CN104973151A - 一种微小型自主上下楼梯机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型自主上下楼梯机器人，属于侦查和搜救的技术领域，包括：履带式移动底盘、爬楼梯支架组件和控制组件；所述履带式移动底盘实现机器人在平地上的行驶；所述爬楼梯支架组件实现履带式移动底盘的上升和下降及履带式移动底盘相对于爬楼梯支架组件的水平移动；所述控制组件实现对履带式移动底盘和爬楼梯支架组件的运动控制及对履带式移动底盘和爬楼梯支架组件相对于台阶的位置检测；本发明以自主方式实现上下楼梯功能；该机器人在现有小型履带式机器人底盘基础上，增加爬楼梯支架组件，借助爬楼梯支架组件实现机器人底盘向上抬升、向前推送至台阶平面、支架收回等动作，这种结构及动作方案使小型履带机器人具备上下楼梯功能。

Description

一种微小型自主上下楼梯机器人

技术领域

本发明属于侦查和搜救的技术领域，具体涉及一种以底盘向上抬升、向前推送的方式爬楼梯的微小型自主上下楼梯机器人。

背景技术

微小型地面移动机器人由于其能在复杂、狭窄、危险的区域工作，被广泛应用于侦查、搜救、反恐等领域。目前，微小型地面移动机器人的主要工作模式是操作者将机器人放置或投至目标附近，通过遥控的工作方式执行任务。便携性和越障性能是微小型地面移动机器人的重要指标，因此在此类机器人设计过程中，对机器人体积、重量及机构设计提出了严格要求。

目前，微小型地面移动机器人一般具有便于携带的特点，其中一些微小型地面移动机器人具有一定的越障性能，但均不能攀越楼梯等大尺寸、连续障碍。在城市环境中，楼梯是一种常见的障碍，通常情况下目标所在楼层是不确定，因此需要微小型地面移动机器人具备上下楼梯功能，从而进行多楼层执行任务。小型机器人为了实现爬楼梯功能通常动作较复杂，采用手动遥控的方式执行爬楼梯动作效率较低，因此需机器人能够以自主方式上下楼梯。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种微小型自主上下楼梯机器人，能够以自主方式实现上下楼梯功能；该机器人在现有小型履带式机器人底盘基础上，增加爬楼梯支架组件，借助爬楼梯支架组件实现机器人底盘向上抬升、向前推送至台阶平面、支架收回等动作，这种结构及动作方案使小型履带机器人具备上下楼梯功能；

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种微小型自主上下楼梯机器人，包括：履带式移动底盘、爬楼梯支架组件和控制组件；

所述履带式移动底盘实现机器人在平地上的行驶；

所述爬楼梯支架组件实现履带式移动底盘的上升和下降及履带式移动底盘相对于爬楼梯支架组件的水平移动；

所述控制组件实现对履带式移动底盘和爬楼梯支架组件的运动控制及对履带式移动底盘和爬楼梯支架组件相对于台阶的位置检测。

进一步的，所述履带式移动底盘包括：上盖板、下壳体、履带轮、轮轴、履带、行驶电机、行驶齿轮及底座；

所述下壳体为一端开放的柱形壳体；

所述轮轴的末端固定有齿轮；

四个履带轮分别通过轮轴对称安装在下壳体的两侧；两个履带分别安装在同侧的两个履带轮上；两个行驶电机分别通过底座固定在下壳体的内底面，行驶齿轮分别固定在行驶电机的输出轴上，且行驶齿轮分别与两个轮轴末端的齿轮啮合，所述两个轮轴分别位于下壳体的两侧；行驶电机通过行驶齿轮及轮轴带动履带轮转动，从而带动履带运动，实现机器人的平地移动；上盖板固定在下壳体的开放端。

进一步的，所述爬楼梯支架组件包括：升降杆、横梁、纵梁、联接杆、滚珠丝杠、丝杠螺母、推送电机、螺母座、联接块、升降电机、升降齿轮及齿条；

两根升降杆通过联接杆固定连接为龙门架，齿条分别固定在升降杆上，横梁的两端分别与两根升降杆活动连接，升降电机固定在横梁上，升降齿轮分别固定在升降电机的输出轴上，并与升降杆上的齿条啮合，实现横梁沿升降杆的上下移动；纵梁固定在横梁上，且纵梁与横梁及升降杆均垂直；

