改進型輪腿式爬樓梯機器人的研究

王子牛 王恒 楊欣靜 姚翼榮

摘 要：為提高爬樓梯機器人的實際使用效果，通過對傳統輪腿式機器人的改進，設計了一種新型輪腿式機器人。文中介紹了機器人的主要構造，分析計算了機器人輪腿的形狀及尺寸，設計了機器人的控制算法并制作樣機進行實驗。結果表明，改進的輪腿式機器人運動過程中質心變化幅度減小，運動過程更加穩定。

關鍵詞：爬樓梯；機器人；輪腿；越障

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

隨著智能化機器人的發展，機器人越來越多樣化，人類在進行探查、偵探、巡邏、排爆時離不開機器人的協助。機器人能幫助人類跨越障礙，在自身能力允許的情況下，有助于人類完成惡劣、危險情況下的作業。

當前大多機器人爬樓梯所采用的原理為腿式、星輪式[1]、履帶式[2]、可變形式[3]，甚至還可交叉實現各種功能。手臂支撐式機器人具有結構簡單、承重能力強、效率高、容易控制等優點[4]，但由于其支撐的手臂是木制品，環境適應能力較弱，因此很難適應現代多樣化的樓梯結構。考慮到滾輪式機器人摩檫力比較小，遇到光滑的地板容易打滑，而腿式爬樓梯機器人能克服上述缺點，可通過調整腿部姿勢和加大腳掌的抓地力適應惡劣的環境，但結構復雜，內部控制的部件較多，重心難以掌控，靈活性機動性較差，因此需要進行復雜的軌跡設計和步態規劃。

針對上述問題，同時為了實現其高速、穩定的爬樓梯功能，通過對不同類型爬樓梯機器人進行綜合考量，設計了一款新型輪腿式爬樓梯機器人。

1 爬樓梯機器人機械結構設計

本文所設計的輪腿式爬樓梯機器人采用類似風車的對稱結構，由機身和兩個輪腿及尾部的支撐掛鉤組成，總體結構如圖1所示。其輪腿前端固定有橡膠帽以增加摩檫力，減少爬樓梯過程中因受滑動和震動而對風車輪造成傷害，具有防滑減震的效果。

腿輪采用兩個電機共同驅動，兩邊安裝有滾動的木質輪子，木制輪子具有較輕的質量和較大的強度，電機通過支架、齒輪與傳動軸固定在一起。

機器人尾部長度大概是樓梯長度的兩倍，采用木制材料制作而成，懸掛在機器結構的底部，可以抵消電機旋轉產生的扭矩，避免機器人機身翻轉。尾部后安裝一個由舵機控制方向的輪子，用來控制機器人的轉動方向。

機器人的輪子如圖2所示，5個輪腿相互間隔72°，輪腿有倒鉤狀突起可以在運動過程中勾住臺階，利用反作用力使得機器人抬升，同時輪子轉動使得機器人爬上下一級臺階。倒鉤上面附有一層橡膠可以增大摩檫力，減小震動。圓弧形狀可以減少平地行駛時的顛簸，增強平面行駛能力。輪腿通過螺絲固定在機器人上，可以通過更換不同規格的輪腿適應不同的樓梯。

采用兩個直流減速電機作為機器人的驅動單元。為解決兩個輪子轉速不同步的問題，兩個電機驅動同一根傳動桿，通過傳動桿連接腿輪。具體參數見表1所列。

2 機器人尺寸的確定

2.1 機器人輪腿尺寸

機器人通過輪腿旋轉攀爬樓梯，輪腿尺寸是決定機器人能否穩定攀爬樓梯的關鍵。機器人輪腿尺寸計算模型如圖3所示。

由公式（1）、（2）可知，不同輪腿系桿數對機器人爬樓梯能力所需的驅動力不同，輪腿系桿數越大所需驅動力越小[5]。

由于臺階高度h為一定值，當θ越小即腿輪系數越大時，r越大。所以經過實驗選取輪腿系桿數為5。

經過對不同樓梯臺階的尺寸進行測量分析，最終設計的機器人長為670 mm，寬高為230 mm，腿輪尺寸為190 mm。根據機器人實際使用的需求，計算出機器人運動時所需轉速、扭矩、功率等的范圍，選取12 V 37型直流減速電機和3S航空電池作為驅動單元。

