自動爬樓搬運小車設計開題報告

自動爬樓搬運小車設計開題報告開題報告課題名稱自動爬樓搬運小車設計課題類型實踐應用型指導教師學生姓名學號專業(yè)班級本課題的研究現狀、研究目的及意義機器人作為一種自動化的機器所不同的是這種機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、動作能力和協(xié)同能力是一種具有高度靈活性的自動化機器。對不同任務和特殊環(huán)境的適應性也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。非結構環(huán)境中的多功能全自主的移動機器人技術多年來一直是機器人研究中的熱點問題之一。但是非結構環(huán)境給移動機器人的運動造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難。越障機器人的研究對擴展機器人的作業(yè)空間在人不能到達或不便到達的環(huán)境中進行作業(yè)具有重要的意義。越障機器人還可用于工業(yè)中的一些險難作業(yè)不僅可提高產品的質量與產量而且對保障人身安全改善勞動環(huán)境.減輕勞動強度提高勞動生產率節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本有著十分重要的意義。其中移動機器人從事各項事務響應任務時樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙也是最難跨越的障礙之一。針對各種不同的運動環(huán)境一直以來移動機器人所采用的運動方式大體包括輪式、履帶式、足式等。國外對爬樓梯裝置的研究開始得相對較早最早的專利是1892年美國的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后各國紛紛開始投入此項研究其中美國、英國、德國和日本占主導地位技術相對比較成熟且有一些產品已經投入市場使用。我國對此類裝置的研究雖然起步較晚但近年來也涌現了很多這方面的專利然而投入實際使用的還很少?？偨Y目前國內外現有的爬樓梯裝置和專利按爬樓梯功能實現的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式爬樓梯裝置。下面分別對國外、國內各種類型裝置的發(fā)展作簡要介紹并分析其各自優(yōu)缺點。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)行機構由鉸鏈桿件機構組成。上樓時先將負重抬高再水平向前移動如此重復這兩個過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作外觀可視為足式機器人采用多條機械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。步行式爬樓梯裝置爬樓時運動平穩(wěn)適合不同尺寸的樓梯；但它對控制的要求很高操作比較復雜在平地行走時運動幅度不大動作緩慢。履帶式履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克其原理簡單技術也比較成熟。英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動輪椅車底部是履帶式的傳動結構可爬樓梯的最大坡度為35°上下樓梯速度為每分鐘15--20個臺階。法國Topchair公司生產的電動爬樓梯輪椅它的底部有四個車輪供正常情況下平地運行使用當遇到樓梯等特殊地形時用戶通過適當操作將兩側的橡膠履帶緩緩放下至地面然后把這四個車輪收起依靠履帶無需旁人輔助便能自動完成爬樓等功能。履帶式結構傳動效率比較高行走時重心波動很小運動非常平穩(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輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處：重量大、運動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力對樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大而且轉彎不方便這些問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數可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組式。單輪組式結構穩(wěn)定性較差在爬樓過程中需要有人協(xié)助才能保證重心的穩(wěn)定；而雙輪組式雖能實現自主爬樓但由于其體積龐大且偏重影響了它的使用范圍。美國著名發(fā)明家DeanKamen發(fā)明的了一種能自動調節(jié)重心的兩輪組式輪椅iBOT。它有6個輪子前面有一對實心腳輪后面有兩對行星結構的充氣輪胎通過兩后輪交替翻轉可以上下樓梯。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到正常人的高度。它最大的優(yōu)點就是在輪椅重心安裝了陀螺儀控制器根據陀螺儀的信號調整重心的位置使輪椅能在不同狀態(tài)下保持平衡。