螺母座通过联接块固定在小型履带式移动底盘的上盖板上，丝杠螺母安装在螺母座上，滚珠丝杠与丝杠螺母螺纹配合后，滚珠丝杠安装在纵梁上，且滚珠丝杠的轴向与纵梁的长度方向一致，推送电机固定在纵梁的端面，推送电机的输出轴与滚珠丝杠固定连接。

进一步的，所述爬楼梯支架组件还包括：弹簧片及卡榫；所述升降杆上开有与卡榫相配合的凹槽；卡榫固定在弹簧片的一端，弹簧片的另一端固定在横梁的端部，横梁通过卡榫与升降杆凹槽的配合进行限位。

进一步的，所述控制组件包括：摄像头、红外测距传感器、电源、电路板、数据传输模块、视频模块及天线；

摄像头安装在下壳体靠近前进方向的侧面，红外测距传感器分别安装在下壳体靠近前进方向的侧面和下壳体的外底面；天线安装在下壳体远离前进方向的侧面；电源、电路板、数据传输模块及视频模块均固定在下壳体上。

进一步的，所述摄像头和红外测距传感器组成外部信息采集系统；外部信息采集系统用来采集履带式移动底盘运动时环境信息；摄像头用来采集履带式移动底盘运动前方的视频信息；红外测距传感器用于上下楼梯过程中，对履带式移动底盘的检测对正、判断是否到达台阶边缘以及台阶高度的测量；其中，安装于下壳体侧面的红外测距传感器用于测量履带式移动底盘距台阶竖直面的距离信息，安装于下壳体外底面的红外测距传感器用于测量履带式移动底盘距台阶水平面的距离信息。

进一步的，所述数据传输模块和视频模块组成无线通信系统；所述电路板上设有由数据处理模块、任务决策模块及运动控制模块组成的控制系统；所述天线用于将无线通信系统的信息传递给遥控终端。

进一步的，所述行驶电机、推送电机及升降电机均为带编码器的直流伺服电机，两个以上编码器组成内部信息采集系统；行驶电机、推送电机及升降电机组成执行机构；行驶电机用于履带式移动底盘的平地行驶，升降电机用于履带式移动底盘和爬楼梯支架组件的升降，推送电机用于将履带式移动底盘和爬楼梯支架组件向前或向后推送。

工作原理：当机器人在平地运动过程中，摄像头对环境信息进行采集，摄像头采集的视频信息通过无线通信系统传输至遥控终端，操作者根据采集的信息对机器人发送操作指令；操作指令通过无线传输系统传达至控制系统，进而控制执行机构实现机器人运动；

当机器人进行局部自主上下楼梯时，红外测距传感器将采集到的距离信息传至控制系统的数据处理模块，将处理后的距离信息传送到任务决策模块，根据所测距离信息判断履带式移动底盘与台阶的相对位置并生成运动指令，发送至运动控制模块，进而控制执行机构实现机器人运动；同时，执行机构的编码器采集的转速信息实时传输反馈至控制系统；进而控制执行机构的运动；

机器人上楼梯时，自主爬楼梯模式下，机器人借助安装于下壳体侧面的红外测距传感器测量距台阶竖直面的距离，趋近并对正台阶；而后升降电机工作，通过升降齿轮及齿条带动横梁沿升降杆向上移动，横梁通过纵梁及联接块带动履带式移动底盘向上抬升，该过程中安装于下壳体侧面的红外测距传感器不断探测距台阶竖直面的距离，当测得的距离至突然大于某指定限度时，可判断出履带式移动底盘上升至台阶高度，之后底盘继续上升，上升高度为履带式移动底盘厚度的一半，此时，履带式移动底盘的底面恰好与台阶水平面位于同一水平面上；升降电机停止旋转；推送电机工作，通过滚珠丝杠及丝杠螺母带动螺母座、联接块及履带式移动底盘沿纵梁向前移动，该过程中行驶电机带动履带轮缓慢旋转，使履带速度与履带式移动底盘向前推送速度相等，以保证履带接地段在台阶面上不发生相对滑动，直到履带式移动底盘被推送至纵梁前端，推送电机及行驶电机停止，此时机器人中心移至高一级台阶平面上；升降电机反向转动，将通过升降齿轮及齿条将升降杆提升，直到卡榫与升降杆凹槽的配合，对横梁进行限位；推动电机反方向旋转，通过滚珠丝杠及丝杠螺母带动纵梁向前移动，将爬楼支架收回至初始状，至此爬第级台阶结束；若攀爬第级台阶，则重复以上过程。

