可上楼梯的智能机器人设计与实现
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摘要
为了提供性能优越的代步工具和辅助装置,本文提出一种新型的轮足式爬楼智能机器人,介绍了其构型和结构特点,推导了运动学方程,并在约束条件下进行了完整的运动学分析和虚拟样机仿真。本文设计的可上楼梯机器人可广泛运用于残疾人和老年人等弱势群体,同时还可适用于医院、疗养院及家庭等多种场所。此项研究具有科学意义和推广应用价值,还具有广阔的发展前景,可以带来很大的社会和经济效益。
本文通过对国内外机器人研究现状的分析,提出了一种轮足结合式的新型方案,对移动机构进行了分析与选择,设计了轮足结合式机器人的关键部位,并对其进行了设计校验,保证了机构设计的合理性。
运用虚拟样机模型技术,建立了可上楼梯机器人的虚拟样机模型。首先模拟了机器人的爬楼过程,具体分析了模型的正确性和可行性,对机器人进行了运动学分析,为实物样机的制作提供了有力的理论依据。其次,加工零件,装配样机,并结合机器人样机,搭建控制系统和驱动系统,整理系统框图和实物框图,对整个控制系统脉络进行了梳理。最后,针对爬楼机器人在平地运行且只有两个中轮着地的特殊情况,本文对轮式机器人做了动力学分析、控制器设计、稳定性判断以及MATLAB和ADMAS联合仿真等工作,更进一步保证了可上楼梯机器人在平坦环境下的安全性和可靠性。
本文分析了轮足结合式机构的结构特点,进行了机构的参数设计、驱动方案设计、控制系统设计,以及虚拟样机的设计与仿真。在仿真成功的基础上,加工装配成样机,进行实地测试,结果可以按照预定的期望运动,有效的验证了可上楼梯智能机器人的可行性,为爬楼机器人的进一步研究打下了很好的基础。
The paper proposed a new type of intelligent climbing stairs robot with wheel foot, in order to provide superior performance means of transport and auxiliary devices. It introduced the configuration and structure characteristics, and this paper derived the kinematics equation, and the constraint conditions of a complete kinematics analysis and virtual prototype simulation. The design of the intelligent climbing stairs robot in the paper can be widely applied to vulnerable groups such as the disabled and the elderly, but can also be used to a variety of places such as hospitals, nursing homes and family. The study has scientific significance and application value, also has broad prospects for development, and can bring great social and economic benefits.
Based on the analysis of the current situation of robot research at home and abroad, this paper put forward a kind of new scheme with wheel foot combination. The mobile mechanism are analyzed and selected, and it designed the key parts of the wheel foot combination robot, and checked its design inspection to ensure the rationality of the design agency.
Using virtual prototype model technology, the paper set up the virtual prototype model of the intelligent climbing stairs robot. First, the paper introduced the specific analysis of the validity and feasibility of the model and the robot simulation climb building process, and the robot kinematics analysis, that can provided a strong theoretical basis for physical prototype production. Secondly, the paper also introduced the processing of all kinds of the different parts and assembly prototype. The paper built a control system and drive system combined with robot prototype, and organized system diagram and physical diagram, combining the context of the entire control. Finally, under the special circumstances that the robot climbing up in the ground operation and only two wheels in the floor, the paper proposed the robot dynamics analysis, the controller design, stability judgment and simulation with MATLAB and ADMAS, and further ensure that the robot can be up the stairs in flat environment safety and reliability.
This paper analyzed structure characteristics of the wheel foot combination mechanism, and the mechanism of parameter design, driving scheme design, control system design, and virtual prototype design and simulation. Based on the success of simulation, the robot is processed and assembly into a prototype, and conducted field tests. The results can be in accordance to a predetermined expectations movement, and effective verify the feasibility of the stair intelligent robots, so the study has laid a good foundation for further study of robot.
