1、 第二十六 届“冯如杯”学生创意大赛论文 简化仿生 智能 交替式 爬楼 机器人北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 1 摘要 楼梯 ， 是古人 用来 上高处的 巧妙 的 工具 之一 ， 却也 是人造环境中最常见的障碍， 成为了 现代 移动 机器人 在 移动 和 运输过程中最难跨越的障碍之一。 目前国内外现有的爬楼梯 的 装置和 各种各式专利， 可按 照 爬楼梯 的 功能实现的原理 分为 轮组式、 履带式 、轮腿式 等 。 本论文 主要针对爬楼机器人的结构 提出 了 一种 新的 设计 方面的 创意，设计了一款简化 腿轮 交替式爬楼运输电动机器人。 采用 双腿交替式 机
2、构实现爬越障碍，采用多电机驱动实现旋转与伸缩要求，采用车轮与机械腿交替实现既可在平地行走也可跨越障碍的多功能 要求 。腿轮式交替系统能适应不断变化的地面特性，能攀越楼梯等复杂障碍，具有极强的机动性、灵活性和地面适应性。 爬升装置是爬楼机器人的关键 ，在深入研究爬楼运输机器人的工作原理基础上，充分考虑爬楼运输机器人爬升装置的结构和尺寸以及爬升功率、安全性等要求，在 爬升装置设计的同时还对机器人行走环节进行了 创新 设计 。增加 红外测距传感器增强环境适应性；腿与框架螺栓联接，便于拆卸存放；结构设计合理，体积小，质量轻，便于市场推广。可适用于各种工厂、住宅楼的货物搬运。 关键词：爬楼机器人， 轮腿
3、 交替式， 越障，货物搬运 Key words: climbing-stairs robot, round legs alternating, obstacle crossing， fright 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 2 目录 摘要 . 1 一、引言 . 3 1.创意背景 . 3 2.国内研究现状 . 3 3.国外研究现状 . 4 二、核心创意 5 1.运动构型 . 5 2.转向机构 . 6 3.升降装置 . 7 三、可行性分析 8 1.总体结构分析 . 8 2相关技术分析 . 8 1）环境结构分析 8 2）驱动系统分析 9 3）电机构型选择 10
4、4）控制系统 11 5）运动分析 12 四、创意的应用前景 14 结论 . 14 参考文献 . 15 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 3 一、 引言 1.创意背景 机器人作为 自动 控制 的 机 械中的高级机器 ， 与其他机器 所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，例如 规划能力 、 感知能力 、动作能力和协同能力， 并 具有高度灵活性。对不同任务和特殊环境的 有一定的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重大 区别。 近年来 ， 机器人研究中的热点 之一是 非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术。但是 ， 非结构环境 由于其复杂性 ， 给移动
5、机器人的运动 造成了 智能决策和路径规划等方面的 困难。 越障机器人可用于工业中的一些 危 险 困 难 的 作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且能保障人身安全，改善劳动环境 ， 减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本。并且 ， 越障机器人的研究能 扩展机器人的作业空间，在人 不能到达或不便到达的环境中进行作业。 其中，当移动机器人从事各项任 务 和 响应事 务 的 时 候 ，楼梯 ， 是人造 各种 环境 之中的最常遇 的障碍 、 同时 也是最难跨越 的障碍之一。 2.国内研究 现状 国内发展较晚，主要有星轮式、有轮组式、 有摆臂式、 还有军用爬楼机器人的 创意设计 等等
