【正文】 們制作的物理樣機(jī)參數(shù) R=180mm, r=80mm，經(jīng)式 ()和 ()可知，機(jī)器人 輪組最大越障高度 :amaX =198mm。 一車輪組小車輪半徑 。 爬樓機(jī)器人通過性分析 3. 2. 1 可跨越最大垂直障礙高度 爬樓機(jī)器人小車除具有強(qiáng)勁的爬樓能力外，當(dāng)然也具備一定的越障能力，下面我們分 析一下車輪組的越障能力，如圖 11 圖中 :a 障礙物高度 。 (2)直線前進(jìn) 設(shè)機(jī)器人前進(jìn)的速度為 ，則車體的運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)之間的 運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下 : () () 可以看出，直線前進(jìn)時(shí)，所有輪子的速度大小和方向相同，都等于車體運(yùn)動(dòng)的方向和速度 (3)圓弧前進(jìn) 設(shè)機(jī)器人小車弧線的圓弧半徑為 R(即圓心到機(jī)器人質(zhì)心的距離 )，其質(zhì)心繞圓弧前進(jìn)的角速度為 ，則車體的運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下 : 10 () () 式中 表示圓弧圓心與左輪的連線和 X 軸向間的夾角， 表示圓弧圓心與右輪的連到 和 X 軸向間的夾角，如圖 所示 : 和 可由如下關(guān)系求得 : (3 .12) () 把它們帶入上面的方程組，得 :。以下 將分別就這 3個(gè)基本運(yùn)動(dòng)單元來分別加以介紹。 的 大小可由如下關(guān)系求出 : =arctan(b/a) （ ） 9 3. 1. 2 機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 由于機(jī)器人不具有側(cè)向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此要讓機(jī)器人一次實(shí)現(xiàn)側(cè)向的移動(dòng)是不切實(shí)際的，但是可以把這種移動(dòng)分解為自轉(zhuǎn)加直線前進(jìn)或者自轉(zhuǎn)加圓弧前進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。b 表示兩側(cè)輪子與原點(diǎn)之間的縱向距離 。由于車輪組左右前后是對(duì)稱分布的，根據(jù)假設(shè)，每個(gè)車輪與地面之間只發(fā)生純滾動(dòng)，因此可得出如下結(jié)論 : () () 其中， 表示左側(cè)輪子移動(dòng)的速度矢量， 表示右側(cè)輪子移動(dòng)的速度矢量，由式 (), ()可以看出，只要知道了前面 2個(gè)輪子或者后面 2個(gè)輪子的速度值和方向，就可以得到機(jī)器人所有 4 個(gè)輪子的速度和方向，據(jù)此，可將機(jī)器人模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化，用一個(gè) 2輪模型來加以分析，如圖 所示。 (4)每個(gè)車輪與地面只發(fā)生純滾動(dòng)，即每瞬時(shí)與地面接觸點(diǎn)的速度都等于零。 (2)車輪的厚度忽略不計(jì) 。所以軌跡控制的關(guān)鍵在于任意方向的直線運(yùn)動(dòng)以及任意 方向圓的運(yùn)動(dòng)控制。額定轉(zhuǎn)速 :4520rpm；最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩 :310mNm。額定功率 :250W。爬樓最快速度 :n2=4rpm 。所需克服阻力矩為 :M2=GxL= [ 1/2 (25+20) +2x4] *g*0. 3=91. 5N 小車輪最大轉(zhuǎn)速為 : = =116rpm 小車輪最大角速度為 : =小車輪受到的外力轉(zhuǎn)矩為 : = d/2= m 電機(jī)所需的功率為 : = =（其中電機(jī)傳遞的機(jī)械效率為 =90%） 由于是八個(gè)小車輪著地，則需要兩個(gè)功率為 4 =233. 2W 的電機(jī)。根據(jù)裝置運(yùn)行速度和車輪直徑 算得各參數(shù)如下。 驅(qū)動(dòng)輪承受的正壓力 :N=[1/8( + )+1/2 ]*g=。設(shè)裝置機(jī) 7 架的質(zhì)量 mb 為 25kg，每個(gè)輪組的質(zhì)量 ms 為 4kg，加載設(shè)備的最大重量 m、不超過 20kg，因此車體和負(fù)載的總質(zhì)量上限為 61kg。 小車輪驅(qū)動(dòng)齒輪半徑 :r3=60mm。 車輪組中心齒輪半徑 :r1=60mm。 車輪組中心軸到小車輪圓心的距離 R=180mm。 車體質(zhì)量 :M=61Kg。 車體寬 :Y=660 mm。 如圖 所示，有以下關(guān)系 L= 取 b＝ ， a＝ 則 r＋ x 220 得到 ＝ 6 同理取得 b＝ ， a＝ ，有 ＝ 輪組結(jié)構(gòu)的最大值 r 可通過 a 和 b 得到，如圖 所示 ＝ ，得到 ＝ 根據(jù)Ｒ以及ｒ的范圍，取恰當(dāng)?shù)闹?，可以得到輪組結(jié) 構(gòu)轉(zhuǎn)臂寬 ，如圖２ .６所示 綜合上述條件公式可以得到輪組結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)（ R， r 以及 t） 所設(shè)計(jì)出來的輪組是以最小樓梯為基礎(chǔ)，并滿足最高樓梯尺寸的要求，當(dāng)在更寬尺寸樓梯 行駛時(shí)，一次翻滾發(fā)生滑移便接著進(jìn)行二次翻滾爬行，所以能夠自動(dòng)適應(yīng)各種規(guī)格的樓梯， 具有強(qiáng)適應(yīng)性。樓梯踏步高與寬的關(guān)系式 :2a + b _ 600 ( a 一踏步高 b 一踏步寬 )?！督ㄖ翘菽?shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定樓梯踏步高度不宜大于 210mm，并不宜小于 140mm。 當(dāng)小車遇上臺(tái)階時(shí)，由于臺(tái)階與車輪的摩擦力，行星輪的齒輪系都被鎖住，無法轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)整個(gè)行星輪板在中心齒輪的驅(qū)動(dòng)下，變成一個(gè)類輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車爬上臺(tái)階。 2. 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 輪組單元的傳動(dòng)設(shè)計(jì)及基本原理 如圖 2. 