机器人下楼梯过程与上楼梯相反；机器人向后行驶，通过安装于下壳体外底面的红外测距传感器探测台阶边缘并执行对正动作，同时记录履带式移动底盘距下一级台阶平面的垂直距离；推送电机通过滚珠丝杠及丝杠螺母带动纵梁向后移动，将爬楼梯支架组件推送至最远端；升降电机工作，通过升降齿轮及齿条将升降杆下放至低一级台阶平面，下放距离与履带式移动底盘距下一级台阶平面的垂直距离相等；推送电机反方向旋转，通过滚珠丝杠及丝杠螺母带动履带式移动底盘向后移动，与此同时行驶电机工作，通过行驶齿轮带动履带轮向后旋转，使得履带运动速度与履带式移动底盘向后移动速度相等，以保证与履带接地段在台阶面上不发生相对滑动，直到履带式移动底盘移动至纵梁后端；升降电机工作，通过升降齿轮及齿条将履带式移动底盘下放至台阶平面，至此下级台阶过程结束；若下第级台阶，则重复以上过程。

有益效果：(1)本发明的机器人工作方式为遥控与局部自主相结合，平地运动过程中，由操作者根据摄像头采集的信息对履带式移动底盘进行遥控；在上下楼梯过程中，由机器人基于红外测距传感器及执行机构的编码器信息进行自主越障。

(2)本发明提供的微小型上下楼梯机器人，基于机器人较小的整体尺寸，增加爬楼梯支架组件，实现垂直上下楼梯动作方案，使得小型履带式机器人底盘实现攀爬大尺寸障碍的功能。

(3)本发明采用多个红外测距传感器探测距离，可判断履带式机器人底盘与台阶的相对位置、实现履带式机器人底盘对正功能并判断台阶高度，最终实现自主上下楼梯功能，保证运动可靠性并实现快速越障。

附图说明

图1为机器人整体结构图。

图2～3为履带式移动底盘结构图。

图4为爬楼梯支架组件结构图。

图5为机器人系统框图。

图6为机器人上楼梯过程图。

图7为机器人下楼梯过程图。

其中，1-上盖板，2-下壳体，3-履带轮，4-轮轴，5-履带，6-行驶电机，7-摄像头，8-红外测距传感器，9-行驶齿轮，10-底座，11-电源，12-电路板，13-数据传输模块，14-视频模块，15-天线，16-升降杆，17-横梁，18-纵梁，19-联接杆，20-滚珠丝杠，21-丝杠螺母，22-推送电机，23-螺母座，24-联接块，25-弹簧片，26-卡榫，27-齿条，28-升降电机，29-升降齿轮。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种微小型自主上下楼梯机器人，参见附图1，包括：履带式移动底盘、爬楼梯支架组件和控制组件；

参见附图2、3，所述履带式移动底盘包括：上盖板1、下壳体2、履带轮3、轮轴4、履带5、行驶电机6、行驶齿轮9及底座10；

所述下壳体2为一端开放的柱形壳体；

所述轮轴4的末端固定有齿轮；

四个履带轮3分别通过轮轴4对称安装在下壳体2的两侧；两个履带5分别安装在同侧的两个履带轮3上；两个行驶电机6分别通过底座10固定在下壳体2的内底面，行驶齿轮9分别固定在行驶电机6的输出轴上，且行驶齿轮9分别与两个轮轴4末端的齿轮啮合，所述两个轮轴4分别位于下壳体2的两侧；行驶电机6通过行驶齿轮9及轮轴4带动履带轮3转动，从而带动履带5运动，实现机器人的平地移动；上盖板1固定在下壳体2的开放端；

