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基于GE PAC的四轴运动控制系统设计 基于 GE PAC 运动 控制系统 设计

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CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY开题报告 设计题目：基于GE PAC的四轴运动平台系统设计 学生姓名： 何彬 学院名称： 机电工程学院 专业名称： 机械电子工程 班级名称： 机电1241班 学 号： 1202431110 指导教师： 张爽 教师职称: 副教授 学 历： 研究生 2016年 4 月 1 日 1. 课题论证 1.1 课题研究的目的与意义 该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。 本课题将设计综合机械加工站中的基于PAC控制的四周运动平台主体结构。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。 1.2文献综述（相关课题国内外研究的现状） 1.2.1 国内研究现状 进入市场经济后，国内机床行业竞争日趋激烈，与中捷摇臂钻厂生产相同型号产品的企业有40多家，中捷摇臂钻厂产品领先优势受到挑战。为了应对挑战，中捷摇臂钻厂在产品卖得正火的时候，提出了进行跨越产品结构调整。第一，用先进技术改造传统产品。如普通摇臂钻床实现了五轴联动，价格由几万元上升到几十万元，达到中国摇臂钻床最高水平。第二，向国际先进水平靠拢，不断扩大产品领先优势。ZK系列、桥式和动桥系列产品，十几项技术居国内领先地位。ZK3050获得自主知识产权，并成为国家重点新产品；Z3580A万向摇臂钻，在任何空间、任意方向、任意位置上实现钻削功能，不仅填补了国内空白，在国外也不多见。在国际著名的芝加哥机床展览会上，中捷摇臂钻厂参展产品被一位美籍华商相中并当场拉走。德国、意大利、西腊、瑞典、伊朗等国家和地区纷纷提出做中捷牌摇臂钻的代理经销商。在上海国际机床展览会上，沈阳机床股份有限公司参展的数控钻铣床，同时被国内三家企业看好。摇臂钻床和大多数机床一样，将向数控自动化、机电一体化和智能化方向发展。摇臂钻床未来的发展趋势是：应用电子计算机技术，简化机械结构，提高和扩大自动化工作的功能，使机床适应于纳入柔性制造系统工作；提高功率主运动和进给运动的速度，相应提高结构的动、静刚度以适应采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并发展超精密加工机床，以适应电子机械、航天等新兴工业的需要。 中国机床工业从1949年新中国成立后逐步发展起来，到现在已经走过60年的发展历程。中国的数控机床在近30年中，获得了技术和产量上的迅猛发展，并运用到各行业用户中。国内产品 从产量来看。2010年我国机床工具行业实现工业总产值5536.8亿元，同比增长40.6%；数控机床产量达到23.6万台，同比增长62.2%；2010年我国机床产值和数控机床产量均列世界第一位。整个“十一五”期间，在需求的拉动下，我国数控机床产量保持高速增长，年均复合增长率达到37.4%。2010年的增长数据意味着数控机床的发展已经步入新阶段。从技术发展水平来看。随着“高档数控机床与基础制造装备重大专项”重点任务陆续完成，我国国产机床数控化率由“十五”末的35.5%提高到“十一五”末的51.9%。我国在数控系统方面已经开发出多轴多通道、总线式高档数控装置产品。武汉华中数控股份有限公司、沈阳高精数控技术有限公司等单位已完成50多套开放式全数字高档数控装置的生产。国产数控机床产品覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域。特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域，部分技术已经达到世界先进水平。国产五轴联动数控机床品种日趋增多，五轴联动加工中心、五轴数控铣床、五轴龙门铣床、五轴落地铣镗床等均在国内研制成功，改变了国际强手对数控机床产业的垄断局面，加速了我国从机床生产大国走向机床制造强国的进程。从市场需求情况来看。目前中国是世界上最大的数控机床进口国和消费国，2010年，中国机床消费同比增长43%，达到284.8亿美元，进口约为94亿美元，中国成为世界第一大机床消费国。虽然“十一五”期间机床行业实现了较快发展，但高档数控机床产值仅约占金属加工机床行业产值的1015%，面对巨大的消费市场，国内机床生产企业的生产能力无法满足迅速膨胀的市场需求，多数高档数控机床产品仍需大量从国外进口。 1.2.2 国外研究现状四轴运动平台是典型的机电一体化数字装备，技术附加值高，应用范围广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。据外国专家预测，运动平台是继汽车、计算机之后出现的一种大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR)的统计，世界运动平台市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界运动平台产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入二十世纪九十年代，运动平台产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2004年增长率达到创纪录的20%。其中亚洲的运动平台增长幅度最为突出，高达43%。20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第台数控铣床问世至今已经历了50个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有1020万台，产值上百亿美元。 世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同，生产任务饱满。从世界工业经济的长期发展来看，纵观美洲、亚洲、欧洲等地的市场在数控车床领域的竞争可以说是相当激烈，在随着世界市场经济的变动以及各个国家的工业技术崛起，数控车床在20世纪80年代之后在国外的发展可以说是相当的迅猛，目前无论是国外还是国内，对于电子数控产业以及计算机技术的发展进步都非常快，这对带动数控车床的进步毫无疑问是起着至关重要的作用。