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1、自动爬楼搬运小车设计开题报告开题报告课题名称自动爬楼搬运小车设计课题类型实践应用型 指导教师学生姓名学号专业班级本课题的研究现状、 研究目的及意义 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
2、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
3、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 由较链杆件机构组成。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，
4、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，行走时重心波动很
5、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；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DeanKame假:明的了一种能自动调节重
6、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。旧OT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，它己经由旧OT3000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
7、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旧OT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。止匕外，轮组式爬楼梯装 置体积较大，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、
8、腿式移动机器人的优缺点，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
9、，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。课题类型：课题类型：A-理论探究型B-实践应用型本课题的研究内容以设计一款自动爬楼梯搬运货物的小车为目的，设计符合中国国情轮组式车轮，同时为了提高小车的越障能力，还采用 变形轮。止匕外，在小车爬楼梯时，为了防止搬运的货物不掉下来，还 需要设计降低货物重心的机构。1 .为提高机器人爬楼梯能力，综合分析国内外现有装置，结合我国建 筑楼梯模数协调标准，设计通用性强、上下楼梯动作流畅、容易控 制的车轮组
10、机构。两个轮组代替通用四轮车的后轮，前轮用两个变形 轮来驱动小车爬楼梯。2 .通过去图书馆查阅资料，确定小车的总体结构，分析各种结构的优缺点，最终确定小车的结构，并且用PRO/E画出各个机构的三维图 和用CAE出机械结构的装配图。3,确定以单片机为控制系统，分析控制原理并画出控制流程图。本课题研究的实施方案、内容本课题确定采用爬楼梯优势较强的轮式机构和变形轮。爬楼机器人要求具有在平面行驶和爬楼梯的功能（楼梯规格：140a210, 220b320）,当然也具备转向避障和良好的行走线 性轨迹，止匕外，爬楼梯搬运货物小车还需要具备攀爬楼梯时考虑到实 际攀爬楼梯的重心调节系统在调节转移过程中的稳定性及
11、承载能力。我初步拟定了小车总体结构，如下：工作原理用直流减速电机提供动力，以安装在机器人前端的4个超声波传感器作为自动检测系统，将信号反馈给主控模块完成传动轴的自 动离合及速度调控，通过P WM信号控制舵机使其转向机构、变形轮和重心调节机构动作，从而实现机器人在坡地、阶梯等不同环境下的 行进。本课题研究进度安排(1)2018.3.1-2018.4.10收集相关资料，撰写开题报告(2)2018.4.10-2018.4.15翻译一篇与自动爬楼梯小车相关的英文文献(3)2018.4.20-2018.4.25拟定总体结构的方案和控制电路方案(4)2018.4.25-2018.5.10用PRO/E画出机
12、械结构三维图(5)2018.5.10-2018.5.15 用CAD1出小车机械装配图和关键的零件 (6)2018.5.15-2018.5.20 画出控制电路图(7)2018.5.20-2018.5.25 撰写论文符合要求(8)2018.5.25-2018.5.31 撰写说明书、打印图纸、 整理材料、答辩已查阅的主要参考文献1乔林林.一种新型变形轮行走机构研究J. 大科技,2017,(22)2杨萍，龚林强，施俊屹等.阶梯攀爬机器人结构 及控制方案设计*J.机电工程,2017，第34卷(6):557-561 , 572.3 张冬昌，贺子懿，张冬梅.智能小车的单片机控制设计实现J.中国新 通信,20
13、18,(第1期).4谭昊轩.一种基于螺旋副的爬楼梯机器人设 计J.电子世界,2018,(第2期).5张瑞红，金德闻，张济川.多杆 机构瞬停节分析及应用J.清华大学学报，2000.40 (4) .39-40.6 温照方主编.电机与控制M.北京：北京理工大学出版社,2004.06.7YamatoI,etal1HighfrequencylinkDC/ACconverterf orUPSwithanewvoltageclamperJ1IEEEPESC,1990:52-105 。8城乡建设环境保护部主编.建筑楼梯模数协调标准M.北京：中国 计划出版社,1988.9邢立铺,王澜,张庆松,胡久银.从GB/T12996-2012解读电动轮椅车的性能要求及检测J.中国医疗器 械信息,2015,(第12期).10韩广，王田苗，梁建宏，等.一种有效 爬越楼梯的模块化可重组履带结构J.机器人，2004,26(5):400-40311蔡自兴.智能控制及移动机器人研究进展 J.中南大学学报：自然科学版，2005,36(5):721-726 指导教师意见指导教师签名： 年月日