2所示，輪組采用行星輪式結(jié)構(gòu)，包括傳動(dòng)軸，過渡齒輪，中心齒輪，小車輪和驅(qū)動(dòng)齒輪 輪組的機(jī)械原理 :車體重量通過軸承間接承載在四個(gè)輪組上，輪組中的所有齒輪都繞轉(zhuǎn)臂上的小軸 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)動(dòng)力傳到傳動(dòng)軸時(shí)，軸帶動(dòng)中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，中心齒輪帶動(dòng)過渡齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再傳給驅(qū)動(dòng)齒輪，由于小車輪與驅(qū)動(dòng)齒輪固連，機(jī)器人前進(jìn)。 爬樓機(jī)器人要求具有在平 面行駛和爬樓梯的功能 (樓梯規(guī)格 :140_a_210, 220_b_320)，當(dāng)然也具備轉(zhuǎn)向避障和良好的行走線性軌跡。 (2)爬樓機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)要符合，國(guó)標(biāo) GB 1299691 電動(dòng)輪椅車的主要技術(shù) 性能 標(biāo)準(zhǔn)。樓梯踏步高與寬的關(guān)系式 :2a + b _ 600(“ a踏步高， b踏步寬 )。 其次，爬樓機(jī)器人還要滿足以下幾個(gè)基本要求 : (1)我國(guó)《建筑樓梯模 數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定 :樓梯踏步高度“不宜大于 210mm，并不宜小于 140mm。 (2)使用安全性 。見下表 2. 1 所示。由此可見，為了解決移動(dòng)機(jī)器人使用受限的問題，同時(shí)考慮到我國(guó)經(jīng)濟(jì)承受能力，需要研究一種價(jià)格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置。 綜上所述，國(guó)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(jià)昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超出了發(fā)展中國(guó)家人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。機(jī)器人擺臂在一定范圍可上下擺動(dòng)，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(tái)階能力。 (4)復(fù)合類機(jī)器人 基于履帶式、輪式、腿式移動(dòng)機(jī)器 人的優(yōu)缺點(diǎn)，在研究中，采用了腿一履復(fù)合和輪 腿一履帶復(fù)合等結(jié)構(gòu)。步行式爬樓梯裝置爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合不同尺寸的樓梯 。上樓時(shí)先將負(fù)重抬高，再水平向前移動(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過程直至爬完一段樓梯。而雙輪組式雖能實(shí)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。 (2)輪組式 輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個(gè)數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組式。但是這類裝置仍存在很多不足之處 :重量大、運(yùn)動(dòng)不夠靈活、爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對(duì)樓梯有一定 3 的損壞 。履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高 ，行走時(shí)重心波動(dòng) 很小，運(yùn)動(dòng)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。英國(guó)Baronmead 公司開發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車，底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為 350，上下樓梯速度為每分鐘 1520個(gè)臺(tái)階。下面分別對(duì)國(guó)外、國(guó)內(nèi)各種類型裝置的發(fā)展作簡(jiǎn)要介紹，并分析其各白優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)各種不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，一直以來移動(dòng)機(jī)器人所采用的運(yùn)動(dòng)方式大體包括輪式、履帶式、足式等。越障機(jī)器人還可用于工業(yè)中的一些險(xiǎn)難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境 .減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)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。但是非結(jié)構(gòu)環(huán)境給移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。 國(guó)內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究起步較晚，主要的研究工作有 :清華大學(xué)的 THMRV 自駕駛小車，香港城市大學(xué)的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的防爆機(jī)器人，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)和制造的 CASIAI 全方位移動(dòng)機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)等。它與機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、多傳感器信息融合、智能控制以及多智能體 C MultiAgent、機(jī)械學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)，體現(xiàn)了信息科學(xué)和人工智能技術(shù)的最新成果，具有 重要的軍用及民用價(jià)值，是現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要而且相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域。