doi：10.16576/jki.1007-4414.2019.06.022
周梓达，纪浩钦，叶日鸿，李金泉，汪朋飞
(深圳大学机电与控制工程学兜，广东深圳518060)
摘要：针对现有爬楼梯机器人效率低、结构较复杂等缺点，设计了一款新型爬楼梯机器人。该机器人的爬楼梯装置由两套前后支脚具有高度差的支撑装置交错布置构成，在导轨式升降机构带动下做直线升降运动。通过两套支撑装置交替升降和驱动，使机器人支撑在楼梯上完成爬楼梯运动。主控芯片选用STM32，通过串口通讯实现遥控控制。该爬梯机器人能够平稳、快速和高效地实现爬梯功能，通过改装可转化成适用于不同领域的爬梯机器人。
关键词：爬梯机器人；结构设计；升降机构;STM32；串口
中图分类号:TH11文献标志码:A文章编号:1007-4414(2019)06-0075-04
The Innovative Design of a Stair Climbing Robot
ZHOU Zi-da,JI Hao-qin,YE Ri-hong,LI Jin-quan,WANG Peng-fei (College of Mechatronics and Control Engineering,Shenzhen University,Shenzhen Guangdong518060,China) Abstract:A new type of stair climbing robot is designed to overcome the shortcomings of the existing stair climbing robots, such as low efficiency and complicated structure.The climbing stair device of the robot is composed of two sets of supporting devices with height difference between the front and rear legs,and is linearly moved by a rail lifting mechanism.Two sets of supporting devices are alternately lifted and driven,and therefore the robot is supported on the stairs to finish the climb movement.The STM32control chip is selected and the remote control is realized by using serial port communication.The stair climbing robot can realize the stair climbing function smoothly,quickly and efficiently；and it could be converted into stair climbing robot suitable for various fields by modification.
Key words:stair climbing robot；structural design；lifting mechanism；STM32；serial port
0引言
随着计算机技术、光机电一体化技术、先进制造技术及人工智能等迅猛发展，机器人从传统的工业制造领域迅速向社会不同领域发展，如医疗服务、家庭服务、教育娱乐、勘探勘测、生物工程、救灾救援、智能交通等⑴。如今越来越多的机器人出现在了我们的日常生活中，机器人已经成为了很多人生活中不
可或缺的一部分。而楼梯是日常生活中常见的一类障碍，攀爬楼梯是移动机器人适应结构化环境所需要的功能，具有爬楼梯功能的机器人具备广阔的应用前景叫
目前具有爬楼梯功能的机器人主要分为步进式、履带式、轮腿式、四连杆式和六足式等形式，且在不同领域已有实际应用⑶。现有的爬楼梯机器人虽然在功能上相对成熟，但却仍有一定的局限性。例如现在比较常见的履带式爬楼梯机器人，具有体积大、重量大和灵活性较差等缺点；轮腿式爬楼梯机器人在运动过程中会产生颠簸，冲击大和平稳性差；传统的步进式爬楼梯机器人则存在动作繁琐、爬梯效率低等问题〔I］。
本研究致力于开发一种新的爬楼梯机器人。该机器人能在自动化控制下平稳、快速、高效地上下楼梯。机器人采用基于导轨式升降机构来实现攀爬楼梯功能，相对于传统的爬梯机器人有着结构紧凑、简洁高效、运动平稳等优点。增加自适应机构还能使机器人适应不同尺寸的楼梯，甚至攀爬旋转楼梯等复杂结构楼梯。爬梯机器人经改装转化后可应用于各式的需要进行楼梯攀爬的机器人或设备上，如爬梯轮椅、载物爬楼车、楼梯清洁机器人、送餐机器人和物流机器人等。
