(jì)前，我想先闡述一些機(jī)器人上下樓梯的原理， 圖1 如圖1所示，將一塊重為W的物體放在摩擦系數(shù)為μ的水平面上，并且用一個(gè)水平推力P推該物體，那么根據(jù)力平衡原理，物體收到地面給

3、它的兩個(gè)力：一個(gè)是支承力N，大小與重力相同，即N＝W（注意：是標(biāo)量相等），方向相反；另一個(gè)力為摩擦力f，方向與水平推力P相反，大小由P決定，當(dāng)P<＝Nμ時(shí)，P=f，物體保持靜止，當(dāng)P>Nμ時(shí)，f=Nμ，物體滑動(dòng)。 由此我們可以得出結(jié)論，物體所受摩擦力的大小有它所受推力P，支承力N，地面摩擦系數(shù)μ決定，而與它與地面接觸面積無(wú)關(guān)。很多人認(rèn)為，履帶式小車比輪式小車抓地力要好，其實(shí)這是一個(gè)誤區(qū)，因?yàn)槁膸叫≤囁艿哪Σ亮鶆蚍植荚诼膸?，而輪式小車的摩擦力只是集中在輪胎與地面的接觸面上，就抓地力而言，它們是一樣的，但在小車轉(zhuǎn)彎或者爬坡時(shí)，履帶式小車所受的摩擦力分布不會(huì)像輪式小車那樣發(fā)生劇變，所以就表

4、現(xiàn)出更好的操控性。 接下來讓我們分析一下為什么有些小車能爬上樓梯，而有些小車不能。 圖2 先看一下圖2，我將其中的一些力賦予具體的數(shù)值，以便于了解。 假設(shè)小車的重量W=100牛頓，重心如圖所示，所有的接觸面摩擦系數(shù)μ＝0.5（摩擦系數(shù)小于1，一般從0.3~0.5之間，摩擦系數(shù)越大，越有利與小車爬坡），而我又假設(shè)小車能夠爬上樓梯，那么它的前輪處于欲抬非抬狀態(tài)（即前輪不受地面支承力），那么它的受力分析如圖所示。 我們得出如下方程式： 豎直方向上力平衡： 力矩平衡：≈　　　其中r為小車前輪半徑，r<

5、是根據(jù)水平方向力分析，假設(shè)后輪能提供最大摩擦力，即牛頓，又由于水平方向上力平衡，即牛頓，又假設(shè)前輪也能提供最大摩擦力，即牛頓，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際所需的摩擦力，所以小車不能爬上臺(tái)階。 圖3 讓我們?cè)賮砜匆幌聢D3的情況，小車的重量還是W＝100牛頓，臺(tái)階還是原來的高度，但是車輪的直徑大大增加，設(shè)前輪與臺(tái)階接觸點(diǎn)指向圓心的方向與豎直方向的夾角，車輪半徑為r，那么<

6、：＝100牛頓 力矩平衡： 又假設(shè)前輪能提供最大摩擦力，即 聯(lián)立方程式得出：牛頓，＝44.80牛頓， 牛頓 而又假設(shè)后輪能提供最大摩擦力，即牛頓，而根據(jù)水平方向力平衡原理，后輪摩擦力只需達(dá)到牛頓即可，所以滿足要求，小車可以爬上臺(tái)階。 由此我們可以得出結(jié)論，在相同重量和臺(tái)階高度及摩擦系數(shù)的條件下，小車的車輪直徑較大的，比較容易爬上臺(tái)階。（注意：上述結(jié)論都是在靜力平衡狀態(tài)下得出的，不排除在一定速度下，不具備條件的小車可已爬上臺(tái)階） 在設(shè)計(jì)制作的時(shí)候，由于尺寸以及馬達(dá)輸出功率的限制，我們不可能無(wú)限加大車輪直徑，但我們可以加大車輪的有效直徑。如圖所示：

7、 圖4 圖5 將履帶式小車的履帶前端做成一定角度的仰角，這樣就增大了車輪的有效直徑，或者我們可以繼續(xù)改進(jìn)，將仰角做成可調(diào)節(jié)的，如圖6所示： 圖6 小車上臺(tái)階前 小車由前后兩端獨(dú)立的履帶組成，中間由一個(gè)馬達(dá)控制的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)連接。小車在上臺(tái)階前，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，將前端履帶抬起，如圖7所示： 圖7 小車上臺(tái)階時(shí) 這樣小車就可以比較輕松的上臺(tái)階了。 2. 常見爬樓裝置設(shè)計(jì) 一般的爬樓裝置分為腿式爬樓和輪式爬樓裝置兩種，那么在下面的

