基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制方法研究

陳京邦，陳雨

1山東科技大學；2北京航空航天大學

基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制方法研究

陳京邦1，陳雨2

1山東科技大學；2北京航空航天大學

本文在簡要介紹了輪椅機器人的基礎上，重點針對基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制方法進行了研究，從幾何與靜力學模型的建立出發，在傾翻與滑移穩定性準則的基礎上，對以這一準則為依據的輪椅機器人的爬樓梯控制過程進行了研究，希望能夠為有關人員提供參考。

傾翻與滑移；穩定性準則；輪椅機器人；爬樓梯；控制方法

前言

輪椅是行動不便者的主要代步工具，傳統的輪椅設計存在一定的弱點與缺陷，即無法完成爬樓梯的過程，輪椅機器人的出現有效的解決了上述問題，使上下樓梯的過程成為了可能。受種種因素影響，當前輪椅機器人在爬樓梯的過程中還存在著側翻與滑移等現象，基于上述準則對其爬樓梯過程進行控制十分重要，這是提高輪椅機器人整體越障性能的基礎。

1 輪椅機器人概述

1.1 輪椅機器人

輪椅機器人即將機器人的設計準則應用到輪椅設計過程中，所形成的一種輪椅形成。相對于傳統輪椅而言，輪椅機器人具有較強的越障性能，能夠有效的完成上下樓梯的過程[1]。目前，輪椅機器人主要包括星型輪式、腿式以及履帶式三種。上述三種類型在爬樓梯的原理方面有所不同，同時各自存在著優勢以及缺陷。以前者為例，這一類型的輪椅機器人能夠十分順利的完成爬樓梯的過程，但舒適度方面卻無法得到很好的保證。整體上看，三種輪椅機器人中，以履帶式的性能最強，不僅能夠保證上下樓梯的順利性，同時還能夠使使用者的舒適程度得到提高。但需要注意的是，履帶式輪椅機器人在使用過程中十分容易發生側翻以及滑移的問題，因此有必要針對這一問題進行研究。

1.2 輪椅機器人爬樓梯過程

輪椅機器人的爬樓梯過程主要采用的是背向運動的方式，共分四步完成，在四步中，機器人的后擺臂會做出不同的動作，同時座椅也會根據后擺臂的動作在傾斜度方面做出相應的調整，以使使用者的身體能夠保持平衡[2]。通過兩者的互相配合，爬樓梯的動作便能夠順利的完成。

2 基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制方法

2.1 幾何模型與靜力學模型的建立

在對基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制方法進行研究的過程中，必須依靠相應的模型來實現，其中幾何模型以及靜力學模型屬于兩項重點，對此，有關人員一定要加以重視[3]。建立幾何模型的目的在于保證輪椅機器人能夠順利完成爬樓梯的過程，而不至于出現安全方面的問題。相對而言，建立靜力學模型的意義則在于合理的減緩輪椅的爬樓梯速度，進而使使用者的舒適度得到提高。

2.2 側翻與滑移穩定性準則

側翻與滑移穩定性準則的建立同樣十分重要，輪椅機器人爬樓梯共包括四個階段，每一階段的準則各不相同，對此，在對其爬樓梯控制方法進行研究的過程中，一定要從每一階段入手，建立不同的側翻與滑移穩定性準則，這一點十分重要。

2.3 基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制過程

基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制過程主要包括對驅動輪與后擺臂的控制以及對前擺臂的控制兩方面內容[4]。

首先，對驅動輪與后擺臂進行控制的目的在于使輪椅機器人的行走與變形的穩定程度得到保證，對此，需要通過在后擺臂上設置轉角傳感器來實現，傳感器能夠有效的測量輪椅的傾角，并在其與合理角度存在差距時，及時對其進行調整，以達到控制目的。

其次，對前擺臂進行控制的目的在于使履帶的緊張程度保持在合理的狀態。單獨的對力或位置的控制均存在一定的缺陷，因此無法有效的達到控制目的。通過設置傳感器的方式能夠使力與位置得到綜合的控制。這對于輪椅機器人爬樓梯安全性的保證具有重要價值。

3 控制效果驗證實驗

為確保上述控制過程能夠達到一定的控制效果，有關人員通過實驗的方式對其整體性能進行了研究。實驗中將履帶式輪椅機器人按照上述文章中所指出的方法對傳感器進行了安裝，同時對各方面參數進行了調整，選擇小區居民樓樓梯作為實驗樓梯，對輪椅機器人的爬樓梯過程進行了觀察，最終發現，在多次實驗中，并沒有出現側翻與滑移的現象，且據實驗人員描述，上下樓梯舒適程度較高，速度合理。因此可以認為，上述控制方法的實施能夠有效的達到提高履帶式輪椅機器人安全性的目的，同時還能夠為使用者帶來更加舒適的體驗，因此有必要將其投入到具體的使用過程中，以為行動不便者出行便利性的提高帶來更大的幫助。

結論

綜上，傳統輪椅無法完成爬樓梯的過程，輪椅機器人的出現能夠使上述問題得到解決，但以履帶式為主的輪椅機器人在爬樓梯過程中卻容易發生側翻與滑移現象。基于側翻與滑移準則的機器人控制方法的應用在解決上述問題方面具有較好的效果，在幾何模型以及靜力學模型的建立以及對傳感器的安裝下，前擺臂與后擺臂能夠實現協調運動，這對于輪椅機器人穩定性的提高以及舒適度的保證均能夠起到積極的促進作用。

[1]于蘇洋,王挺,王志東,王越超,姚辰.基于傾翻與滑移穩定性準則的輪椅機器人爬樓梯控制方法[J].儀器儀表學報,2014,03:676-684.

[2]饒偉,施家棟,王建中.關節式履帶機器人爬樓梯動態穩定性分析[J].機械工程學報,2014,15:60-67.

[3]李楠,王明輝,馬書根,李斌,王越超.基于聯合運動規劃的可變形履帶機器人在線翻越樓梯控制方法[J].機械工程學報,2012,01: 47-56.

[4]劉娟秀,吳益飛,郭健,陳慶偉.一種輪足式爬樓梯機器人的傾翻穩定性研究[J].南京理工大學學報,2015,06:643-649.

陳京邦（1990-），男，山東省昌邑人，研究生，山東科技大學，研究方向：機構創新與機器人技術。

陳京邦。