参见附图4，所述爬楼梯支架组件包括：升降杆16、横梁17、纵梁18、联接杆19、滚珠丝杠20、丝杠螺母21、推送电机22、螺母座23、联接块24、升降电机28、升降齿轮29、齿条27、弹簧片25及卡榫26；

所述升降杆16上开有与卡榫26相配合的凹槽；

两根升降杆16通过联接杆19固定连接为龙门架，两个齿条27分别固定在升降杆16上，横梁17的两端分别与两根升降杆16活动连接，两个升降电机28固定在横梁17上，两个升降齿轮29分别固定在升降电机28的输出轴上，并与升降杆16上的齿条27啮合，实现横梁17沿升降杆16的上下移动；两个弹簧片25的一端均固定有卡榫26，两个弹簧片25的另一端分别固定在横梁17的两端，横梁17通过卡榫26与升降杆16凹槽的配合进行限位；纵梁18通过螺钉固定在横梁17上，且纵梁18与横梁17及升降杆16均垂直；

螺母座23通过联接块24固定在小型履带式移动底盘的上盖板1上，丝杠螺母21安装在螺母座23上，滚珠丝杠20与丝杠螺母21螺纹配合后，滚珠丝杠20安装在纵梁18上，且滚珠丝杠20的轴向与纵梁18的长度方向一致，推送电机22固定在纵梁18的端面，推送电机22的输出轴与滚珠丝杠20固定连接；

所述控制组件包括：摄像头7、红外测距传感器8、电源11、电路板12、数据传输模块13、视频模块14及天线15；

摄像头7安装在下壳体2靠近前进方向的侧面，摄像头7在一定范围内上下转动，红外测距传感器8分别安装在下壳体2靠近前进方向的侧面和下壳体2的外底面；天线15安装在下壳体2远离前进方向的侧面；电源11、电路板12、数据传输模块13及视频模块14均固定在下壳体2上；

参见附图5，所述摄像头7和红外测距传感器8组成外部信息采集系统；外部信息采集系统用来采集履带式移动底盘运动时环境信息；摄像头7用来采集履带式移动底盘运动前方的视频信息；红外测距传感器8用于上下楼梯过程中，对履带式移动底盘的检测对正、判断是否到达台阶边缘以及台阶高度的测量；其中，安装于下壳体2侧面的红外测距传感器8用于测量履带式移动底盘距台阶竖直面的距离信息，安装于下壳体2外底面的红外测距传感器8用于测量履带式移动底盘距台阶水平面的距离信息；

所述数据传输模块13和视频模块14组成无线通信系统；

所述电路板12上设有由数据处理模块、任务决策模块及运动控制模块组成的控制系统；

所述行驶电机6、推送电机22及升降电机28均为带编码器的直流伺服电机，多个编码器组成内部信息采集系统；行驶电机6、推送电机22及升降电机28组成执行机构；行驶电机6用于履带式移动底盘的平地行驶，升降电机28用于履带式移动底盘和爬楼梯支架组件的升降，推送电机22用于将履带式移动底盘和爬楼梯支架组件向前或向后推送；

所述天线15用于将无线通信系统的信息传递给遥控终端；

所述电源11用于给摄像头7、红外测距传感器8、电路板12、数据传输模块13、视频模块14及执行机构供电。

工作原理：当机器人在平地运动过程中，摄像头7对环境信息进行采集，摄像头7采集的视频信息通过无线通信系统传输至遥控终端，操作者根据采集的信息对机器人发送操作指令；操作指令通过无线传输系统传达至控制系统，进而控制执行机构实现机器人运动；

当机器人进行局部自主上下楼梯时，红外测距传感器8将采集到的距离信息传至控制系统的数据处理模块，将处理后的距离信息传送到任务决策模块，根据所测距离信息判断履带式移动底盘与台阶的相对位置并生成运动指令，发送至运动控制模块，进而控制执行机构实现机器人运动；同时，执行机构的编码器采集的转速信息实时传输反馈至控制系统；进而控制执行机构的运动；

