自動爬樓搬運小車設(shè)計-爬樓梯機器人【含creo三維及6張CAD圖帶開題報告-獨家】.zip
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開題報告
課題名稱
自動爬樓搬運小車設(shè)計
課題類型
實踐應(yīng)用型
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
學(xué) 號
專業(yè)班級
本課題的研究現(xiàn)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(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性,也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的多功能全自主的移動機器人技術(shù)多年來一直是機器人研究中的熱點問題之一。但是非結(jié)構(gòu)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(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)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(chǎn)率,節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本,有著十分重要的意義。其中,移動機器人從事各項事務(wù)響應(yīng)任務(wù)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(dǎo)地位,技術(shù)相對比較成熟,且有一些產(chǎn)品已經(jīng)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(xiàn)了很多這方面的專利,然而投入實際使用的還很少。 總結(jié)目前國內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利,按爬樓梯功能實現(xiàn)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(nèi)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。
(1)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(gòu)由鉸鏈桿件機構(gòu)組成。上樓時先將負(fù)重抬高,再水平向前移動,如此重復(fù)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(fù)雜,在平地行走時運動幅度不大,動作緩慢。
(2)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(shù)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(jié)構(gòu),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(chǎn)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(dāng)遇到樓梯等特殊地形時,用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)彎不方便,這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。
(3)輪組式
輪組式爬樓梯裝置按輪組中使用小輪的個數(shù)可分為兩輪組式、三輪組式以及四輪組式。單輪組式結(jié)構(gòu)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(xiàn)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 Dean Kamen 發(fā)明的了一種能自動調(diào)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(jié)構(gòu)的充氣輪胎,通過兩后輪交替翻轉(zhuǎn)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(jù)陀螺儀的信號調(diào)整重心的位置,使輪椅能在不同狀態(tài)下保持平衡。經(jīng)過數(shù)十年的研究開發(fā),它己經(jīng)由 iBOT3000 發(fā)展到了 iBOT4000,功能也越來越強大,是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品,它的售價在 3 萬美元左右,相當(dāng)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(jì)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(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機電學(xué)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(gòu),設(shè)計了一種雙聯(lián)星形機構(gòu)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(diào)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。
(4)復(fù)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(fù)合和輪-腿-履帶復(fù)合等結(jié)構(gòu)。設(shè)計主要是依靠腿式機構(gòu)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(gòu)的復(fù)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(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實現(xiàn)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(jīng)有一百多年的歷史,成果也較多,但是它們大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)展中國家人民的經(jīng)濟承受能力。國內(nèi)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(chǎn)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(jīng)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(yīng)用型
本課題的研究內(nèi)容
以設(shè)計一款自動爬樓梯搬運貨物的小車為目的,設(shè)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(shè)計降低貨物重心的機構(gòu)。
1.為提高機器人爬樓梯能力,綜合分析國內(nèi)外現(xiàn)有裝置,結(jié)合我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》,設(shè)計通用性強、上下樓梯動作流暢、容易控制的車輪組機構(gòu)。兩個輪組代替通用四輪車的后輪,前輪用兩個變形輪來驅(qū)動小車爬樓梯。
2.通過去圖書館查閱資料,確定小車的總體結(jié)構(gòu),分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點,最終確定小車的結(jié)構(gòu),并且用PRO/E畫出各個機構(gòu)的三維圖和用CAD畫出機械結(jié)構(gòu)的裝配圖。
3. 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(nèi)容
本課題確定采用爬樓梯優(yōu)勢較強的輪式機構(gòu)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≤210,220≤b≤320),當(dāng)然也具備轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu),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(diào)控,通過PWM 信號控制舵機使其轉(zhuǎn)向機構(gòu)、變形輪和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)動作,從而實現(xiàn)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) 2018.3.1-2018.4.10 收集相關(guān)資料,撰寫開題報告
(2) 2018.4.10-2018.4.15 翻譯一篇與自動爬樓梯小車相關(guān)的英文文獻
(3) 2018.4.20-2018.4.25 擬定總體結(jié)構(gòu)的方案和控制電路方案
(4) 2018.4.25-2018.5.10 用PRO/E畫出機械結(jié)構(gòu)三維圖
(5) 2018.5.10-2018.5.15 用CAD畫出小車機械裝配圖和關(guān)鍵的零件
(6) 2018.5.15-2018.5.20 畫出控制電路圖
(7) 2018.5.20-2018.5.25 撰寫論文符合要求
(8) 2018.5.25-2018.5.31 撰寫說明書、打印圖紙、整理材料、答辯
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