【文章內(nèi)容簡介】 域作業(yè)時，其控制操作人員的安全不能保證，此外遙控機(jī)器人的操作人員需要專門訓(xùn)練，因而進(jìn)一步提高機(jī)器人自主能力是該研究方向的趨勢。（2）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上分類履帶機(jī)器人履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運(yùn)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(yùn)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(jī)器人以其強(qiáng)大的地形適應(yīng)性而倍受青睞，但是也有不足之處。其重量大、運(yùn)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。輪式機(jī)器人輪式移動機(jī)器人克服了履帶式的這些缺點(diǎn)，在滿足一定地形適應(yīng)性的前提下，可以充分發(fā)揮移動機(jī)器人快速性、靈活性、可控性，而且能夠在保持機(jī)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(zhuǎn)任意角度，近年來得到了廣泛的研究。但是它對地形的適應(yīng)性遠(yuǎn)不如履帶式機(jī)器人，一般來說，輪式移動機(jī)器人對地形的適應(yīng)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(jī)器人體積龐大、重量重等缺點(diǎn)。怎樣使輪子的數(shù)量越少而同時又有能夠滿足使用要求的地形適應(yīng)性，這對機(jī)器人設(shè)計(jì)具有重要意義。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；輪組式爬樓梯裝置的活動范圍廣，運(yùn)動靈活，但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高，重心起伏較大。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。腿式機(jī)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(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時先將輪椅抬高，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(jī)器人，采用多條機(jī)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(yùn)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(yùn)動幅度不大，動作緩慢。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(shí)際應(yīng)用還有很大的距離復(fù)合類機(jī)器人基于履帶式、輪式、腿式移動機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，在研究中，采用了腿履復(fù)合和輪腿履帶復(fù)合等結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來達(dá)到功能的完整。機(jī)器人擺臂在一定范圍可上下擺動，輔助越障、攀爬，具有較強(qiáng)的越障性能、路面通過性和上下臺階能力。但是各種機(jī)構(gòu)的復(fù)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(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實(shí)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。輪、履、腿式移動機(jī)構(gòu)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。表1 典型移動機(jī)構(gòu)的性能對比表移動機(jī)構(gòu)方式輪式履帶式腿式移動速度快較快慢越障能力差一般好機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度簡單一般復(fù)雜能耗量小較小大機(jī)構(gòu)控制難易程度易一般復(fù)雜Ⅲ、分析問題爬樓梯裝置在爬樓梯過程中的穩(wěn)定性是影響其實(shí)用安全性的重要指標(biāo)；使用安全性；對于多功能爬樓梯裝置，如何實(shí)現(xiàn)平地模式與爬樓模式之間的平滑切換也是重要的問題。為解決以上這些問題，傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)必將越來越多地應(yīng)用到爬樓梯裝置中，從而提高裝置的自動化程度以及使用安全性、舒適性。同時，伴隨機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人的大量技術(shù)如計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人導(dǎo)航和定位、模式識別等也將被運(yùn)用到爬樓梯裝置中，使其朝著智能化的方向發(fā)展。多功能爬樓梯裝置將融合機(jī)械、控制、傳感器、人工智能等技術(shù)于一體，逐漸跨入服務(wù)機(jī)器人的行列。一般在各研究中會采用以下幾個研究方法：①在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采用功能分析的方法，確定機(jī)構(gòu)各尺寸關(guān)系間的約束關(guān)系。②運(yùn)動學(xué)分析：建立合理的運(yùn)動學(xué)模型，從而對不同運(yùn)動階段進(jìn)行分析。③運(yùn)動學(xué)仿真與分析：在機(jī)器人越障的運(yùn)動學(xué)模型基礎(chǔ)上，改變機(jī)構(gòu)相關(guān)尺寸進(jìn)行仿真分析，從而得到最優(yōu)解。④對機(jī)體質(zhì)心及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，選取合適參數(shù)做仿真，得到最優(yōu)解。⑤介紹了機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法，從傳動設(shè)計(jì)、零件組成及選用，從設(shè)計(jì)方面對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)說明。