自動(dòng)爬樓搬運(yùn)小車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

自動(dòng)爬樓搬運(yùn)小車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告開(kāi)題報(bào)告課題名稱(chēng)自動(dòng)爬樓搬運(yùn)小車(chē)設(shè)計(jì)課題類(lèi)型實(shí)踐應(yīng)用型指導(dǎo)教師學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)班級(jí)本課題的研究現(xiàn)狀、研究目的及意義機(jī)器人作為一種自動(dòng)化的機(jī)器所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的多功能全自主的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)多年來(lái)一直是機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。但是非結(jié)構(gòu)環(huán)境給移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難。越障機(jī)器人的研究對(duì)擴(kuò)展機(jī)器人的作業(yè)空間在人不能到達(dá)或不便到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)具有重要的意義。越障機(jī)器人還可用于工業(yè)中的一些險(xiǎn)難作業(yè)不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量而且對(duì)保障人身安全改善勞動(dòng)環(huán)境.減輕勞動(dòng)強(qiáng)度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。其中移動(dòng)機(jī)器人從事各項(xiàng)事務(wù)響應(yīng)任務(wù)時(shí)樓梯是人造環(huán)境中的最常見(jiàn)的障礙也是最難跨越的障礙之一。針對(duì)各種不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境一直以來(lái)移動(dòng)機(jī)器人所采用的運(yùn)動(dòng)方式大體包括輪式、履帶式、足式等。國(guó)外對(duì)爬樓梯裝置的研究開(kāi)始得相對(duì)較早最早的專(zhuān)利是1892年美國(guó)的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后各國(guó)紛紛開(kāi)始投入此項(xiàng)研究其中美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本占主導(dǎo)地位技術(shù)相對(duì)比較成熟且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。我國(guó)對(duì)此類(lèi)裝置的研究雖然起步較晚但近年來(lái)也涌現(xiàn)了很多這方面的專(zhuān)利然而投入實(shí)際使用的還很少。總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專(zhuān)利按爬樓梯功能實(shí)現(xiàn)的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式爬樓梯裝置。下面分別對(duì)國(guó)外、國(guó)內(nèi)各種類(lèi)型裝置的發(fā)展作簡(jiǎn)要介紹并分析其各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)。步行式早期的爬樓梯裝置一般都采用步行式其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時(shí)先將負(fù)重抬高再水平向前移動(dòng)如此重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類(lèi)爬樓的動(dòng)作外觀可視為足式機(jī)器人采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。步行式爬樓梯裝置爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)適合不同尺寸的樓梯；但它對(duì)控制的要求很高操作比較復(fù)雜在平地行走時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度不大動(dòng)作緩慢。履帶式履帶式爬樓梯裝置的原理類(lèi)似于履帶裝甲運(yùn)兵車(chē)或坦克其原理簡(jiǎn)單技術(shù)也比較成熟。英國(guó)Baronmead公司開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車(chē)底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可爬樓梯的最大坡度為35°上下樓梯速度為每分鐘15--20個(gè)臺(tái)階。法國(guó)Topchair公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅它的底部有四個(gè)車(chē)輪供正常情況下平地運(yùn)行使用當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí)用戶通過(guò)適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面然后把這四個(gè)車(chē)輪收起依靠履帶無(wú)需旁人輔助便能自動(dòng)完成爬樓等功能。履帶式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率比較高行走時(shí)重心波動(dòng)很小運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)且使用地形范圍較廣在一些不規(guī)則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能外也能作為普通的電動(dòng)輪椅使用。但是這類(lèi)裝置仍存在很多不足之處：重量大、運(yùn)動(dòng)不夠靈活、爬樓時(shí)在樓梯邊緣造成巨大的壓力對(duì)樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大而且轉(zhuǎn)彎不方便這些問(wèn)題限制了其在日常生活中的推廣使用。輪組式輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個(gè)數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組式。單輪組式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差在爬樓過(guò)程中需要有人協(xié)助才能保證重心的穩(wěn)定；而雙輪組式雖能實(shí)現(xiàn)自主爬樓但由于其體積龐大且偏重影響了它的使用范圍。美國(guó)著名發(fā)明家DeanKamen發(fā)明的了一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅iBOT。它有6個(gè)輪子前面有一對(duì)實(shí)心腳輪后面有兩對(duì)行星結(jié)構(gòu)的充氣輪胎通過(guò)兩后輪交替翻轉(zhuǎn)可以上下樓梯。iBOT幾乎能適用于所有樓梯此外它也能在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上行駛而且后輪可以直立行走為使用者提供了更多方便之處幫助他們能達(dá)到正常人的高度。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是在輪椅重心安裝了陀螺儀控制器根據(jù)陀螺儀的信號(hào)調(diào)整重心的位置使輪椅能在不同狀態(tài)下保持平衡。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究開(kāi)發(fā)它己經(jīng)由iBOT3000發(fā)展到了iBOT4000功能也越來(lái)越強(qiáng)大是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品它的售價(jià)在3萬(wàn)美元左右相當(dāng)于一輛中檔橋車(chē)的價(jià)格難以被普通使用者接受。