1爬楼梯机器人设计思路及难点
1.1设计思路
(1)对现有的爬楼梯机器人的结构和功能进行分析，提出新型爬楼梯装置。利用机械原理和材料力学等课程知识对方案进行评估和完善，并且绘制草图，最后确定爬楼梯机器人的机械结构方案，利用CAD软件进行建模，完成机器人机械设计，同时对结构进行有限元分析⑺刃。
收稿日期：2019-09-27
基金项目：广东大学生科技创新培育专项资金重点项目：基于升降机构的新型爬楼梯机器人(编号:P djh2019a0412)o 作者简介：周梓达(1997-)，男，广东佛山人，研究方向：机械设计制造及其自动化。
广东重点大学(2)机器人运动仿真。由于新型的爬楼梯装置为概念性设想，因此机器人在进行实际制作之前需要通过软件进行运动仿真以达到检验爬梯机构设计是否合理，机器人是否能够实现预期功能的目的⑼。
(3)电器元件选型。选择元器件时需要了解其工作条件和功能范围，同时结合机器人的具体工况进行综合考虑。如传感器的测量范围和灵敏度，电机的 额定转矩、转速、功率，电池的容量和输出功率等3】。
(4)机器人运动控制。拟采用STM32作为控制器，绘制控制电路原理图以及制作PCB板，通过Lab-VIEW等软件进行仿真，最终通过若干电机控制机器人，完成楼梯攀爬。为实现自动化控制，需要采用传感器检测机器人的当前状态，从而判断执行下一步动作。
1.2设计难点
(1)结构尺寸。机器人爬楼梯的原理是基于机器人的支撑装置能够将机器人水平支撑在前后两级台阶上，所以支撑装置的前后跨度及前后支脚的高度差需要与楼梯的宽度和高度匹配机器人才能进行攀爬，因此计算设计好机器人结构的尺寸以适应楼梯尺寸是关键。
(2)保持重心。机器人在攀爬楼梯时需要重心始终维持在支撑范围内，否则会产生倾倒，但由于机器人是由前后两套支撑装置交替进行支撑的，支撑范围会发生变化，因此对机器人重心的设计有着严格的要求。
2爬楼梯机器人功能实现及分析
2.1机器人爬楼梯功能实现
爬梯机器人整体结构如图1所示。该机器人主要由底盘和爬楼梯装置两部分组成。底盘由机架及底盘驱动轮组成，而爬楼梯装置由升降机构和支撑装置组成。共有三对主动轮、两对从动轮和四组同步带传动机构。
图1爬楼梯机器人三维模型图
1.机架
2.前支撑装置
3.升降机构
4.底盘驱动轮
5.电池
6.直线导轨副
7.后支撑装置
爬楼梯装置由两套支撑装置前后布置组成，图2为前支撑装置，图3为后支撑装置。每套支撑装置由一个支撑架、支脚轮组(一对主动轮、一对从动轮)、四个传感器组成。支撑装置与机架之间以直线轴承-钢管导轨式移动副联接，在升降机构带动下能够做宜线升降运动。升降机构由两组同步带传动机构组成，同步带纵向布置，能够带动支撑机构沿Z轴往复运动，完成竖直方向的升降动作。
7
图2前支撑装置
1.支撐架
2.直线轴承
3.光电传感器
4.驱动轮
5.从动轮
2.2功能分析
2.2.1功能概述
平地上移动时，由底盘驱动轮和后支撑装置的驱动轮共四个轮子驱动机器人平移，完成前后及转弯等运动。攀爬楼梯时，支撑装置同时支撑在上下两级台阶，升降机构抬升机体，抬升后在支脚轮组的驱动下进行前后移动，利用两套这样的支撑装置交替支承、平移，完成多级台阶的连续抬升或下降，实现上下楼梯的功能。
2.2.2爬梯运动分析
如图4(a)所示，当机器人运动到台阶边缘时，前支撑装置由于具有前后高度差(台阶高度)，所以能够支撑
在第一级台阶和地面上。升降机构抬升机器人，抬升至机架底部驱动轮略高于两级台阶的高度。如图4(b)所示，支撑装置的支脚轮组中的驱动轮开始旋转，带动机器人往前移动。前后移动过程中支撑装置始终保持支撑状态，在整个爬楼梯过程中机架始
终保持水平状态。
如图4(c)所示，当前支撑装置前支脚靠近第二级台阶时，升降机构抬升前支撑装置。若只有一侧的支脚靠近，则底盘差速运动，提高另一侧轮子的转速。当左右支脚同时靠近到台阶时，表示机器人方向正对楼梯时，才执行抬升动作。如图4(d)所示，前支撑装置抬升后，后支撑装置的驱动轮继续旋转，机器人继续向前移动。
如图4(e)所示，当后支撑装置前支脚靠近第二级台阶时，下降前支撑装置，即底盘与后支撑装置将被抬升。如图4(f)所示，前支撑装置驱动轮旋转，带动机器人继续向前移动。
(a)⑹(c)
之后的步骤为，当前支撑装置靠近下一级台阶时，前支撑装置抬升；当后支撑装置靠近下一级台阶时，前支撑装置下降(即抬升底盘与后支撑装置)，如此循环进行楼梯攀爬。当前方再无台阶时，按顺序收回前后支撑装置，使其平稳落在平地上，完成楼梯攀爬。而下楼梯过程则是以支撑装置后支脚是否接近台阶边缘为判断，动作顺序与上楼梯正好相反，其原理相同，故不作赘述。
2.3结构尺寸设计
要使前后支撑机构能够顺利、平稳地完成交替，爬梯装置需要根据楼梯尺寸按照一定的要求进行设计，如图5所示，才能使机器人按照预期形式完成爬楼梯动作。
