0 引言

目前，针对机器人在爬楼越障性能方面的研究，世界各国都给予高度重视，爬楼越障机器人在侦查、排险、警戒、巡检等各种复杂多变的环境中具有较广的应用前景[1]。机器人可分为腿式、履带式、轮式等几类[2-3]；在此基础上又出现组合形式的复合式行走机构，如轮履式[4]、轮腿式[5]、履腿式[6]等复合式行走机构。腿式机器人越障性能好，但结构相对复杂，爬楼过程中重心起伏大、不平稳且机构控制困难。如我国哈尔滨工业大学机器人研究所设计的新型六足仿生机器人HIT-Spider[7]，该机器人单腿为多级驱动的连杆机构，结构非常紧凑，且适应地形能力较强。履带式机器人在爬楼过程中比较平稳、高效，但在楼梯半层平台处的通过性差且在平地行走不灵活[8]。如东京科技大学研发制造的Helio VII[9]，是一款履带式移动机器人，它能实现上下高度差较大的台阶爬越。轮组式机器人运动比较灵活，但上下楼梯的平稳性和越障性相对较低。如美国人Dean Kamen发明的IBOT3000[10]，该机器人运动灵活、操作便捷。四足机器人具有稳定性高、活动灵活等优点，因此，在抢险救灾、探险、社会服务等方面具有广泛的运用价值[11]。研制一种具有较好越障性能和机动性能的四足变形轮式机器人将会有较大的市场前景。

在阀杆密封填料函处必须设计有防细小物料进入填料密封系统的自清洁结构，同时在设计允许的条件下，尽可能增大执行机构的安全系数，解决因少量物料堆积引起的阀门卡涩。

1 爬楼越障机器人系统方案设计

1.1 爬楼越障机器人总体方案设计

目前，我国通常采用由国家质量监督检验检疫总局和建设部制定的楼梯设计标准[12]，其标准规定，对于公共建筑台阶踏步宽度不宜小于0.3 m，踏步高度不宜大于0.15 m，并不宜小于0.1 m，踏步应设有防滑处理，根据这一特点设计变形轮的变形形状及尺寸。如图1所示，该机器人主要是由控制和机械两大系统模块组成，针对机械系统模块进行分析与设计，并最终制作出实验样机。

在城市交通中有着参与者和实施者两个不同的角色，在不同的角色中都有着重要的作用，有着不同的特性。在城市交通中的参与者具有一定的情况感知和响应的能力，在城市交通中的参与者的积极性要比实施者的积极性高，而且在城市交通的参与者对交通的适应性是比较高的。而大数据技术就是将这些参与者在城市交通中产生的数据进行分析并反馈给实施者。通过大量的数据分析可以使实施者得到更加有价值的数据，从而将城市交通规划做到更好。

  

图1 机器人总体设计流程图

1.2 变形轮机械结构设计

爬楼越障机器人的变形轮系如图2所示，在变形状态时，如图2(a)所示，齿轮1、2停止转动，齿轮7、8保持转动；如图2(b)所示，通过中心轮的转动带动3个轮子转动，从而完成变形过程；在行走状态时，如图2(a)所示，齿轮1、2和齿轮7、8同时转动，如图2(c)所示，四轮同时转动，使变形轮保持圆轮或变形轮状态，完成行走过程。

  

图2 变形轮机构简图

通过对变形轮机构的研究，设计出变形轮的机械结构，如图3所示。

1.3 爬楼越障机器人机械结构设计

  

图3 变形轮三维图

爬楼越障机器人的机械结构如图4和图5所示，该机器人车身长780 mm、宽530 mm，圆轮直径为315 mm，变形轮最大变形处到车轮中心距离为209.6 mm。其承载能力为10 kg，行走驱动电机的转矩为1.85 N·m，变形驱动电机的转矩为1.5 N·m。爬楼越障机器人主要由控制系统、机械系统组成。变形轮式爬楼越障机器人的转向由4个对称分布的变形轮通过差速实现。

  

图4 爬楼越障机器人传动线路示意图

  

