【正文】 2 目錄 一、課題意義 …………………………………………………………………… 2 (一 )具有 越障功能 移動機器人 的 簡介 ………………………………………...2 (二 ) 具有越障功能機器人研究 的文獻(xiàn)綜述 … … … … … …… ………… … ….. 4 二 、課題方案 …………………………………………………………………… 8 （ 一 ） 課題研究的主要內(nèi)容 …………………………………………………… 8 （二） 研究目標(biāo)及創(chuàng)新 …………………………………… ……………… 10 三 、可行性分析 ………………………………………………………………… 10 四 、課題進(jìn)度安排 ……………………………………………………………… 12 五 、參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………..1 2 3 一、課題意義 (一 ) 具有越障功能 移動機器人 的 簡介 機器人作為一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。 非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的多功能全自主的移動機器人技術(shù)多年來一直是機器人研究中的熱點問題之一．但是非結(jié)構(gòu)環(huán)境給移動機器人的運動造成了自主決策 和路徑規(guī)劃的困難． 越障機器人的研究．對擴展機器人的作業(yè)空間，在人不能到達(dá)或不便到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，具有重要的意義。越障機器人還可用于工業(yè)中的一些險難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境．減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。 其中， 移動機器人從事各項 事務(wù)響應(yīng)任務(wù)時，樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，也是最難跨越的障礙之一 。 針對各種不同的運動環(huán)境，一直以來移動機器人所采用的運動方式大體包括輪式、履帶式、足式等。 國外對爬樓梯裝置的研究開 始得相對較早，最早的專利是 1892 年美國的Bray 發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國、德國和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。我國對此類裝置的研究雖然起步較晚，但近年來也涌現(xiàn)了很多這方面的專利，然而投入實際使用的還很少。 總結(jié)目前國內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利，按爬樓梯功能實現(xiàn)的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式爬樓梯裝置。下面分別對國外、國內(nèi)各種類型裝置的發(fā)展作簡要介紹，并分析其各自優(yōu)缺點。 (l)履帶式 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車 或坦克，其原理簡單，技術(shù)也比較 成熟。 英國 Baronmead公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為 35176。 ，上下樓梯速度為每分鐘 1520個臺階。法國 Topchair公司生產(chǎn)的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個車輪供正常情況下平地運行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能。 4 履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使 用。它除了具備爬樓梯功能外，也能作為普通的電動輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處 :重量大、運動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞 ；且平地使用所受阻力較大，而且轉(zhuǎn)彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。 (2)輪組式 輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組 式。 單輪組式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在爬樓過程中需要有人 協(xié)助才 能保證重心的穩(wěn)定 ； 而雙輪組式雖能實現(xiàn)自主爬樓，但由于其體積龐大且偏重，影響了它的使用范圍。 美國著名發(fā)明家 Dean Kamen發(fā) 明的 了 一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅 iBOT。它有 6個輪子，前面有一對實心腳輪，后面有兩對行星結(jié)構(gòu)的充氣輪胎，通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上下樓梯。 iBOT幾乎能適用于所有樓梯，此外它也能在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上行駛，而且后輪可以直立行走，為使用者提供了更多方便之處，幫助他們能達(dá)到正常人的高度。它最大的優(yōu)點就是在輪椅重心安裝了陀螺儀，控制器根據(jù)陀螺儀的信號調(diào)整重心的位置，使輪椅能在不同狀態(tài)下保持平衡。經(jīng)過數(shù)十年的研究開發(fā)，它己經(jīng)由 iBOT3000發(fā)展到了iBOT400O，功能也越來越強大，是目前該領(lǐng)域中性能最 高的產(chǎn)品，它的售價在3萬美元左右，相當(dāng)于一輛中檔橋車的價格，難以被普通使用者接受。 我國在上世紀(jì)八十年代對輪組式爬樓梯裝置已有研究， 1987年專利號為86210653的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了 iBOT的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓梯機構(gòu)，設(shè)計了一種雙聯(lián)星形機構(gòu)電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。 輪組式爬樓梯裝置 的活動范圍廣，運動靈活，但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高，重心起伏較大，會使乘坐者感到不適。此外，輪組式爬樓梯裝置體積較大，很難在普通住宅樓梯上使用。 (3)步行式 早期的爬樓梯 裝置 一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機構(gòu)由鉸鏈桿件機 5 構(gòu)組成。上樓時先將 負(fù)重 抬高，再水平向前移動，如此重復(fù)這兩個過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作，外觀可視為足式機器人，采用多條機械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。 步行式爬樓梯裝置爬樓時運動平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯 。但它對控制的要求很高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時運動幅度 不大，動作緩慢。 綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史，成果也較多，但是它們大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)展中國家人民的經(jīng)濟承受能力。國內(nèi)的研究相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積、重量、穩(wěn)定性及安全性的限 制，還沒有產(chǎn)品真正投入使用。由此可見，為了解決移動機器人 使用受限的問題，同時考慮到我國使用者的經(jīng)濟承受能力，需要研究一種價格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置 。 用作搬運的自主移動機器人，要求能隨工作任務(wù)和環(huán)境的改變，智能地重規(guī)劃行駛路徑，并要求能快速適應(yīng)工作環(huán)境。要達(dá)到這種水 平，當(dāng)前還有很多問題需要深入的研究，而其中的機器人樓梯環(huán)境智能導(dǎo)航問題是較為重要的一個研究課題。 (二 ) 具有越障功能機器人研究 的文獻(xiàn)綜述 Ⅰ 、應(yīng)用： 樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，也是最難跨越的障礙之一，爬樓梯機器人的研究是解決當(dāng)前全自主機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下正常工作的重要環(huán)節(jié)之一。爬樓梯機器人可應(yīng)用于危險環(huán)境探查、偵察、救災(zāi)、導(dǎo)盲、助殘、搬運、清掃、維修、安裝等作業(yè)，其實際意義重大。 Ⅱ 、對目前研究的狀況分類： （ 1）開環(huán)控制與伺服控制分類 在目前已開發(fā)的研究項目中，開環(huán)控制的機器人主要是運用于為殘疾人 和老人設(shè)計的器械中，需要人的輔助來為其導(dǎo)航，其突出特點的是穩(wěn)定性，確保人的安全性。 伺服控制的設(shè)計也可分為嵌入式控制和高智能 CPU 控制。嵌入式控制運用一些光電傳感器，來控制機器人的速度、方向；高智能 CPU能夠采集更廣泛的信息（比如需要高運算內(nèi)存空間的視覺采集系統(tǒng)），實現(xiàn)軌跡及運動目標(biāo)跟蹤、視覺信息的分析與處理、地面軌跡圖像的計算機理解與處理。 6 也有半自動的，通過人的控制為其導(dǎo)航。但便攜式、履帶等機器人控制距離有限，當(dāng)履帶機器人在危險區(qū)域作業(yè)時，其控制操作人員的安全不能保證，此外遙控機器人的操作人員需要專門訓(xùn) 練，因而進(jìn)一步提高機器人自主能力是該研究方向的趨勢。 （ 2）機構(gòu)設(shè)計上分類 履帶機器人 履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克，其原理簡單，傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運動非常平穩(wěn)，且使用地形范圍較廣，在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用，技術(shù)比較成熟。 履帶式移動機器人以其強大的地形適應(yīng)性而倍受青睞，但是也有不足之處。其重