一种新型的爬楼梯机器人_黄先琪
机械系统设计课程论文爬楼机器人设计
2012机械系统设计课程论文爬楼机器人设计一、设计要求设计一台能够转向和平地上行走的爬楼机器人，要求机器人从四个方位都能攀爬楼梯，在攀爬过程中机器人要保持水平姿态。
从机械系统观念出发，提出不少于二套设计设计方案，并进行必要的方案评价和技术论证。
二、设计背景与意义在城市里, 楼梯是人造环境中最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。
因此, 机器人的爬梯能力是移动机器人的重要越障性能指标。
通过加载不同的仪器设备，机器人可广泛用于危险环境探查、救灾、助残、搬运等作业, 其应用价值巨大[1][2]。
三、爬楼机器人研究现状总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置[3]。
(l)履带式履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。
履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。
它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。
但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。
(2)轮组式轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。
单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定；而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。
轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。
此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。
(3)步行式早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。
上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。
步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。
一种新型的爬楼梯机器人
一种新型的爬楼梯机器人
黄先琪
【期刊名称】《机械》
【年(卷),期】2009(036)005
【摘要】研制了一种利用平行四边形变形特点,实现上下楼梯功能的机器人,用于楼道、墙面自动吸尘器.该机器人结构紧凑、体积小、重量轻、操作方便,爬楼梯速度快、平稳可靠,采用单片机控制系统,用以协调整个系统的行走、转向等动作,实现全工作过程的自动化.实验结果验证平行四边形机构机器人具有较强的越障能力和路面适应能力.
【总页数】2页(P75-76)
【作者】黄先琪
【作者单位】四川交通职业技术学院,机电工程研究所,四川,成都,611130
【正文语种】中文
【中图分类】TP242.3
【相关文献】
1.一种基于螺旋副的爬楼梯机器人设计 [J], 谭昊轩
2.一种轮足式爬楼梯机器人的倾翻稳定性研究 [J], 刘娟秀;吴益飞;郭健;陈庆伟
3.一种爬楼梯机器人的创新设计 [J], 周梓达; 纪浩钦; 叶日鸿; 李金泉; 汪朋飞
4.一种轮履复合式爬楼梯机器人 [J], 朱奋永;陈虎城;聂炜军;钱奕臣;黄相宁;黄军淋
5.一种助老移动爬楼梯机器人的本体设计与分析 [J], 姚志广;赵浩成
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一种新型的爬楼梯机器人
机械 2009年第 5期总第 36卷机器人技术 ·75·————————————————收稿日期:2009-03-23作者简介:黄先琪(1959-,四川南部人,教授级高级工程师,工学学士,主要研究方向为机电系统设计。
一种新型的爬楼梯机器人黄先琪(四川交通职业技术学院机电工程研究所,四川成都 611130摘要 :研制了一种利用平行四边形变形特点,实现上下楼梯功能的机器人,用于楼道、墙面自动吸尘器。
该机器人结构紧凑、体积小、重量轻、操作方便,爬楼梯速度快、平稳可靠,采用单片机控制系统,用以协调整个系统的行走、转向等动作,实现全工作过程的自动化。
实验结果验证平行四边形机构机器人具有较强的越障能力和路面适应能力。
关键词 :爬越;楼梯;机器人;设计中图分类号:TP242.3 文献标识码:A 文章编号:1006-0316 (2009 05-0075-02A new type of stair climbing robot researchHUANG Xian-qi(Sichuan Traffic Vocational and Technical College, Chengdu 611130, ChinaAbstract :A new type of stair climbing robot using parallelogram deformation characteristics is designed for auto vacuum cleaner for corridors and walls. The robot is compact, small size, light weight, easy to operate, stair climbing fast, reliable and stable.A single-chip computer control system is used for coordinating the entire operating system, which can coordinate the actions of processing and turning. The experimental results verify the parallelogram robot has a good ability to over obstacles and adapt roads.Key words:climbing ; stairs ; robot ; design1 爬楼梯机器人现状移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。
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机械 2009年第5期 总第36卷 机器人技术 ·75·
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收稿日期：2009－03－23
作者简介：黄先琪（1959－），四川南部人，教授级高级工程师，工学学士，主要研究方向为机电系统设计。
一种新型的爬楼梯机器人
黄先琪
（四川交通职业技术学院 机电工程研究所，四川 成都 611130）
摘要：研制了一种利用平行四边形变形特点，实现上下楼梯功能的机器人，用于楼道、墙面自动吸尘器。
该机器人结构紧凑、体积小、重量轻、操作方便，爬楼梯速度快、平稳可靠，采用单片机控制系统，用以协调整个系统的行走、转向等动作，实现全工作过程的自动化。
实验结果验证平行四边形机构机器人具有较强的越障能力和路面适应能力。
关键词：爬越；楼梯；机器人；设计
中图分类号：TP242.3 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 05－0075－02
A new type of stair climbing robot research
HUANG Xian-qi
(Sichuan Traffic Vocational and Technical College ，Chengdu 611130，China)
Abstract ：A new type of stair climbing robot using parallelogram deformation characteristics is designed for auto vacuum cleaner for corridors and walls. The robot is compact, small size, light weight, easy to operate, stair climbing fast, reliable and stable. A single-chip computer control system is used for coordinating the entire operating system, which can coordinate the actions of processing and turning. The experimental results verify the parallelogram robot has a good ability to over obstacles and adapt roads.
