阶梯攀爬服务机器人设计研究.pdf

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1、机器人现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１４年第３期倡阶梯攀爬服务机器人设计研究李翠明，龚俊，杨萍，陈剑（兰州理工大学机电工程学院，兰州７３００５０）摘要：为解决未安装电梯的低楼层货物搬运问题，设计了一种阶梯攀爬服务机器人样机，机器人由转向机构、变形轮、重心调节机构和底盘等组成。控制系统以飞思卡尔公司的１６位单片机ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８为控制器，以ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒＩＤＥ软件作为机器人软件开发平台，并着重对检测系统进行研究。机器人在真实环境下进行了爬越台阶、楼梯等越障实验

2、，验证了其越障能力和环境适应能力。关键词：服务机器人；阶梯攀爬；ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８单片机；超声波传感器中图分类号：ＴＰ２４２文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—３１３３（２０１４）０３—００３１—０４Designofstair-climbingservicerobotＬｉＣｕｉｍｉｎｇ，ＧｏｎｇＪｕｎ，ＹａｎｇＰｉｎｇ，ＣｈｅｎＪｉａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉ

3、ｎａ）Abstract：Ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃａｒｇｏｈａｎｄｌｉｎｇｏｎｔｈｅｌｏｗｆｌｏｏｒｓｕｎｉｎｓｔａｌｌｅｄｔｈｅｅｌｅｖａｔｏｒ，ａｎｅｗｋｉｎｄｏｆｓｅｒｖｉｃｅｒｏｂｏｔｉｓｐｒｏ-ｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｅｕｓｅｄｆｏｒｃｌｉｍｂｉｎｇｓｔａｉｒｓ．Ｔｈｅｒｏｂｏｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｓｔｅｅｒｉｎｇｐａｒｔ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｂｌｅｗｈｅｅｌｐａｒｔ，ｇｒａｖｉｔｙ-ｃｅｎｔｅｒｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｐａｒｔａｎｄｕｎｄｅｒｐａｎｐａｒｔ．ＢａｓｅｄｏｎＣｏｄｅＷａｒｒｉｏ

4、ｒＩＤＥａｓａｒｏｂｏｔｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｒｏｂｏｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｓＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｓｔｕｄｉｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ．Ｉｔｓｃａｐａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｉｓｔｅｓｔｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｕｃｈａｓｃｌｉｍｂｉｎｇｓｔａｉｒｓ，ｔｒａｖｅｒｓｉｎｇｓｔｅｐｓｅｃｔｕｎｄｅｒｔｈｅｒｅａｌｃ

5、ｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ．Keywords：ｓｅｒｖｉｃｅｒｏｂｏｔ；ｓｔａｉｒｃｌｉｍｂｉｎｇ；ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ＳＣＭ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｓｅｎｓｏｒ［６-８］使用。为解决阶梯攀爬服务机器人使用受限的问０引言题，考虑到我国使用者的经济承受能力，笔者研究开社会的发展使越来越多的智能系统开始代替人发了一种结构简单，造价低廉，具有爬越台阶、楼梯等［１］类的体力劳动，而且越来越自动化、智能化。阶梯越障和避障功能的阶梯攀爬服务机器人。攀爬服务机器人就是利用机器人的人工智能来实现１阶梯攀爬服务机器人设计目标阶梯攀爬

6、工作，代替未安装电梯的低楼层货物搬运时所需的劳动力，它的使用价值逐渐被人们接受与认阶梯攀爬服务机器人主要用在现代楼宇、道路阶可。国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年梯上的攀爬行走和货物搬运。的历史，并设计了多种结构的阶梯攀爬服务机器人，该机器人的主要特点包括：具有信息探测采集及其攀爬的基本结构包括履带式、轮式、足式和复合反馈功能，可完成在平地与楼梯之间行走状态的转［２-５］式。但是它们大多结构复杂、造价昂贵。国内的换；爬楼梯时，机器人重心可自动调节；机构稳定、灵研究相对较晚，虽然也有很多专利，但由于受到体积、活；总体

7、质量轻、结构简单，整个机器人的能耗较低。重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入阶梯攀爬服务机器人主要性能指标如表１所示。表１阶梯攀爬服务机器人主要性能指标－１结构形式轮系变换角度／（°）楼梯高度／ｍｍ楼梯宽度／ｍｍ最大攀爬速度／（阶梯·分钟）最大载荷／ｋｇ变形轮组式０～９０１２０～２００８００～１０００３０３０倡国家自然科学基金资助项目（５１１６５０２２）３１２０１４年第３期现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２阶梯攀爬服务机器人总体设计本文设计的阶梯攀爬服务机器人样机如图

8、１所示，该机器人主要由主控模块、电动机驱动模块、超声波测距模块、变形轮、转向机构、底盘以及重心调节机构等组成。机器人在平路运行时，车轮为圆形轮毂图２变形轮变形过程式，电动机驱动机器人前进、停止或后退，舵机控制机器人的转向；在前行的过程中安装在车体前端的四个超声波传感器检测到前方阶梯时，机器人停止前进，控制舵机使变形轮