6、， 但都未付诸生产。下图 1为长春工业大学与空军航空大学合作设计的星轮 式结构 ， 操作简单，稳定性好，重心波动范围小，缺点是体积过大，对地面适应能力差。下图 2为东华大学设计的全方位自主机器人。 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 4 图 1 图 2 3.国外 研究现状 国 外主要研究基于履带式的爬楼机器人，其原理简单，技术也比较成熟。 英国baronmead公司 使用的一种履带传功结构，可爬楼梯的最大坡度为 350，上下楼梯速度为每分钟 15 20个台阶。 如图 3所示。 法国 topchair生产的电动爬楼楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况平地运行使用，
7、当 遇到特殊地形的时候 ，可收起车轮，将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，自动完成爬楼。优点是传动效率高，重心波动小，运动非常平稳，使用地形范围广。但也有不足：重量大，运动不够灵活，对楼梯有损坏，平地使用阻力大，转弯不方便。 如图 4 所示。 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 5 图 3 图 4 通过 对国外、国内各种类型装置 分别分析其各自 优缺点 ， 可以得出结论： 国外 虽然在爬楼梯装置方面的研究已 有一百多年的历史，成果也十分丰硕 ，但是它们 大多结构 十分 复杂、造价 颇为 昂贵，远远超出了 我国 人民的经济承受能力 ； 而 国内的研究相对较晚，虽然也诞生
8、了一些 专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性 等重要因素 的限制，还没有产品 能够 真正 的投入使用。由此可见，为了解决移动机器人使用限制 的 这个 问题，同时考虑到我国经济承受能力， 就 需要研究一种价格 略为 低廉、功能 比较 多样的 一种 爬楼梯装置。 针对现 有种类的机器人的功能 单一 化 的问题 ，本文所涉及的内容即为简化智能交替式爬楼机器人设计理念、相关功能的延展与开发的全部内容。通过直线单元机构、转动机构、交替垂直运动机构在各种电控配件的合理控制下实现当今爬楼机器人难以解决的问题，最大限度的解决各种复杂的环境所面临的问题。 二、 核心 创意 1.运动构型 轮式移动机构具有重
9、量轻、结构简单、高速高效等优点 ,但其适应能力有所不足。而相比之下 ,传统两腿式机器人多为简单的双腿交替式，优点是 原理简单， 易于设计，操作方便， 适应能力强， 越障效果显著，但是在平地行走 重心不平稳， 速度缓慢，使用范围小。 轮腿交替式便可克 服这些缺点，在平地上用轮滑行，越障时变形为双腿式，实现多功能化 。 如图 5为简化模型， 整个设计实为圆柱模型。 上部分为旋转机构，下部分为腿轮交替式结构，最上面的载物台没有画出 。机器人在平地由四轮驱动，当检测到障碍时便自动停下， 各机构配合执行旋转、平移、伸缩等一系列由自动控制进行的动作。 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛
10、 参赛作品 6 图 5 2.转向机构 由电机带动转向 ， 可实现原地零半径转向 。 与此同时，创新点便在于此转向机构还承载着一项任务 ： 将重心向左移动 。 然后相对 应的另一支机械腿收缩，并旋转到上一级阶梯上方，载物台再将重心前移（即右移）。之后右腿先拉升，再将左腿旋转，回到初始状态 。整套动作为一个完整循环。 如图 6所示。 由于机器人部件尺寸一定，而楼梯的大小却不一定，由此应设计可调式尺寸。 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 7 图 6 3.升降装置 伸缩器 由 多电机带动 齿轮 ， 再由螺杆传动方式达到目的。 在不同情况由单片机 根据测得数据与地面指控信
11、息来得出结果， 控制不同电机，带动相应的伸缩腿伸缩，进行一系列的爬升、越障、变换 、 交替等动作。 腿的结构 主要是螺杆和攻有内螺纹的 齿轮以及轴承、螺杆套组成的螺旋传动结构。 螺旋传动 ， 是 目前 最重要的机械传动方式之一 。利用螺杆以及 螺母组成的螺旋副 是实现传动要求十分有效的一个方法。这个结构的主要作用是可以把旋转 转 运动经过传动化为直线运动 ， 可同时 将运动和力一起传递 。 螺旋传动有三种 类型 ,具体来说有 : 滚动螺旋传动 ， 滑动螺旋传动 以及 精密螺旋传动 。 这三种 传动 均有优缺点 ,但是 相对来说 ,滑动螺旋传动应用 是 最为广泛 的 ,因为它 结构 非常 简单、
