楼梯爬行机械人设计

摘要:在我们的日常活动与生产中需要抬高或放下重物,通常我们靠人力完成,然而有时因为物体太重或人力不足以致无法搬运,此课题就是为解决这个困难而设计的。本论文详细设计了楼梯爬行机器人的传动机构(星型轮)以及控制系统。首先,本文介绍了国内外楼梯

       摘要:在我们的日常活动与生产中需要抬高或放下重物,通常我们靠人力完成,然而有时因为物体太重或人力不足以致无法搬运,此课题就是为解决这个困难而设计的。本论文详细设计了楼梯爬行机器人的传动机构(星型轮)以及控制系统。首先,本文介绍了国内外楼梯爬行机器人的研究现状,阐述了研究意义及目的,然后进一步介绍了楼梯爬行机器人额总体结构。在深入分析攀爬机构和物体之基础上,设计了搭载更多优点的轮组结构楼梯爬行机器人。分析机器人小车的运动模型,论证小车在实现任意曲线运动时所包含的自转、直线前进以及圆弧前进的三个基本运动单元的可行性。引入虚拟样机技术,通过Pro/Engineer三维建模并进行模拟动仿真。文章最后研计了在各种环境下,以单片机51F310 为核心的爬楼控制系统。在控制系统中,采用声波传感器对称排列,获取了自主上楼梯所必须地两个关键参数和;对驱动大功率电机的电路进行分析,设计了更合适大功率,更安全的电机驱动电路,直流马达配合高功率MOSFET 型驱动器。
关键词:爬楼机器人;三星轮; MOSFET驱动电路;单片机 C8051F310
第一章 引言
1.1 课题研究的目的和意义 
       本文讨论了一种拥有攀爬楼梯功能的移动机器人,可以巧妙地翻越楼梯的轻巧机电一体化的智能设备。自主移动机器人随着工作任务和环境的变化智能地规划行驶路径,并能够快速适应工作环境。要达到这个水平,还有很多问题需要深入研究,机器人楼梯环境的平滑攀登问题是一更重要的研究课题。
       楼梯爬行机器人的研究对于扩大机器人的操作空间和人们不能达到或不方便的环境的运行具有重要意义。广泛使用的机器人也可用于部分行业的危险作业,不仅可以提高产品质量和生产,还可保护人身安全,改善劳动环境。为了降低劳动强度,提高劳动生产率,节省原料消耗,减少生产成本非常重要。楼梯是人造环境中最常见的障碍之一,也是最困难的障碍之一。爬楼梯机器人的研究是解决自主机器人在非结构化环境中的当前工作的重要环节之一。楼梯爬行机器人可应用于危险环境勘察,侦察,救灾,导游,残疾人,搬运,清洁,维护,安装等操作,具有现实意义。
1.2 爬楼机器人国内外研究现状
(一)国内楼梯爬行机器人的研究现状
       中国在上世纪八十年代已经对轮式攀登楼梯装置进行研究,在1987年,专利号为86210653的国家专利中展示了在平面、楼梯运行的多用途轮椅,前后轮由多个星形轮组成 ,除自转外还绕滚轮轴公转而实现上下楼。内蒙古物理学院机电研究所苏和平等人从IBOT攀登方式借鉴,利用星形轮系作为攀登楼梯机构,设计了双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助,或者楼梯扶手的辅助支撑,以便可以调整重心位置,安全攀爬。
   (1)上海大学开发了各种轮式全向运动机构 – 轮组机构,该机构确保在任何方向沿着直线或任意方向旋转任何方向的前提下,姿态保持不变角度,而在机器人路径中存在的障碍物的能力。上海大学张海红,龚振邦对全向移动机制进行了简单的机理分析和运动学分析。
  (2)中国科技大学程刚,朱长安提出了一种复合结构移动障碍机器人,以及机器人的运动学建模与仿真[8]。机器人是轮式,腿关节,跟踪三种结构,结合使用后轮驱动,每轮由直流伺服电机驱动,与跟踪车一样通过差速特性实现。汽车前部有一个平行的四边形摆锤,通过钥匙和前轮轴的车身固定,车身前部有两个直流伺服电机控制在平行四边形摆动的两侧,在发生突变,以达到越障。
       总而言之,攀登楼梯的国外研究已经有一百多年的历史,其结果更多,但是它们的结构大都是复杂的,代价高昂,远远超出了发展中国家人民的经济能力。研究相对较晚,虽然诞生了很多专利,但由于体积,重量,稳定性和安全性的限制,没有产品真正投入使用。因此,为了解决移动机器人使用有限的问题,考虑到用户的经济能力,需要研究一种低成本,多功能的攀登楼梯装置。
  (二)国外楼梯爬行机器人的研究现状
       有关攀爬机器,国外的研究开始比较早,1892年最早的专利是美国布雷发明的攀岩轮椅。此后,各国开始投资这项研究,其中美国,英国,德国和日本占主导地位,技术相对成熟,部分产品已投入市场。
       英国Baronmead公司开发了电动轮椅,底部是履带式传动结构,最大梯度爬坡楼梯35°,上下楼梯速度为每分钟15 – 20步法国椅子生产的电动爬楼梯轮椅,底部有四个轮子正常使用平面使用,当楼梯等特殊地形时,用户通过适当的操作将橡胶履带的两侧缓慢地降落到地面上,然后将这四个轮子放开,依靠没有其他人的帮助的轨道将能够自动完成攀登等功能。
       著名的美国发明家Dean Kamen发明了一种自动调节重心的两轮轮椅iBOT。在一对实心脚轮前面有六个轮子,其次是两对充气轮胎的行星结构,后轮交替可以上下楼梯.IBOT可应用于所有的楼梯,另外还有也可以在沙滩上,斜坡和坚固的路上,而后轮可以直立行走,为用户提供更多的便利,帮助他们达到正常人的身高。其最大的优点是在轮椅重心安装陀螺仪上,控制器根据陀螺仪信号调节重心位置,使轮椅在不同状态下平衡。经过几十年的研发,它已经由iBOT3000 iBOT4000开发,功能更强大,是产品领域最高的性能,其价格约为30,000美元,相当于一辆中档轿车的价格,普通用户很难接受。
 楼梯爬行机械人设计
1.3 论文研究的主要内容
       本课题的目的是开发具有攀爬楼梯能力的车轮驱动机器人,重点是符合中国国情的轮组结构设计,并设计了基于单片机的底驱动控制系统。本文的主要工作如下:
1.提高机器人爬楼梯的能力,综合分析国内外现有装置,结合中国“建筑楼梯模数协调标准”,设计多功能性,上下楼梯平稳运动,易于控制的轮组机构。轮组替代通用四轮车的车轮,驱动轮独立于驱动车轮组的电机。
2.调查市场上现有类似机构的设计方法和工作原理。查阅图书馆的电子资源及相关材料后,确定单片机,齿轮,距离传感器,直流电机等部件,三轮星型齿轮传动机构进行详细设计,并采用PRO / E设计的越障机器人机械图。
3.初步建立以单片机C8051F310为核心的攀爬控制系统。分析机器人的控制原理和使用C语言控制程序。在结构环境中,使用超声波传感器来解决自主爬楼梯的过程必须是两个关键参数θ和q。
4.分析所有组件和电子元件的选择原理,验证数学计算,撰写说明书。


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