基于單片機(jī)的智能樓梯攀爬車的設(shè)計(jì)與制作

吳春梅，夏遵義，張孟軍，王力超，王響，梁田，梁濤

（大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶，163712）

0 引言

近十幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的智能工具，給人類傳統(tǒng)生活模式帶來了革命性變化，影響著人們生活的方方面面，作為智能樓梯攀爬車的一個重要的應(yīng)用是助老助殘[1]，由于都市環(huán)境中大量樓梯的存在，而且總高低于六層的樓房沒有電梯，致使行動不便的老人，殘疾人，只能靠人的背和抱，非常不方便，經(jīng)相關(guān)報(bào)紙報(bào)道由于許多老人喪失樓梯攀爬能力，而這些人群的子女白天又都要去工作，沒有太多的時間照顧老人，這樣生活質(zhì)量受到極大的影響[2]，只能爬到窗戶上看外面，如果他們擁有一輛智能樓梯攀爬車，就可以輔助他們參加戶外活動，可見研究樓梯攀爬車的意義及市場前景非常廣闊[3]。

1 技術(shù)方案的選擇

綜合方案一：采用傳統(tǒng)的人拉肩扛，通過人力給物體一個作用力，雖不受地點(diǎn)場合的限制，但對人的體力要求較大，容易導(dǎo)致人肌肉拉傷，不符合攀爬車未來的發(fā)展趨勢。

綜合方案二：采用市場上比較普遍的三角輪通過人力進(jìn)行拖拽，雖使用方便，但是比較吃力。

綜合方案三：給三角輪上裝上電機(jī)，提供動力，節(jié)省人力，人必須用手扶住車子，很難控制車子的平穩(wěn)性。同時要求電機(jī)的扭矩較大，且運(yùn)行不夠平穩(wěn)。

綜合方案四：采用三角輪和履帶結(jié)合，通過電機(jī)提供動力。當(dāng)上樓梯時，通過操作者來控制電機(jī)使用履帶進(jìn)行攀爬，當(dāng)在平地進(jìn)行行走時，使用輪子進(jìn)行行走。但此種方案控制復(fù)雜，不便操作，工藝要求高，制作難度大。不方便使用者使用，普及率較低。

綜合方案五∶ 履帶式無避障設(shè)計(jì)，不能時刻監(jiān)控攀爬車與障礙物的距離，由于緊急情況下不能進(jìn)行制動，而操作人員在面臨緊急情況時容易手忙腳亂，導(dǎo)致進(jìn)行不合理的操作。同時此種攀爬車不帶有前臂調(diào)節(jié)裝置，不能適應(yīng)于各種形式的樓梯。

綜合前五種方案存在的主要問題有：

（1）采用傳統(tǒng)的人拉肩扛，比較費(fèi)力，且上下不便。同時又容易扭傷手臂腰部，導(dǎo)致肌肉拉傷；

（2）采用市場上比較普遍的三角輪通過人力進(jìn)行拖拽，雖使用方便，但是比較吃力；

（3）給三角輪上裝上電機(jī)，提供動力，節(jié)省人力，但是人必須用手扶住車子，很難控制車子的平穩(wěn)性。同時要求電機(jī)的扭矩較大，且運(yùn)行不夠平穩(wěn)；

（4）該裝置不能實(shí)現(xiàn)全自動攀爬；

（5）該裝置不能實(shí)現(xiàn)按鍵簡單，易于操作；

（6）該裝置不能實(shí)現(xiàn)有人性化的顯示屏提示；

（7）該裝置不能實(shí)現(xiàn)有避障操作。

綜合方案六∶ 智能樓梯攀爬車，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動履帶和輪子，帶動車子向上進(jìn)行爬升，按鍵控制，易于操作，運(yùn)行平穩(wěn)，攀爬能力大大增強(qiáng)，采用超聲波測距模塊，時刻監(jiān)控攀爬車與前方障礙物的距離，緊急情況下能夠自動制動，超聲波模塊可根據(jù)樓梯臺階高度對單片機(jī)進(jìn)行反饋，然后單片機(jī)控制前臂梁電機(jī)，對前臂梁高度進(jìn)行自動調(diào)整。1602液晶顯示屏?xí)r刻顯示超聲波測距模塊傳輸回來的距離，方便操作人員及時對車子做出修正和制動，使其更具人性化。

2 智能樓梯攀爬車的主要部件

構(gòu)成智能樓梯攀爬車的主要部件包括動力裝置、傳感器、顯示、電機(jī)及附屬機(jī)械結(jié)構(gòu)。

（1）動力裝置采用兩個42步進(jìn)電機(jī)，通過手中按鍵操作控制單片機(jī)的信號輸出進(jìn)而用TB6600驅(qū)動器控制電機(jī)的運(yùn)行。