图5 爬楼越障机器人 三维模型图

爬楼越障机器人的设计采用轴中轴的变形轮传动，其基本原理为：当机器人处于平坦路面时，控制系统接收信号，行走轮处于复位状态(圆形轮状态)，此时，电机驱动齿轮转动使机器人在平地行走；当行走轮遇到台阶等障碍物时，将信号传递给控制系统，电机驱动行走轮开始变形，并驱动机器人爬越障碍物，变形轮可根据障碍物的高度来改变变形角度，从而使机器人可以顺利通过障碍物。

1.4 爬楼越障机器人静力分析

如图6所示，变形轮与台阶的几何关系和在越障时的静态过程平衡方程为

简化成

某图号行走齿轮(见图1)，材料为18Cr2Ni4WA，该产品采用渗碳后油淬火工艺，在回火后发现渗碳齿部有严重的贯穿型裂纹(见图2)。

Fy=Fnrcos θ+Fntsin θ-G=0

橡胶轮与台阶面的摩擦因数一般为μ=0.6，当Fnrμ≥Fnrt时，变形轮依靠摩擦力可以爬上去，由此得到θ≤31°。在实际情况下，变形轮上的橡胶轮带有纹路，实际爬楼梯过程不仅依靠摩擦力，还依靠轮胎纹理与台阶棱角的抓力，因此实际上在θ大于31°的情况下变形轮也可越障。本设计选用的圆轮直径为315 mm，此直径的圆轮经变形后形成的变形轮θ角最大为45°，最小，30°可以满足爬楼梯的要求。如果橡胶轮的表面呈沟壑状，理论上只要θ≤90°即可实现爬楼功能。

(1)

解得

 

(2)

  

图6 静态瞬时受力分析图

Fx=Fnrsin θ-Fntcos θ=0

2 变形轮有限元分析

机器人的变形轮是主要受力部位，易损坏，所以选择变形轮进行分析。轮弧由3部分组成，每部分结构相同，为简化模型则取其中一部分进行有限元分析。

由于社会环境的影响和不同学生价值观取向不同，也直接决定其个人行为方式的差异。近年来，随着社会主义改革事业的蓬勃发展，社会生产方式及社会利益结构也发生了巨大变化。此外，再加上当代大学生价值观取向的日渐实用化及价值评判标准的日渐多元化，使得当代大学生的择业观念也逐渐呈现出一系列全新特点。

节庆型滨水动态人文景观活动主要包括水上飘色、龙舟活动、各水神诞、行通济、水陆法会和中秋赏月等等活动。其中，（图3、表2）是对节庆型传统滨水动态人文景观活动的活动类型、活动时间、主要行为、主要载体及活动性质的初步总结。

  

图7 划分网格图图8 边界约束与施加载荷图

图9与图10是求解后的云应力图与变形图，从图9中可以看出，最大应力为13 MPa，ABS材料的抗拉强度在70～90 MPa，因此变形轮强度可以得到保证。

由图10知轮子的最大变形小于1 μm，该范围内的微小变形对精度要求不高的变形轮影响不大，其刚度符合要求。

二是融合推进招商引才。按照“虚拟机构、实体运作”模式，整合招商、引才、项目服务“三大功能”，成立招商引才局，对照“2+2”产业设立四大产业分局以及项目服务中心、人才服务中心，对全区产业规划、产业布局、人才政策统筹谋划、整体推进。推行“产业+科技+资本”的招商模式和“行业+部门+载体”的招商机制，推动招商引才局与各园区板块的深入融合，重点主攻高成长性项目、高层次领军型人才，总投资10亿元以上的华脉光电、马威电机、海龙电气等一批重点项目落户姜堰。

  

图9 变形轮的应力图图10 变形轮受力变形图

3 爬楼越障机器人运动分析

爬楼越障机器人任意曲线行走由自转、直线前进、圆弧前进共3组基本运动方式组成。

θ1和θ2由如下关系求得

 

(3)

M0=GL-T=0

 

(4)

 

(5)

(2)直线前进。机器人前进速度用V表示，则变形轮与车体的运动关系为

26岁的李斯，是楚国一个看守粮仓的小文书。粮囤附近有草苇围住的粪坑。李斯如厕时，见到枯瘦瑟缩又沾了粪的小耗子，他想：人生如鼠啊，不在仓就在厕。他不禁长叹：“一辈子有无出息，全看为自己找一个什么位置。”