我國(guó)在上世紀(jì)八十年代對(duì)輪組式爬樓梯裝置已有研究1987年專(zhuān)利號(hào)為86210653的國(guó)家專(zhuān)利中介紹了一種平地、樓梯運(yùn)行多用輪椅前滾輪和后滾輪都用多個(gè)星形輪組成除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了iBOT的爬樓方式采用星形輪系作為爬樓梯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動(dòng)爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時(shí)需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐使其能調(diào)整重心、的位置安全爬樓。輪組式爬樓梯裝置的活動(dòng)范圍廣運(yùn)動(dòng)靈活但是上下樓梯時(shí)平穩(wěn)性不高重心起伏較大會(huì)使乘坐者感到不適。此外輪組式爬樓梯裝置體積較大很難在普通住宅樓梯上使用。復(fù)合類(lèi)機(jī)器人基于履帶式、輪式、腿式移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)在研究中采用了腿-履復(fù)合和輪-腿-履帶復(fù)合等結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來(lái)完成越障以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來(lái)達(dá)到功能的完整。機(jī)器人擺臂在一定范圍可上下擺動(dòng)輔助越障、攀爬具有較強(qiáng)的越障性能、路面通過(guò)性和上下臺(tái)階能力。但是各種機(jī)構(gòu)的復(fù)合也給控制方面提出了更高的要求而且爬樓過(guò)程中的穩(wěn)定性、如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作省力與省時(shí)的問(wèn)題以及反向自鎖等問(wèn)題仍然存在。綜上所述國(guó)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史成果也較多但是它們大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)展中國(guó)家人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較晚雖然也誕生了很多專(zhuān)利但由于受到體積、重量、穩(wěn)定性及安全性的限制還沒(méi)有產(chǎn)品真正投入使用。由此可見(jiàn)為了解決移動(dòng)機(jī)器人使用受限的問(wèn)題同時(shí)考慮到我國(guó)使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力需要研究一種價(jià)格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置。課題類(lèi)型：課題類(lèi)型：A-理論探究型B-實(shí)踐應(yīng)用型本課題的研究?jī)?nèi)容以設(shè)計(jì)一款自動(dòng)爬樓梯搬運(yùn)貨物的小車(chē)為目的設(shè)計(jì)符合中國(guó)國(guó)情輪組式車(chē)輪同時(shí)為了提高小車(chē)的越障能力還采用變形輪。此外在小車(chē)爬樓梯時(shí)為了防止搬運(yùn)的貨物不掉下來(lái)還需要設(shè)計(jì)降低貨物重心的機(jī)構(gòu)。為提高機(jī)器人爬樓梯能力綜合分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有裝置結(jié)合我國(guó)《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)、上下樓梯動(dòng)作流暢、容易控制的車(chē)輪組機(jī)構(gòu)。兩個(gè)輪組代替通用四輪車(chē)的后輪前輪用兩個(gè)變形輪來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)爬樓梯。通過(guò)去圖書(shū)館查閱資料確定小車(chē)的總體結(jié)構(gòu)分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)最終確定小車(chē)的結(jié)構(gòu)并且用PRO/E畫(huà)出各個(gè)機(jī)構(gòu)的三維圖和用CAD畫(huà)出機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配圖。確定以單片機(jī)為控制系統(tǒng)分析控制原理并畫(huà)出控制流程圖。本課題研究的實(shí)施方案、內(nèi)容本課題確定采用爬樓梯優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的輪式機(jī)構(gòu)和變形輪。爬樓機(jī)器人要求具有在平面行駛和爬樓梯的功能（樓梯規(guī)格：140≤a≤210220≤b≤320）當(dāng)然也具備轉(zhuǎn)向避障和良好的行走線性軌跡此外爬樓梯搬運(yùn)貨物小車(chē)還需要具備攀爬樓梯時(shí)考慮到實(shí)際攀爬樓梯的重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移過(guò)程中的穩(wěn)定性及承載能力。我初步擬定了小車(chē)總體結(jié)構(gòu)如下：工作原理用直流減速電機(jī)提供動(dòng)力以安裝在機(jī)器人前端的4個(gè)超聲波傳感器作為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)將信號(hào)反饋給主控模塊完成傳動(dòng)軸的自動(dòng)離合及速度調(diào)控通過(guò)PWM信號(hào)控制舵機(jī)使其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變形輪和重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在坡地、階梯等不同環(huán)境下的行進(jìn)。本課題研究進(jìn)度安排（1）2021.3.1-2021.4.10收集相關(guān)資料撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告（2）2021.4.10-2021.4.15翻譯一篇與自動(dòng)爬樓梯小車(chē)相關(guān)的英文文獻(xiàn)(3)2021.4.25擬定總體結(jié)構(gòu)的方案和控制電路方案(4)2021.5.10用PRO/E畫(huà)出機(jī)械結(jié)構(gòu)三維圖(5)2021.5.10-2021.5.15用CAD畫(huà)出小車(chē)機(jī)械裝配圖和關(guān)鍵的零件(6)2021.5.15-2021.5.20畫(huà)出控制電路圖(7)2021.5.25撰寫(xiě)論文符合要求(8)2021.5.31撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)、打印圖紙、整理材料、答辯已查閱的主要參考文獻(xiàn)[1]喬林林.一種新型變形輪行走機(jī)構(gòu)研究[J].大科技,2021,(22)[2]楊萍，龔林強(qiáng)，施俊屹等.階梯攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制方案設(shè)計(jì)—[J].機(jī)電工程，2021,第34卷(6):557-561572.[3]張冬昌，賀子懿,張冬梅.智能小車(chē)的單片機(jī)控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)新通信,2021,(第1期).[4]譚昊軒.一種基于螺旋副的爬樓梯機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].電子世界,2021,(第2期).[5]張瑞紅金德聞張濟(jì)川.多桿機(jī)構(gòu)瞬停節(jié)分析及應(yīng)用{J}.清華大學(xué)學(xué)報(bào)2000.40(4).39-40.[6]溫照方主編.電機(jī)與控制[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，20.06.[7]YamatoI,etal1HighfrequencylinkDC/ACconverterforUPSwithanewvoltageclamper[J]1IEEEPESC,1990:52T05。[8]城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部主編.建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1988.[9]邢立鏞，