3 機器人運動模式分析

3.1 機器人爬樓梯模式

如圖5所示，機器人通過電機驅動兩個輪腿勾住臺階，利用反作用力與摩擦力爬樓梯。

3.2 機器人轉向模式

由于機器人的兩只前輪通過同一根傳動軸連接，所以不能通過兩個驅動輪進行差速轉彎，因此本文在機器人尾部增加了一個由舵機控制的轉向輪，可以以機器人長度為半徑進行原地旋轉，解決樓梯間等狹小空間內的轉向問題。

3.3 機器人平地行駛模式

機器人平地行使圖示如圖6所示。

式（3）～（6）給出了機器人在平地行駛時腿輪質心高度的變化。當腿輪采用倒鉤設計后，可以有效減少機器人在平地行駛時質心高度的變化，減少機器人在行駛過程中的顛簸幅度，提高機器人在平地行駛時的速度與穩定性。

4 機器人控制系統

4.1 控制系統的組成

根據機器人的實際需求，本文研究設計的機器人控制系統主要由電源模塊、主控芯片、電機驅動模塊、紅外探測模塊、慣性導航模塊、無線傳輸模塊等組成。

主控芯片STM32[6]具有實時性好，可靠性高，性價比高等優勢，可滿足腿輪式爬樓梯機器人的控制需求。慣性測量單元MPU6050六軸陀螺儀[7]可提供機器人的姿態信息，用于判斷機器人所處狀態，陀螺儀角度處于24～36°之間時可以認定機器人處于平地，當角度大于36°時可認為機器人處于爬樓梯狀態。主控芯片通過藍牙與上位機通信[8]，發送機器人的狀態信息，實現對機器人運行狀態的實時監控，也可切換成遙控模式接受遙控指令。

4.2 機器人控制算法

機器人在爬樓梯過程中所需要的扭矩不同，機器人在上升過程中需要大扭矩，而在同一級臺階或平地上行駛時需要較小的扭矩。為控制機器人勻速運動，本文設計的機器人采用單環PID算法[9]，即通過編碼器輸出反饋到主控芯片，再將結果轉換成不同占空比的PWM波驅動電機[10]，提供不同的扭矩，控制機器人勻速運動。

4.3 程序流程圖

程序流程如圖7所示。

5 實際效果

圖8所示為機器人在平地上行駛時主體部分的角度變化，由于采用了改進型輪腿結構，機器人主體角度變化較小，增強了機器人的平地行駛能力。

圖9所示為機器人在爬樓梯過程中主體角度的變化。由于階梯相對較高，所以在爬樓梯過程中機器人主體角度的變化大于平地行駛時的角度。

6 結 語

本文針對爬樓梯機器人的實際需求及現狀進行介紹，針對已有的爬樓梯機器人類型進行改造，最終實現機器人爬樓梯的功能。通過程序設計使機器人能夠切換不同的模式并與上位機通信。所設計的機器人具有結構簡單、成本低廉等優勢，應用前景廣闊。

參考文獻

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[2]韓廣，王田苗，梁建宏，等.一種有效爬越樓梯的模塊化可重組履帶結構[J].機器人，2004，26（5）：400-403.

[3]常健，王亞珍，李斌.可變形機器人自主攀爬樓梯控制研究[J].高技術通訊，2016，26（7）：657-666.

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[9]張業偉.直流電動機PID調速系統仿真研究[J].煤炭技術，2014，33（7）：199-201.

[10]周美蘭，高肇明，吳曉剛，等.五種PWM方式對直流無刷電機系統換相轉矩脈動的影響[J].電機與控制學報，2013，17（7）：15-21.