【正文】 轉臂） ， 6為 小車輪，動力電機 傳到Ⅰ軸，Ⅰ軸帶動 太陽 輪 2轉動， 太陽輪帶動行 齒輪 3轉動， 再傳給 4，機器人前進。 ⑶ 使用三維實體造型軟件 Pro/E建立了 爬樓 機器人 的 三維實 體模型， 然后將 Pro/E導出的模型導入 ADAMS 軟件中，定義剛體，添加約束、力、運動等，完成 爬樓 機器人的虛擬樣機的機械系統(tǒng)模型。結合我國國情，開發(fā)應盡可能結構簡單，造價低廉，通用性強。 ⑦設計的機構在模態(tài)環(huán)境和非模態(tài)環(huán)境下使用情況的對比，驗證其適應性。 ③運動學仿真與分析：在機器人越障的運動學模型基礎上，改變機構相關尺寸進行仿真分析，從而得到最優(yōu)解。同時，伴隨機器人控制技術的發(fā)展，移動機器人的大量技術如計算機視覺、機器人導航和定位、模式識別等也將被運用到爬樓梯裝置中，使其朝著智能化的方向發(fā)展。 但是各種機構的復合也給控制方面提出了更高的要求，而且爬樓過程中的穩(wěn)定性、如何適應不同尺寸的樓梯、如何實 現(xiàn)手動操作省力與省時的問題以及反向自鎖等問題仍然存在。 7 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 復雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩慢。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。 輪式機器人 輪 式移動機器人克服了履帶式的這些缺點，在滿足一定地形適應性的前提下，可以充分發(fā)揮移動機器人 快速性、靈活性、可控性，而且能夠在保持機體方位不變的前提下沿平面上任意方向直線移動或在原地旋轉任意角度，近年來得到了廣泛的研究 。但便攜式、履帶等機器人控制距離有限，當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 練，因而進一步提高機器人自主能力是該研究方向的趨勢。 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 和老人設計的器械中，需要人的輔助來為其導航，其突出特點的是穩(wěn)定性，確保人的安全性。 用作搬運的自主移動機器人，要求能隨工作任務和環(huán)境的改變，智能地重規(guī)劃行駛路徑，并要求能快速適應工作環(huán)境。但它對控制的要求很高，操作比較復雜，在平地行走時運動幅度 不大，動作緩慢。 (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)行機構由鉸鏈桿件機 5 構組成。內蒙古民族大學物理與機電學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，設計了一種雙聯(lián)星形機構電動爬樓梯輪椅。 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，幫助他們能達到正常人的高度。 (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。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，當遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適當操作將兩側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。下面分別對國外、國內各種類型裝置的發(fā)展作簡要介紹，并分析其各自優(yōu)缺點。 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。 非結構環(huán)境中的多功能全自主的移動機器人技術多年來一直是機器人研究中的熱點問題之一．但是非結構環(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，在人不能到達或不便到達的環(huán)境中進行作業(yè)，具有重要的意義。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方 外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在 文中以明確方式標明。 涉密論文按學校規(guī)定處理。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。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國、德國和日本占主導地位，技術相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。 (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，技術也比較 成熟。 4 履帶式結構傳動效率比較高，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。 單輪組式結構穩(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。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)陀螺儀的信號調整重心的位置，使輪椅能在不同狀態(tài)下保持平衡。改輪椅爬樓時需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調整重心的位置，安全爬樓。上樓時先將 負重 抬高，再水平向前移動，如此重復這兩個過程直至爬完一段樓梯。 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，但是它們大多結構復雜、造價昂貴，遠遠超出了發(fā)展中國家人民的經(jīng)濟承受能力。要達到這種水 平，當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)境智能導航問題是較為重要的一個研究課題。 伺服控制的設計也可分為嵌入式控制和高智能 CPU 控制。 （ 2）機構設計上分類 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，技術比較成熟。 但是它對地形的適應性遠不如履帶式機器人，一般來說，輪式移動機器人對地形的適應性大小與輪子的數(shù)量成正比，但是隨著輪子數(shù)量的增加，又帶來了機器人體積龐大、重量重等缺點。 腿式機器人 早期的爬樓梯輪椅一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機構由鉸鏈桿件機構組成。此外，座椅距地面的高度較大，易給使用者造成心理恐懼，距離實際應用還有很大的距離 復合類機器人 基于履帶式、輪式、腿式移動機器人的優(yōu)缺點，在研究中，采用了腿 履復合和輪 腿 履帶復合等結構。 輪、履、腿式移動機構性能比較 車輪式、履帶式、腿 式移動系統(tǒng)性能比較見 下 表 1所示。多功能爬樓梯裝置將融合機械、控制、傳感器、人工智能等技術于一體， 8 逐漸跨入服務機器人的行列。 ④對機體質心及其穩(wěn)定性進行分析，選取合適參數(shù)做仿真，得到最優(yōu)解。 在控制方面的研究： ①電機的選擇及控制原理； ②信號檢測裝置設計與選擇（超聲波傳感器測距，激 光測距掃描儀，基于視覺的檢測）； ③信息的融合（貝葉斯方法、 DS 證據(jù)理論、模糊集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡、聚類分析、模板方法、估計理論等）； ④電路的設計； ⑤控制系統(tǒng)介紹（系統(tǒng)具有開放性）； Ⅳ 、總結 通過以上分析，筆者認為爬樓梯機器人首先要解決好“爬”的問題，即將機構設計好，其次是設計好控制系統(tǒng)，彌補機械部分的不足。 9 二 、課題方案 （ 一 ） 、課題研究的主要內容 主要研究內容 ⑴ 爬樓 機器人的原理研究和機械結構的設計。 ⑷ 針對六輪腿移動機器人越障行為進行了仿真 ，對機器人機構設計進行優(yōu)化。 當車輪組機構運行在平直的路面上時，受兩個車輪同時著地的約束限制，轉臂 5不能轉動只能隨車沿路面平動，此時驅動輪系演變成定軸輪系，實現(xiàn)機構在平直面上的快速行駛； 當前進的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動時，驅動輪系就演變成行星輪系，轉臂 5帶著另外 4個車輪繞前輪的軸線回轉，實現(xiàn)翻越障礙（即爬樓梯）的目的。電機傳遞動力給太陽輪所在傳動軸的，再通過齒輪之間的相互