自動爬樓搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)-爬樓梯機(jī)器人【含creo三維及6張CAD圖帶開題報(bào)告-獨(dú)家】.zip,含creo三維及6張CAD圖帶開題報(bào)告-獨(dú)家,自動,搬運(yùn),小車,設(shè)計(jì),樓梯,機(jī)器人,creo,三維,CAD,開題,報(bào)告,獨(dú)家 開題報(bào)告 課題名稱 自動爬樓搬運(yùn)小車設(shè)計(jì) 課題類型 實(shí)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(jī)器人作為一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(jī)器。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)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(jī)器人技術(shù)多年來一直是機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)問題之一。但是非結(jié)構(gòu)環(huán)境給移動機(jī)器人的運(yùn)動造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難。 越障機(jī)器人的研究，對擴(kuò)展機(jī)器人的作業(yè)空間，在人不能到達(dá)或不便到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，具有重要的意義。越障機(jī)器人還可用于工業(yè)中的一些險(xiǎn)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(qiáng)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(jī)器人從事各項(xiàng)事務(wù)響應(yīng)任務(wù)時(shí)，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(yùn)動環(huán)境，一直以來移動機(jī)器人所采用的運(yùn)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(xiàng)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(shí)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(shí)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(diǎn)。 (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(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時(shí)先將負(fù)重抬高，再水平向前移動，如此重復(fù)這兩個(gè)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(jī)器人，采用多條機(jī)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(shí)運(yùn)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(shí)運(yùn)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(yùn)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(gè)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(gè)車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí)，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(gè)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(shí)重心波動很小，運(yùn)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(yùn)動不夠靈活、爬樓時(shí)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(gè)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(shí)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(gè)輪子，前面有一對實(shí)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(dá)到正常人的高度。它最大的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)大，是目前該領(lǐng)域中性能最高的產(chǎn)品，它的售價(jià)在 3 萬美元左右，相當(dāng)于一輛中檔橋車的價(jià)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(yùn)行多用輪椅，前滾輪和后滾輪都用多個(gè)星形輪組成，除自轉(zhuǎn)外還繞滾輪軸公轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下樓。內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)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(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時(shí)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(yùn)動靈活，但是上下樓梯時(shí)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(jī)器人 基于履帶式、輪式、腿式移動機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來達(dá)到功能的完整。機(jī)器人擺臂在一定范圍可上下擺動，輔助越障、攀爬，具有較強(qiáng)的越障性能、路面通過性和上下臺階能力。 但是各種機(jī)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(shí)現(xiàn)手動操作省力與省時(shí)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(jià)昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)展中國家人民的經(jīng)濟(jì)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(jī)器人使用受限的問題，同時(shí)考慮到我國使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，需要研究一種價(jià)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(shí)踐應(yīng)用型 本課題的研究內(nèi)容 以設(shè)計(jì)一款自動爬樓梯搬運(yùn)貨物的小車為目的，設(shè)計(jì)符合中國國情輪組式車輪，同時(shí)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(shí)，為了防止搬運(yùn)的貨物不掉下來，還需要設(shè)計(jì)降低貨物重心的機(jī)構(gòu)。 1.為提高機(jī)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(jì)通用性強(qiáng)、上下樓梯動作流暢、容易控制的車輪組機(jī)構(gòu)。兩個(gè)輪組代替通用四輪車的后輪，前輪用兩個(gè)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(diǎn)，最終確定小車的結(jié)構(gòu)，并且用PRO/E畫出各個(gè)機(jī)構(gòu)的三維圖和用CAD畫出機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配圖。 3. 確定以單片機(jī)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(shí)施方案、內(nèi)容 本課題確定采用爬樓梯優(yōu)勢較強(qiáng)的輪式機(jī)構(gòu)和變形輪。爬樓機(jī)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(yùn)貨物小車還需要具備攀爬樓梯時(shí)考慮到實(shí)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(jī)提供動力，以安裝在機(jī)器人前端的４個(gè)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(jī)使其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變形輪和重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在坡地、階梯等不同環(huán)境下的行進(jìn)。  本課題研究進(jìn)度安排 (1) 2018.3.1-2018.4.10 收集相關(guān)資料，撰寫開題報(bào)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(xiàn) (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(jī)械結(jié)構(gòu)三維圖 (5) 2018.5.10-2018.5.15 用CAD畫出小車機(jī)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 已查閱的主要參考文獻(xiàn) [1] 喬林林. 一種新型變形輪行走機(jī)構(gòu)研究[J]. 大科技,2017,(22) [2] 楊萍, 龔林強(qiáng), 施俊屹等. 階梯攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制方案設(shè)計(jì)*[J]. 機(jī)電工程, 2017, 第34卷(6):557-561，572. [3] 張冬昌,賀子懿,張冬梅.智能小車的單片機(jī)控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].中國新通信,2018,(第1期). [4] 譚昊軒.一種基于螺旋副的爬樓梯機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].電子世界,2018,(第2期). [5] 張瑞紅，金德聞，張濟(jì)川．多桿機(jī)構(gòu)瞬停節(jié)分析及應(yīng)用{J}．清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2000.40（4）.39-40. [6] 溫照方主編. 電機(jī)與控制[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社, 2004.06. [7] Yamato I, et al 1 High frequency link DC/AC converter for UPS with a new voltage cla mper[J] 1 IEEE PESC,1990:52-105。 [8] 城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部主編. 建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京：中國計(jì)劃出版社, 1988. [9] 邢立鏞,王瀾,張慶松,胡久銀.從GB/T12996-2012解讀電動輪椅車的性能要求及檢測[J].中國醫(yī)療器械信息,2015,(第12期). [10] 韓廣，王田苗，梁建宏，等．一種有效爬越樓梯的模塊化可重組履帶結(jié)構(gòu)［Ｊ］．機(jī)器人，2004,26(5):400-403 [11] 蔡自興．智能控制及移動機(jī)器人研究進(jìn)展［Ｊ］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005,36(5):721-726 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日