也随着在近些年随着一些车床上下游用户的需求增多，全球机床生产市场较为发达的国家都相续推出了对于车床、机床的新技术以及新产品，主要的目的还是为了能在技术上领先一步抢占市场举高点，从而争取潜在的客户，在随着中国加入WTO之后，国外的一些竞争势力也会影响着中国机床产业的发展，这无疑也会对我国的车床发展起到一定的促进作用，对于增强各国的车床、数控车床的工业实力以及车床类产品的发展奠定了坚实的基础。 1.3课题研究的内容、总体方案及技术路线、进度安排等 1.3.1 设计内容主要完成机械结构部分设计。整机结构主要由电动机产生动力将需要的动力传递到带轮上，然后通过带轮传递到带轮，通过小齿轮再过渡到卷双联齿轮上，双联齿轮轴上装有钻头机构。同时本文对该方案运动平台关键零部件设计过程进行了详细阐述，其主要内容包括系统总体方案的设计、电动机的选择、执行机构的设计、传动零部件的设计、轴的设计与校核以及轴承的选择和数控程序设计等。 1.3.2 总体方案 主要由床身、工作台、钻头、主传动系统、电机等部分组成。可调式立式三轴钻床的设计需要完成可调式双头钻头的结构设计，传动系统变速箱的设计，传动系统驱动电机的选型，钻头轴向进给系统的设计，工作台的横向、纵向的进给系统的设计，GE PAC程序设计。 运动平台的主运动为旋转，由主电动机驱动，动力通过皮带轮传递给主轴箱,主轴箱是双轴钻床的主要驱动装置。主运动（旋转）及进给运动同时进行。主轴箱驱动轴的运转由主电机经过交换齿轮来驱动。 1.3.3 技术路线机械部分通过程序控制，由电机驱动在X,Y,Z三个方向进行灵活的轨迹移动，以及X轴方向的旋转。 控制器驱动器步进电机步进电机X向工作台驱动器Y向工作台步进电机驱动器Z向工作台电机驱动器 主轴运动平台控制系统图 1.3.4 进度计划 时间设计任务及要求 第1-2周(3.21-4.3)分析、查阅资料，熟悉设备技术要求、背景，学习与毕业设计相关知识，做好前期准备工作，撰写开题报告和外文翻译，准备开题报告答辩PPT。 第3-4周(4.4-4.17)进行XYZ轴各自由度的有关计算，确定电机，确定总体尺寸。 第5周(4.18-4.24)绘制运动平台机械部分草图，并询问老师。 第6-8周(4.25-5.15)电控设计 第9周(5.16-5.22)绘制一张0的电控接线图。 第10周(5.23-5.29)绘制A0顺序功能图。 第11周(5.30-6.5)手绘一张1的零件图。 第12周(6.6-6.12)整理编写设计说明书，交指导老师审定，制作答辩提纲，设计定稿，打印，准备毕业设计答辩。 第13周(6.13-6.17)进行毕业设计答辩。 1.4 注意存在的问题由于时间和资源问题，所收集研究的资料有限，同时在设计过程中对绘图软件应用不够熟练。设计各方面不能达到预期效果。 1.5 参考文献1 朱龙根 主编简明机械零件设计手册.(第二版)机械工业出版社，2005.8； 2 杨好学，互换性与技术测量 西安，西安电子科技大学出版社 2006.23 谭庆昌 赵洪志主编.机械设计.高等教育出版社，2004.7；4 吴宗泽 罗圣国主编.机械设计课程设计手册（第二版）.高等教育出版社，2003.5；5 毛谦徳 李振清主编.机械设计师手册（第二版）.机械工业出版社，2005.1；6 成大先主编.机械设计手册.单行本.轴及其联接.北京:化学工业出版社，2004.1；7 成大先主编.机械设计手册.单行本.机械制图、极限与配合.北京:化学工业出版社，2004.1；8 刘小年,郭克希主编.机械制图（机械类、近机类）.机械工业出版社，2004.10；9 ESTO自动化系统培训系统手册；10 GE 技术手册。11 刘鸿文. 材料力学M. 北京. 高等教育出版社. 2004.112 王永章. 数控技术M. 北京. 高等教育出版社. 2001.1213 周希章. 如何正确选用电动机M. 北京. 机械工业出版社. 2004.114 王淑英，电气控制与PLC应用 北京，机械工业出版社 2009.115 （美）克来格（Craig，J.J）.机器人学导论M. 机械工业出版社. 2006.616 Jan Wojciechowski, Przemyslaw Wygladacz. Some problems of designing the main drives of universal machine toolsJ, Archives of civil and mechanical engineering, 2006,6(4):6-1417 Gianni Ferretti, Francesco Lucchini, GianAntonio Magnani, Paolo Rocco. A mechatronic approach to the control of machine toolsJ, World Congress, 2005,16(1)2、答辩组论证结论（1）方案可行，技术路线清晰 （2）方案可行，技术路线基本清晰 （3）方案基本可行，技术路线不很清晰 （4）方案和技术路线不很清晰 （5）方案和技术路线不清晰 3、指导教师意见： 教研室主任意见：指导教师（签名）： 教研室主任（签名）：年 月 日 年 月 日注：(1) 开题报告是用文字体现的设计（论文）总构想，篇幅不必过大，但要把计划设计的课题、如何设计、理论依据和研究现状等主要问题说清楚；(2) 字数不少于3000字，参考文献不少于6篇，印刷字符在10万印刷符以上。CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕业设计任务书论文题目： 基于GE PAC的四轴运动平台系统设计 学生姓名： 何彬 学院名称： 长春工程学院 专业名称： 机械电子工程 班级名称： 机电1241 学 号： 1202431110 指导教师： 张 爽 教师职称: 副教授 学 历： 研究生 2016年03月21日长春工程学院毕业设计任务书 机电 学院 机械电子工程 专业 16 届 题 目基于GE PAC的四轴运动平台系统设计专业班级机电1241 学生姓名何彬指导老师张 爽任务书下发日期2016.03.21设计截止日期2016.06.17难度系数毕业设计（论文）的主要内容：完成基于GE PAC的四轴运动平台系统设计并三维建模。本次设计主要包括设计XYZ移动、绕Z轴转动的机械结构；确定驱动电机、减速机构、电控装置；选择检测元件；设计控制程序。主要技术参数：1. 工作台尺寸：300mm300mm；2. 工件尺寸：150mm150mm100mm；毕业设计（论文）的主要要求:完成工作量要求：3. A0装配图、零件图3张，主要传动部件机械结构三维数模，手绘1张A1图纸；4. 开题报告一份，字数不少于3000字；5. 设计说明书一份（按学院相关文件要求），字数1.5万字左右，并不少于30页；6. 提交外文专业资料复印件及中文译文打印件各一份，字数3000单词以上，并有明确的文献出处；7. 