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爬樓梯輪椅物化成果 一，概論 針對目前普通輪椅不具備爬樓梯功能，而國內(nèi)市場上尚未出現(xiàn)比較成熟，實用的爬樓輪椅這一現(xiàn)狀，我們設(shè)計了一種實用的星輪行星輪轉(zhuǎn)換式可爬樓輪椅。該輪椅既可以像普通輪椅一樣在平地上行走，又可以攀爬樓梯，通過手搖來驅(qū)動。我們在行星齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，在中心軸和轉(zhuǎn)臂間設(shè)一離合器，離合器分離時，驅(qū)動中心齒輪便會帶動各行星齒輪旋轉(zhuǎn)，此時為行星輪驅(qū)動模式，適用于平地行走；而操作離合器使其結(jié)合時，中心軸和轉(zhuǎn)臂鎖死，各行星齒輪將不能自傳，驅(qū)動中心軸整個行星輪系將整體翻轉(zhuǎn)，主動翻越障礙，此時為星輪驅(qū)動模式，適用于爬樓梯。這種新的結(jié)構(gòu)我們稱之為星輪行星輪轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們在萬向輪兩側(cè)增加了一對起引導(dǎo)和越障作用的導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪與萬向輪的巧妙結(jié)合增強了萬向輪的越障能力。此外我們還正確設(shè)計重心位置，并將靠背設(shè)計成可調(diào)形式，爬樓梯時可以調(diào)節(jié)重心位置，保證了爬樓的完全性和舒適性。 對于殘疾人輪椅的改進(jìn)，以有不少人提出各種解決方案：有的使用履帶式的輔助爬升設(shè)備幫助輪椅上下樓梯，有的采用步進(jìn)式的結(jié)構(gòu)一步一步往上踏，有的使用精密的陀螺儀控制兩輪結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，立起來上下樓梯，但這些方案都有一些不盡人意的地方，比如：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，使用不便，不能很好的適應(yīng)平地行駛等，因而都未能得到較廣泛的應(yīng)用。在總結(jié)前人設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我們在星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計一種新型輪椅，一種簡單實用，安全可靠，既能夠適應(yīng)平地行走，又能夠上下樓梯的輪椅，希望能夠為殘疾人帶來福音。 1、主要研究內(nèi)容 ⑴ 爬樓機器人的原理研究和機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。要求機器人能在平地行駛，攀爬通常規(guī)格的樓梯，轉(zhuǎn)彎，以及具備一定的避障能力。 ⑵ 對其運動過程分析，提取出爬樓機器人關(guān)鍵動作，運用運動學(xué)和動力學(xué)理論分別進(jìn)行了運動學(xué)（運用Matlab進(jìn)行仿真）和動力學(xué)分析，最后對爬樓機器人進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定性分析。 ⑶ 使用三維實體造型軟件Pro/E建立了爬樓機器人的三維實體模型， 然后將Pro/E導(dǎo)出的模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，定義剛體，添加約束、力、運動等，完成爬樓機器人的虛擬樣機的機械系統(tǒng)模型。 ⑷ 針對六輪腿移動機器人越障行為進(jìn)行了仿真，對機器人機構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。 ⑸ 控制系統(tǒng)的設(shè)計。使機器人能夠自動轉(zhuǎn)彎、與樓梯欄桿（或墻壁）保持一定距離、避開跨越不了的障礙。 2、關(guān)鍵技術(shù)及難點 ⑴爬樓機器人的設(shè)計與優(yōu)化 ⑵運動學(xué)分析與仿真 ⑶虛擬樣機的機械系統(tǒng)模型的建立 ⑷控制系統(tǒng)的設(shè)計 3、爬樓機器人結(jié)構(gòu)的基本原理 輪子的機械原理如圖1所示：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為軸，1為基本構(gòu)件，2為太陽輪，3、4為行星輪， 5為行星架（即轉(zhuǎn)臂），6為小車輪，動力電機傳到Ⅰ軸，Ⅰ軸帶動太陽輪2轉(zhuǎn)動，太陽輪帶動行齒輪3轉(zhuǎn)動，再傳給4，機器人前進(jìn)。當(dāng)車輪組機構(gòu)運行在平直的路面上時，受兩個車輪同時著地的約束限制，轉(zhuǎn)臂5不能轉(zhuǎn)動只能隨車沿路面平動，此時驅(qū)動輪系演變成定軸輪系，實現(xiàn)機構(gòu)在平直面上的快速行駛；當(dāng)前進(jìn)的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動時，驅(qū)動輪系就演變成行星輪系，轉(zhuǎn)臂5帶著另外4個車輪繞前輪的軸線回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)翻越障礙（即爬樓梯）的目的。其自由度F=3n-2PL-PH=34-24-2=2 其中n為除機架外的構(gòu)件，PL為n個活動構(gòu)件之間的低副， PH為n個構(gòu)件之間的高副. 爬樓機器人的機構(gòu)設(shè)計 根據(jù)原理圖和爬樓梯的要求設(shè)計了爬樓機器人機構(gòu)簡圖，如圖2。 