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 05-0075-02

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 0

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 .