参考资料8篇以上，其中外文资料2篇以上；8. 所有设计资料电子版（光盘）一份。主要参考文献：1. 朱龙根 主编简明机械零件设计手册.(第二版)机械工业出版社，2005.8；2. 谭庆昌 赵洪志主编.机械设计.高等教育出版社，2004.7；3. 吴宗泽 罗圣国主编.机械设计课程设计手册（第二版）.高等教育出版社，2003.5；4. 毛谦徳 李振清主编.机械设计师手册（第二版）.机械工业出版社，2005.1；5. 成大先主编.机械设计手册.单行本.轴及其联接.北京:化学工业出版社，2004.1；6. 成大先主编.机械设计手册.单行本.机械制图、极限与配合.北京:化学工业出版社，2004.1；7. 刘小年,郭克希主编.机械制图（机械类、近机类）.机械工业出版社，2004.10；8. ESTO自动化系统培训系统手册；9. GE 技术手册。任务书编制教师（签章）： 年 月 日教研室审核意见:教研室主任(签章): 年 月 日学院审核意见:学院院长(签章): 年 月 日备注注：任务书中的数据、图表及其他文字说明可作为附件附在任务书后面，并在主要要求中标明：“见附件”长春工程学院2016 届毕业设计（论文）指导教师资格及题目审批表指导教师姓名张 爽所在单位机电工程学院 指导教师职称副教授 所学专业机械电子工程 设计（论文）题目基于GE PAC的四轴运动平台系统设计设计（论文）类型设计设计（论文）来 源科 研实验室建设论文工程生产自 拟题目真实性程度真实题目新旧新题难度等级难一般虚拟旧题较难设计（论文）地点校内设计（论文）时间自 03 月 21 日至 06 月 17 日校外题目概要设计（论文）的目的、可行性、技术路线等：设计目的：GE Fanuc系统集成实验室是我校重点实验室，该毕业设计主要完成机构设计和利用GE PAC 硬件设备进行程序设计并调试。可行性：该毕业设计题目所涉及到的主要知识已在机械设计制造及其自动化专业的学科基础课、专业课和专业特色课程中讲授，GE 实验室有自动化输送系统的实物可供设计时参考。技术路线：第一个部分是进行运动控制平台的结构设计，并三维建模； 第二个部分是控制控制程序的编制及调试。教研室意见：教研室主任签字：年 月 日学院审查意见：院长签字：年 月 日 备注：1.此表由拟担任毕业设计（论文）指导工作的教师填写，每个题目填报一张表，一式两份；2.部分分项填写时，只在对应项内打“”即可； 3.表中真实题目是指在学校、生产、科研及其它单位实际立项的课题。长春工程学院毕业设计（论文）开题报告审核表指导教师姓名张爽所在单位机电工程学院指导教师职称副教授所学专业机械电子工程学 生 姓 名何彬班 级机电1241班设计（论文）题目基于GE PAC的四轴运动平台系统设计指导教师审查意见指导教师签字： 年 月 日教研室审查意见 教研室主任签字：年 月 日学院审查意见院长签字：年 月 日ORIGINAL ARTICLEStudy on mobile mechanism of a climbing robot for stair cleaning:a translational locomotion mechanism and turning motionTakahisa KakudouKeigo WatanabeIsaku NagaiReceived: 31 March 2012/Accepted: 23 October 2012/Published online: 16 November 2012? ISAROB 2012AbstractInhumanlivingenvironments,itisoftenthecasethat the cleaning area is three-dimensional space such as ahigh-risebuilding.Anautonomouscleaningrobotisproposedsoastomoveonallfloorsincludingstairsinabuilding.Whena robot cleans in three-dimensional space, it needs to turn fordirectioninadditiontoclimbdownstairs.Theproposedrobotselectsmovementusinglegsorwheelsdependingonstairsorflat surfaces. In thispaper,a mobilemechanism and a controlmethod are described for translational locomotion. Thetranslational mechanism is based on using two-wheel-drivetype omni-directional mobile mechanism. To recognize astair using the position-sensitive detector, the robot shiftsfrom translational locomotion to climbing down motion oredge-following motion. It is shown that the proposed robotturns to face a stair with the accuracy of 5?.KeywordsCleaning robot ? Climbing robot ? Stair1 IntroductionRecently, various robots have been developed to supportand execute humans work in various fields. One of suchrobots is the autonomous cleaning robot 1. The automa-tion of cleaning by robots reduces labors and saves energyfor a cleaning task, so that there is an increasing need for itin large areas such as stations and airports.In human living environments, it is often the case that thecleaning area is a three-dimensional space such as a high-rise building. Considering cleaning in a