顧振超 常浩 竇巖 蔣鑫 沈永楠 張鳳草

(常熟理工學(xué)院 江蘇常熟 215500)

本文主要研究并解決在無(wú)電梯建筑樓道中重物的運(yùn)輸問(wèn)題，在現(xiàn)有爬樓機(jī)械裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良升級(jí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、安全化，減少人力搬運(yùn)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)，保證重物的完好性，利用智能手段提高運(yùn)輸效率，機(jī)器想要將貨物運(yùn)輸?shù)街付菍又恍枰谂c機(jī)器連接的電腦中輸入要到的樓層便可實(shí)現(xiàn)。

1 智能樓道運(yùn)輸機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 運(yùn)輸機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)連接

樓道機(jī)運(yùn)輸機(jī)器人包括殼體（受力部分）、鏈條、升降輪、載物箱、液壓伸縮桿、電子控制箱、連接板（滑槽，T型支撐桿）、連接軸、電機(jī)、主齒輪、支撐腳等部分，電機(jī)主軸連接大齒輪，大齒輪連接外部的鏈條，同時(shí)連接軸上連接支撐腳，保證爬樓過(guò)程平穩(wěn)。上部載物臺(tái)有四個(gè)液壓缸控制升降，底部安裝應(yīng)變片式壓電傳感器，檢測(cè)重量，確保載物臺(tái)加緊重物。

1.2 運(yùn)輸機(jī)器人上部載物臺(tái)的設(shè)計(jì)

貨物放入，電子控制箱內(nèi)部處理器檢測(cè)到重量并計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)，控制液壓桿調(diào)節(jié)合適的高度，使之受力最小，隨著樓層不斷升高，且伴隨一定的震動(dòng)通過(guò)電子控制箱的平衡器調(diào)整液壓桿的伸縮，防止機(jī)器的翻到，載物箱內(nèi)部柔軟材料，防止在運(yùn)輸過(guò)程損壞。

1.3 運(yùn)輸機(jī)器人下部底盤的設(shè)計(jì)

底座上下樓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的爬樓、下樓功能。上樓時(shí)兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)四個(gè)主齒輪運(yùn)行與部分鏈節(jié)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，外側(cè)連接板外邊設(shè)有滑槽，T型支撐桿底部沿著滑槽運(yùn)動(dòng)，其頂部的兩頭與支撐腳連接，支撐腳內(nèi)部中央的突起在安裝時(shí)插入外鏈兩側(cè)的孔中，所以電機(jī)帶動(dòng)齒輪帶動(dòng)鏈帶動(dòng)支撐腳從而實(shí)現(xiàn)爬樓運(yùn)動(dòng)，從而使得機(jī)器結(jié)構(gòu)緊密，運(yùn)動(dòng)效率高。下樓時(shí)只需一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)下樓。

1.4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)施方式

裝載貨物時(shí)，將貨物放到機(jī)器面前，開機(jī)，機(jī)器通過(guò)電子控制箱中感應(yīng)裝置檢測(cè)到貨物，并且控制液壓伸縮桿上升或下降達(dá)到合適高度，再由工作人員將貨物放平到載物箱中，貨物入箱，通過(guò)液壓伸縮桿感應(yīng)到的重量，傳入電子控制箱，再反饋到內(nèi)置系統(tǒng)中計(jì)算出托起貨物最省力時(shí)的力矩，控制液壓伸縮桿三桿的伸長(zhǎng)壓縮量達(dá)到所需要的力矩。在由工作人員將載物箱的兩側(cè)門鎖住防貨物滑落。

機(jī)器爬樓過(guò)程，首先通過(guò)芯片將行走路線傳入電子控制箱中，并控制行走方向，機(jī)器從開始按照路線行走，運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)帶動(dòng)主齒輪與鏈條形成傳動(dòng)，從而帶動(dòng)支撐腳運(yùn)動(dòng)，部分支撐腳登入階梯高層實(shí)現(xiàn)攀爬，部分支撐腳依舊的階梯底層起到支撐作用。在遇到樓層與樓層間的轉(zhuǎn)角時(shí)，電子控制箱中檢測(cè)器檢測(cè)到前方無(wú)臺(tái)階，控制升降輪放下，撐起機(jī)器從樓梯轉(zhuǎn)角過(guò)渡區(qū)爬上，完成下一步工作。到達(dá)地點(diǎn)后，電機(jī)停止，液壓伸縮桿下降，工作人員將貨物取下搬入屋中。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 樓道運(yùn)輸機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)整體控制有底部的控制箱進(jìn)行控制。電子控制箱內(nèi)部有微型處理器，檢測(cè)裝置，語(yǔ)音裝置，控制器，攝像頭等，由操作人員通過(guò)手機(jī)，發(fā)出信號(hào)電子控制箱接受控制器運(yùn)行啟動(dòng)電機(jī)。

