樓梯攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

邢一童 劉丹寧 于家驊 趙鑫鑫

摘要：多功能樓梯攀爬機(jī)器人，旨在制造一個應(yīng)用于更簡便的上下樓梯機(jī)器人，樓梯間貨物的運(yùn)輸，也可以應(yīng)用于救援探測。因多功能樓梯攀爬機(jī)器人需要在室內(nèi)承載負(fù)載并攀爬樓梯，故移動機(jī)構(gòu)采用四輪式移動機(jī)構(gòu)，兩個變形輪為驅(qū)動輪，兩個行星輪為從動輪，可更好的滿足機(jī)器人的各種工作環(huán)境的要求，減少室內(nèi)作業(yè)時候的轉(zhuǎn)彎半徑，通過前輪分散驅(qū)動，減少電源損耗，延長工作時間?；诖吮狙芯刻岢鲆环N將變形輪行星輪與履帶相結(jié)合的復(fù)合式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：多功能樓梯攀爬機(jī)器人;超聲波傳感器;吸盤式機(jī)械手

1、引言

智能機(jī)器人的出現(xiàn)，正在慢慢的改變?nèi)藗兩詈凸ぷ鞯姆绞?，在越來越多的方面呈現(xiàn)出巨大的亮點(diǎn)，比如在某些情況復(fù)雜的局面、崎嶇不平的地形環(huán)境中替代人類工作。非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下智能移動機(jī)器人的研究對于拓展智能機(jī)器人的工作環(huán)境，以及在人類不舒適或無法接近的危險和困難環(huán)境中工作具有重要意義。智能移動機(jī)器人還可以用于工業(yè)生產(chǎn)中相對危險和困難的工作場所，提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善工作環(huán)境，降低工作強(qiáng)度;其中，當(dāng)智能移動機(jī)器人參與各種工作時，樓梯是人工環(huán)境中最困難、最常見、最特殊的障礙物之一。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和不同的操作要求，必須設(shè)計不同類型的移動機(jī)構(gòu)來滿足移動機(jī)器人的要求。越障機(jī)器人采用的運(yùn)動結(jié)構(gòu)形式主要有輪組式、履帶式、腿足式、組合式和變結(jié)構(gòu)式。該組合方法考慮了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，使機(jī)器人具有更好的靈活性和適應(yīng)性，本文的樓梯攀爬機(jī)器人采用輪式和履帶式組合方式。

2、總體設(shè)計

為了使履帶式爬梯機(jī)器人具有平面全方位運(yùn)動，實現(xiàn)爬梯功能，將總體方案設(shè)計分為機(jī)械結(jié)構(gòu)方案和控制方案兩部分。

其中機(jī)械結(jié)構(gòu)包括樓梯攀爬機(jī)器人由兩個變形輪為驅(qū)動輪、兩個行星輪為從動輪、履帶、超聲波傳感器、吸盤式機(jī)械手等組成?？刂平Y(jié)構(gòu)包括電機(jī)、電池、2.4G無線模塊等。

機(jī)器人工作原理如下：

機(jī)器人首先通過已編好的程序?qū)⑽P機(jī)械手處于放開狀態(tài)，機(jī)械手到達(dá)物品所在的位置后程序啟動使得吸盤處于吸附的狀態(tài)，這時機(jī)械手將物品抬起或者放到車身上放的箱子中，此時在到達(dá)樓梯之前使用的是履帶向前行駛，在到達(dá)樓梯之前的十米以內(nèi)的距離超聲波傳感器即可將檢測到的信息傳遞給運(yùn)動控制模塊，變形輪在這時通過運(yùn)動控制模塊下降代替履帶進(jìn)行爬樓梯，在到達(dá)樓梯頂部后變形輪這時會上升讓履帶作為主要行駛的輪子到達(dá)指定地點(diǎn)后將物品放下，即完成任務(wù)。

當(dāng)某一地方發(fā)生災(zāi)害時為了防止人員的傷亡可以使用樓梯攀爬機(jī)器人，當(dāng)?shù)竭_(dá)需要檢測的地點(diǎn)時，機(jī)器人通過上方的云臺攝像頭將檢測地的實際情況記錄下來通過內(nèi)部的圖像運(yùn)輸模塊快速且準(zhǔn)確的將內(nèi)部的情況傳遞給救援人員在保證安全的情況下實施救援。

3、機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計

控制原理：機(jī)械手為氣動射流程序控制，其動作程序：吸料—上升—伸出—放料—延時—縮回—下降—吸料。

具有攀爬樓梯功能的機(jī)器人設(shè)置有吸盤式機(jī)械臂，機(jī)械臂手設(shè)置在底盤的上表面，用以抓取和放置物品。其機(jī)械臂每個構(gòu)件有個軸鏈接，多個范圍可動，實現(xiàn)模仿手臂運(yùn)動且方便收縮不占地方而且吸盤式機(jī)械臂通過編程來控制吸盤的吸放使得拿取物體更加的穩(wěn)定。

4、電子硬件及控制部分的設(shè)計

整個機(jī)器人由24V鋰電池供電，控制電路的每個部分由穩(wěn)壓電路供電。超聲波測距傳感器檢測環(huán)境，陀螺儀加速度計接收機(jī)器人的位置角來調(diào)整重心;2.4G無線通信實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，單片機(jī)實現(xiàn)PWM和電平信號控制，驅(qū)動電路驅(qū)動變形輪、行星輪和軌道進(jìn)行正確操作，以及吸盤式機(jī)械手對貨物的拿取。

5、結(jié)論

該樓梯攀爬機(jī)器人能夠應(yīng)用于樓梯間貨物的運(yùn)輸，也可以應(yīng)用于樓房的或災(zāi)后的救援探測。本文利用變形輪、行星輪和履帶的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，結(jié)合升降桿實現(xiàn)變形輪與履帶的交替使用進(jìn)行爬樓梯越礙的作用;通過超聲波測距儀來判斷是否到達(dá)樓梯底部（頂部），以此切換機(jī)器人的主要行駛輪，在車身部分設(shè)計了吸盤式機(jī)械手以便于更穩(wěn)定的搬運(yùn)貨物。研究履帶、變形輪、行星輪和一些輔助機(jī)構(gòu)，對于機(jī)器人在惡劣環(huán)境、越障和運(yùn)輸重物等方面的工作具有重要意義。

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基金項目：2021年山東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（S202113320023）;2020年青島黃海學(xué)院科技創(chuàng)新活動項目;2021年國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目.

作者簡介：邢一童（2000.06-），女，漢族，山東曲阜人，大學(xué)本科學(xué)歷，專業(yè)：機(jī)器人工程。