改进型轮腿式爬楼梯机器人的研究

王子牛 王恒 杨欣静 姚翼荣

摘 要：为提高爬楼梯机器人的实际使用效果，通过对传统轮腿式机器人的改进，设计了一种新型轮腿式机器人。文中介绍了机器人的主要构造，分析计算了机器人轮腿的形状及尺寸，设计了机器人的控制算法并制作样机进行实验。结果表明，改进的轮腿式机器人运动过程中质心变化幅度减小，运动过程更加稳定。

关键词：爬楼梯；机器人；轮腿；越障

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

随着智能化机器人的发展，机器人越来越多样化，人类在进行探查、侦探、巡逻、排爆时离不开机器人的协助。机器人能帮助人类跨越障碍，在自身能力允许的情况下，有助于人类完成恶劣、危险情况下的作业。

当前大多机器人爬楼梯所采用的原理为腿式、星轮式[1]、履带式[2]、可变形式[3]，甚至还可交叉实现各种功能。手臂支撑式机器人具有结构简单、承重能力强、效率高、容易控制等优点[4]，但由于其支撑的手臂是木制品，环境适应能力较弱，因此很难适应现代多样化的楼梯结构。考虑到滚轮式机器人摩檫力比较小，遇到光滑的地板容易打滑，而腿式爬楼梯机器人能克服上述缺点，可通过调整腿部姿势和加大脚掌的抓地力适应恶劣的环境，但结构复杂，内部控制的部件较多，重心难以掌控，灵活性机动性较差，因此需要进行复杂的轨迹设计和步态规划。

针对上述問题，同时为了实现其高速、稳定的爬楼梯功能，通过对不同类型爬楼梯机器人进行综合考量，设计了一款新型轮腿式爬楼梯机器人。

1 爬楼梯机器人机械结构设计

本文所设计的轮腿式爬楼梯机器人采用类似风车的对称结构，由机身和两个轮腿及尾部的支撑挂钩组成，总体结构如图1所示。其轮腿前端固定有橡胶帽以增加摩檫力，减少爬楼梯过程中因受滑动和震动而对风车轮造成伤害，具有防滑减震的效果。

腿轮采用两个电机共同驱动，两边安装有滚动的木质轮子，木制轮子具有较轻的质量和较大的强度，电机通过支架、齿轮与传动轴固定在一起。

机器人尾部长度大概是楼梯长度的两倍，采用木制材料制作而成，悬挂在机器结构的底部，可以抵消电机旋转产生的扭矩，避免机器人机身翻转。尾部后安装一个由舵机控制方向的轮子，用来控制机器人的转动方向。

机器人的轮子如图2所示，5个轮腿相互间隔72°，轮腿有倒钩状突起可以在运动过程中勾住台阶，利用反作用力使得机器人抬升，同时轮子转动使得机器人爬上下一级台阶。倒钩上面附有一层橡胶可以增大摩檫力，减小震动。圆弧形状可以减少平地行驶时的颠簸，增强平面行驶能力。轮腿通过螺丝固定在机器人上，可以通过更换不同规格的轮腿适应不同的楼梯。

采用两个直流减速电机作为机器人的驱动单元。为解决两个轮子转速不同步的问题，两个电机驱动同一根传动杆，通过传动杆连接腿轮。具体参数见表1所列。

2 机器人尺寸的确定

2.1 机器人轮腿尺寸

机器人通过轮腿旋转攀爬楼梯，轮腿尺寸是决定机器人能否稳定攀爬楼梯的关键。机器人轮腿尺寸计算模型如图3所示。

由公式（1）、（2）可知，不同轮腿系杆数对机器人爬楼梯能力所需的驱动力不同，轮腿系杆数越大所需驱动力越小[5]。

由于台阶高度h为一定值，当θ越小即腿轮系数越大时，r越大。所以经过实验选取轮腿系杆数为5。

经过对不同楼梯台阶的尺寸进行测量分析，最终设计的机器人长为670 mm，宽高为230 mm，腿轮尺寸为190 mm。根据机器人实际使用的需求，计算出机器人运动时所需转速、扭矩、功率等的范围，选取12 V 37型直流减速电机和3S航空电池作为驱动单元。