8、介紹中我們就從這兩個(gè)方向展開。 2.1 國(guó)外新型爬樓裝置 首先先介紹一款最近出來的爬樓裝置。 爬樓梯機(jī)器人（StairBOT）是一個(gè)室內(nèi)環(huán)境的小型機(jī)器人。在地板上，他靠著特殊的驅(qū)動(dòng)器，因此也能像其他機(jī)器人一樣正常的行走。另外，他可以用其自身的軸驅(qū)動(dòng)器通過線性指導(dǎo)機(jī)制來改變自身的長(zhǎng)度。通過這種機(jī)制和其他所有的帶煞車的輪子，他能夠很好的在正規(guī)的樓梯上爬上爬下。用盡量少的電機(jī)和傳感器設(shè)計(jì)制作，這也是StairBOT設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一 圖17 爬樓梯機(jī)器人（StairBOT）的設(shè)計(jì)目標(biāo)：?1. 能自由的到達(dá)室內(nèi)的任何地點(diǎn)。 2.長(zhǎng)度不超過50cm.?3. 用盡量少的電機(jī)和傳感器設(shè)計(jì)制作4

9、.能被簡(jiǎn)單的控制電路控制。 爬樓梯機(jī)器人（StairBOT）的爬樓原理：推輪子上樓的特點(diǎn)！ 為了簡(jiǎn)化事物，我們假設(shè)機(jī)器人的重心在兩輪的中間。那么我們得到下面的結(jié)論： 通過兩輪中心的力將能把兩個(gè)大輪推上一個(gè)臺(tái)階。那么將有一個(gè)分力垂直于臺(tái)階。 圖18 圖19 當(dāng)大輪上升到上一個(gè)臺(tái)階后，后面的推動(dòng)輪將被收上去。尤其在這個(gè)收上動(dòng)作的開始，因?yàn)榛瑮U很長(zhǎng)，可能使車體很下滾。為了防止這種情況發(fā)生，爬樓梯機(jī)器人（StairBOT）安裝了一對(duì)支持輪，使大輪能穩(wěn)定的停在臺(tái)階上，從而安全的收到推動(dòng)輪。 圖20

10、這臺(tái)機(jī)器人的上樓的整個(gè)過程是這樣的：首先是識(shí)別樓梯，車子一直往前開直到輪子的減震器碰到臺(tái)階，這時(shí)大輪剎車，直線導(dǎo)軌開始伸長(zhǎng)，從而推動(dòng)大輪向上一個(gè)臺(tái)階，同時(shí)啟動(dòng)大輪向前轉(zhuǎn)，從而輔助上升，這個(gè)過程直到大輪碰到上上一個(gè)臺(tái)階或者導(dǎo)桿減震器碰到臺(tái)階為止。這進(jìn)支持輪放下，支持大輪不動(dòng)，收上推動(dòng)輪。下一個(gè)過程重復(fù)。 2.2 輪式機(jī)器人 以下是輪式爬樓梯裝置，圖8和圖9是用慧魚模型搭出的，圖9是一種警用爬樓梯裝置. 圖8 圖9 圖9 輪式爬樓梯裝置的設(shè)計(jì)一般比較成熟，下面再介紹兩款可

11、以爬臺(tái)階的小車 A.撐竿跳小車，如圖11所示 支撐輪 撐桿 圖11 小車后部撐桿為一個(gè)由齒輪齒條組成的機(jī)構(gòu)，由一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，值得注意的是撐桿下端連接的支撐車輪時(shí)鎖死的，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，以便于在支撐小車時(shí)，防止撐桿與地面打滑。平時(shí)小車行進(jìn)時(shí)，支撐桿收起，支撐輪與地面不接觸，小車正常行進(jìn)，當(dāng)小車遇上臺(tái)階時(shí)，支撐桿伸出，將小車升起，步驟如圖所示，到達(dá)上一個(gè)臺(tái)階后，支撐桿收起，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，。 優(yōu)點(diǎn)：小車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用電機(jī)較少，爬臺(tái)階高度由撐桿高度決定，適合爬很高的臺(tái)階。 缺點(diǎn)：爬臺(tái)階時(shí)動(dòng)作較多，時(shí)間較長(zhǎng)，不容易控制。 B.行星輪小車，如圖所示

12、 圖12 小車車輪部分如圖所示： 圖13 當(dāng)小車遇上臺(tái)階時(shí),齒輪間的傳動(dòng)被鎖住。 惰輪 此處安裝主動(dòng)齒輪 頂端齒輪 圖14 仔細(xì)來看齒輪傳動(dòng)齒輪部分，行星輪板的頂端齒輪連接車輪，行星輪板中心將會(huì)安裝由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)齒輪，在平地行進(jìn)時(shí)，主動(dòng)齒輪通過惰輪驅(qū)動(dòng)頂端齒輪，各齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)如圖所示，頂端齒輪與其連接的車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車前進(jìn)。當(dāng)

13、小車遇上臺(tái)階時(shí)，由于臺(tái)階與車輪的摩擦力，行星輪的齒輪系都被鎖住，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)整個(gè)行星輪板在中心齒輪的驅(qū)動(dòng)下，變成一個(gè)類輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車爬上臺(tái)階. 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成熟，上臺(tái)階時(shí)不需要停頓，操控容易。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用零件和馬達(dá)較多，重量較重，機(jī)械效率較差，所爬臺(tái)階高度大致為行星輪板高的三分之二。 3. 腿式機(jī)器人 3.1. 日本ASIMO機(jī)器人上下樓梯 日本的本田公司（Honda）在1986年就開始類人機(jī)器人的研究工作，到了2006年為止已經(jīng)整整20年了。在這20年中，他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績(jī)，ASIMO的研制成功讓Honda公司成為目前這個(gè)領(lǐng)域最領(lǐng)先的公

