一种爬梯机械人的毕业设计

一种爬梯机械人的设计

[摘要]

在日常生活和生产中经常要将重物搬上楼梯，传统的方法基本是靠人力搬运完成，有时由于重物太重或人手不足而无法搬运，本课题就是为克服这个难题而设计的。本论文主要对爬楼机器人星型轮的传动机构及控制系统进行详细设计。首先介绍了国内外爬楼机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍了本爬楼机器人总体结构。在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上，设计了相对优势较明显的轮组结构爬楼机器人。对机器人小车的运动学模型进行分析，论证小车实现任意曲线运动所包含的自转、直线前进、圆弧前进三个基本运动单元的可行性。引入虚拟样机技术，通过Pro/Engineer三维建模并进行模拟运动仿真。文章最后研究设计了在各种环境下，以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。在控制系统中，采用超声波传感器的对称排列，获取了自主上楼梯所必须地两个关键参数θ和 q；对驱动大功率电机的电路进行分析，设计了更适合大功率，更安全的电机驱动电路，直流马达配合高功率MOSFETⅡ型驱动器。

关键词：爬楼机器人；三星轮； MOSFET驱动电路；单片机 C8051F310

Abstract

Moving weight from up and down is required in our daily activities and productivities, and it was done by hand. While it is too heavy or short –handed to finished in some times. This thesis is designed to overcome the obstacles and it gives a detailed designing on transmission device and control system of star-like wheel of stair-climbing robot. Firstly ,it introduced a current situation of stair-climbing robot at home and abroad, clarified the purposes and meanings, introduced a overall structure of stair-climbing robot.After deeply analysis the stair-climbing frame and the object, designed a wheelsets stair-climbing robot with more advantages than others . Analyzed the kinematics model of the robot car,and demonstrate the available of achieving any curve movement with the rotation, straight forward, and arc forward . Robot can achieve track controlling based on speed matching. With the aid of virtual prototyping technology, through the 3D software of Solid Works, the dynamic analysis of the stair-climbing robot is carried out in ADAMS. At last, the thesis design the controller system with the core of C8051F310 based on rule environment ，In the control system, with the help of arranged ultrasonic sensors, get the two key parameters θ and q which import for climbing staircase Analyzed the circuit of high-power motor driving, design a more suitable circuit than IC L298N.Which is dc generator with highly efficient driving MOSFETⅡ.

Key words：Stair-climbing robot；Three–star wheels；MOSFET driving circuit；Single chip microcomputer C8051F310

目录

[摘要] ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I Abstract ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ II 第一章引言 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.1 课题研究的目的和意义 ------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.2 移动机器人的发展概况 ------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.3 爬楼梯机器人目前的研究状况--------------------------------------------------------------------------------- 4 1.4 论文研究的主要内容---------------------------------------------------------------------------------------------- 6第二章爬楼机器人的总体设计 ---------------------------------------------------------------------------------------- 8 2.1 爬楼机器人的设计要求 ------------------------------------------------------------------------------------------ 8 2.2 爬楼机器人的总体方案 ------------------------------------------------------------------------------------------ 8第三章爬楼机器人传动、轮组及转向机构设计 --------------------------------------------------------------- 11 3.1爬楼梯机器人小车的执行电机选择------------------------------------------------------------------------- 11

3.1.1技术指标------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11

3.1.2电机选型 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 3.2爬楼机器人的机构设计 ----------------------------------------------------------------------------------------- 13

3.2.1 机器人小车传动机构设计 ------------------------------------------------------------------------------- 13

3.2.2传动部件的设计与校核 ----------------------------------------------------------------------------------- 15

3.2.3爬楼机器人转向机构设计 -------------------------------------------------------------------------------- 19

3.2.4机器人小车结构设计--------------------------------------------------------------------------------------- 20 3.3爬楼机器人小车三维实体建模 ------------------------------------------------------------------------------- 22

3.3.1 Pro/E软件介绍 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 22

3.3.2三维实体建模------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 3.4 爬楼机器人小车行驶性能分析------------------------------------------------------------------------------- 23

3.4.1可跨越最大垂直障碍高度 -------------------------------------------------------------------------------- 23

3.4.2最小转弯半径------------------------------------------------------------------------------------------------- 24第四章爬楼机器人控制系统设计----------------------------------------------------------------------------------- 26 4.1 机器人爬楼梯的控制目标 ------------------------------------------------------------------------------------- 26 4.2 机器人的体系结构及系统组成------------------------------------------------------------------------------- 26 4.3控制系统主要硬件的选择 -------------------------------------------------------------------------------------- 28

4.3.1单片机的选型------------------------------------------------------------------------------------------------- 28

4.3.2传感器的选择------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 4.4机器人控制系统的程序编制----------------------------------------------------------------------------------- 31第五章总结与展望 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 38

5.1全文总结------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38 5.2展望 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38致谢 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- III 参考文献 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- IV