机器人上楼梯过程参见附图6，自主爬楼梯模式下，机器人借助安装于下壳体2侧面的红外测距传感器8测量距台阶竖直面的距离，趋近并对正台阶，如图6(a)所示；而后升降电机28工作，通过升降齿轮29及齿条27带动横梁17沿升降杆16向上移动，横梁17通过纵梁18及联接块24带动履带式移动底盘向上抬升，该过程中安装于下壳体2侧面的红外测距传感器8不断探测距台阶竖直面的距离，当测得的距离至突然大于某指定限度时，可判断出履带式移动底盘上升至台阶高度，之后底盘继续上升，上升高度为履带式移动底盘厚度的一半，此时，履带式移动底盘的底面恰好与台阶水平面位于同一水平面上；升降电机28停止旋转，如图6(b)所示；推送电机22工作，通过滚珠丝杠20及丝杠螺母21带动螺母座23、联接块24及履带式移动底盘沿纵梁18向前移动，该过程中行驶电机6带动履带轮3缓慢旋转，使履带5速度与履带式移动底盘向前推送速度相等，以保证履带接地段在台阶面上不发生相对滑动，直到履带式移动底盘被推送至纵梁18前端，推送电机22及行驶电机28停止，此时机器人中心移至高一级台阶平面上，如图6(c)所示；升降电机28反向转动，将通过升降齿轮29及齿条27将升降杆16提升，直到卡榫26与升降杆16凹槽的配合，对横梁17进行限位，如图6(d)所示；推动电机22反方向旋转，通过滚珠丝杠20及丝杠螺母21带动纵梁18向前移动，将爬楼支架收回至初始状态，如图6(e)所示，至此爬第1级台阶结束；若攀爬第2级台阶，则重复以上过程。

机器人下楼梯过程与上楼梯相反，参见附图7；机器人向后行驶，通过安装于下壳体2外底面的红外测距传感器8探测台阶边缘并执行对正动作，如图7(a)所示，同时记录履带式移动底盘距下一级台阶平面的垂直距离；推送电机22通过滚珠丝杠20及丝杠螺母21带动纵梁18向后移动，将爬楼梯支架组件推送至最远端，如图7(b)所示；升降电机28工作，通过升降齿轮29及齿条27将升降杆16下放至低一级台阶平面，下放距离与履带式移动底盘距下一级台阶平面的垂直距离相等，如图7(c)所示；推送电机22反方向旋转，通过滚珠丝杠20及丝杠螺母21带动履带式移动底盘向后移动，与此同时行驶电机6工作，通过行驶齿轮9带动履带轮3向后旋转，使得履带5运动速度与履带式移动底盘向后移动速度相等，以保证与履带接地段在台阶面上不发生相对滑动，直到履带式移动底盘移动至纵梁18后端，如图7(d)所示；升降电机28工作，通过升降齿轮29及齿条27将履带式移动底盘下放至台阶平面，如图7(e)所示，至此下1级台阶过程结束；若下第2级台阶，则重复以上过程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微小型自主上下楼梯机器人，其特征在于，包括：履带式移动底盘、爬楼梯支架组件和控制组件；

所述履带式移动底盘实现机器人在平地上的行驶；

所述爬楼梯支架组件实现履带式移动底盘的上升和下降及履带式移动底盘相对于爬楼梯支架组件的水平移动；

所述控制组件实现对履带式移动底盘和爬楼梯支架组件的运动控制及对履带式移动底盘和爬楼梯支架组件相对于台阶的位置检测。

2.如权利要求1所述的一种微小型自主上下楼梯机器人，其特征在于，所述履带式移动底盘包括：上盖板（1）、下壳体（2）、履带轮（3）、轮轴（4）、履带（5）、行驶电机（6）、行驶齿轮（9）及底座（10）；

所述下壳体（2）为一端开放的柱形壳体；

所述轮轴（4）的末端固定有齿轮；

四个履带轮（3）分别通过轮轴（4）对称安装在下壳体（2）的两侧；两个履带（5）分别安装在同侧的两个履带轮（3）上；两个行驶电机（6）分别通过底座（10）固定在下壳体（2）的内底面，行驶齿轮（9）分别固定在行驶电机（6）的输出轴上，且行驶齿轮（9）分别与两个轮轴（4）末端的齿轮啮合，所述两个轮轴（4）分别位于下壳体（2）的两侧；行驶电机（6）通过行驶齿轮（9）及轮轴（4）带动履带轮（3）转动，从而带动履带（5）运动，实现机器人的平地移动；上盖板（1）固定在下壳体（2）的开放端。

