爬樓梯機器人探秘與創新

隨著當代科技的發展，機器人不再只是科幻作品中的形象，各式各樣的機器人已經漸漸進入我們的日常生產生活中。由于我國現階段人口老齡化的問題越來越突出，在火災等災害發生時對于樓梯救援的需求，爬樓梯機器人成為了一個很有前景的發展方向。本文調研了國內外輪椅使用需求、用途各異的產品種類，分析了機器人的結構、驅動及不同的適用情況，仿照蜘蛛結構，提出一種爬樓機器人的設計方案，完成機械運動方案和結構設計，最后對于爬樓機器人的現狀與未來分別進行了總結與展望。

概述

當今世界，年齡結構中老年人已成為重要部分。換言之，老年人的數量越來越多。據一些數據統計，自從1999年中國就已經步入了老年社會，現如今已經成為世界上老年人口最多的國家，并且在未來十幾年后的某一天中國老人的數量將達到前所未有的頂峰，人口老齡化和高齡化的嚴重度也會日益突出。隨著人口中老年人占比越來越多，對老年人的關愛社會也是越來越重視。輪椅已然成為殘疾人士和腿腳不便的老年人平日生活的一種重要的不可缺少的出行工具。對他們而言，輪椅不僅僅是代步工具，在進行一些身體鍛煉和與社會交往參與一些社會活動時，輪椅是他們完成這些的根本。這可以有效的完成在社會中的一些參與，不至于被社會所拋棄。

另一方面，基于老年人特殊的年齡和身體狀況，對輪椅的人性化以及功能要求也越來越高。設計一款符合老年人需求的人性化、多功能的輪椅，成為我們此次設計的目標。

隨著世界科技迅速的進步，人們的生活有了很大改善，但隨之而來的也有不少問題。火災就是其中的隱患之一，其實在所有自然災害中，在時間和空間上火災是最不受限制，是平常生活中發生率較高的災害。火災分為天災和人禍。天災，顧名思義就是地球氣候造成的。像樹木或建筑物等易燃的物體因被雷劈了等原因造成失火，而此類原因引起的火災只占很小一部分占比1.8%；而大多數的火災是由人為造成的，或是不小心的生產或是故意的戰爭等。在火災發生時，大家都知道是不能乘坐電梯逃生的。因此，從樓梯逃生成了最佳選擇，而由于可能在火災中一些人腿部已經受傷，所以此時個性化的輪椅就派上了需求。

本文也進行了一個蜘蛛式爬樓梯機器人的創新設想。基于蜘蛛的運動特征加之于輪椅上，對輪椅爬樓梯這一項做出了很大改進。

現階段不同形式的爬樓梯機器人

爬樓梯機器人在國際上通常分為3種，分別為行星輪式爬樓梯機器人、腿式爬樓梯機器人與履帶式爬樓梯機器人，其分類的依據主要是跨越障礙的方式不同。

行星輪式爬樓梯機器人

行星輪式爬樓機器人的工作原理主要是依靠兩個普通輪作為星輪，一個輪轂電機作為星輪，三者均為行星輪，在平地時輪轂電機星輪用于動力，在爬樓梯時，三者交替滾動，使用輪轂電機進行驅動，三輪繞中心進行公轉，從而完成攀爬樓梯的運動。在這個過程中，需要適用集流環設施來進行供電，因為輪轂電機是在不斷繞軸公轉的。

對于行星輪式爬樓梯機器人，其優點非常明顯，首先，由于將平地的運動和攀爬樓梯的運動整合在3個行星輪中，這樣其可以顯著的降低機構的尺寸與重量。另外，行星輪在攀爬樓梯時候，其穩定性非常好，重心不產生較大的上下波動。但是，行星輪式爬樓梯機器人也有劣勢，其攀爬的樓梯尺寸與行星輪的公轉半徑的鎖定的，所以要使得行星輪能穩定在不同高度的樓梯上進行攀爬是比較困難的，其只能在一定小范圍的樓梯尺寸波動范圍內進行攀爬樓梯。尤其是現在的樓梯設計標準與老式居民樓有所不同，這樣，老式居民樓就很難應用此種爬樓機器人。除此之外，這種輪椅爬樓時所需爬升力較大，功率需求大，對動力系統的要求比較高。而且上樓仰角較大，下樓時俯角較大，一方面容易發生傾翻的危險，另一方面會給老年人一定的不安全感。除此之外，這種輪椅體積較大，很難在普通住宅樓梯上使用；價格較貴，目前性能較高的iBOT3000輪椅售價相當于一臺中高檔轎車，這也是星型輪式爬樓梯機器人盡管發明專利很多，真正實施和推廣很少的主要原因。