图中a和6分别为实际楼梯的宽和高，加粗线条分别代表前后支撑装置。结构设计时需按照图中的尺寸标准进行设计。而机器人的重心需要设计在区域G当中，这样在支撑交替时重心能一直保持在支撑装置的支撑范围内，否则会导致机器人倾翻。而区域G的尺寸在小于a的情况下尽量取大，可以提高机器人爬梯的安全性及稳定性。
图5结构尺寸
'j、丁"
卜
-大于日
L小于a亠
t小于a
G
q
3控制程序设计
爬楼梯机器人选择STM32作为主控制器控制［11_12］，程序主要采用嵌入式C语言，在Keil MDK5平台上进行开发。爬梯机器人有手动和自动两种模式，针对自动模式上楼梯和下楼梯制定不同的控制方案。上电先对各个外设进行初始化，使能定时器，传感器I/O口、通信外设和陀螺仪等。下位机程序总流程如图6所示。
爬梯机器人自动模式下包括自动上楼梯和自动下楼梯两种情况，为了简便、快速地实现“自动”功能，爬梯机器人身上需装配多个光电传感器，用于检测楼梯台阶，判断支撑装置的支脚是否靠近前方台阶(上楼梯)或接近台阶边缘(下楼梯)。如图7所示，为了方便说明，图中标示了传感器A、B、C和D四处光电传感器。
图7传感器布置
1.传感器A
2.传感器B
3.传感器C
4.传感器D
自动上楼梯过程：当机器人靠近楼梯边缘，切换成自动模式，机器人缓慢前进，当传感器A检测到第一级台阶，前后支撑装置同时下降至最低点，机器人继续前进，当传感器B检测到第一级台阶时，前支撑
装置往上抬高半个完整行程，机器人继续前进，当传感器B检测到第二级台阶时，前支撑装置往下压缩半个完整行程，此时便完成一级台阶爬升，机器人继续前进，循环以上步骤，直至上完全部台阶，上楼梯过程完成。
自动下楼梯过程：当机器人靠近楼梯边缘，切换成自动模式，机器人缓慢后退，当传感器D检测到第一级台阶，前支撑装置往上抬高半个完整行程，机器人继续后退，当传感器C检测到第二级台阶时，前支撑装置往下降下半个完整行程，此时便完成一级台阶爬升，机器人继续后退，循环以上步骤，直至下完全部台阶，下楼梯过程完成。
4实物测试与分析
制作完成的实物和爬梯测试过程如图8所示。以10级台阶(高30cm，宽15cm)楼梯进行机器人爬楼梯能力测试。测试中，机器人按预定流程成功完成爬梯任务，验证该爬楼梯装置的可行性。测试所得数据如表1所示。在完成了实际爬楼梯的测试之后可以进一步提出该机器人的改进方案：
(1)提高结构强度和机构承载能力，以承受更大的负载，且提高稳定性。
(2)在支撑装置上安装自适应机构，通过机构调节支撑架的结构尺寸来适应不同尺寸的楼梯。
(3)安装更多的传感器，提高自动化程度。应用机器视觉技术，提高灵活性，实现智能化。
图8爬楼梯机器人实物和爬楼梯功能测试
表1测试数据
测试项目测试数据
重量(kg)11.4
平地移动速度(/s)0.9
上楼梯时间(s)28
下楼梯时间(S)37
最大负载(kg)13
5结论
经过对目前现有产品调研分析，本文设计了一款新型爬楼梯机器人。与现有产品相比具有如下优点：
(1)该机器人爬楼梯的动作简洁，自动化程度高，具有稳定、快速、高效的特点。
(2)采用两套支撑装置前后布置，加大了机器人的前后跨度，容易保持重心，且体积和容量易扩展。
(3)爬楼梯的过程中机体能够保持水平的状态，水平运输物体具有明显优势。
(4)爬楼梯装置的结构设计简洁、紧凑，整体重量轻。装置主要分布在机器人两侧，中间能留出大量的空间安装其他机构以拓展功能。
(5)改装性好，制作难度低，易转化。
参考文献：
[1]谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报,2013,39
(7)：963-972.
[2]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.
[3]苏世勇.爬楼梯机器人[J].中国科技信息,2014(14):168-169.
[4]杨萍，张阳阳.爬楼梯机器人的设计与动力学分析[J].机械制
造,2016,54(8)：15-1&
[5]徐俊翊，陶卫军，张涵.新型载人爬楼梯履带车设计及稳定性
分析[J].兵工自动化,2019,38(1):88-92.
[6]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.
[7]刘鸿文.材料力学[M].第五版.北京：高等教育出版社,2012.
[8]濮良贵.机械设计[M].第九版.北京：高等教育出版社,2017.
[9]蔡自兴.机器人学基础[M].北京：北京机械工业出版社,2009.
[10]冯清秀.机电传动控制[M].第五版.武汉：华中科技大学出版
社,2016.
[11]唐飞，徐文权，王陈宁.基于STM32的PID控制程序设计[J].
安庆师范大学学报(自然科学版),2017,23(1):19-22. [12]马娅婕，彭攀来，刘国庆.基于梯度下降法和双环PID的四旋翼
飞行器的研究与设计[J].现代电子技术,2017,40(18):11-19.
发布评论