three-dimensionalspace, the cleaning area includes the steps of stairs whichlead from one level of a building to another. However, manyof cleaning robots are not considered to move on placesbetween floors. Tajima et al. 2, 3, have developed arobotic system in which the cleaning robot cooperated withthe elevator to clean floors in a high-rise building. However,this system did not consider the cleaning of stairs. As aresult, a cleaning robot itself needs the ability to move onstairs for cleaning in a three-dimensional space. Also, theseveral types of climbing robots using crawlers, wheels andlegs were proposed to move on stairs 46. Those robotswere developed to move on stairs only for improvingtransfer performance of them in uneven surfaces andtransporting people or objects. Therefore, a climbing robotfor cleaning in a three-dimensional space needs to be able toturn itself and keep posture level on the tread board of stairs,as well as moving on stairs.The objective of this study is to develop a climbing robotthat can move on all floors including stairs in a building forautonomous cleaning in a three-dimensional space. Aclimbing robot has been already proposed, where itsstructure was divided into two mechanisms for climbingdown stairs and translational movement 7, 8. In this paper,a mobile mechanism and a control method are described fortranslational locomotion. The operational check of thetranslational mechanism was conducted by facing the robotto the edge of stairs using the position-sensitive detector(PSD).This work was presented in part at the 17th International Symposiumon Artificial Life and Robotics, Oita, Japan, January 1921, 2012.T. Kakudou (&) ? K. Watanabe ? I. NagaiDepartment of Intelligent Mechanical Systems, Graduate Schoolof Natural Sciences and Technology, Okayama University,3-1-1 Tsushima-naka, Kita-ku, Okayama 700-8530, Japane-mail: t.kakudouusm.sys.okayama-u.ac.jpK. Watanabee-mail: watanabesys.okayama-u.ac.jpI. Nagaie-mail: insys.okayama-u.ac.jp123Artif Life Robotics (2013) 17:400404DOI 10.1007/s10015-012-0071-zThe paper is organized as follows. The concept of thepresent climbing robot is described in Sect. 2. Section 3givesthe mobilemechanism fortranslationallocomotion.Inparticular, its mobile mechanism and controller designs aredescribed in detail. The locomotion of the robot on stairs,consisting of cleaning and shifting motion, is explained inSect. 4. Section 5 presents the way of recognizing a stairusing PSDs, together with showing some experimentalresults. Finally, some conclusions are given in Sect. 6.2 Concept of climbing robotIn this study, a climbing robot which can move on stairs isdeveloped to expand the range of moving for the cleaningrobot. The target stair is located in indoor environments andthe shape of its step is rectangular. A climbing robot climbsdown stairs, because the efficient cleaning is