14、司。在這篇文章中，我們將詳細(xì)了解一下ASIMO是如何工作的，基本的原理是什么。 ASIMO和人類一樣，有髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和足關(guān)節(jié)。機(jī)器人中的關(guān)節(jié)一般用“自由度”來表示。一個(gè)自由度表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。ASIMO擁有26個(gè)自由度，分散在身體的不同部位。其中脖子有2個(gè)自由度，每條手臂有6個(gè)自由度，每條腿也有6個(gè)自由度。腿上自由度的數(shù)量是根據(jù)人類行走，上下樓梯所需要的關(guān)節(jié)數(shù)研究出來的 ASIMO身上兩個(gè)傳感器保證了ASIMO能夠正常行走，它們是速度傳感器和陀螺傳感器。它們主要用來讓ASIMO知道他身體目前前進(jìn)的速度以及和地面所成的角度，并依次計(jì)算出平衡身體所需要調(diào)

15、節(jié)量。這兩個(gè)傳感器起的作用和我們?nèi)祟悆?nèi)耳相同。要進(jìn)行平衡的調(diào)節(jié)，ASIMO還必須要有相應(yīng)的關(guān)節(jié)傳感器和6軸的力傳感器，來感知肢體角度和受力情況。 ?上下樓梯的動(dòng)作如果只是靠事先的程序輸入的話絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)。即使是輸入了階梯的高度及前后的距離，如果多達(dá)29層的話，也會(huì)因誤差累積而無(wú)法正常走下來。為此，Honda在ASIMO的每只腳上，都裝了一個(gè)6軸力傳感器，用來監(jiān)測(cè)每一步的穩(wěn)定程度。再結(jié)合陀螺儀和加速度傳感器，ASIMO使用了獨(dú)特的數(shù)學(xué)算法來讓他上下樓梯，并能夠上下斜坡而如履平地。Honda的工程通過使其腳內(nèi)側(cè)不緊貼地面、腳趾比臺(tái)階邊緣向前探出少許這樣的站立方式來探測(cè)出臺(tái)階的邊緣。在這一狀態(tài)下

16、，如果通過腳底的壓力傳感器進(jìn)行壓力分布測(cè)量的話，可以預(yù)先測(cè)出邊緣的位置。下樓梯時(shí)的著地點(diǎn)也可以同樣進(jìn)行預(yù)測(cè)。雖然操作人員向ASIMO輸入了樓梯大致的高度，但是最終則是通過 ASIMO足底的傳感器來確認(rèn)樓梯位置的。不只是下樓梯，ASIMO還能夠在斜坡上轉(zhuǎn)彎。這時(shí)由于ASIMO的每一步都要變換姿勢(shì)，并改變與ZMP的關(guān)系，較下樓梯難度更大。下樓梯與在斜坡轉(zhuǎn)彎使用了相同的算法，因此不需要改變模式。 圖30 3.2 其他一些腿式機(jī)器人 如圖所示，它們都可稱為腿式機(jī)器人。 圖15 圖

17、16 圖17 圖18 由于腿式機(jī)器人的形式多種多樣，過臺(tái)階的方式也各不相同，上述四中機(jī)器人都是可以過臺(tái)階的，我在此介紹一種最簡(jiǎn)單的腿式機(jī)器人，它是由蛇形機(jī)器人簡(jiǎn)化過來的，取蛇形機(jī)器人的兩個(gè)關(guān)節(jié)，過臺(tái)階方式如圖所示： 圖19 黃點(diǎn)處為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，過臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人一個(gè)腳支撐，另一只腳在兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)下，慢慢抬起，當(dāng)它接觸到臺(tái)階上時(shí)，它又作為新的支撐點(diǎn)，這樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，就可以達(dá)到過臺(tái)階的目的了。 4. 小結(jié)和展望 各種爬樓裝置都有各自的特點(diǎn)，本文介紹的只是無(wú)數(shù)爬樓

18、裝置中的典型的幾種。其中類人的爬樓裝置是將來機(jī)器人進(jìn)入家庭的發(fā)展方向，本田的asimo在這方面已經(jīng)做的很成熟，是高端爬樓裝置的發(fā)展方向。相比而言，輪式爬樓裝置的填補(bǔ)了低端爬樓裝置的空白，裝置的實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易些，簡(jiǎn)單，不需要大量的傳感器和復(fù)雜的算法。這兩種截然不同的原理互相補(bǔ)充，將在不同的需求場(chǎng)合發(fā)揮各自的作用。 參考文獻(xiàn) [1]日本本田公司的人形機(jī)器人[J]1機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2001(4)1. [2]王全福1機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J]1機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2001(3)1. [3]Laboring humanoid robot [J]1A IST Today, 2002(5)1.

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