21世紀(jì)的機(jī)器人智能水平將提高到更高的水平，令人贊嘆。有的具有自主控制和決策能力??這些智能機(jī)器人，不僅應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還運(yùn)用人工智能中各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。這些智能機(jī)器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動(dòng) 。 目前在工業(yè)上運(yùn)行的 90%以上的機(jī)器人，都不具有智能?！爸悄軝C(jī)器人”是一種集數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、電子、材料、能源、計(jì)算機(jī)硬件、軟件、人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識(shí)于一身的綜合技術(shù)平臺(tái)。(2)具有智力或感覺與識(shí)別能力 。 要給機(jī)器人下個(gè)合適的和為人們普遍同意的定義是困難的。西周時(shí)期，我國(guó)的能工巧匠堰師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國(guó)最早記載的具備有機(jī)器人概念的文字資料。 1. 2 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 機(jī)器人一詞最早使用是在 1920年捷克作家卡雷爾樓梯是人造環(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(jī)器人的研究是解決當(dāng)前全自主機(jī)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。 越障機(jī)器人的研究，對(duì) 適應(yīng)未來戰(zhàn)場(chǎng)需要，擴(kuò)展作戰(zhàn)空間， 完成廣袤戰(zhàn)場(chǎng)的偵查， 順應(yīng)瞬息萬變的高技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境具有重大意義。 1. 1 課題研究的目的和意義 隨著美軍參與實(shí)戰(zhàn)的機(jī)器人士兵現(xiàn)身 近幾場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng) ，軍用機(jī)器人進(jìn)入了實(shí)用化階段，無人戰(zhàn)斗裝備將成為減少軍隊(duì)傷亡、節(jié)省軍費(fèi)開支的有效手段。在“機(jī)器人王國(guó)”日本，一直擁有全世界 60%左右的機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于最多的工業(yè)部部門依次為家用電器制造、汽車制造、塑料成型、通用機(jī)械制造和金屬加工等工業(yè)，而且正應(yīng)用于更多的新領(lǐng)域中。而且越來越多的機(jī)器人出現(xiàn)在我們的生活生產(chǎn)中，更多科學(xué)工作者和業(yè)余愛好者也投入到機(jī)器人研究的行列當(dāng)中來。 “機(jī)器人”這 人名詞對(duì)許多人來說，并不陌生。 關(guān)鍵字： 行星輪 機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)學(xué) 遙控器 2 目錄 摘 要 ..............................................................................................................................2 1 緒 論 ............................................................................................................................1 1. 1 課題研究的目的和意義 ........................................................................................... 1 1. 2 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 ........................................................................................... 1 爬樓梯機(jī)器人的研究現(xiàn)況 ......................................................................................... 2 2 爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理 .....................................................................................................3 2. 1 爬樓梯機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) .................................................................................... 3 .............................................................................................3 2. 1. 2 爬樓機(jī)器人的總體方案 ...........................................................................................4 2. ............................................................................................... 4 ...............................................................................4 2. 2. 2 爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................................................................5 2.