变形轮式爬楼越障机器人分析与设计-AGV吧

0 引言

目前，针对机器人在爬楼越障性能方面的研究，世界各国都给予高度重视，爬楼越障机器人在侦查、排险、警戒、巡检等各种复杂多变的环境中具有较广的应用前景。机器人可分为腿式、履带式、轮式等几类；在此基础上又出现组合形式的复合式行走机构，如轮履式、轮腿式、履腿式等复合式行走机构。腿式机器人越障性能好，但结构相对复杂，爬楼过程中重心起伏大、不平稳且机构控制困难。如我国哈尔滨工业大学机器人研究所设计的新型六足仿生机器人HIT-Spider，该机器人单腿为多级驱动的连杆机构，结构非常紧凑，且适应地形能力较强。履带式机器人在爬楼过程中比较平稳、高效，但在楼梯半层平台处的通过性差且在平地行走不灵活。如东京科技大学研发制造的Helio VII,是一款履带式移动机器人，它能实现上下高度差较大的台阶爬越。轮组式机器人运动比较灵活，但上下楼梯的平稳性和越障性相对较低。如美国人Dean Kamen发明的IBOT3000，该机器人运动灵活、操作便捷。四足机器人具有稳定性高、活动灵活等优点，因此，在抢险救灾、探险、社会服务等方面具有广泛的运用价值。研制一种具有较好越障性能和机动性能的四足变形轮式机器人将会有较大的市场前景。

1 爬楼越障机器人系统方案设计

1.1 爬楼越障机器人总体方案设计

目前，我国通常采用由国家质量监督检验检疫总局和建设部制定的楼梯设计标准，其标准规定，对于公共建筑台阶踏步宽度不宜小于0.3m，踏步高度不宜大于0.15m，并不宜小于0.1m，踏步应设有防滑处理，根据这一特点设计变形轮的变形形状及尺寸。如图1所示，该机器人主要是由控制和机械两大系统模块组成，针对机械系统模块进行分析与设计，并最终制作出实验样机。

1.2 变形轮机械结构设计

爬楼越障机器人的变形轮系如图2所示，在变形状态时，如图2（a)所示，齿轮1、2停止转动，齿轮7、8保持转动；如图2（b)所示，通过中心轮的转动带动3个轮子转动，从而完成变形过程；在行走状态时，如图2（a)所示，齿轮1、2和齿轮7、8同时转动，如图2（c)所示，四轮同时转动，使变形轮保持圆轮或变形轮状态，完成行走过程。

通过对变形轮机构的研究，设计出变形轮的机械结构，如图3所示。

1.3 爬楼越障机器人机械结构设计

爬楼越障机器人的机械结构如图4和图5所示，该机器人车身长780mm、宽530mm，圆轮直径为315mm，变形轮最大变形处到车轮中心距离为209.6mm。其承载能力为10kg，行走驱动电机的转矩为1.85N·m，变形驱动电机的转矩为1.5N·m。爬楼越障机器人主要由控制系统、机械系统组成。变形轮式爬楼越障机器人的转向由4个对称分布的变形轮通过差速实现。

爬楼越障机器人的设计采用轴中轴的变形轮传动，其基本原理为：当机器人处于平坦路面时，控制系统接收信号，行走轮处于复位状态（圆形轮状态），此时，电机驱动齿轮转动使机器人在平地行走；当行走轮遇到台阶等障碍物时，将信号传递给控制系统，电机驱动行走轮开始变形，并驱动机器人爬越障碍物，变形轮可根据障碍物的高度来改变变形角度，从而使机器人可以顺利通过障碍物。