本文通过对国内外机器人研究现状的分析,提出了一种轮足结合式的新型方案,对移动机构进行了分析与选择,设计了轮足结合式机器人的关键部位,并对其进行了设计校验,保证了机构设计的合理性。
运用虚拟样机模型技术,建立了可上楼梯机器人的虚拟样机模型。首先模拟了机器人的爬楼过程,具体分析了模型的正确性和可行性,对机器人进行了运动学分析,为实物样机的制作提供了有力的理论依据。其次,加工零件,装配样机,并结合机器人样机,搭建控制系统和驱动系统,整理系统框图和实物框图,对整个控制系统脉络进行了梳理。最后,针对爬楼机器人在平地运行且只有两个中轮着地的特殊情况,本文对轮式机器人做了动力学分析、控制器设计、稳定性判断以及MATLAB和ADMAS联合仿真等工作,更进一步保证了可上楼梯机器人在平坦环境下的安全性和可靠性。
本文分析了轮足结合式机构的结构特点,进行了机构的参数设计、驱动方案设计、控制系统设计,以及虚拟样机的设计与仿真。在仿真成功的基础上,加工装配成样机,进行实地测试,结果可以按照预定的期望运动,有效的验证了可上楼梯智能机器人的可行性,为爬楼机器人的进一步研究打下了很好的基础。
The paper proposed a new type of intelligent climbing stairs robot with wheel foot, in order to provide superior performance means of transport and auxiliary devices. It introduced the configuration and structure characteristics, and this paper derived the kinematics equation, and the constraint conditions of a complete kinematics analysis and virtual prototype simulation. The design of the intelligent climbing stairs robot in the paper can be widely applied to vulnerable groups such as the disabled and the elderly, but can also be used to a variety of places such as hospitals, nursing homes and family. The study has scientific significance and application value, also has broad prospects for development, and can bring great social and economic benefits.
Based on the analysis of the current situation of robot research at home and abroad, this paper put forward a kind of new scheme with wheel foot combination. The mobile mechanism are analyzed and selected, and it designed the key parts of the wheel foot combination robot, and checked its design inspection to ensure the rationality of the design agency.
Using virtual prototype model technology, the paper set up the virtual prototype model of the intelligent climbing stairs robot. First, the paper introduced the specific analysis of the validity and feasibility of the model and the robot simulation climb building process, and the robot kinematics analysis, that can provided a strong theoretical basis for physical prototype production. Secondly, the paper also introduced the processing of all kinds of the different parts and assembly prototype. The paper built a control system and drive system combined with robot prototype, and organized system diagram and physical diagram, combining the context of the entire control. Finally, under the special circumstances that the robot climbing up in the ground operation and only two wheels in the floor, the paper proposed the robot dynamics analysis, the controller design, stability judgment and simulation with MATLAB and ADMAS, and further ensure that the robot can be up the stairs in flat environment safety and reliability.
This paper analyzed structure characteristics of the wheel foot combination mechanism, and the mechanism of parameter design, driving scheme design, control system design, and virtual prototype design and simulation. Based on the success of simulation, the robot is processed and assembly into a prototype, and conducted field tests. The results can be in accordance to a predetermined expectations movement, and effective verify the feasibility of the stair intelligent robots, so the study has laid a good foundation for further study of robot.
引文
[1]张海鹰等,城市人口老龄化面临的形势及对策,人口学刊,2010年2期：50-53.
[2]袁博等,高速城市化对我国人口结构的影响,未知,2011年2期：24-25.
[3]唐进昌等,发展老年人体育锻炼是构建和谐健康老龄化社会的重要举措,科技信息,2010年30期：277.
[4]林文彬等,老年人需求心理试析,赤峰学院学报：自然科学版,2009年9期：183-185.
[5]潘景敖,关天民等,老年人轮椅应用软件的研发,机械制造与自动化,2009年3期：31-33.
