【摘 要】
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近年来,移动机器人产业发展迅猛。移动机器人在物流配送、迎宾迎客、安防巡检等多个领域以及抗击新冠肺炎疫情中崭露头角,显露出其广阔的市场前景。然而,以楼梯为代表的障碍,严重制约机器人在多楼层楼宇等非结构化环境中的应用。本文从移动机器人爬楼梯能力不足的痛点出发,针对当前各种不同构型的移动机器人在爬楼梯过程中的问题和需求,设计出一种能够自主攀爬不同尺寸和形态的楼梯的两轮摆锤式自调心爬楼梯机器人,对爬楼梯机
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近年来,移动机器人产业发展迅猛。移动机器人在物流配送、迎宾迎客、安防巡检等多个领域以及抗击新冠肺炎疫情中崭露头角,显露出其广阔的市场前景。然而,以楼梯为代表的障碍,严重制约机器人在多楼层楼宇等非结构化环境中的应用。本文从移动机器人爬楼梯能力不足的痛点出发,针对当前各种不同构型的移动机器人在爬楼梯过程中的问题和需求,设计出一种能够自主攀爬不同尺寸和形态的楼梯的两轮摆锤式自调心爬楼梯机器人,对爬楼梯机器人的机械结构、运动步态,运动学和动力学模型等关键问题进行研究,并在斜坡、不同种类的楼梯以及多楼层环境内对机器人进行试验。本文主要研究内容和取得成果如下:（1）通过对国内外爬楼梯机器人不同方案的分析和研究,设计了两轮摆锤式自调心爬楼梯机器人“2R”构型。机器人通过利用爬楼梯和走平地中的受力不同,自主调节重心位置,并在每级楼梯进行“复位”动作修正误差,从而完成自适应循环爬楼梯动作。（2）针对基础“2R”构型爬楼梯高度不足的问题,详细分析了该型机器人爬楼梯的原理及临界状态,从而对该构型的不足进行针对性改进,设计出爬楼梯机器人的“4R+2P”构型及“靠抬放收”四步循环爬楼梯步态。（3）针对机器人对爬楼梯、爬斜坡等性能指标,结合机器人的机构和爬楼梯运动过程,深入研究了机器人打滑、翻倒、复位、越障四种状态的临界条件,建立了约束方程组,并制定了机器人的各项性能参数。（4）对机器人的爬楼梯运动规律进行了深入研究,利用D-H建模法和拉格朗日方程法建立了机器人的运动学和动力学模型,并以此为基础,结合机器人爬楼梯过程的特点,利用ADAMS动力学仿真软件进行“靠抬放收”爬楼梯步态的动力学仿真实验,并以仿真结果为基础对运动控制器进行了相应改进。（5）以前文为理论指导搭建出机器人的工程样机,并进行了斜坡攀爬、直楼梯和旋转楼梯攀爬、下楼梯、稳定性和多楼层自主导航试验。试验结果表明该型机器人能够在不检测外界环境的条件下自主完成上下不同尺寸和形态的楼梯且运动过程安全稳定,并能够结合导航系统,在楼宇环境内完成自主导航任务。
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