改進(jìn)型輪腿式爬樓梯機(jī)器人的研究

王子牛 王恒 楊欣靜 姚翼榮

摘 要：為提高爬樓梯機(jī)器人的實(shí)際使用效果，通過對傳統(tǒng)輪腿式機(jī)器人的改進(jìn)，設(shè)計了一種新型輪腿式機(jī)器人。文中介紹了機(jī)器人的主要構(gòu)造，分析計算了機(jī)器人輪腿的形狀及尺寸，設(shè)計了機(jī)器人的控制算法并制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗。結(jié)果表明，改進(jìn)的輪腿式機(jī)器人運(yùn)動過程中質(zhì)心變化幅度減小，運(yùn)動過程更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：爬樓梯；機(jī)器人；輪腿；越障

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

隨著智能化機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人越來越多樣化，人類在進(jìn)行探查、偵探、巡邏、排爆時離不開機(jī)器人的協(xié)助。機(jī)器人能幫助人類跨越障礙，在自身能力允許的情況下，有助于人類完成惡劣、危險情況下的作業(yè)。

當(dāng)前大多機(jī)器人爬樓梯所采用的原理為腿式、星輪式[1]、履帶式[2]、可變形式[3]，甚至還可交叉實(shí)現(xiàn)各種功能。手臂支撐式機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、承重能力強(qiáng)、效率高、容易控制等優(yōu)點(diǎn)[4]，但由于其支撐的手臂是木制品，環(huán)境適應(yīng)能力較弱，因此很難適應(yīng)現(xiàn)代多樣化的樓梯結(jié)構(gòu)?？紤]到滾輪式機(jī)器人摩檫力比較小，遇到光滑的地板容易打滑，而腿式爬樓梯機(jī)器人能克服上述缺點(diǎn)，可通過調(diào)整腿部姿勢和加大腳掌的抓地力適應(yīng)惡劣的環(huán)境，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部控制的部件較多，重心難以掌控，靈活性機(jī)動性較差，因此需要進(jìn)行復(fù)雜的軌跡設(shè)計和步態(tài)規(guī)劃。

針對上述問題，同時為了實(shí)現(xiàn)其高速、穩(wěn)定的爬樓梯功能，通過對不同類型爬樓梯機(jī)器人進(jìn)行綜合考量，設(shè)計了一款新型輪腿式爬樓梯機(jī)器人。

1 爬樓梯機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的輪腿式爬樓梯機(jī)器人采用類似風(fēng)車的對稱結(jié)構(gòu)，由機(jī)身和兩個輪腿及尾部的支撐掛鉤組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其輪腿前端固定有橡膠帽以增加摩檫力，減少爬樓梯過程中因受滑動和震動而對風(fēng)車輪造成傷害，具有防滑減震的效果。

腿輪采用兩個電機(jī)共同驅(qū)動，兩邊安裝有滾動的木質(zhì)輪子，木制輪子具有較輕的質(zhì)量和較大的強(qiáng)度，電機(jī)通過支架、齒輪與傳動軸固定在一起。

機(jī)器人尾部長度大概是樓梯長度的兩倍，采用木制材料制作而成，懸掛在機(jī)器結(jié)構(gòu)的底部，可以抵消電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩，避免機(jī)器人機(jī)身翻轉(zhuǎn)。尾部后安裝一個由舵機(jī)控制方向的輪子，用來控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)動方向。

機(jī)器人的輪子如圖2所示，5個輪腿相互間隔72°，輪腿有倒鉤狀突起可以在運(yùn)動過程中勾住臺階，利用反作用力使得機(jī)器人抬升，同時輪子轉(zhuǎn)動使得機(jī)器人爬上下一級臺階。倒鉤上面附有一層橡膠可以增大摩檫力，減小震動。圓弧形狀可以減少平地行駛時的顛簸，增強(qiáng)平面行駛能力。輪腿通過螺絲固定在機(jī)器人上，可以通過更換不同規(guī)格的輪腿適應(yīng)不同的樓梯。

采用兩個直流減速電機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動單元。為解決兩個輪子轉(zhuǎn)速不同步的問題，兩個電機(jī)驅(qū)動同一根傳動桿，通過傳動桿連接腿輪。具體參數(shù)見表1所列。

2 機(jī)器人尺寸的確定

2.1 機(jī)器人輪腿尺寸

機(jī)器人通過輪腿旋轉(zhuǎn)攀爬樓梯，輪腿尺寸是決定機(jī)器人能否穩(wěn)定攀爬樓梯的關(guān)鍵。機(jī)器人輪腿尺寸計算模型如圖3所示。