to clean fromthe upper floor to the lower floor. In addition, a climbingrobot for cleaning stairs needs to be able to turn for directionand keep posture level on the tread board of stairs, as well asclimb down stairs. Figure 1 shows the proposed climbingrobot whose structure is divided into two mechanisms forclimbing down stairs and translational locomotion. Thisrobot climbs down each step of stairs by its shape which is arectangular solid to fit the shape of step. The L-shaped legswhich are attached on the both sides of a body are used as aclimbing mechanism. The proposed robot climbs downstairs by rotating the body so that the top and bottom sidesof the body may be reversed using L-shaped legs with twodegrees-of-freedom. Also, the proposed robot turns fordirection by a translational locomotion mechanism withomni-directionalmobility.Atranslationallocomotionmechanism is discussed in detail in Sect. 3.3 Mobile mechanism for translational locomotionIt is assumed that the cleaning robot is used in an indoorenvironment that is flat such as wooden floor or tile floor.The robot performs translational locomotion using wheelsthat have high transfer efficiency. However, the robot maybe limited in motion by its corners colliding with the walland the riser of stairs when turning around, because theshape of the proposed robot is a rectangular solid as shownin previous sections. So omni-directional mobility isadopted to move and turn around keeping a posture.For some of omni-directional mobile mechanisms withwheels, there are mechanisms with omni-wheel, mecanumwheels, etc. Also this mechanism is attached to the top andbottom of the robot, because the robot climbs down stairs byrotatingthebodysothattheupperandlowersidesofbodymaybe reversed. To reduce the robot weight, it is desirable to usethe fewest possible actuators. Therefore, the mobile mecha-nism for translational mobility used an omni-directionalmobilemechanismwithtwo-wheel-drivesysteminthisstudy.3.1 Mobile mechanism designFigure 2 shows the proposed mechanism for translating onstair treads. The size of the mechanism is as follows: thewidth is 400 mm, the length is 250 mm, and the groundclearance is 20 mm. Its mechanism consists of four ball-casters and two driving wheels that are attached on a cir-cular plate with a joint.Then,itsmechanismisequippedwithPSDs andencodersas shown in Fig. 3. The PSD as the range sensor is used forthe robot to recognize stairs. Two PSDs are attached on bothends in the front side of the mobile mechanism for transla-tional locomotion. If the origin is set at the rotational axis,the positions of PSD 1 and PSD 2 arexpsd;?ypsd?andxpsd;ypsd?in an xy coordinate, respectively. On the otherhand, the encoders are used to control the velocity of therobot or measure the angle of the circular plate.3.2 Controller designCleaning robots keep the quality of cleaning constant bycontrolling the velocity of the robot. The velocity of theFig. 