全方位移动爬楼梯机器人小车的研究开题报告(编辑修改稿)

全方位移动爬楼梯机器人小车的研究开题报告(编辑修改稿)内容摘要：

量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。 轮式机器人 轮 式移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地形适应性的前提下，可以充分发挥移动机器人 快速性、灵活性、可控性，而且能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向直线移动或在原地旋转任意角度，近年来得到了广泛的研究。 但是它对地形的适应性远不如履带式机器人，一般来说，轮式移动机器人对地形的适应性大小与轮子的数量成正比，但是随着轮子数量的增加，又带来了机器人体积庞大、重量重等缺点。 怎样使轮子的数量越少而同时又有能够满足使用要求的地形适应性，这对机器人设计具有重要意义。 单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要 有人协助才能保证重心的稳定；轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大。 此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。 腿式机器人 早期的爬楼梯轮椅一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。 上楼时先将轮椅抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。 步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅 爬楼的原理。 7 步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯；但它对控制的要求很高，操作比较 复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。 此外，座椅距地面的高度较大，易给使用者造成心理恐惧，距离实际应用还有很大的距离 复合类机器人 基于履带式、轮式、腿式移动机器人的优缺点，在研究中，采用了腿 履复合和轮 腿 履带复合等结构。 设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。 机器人摆臂 在一定范围可上下摆动，辅助越障、攀爬，具有较强的越障性能、路面通过性和上下台阶能力。 但是各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实 现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。 轮、履、腿式移动机构性能比较 车轮式、履带式、腿 式移动系统性能比较见 下 表 1所示。 表 1 典型移动机构的性能对比表 移动机构方式 轮式 履带式 腿式 移动速度 快 较快 慢 越障能力 差 一般 好 机构复杂程度 简单 一般 复杂 能耗量 小 较小 大 机构控制难易程度 易 一般 复杂 Ⅲ 、分析问题 爬楼梯装置在爬楼梯过程中的稳定性是影响其实用安全性的重要指标； 使用安全性； 对于多功能爬楼梯装置，如何实现平地模式与爬楼模式之 间的平滑切换也是重要的问题。 为解决以上这些问题，传感器技术、计算机控制技术必将越来越多地应用到爬楼梯装置中，从而提高装置的自动化程度以及使用安全性、舒适性。 同时，伴随机器人控制技术的发展，移动机器人的大量技术如计算机视觉、机器人导航和定位、模式识别等也将被运用到爬楼梯装置中，使其朝着智能化的方向发展。 多功能爬楼梯装置将融合机械、控制、传感器、人工智能等技术于一体， 8 逐渐跨入服务机器人的行列。 一般在各研究中会采用以下几个研究方法： ①在机构的设计中采用功能分析的方法，确定机构各尺寸关系间的约束关系。 ②运动 学分析：建立合理的运动学模型，从而对不同运动阶段进行分析。 ③运动学仿真与分析：在机器人越障的运动学模型基础上，改变机构相关尺寸进行仿真分析，从而得到最优解。 ④对机体质心及其稳定性进行分析，选取合适参数做仿真，得到最优解。 ⑤ 介绍了机器人结构实现方法，从传动设计、零件组成及选用，从设计方面对机器人的结构进行了详细说明。 ⑥机构动力消耗问题的研究。 ⑦设计的机构在模态环境和非模态环境下使用情况的对比，验证其适应性。 在控制方面的研究： ①电机的选择及控制原理； ②信号检测装置设计与选择（超声波传感器测距，激 光测距扫描仪，基于视觉的检测）； ③信息的融合（贝叶斯方法、 DS 证据理论、模糊集理论、神经网络、聚类分析、模板方法、估计理论等）； ④电路的设计； ⑤控制系统介绍（系统具有开放性）； Ⅳ 、总结 通过以上分析，笔者认为爬楼梯机器人首先要解决好“爬”的问题，即将机构设计好，其次是设计好控制系统，弥补机械部分的不足。 机构要解决：①机器人平地行驶与爬楼梯之间的转换；②爬楼梯的动作； ③机构在保持稳定性的基础上保持灵活性；④设计最优结构，降低 整个机器人的能耗。 控制部分：①采集信号，要尽可能准确且具有一定鲁棒性；②使机器 人功能尽可能完善，并朝着智能化，自主化方向发展。 结合我国国情，开发应尽可能结构简单，造价低廉，通用性强。 9 二 、课题方案 （ 一 ） 、课题研究的主要内容 主要研究内容 ⑴ 爬楼 机器人的原理研究和机械结构的设计。 要求机器人能 在平地行驶，攀爬通常 规格 的 楼梯，转弯，以及具备一定的避 障 能力。 ⑵ 对其运动过程 分析 ，提取出爬楼 机器人关键动作，运用运动学和动力学理论分别进行了运动学 （运用 Matlab 进行仿真） 和 动力学分析，最后对爬楼机器人进行 静态稳定性分析。 ⑶ 使用三维实体造型软件 Pro/E建立了 爬楼 机器人 的 三维实 体模型， 然后将 Pro/E导出的模型导入 ADAMS 软件中，定义刚体，添加约束、力、运动等，完成 爬楼 机器人的虚拟样机的机械系统模型。 ⑷ 针对六轮腿移动机器人越障行为进行了仿真 ，对机器人机构设计进行优化。 ⑸ 控制系统的设计。 使机器人能够自动转弯、与楼梯栏杆（或墙壁）保持一定距离、避开跨越不了的障碍。 关键技术及难点 ⑴爬楼 机器人的设计与优化 ⑵ 运动学分析与仿真 ⑶虚拟样机的机械系统模型的建立 ⑷ 控制系统的设计 爬楼 机器人结构的 基本原理 轮子的机械原理如图 1所示：Ⅰ、Ⅱ 、Ⅲ 为轴， 1为基本构件， 2为太阳轮， 4为行星 轮 ， 5为行星 架 （即转臂） ， 6为 小车轮，动力电机 传到Ⅰ轴，Ⅰ轴带动 太阳 轮 2转动， 太阳轮带动行 齿轮 3转动， 再传给 4，机器人前进。 当车轮组机构运行在平直的路面上时，受两个车轮同时着地的约束限制，转臂 5不能转动只能随车沿路面平动，此时驱动轮系演变成定轴轮系，实现机构在平直面上的快速行驶； 当前进的车轮碰上高障碍（如楼梯）而停止不动时，驱动轮系就演变成行星轮系，转臂 5带着另外 4个车轮绕前轮的轴线回转，实现翻越障碍（即爬楼梯）的目的。 其自由度 F=3n2PLPH=3 42 42=2 其中 n为除机架外的构件， PL为 n个活动构件之间的低副， PH为 n个构件之间的高副。 10 图 1 机器人原理图 爬楼 机器人的机构设计 根据原理图和 爬楼梯的要求设计了爬楼 机器人机构 简图， 如图 2。 整个机构设有四个电机，每个电机负责给一个行星轮机构提供动力。 电机传递动力给太阳轮所在传动轴的，再通过齿轮之间的相互啮合来传递动力，最终将动力 传递给小车轮，实现平直路面上的行驶。 当遇到小障碍物时，行走机构立即演变成行星轮机构，直接跨越。 当遇到在攀登范围内的大障碍（楼梯）时，机构一直以行星轮机构作用，达到攀 登的目的。 当遇到攀登范围之外的障碍，要求机器人转向时，通过控制左右两个电机的转速 快慢来实现。 11 图 2 机器人机构简图 楼梯 小车轮 4 传动齿轮 行星轮 太阳轮 行星架（转臂） 车架 （二）、 研究目标及创新 爬楼 机器人 要求具有在平面行驶和爬楼梯的功能，当然也具备转向避障和良好的行走线性轨迹。 本机构具有如下特点： 1）能够实现在平直路面上的轮式快速移动，且跨越一定高度的障碍； 2）无需传感装置来检测允可范围（除不可攀越的障碍物）的障碍； 3）平面运动和越障运动之间的 转换取决于路面对小车轮的作用力情况，无需复杂的辅助机构来协同定成，机构实现简单。