轮腿式爬楼梯机器人的机械系统设计

轮腿式爬楼梯机器人的机械系统设计

周东辉

浙江工业职业技术学院 浙江绍兴 312000

摘要：移动机器人在很多领域发挥越来越重要的作用，例如物品运输，危险或城市环境下作业，担负救援任务和军事用途等，而楼梯是移动机器人在人造环境中最常见、最难跨越的障碍之一，本文综合轮式爬楼梯移动机器人和腿式爬楼梯移动机器人的优点，设计了一款新型的轮腿式爬楼梯移动机器人，可以为工程应用提供一定的帮助。

关键词：移动机器人；爬楼梯；机械系统

中途分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：

1引言

随着社会的发展，在复杂环境中运动的移动机器人引起了国内外学者的兴趣，在服务机器人领域成为一个研究热点^[1]。楼梯在城市环境中随处可见，它们被设计成需要跨越的垂直距离，对于机器人和车辆来说是一个巨大的挑战。例如，在城市搜救、楼宇建筑内运送货物 、楼宇建筑内运送老幼病残弱、楼宇建筑内的清洁、楼宇建筑内消防灭火等。因此爬楼梯机器人的应用对人身安全、减轻劳动强度，提高劳动生产率，降低生产成本等方面有很重要的意义。

国内外学者对爬楼梯机器人进行了很多研究，美国发明家Dean Kamen研发了一款叫 IBOT300的智能轮椅^[2]，它能够实现爬楼梯功能，如图1所示，该轮椅有三种运动模式：平坦路面上6轮行驶；崎岖路面上4个后轮行走；遇到阶梯障碍时两对后轮交替攀爬。波士顿动力公司的M. Buehler等人研制的Big Dog机器人^[3]，如图2所示，能够跳过1米沟渠，爬上45度的斜坡，以5米/秒的速度运行，并携带超过50公斤的有效载荷。日本长崎大学机械工程系研发了一种爬楼梯装置,如图3所示，上下楼梯动作的实现是通过四组行星轮的翻转和四条伸缩“腿”的移动上下楼梯^[4]。我国上海交通大学发明了一款被动行星轮爬楼梯机器人^[5]，如图3所示，它的机械系统是由机器人底盘、四组一样的行星轮系、机器人驱动等构成。该移动机器人能够攀爬30°的楼梯，可以很好的适应非平坦的地形。哈尔滨工业大学的纪军红团队研制一种具备前后各两个摆臂的履带式移动机器人，该机器人能够适应较复杂地面,具有很强的多地形自适应越障能力^[6]。

图1^[2] IBOT300智能轮椅 图2^[3] Big Dog机器人

图3^[4] 爬楼梯装置 图4^[5] 被动行星轮爬楼越障机器人

爬楼梯移动机器人主要分为轮式、腿式、履带式等，其中轮式爬楼梯机器人环境适应性较差，腿式爬楼梯机器人结构复杂、移动速度慢、效率低，履带式爬楼梯机器人灵活性差，速度慢。目前国内外爬楼梯机器人主要存在行走速率和越障效率之间的矛盾，针对这个问题，急需开发一种成本低廉、结构简单灵活、运动稳定性良好的爬楼梯机器人，而轮腿式爬楼梯机器人结合了轮式爬楼梯机器人和腿式爬楼梯机器人各自的优点，具有机动性好，地形适应能力强的优点，是一种理想的选择。

2 爬楼梯机器人轮腿结构设计

爬楼梯机器人采用的轮子的目标是结合轮子机器人和腿机器人的优点，采用轮腿式结构，轮式结构将使机器人具备在平坦的路面中快速运动的能力，当机器人试图爬上一阶楼梯时，腿将扮演重要的角色。轮腿机构是由轮式本体和轮式本体轮毂圆周凸起的腿式结构构成，为了减轻车轮的重量，轮辋采用轻密度材料，为了减少运动时的物理冲击，在腿尖处使用橡胶垫。支腿成为车轮滚动的一个组成部分，腿与轮子是相连的，当轮子滚动的时候带动安装在其上的腿结构与地面接触；这种滚动将实现机器人在地面上的快速移动。当机器人在遇到楼梯时，腿结构的优势将发挥出来，突出的轮子将有助于抓住楼梯表面，从而攀爬。6个腿式结构沿轮式本体的轮毂圆周均匀分布，相互之间的夹角相等四个轮腿机构代替通用四轮车的轮子，一左一右支撑机器人的车体。在轮子上加上腿结构可以让机器人轻松爬上一个台阶，台阶的高度等于轮子的外半径。

3 爬楼梯机器人整体结构设计

机器人的框架有两个类似腿的车轴，一个在前面，一个在后面，中间由一个辊轴连接，当遇到障碍物时，辊轴允许轮轴升起任何左右车轮。爬楼梯机器人由机身和4个结构尺寸完全相同的轮腿结构组成，使得驱动轮能够相对于机器人身体移动，并且车轮能够根据地形形状随机器人身体改变其方向。机器人的前后部都装有一个类似腿的轴，允许轴在机器人身体上滚动，保持与地面或障碍物的接触。四个电机连接到中央电子板上的电机驱动器。机器人的轮腿由体积小、输出转矩大的直流无刷伺服电机驱动，这些电机将连接到腿轴上，最后整个机器人框架将装配到四个轮子上。机器人机身上装有控制系统，电源等，电源采用24V的锂电池。爬楼梯机器人移动和转向的控制是通过控制驱动电机的转速实现。车身上安装有各类传感器，利用红外线传感器和超声波传感器来判断机器人前方的障碍物。

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结语

基于轮式、腿足式爬楼越障机构的优点，本文研究设计了一种适应性强、越障性能较高、结构简单紧凑的，能够在多级楼梯台阶等地形障碍环境中拥有优良的越障通过性能的爬楼梯机器人。

参考文献:

[1]汪新,杨栋,许旻,等.高机动越障机器人攀登机构的关键问题解析[J].中国科学技术大学学报,2005,35(4):506-511.

[2]Uustal H, Minkel J L. Study of the Independence IBOT 3000 Mobility Syste- m: an innovative power mobility device, during use in community environments[J]. Archives of physical medicine and rehabilitation, 2004, 85(12): 2002-2010.

[3]Altendorfer R, Moore N, Komsuoglu H, et al. RHex: A Biologically Inspired Hexapod Runner [J]. Autonomous Robots, 2001, 11(3): 207-213.

[4]刘远凯.基于可变形车轮结构的阶梯攀爬机器人分析与越障研究[D]. 兰州:兰州理工大学,2016.

作者简介：周东辉（1989.05—），男，汉族，浙江绍兴。讲师，硕士，从事车辆、移动机器人等方面研究。

课题项目：2018年浙江省教育厅一般科研项目，项目编号：Y201839165.