12、加工 十分 方便、价格 也很 低廉 。 如图 7所示。 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 8 图 7 三、 可行性分析 1.总体结构分析 爬楼机器人主要由封闭机身，爬升装置 ，转向器，运载台四个部分组成 ， 通过各种比较拟采用电机驱动， 在转向器及伸缩器上分别安装一个和两个电机用以执行控制命令，完成不同动作。 由动力元件、控制元件、执行元件三部分组成 传动系统 。选用 传动比精 确、稳定、效率 很 高，工作可靠性 很 高、寿命 很 长 的 机械传动方式 。 控制系统主要由微处理器，传感器及外围定位系统 等 组成。为实现智能化， 拟 采用 PID 算法做自动控制
13、的算法 ， 从而得 到越障 性能的最优 解。 总体结构如图 8所示 。 图 8 2 相关技术分析 1） 环境 结构 分析 为设计机器人的一些重要尺寸，须得 参照 国家 住宅设计规范 GB50096-1999 国家标准 ,得出有关核心 参数 ,如 : a.过道净宽度不宜小于 1.2m; 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 9 b.楼梯段净宽度不应小于 1.10m; c.楼梯踏步宽度不应小于 0.26m,踏步高度不应大于 0.175m。 以及其他相关数据 ,我们可以发现国标给出的均为最低限度 ,所以 对 机器人的设计应该参考最低设计 的 标准 ,制定标准尺寸 来 进行
14、设计。 现计算机械装置的外观长度 。由于 楼梯宽度 不小于 1.10m，设载物台宽度 d，对其有如下限制条件： 2d 1.10 d时 q2 = Kp Td /T q1 = -Kp(1+2Td/T) q0 = Kp(1+Td/T) u(t) = u(t-1) + u(t) 注：各符号含义如下 e(t)： 控制器 输入与设定值之间的误差 。 Ti： 积分时间常数。 Td： 微分时间常数。（有的地方用 “Kd“表示） T： 调节周期。 Kp： 比例系数。 ： 积分分离阈值 。 u(t)： 控制器的输出值。 由此可消除系统误差，使得系统更为精确。当 微处理器接收 传感器和定位系统提供的信息 后 ， 将
15、数据信息 经 复杂的 PID计算后将命令信号传输到 电机执行器，从而实现整个机器人的控制。 图 9 5） 运动分析 a.水平运动分析 机器人水平运动靠的是轮组， 一般运动都会有一些偏差，现通过轨迹 计算进行轨迹校正 。 假设 爬楼 机器人从 A点 沿路径 F(x)运动到 B点 ,则路径曲线函数为 : 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 13 G(x)=F(x) (G(x)是 单调路径曲线 F(x)的某一 小部分 ,且是 单调曲线 ,曲线 F(x)可以是己知 的 规律曲线方程、或者 能 通过 数学拟合 和 通过 数据整理 等方法得到 的 。 ) 路径曲率变化函数 (
16、路径的导函数 )为 : ( ) ( )dG x dF x 在 G(x)上任取两点 i,j； i 11( , )xy ,j 22( , )xy 的斜率分别是 1()dFx ， 2()dFx 。 对应过两点的直线和交点 p分别为 ： : ( ) ( ) ( )i i i iL d F x i x x F x x : ( ) ( ) ( )j j j j jL d F x x x F x x 联立可得 P( , )ppxy 。 ( ) ( ) ( ) ( )( ) - ( )i j j ipjiF x F x d F x d F xx d F x d F x ( ) ( ) ( ) ( )( ) -
17、 ( )i j j ipjiF x d F x F x d F xy d F x d F x 此时机器人 的运动轨迹 在 i点时 调整好 运功 姿态 ,接着 沿 ip线段直线运动 ,到达 p后转动角 ，再次 调整好姿态沿 pj线段直线运动 ，以此 实现路径行走。 为两直线间的夹角 。 ( ) ( )= a r c ta n 1 ( ) ( )jiijd F x F xd F x F x b. 爬升运动 平衡 分析 机器人爬升运动靠的是双腿的旋转交替。 在 交替 上 楼 的 过程中 最大的 问题是 临界点 的 运动 情况 。 在 质 心 平移 的 过程 中 ， 最重要 的 是 质 心 平移 的