[6]张勤,吴志斌等,基于重复变换法的多关节站立型机器人搬运动作仿真,机器人,2011年33卷3期：340-346.
[7]刘全杰等,基于唇部检测与跟踪的智能轮椅交互技术[学位论文],重庆邮电大学,2010年.
[8]廖晓辉,沈大中,王东署等,智能轮椅的研究现状与关键技术分析,制造业自动化,2008年4期：1-6.
[9]苏和平,王人成等,爬楼梯轮椅的研究进展,中国康复医学杂志,2005.20(5)：366-367.
[10]乔凤斌,谢霄鹏,杨汝清等,六轮移动机器人包容地形研究,机械设计与研究,2004年5期：17-19.
[11]陈芳允,月球探测机器人移动系统的研究现状和发展趋势,井冈山学院学报：综合版,2006年4月。
[12]王际容,廖岚,周红,代莉等,脊髓损伤病人轮椅的选用及安全管理,护理研究上旬版,2011年6期：1460-1461.
[13]Miura H S. Dynamic Walking of a Biped Locomotion[J].The International Journal of Robotics Research 1984:60-74.
[14]刘永生,张文志,刘乐等,轮腿混合移动机器人机构设计及分析,机械设计与制造,2011年1期：156-157.
[15]孙凌宇,冷明,朱平,周宇等,移动机器人路径规划算法的研究,井冈山大学学报：自然科学版,2010年2期：56-59.
[16]孙飞,居鹤华等,12自由度双足机器人的开发与步态规划研究,机械与电子》2011年9期：3-7.
[17]Wieber P B. On the Stability of Walking Systems[C]//The 3rd IARP International Workshop on Humanoid and Human Friendly Robotics 2002:1123-1130.
[18]Jeffrey BC David B G Rajesh PN et al Learning Full-Body Motions from Monocular Vision:Dynamic Imitation in a Humanoid Robot[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2007:240-246.
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[20]Garcia E E stremera J Santos GA Classification of Stability Margins for Walking Robots[C]//The 5th International Conference on Climbing and Walking Robots 2002: 25-27
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[23]胡明,邓宗全,王少纯,高海波等,月球探测车移动系统的关键技术分析,哈尔滨工业大学学报,2003年7期：795-798.
[24]柏龙,葛文杰,陈晓红,寇鑫等,星面探测仿生间歇式跳跃机器人设计及实现,机器人,2012年1月第1期：32-37.
[25]杜凯等,蜗杆蜗轮传动受力分析与效率计算,机械工程与自动化,2011年4期
[26]孟德彪等,滑动螺旋传动螺纹耐磨性模糊可靠性分析,机械,2010年1期
[27]谢罗福等,翻车机防掉道设计研究,华中科技大学硕士学位论文,2009年
[28]史玉婷等,螺旋传动蠕动式内窥镜机器人的设计和实验,国外电子测量技术,2012年2月
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[34]Rich Chi Ooi. Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot. The University of Western Australia School of Mechanical Engineering. Final Year Thesis 2003.
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[37]王慧等.SCARA机械手自适应模糊控制研究.《天津工业大学》2007年.
[38]王小亮等,高速列车驾驶仿真器动感模拟系统研究,《西南交通大学》2009年
[39]彭兴文等,月球车牵引控制方法研究,《北京工业大学》2009年
[40]俞水强等,工业机器人的动力学与控制研究及其可视化仿真,《南京航空航天大学》2008年
[41]王艳丽等,具有非驱动关节机器人的动力学分析,《佳木斯大学学报：自然科学版》2003年1期
[42]蔡建羡等.随机模糊控制策略及其在机器人控制中的应用.《电机与控制学报》2009年5期.
[43]董付国等.几种方幂模快速算法的加法链一致性分析.《计算机工程与应用》2010年46卷36期
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[46]李淑萍等.非线性时滞微分方程在种群模型中的应用研究.《天津工业大学》2009.
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