双足爬楼梯型是间歇型中的重点研究方向。双足爬楼梯型高度仿生人体双腿,一般用于双足步行机器人。1967年加藤一郎在日本早稻田大学以人体腿足结构为基础研发出了机器下肢WL1。机器下肢WL1的研究奠定了双足运动机构的研究基础,从此日本和美国的学者纷纷投入到此领域的研究中。2006年4月底早稻田大学理工学术院教授高西淳夫研究室和日本机器人开发风险企业Tmsuk公司共同研制出了坐上人以后能够在台阶或室外坑洼之处行走的双足行走机器人“WL-16RIII(WasedaLeg-No。16RefinedIII)”如图1-3(1)(2)。WL-16RIII的爬楼梯执行机构为两条机械腿足,两条机械腿足支撑载人座椅。由于WL-16RIII每条机械腿足有6个自由度,因此可实现向前、后、侧面的运动,使爬楼梯运动很灵巧。WL-16RIII通过机械腿足上的压力传感器和中心部的陀螺仪来调整姿态保持平稳。2007年3月中旬,早稻田大学又推出了功能和稳定性上相对WL-16III进一步加强的载人机器人WL-16IV。文献综述
图1-3双足行走机器人WL-16RIII
丰田公司研制了腿型间歇性爬楼梯设备iFoot,如图所示。iFoot的“腿”和人体腿部结构十分相近,能够较为顺畅的实现平地行走和爬楼梯功能。两条“腿”支撑一个载人座椅,人坐在座椅内可轻松地实现对iFoot双“腿”的控制,这对残疾人真是一种福音。iFoot操控性强,智能程度高,整体设计简约流畅。日本本田技研工业株式会社研制的仿人机器人ASIMO是至今极先进的仿人行走机器人,如图所示。丰田公司在机器人ASIMO的脚上装有一个6轴力传感器,通过这个传感器监测ASIMO行走时每步的稳定性。机器人上装有加速度传感器和陀螺仪,大大提高了运动的稳定性。独特的数学算法使ASIMO上下楼梯平稳、顺畅。ASIMO上楼梯时脚部内侧不紧贴地面、
图1-5丰田ASIMO
脚趾比楼梯台阶边缘线向前伸出少许,丰田公司的工程使ASIMO通过这样的站立方式来探测出楼梯台阶边缘线。在这一状态下,ASIMO通过脚部的压力传感器进行压力分布测量,预先测出楼梯台阶边缘线的位置。ASIMO通过同样的方式也可实现下楼梯时对楼梯台阶边缘线的预测。工程师给ASIMO的控制系统内输入了只起到辅助指导作用的楼梯大致高度,楼梯的位置预测最终是通过ASIMO足底的传感器来确认的。ASIMO作为目前高端的机器人,其运动功能非常强大,除了能够顺畅的上下楼梯,还能在倾斜的坡面上转弯。ASIMO在倾斜的坡面上转弯时,每一个运动状态都需要变换姿势,并改变与ZMP的关系,因此坡面转弯运动比上下楼梯更为复杂。
以机器人为代表的间歇型爬楼梯设备单台造价极高,控制系统还不够成熟,很多还在试验阶段,国内由于技术水平的限制,和国外有很大差距,因此目前很难在市场上推广。
二.连续型
连续型上下楼梯装置又可分为履带式、复合式、行星轮式等多种类型。
(1)履带式
履带机构经过埃奇沃思、巴特尔、霍尔特、戴维·罗伯茨等人的发明改良日趋完善,今天广泛应用于军事领域。履带式爬楼梯设备的履带机构原理和军事领域的坦克、装甲车的履带原理是十分相近的,目前技术比较成熟。履带式机构支撑面积大,下陷度小,通过性能好,地形适应能力较强,爬坡、越沟等性能均优于轮式机构[7-9]。履带式爬楼梯设备平地越障能力较强,适应任何尺寸的楼梯建筑,由于履带直接和台阶沿线接触,运动十分平稳。主要的研发公司和科研机构有英的Baronmead公司,法国的Topchair公司,日本SunwaeCDM-2公司,日本长崎大学等。如图1-6所示,分别是意大利生产的TO9型履带式爬楼梯运输车,中国生产的履带式爬楼梯运输车“仁和RH-11B”,中国生产的履带式爬楼梯运输设备“八哥BG1210”,法国生产的履带式爬楼梯设备“悍马-H8”。