⑥機(jī)構(gòu)動力消耗問題的研究。⑦設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)在模態(tài)環(huán)境和非模態(tài)環(huán)境下使用情況的對比，驗(yàn)證其適應(yīng)性。在控制方面的研究：①電機(jī)的選擇及控制原理；②信號檢測裝置設(shè)計(jì)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(luò)、聚類分析、模板方法、估計(jì)理論等）；④電路的設(shè)計(jì)；⑤控制系統(tǒng)介紹（系統(tǒng)具有開放性）；Ⅳ、總結(jié)通過以上分析，筆者認(rèn)為爬樓梯機(jī)器人首先要解決好“爬”的問題，即將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)好，其次是設(shè)計(jì)好控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)機(jī)械部分的不足。機(jī)構(gòu)要解決：①機(jī)器人平地行駛與爬樓梯之間的轉(zhuǎn)換；②爬樓梯的動作；③機(jī)構(gòu)在保持穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上保持靈活性；④設(shè)計(jì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)，降低整個機(jī)器人的能耗?？刂撇糠郑孩俨杉盘枺M可能準(zhǔn)確且具有一定魯棒性；②使機(jī)器人功能盡可能完善，并朝著智能化，自主化方向發(fā)展。結(jié)合我國國情，開發(fā)應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，通用性強(qiáng)。二 、課題方案（一）、課題研究的主要內(nèi)容主要研究內(nèi)容⑴ 爬樓機(jī)器人的原理研究和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。要求機(jī)器人能在平地行駛，攀爬通常規(guī)格的樓梯，轉(zhuǎn)彎，以及具備一定的避障能力。⑵ 對其運(yùn)動過程分析，提取出爬樓機(jī)器人關(guān)鍵動作，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)理論分別進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)（運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真）和動力學(xué)分析，最后對爬樓機(jī)器人進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定性分析。⑶ 使用三維實(shí)體造型軟件Pro/E建立了爬樓機(jī)器人的三維實(shí)體模型， 然后將Pro/E導(dǎo)出的模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，定義剛體，添加約束、力、運(yùn)動等，完成爬樓機(jī)器人的虛擬樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)模型。⑷ 針對六輪腿移動機(jī)器人越障行為進(jìn)行了仿真，對機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。⑸ 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使機(jī)器人能夠自動轉(zhuǎn)彎、與樓梯欄桿（或墻壁）保持一定距離、避開跨越不了的障礙。關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)⑴爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)與優(yōu)化⑵運(yùn)動學(xué)分析與仿真⑶虛擬樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)模型的建立⑷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基本原理輪子的機(jī)械原理如圖1所示：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為軸，1為基本構(gòu)件，2為太陽輪，4為行星輪， 5為行星架（即轉(zhuǎn)臂），6為小車輪，動力電機(jī)傳到Ⅰ軸，Ⅰ軸帶動太陽輪2轉(zhuǎn)動，太陽輪帶動行齒輪3轉(zhuǎn)動，再傳給4，機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)車輪組機(jī)構(gòu)運(yùn)行在平直的路面上時，受兩個車輪同時著地的約束限制，轉(zhuǎn)臂5不能轉(zhuǎn)動只能隨車沿路面平動，此時驅(qū)動輪系演變成定軸輪系，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在平直面上的快速行駛；當(dāng)前進(jìn)的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動時，驅(qū)動輪系就演變成行星輪系，轉(zhuǎn)臂5帶著另外4個車輪繞前輪的軸線回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)翻越障礙（即爬樓梯）的目的。其自由度F=3n2PLPH=34242=2 其中n為除機(jī)架外的構(gòu)件，PL為n個活動構(gòu)件之間的低副， PH為n個構(gòu)件之間的高副。圖1 機(jī)器人原理圖爬樓機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)原理圖和爬樓梯的要求設(shè)計(jì)了爬樓機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2。整個機(jī)構(gòu)設(shè)有四個電機(jī)，每個電機(jī)負(fù)責(zé)給一個行星輪機(jī)構(gòu)提供動力。電機(jī)傳遞動力給太陽輪所在傳動軸的，再通過齒輪之間的相互嚙合來傳遞動力，最終將動力傳遞給小車輪，實(shí)現(xiàn)平直路面上的行駛。當(dāng)遇到小障礙物時，行走機(jī)構(gòu)立即演變成行星輪機(jī)構(gòu)，直接跨越。當(dāng)遇到在攀登范圍內(nèi)的