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爬楼梯机器人探秘与创新

作者:admin 发布时间:2022-07-04 10:48

  

作者简介:苗润丰,北京市第九十四中学(外经贸附中);发表于《科学家》期刊
 
  随着当代科技的发展,机器人不再只是科幻作品中的形象,各式各样的机器人已经渐渐进入我们的日常生产生活中。由于我国现阶段人口老龄化的问题越来越突出,在火灾等灾害发生时对于楼梯救援的需求,爬楼梯机器人成为了一个很有前景的发展方向。本文调研了国内外轮椅使用需求、用途各异的产品种类,分析了机器人的结构、驱动及不同的适用情况,仿照蜘蛛结构,提出一种爬楼机器人的设计方案,完成机械运动方案和结构设计,最后对于爬楼机器人的现状与未来分别进行了总结与展望。
 
  概述
 
  当今世界,年龄结构中老年人已成为重要部分。换言之,老年人的数量越来越多。据一些数据统计,自从1999年中国就已经步入了老年社会,现如今已经成为世界上老年人口最多的国家,并且在未来十几年后的某一天中国老人的数量将达到前所未有的顶峰,人口老龄化和高龄化的严重度也会日益突出。随着人口中老年人占比越来越多,对老年人的关爱社会也是越来越重视。轮椅已然成为残疾人士和腿脚不便的老年人平日生活的一种重要的不可缺少的出行工具。对他们而言,轮椅不仅仅是代步工具,在进行一些身体锻炼和与社会交往参与一些社会活动时,轮椅是他们完成这些的根本。这可以有效的完成在社会中的一些参与,不至于被社会所抛弃。另一方面,基于老年人特殊的年龄和身体状况,对轮椅的人性化以及功能要求也越来越高。设计一款符合老年人需求的人性化、多功能的轮椅,成为我们此次设计的目标。
 
  随着世界科技迅速的进步,人们的生活有了很大改善,但随之而来的也有不少问题。火灾就是其中的隐患之一,其实在所有自然灾害中,在时间和空间上火灾是最不受限制,是平常生活中发生率较高的灾害。火灾分为天灾和人祸。天灾,顾名思义就是地球气候造成的。像树木或建筑物等易燃的物体因被雷劈了等原因造成失火,而此类原因引起的火灾只占很小一部分占比1.8%;而大多数的火灾是由人为造成的,或是不小心的生产或是故意的战争等。在火灾发生时,大家都知道是不能乘坐电梯逃生的。因此,从楼梯逃生成了最佳选择,而由于可能在火灾中一些人腿部已经受伤,所以此时个性化的轮椅就派上了需求。
 
  本文也进行了一个蜘蛛式爬楼梯机器人的创新设想。基于蜘蛛的运动特征加之于轮椅上,对轮椅爬楼梯这一项做出了很大改进。
 
  现阶段不同形式的爬楼梯机器人
 
  爬楼梯机器人在国际上通常分为3种,分别为行星轮式爬楼梯机器人、腿式爬楼梯机器人与履带式爬楼梯机器人,其分类的依据主要是跨越障碍的方式不同。
 
  行星轮式爬楼梯机器人
 
  行星轮式爬楼机器人的工作原理主要是依靠两个普通轮作为星轮,一个轮毂电机作为星轮,三者均为行星轮,在平地时轮毂电机星轮用于动力,在爬楼梯时,三者交替滚动,使用轮毂电机进行驱动,三轮绕中心进行公转,从而完成攀爬楼梯的运动。在这个过程中,需要适用集流环设施来进行供电,因为轮毂电机是在不断绕轴公转的。
 
  对于行星轮式爬楼梯机器人,其优点非常明显,首先,由于将平地的运动和攀爬楼梯的运动整合在3个行星轮中,这样其可以显着的降低机构的尺寸与重量。另外,行星轮在攀爬楼梯时候,其稳定性非常好,重心不产生较大的上下波动。但是,行星轮式爬楼梯机器人也有劣势,其攀爬的楼梯尺寸与行星轮的公转半径的锁定的,所以要使得行星轮能稳定在不同高度的楼梯上进行攀爬是比较困难的,其只能在一定小范围的楼梯尺寸波动范围内进行攀爬楼梯。尤其是现在的楼梯设计标准与老式居民楼有所不同,这样,老式居民楼就很难应用此种爬楼机器人。除此之外,这种轮椅爬楼时所需爬升力较大,功率需求大,对动力系统的要求比较高。而且上楼仰角较大,下楼时俯角较大,一方面容易发生倾翻的危险,另一方面会给老年人一定的不安全感。除此之外,这种轮椅体积较大,很难在普通住宅楼梯上使用;价格较贵,目前性能较高的iBOT3000轮椅售价相当于一台中高档轿车,这也是星型轮式爬楼梯机器人尽管发明专利很多,真正实施和推广很少的主要原因。
 
  腿式爬楼梯机器人
 
  腿式爬楼梯机器人的工作原理主要是使用铰链杆件进行攀爬运动。其主要是进行了仿生学的设计,模仿人与动物的攀爬动作,使用机械腿进行支撑,并交替的爬行。不同的腿式机器人使用的腿数也有所不同,此种机器人有美国制造的Ambler移动机器人,还有日本制造的WL-16机器人等等。
 
  腿式爬楼梯机器人的优点是对于复杂情况的适应性较好,不但适用于攀爬楼梯,还可以用来翻越减速带等障碍物,是一种灵活性强、适应性广的机器人。但是,步行机器人机械结构比行星轮式爬楼梯机器人的结构要复杂得多,其使用铰链杆件,容易发生故障,且维修起来非常复杂,另外,其在平地的运动效率非常低,所以对于平地上的重心控制等问题得不到解决的前提下,很难大面积投入到正常的生活应用中。另外,其操作复杂,不适合老年人,所以,在实际生活中应用难度较大,以后可能会有望用于军事方面等。
 
  履带式爬楼梯机器人
 
  履带式爬楼梯机器人是现在应用最为广泛的攀爬机器人,类似于坦克,其攀爬是使用履带,其产生的摩擦力使得机器人可以向上进行移动,此种机器人在防暴、军事等领域中的应用非常多。
 
  履带式机器人明显优点是稳定,因为其在行进过程中将楼梯变为一个斜面完成动作。所以,在对于复杂地形行走时候,稳定性与速度均强于前两者,在支撑面积较大的时候,其受到的应力也较小,使得工作时间大大加强。另外,由于其运行为连续运动,重心波动小,工作效率高。但是,其在平地时候行走由于阻力较大,所以能量消耗较多,除此之外,履带式轮椅在上下楼时会一定程度上损坏楼梯,这也限制了它的应用。
 
  重心自调整的全方位运动机器人
 
  重心自调整的全方位运动机器人的核心设施为重心调整座椅,是一种具有反馈功能的座椅,其可以通过已有的倾角进行实时的调整。其中,座椅倾角的感应主要是通过陀螺仪来完成,而座椅倾角的调整主要是通过电动推杆来完成,如图1所示。在运行的时候,如果在爬坡时候,陀螺仪检测到椅子产生了一定程度的倾角,就推动电动推杆,电动推杆使得座椅绕车架上的轴承转动,从而完成倾角的补偿运动,实现轮椅的重心自调整,适合全方位的运动。其优点是实时座椅姿态调整,给老年人可以带来更好的体验,但是缺点是感应装置造价较高,尚处于理论阶段。
 
  调研发现,现在我国需要一种体积小,结构简单,操作适合老年人,价格合适的爬楼性机器人,来用于助残助老与灾情营救。所以,智能化、人性化、小巧化的轮椅,具有非常大的市场价值,是具有发展前景的一个方向。
 
  机器人的主要结构分析
 
  机器人,顾名思义是由一些没有生命的材料通过一系列的组装,再和电路相结合。从而使这个“成品”收到一些指令以此来完成一些动作。而机械本体、控制系统、传感器、和驱动器是机器人的主要部分。机器人不一定像人,只是对这类机械的一种称呼。机械本体就相当于人的四肢,由它来完成一些主要的任务。控制系统是控制整个机器人的一些行为发布指令的地方,就好像人的大脑在获取信息后传达相应的指令。驱动器是能量发出的地方,相当于汽车的马达为整个机器转化能量,从电能转化为可以利用的机械能。最后的传感器就好比人的五官、皮肤等感官部位,将感知的一切转化为信息反馈给控制系统“大脑”。总之,机器人就是由这几部分完美的组合而成,缺一不可。
 
  基于仿生技术的爬楼梯机器人设计
 
  这个爬楼梯机器人是参照了蜘蛛的一些行动特性。当蜘蛛行走时,遇到了障碍物,蜘蛛有8条腿,他的前腿碰到障碍物会先抬起来,重心向后方移,前腿找到落脚点后面的腿依次重复之前的运动。而本文设想创新的蜘蛛式爬楼梯机器人就是基于蜘蛛的运动特性。此轮椅的底部共有8个轱辘,两两对称。当上楼梯时,在最前方的两个轱辘前碰到台阶竖壁,感应到后随之抬起,前两轮上一台阶。后面三组轱辘依次重复第一组动作。
 
  结论和展望
 
  根据中国的老年人和残疾人现状和一些生活中的火灾本文先是对国内外的爬楼轮椅作出了概括分析了它们的利与弊,在这个基础上本文设计出一款新型爬楼梯装置,此装置对不同高度的台阶具有兼容性且提高了使用者的舒适性,但在爬楼梯时中心可能不稳且还需要进一步做出实体模型。总而言之,此装置是一种新兴科技,处于理论阶段,还需要进一步完善。
 
  参考文献
 
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