基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制方法研究

陳京邦，陳雨

1山東科技大學(xué)；2北京航空航天大學(xué)

基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制方法研究

陳京邦1，陳雨2

1山東科技大學(xué)；2北京航空航天大學(xué)

本文在簡(jiǎn)要介紹了輪椅機(jī)器人的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制方法進(jìn)行了研究，從幾何與靜力學(xué)模型的建立出發(fā)，在傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，對(duì)以這一準(zhǔn)則為依據(jù)的輪椅機(jī)器人的爬樓梯控制過(guò)程進(jìn)行了研究，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)人員提供參考。

傾翻與滑移；穩(wěn)定性準(zhǔn)則；輪椅機(jī)器人；爬樓梯；控制方法

前言

輪椅是行動(dòng)不便者的主要代步工具，傳統(tǒng)的輪椅設(shè)計(jì)存在一定的弱點(diǎn)與缺陷，即無(wú)法完成爬樓梯的過(guò)程，輪椅機(jī)器人的出現(xiàn)有效的解決了上述問(wèn)題，使上下樓梯的過(guò)程成為了可能。受種種因素影響，當(dāng)前輪椅機(jī)器人在爬樓梯的過(guò)程中還存在著側(cè)翻與滑移等現(xiàn)象，基于上述準(zhǔn)則對(duì)其爬樓梯過(guò)程進(jìn)行控制十分重要，這是提高輪椅機(jī)器人整體越障性能的基礎(chǔ)。

1 輪椅機(jī)器人概述

1.1 輪椅機(jī)器人

輪椅機(jī)器人即將機(jī)器人的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)用到輪椅設(shè)計(jì)過(guò)程中，所形成的一種輪椅形成。相對(duì)于傳統(tǒng)輪椅而言，輪椅機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障性能，能夠有效的完成上下樓梯的過(guò)程[1]。目前，輪椅機(jī)器人主要包括星型輪式、腿式以及履帶式三種。上述三種類型在爬樓梯的原理方面有所不同，同時(shí)各自存在著優(yōu)勢(shì)以及缺陷。以前者為例，這一類型的輪椅機(jī)器人能夠十分順利的完成爬樓梯的過(guò)程，但舒適度方面卻無(wú)法得到很好的保證。整體上看，三種輪椅機(jī)器人中，以履帶式的性能最強(qiáng)，不僅能夠保證上下樓梯的順利性，同時(shí)還能夠使使用者的舒適程度得到提高。但需要注意的是，履帶式輪椅機(jī)器人在使用過(guò)程中十分容易發(fā)生側(cè)翻以及滑移的問(wèn)題，因此有必要針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究。

1.2 輪椅機(jī)器人爬樓梯過(guò)程

輪椅機(jī)器人的爬樓梯過(guò)程主要采用的是背向運(yùn)動(dòng)的方式，共分四步完成，在四步中，機(jī)器人的后擺臂會(huì)做出不同的動(dòng)作，同時(shí)座椅也會(huì)根據(jù)后擺臂的動(dòng)作在傾斜度方面做出相應(yīng)的調(diào)整，以使使用者的身體能夠保持平衡[2]。通過(guò)兩者的互相配合，爬樓梯的動(dòng)作便能夠順利的完成。

2 基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制方法

2.1 幾何模型與靜力學(xué)模型的建立

在對(duì)基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制方法進(jìn)行研究的過(guò)程中，必須依靠相應(yīng)的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中幾何模型以及靜力學(xué)模型屬于兩項(xiàng)重點(diǎn)，對(duì)此，有關(guān)人員一定要加以重視[3]。建立幾何模型的目的在于保證輪椅機(jī)器人能夠順利完成爬樓梯的過(guò)程，而不至于出現(xiàn)安全方面的問(wèn)題。相對(duì)而言，建立靜力學(xué)模型的意義則在于合理的減緩輪椅的爬樓梯速度，進(jìn)而使使用者的舒適度得到提高。