腿式爬樓梯機器人

腿式爬樓梯機器人的工作原理主要是使用鉸鏈桿件進行攀爬運動。其主要是進行了仿生學的設計，模仿人與動物的攀爬動作，使用機械腿進行支撐，并交替的爬行。不同的腿式機器人使用的腿數也有所不同，此種機器人有美國制造的Ambler移動機器人，還有日本制造的WL-16機器人等等。

腿式爬樓梯機器人的優點是對于復雜情況的適應性較好，不但適用于攀爬樓梯，還可以用來翻越減速帶等障礙物，是一種靈活性強、適應性廣的機器人。但是，步行機器人機械結構比行星輪式爬樓梯機器人的結構要復雜得多，其使用鉸鏈桿件，容易發生故障，且維修起來非常復雜，另外，其在平地的運動效率非常低，所以對于平地上的重心控制等問題得不到解決的前提下，很難大面積投入到正常的生活應用中。另外，其操作復雜，不適合老年人，所以，在實際生活中應用難度較大，以后可能會有望用于軍事方面等。

履帶式爬樓梯機器人

履帶式爬樓梯機器人是現在應用最為廣泛的攀爬機器人，類似于坦克，其攀爬是使用履帶，其產生的摩擦力使得機器人可以向上進行移動，此種機器人在防暴、軍事等領域中的應用非

常多。

履帶式機器人明顯優點是穩定，因為其在行進過程中將樓梯變為一個斜面完成動作。所以，在對于復雜地形行走時候，穩定性與速度均強于前兩者，在支撐面積較大的時候，其受到的應力也較小，使得工作時間大大加強。另外，由于其運行為連續運動，重心波動小，工作效率高。但是，其在平地時候行走由于阻力較大，所以能量消耗較多，除此之外，履帶式輪椅在上下樓時會一定程度上損壞樓梯，這也限制了它的應用。

重心自調整的全方位運動機器人

重心自調整的全方位運動機器人的核心設施為重心調整座椅，是一種具有反饋功能的座椅，其可以通過已有的傾角進行實時的調整。其中，座椅傾角的感應主要是通過陀螺儀來完成，而座椅傾角的調整主要是通過電動推桿來完成，如圖1所示。在運行的時候，如果在爬坡時候，陀螺儀檢測到椅子產生了一定程度的傾角，就推動電動推桿，電動推桿使得座椅繞車架上的軸承轉動，從而完成傾角的補償運動，實現輪椅的重心自調整，適合全方位的運動。其優點是實時座椅姿態調整，給老年人可以帶來更好的體驗，但是缺點是感應裝置造價較高，尚處于理論階段。

調研發現，現在我國需要一種體積小，結構簡單，操作適合老年人，價格合適的爬樓性機器人，來用于助殘助老與災情營救。所以，智能化、人性化、小巧化的輪椅，具有非常大的市場價值，是具有發展前景的一個方向。

機器人的主要結構分析

機器人，顧名思義是由一些沒有生命的材料通過一系列的組裝，再和電路相結合。從而使這個“成品”收到一些指令以此來完成一些動作。而機械本體、控制系統、傳感器、和驅動器是機器人的主要部分。機器人不一定像人，只是對這類機械的一種稱呼。機械本體就相當于人的四肢，由它來完成一些主要的任務。控制系統是控制整個機器人的一些行為發布指令的地方，就好像人的大腦在獲取信息后傳達相應的指令。驅動器是能量發出的地方，相當于汽車的馬達為整個機器轉化能量，從電能轉化為可以利用的機械能。最后的傳感器就好比人的五官、皮膚等感官部位，將感知的一切轉化為信息反饋給控制系統“大腦”。總之，機器人就是由這幾部分完美的組合而成，缺一不可。

基于仿生技術的爬樓梯機器人設計

這個爬樓梯機器人是參照了蜘蛛的一些行動特性。當蜘蛛行走時，遇到了障礙物，蜘蛛有8條腿，他的前腿碰到障礙物會先抬起來，重心向后方移，前腿找到落腳點后面的腿依次重復之前的運動。而本文設想創新的蜘蛛式爬樓梯機器人就是基于蜘蛛的運動特性。此輪椅的底部共有8個轱轆，兩兩對稱。當上樓梯時，在最前方的兩個轱轆前碰到臺階豎壁，感應到后隨之抬起，前兩輪上一臺階。后面三組轱轆依次重復第一組動作。

結論和展望

根據中國的老年人和殘疾人現狀和一些生活中的火災本文先是對國內外的爬樓輪椅作出了概括分析了它們的利與弊，在這個基礎上本文設計出一款新型爬樓梯裝置，此裝置對不同高度的臺階具有兼容性且提高了使用者的舒適性，但在爬樓梯時中心可能不穩且還需要進一步做出實體模型。總而言之，此裝置是一種新興科技，處于理論階段，還需要進一步

完善。

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[作者簡介：苗潤豐，北京市第九十四中學（外經貿附中）]。