第一章引言

自盘古开天辟地，人类诞生以来，人们就一直用智慧开辟着完美的生活！进入新的21世纪，人类除了致力于自身的发展外，还十分关注机器人、外星人和克隆人等问题。机器人正是本论文研究的对象。

“机器人”这人名词对许多人来说，并不陌生。从古代的神话传说，到现代的科学幻想小说，戏剧，电影和电视，都有许多关于机器人的精彩描绘。而且越来越多的机器人出现在我们的生活生产中，更多科学工作者和业余爱好者也投入到机器人研究的行列当中来。

机器人应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域。在“机器人王国”日本，一直拥有全世界 60%左右的机器人，工业机器人应用于最多的工业部部门依次为家用电器制造、汽车制造、塑料成型、通用机械制造和金属加工等工业，而且正应用于更多的新领域中。据统计，目前全世界服役机器人约100万台；机器人学也维持较好的发展势头，充满希望的进入这崭新的世纪。

1.1 课题研究的目的和意义

本文讨论的移动机器人是具有越障功能，能够灵巧翻越楼梯的一种光机电一体化的智能装置。用作搬运的自主移动机器人，要求能随工作任务和环境的改变，智能地重规划行驶路径，并要求能快速适应工作环境。要达到这种水平，当前还有很多问题需要深入的研究，而其中的机器人楼梯环境顺利翻爬问题是较为重要的一个研究课题。

越障机器人的研究，对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境.减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一，爬楼梯机器人的研究是解决当前全自主机器人在非结构环境下正常工作的重要环节之一。爬楼梯机器人可应用于危险环境探查、侦察、救灾、导盲、助残、搬运、清扫、维修、安装等作业，其实际意义重大。

1.2 移动机器人的发展概况

机器人一词最早使用是在 1920 年捷克作家卡雷尔2查培克的剧本《罗萨姆的万能机器人》中，剧中机器人(Robot)这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。

机器人一词虽出现得较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是机器人技术研究者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点或具有模拟动物特征的机器人雏形。

西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的具备有机器人概念的文字资料。春秋后期，我国著名的木匠鲁班在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”，体现了我国劳动人民的聪明才智。

1954 年，美国人乔治2德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于 1961 年发表了该机器人专利。1962 年，美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate 在美国通用汽车公司（GM）投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人开始成为人类生活中的现实。

要给机器人下个合适的和为人们普遍同意的定义是困难的。就目前各种定义的共同之处来说，即认为机器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作；（2）具有智力或感觉与识别能力；（3）是人造的机器或机械电子装置。“智能机器人”是一种集数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、能源、计算机硬件、软件、人工智能等众多领域的科学与技术知识于一身的综合技术平台。机器人技术的迅速发展，已对许多国家的工业生产、太空和海洋探索、以及整个国民经济和人民生活产生了重大影响，而且这种影响必将进一步扩大。

目前在工业上运行的 90%以上的机器人，都不具有智能。随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提出更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。这些智能机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动；有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；有的具有自主控制和决策能力……这些智能机器人，不仅应用各种反馈传感器，而且还运用人工智能中各种学习、推理和决策技术。智能机器人还应用许多最新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等[4]。21 世纪的机器人智能水平，将提高到更高的水平，令人赞叹。

自从20世纪60年代初，第一台工业机器人发明以来，机器人的发展已有半个多世纪，机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有的领域。机器人大致经过三代的演变：

第一代是可编程的示教再现型机器人；第二代是具有一定感觉功能和自适应能力的离线编程机器人；第三代机器人是智能机器人。机器人正在向智能化的趋势发展，智能化的机器系统将从事目前传统机器系统和人工难以胜任的恶劣环境下的一些操作。

移动机器人是机器人学中的一个重要分支，是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在非结构环境下，动态决策与规划、行为控制与执行等多项功能于一体的高智能化机器系统。它与机器人学、计算机视觉、多传感器信息融合、智能控制以及多智能体（Multi-Agent）、机械学等学科密切相关，体现了信息科学和人工智能技术的最新成果，具有重要的军用及民用价值，是现代机器人学中一个重要而且相当活跃的研究领域。

移动机器人的研究早在上世纪60年代就已经开始，斯坦福研究院（SRI）的 Nils Nilssen和Charles Roson等人，在1962至1972年制造出了取名为Shakey的自主移动机器人。从上世纪80年代开始，美国国防高级研究计划局（DARPA）就制定了地面无人作战平台的战略计划，从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如 DARPA 的自主地面车辆（ALV）计划（1983—1990），能源部制订的为期 10 年的机器人和智能系统计划（RIPS）（1986—1995），以及后来的空间机器人计划；日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划等。