3.如权利要求1或2所述的一种微小型自主上下楼梯机器人，其特征在于，所述爬楼梯支架组件包括：升降杆（16）、横梁（17）、纵梁（18）、联接杆（19）、滚珠丝杠（20）、丝杠螺母（21）、推送电机（22）、螺母座（23）、联接块（24）、升降电机（28）、升降齿轮（29）及齿条（27）；

两根升降杆（16）通过联接杆（19）固定连接为龙门架，齿条（27）分别固定在升降杆（16）上，横梁（17）的两端分别与两根升降杆（16）活动连接，升降电机（28）固定在横梁（17）上，升降齿轮（29）分别固定在升降电机（28）的输出轴上，并与升降杆（16）上的齿条（27）啮合，实现横梁（17）沿升降杆（16）的上下移动；纵梁（18）固定在横梁（17）上，且纵梁（18）与横梁（17）及升降杆（16）均垂直；

螺母座（23）通过联接块（24）固定在小型履带式移动底盘的上盖板（1）上，丝杠螺母（21）安装在螺母座（23）上，滚珠丝杠（20）与丝杠螺母（21）螺纹配合后，滚珠丝杠（20）安装在纵梁（18）上，且滚珠丝杠（20）的轴向与纵梁（18）的长度方向一致，推送电机（22）固定在纵梁（18）的端面，推送电机（22）的输出轴与滚珠丝杠（20）固定连接。

4.如权利要求3所述的一种微小型自主上下楼梯机器人，其特征在于，所述爬楼梯支架组件还包括：弹簧片（25）及卡榫（26）；所述升降杆（16）上开有与卡榫（26）相配合的凹槽；卡榫（26）固定在弹簧片（25）的一端，弹簧片（25）的另一端固定在横梁（17）的端部，横梁（17）通过卡榫（26）与升降杆（16）凹槽的配合进行限位。

5.如权利要求1或2所述的一种微小型自主上下楼梯机器人，其特征在于，所述控制组件包括：摄像头（7）、红外测距传感器（8）、电源（11）、电路板（12）、数据传输模块（13）、视频模块（14）及天线（15）；

摄像头（7）安装在下壳体（2）靠近前进方向的侧面，红外测距传感器（8）分别安装在下壳体（2）靠近前进方向的侧面和下壳体（2）的外底面；天线（15）安装在下壳体（2）远离前进方向的侧面；电源（11）、电路板（12）、数据传输模块（13）及视频模块（14）均固定在下壳体（2）上。

6.如权利要求5所述的一种微小型自主上下楼梯机器人，其特征在于，所述摄像头（7）和红外测距传感器（8）组成外部信息采集系统；外部信息采集系统用来采集履带式移动底盘运动时环境信息；摄像头（7）用来采集履带式移动底盘运动前方的视频信息；红外测距传感器（8）用于上下楼梯过程中，对履带式移动底盘的检测对正、判断是否到达台阶边缘以及台阶高度的测量；其中，安装于下壳体（2）侧面的红外测距传感器（8）用于测量履带式移动底盘距台阶竖直面的距离信息，安装于下壳体（2）外底面的红外测距传感器（8）用于测量履带式移动底盘距台阶水平面的距离信息。

7.如权利要求5所述的一种微小型自主上下楼梯机器人，其特征在于，所述数据传输模块（13）和视频模块（14）组成无线通信系统；所述电路板（12）上设有由数据处理模块、任务决策模块及运动控制模块组成的控制系统；所述天线（15）用于将无线通信系统的信息传递给遥控终端。

8.如权利要求3所述的一种微小型自主上下楼梯机器人，其特征在于，所述行驶电机（6）、推送电机（22）及升降电机（28）均为带编码器的直流伺服电机，两个以上编码器组成内部信息采集系统；行驶电机（6）、推送电机（22）及升降电机（28）组成执行机构；行驶电机（6）用于履带式移动底盘的平地行驶，升降电机（28）用于履带式移动底盘和爬楼梯支架组件的升降，推送电机（22）用于将履带式移动底盘和爬楼梯支架组件向前或向后推送。