經過數十年的研究開發(fā)它己經由iBOT3000發(fā)展到了iBOT4000功能也越來越強大是目前該領域中性能最高的產品它的售價在3萬美元左右相當于一輛中檔橋車的價格難以被普通使用者接受。我國在上世紀八十年代對輪組式爬樓梯裝置已有研究1987年專利號為86210653的國家專利中介紹了一種平地、樓梯運行多用輪椅前滾輪和后滾輪都用多個星形輪組成除自轉外還繞滾輪軸公轉而實現上下樓。內蒙古民族大學物理與機電學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構設計了一種雙聯星形機構電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐使其能調整重心、的位置安全爬樓。輪組式爬樓梯裝置的活動范圍廣運動靈活但是上下樓梯時平穩(wěn)性不高重心起伏較大會使乘坐者感到不適。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。復合類機器人基于履帶式、輪式、腿式移動機器人的優(yōu)缺點在研究中采用了腿-履復合和輪-腿-履帶復合等結構。設計主要是依靠腿式機構來完成越障以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來達到功能的完整。機器人擺臂在一定范圍可上下擺動輔助越障、攀爬具有較強的越障性能、路面通過性和上下臺階能力。但是各種機構的復合也給控制方面提出了更高的要求而且爬樓過程中的穩(wěn)定性、如何適應不同尺寸的樓梯、如何實現手動操作省力與省時的問題以及反向自鎖等問題仍然存在。綜上所述國外在爬樓梯裝置方面的研究已經有一百多年的歷史成果也較多但是它們大多結構復雜、造價昂貴遠遠超出了發(fā)展中國家人民的經濟承受能力。國內的研究相對較晚雖然也誕生了很多專利但由于受到體積、重量、穩(wěn)定性及安全性的限制還沒有產品真正投入使用。由此可見為了解決移動機器人使用受限的問題同時考慮到我國使用者的經濟承受能力需要研究一種價格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置。課題類型：課題類型：A-理論探究型B-實踐應用型本課題的研究內容以設計一款自動爬樓梯搬運貨物的小車為目的設計符合中國國情輪組式車輪同時為了提高小車的越障能力還采用變形輪。此外在小車爬樓梯時為了防止搬運的貨物不掉下來還需要設計降低貨物重心的機構。為提高機器人爬樓梯能力綜合分析國內外現有裝置結合我國《建筑樓梯模數協(xié)調標準》設計通用性強、上下樓梯動作流暢、容易控制的車輪組機構。兩個輪組代替通用四輪車的后輪前輪用兩個變形輪來驅動小車爬樓梯。通過去圖書館查閱資料確定小車的總體結構分析各種結構的優(yōu)缺點最終確定小車的結構并且用PRO/E畫出各個機構的三維圖和用CAD畫出機械結構的裝配圖。確定以單片機為控制系統(tǒng)分析控制原理并畫出控制流程圖。本課題研究的實施方案、內容本課題確定采用爬樓梯優(yōu)勢較強的輪式機構和變形輪。爬樓機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）當然也具備轉向避障和良好的行走線性軌跡此外爬樓梯搬運貨物小車還需要具備攀爬樓梯時考慮到實際攀爬樓梯的重心調節(jié)系統(tǒng)在調節(jié)轉移過程中的穩(wěn)定性及承載能力。我初步擬定了小車總體結構如下：工作原理用直流減速電機提供動力以安裝在機器人前端的4個超聲波傳感器作為自動檢測系統(tǒng)將信號反饋給主控模塊完成傳動軸的自動離合及速度調控通過PWM信號控制舵機使其轉向機構、變形輪和重心調節(jié)機構動作從而實現機器人在坡地、階梯等不同環(huán)境下的行進。本課題研究進度安排（1）2021.3.1-2021.4.10收集相關資料撰寫開題報告（2）2021.4.10-2021.4.15翻譯一篇與自動爬樓梯小車相關的英文文獻(3)2021.4.25擬定總體結構的方案和控制電路方案(4)2021.5.10用PRO/E畫出機械結構三維圖(5)2021.5.10-2021.5.15用CAD畫出小車機械裝配圖和關鍵的零件(6)2021.5.15-2021.5.20畫出控制電路圖(7)2021.5.25撰寫論文符合要求(8)2021.5.31撰寫說明書、打印圖紙、整理材料、答辯已查閱的主要參考文獻[1]喬林林.一種新型變形輪行走機構研究[J].大科技,2021,(22)[2]楊萍，龔林強，施俊屹等.階梯攀爬機器人結構及控制方案設計—[J].機電工程，2021,第34卷(6):557-561572.[3]張冬昌，賀子懿,張冬梅.智能小車的單片機控制設計實現[J].中國新通信,2021,(第1期).[4]譚昊軒.一種基于螺旋副的爬樓梯機器人設計[J].電子世界,2021,(第2期).[5]張瑞紅金德聞張濟川.多桿機構瞬停節(jié)分析及應用{J}.清華大學學報2000.40(4).39-40.[6]溫照方主編.電機與控制[M].北京：北京理工大學出版社，20.06.[7]YamatoI,etal1HighfrequencylinkDC/ACconverterforUPSwithanewvoltageclamper[J]1IEEEPESC,1990:52T05。[8]城鄉(xiāng)建設環(huán)境保護部主編.建筑樓梯模數協(xié)調標準[M].北京：中國計劃出版社，1988.[9]邢立鏞，