CN105234934A - 一种多级式机器人升降装置及升降方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多级式机器人升降装置，包括驱动模块以及若干级升降模块；各级升降模块包括传动机构以及卡销，所述传动机构包括导轨、传动带，所述导轨的上端和下端分别安装有顶滑轮和底滑轮，所述传动带环绕在所述顶滑轮和底滑轮上；所述卡销夹持所述传动带；各级升降模块中的第一级升降模块的传动机构与所述驱动模块连接，下一级升降模块的传动机构与上一级升降模块的传动带连接。本发明采用多级升降模块，各级升降模块采用传动带依次传动运行，各升降模块同时移动相同距离，有利于加快升降速度。

Description

一种多级式机器人升降装置及升降方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种多级式机器人升降装置及升降方法。

背景技术

工程机械中升降机构被广泛应用，重型机械的升降机构一般体积庞大、高精度控制困难，难以在中小型机器人设计中广泛应用。

中国发明专利文献CN102235840A《一种举靶机器人升降系统》阐述了一种采用弹簧管制材料的升降系统，其定位方式为开关定位，推动杆和接力柱相互作用完成升降功能，此种装置适用与打靶过程中靶标要么升起，要么收起的应用场景，靶标质量较轻采用相互内嵌套的弹簧管制材可以满足相应需求。此种方案不适用于通过中央控制器控制连续升降的应用场景，同时在负载较重时难以保证升降机构的稳定性。

中国发明专利文献CN104218486A《一种变电站绝缘柱清洁装置》公开了一种3级驱动的升降机构，每级升降机构有螺杆和驱动装置组成，各级之间采用滑套连接，这种装置需要多个电机驱动，对依赖电池供电的移动机器人的降低能耗和缩小体积设计产生不利影响。

中国发明专利申请CN104942826A《一种机器人升降装置及升降方法》中公开了一种采用拉绳加多级滑轨的机器人升降方案，该装置升降时为逐级升降，对拉绳要求较高，非常实用于较大型的机器人，对于小型伸缩距离较大的机器人其稳定性会减小，此外，该发明专利申请采用拉绳升降，拉绳既作为提升动力传递使用，也是各滑臂的承重绳，在升降过程，拉绳容易晃动，使得机器人升降不够稳当。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种多级式机器人升降装置，采用多级升降模块，各级升降模块采用传动带依次传动运行，各升降模块同时移动相同距离，有利于加快升降速度。

本发明提供的多级式机器人升降装置，其特征在于：包括驱动模块以及若干级升降模块；各级升降模块包括传动机构以及卡销，所述传动机构包括导轨、传动带，所述导轨的上端和下端分别安装有顶滑轮和底滑轮，所述传动带环绕在所述顶滑轮和底滑轮上；所述卡销夹持所述传动带；各级升降模块中的第一级升降模块的传动机构与所述驱动模块连接，下一级升降模块的传动机构与上一级升降模块的传动带连接。

本发明设计多级升降模块，各级升降模块采用传动带依次传动运行，驱动模块带动第一级升降模块升降单位距离时，其他各级升降模块同时运动单位距离，有利于加快升降速度，同时，各级升降模块分担机身质量，机身质量分布均匀，有利于升降运动的稳定性。各级升降模块完全收起时后级升降模块叠加到前级升降模块，使得完全收起时机身体积较小，方便产品的小型化。

为简化驱动模块结构，使得驱动简单可靠，本发明采用电机加丝杆的驱动方式，所述驱动模块包括电机驱动的丝杆、螺母传动体，所述螺母传动体套在所述丝杆上；各级升降模块中的第一级升降模块的传动机构与所述螺母传动体连接。电机驱动丝杆转动，螺母传动体在丝杠上升降，从而带到各级升降模块升降。驱动模块也可以采用其他方式，带动第一级升降模块升降即可，如驱动模块本身采用电机加传动带的方式，将第一级升降模块与传动带连接，类似于第二级升降模块与第一级升降模块的连接方式。

为确保丝杆动力传递的稳定，所述驱动模块还包括主导轨，该主导轨与所述丝杆平行设置；所述第一级升降模块的传动机构还包括滑块，该滑块可滑动地安装在所述主导轨上，所述滑块与所述第一级升降模块的传动机构连接，升降模块的质量更多地由主导轨承受。