1 Outline of climbing robot for cleaning stairsFig. 2 Overview of translational mechanismArtif Life Robotics (2013) 17:400404401123robot is controlled using a PD controller with encoders tomeasure the rotation of wheels. Figure 4 shows the blockdiagram of the velocity control. The motors for the wheelcan take states such as, normal rotation, reverse rotation,stop and braking by sending the signal from the micro-computer SH7125 through a motor driver.4 Locomotion on stairsThe locomotion of the robot on stairs is assumed to consistof two motions, i.e., the cleaning motion and the shiftingmotion.4.1 Cleaning motionThe locomotion of commonly marketed cleaning robots isclassified into four basic motions such as, parallel, spiral,wall-reflection and wall-following motions. The parallelmotion is one of the more suitable motions for cleaningstairs, because the shape of step is a rectangular form thatmakes a path planning easy to make for cleaning. In thecleaning motion based on such parallel motion, the robotrepeats straight going and 90? turn, keeping the posture asshown in Fig. 5a.4.2 Shifting motionWhen the robot shifts from translational locomotion toclimbingdownmotionoredge-followingmotionthatmovestocleanalongthe edge ofstairs,it might falldown stairsdueto its posture. Some ball-casters of the robot fall down stairby design when the posture of the robot is inclined at morethan 10? over the edge of stairs. Also it is difficult for therobot to stop when the robot once starts falling in descentstair. Therefore, the robot turns to face the edge of stairwhenever stairs are recognized as shown in Fig. 5b.4.3 Kinematic model motionThe kinematic model of the mechanism for translationallocomotion is given by_ x_ y_h2435r2sinhcr2sinhcr2coshcr2coshcr2d?r2d2435_hR_hL?1where x and y are the position coordinates of the robot, hcis the rotated angle of a circular plate, hRand hLare the(a)(b)PSD 1Body plateCircular platePSD 2yxOcBody plateCircular plateRotational jointConnected partEncoderFig. 3 Design of a variety ofsensors a top view, b lateralviewMotor driverSH-7125MotorTargetvalueOutputvalueEncoder-+PWMVoltageFig. 4 Block diagram of velocity control(b)(a)Fig. 5 Translational locomotion on stairs a parallel motion to cleanstairs, b turning motion to face stairs402Artif Life Robotics (2013) 17:400404123rotational angles for the right and left wheels, r is the wheelradius, and 2d is the distance between wheels.5 Stair recognition using PSDThe robot recognizes stairs by discriminating a differencebetween the ground clearance and the rise of stairs using aPSD. The PSD outputs the value that converts a distance toan object into DC voltage. When a PSD value is less thanor equal to a threshold for discriminating stair and floor, therobot recognizes it as a