3 机器人运动模式分析

3.1 机器人爬楼梯模式

如图5所示，机器人通过电机驱动两个轮腿勾住台阶，利用反作用力与摩擦力爬楼梯。

3.2 机器人转向模式

由于机器人的两只前轮通过同一根传动轴连接，所以不能通过两个驱动轮进行差速转弯，因此本文在机器人尾部增加了一个由舵机控制的转向轮，可以以机器人长度为半径进行原地旋转，解决楼梯间等狭小空间内的转向问题。

3.3 机器人平地行驶模式

机器人平地行使图示如图6所示。

式（3）～（6）给出了机器人在平地行驶时腿轮质心高度的变化。当腿轮采用倒钩设计后，可以有效减少机器人在平地行驶时质心高度的变化，减少机器人在行驶过程中的颠簸幅度，提高机器人在平地行驶时的速度与稳定性。

4 机器人控制系统

4.1 控制系统的组成

根据机器人的实际需求，本文研究设计的机器人控制系统主要由电源模块、主控芯片、电机驱动模块、红外探测模块、惯性导航模块、无线传输模块等组成。

主控芯片STM32[6]具有实时性好，可靠性高，性价比高等优势，可满足腿轮式爬楼梯机器人的控制需求。惯性测量单元MPU6050六轴陀螺仪[7]可提供机器人的姿态信息，用于判断机器人所处状态，陀螺仪角度处于24～36°之间时可以认定机器人处于平地，当角度大于36°时可认为机器人处于爬楼梯状态。主控芯片通过蓝牙与上位机通信[8]，发送机器人的状态信息，实现对机器人运行状态的实时监控，也可切换成遥控模式接受遥控指令。

4.2 机器人控制算法

机器人在爬楼梯过程中所需要的扭矩不同，机器人在上升过程中需要大扭矩，而在同一级台阶或平地上行驶时需要较小的扭矩。为控制机器人匀速运动，本文设计的机器人采用单环PID算法[9]，即通过编码器输出反馈到主控芯片，再将结果转换成不同占空比的PWM波驱动电机[10]，提供不同的扭矩，控制机器人匀速运动。

4.3 程序流程图

程序流程如图7所示。

5 实际效果

图8所示为机器人在平地上行驶时主体部分的角度变化，由于采用了改进型轮腿结构，机器人主体角度变化较小，增强了机器人的平地行驶能力。

图9所示为机器人在爬楼梯过程中主体角度的变化。由于阶梯相对较高，所以在爬楼梯过程中机器人主体角度的变化大于平地行驶时的角度。

6 结 语

本文针对爬楼梯机器人的实际需求及现状进行介绍，针对已有的爬楼梯机器人类型进行改造，最终实现机器人爬楼梯的功能。通過程序设计使机器人能够切换不同的模式并与上位机通信。所设计的机器人具有结构简单、成本低廉等优势，应用前景广阔。

参考文献

[1]童俊华.行星轮式爬楼梯机器人小车的研究[D].南昌：江西理工大学，2010.

[2]韩广，王田苗，梁建宏，等.一种有效爬越楼梯的模块化可重组履带结构[J].机器人，2004，26（5）：400-403.

[3]常健，王亚珍，李斌.可变形机器人自主攀爬楼梯控制研究[J].高技术通讯，2016，26（7）：657-666.

[4]谭昊轩.一种基于螺旋副的爬楼梯机器人设计[J].电子世界，2018（2）：126-127.

[5]朱坚民，李付才，李海伟，等.轮腿式爬楼梯移动机器人的设计及运动特性分析[J].中国机械工程，2013，24（20）：2722-2730.

[6]张志威. 基于STM32嵌入式系统的电机驱动控制与可靠性分析[D].成都：电子科技大学，2017.

[7]傅忠云，朱海霞，孙金秋，等.基于惯性传感器MPU6050的滤波算法研究[J].压电与声光，2015，37（5）：821-825，829.

[8]徐兴梅，曹丽英，赵月玲，等.几种短距离无线通讯技术及应用[J].物联网技术，2015，5（11）：101-102.

[9]张业伟.直流电动机PID调速系统仿真研究[J].煤炭技术，2014，33（7）：199-201.

[10]周美兰，高肇明，吴晓刚，等.五种PWM方式对直流无刷电机系统换相转矩脉动的影响[J].电机与控制学报，2013，17（7）：15-21.