由公式（1）、（2）可知，不同輪腿系桿數(shù)對機(jī)器人爬樓梯能力所需的驅(qū)動力不同，輪腿系桿數(shù)越大所需驅(qū)動力越小[5]。

由于臺階高度h為一定值，當(dāng)θ越小即腿輪系數(shù)越大時，r越大。所以經(jīng)過實(shí)驗選取輪腿系桿數(shù)為5。

經(jīng)過對不同樓梯臺階的尺寸進(jìn)行測量分析，最終設(shè)計的機(jī)器人長為670 mm，寬高為230 mm，腿輪尺寸為190 mm。根據(jù)機(jī)器人實(shí)際使用的需求，計算出機(jī)器人運(yùn)動時所需轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等的范圍，選取12 V 37型直流減速電機(jī)和3S航空電池作為驅(qū)動單元。

3 機(jī)器人運(yùn)動模式分析

3.1 機(jī)器人爬樓梯模式

如圖5所示，機(jī)器人通過電機(jī)驅(qū)動兩個輪腿勾住臺階，利用反作用力與摩擦力爬樓梯。

3.2 機(jī)器人轉(zhuǎn)向模式

由于機(jī)器人的兩只前輪通過同一根傳動軸連接，所以不能通過兩個驅(qū)動輪進(jìn)行差速轉(zhuǎn)彎，因此本文在機(jī)器人尾部增加了一個由舵機(jī)控制的轉(zhuǎn)向輪，可以以機(jī)器人長度為半徑進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)，解決樓梯間等狹小空間內(nèi)的轉(zhuǎn)向問題。

3.3 機(jī)器人平地行駛模式

機(jī)器人平地行使圖示如圖6所示。

式（3）～（6）給出了機(jī)器人在平地行駛時腿輪質(zhì)心高度的變化。當(dāng)腿輪采用倒鉤設(shè)計后，可以有效減少機(jī)器人在平地行駛時質(zhì)心高度的變化，減少機(jī)器人在行駛過程中的顛簸幅度，提高機(jī)器人在平地行駛時的速度與穩(wěn)定性。

4 機(jī)器人控制系統(tǒng)

4.1 控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際需求，本文研究設(shè)計的機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由電源模塊、主控芯片、電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外探測模塊、慣性導(dǎo)航模塊、無線傳輸模塊等組成。

主控芯片STM32[6]具有實(shí)時性好，可靠性高，性價比高等優(yōu)勢，可滿足腿輪式爬樓梯機(jī)器人的控制需求。慣性測量單元MPU6050六軸陀螺儀[7]可提供機(jī)器人的姿態(tài)信息，用于判斷機(jī)器人所處狀態(tài)，陀螺儀角度處于24～36°之間時可以認(rèn)定機(jī)器人處于平地，當(dāng)角度大于36°時可認(rèn)為機(jī)器人處于爬樓梯狀態(tài)。主控芯片通過藍(lán)牙與上位機(jī)通信[8]，發(fā)送機(jī)器人的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，也可切換成遙控模式接受遙控指令。

4.2 機(jī)器人控制算法

機(jī)器人在爬樓梯過程中所需要的扭矩不同，機(jī)器人在上升過程中需要大扭矩，而在同一級臺階或平地上行駛時需要較小的扭矩。為控制機(jī)器人勻速運(yùn)動，本文設(shè)計的機(jī)器人采用單環(huán)PID算法[9]，即通過編碼器輸出反饋到主控芯片，再將結(jié)果轉(zhuǎn)換成不同占空比的PWM波驅(qū)動電機(jī)[10]，提供不同的扭矩，控制機(jī)器人勻速運(yùn)動。

4.3 程序流程圖

程序流程如圖7所示。

5 實(shí)際效果

圖8所示為機(jī)器人在平地上行駛時主體部分的角度變化，由于采用了改進(jìn)型輪腿結(jié)構(gòu)，機(jī)器人主體角度變化較小，增強(qiáng)了機(jī)器人的平地行駛能力。

圖9所示為機(jī)器人在爬樓梯過程中主體角度的變化。由于階梯相對較高，所以在爬樓梯過程中機(jī)器人主體角度的變化大于平地行駛時的角度。

6 結(jié) 語

本文針對爬樓梯機(jī)器人的實(shí)際需求及現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，針對已有的爬樓梯機(jī)器人類型進(jìn)行改造，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬樓梯的功能。通過程序設(shè)計使機(jī)器人能夠切換不同的模式并與上位機(jī)通信。所設(shè)計的機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

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