stair, whereas the robot recognizesit as a floor, respectively.The robot turns to face the edge of stairs using twoPSDs. If anyone of PSDs recognizes a stair, the circularplate of the robot is rotated so that a reacted PSD is locatedon the wheel axis. Next the robot turns in direction, so theother PSD recognizes a stair. Finally, the robot stops if bothPSDs recognize stairs.Also, the robot turns as shown in Fig. 6, if the angularvelocities of inner and outer wheels have a relationship intheir turning radii such asvinvout?RinRout?2where vinand voutare the rotational velocities of the innerand outer wheels, and Rinand Routare the turning radii ofthe inner and outer wheels.5.1 Operational checkWe had conducted an operational check to verify theaccuracy of recognizing stairs using PSDs. The evaluationitem is the posture of the robot when it was turned to facestairs at a constant velocity of 150 mm/s from start angles,where the posture angle exceeded from the edge of stairswas assumed to be positive, whereas one under the edge ofstairs was assumed to be negative. Experimental conditionsare as follows: start angles were assumed to be 15?, 30?,45?, 60? and 75? as shown in Fig. 7. A rise is defined as180 mm in this study. A threshold for recognizing a stairwas decided as 80 mm, which is the mid-distance betweenthe rise of step and the ground clearance of the robot.Table 1 shows the posture angles of the robot, in whichthe robot faced the edge of stairs every start angle. Figure 8shows the average and standard deviation (SD) of postureangles every start angle.inRoutRpsdOinvoutvvFig. 6 Kinematic model of turning motionStart angleExceeded angleShortened angleEdgeFig. 7 Experimental conditionTable 1 Posture anglesStart angle (?)Posture angle (?)TrialsAverageSD12345150.4-0.30.50.3-0.20.140.33300.70.70.51.21.50.920.37453.03.53.24.03.03.340.38604.22.04.01.31.72.641.21754.13.82.52.02.02.880.90-1012341530456075Postur angle for step degStart angle degFig. 8 Average and SD of posture anglesArtif Life Robotics (2013) 17:4004044031235.2 ConsiderationIf the posture of the robot is inclined at more than 10? tothe edge of stair, anyone of ball-casters in front side fallsdown stair. The margin of error in the posture angle isdefined as 5? to shift from translational locomotion toclimbing down motion. As a result, the error in the postureangle was within 5?, and the largest value of SD was 1.2?after turning motion to face a stair. A relationship betweenthe angular velocity and the turning radius of the wheel wasvinffi0:42vout: This performed with an enough accuracybecause a relationship of them gave a close agreement withvin 0:43voutdefined by Eq. (2) in ideal condition.6 ConclusionA cleaning robot to climb down stairs has been developedfor cleaning a three-dimensional space. In particular,mobile mechanisms and a locomotion control method werepro