2.2 側(cè)翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則

側(cè)翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的建立同樣十分重要，輪椅機(jī)器人爬樓梯共包括四個(gè)階段，每一階段的準(zhǔn)則各不相同，對(duì)此，在對(duì)其爬樓梯控制方法進(jìn)行研究的過(guò)程中，一定要從每一階段入手，建立不同的側(cè)翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則，這一點(diǎn)十分重要。

2.3 基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制過(guò)程

基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制過(guò)程主要包括對(duì)驅(qū)動(dòng)輪與后擺臂的控制以及對(duì)前擺臂的控制兩方面內(nèi)容[4]。

首先，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪與后擺臂進(jìn)行控制的目的在于使輪椅機(jī)器人的行走與變形的穩(wěn)定程度得到保證，對(duì)此，需要通過(guò)在后擺臂上設(shè)置轉(zhuǎn)角傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器能夠有效的測(cè)量輪椅的傾角，并在其與合理角度存在差距時(shí)，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到控制目的。

其次，對(duì)前擺臂進(jìn)行控制的目的在于使履帶的緊張程度保持在合理的狀態(tài)。單獨(dú)的對(duì)力或位置的控制均存在一定的缺陷，因此無(wú)法有效的達(dá)到控制目的。通過(guò)設(shè)置傳感器的方式能夠使力與位置得到綜合的控制。這對(duì)于輪椅機(jī)器人爬樓梯安全性的保證具有重要價(jià)值。

3 控制效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為確保上述控制過(guò)程能夠達(dá)到一定的控制效果，有關(guān)人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)其整體性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中將履帶式輪椅機(jī)器人按照上述文章中所指出的方法對(duì)傳感器進(jìn)行了安裝，同時(shí)對(duì)各方面參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，選擇小區(qū)居民樓樓梯作為實(shí)驗(yàn)樓梯，對(duì)輪椅機(jī)器人的爬樓梯過(guò)程進(jìn)行了觀察，最終發(fā)現(xiàn)，在多次實(shí)驗(yàn)中，并沒(méi)有出現(xiàn)側(cè)翻與滑移的現(xiàn)象，且據(jù)實(shí)驗(yàn)人員描述，上下樓梯舒適程度較高，速度合理。因此可以認(rèn)為，上述控制方法的實(shí)施能夠有效的達(dá)到提高履帶式輪椅機(jī)器人安全性的目的，同時(shí)還能夠?yàn)槭褂谜邘?lái)更加舒適的體驗(yàn)，因此有必要將其投入到具體的使用過(guò)程中，以為行動(dòng)不便者出行便利性的提高帶來(lái)更大的幫助。

結(jié)論

綜上，傳統(tǒng)輪椅無(wú)法完成爬樓梯的過(guò)程，輪椅機(jī)器人的出現(xiàn)能夠使上述問(wèn)題得到解決，但以履帶式為主的輪椅機(jī)器人在爬樓梯過(guò)程中卻容易發(fā)生側(cè)翻與滑移現(xiàn)象?；趥?cè)翻與滑移準(zhǔn)則的機(jī)器人控制方法的應(yīng)用在解決上述問(wèn)題方面具有較好的效果，在幾何模型以及靜力學(xué)模型的建立以及對(duì)傳感器的安裝下，前擺臂與后擺臂能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于輪椅機(jī)器人穩(wěn)定性的提高以及舒適度的保證均能夠起到積極的促進(jìn)作用。

[1]于蘇洋,王挺,王志東,王越超,姚辰.基于傾翻與滑移穩(wěn)定性準(zhǔn)則的輪椅機(jī)器人爬樓梯控制方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,03:676-684.

[2]饒偉,施家棟,王建中.關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人爬樓梯動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,15:60-67.

[3]李楠,王明輝,馬書(shū)根,李斌,王越超.基于聯(lián)合運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的可變形履帶機(jī)器人在線翻越樓梯控制方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,01: 47-56.

[4]劉娟秀,吳益飛,郭健,陳慶偉.一種輪足式爬樓梯機(jī)器人的傾翻穩(wěn)定性研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,06:643-649.

陳京邦（1990-），男，山東省昌邑人，研究生，山東科技大學(xué)，研究方向：機(jī)構(gòu)創(chuàng)新與機(jī)器人技術(shù)。

陳京邦。