18、相对位置 ， 若有 偏差 ， 便会 导致机器人 发生 偏转 而失事 。 由于 机器人 是不均匀 形体 ， 先计算 质心 。 质心是质点系质量分布的平均位置。 可大概 将机器人 看为 由 7个 质点组成 ， 分别是 载物台 ， 伸缩 腿 两支 ， “ 脚腕 ” 两个 ， 足 两个 。 它们的质量分别是 1,m 2, 3mm 7m 。若用 1 2 3 7, , ,r r r r 分别表示坐标 系中各质点相对于某一固定点 O的矢径，用 r 表示质心的矢径，则有 ： 北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 14 式中 ： 表示质点系的总质量 。 得出 质心 的位置 之后 ，
19、对其 受力分析 ， 算出 平衡 点 。 由于 实际 情况 比较 复杂 ， 应将 质心 置于 平衡 点 偏前的位置 ， 才能 保持平衡 。 四、 创意的应用前景 本文设计的 爬楼机器人是将计算机 工程 、 机械 控制 、电子 信息 、新材料 力学 、 智能控制与网络通信等多门学科聚集 于一体 ， 是一种 极具 战略性 、 前瞻性 和 基础性 的高新技术。 首先， 对这种 爬楼机器人 的研究 ， 将为未来改善 民生 提供技术上 的有力支持 。 并且可利用其超简洁性与高智能性 ， 结构设计合理，质量轻，体积小，便于市场推广 等良好性能 广泛的应用于中国 民众市场。 例如可广 泛运用于 老年人 、 残
20、疾人和 小孩 等弱势群体 ，同时还可适用于 疗养院 、 家庭 及 医院 等多种场所。 其次，随着电商的不断发展，快递业迅速崛起，可将本爬楼机器人应用于送快递上门，将可为电商赢得大量客户。同理，由于社会步伐的加快，餐饮业的外卖服务一直是社会的热门行业，爬楼机器人也可成为外卖送餐员。 再者， 可适用于各种住宅楼 以及 工厂的货物搬运 ， 使机器人成为我们廉价的劳动力 。 而且 本机器人也是一种 十分 基础 的 机器人 ， 基于本 爬楼 机器人的理论研究还有很多 ， 而且在基础机器人的 理论基础上的 再创造 和 再 创新 也是非常有 应用 前景的。 此项研究具有 很大的 科学意义和推广应用价值 ，
21、还具有广阔的发展前景 ， 可以带来很大的社会和经济效益。 结论 本文主要对于 简化仿生智能交替式爬楼机器人 进行了研究，在对前人对爬楼机器人北京航空航天大学第二十六届 “ 冯如杯 ”学生创意大赛 参赛作品 15 的研究上进行了 一定的 分析与创新。从 传动系统与 机械结构、 控制系统 等 方面对爬楼机器人进行了 运动分析、 控制分析与 机械分析 。在机械结构方面， 爬楼 机器人具有简洁可靠的特点。在传动系统方面， 爬楼 机器人用机械的方式模仿人类的行走，并且重心波 动范围小。在控制系统方面， 爬楼 机器人采用自动控制系统与 地面检测 系统 的结合方式，可实现多种控制模式 多种运动方式 的交换
22、、多电机协调控制及多信号的处理 等功能 。最后经过可行性 设计 分析，结合环境的问题与电机的选择，对其进行运功学的推导 ，可以看出 爬楼 机器人具有十分广泛的应用前景。 通过本次对爬楼机器人的研究，对机器人的 各种 结构 的 设计与控制 的一些 方法有了更 深刻 更 全面 的了解 和认识 ，对如 现代控制理论 、 传感器信号处理 、 机械原理及设计 与单片机等方面的知识有了一个较为系统的学习。 特别是 控制系统中 ， 我了解了机器人基本控制原理， PID 技术，还了解了定位系统的基本工作原理，认识 到各种传感器对于机器人的重要性，这将为以后的科研打下良好的基础。感谢学校为我提供了这次机会，让我得到了锻炼。 参考文献 1 张鑫，军用爬楼机器人运动学分析及遥控装置的设计 D.2007， (1) 2 刘静 , 赵晓光 , 谭民 . 腿式机器人的研究综述 J. 2006, (1) 3 张勤 ,吴志斌等 ,基于重复变换法的多关节站立型机器人搬运动作仿真 J,机器人 ,2011年 33 卷 3 期 :340-346 4 刘永生 ,张文志 ,刘乐等 ,轮腿混合移动机器人机构设计及分析 J,机械设计与制造 ,2011 年 1 期 :156-157 5 梁虎， 全方位水平姿态爬褛机器人机械系统及 关键技术研究 D.2014