自上世纪 90 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。美国MIT人工智能实验室开发的一个人形机器人Cog，使用一套传感系统来模拟人的感官。美国佐治亚理工大学的Nomad 150机器人利用激光传感器构建3-D坐标和地图。美国卡耐基－梅隆大学的BookStore 计划完全采用了视觉作为导航，实现了基于图像表现的视觉定位和导航。美国 NASA 研制的火星探测机器人“索杰娜”于1997年登上火星，2004 年初美国又相继发射了“勇气号”和“机遇号”火星车，引起了全世界的广泛关注。德国慕尼黑国防大学的移动机器人，能够在整幢大楼中进行自主定位和导航，并可以和人类进行多语言交流，完成由人用语言布置的任务。

国内在移动机器人方面的研究起步较晚，主要的研究工作有：清华大学的 THMR-V 自动驾驶小车，香港城市大学的自动导航车和服务机器人，中国科学院沈阳自动化研究所的 AGV和防爆机器人，中国科学院自动化所自行设计和制造的 CASIA-I 全方位移动机器人视觉导航系统等。

近几年，通过足球机器人比赛的广泛开展，移动机器人作为其中的 RoboCup 中型组全自主机器人，在国内高校和科研院所的积极参与下取得了巨大的进展。目前以上海交通大学的“蛟龙”系列，中科院自动化研究所，深圳固高公司和上海广茂达公司的移动机器人发展较为迅速。

移动机器人在研究和开发过程中所涉及的研究领域很广，包括智能机器人系统、专家系统、多智能体系统、智能体结构设计、图像处理（image-processing）、传感器数据融合（sensor data fusion）、决策对策、进化算法等[8～9]。该研究可以催生成熟的一系列高新技术，将为社会经济和文化的发展提供重要手段。

1.3 爬楼梯机器人目前的研究状况

机器人作为一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。非结构环境中的多功能全自主的移动机器人技术多年来一直是机器人研究中的热点问题之一。但是非结构环境给移动机器人的运动造成了自主决策和路径规划的困难。越障机器人的研究，对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境.减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。其中，移动机器人从事各项事务响应任务时，楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一。针对各种不同的运动环境，一直以来移动机器人所采用的运动方式大体包括轮式、履带式、足式等。

国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是 1892 年美国的 Bray 发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品已经投入市场使用。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近年来也涌现了很多这方面的专利，然而投入实际使用的还很少。总结目前国内外现有的爬楼梯装置和专利，按爬楼梯功能实现的原理主要分为履带式、轮组式、步行式爬楼梯装置。下面分别对国外、国内各种类型装置的发展作简要介绍，并分析其各自优缺点。

(1)步行式

早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式机器人，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。

步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯;但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。

(2)履带式

履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，其原理简单，技术也比较成熟。英国 Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为 35°，上下楼梯速度为每分钟 15--20 个台阶。法国 Topchair 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。

履带式结构传动效率比较高[16]，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处:重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。

(3)轮组式

轮组式爬楼梯装置按轮组中使用小轮的个数可分为两轮组式、三轮组式以及四轮组式。单轮组式结构稳定性较差，在爬楼过程中需要有人协助才能保证重心的稳定[6]；而双轮组式虽能实现自主爬楼，但由于其体积庞大且偏重，影响了它的使用范围。

美国著名发明家 Dean Kamen 发明的了一种能自动调节重心的两轮组式轮椅 iBOT。它有 6 个轮子，前面有一对实心脚轮，后面有两对行星结构的充气轮胎，通过两后轮交替翻转可以上下楼梯。iBOT 几乎能适用于所有楼梯，此外它也能在沙滩、斜坡和崎岖的路面上行驶，而且后轮可以直立行走，为使用者提供了更多方便之处，帮助他们能达到正常人的高度。它最大的优点就是在轮椅重心安装了陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号调整重心的位置，使轮椅能在不同状态下保持平衡。经过数十年的研究开发，它己经由 iBOT3000 发展到了 iBOT4000，功能也越来越强大，是目前该领域中性能最高的

产品，它的售价在 3 万美元左右，相当于一辆中档桥车的价格，难以被普通使用者接受。

我国在上世纪八十年代对轮组式爬楼梯装置已有研究，1987年专利号为 86210653 的国家专利中介绍了一种平地、楼梯运行多用轮椅，前滚轮和后滚轮都用多个星形轮组成，除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。

轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大[12～13]，很难在普通住宅楼梯上使用。

(4)复合类机器人

基于履带式、轮式、腿式移动机器人的优缺点[9]，在研究中，采用了腿-履复合和轮-腿-履带复合等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。机器人摆臂在一定范围可上下摆动，辅助越障、攀爬，具有较强的越障性能、路面通过性和上下台阶能力。

但是各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。

综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动机器人使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。

1.4 论文研究的主要内容

本课题以开发具备初步爬楼梯能力的机器人小车为目的，重点研究设计符合中国国情爬楼梯的轮组结构，并设计基于单片机的底层驱动控制系统。本文所从事的工作主要有以下几点: