行星轮式智能楼梯运输车设计

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行星轮式智能楼梯运输车设计

冯永健1，梁伟锋1，曾英豪2，韩惠珊2，谢秀珍2

(1.华南农业大学 电子信息工程学院,广东　广州　 510642；2.华南农业大学 工程学院，广东　广州　510642)

摘要：介绍了自主开发的行星轮式爬楼梯运输车的主要机械结构，在对运输车的运动模型进行分析以及论证小车实现任意曲线运动所包含的自转、曲线转弯、楼梯攀爬等基本运动单元的基础上，通过SolidWorks三维模拟，并进行实物的安装、实物调试，验证了该方案的可行性。该运输车以STM32为控制芯片，结合超声波、陀螺仪等模块来通过自主判断算法实现了自动攀爬楼梯。

关键词：楼梯运输车；行星轮式；设计

0　引言

本文讨论的是用于楼梯上搬运物品的智能运输车。楼梯是人造环境中最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一，爬楼梯运输车的研究是解决当前全自主机器人在非结构环境下正常工作的重要环节之一。爬楼梯运输车可应用于危险环境探查、搬运、清扫等作业，不仅保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，还可以提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，其实际意义重大。

1　爬楼梯运输小车的总体设计

1.1　小车的机械设计

智能楼梯车结构如图1所示。它由轮子、齿轮、底盘、十字轮组、链轮和减速箱等组成。其中，十字轮组是由行星齿轮组构成，具有两个旋转自由度。十字轮组的公转使智能楼梯车能在楼梯上行走，实现爬楼动作；轮子的自转使得智能楼梯车能够在平地上自由行驶。其传动部分采用了大减速比的蜗轮蜗杆减速箱，能够实现锁止的功能，使楼梯车在上楼过程中停止时能够及时刹车，不至于后退。图2为智能楼梯车底盘。

1-轮子;2-齿轮;3-底盘;4-十字轮组;5-链轮;6-减速箱

图1　智能楼梯车概念图

该结构设计的优点如下：

(1) 平顺的行驶能力。楼梯车在平地行驶时，每个十字轮总是有两个轮子着地，电机的动力通过链轮传递到十字轮组的中间轴，中间轴通过行星齿轮组将动力传递到驱动轮。

(2) 可靠的爬楼能力。当楼梯车遇到楼梯或者障碍时，十字轮组变换成行星轮系翻滚前进，电机的动力通过大减速比的蜗轮蜗杆减速箱传递给齿轮，再通过齿轮副传递给十字轮组。

图2　智能楼梯车底盘

1.2　小车的传动设计

1.2.1　十字轮组设计

小车十字轮如图3所示。十字轮组采用行星轮式结构，轮子与轴通过平键连接，并用螺母进行轴向固定，轮子的中心轴线均匀分布在同一个圆上。轴与驱动齿轮通过平键连接，传动轴一端和链轮配合，另外一端和中心齿轮配合，并通过轴承座固定在楼梯车底盘上。十字轮组通过轴承座固定在楼梯车底盘上，十字轮组承载着整个楼梯车。当楼梯车在平地行驶时，前后电机停止转动，侧向电机转动，通过链传动传递动力给传动轴，然后传递给中心齿轮，并由中心齿轮通过过渡齿轮以及驱动齿轮传递给轴，最后再传递给车轮。过渡齿轮使得驱动齿轮的转向与中心齿轮相同，楼梯车得以前进。

1.2.2　主体传动设计

底盘传动装置如图4所示，智能楼梯车底盘用来布置传动系统，其传动过程为:首先在平地行驶时由左电机(LW)和右电机(RW)提供驱动力，经链传动后作用于十字轮组，由十字轮组经传动轴跟齿轮传递给轮子。其次，当楼梯车遇到障碍或者楼梯时，左电机(LW)和右电机(RW)停止转动，前电机(FW)和后电机(BW)开始转动，通过前、后减速箱带动中间轴转动，然后再由中间轴带动驱动齿轮旋转。

