基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法研究

陈京邦，陈雨

1山东科技大学；2北京航空航天大学

基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法研究

陈京邦1，陈雨2

1山东科技大学；2北京航空航天大学

本文在简要介绍了轮椅机器人的基础上，重点针对基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法进行了研究，从几何与静力学模型的建立出发，在倾翻与滑移稳定性准则的基础上，对以这一准则为依据的轮椅机器人的爬楼梯控制过程进行了研究，希望能够为有关人员提供参考。

倾翻与滑移；稳定性准则；轮椅机器人；爬楼梯；控制方法

前言

轮椅是行动不便者的主要代步工具，传统的轮椅设计存在一定的弱点与缺陷，即无法完成爬楼梯的过程，轮椅机器人的出现有效的解决了上述问题，使上下楼梯的过程成为了可能。受种种因素影响，当前轮椅机器人在爬楼梯的过程中还存在着侧翻与滑移等现象，基于上述准则对其爬楼梯过程进行控制十分重要，这是提高轮椅机器人整体越障性能的基础。

1 轮椅机器人概述

1.1 轮椅机器人

轮椅机器人即将机器人的设计准则应用到轮椅设计过程中，所形成的一种轮椅形成。相对于传统轮椅而言，轮椅机器人具有较强的越障性能，能够有效的完成上下楼梯的过程[1]。目前，轮椅机器人主要包括星型轮式、腿式以及履带式三种。上述三种类型在爬楼梯的原理方面有所不同，同时各自存在着优势以及缺陷。以前者为例，这一类型的轮椅机器人能够十分顺利的完成爬楼梯的过程，但舒适度方面却无法得到很好的保证。整体上看，三种轮椅机器人中，以履带式的性能最强，不仅能够保证上下楼梯的顺利性，同时还能够使使用者的舒适程度得到提高。但需要注意的是，履带式轮椅机器人在使用过程中十分容易发生侧翻以及滑移的问题，因此有必要针对这一问题进行研究。

1.2 轮椅机器人爬楼梯过程

轮椅机器人的爬楼梯过程主要采用的是背向运动的方式，共分四步完成，在四步中，机器人的后摆臂会做出不同的动作，同时座椅也会根据后摆臂的动作在倾斜度方面做出相应的调整，以使使用者的身体能够保持平衡[2]。通过两者的互相配合，爬楼梯的动作便能够顺利的完成。

2 基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法

2.1 几何模型与静力学模型的建立

在对基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法进行研究的过程中，必须依靠相应的模型来实现，其中几何模型以及静力学模型属于两项重点，对此，有关人员一定要加以重视[3]。建立几何模型的目的在于保证轮椅机器人能够顺利完成爬楼梯的过程，而不至于出现安全方面的问题。相对而言，建立静力学模型的意义则在于合理的减缓轮椅的爬楼梯速度，进而使使用者的舒适度得到提高。

2.2 侧翻与滑移稳定性准则

侧翻与滑移稳定性准则的建立同样十分重要，轮椅机器人爬楼梯共包括四个阶段，每一阶段的准则各不相同，对此，在对其爬楼梯控制方法进行研究的过程中，一定要从每一阶段入手，建立不同的侧翻与滑移稳定性准则，这一点十分重要。

2.3 基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制过程

基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制过程主要包括对驱动轮与后摆臂的控制以及对前摆臂的控制两方面内容[4]。

首先，对驱动轮与后摆臂进行控制的目的在于使轮椅机器人的行走与变形的稳定程度得到保证，对此，需要通过在后摆臂上设置转角传感器来实现，传感器能够有效的测量轮椅的倾角，并在其与合理角度存在差距时，及时对其进行调整，以达到控制目的。

其次，对前摆臂进行控制的目的在于使履带的紧张程度保持在合理的状态。单独的对力或位置的控制均存在一定的缺陷，因此无法有效的达到控制目的。通过设置传感器的方式能够使力与位置得到综合的控制。这对于轮椅机器人爬楼梯安全性的保证具有重要价值。

3 控制效果验证实验

为确保上述控制过程能够达到一定的控制效果，有关人员通过实验的方式对其整体性能进行了研究。实验中将履带式轮椅机器人按照上述文章中所指出的方法对传感器进行了安装，同时对各方面参数进行了调整，选择小区居民楼楼梯作为实验楼梯，对轮椅机器人的爬楼梯过程进行了观察，最终发现，在多次实验中，并没有出现侧翻与滑移的现象，且据实验人员描述，上下楼梯舒适程度较高，速度合理。因此可以认为，上述控制方法的实施能够有效的达到提高履带式轮椅机器人安全性的目的，同时还能够为使用者带来更加舒适的体验，因此有必要将其投入到具体的使用过程中，以为行动不便者出行便利性的提高带来更大的帮助。

结论

综上，传统轮椅无法完成爬楼梯的过程，轮椅机器人的出现能够使上述问题得到解决，但以履带式为主的轮椅机器人在爬楼梯过程中却容易发生侧翻与滑移现象。基于侧翻与滑移准则的机器人控制方法的应用在解决上述问题方面具有较好的效果，在几何模型以及静力学模型的建立以及对传感器的安装下，前摆臂与后摆臂能够实现协调运动，这对于轮椅机器人稳定性的提高以及舒适度的保证均能够起到积极的促进作用。

[1]于苏洋,王挺,王志东,王越超,姚辰.基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法[J].仪器仪表学报,2014,03:676-684.

[2]饶伟,施家栋,王建中.关节式履带机器人爬楼梯动态稳定性分析[J].机械工程学报,2014,15:60-67.

[3]李楠,王明辉,马书根,李斌,王越超.基于联合运动规划的可变形履带机器人在线翻越楼梯控制方法[J].机械工程学报,2012,01: 47-56.

[4]刘娟秀,吴益飞,郭健,陈庆伟.一种轮足式爬楼梯机器人的倾翻稳定性研究[J].南京理工大学学报,2015,06:643-649.

陈京邦（1990-），男，山东省昌邑人，研究生，山东科技大学，研究方向：机构创新与机器人技术。

陈京邦。