Key words ：climbing ；stairs ；robot ；design
1 爬楼梯机器人现状
移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。
早在20世纪60年代，就已经开始了关于移动机器人的研究，按照移动方式可以采用轮式、履带式和腿式三种机构模型。
1.1 轮式机器人
直接利用车轮或类轮转动达到行进或爬坡目的的机器人称为轮式机器人（图1）。
在满足一定地形适应性前提下，可充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点。
但对地形的适应性大小与轮子的数量成正比，随着轮子数量的增加又带来了体积庞大、重量重等缺点。
1.2 履带式机器人
直接利用履带转动达到行进或爬坡目的的机器
人称为履带式机器人（图2）。
地面适应性强、稳定性高、机构简单，但能量损耗高。
1.3 腿式机器人
模仿人类或其它动物腿部运动的机器人称为腿式机器人（图3）。
地面适应性强，稳定性高，但机构及控制复杂、运行速度低。
图1 轮式机器人 图2 履带式机器人 图3 腿式机器人
2 爬越楼梯机器人机构设计
2.1 楼道、墙面自动吸尘器设计方案
楼道、墙面自动吸尘器由原动系统、传动系统、
·76· 机器人技术 机械 2009年第5期 总第36卷
工作系统和控制系统等组成，通过德国慧鱼创意组合模型完成组装（图4）。
该机器人本体与平行四边形机构用铰链相连，六个车轮的直径均为85 mm ；前轮上安装有二个电动机，一个驱动转向，另一个驱动小车的前进和后退；中间轮和后轮上各安装有一个电动机，驱动小车前进和后退；四个电动机具有相同的功率。
利用平行四边形变形特点，改变与主体相连平行四边形机构的角度，可使前车轮、中间车轮分别抬起和落下，来实现自适应在楼梯面的爬行。
2.2 楼道、墙面自动吸尘器本体结构分析
本体主要起支撑整车支架的作用。
前端、中间采用二轴四轮驱动轮，分别安装在两侧向平行四边形机构上，与其链接在一起。
同时，本体上安放了小车控制机构，尾部安装一轴二轮驱动轮。
后车轮也用来起支撑作用，后车轮采用电动轮，其动力有助于提高吸尘器爬越楼梯的能力。
在本体上连接两
个四边形机构来达到在楼梯上行进的目的。
2.3 爬楼梯运动分析
经试验，在驱动力允许条件下，该机器可爬楼梯台阶的高度为40 mm 。
爬楼梯过程如图6所示：首先整车向前运动，直到前轮接触台阶（图6（a ）），然后前轮越过台阶（图6（b ）），这时前车轮机构向上抬起，然后在中间轮和后轮电动机驱动力的作用下，前两个轮子越过台阶（图6（c ）），而中间轮和后轮与台阶始终保持接触，当中间两个轮子越过台阶时（图6（d ）），安装在主体机构上的后车轮在电动机作用下同时爬楼梯台阶（图6（e ））。
图4 楼道、墙面自动吸尘器 图5 本体结构
（a ） （b ） （c ）
（d ） （e ）
图6 爬楼梯示意图
3 小结
楼道、墙面自动吸尘器本体采用平行四边形机构实现上下楼梯功能，爬行速度快、平稳可靠。
转向机构采用传统差速机构，增加红外线位置扫描系统实现智能化。
吸尘器机构采用伸缩机构，同时实现对地面、楼梯、扶手及墙面的自动吸尘。
控制系统采用单片机控制器，用以协调整个系统行走、转向、伸缩及吸尘等动作，实现全工作过程的自动化。
该机器人参加2008年9月第三届全国大学生机
械创新设计大赛慧鱼组竞赛并荣获一等奖。
参考文献：
[1]李波，等. 可爬越楼梯的新型地面移动侦察车辆研究[J]. 兰州工业高等专科学校学报，2004，（12）.
[2]乔凤斌，等. 机器人六轮移动机器人爬楼梯能力分析[J]. 机器人，2004，（7）.
[3]徐国华，等. 移动机器人的发展现状及其趋势[J]. 机器人技术与应用，2001，（6）.
[4]李翠兰，等. 一种新型的可被动适应崎岖表面的六轮月球漫游车[J].传动技术，2005，（3）.
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