樓梯攀爬機器人結構設計

邢一童 劉丹寧 于家驊 趙鑫鑫

摘要：多功能樓梯攀爬機器人，旨在制造一個應用于更簡便的上下樓梯機器人，樓梯間貨物的運輸，也可以應用于救援探測。因多功能樓梯攀爬機器人需要在室內承載負載并攀爬樓梯，故移動機構采用四輪式移動機構，兩個變形輪為驅動輪，兩個行星輪為從動輪，可更好的滿足機器人的各種工作環境的要求，減少室內作業時候的轉彎半徑，通過前輪分散驅動，減少電源損耗，延長工作時間。基于此本研究提出一種將變形輪行星輪與履帶相結合的復合式結構設計方案。

關鍵詞：多功能樓梯攀爬機器人;超聲波傳感器;吸盤式機械手

1、引言

智能機器人的出現，正在慢慢的改變人們生活和工作的方式，在越來越多的方面呈現出巨大的亮點，比如在某些情況復雜的局面、崎嶇不平的地形環境中替代人類工作。非結構化環境下智能移動機器人的研究對于拓展智能機器人的工作環境，以及在人類不舒適或無法接近的危險和困難環境中工作具有重要意義。智能移動機器人還可以用于工業生產中相對危險和困難的工作場所，提高工作效率和產品質量，改善工作環境，降低工作強度;其中，當智能移動機器人參與各種工作時，樓梯是人工環境中最困難、最常見、最特殊的障礙物之一。根據不同的應用環境和不同的操作要求，必須設計不同類型的移動機構來滿足移動機器人的要求。越障機器人采用的運動結構形式主要有輪組式、履帶式、腿足式、組合式和變結構式。該組合方法考慮了不同方法的優缺點，使機器人具有更好的靈活性和適應性，本文的樓梯攀爬機器人采用輪式和履帶式組合方式。

2、總體設計

為了使履帶式爬梯機器人具有平面全方位運動，實現爬梯功能，將總體方案設計分為機械結構方案和控制方案兩部分。

其中機械結構包括樓梯攀爬機器人由兩個變形輪為驅動輪、兩個行星輪為從動輪、履帶、超聲波傳感器、吸盤式機械手等組成。控制結構包括電機、電池、2.4G無線模塊等。

機器人工作原理如下：

機器人首先通過已編好的程序將吸盤機械手處于放開狀態，機械手到達物品所在的位置后程序啟動使得吸盤處于吸附的狀態，這時機械手將物品抬起或者放到車身上放的箱子中，此時在到達樓梯之前使用的是履帶向前行駛，在到達樓梯之前的十米以內的距離超聲波傳感器即可將檢測到的信息傳遞給運動控制模塊，變形輪在這時通過運動控制模塊下降代替履帶進行爬樓梯，在到達樓梯頂部后變形輪這時會上升讓履帶作為主要行駛的輪子到達指定地點后將物品放下，即完成任務。

當某一地方發生災害時為了防止人員的傷亡可以使用樓梯攀爬機器人，當到達需要檢測的地點時，機器人通過上方的云臺攝像頭將檢測地的實際情況記錄下來通過內部的圖像運輸模塊快速且準確的將內部的情況傳遞給救援人員在保證安全的情況下實施救援。

3、機械手機構設計

控制原理：機械手為氣動射流程序控制，其動作程序：吸料—上升—伸出—放料—延時—縮回—下降—吸料。

具有攀爬樓梯功能的機器人設置有吸盤式機械臂，機械臂手設置在底盤的上表面，用以抓取和放置物品。其機械臂每個構件有個軸鏈接，多個范圍可動，實現模仿手臂運動且方便收縮不占地方而且吸盤式機械臂通過編程來控制吸盤的吸放使得拿取物體更加的穩定。

4、電子硬件及控制部分的設計

整個機器人由24V鋰電池供電，控制電路的每個部分由穩壓電路供電。超聲波測距傳感器檢測環境，陀螺儀加速度計接收機器人的位置角來調整重心;2.4G無線通信實現遠程控制，單片機實現PWM和電平信號控制，驅動電路驅動變形輪、行星輪和軌道進行正確操作，以及吸盤式機械手對貨物的拿取。

5、結論

該樓梯攀爬機器人能夠應用于樓梯間貨物的運輸，也可以應用于樓房的或災后的救援探測。本文利用變形輪、行星輪和履帶的復合式結構，結合升降桿實現變形輪與履帶的交替使用進行爬樓梯越礙的作用;通過超聲波測距儀來判斷是否到達樓梯底部（頂部），以此切換機器人的主要行駛輪，在車身部分設計了吸盤式機械手以便于更穩定的搬運貨物。研究履帶、變形輪、行星輪和一些輔助機構，對于機器人在惡劣環境、越障和運輸重物等方面的工作具有重要意義。

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基金項目：2021年山東省大學生創新訓練項目（S202113320023）;2020年青島黃海學院科技創新活動項目;2021年國家大學生創新創業訓練計劃項目.

作者簡介：邢一童（2000.06-），女，漢族，山東曲阜人，大學本科學歷，專業：機器人工程。