由以上公式可推出，各个变形轮自转时的速度和方向。

将模型导入ANSYS中，设定单元类型、实常数和材料属性并划分网格，完成有限元模型的建立，如图7所示。外力施加在轮左侧圆弧面的边界处，设置为点力，X轴方向力为150 N，Y轴方向力为30 N，如图8所示。

V1=V2=V

(6)

由式(6)可以推导出，各变形轮速度相同。

(3)圆弧前进。机器人变形轮的圆弧半径用R表示，其角速度用ω表示，则变形轮与车体运动关系为

 

(7)

 

(8)

式中，θ1为X轴向和圆弧圆心与左轮连线的夹角；θ2为X轴向和圆弧圆心与右轮连线的夹角。

(1)机器人自转。机器人变形轮自转的角速度用β表示，其中，取逆时针方向为正方向，V1表示变形轮左轮的速度，V2表示变形轮右轮的速度，则其运动关系为

视频里，雪依然在下，有一群环卫工人正在奋力除雪，天蒙蒙亮，马路上有不少来往车辆徐徐前行。忽然，有人从一辆豪车里扔出包早餐的袋子。有一位环卫工人看见，赶紧扔下雪铲，跑过去捡拾。豪车不知为何停了下来，司机过了一会儿也下车了，那位环卫工人正在和他理论，司机似乎很激动，直接将环卫工人推搡在地。幸亏工友们及时阻止，将司机拉住。那位司机指着倒在地上的环卫工人骂了一会儿，驾车离去。

 

(9)

 

(10)

得到

 

(11)

 

(12)

根据以上公式计算，可以得出所有情况下各变形轮在二维平面中的速度。

爬楼梯是机器人的主要功能任务，而机器人重心是影响其攀越能力的重要因素，如图11所示，机器人重心为G，当机器人的重心G点高于前轮与地面接触点A时，则机器人可以稳定爬越楼梯。

田志芳一个人在地窝子里，看看头顶，看看脚下，一屁股坐在土台上，叹口气，心想姆妈拼死阻拦都没拦住她和哥哥，现在怪谁呢，自己跳起脚要支边。她垂下头，把手中的沙枣花捧起来瞧，带沙点的叶根处，确实有细小的花苞，同样泛出密密麻麻的沙尘，形如青色的米粒，一粒一粒挤在一起，好似家乡中秋的桂花。猜想，沙枣花开了，是不是真有桂花那样的千里香？

  

图11 机器人爬楼状态图

实现机器人任意行走的基本运动方式有直线前进、圆弧前进、自转。假设地面和车轮之间只发生纯滚动的作用，变形轮与车体运动具有相对应的关系，机器人小车可采用自转加圆弧前进或自转加直线前进等方式来实现任意曲线行走。

机器人的爬楼过程如图12所示，图12(a)、 图12(b)是小车爬楼的连续动作，在爬楼过程中，小车不断重复图12(a)～图12(d)的过程。

  

图12 机器人小车爬楼过程

4 样机制作与实验

在完成爬楼越障机器人的结构设计分析后，进行样机的制作与实验。为了验证爬楼越障机器人在不同复杂路况的越障性和机动性，在典型楼梯障碍等进行了实验，如图13所示。

实验结果表明，在越障时，机器人爬越障碍的最大高度为150 mm，在平坦路面具有较强的灵活性，且在沟壑地形环境中也具有较强的越障性能，爬楼越障机器人可以根据不同的路况来切换变形轮的形状，从而适应不同复杂地形。

  

图13 机器人越障试验

5 结论

提出一种可变形轮式爬楼越障机器人设计方案，该机器人可实现同一车轮的不同工作状态，在平整路面，通过车轮滚动实现机器人的快速移动；在遇到障碍或楼梯时，通过变形实现机器人的爬楼越障功能。通过实验验证了机器人具有较强的稳定性和越障性的能力。可应用于多种复杂地势环境，具有广阔的应用前景。

参考文献

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[2] 周琪涵， 郑嫦娥. 移动机器人的发展现状及其创新设计初探[J]. 科技风， 2013(8):58-60.

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