1-轮子;2-过渡齿轮;3-驱动齿轮;4-十字架;5-传动齿轮;6-链轮;7-传动轴;8-中心齿轮

图3　小车十字轮

1-后减速箱;2-小链轮;3-前减速箱;4-大链轮;5-中间轴

图4　底盘传动装置

2　小车自主控制实施方案

2.1　硬件部分

小车自主控制硬件结构如图5所示。

图5　小车控制系统硬件结构图

图5中，通过矩阵键盘输入相关信息(初始、目标楼层)到CPU，CPU根据该信息执行；输出部分通过TFT液晶屏显示小车相关状态(目前所在楼层、目标楼层等等)；自主判断部分由4个超声波模块以及1个陀螺仪组成，超声波用于判断小车前后以及左右与墙壁的距离，陀螺仪用于判断小车与水平的角度差。

2.2　小车自主控制软件部分(实施方案)

2.2.1　实现过程

小车主要通过陀螺仪和超声波模块作为辅助判断模块来实现小车的自主攀爬。通过按键输入来设置上楼梯的总层数，通过LCD来输出相关信息。本文以半旋转楼梯(2段楼梯以及中间有个平面作为2段楼梯中转节点)为例进行说明。

小车行驶时，通过陀螺仪判断小车是否处于爬楼梯状态，通过超声波模块判断小车是否应该转弯，从而实现小车自主上楼梯。

2.2.2　陀螺仪判断实现过程

小车处于水平面(未上楼梯)时，陀螺仪判断出当前小车角度信息(假设为0°)并暂存起来用于与后面作对比，当小车开始上楼梯时会产生明显的角度偏差(假设为45°)，此时即可记作小车已开始上楼梯；同理当小车上到楼梯之间的平面地段时，小车角度又会变回水平面角度(0°)，与之前(45°)产生明显的角度差(相差45°)，此时即可记作小车已到达两段楼梯之间的平面地段。

2.2.3　超声波判断实现过程

本例中分别安置了4个高精度的超声波(US-100)模块在机器人的前(2个)、左、右端，当小车爬升到楼梯时，系统启动超声波检测，小车上到(楼梯)平面后，降低行走速度，并同时通过3个超声波判断小车与左、右边墙壁(假设有)以及前面墙壁(假设有)的距离来实现小车自主转弯，在转弯过程中，判断前面两个超声波测到的数据是否大致相同，如果数据差值很小，则认为小车不需要再转弯，否则则小车继续转弯，直到数据差值足够小。小车在完成两个转弯后，已经到达楼梯的底部，此时关闭超声波检测，小车继续攀爬楼梯。

3　结论

本文针对机器人自主上下楼梯的问题提出了合理的解决方案，对比各种爬楼梯装置的优缺点，确定了以轮式机构为核心的结构，并通过理论计算确定机器人车体的结构参数，制作成物理样机。搭建以STM32RBT6为核心的智能系统，解决了机器人在爬楼梯和平台转弯时的问题，使机器人能顺利实现爬楼梯功能。

参考文献：

[1]陆丰勤.多功能爬楼梯装置的研究及控制系统的设计[D].南京：南京理工大学，2008：7-9.

[2]白琨.履带式移动机器人越障能力的研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2007：11-13.

[3]蔡白兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.

Design of Intelligent Stair Transporter Based on Planetary Wheel

FENG Yong-jian1, LIANG Wei-feng1, ZENG Ying-hao2, HAN Hui-shan2, XIE Xiu-zhen2

(1.Electronic and Information College, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：This paper describes the mechanical structure of a stairs transporter based on planetary wheel. Based on the research on the motion model of transporter, the curved movement of the car is achieved, and the 3D model of the car is set up, and it is simulated by use of SolidWorks. The control system of the car takes STM32 control chip as the control core, combines with ultrasound module, gyroscopes module and other modules, to implement the independent judgment algorithm of climbing stairs automatically.

Key words：stairs transporter; planetary wheel; design

文章编号：1672- 6413(2016)05- 0158- 02

收稿日期：2015- 12- 14；

修订日期：2016- 07- 24

作者简介：冯永健(1993-)，男，广东阳江人，在读本科生，专业为电子信息工程。

中图分类号：TP242.3

文献标识码：A