控制箱在開機(jī)后開始工作，在搬運(yùn)的過(guò)程中，在上部載物臺(tái)下的設(shè)有應(yīng)變片式壓力傳感器, 在載物臺(tái)支撐腳底部貼有應(yīng)變片, 載物臺(tái)放入重物時(shí)會(huì)因?yàn)檩d物臺(tái)的傾斜角度和重力的作用往下移動(dòng), 最終移動(dòng)到處于最底部的應(yīng)變片上。通過(guò)橋式電路法測(cè)得應(yīng)變片阻值的，反饋至處理器，通過(guò)電阻值的變化確定上方重物重量，再次發(fā)出信號(hào)，傳遞至控制工作臺(tái)升降臺(tái)裝置，提升至合適高度。進(jìn)一步，信號(hào)控制載物臺(tái)控制四周擋板，加緊貨物。通過(guò)單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)連接可以通過(guò)手機(jī)中APP進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)。

圖1 智能樓道運(yùn)輸機(jī)器人示意圖

運(yùn)輸機(jī)器人的底盤在爬樓時(shí)由上拉電阻作為輸出端連接GPIO端口，單片機(jī)監(jiān)測(cè)相應(yīng)端口的電平，當(dāng)機(jī)器人在前進(jìn)攀爬，單片機(jī)測(cè)出高電平，從而對(duì)電機(jī)執(zhí)行控制動(dòng)作，促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)與前輪的轉(zhuǎn)軸的齒輪連接。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出軸的齒輪與轉(zhuǎn)軸嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鏈傳動(dòng)，從而帶動(dòng)支撐腳進(jìn)行攀爬運(yùn)動(dòng)。

在方向?qū)Ш降膽?yīng)用中,移動(dòng)物體需要對(duì)實(shí)時(shí)的航向數(shù)據(jù)與目標(biāo)之間的偏差E進(jìn)行糾正。對(duì)于處在樓梯面上,依靠面接觸的搬運(yùn)機(jī)器人底盤來(lái)說(shuō),建立精確的數(shù)學(xué)模型較為困難,無(wú)法抑制由于不穩(wěn)定因素所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差,抗抗干擾性差,而結(jié)合現(xiàn)代控制理論中的模糊自適應(yīng)控制,能夠在線識(shí)別姿態(tài)的特征參數(shù),實(shí)時(shí)改變控制策略,使參數(shù)保持在合理的范圍內(nèi)。抗干擾性差,而結(jié)合現(xiàn)代控制理論中的模糊自適應(yīng)控制,能夠在線識(shí)別姿態(tài)的特征參數(shù),實(shí)時(shí)改變控制策略,使參數(shù)保持在合理的范圍內(nèi)。

檢測(cè)裝置，檢測(cè)路況，當(dāng)有人通過(guò)時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，進(jìn)行減速，停止工作，發(fā)出信號(hào)給處理器，處理器輸出信號(hào)給語(yǔ)音裝置，語(yǔ)音提示讓行人先通過(guò)，防止誤傷。全程攝像頭時(shí)刻關(guān)注前方到路是否暢通，保證能夠正常前行。

在遇到樓層與樓層間的轉(zhuǎn)角時(shí)，控制箱中檢測(cè)器檢測(cè)到前方無(wú)臺(tái)階，檢測(cè)器發(fā)出電信號(hào)至處理器，處理器發(fā)出信號(hào)，控制升降輪放下，撐起機(jī)器從樓梯轉(zhuǎn)角過(guò)渡區(qū)爬上，完成下一步工作。到達(dá)地點(diǎn)后，電機(jī)停止，液壓伸縮桿下降，工作人員將貨物取下搬入屋中。

3 結(jié)語(yǔ)

如今的社會(huì)上，我們的社會(huì)上智能機(jī)器人行業(yè)已經(jīng)逐漸發(fā)展起來(lái)，傳統(tǒng)運(yùn)輸靠人力，存在著許多問(wèn)題，如今靠運(yùn)輸機(jī)器人，你可以輕松地將大部分物品，例如冰箱，洗衣機(jī)等偏重的物體輕松搬上樓和下樓，這樣可以節(jié)約很多時(shí)間，運(yùn)輸效率也提高了不少，對(duì)于解決樓道問(wèn)題有重大的意義。