（2）超聲波測距裝置通過單片機(jī)定時器T0每間隔18毫秒向前方發(fā)送一次脈沖序列，接收后進(jìn)行計(jì)算，從而得到此刻車子與前方障礙物的距離。

（3）1602顯示裝置通過接收超聲波測距模塊發(fā)送的信號進(jìn)而顯示車子與障礙物的距離。當(dāng)距離過小時，反饋給單片機(jī)信號，從而停止車子的運(yùn)行。

（4）前臂梁調(diào)節(jié)裝置通過單片機(jī)控制減速電機(jī)帶動拉桿進(jìn)行前臂梁高度調(diào)節(jié)，可根據(jù)臺階高度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)[4]。

工作流程圖如圖1所示。

圖1 工作原理圖

3 動力裝置軟件流程圖

本次動力裝置采用42系列步進(jìn)電機(jī)，采用TB6600進(jìn)行驅(qū)動，該裝置的軟件流程圖如圖2、3所示。

圖2 動力與驅(qū)動器裝置軟件流程圖

圖3 前臂梁調(diào)整裝置軟件流程圖

當(dāng)超聲波測距裝置水平檢測到前方10cm內(nèi)有障礙物時，表明攀爬車前臂梁調(diào)整裝置角度較低，超聲波測距裝置將信號反饋到控制器，控制器會控制減速電機(jī)正轉(zhuǎn)，從而帶動前臂梁調(diào)整裝置，將角度調(diào)高。相反，控制器會控制減速電機(jī)反轉(zhuǎn)，使前臂梁調(diào)整裝置角度降低。通過超聲波測距裝置對樓梯臺階高度的時刻檢測，前臂梁調(diào)整裝置根據(jù)反饋的距離信號時刻對攀爬車的攀爬角度進(jìn)行調(diào)整。

4 功能測試流程

系統(tǒng)測試的主要步驟如下∶

（1）硬件電路連接。

按照硬件電路圖進(jìn)行實(shí)物連接，確認(rèn)連接無誤后給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器32V供電，減速電機(jī)12V供電，單片機(jī)5V供電。

（2）功能測試。

①首先初始化，然后按下獨(dú)立按鍵S1,觀察攀爬車的運(yùn)行情況。在運(yùn)行一段時間后按下獨(dú)立按鍵S3或S4，觀察攀爬車的轉(zhuǎn)向情況，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果記錄在表格內(nèi)。

②再次復(fù)位。按下獨(dú)立按鍵S2,觀察攀爬車的運(yùn)行情況。在運(yùn)行一段時間后按下獨(dú)立按鍵S3或S4，觀察攀爬車的轉(zhuǎn)向情況，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果記錄在表格內(nèi)。

當(dāng)攀爬車運(yùn)行到距樓梯臺階距離在安全距離內(nèi)時，觀察攀爬車前臂梁調(diào)整裝置變化情況，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果記錄在表格內(nèi)。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別給步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)做斷電處理，并整理實(shí)驗(yàn)器材。

表1 攀爬車運(yùn)行情況

表2 攀爬車前臂梁調(diào)整裝置變化情況

5 任務(wù)完成情況

圖4 實(shí)物測試圖

圖5 液晶顯示圖

通過對研究的攀爬車的功能和性能進(jìn)行測試，本次設(shè)計(jì)的攀爬車能夠?qū)崿F(xiàn)平地馱人載物行駛，樓道內(nèi)自動攀爬，自動避障等功能。當(dāng)遇到樓梯臺階時能夠自動根據(jù)樓梯臺階高度由前臂梁調(diào)整裝置自動調(diào)整以便找到最佳的攀爬角度進(jìn)而自動攀爬。在現(xiàn)有的攀爬車基礎(chǔ)上增加了避障設(shè)計(jì)，因此在攀爬過程中可有效避免操作人員誤操作所帶來的危險(xiǎn)和損害。

6 結(jié)論

經(jīng)過運(yùn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的這款智能樓梯攀爬車能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有如下幾點(diǎn)：（1）自動爬樓梯，節(jié)省人力。（2）時刻監(jiān)測障礙物，緊急情況自動制動。（3）顯示屏?xí)r刻顯示車與障礙物距離。（4）按鍵操作，方便快捷。（5）減速電機(jī)控制攀爬高度，可根據(jù)樓梯臺階調(diào)整前臂高度。可見，這款智能樓梯攀爬車能夠很好的實(shí)現(xiàn)爬樓功能，并能偶成功蔽障，如果將其應(yīng)用于實(shí)踐意義非常重大。