整個機構(gòu)設(shè)有四個電機，每個電機負(fù)責(zé)給一個行星輪機構(gòu)提供動力。電機傳遞動力給太陽輪所在傳動軸的，再通過齒輪之間的相互嚙合來傳遞動力，最終將動力傳遞給小車輪，實現(xiàn)平直路面上的行駛。當(dāng)遇到小障礙物時，行走機構(gòu)立即演變成行星輪機構(gòu)，直接跨越。當(dāng)遇到在攀登范圍內(nèi)的大障礙（樓梯）時，機構(gòu)一直以行星輪機構(gòu)作用，達(dá)到攀登的目的。當(dāng)遇到攀登范圍之外的障礙，要求機器人轉(zhuǎn)向時，通過控制左右兩個電機的轉(zhuǎn)速快慢來實現(xiàn)。 1、樓梯 2、小車輪 3、4傳動齒輪 5、行星輪 6、太陽輪 7、行星架（轉(zhuǎn)臂） 8、車架 三、可行性分析 行星輪系是由太陽輪（幾何軸線固定的齒輪）、行星輪（隨行星架繞主軸線回轉(zhuǎn)的構(gòu)件）、行星架（支持行星輪且能承受外力矩的構(gòu)件）構(gòu)成的。本課題研究的爬樓機器人基本原理如圖1，從機構(gòu)分析，運用差動輪輪系傳動比的相關(guān)公式，可以得出如下關(guān)系式： 其中，為中心齒輪2的轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)臂5的轉(zhuǎn)速；為驅(qū)動齒輪4的轉(zhuǎn)速；為中心齒輪2的齒數(shù)；為驅(qū)動齒輪4的齒數(shù)。 當(dāng)驅(qū)動輪系為定軸輪系時，=0，所以/=/，車輪6與中心齒輪2具有相同的旋向。當(dāng)驅(qū)動輪系為行星輪系時，=0，所以/=1-/，在電機旋向不變的情況下，要使整個車輪組繼續(xù)往前運動，轉(zhuǎn)臂的旋向必須和中心齒輪的旋向相同，所以/0，即。當(dāng)取得較大值時，可以提高車輪組的越障能力。 對機器人的運動學(xué)分析是采用整車為研究對象，找出爬樓的最大坡度，來優(yōu)化行星輪、太陽輪及行星架的尺寸比，并且運用Matlab對其仿真。 Matlab（Matrix Laboratory）是一種高度集成化的科學(xué)計算環(huán)境，是集數(shù)值計算和圖形處理等功能與一體的工程計算及數(shù)值分析軟件。Matlab現(xiàn)有30多個工具箱，Simulik工具箱就是其中應(yīng)用廣泛，影響較大的一個。它是一個用來進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成軟件包。不僅可以進(jìn)行線性系統(tǒng)仿真，也可進(jìn)行非線性系統(tǒng)仿真，既可以實現(xiàn)連續(xù)時間系統(tǒng)仿真，也可以實現(xiàn)離散時間系統(tǒng)甚至連續(xù)-離散時間系統(tǒng)的仿真，還支持多制式采樣率的系統(tǒng)仿真。利用Matlab可以分析出結(jié)構(gòu)的運動軌跡、速度、加速度。 ADAMS是虛擬樣機分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。用戶使用ADAMS軟件，可以自動生成包括機、電、液一體化在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機模型，能為用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計、方案論證、詳細(xì)設(shè)計、到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計算分析結(jié)果，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力的目的。通過Pro/E導(dǎo)出的模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，定義剛體，添加約束、力、運動等，完成爬樓機器人的虛擬樣機的機械系統(tǒng)模型。 電機使用單片機進(jìn)行控制，通過編碼器構(gòu)成反饋系統(tǒng)；在機器人兩側(cè)裝上激光測距掃描儀，保證機器人與樓梯的在安全距離范圍，通過單片機不斷采集信號，用PID控制電機速度，修正其軌跡；在機器人前端大于越障范圍處安裝激光測距儀，使機器人原速返回另擇路徑。 五 、參考文獻(xiàn) [1] 蔡自興編著.機器人學(xué).北京:清華大學(xué)出版社，2000 [2] Robin R. Murphy Introduction to AI Robotics 電子工業(yè)出版社，2004 [3] 蔡自興 21世紀(jì)機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢 南京化工大學(xué)學(xué)報 2000.7 [4] 國家863計劃智能機器人專家組.機器人博覽.中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001 [5] 梁斌，王巍，王存恩.未來我國發(fā)展月球車的初步構(gòu)想.中國航天，2003 [6] 蔡鶴皋.機器人將是21世紀(jì)技術(shù)發(fā)展的熱點.中國機械工程第11卷.2002.2 [7] 羅志增，蔣靜坪.機器人感覺與多視覺融合.北京:機械工業(yè)出版社，2002.6 [8] 張海洪 龔振邦. 具有越障功能的全方位移動機構(gòu)研究. 高技術(shù)通訊,2001 [9] 蔡改貧 吳光華 歐陽田. 越障機器人運動學(xué)分析與仿真.江西有色金屬，2008.3. [10]李貽斌，劉明，周風(fēng)余.移動機器人多超聲傳感器信息融合方法.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1999;21(9):55--57