第一级升降模块之外的其他各级升降模块的传动机构与上一级升降模块的传动带的连接点、该上一级升降模块的卡销与该上一级升降模块的传动带的夹持点，分别位于该上一级升降模块的导轨的两侧。如果两连接点位于导轨的同一侧，那么下一级升降模块在上一级升降模块传动带上的移动距离较短，缩短了机器人的升降距离。优选，当所述多级式机器人升降装置收起时，第一级升降模块之外的其他各级升降模块的传动机构与上一级升降模块的传动带的连接点靠近上一级升降模块的顶滑轮，上一级升降模块的卡销的夹持点靠近该级升降模块的底滑轮。

第一级升降模块的卡销的安装端安装在所述驱动模块上，其他各级升降模块的卡销的安装端安装在上一级升降模块的导轨的下端。驱动模块的丝杆的两端可分别安装在顶座和底座上，第一级升降模块的卡销的安装端安装在底座上即可，也可以将该卡销的安装端安装在主导轨的下端。

为确保传动带动力传递的稳定性，避免升降过程中出现晃动，第一级升降模块之外的其他各级升降模块的传动机构还包括滑块，所述滑块与本级升降模块的传动机构连接，其中，下一级升降模块的滑块可滑动地安装在上一级升降模块的导轨上，且该滑块还与上一级升降模块的传动带连接。

为便于整体结构布局，各级升降模块的传动机构还包括连接件，所述导轨的顶端安装在本级升降模块的连接件上；所述第一级升降模块通过连接件与所述驱动模块连接，其他各级升降模块的传动机构通过连接件与上一级升降模块的传动带连接。当驱动模块采用电机加丝杆的驱动方式时，第一级升降模块通过连接件与驱动模块的螺母传动体连接即可。

为便于整体结构布局，各级升降模块的传动机构还包括连接件，所述导轨的顶端安装在本级升降模块的连接件上；所述第一级升降模块通过连接件与所述驱动模块连接，其他各级升降模块的传动机构的连接件与本级升降模块的滑块连接。当驱动模块采用电机加丝杆的驱动方式时，第一级升降模块通过连接件与驱动模块的螺母传动体连接即可。

为使本发明收起时各级升降模块保持紧凑，实现装置小型化，各级升降模块的导轨与连接件交错连接，即，第一级升降模块的导轨安装在第一级升降模块的连接件的左端，第二级升降模块的导轨安装在第二级升降模块的连接件的右端，依此类推，收起时，各级升降模块的导轨交错，避免相互产生干涉。

本发明还提供一种多级式机器人升降方法：

需要下降时，启动电机带动丝杆转动，螺母传动体带动第一级升降模块向下移动；第一级升降模块下移过程中克服第一级升降模块的卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得第一级升降模块的传动带转动，传动带转动时带动第二级升降模块向下移动；第二级升降模块下移过程中克服第二级升降模块的卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得第二级升降模块的传动带转动，传动带转动时带动第三级升降模块向下移动；依此类推，倒数第二级升降模块下移过程中克服其卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得其传动带转动，传动带转动时带动最后一级升降模块向下移动；

需要上升时，启动电机带动丝杆转动，螺母传动体带动第一级升降模块向上移动；第一级升降模块上升过程中克服第一级升降模块的卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得第一级升降模块的传动带转动，传动带转动时带动第二级升降模块向上移动；第二级升降模块上升过程中克服第二级升降模块的卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得第二级升降模块的传动带转动，传动带转动时带动第三级升降模块向上移动；依此类推，倒数第二级升降模块上升过程中克服其卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得其传动带转动，传动带转动时带动最后一级升降模块向上移动。

本发明具有以下有益效果：(1)将整个机身结构分成若干级升降模块，各级升降模块采用传动带依次传动运行，驱动模块的丝杆带动螺母传动体移动单位距离时，各级升降模块同时移动单位距离，有利于加快升降速度；同时，机身质量均匀分布成各级升降模块，有利于升降过程中升降运动的稳定性。(2)采用电机加丝杆的驱动方式，驱动简单可靠。(3)完全收起时，后级升降模块叠加到前级升降模块，使得完全收起时机身体积较小，方便产品的小型化。(4)机器人完全收缩时，结构紧凑、体积小，升降机构结构简单，驱动控制便捷。(5)结构简单，伸缩比大，适用于机器人在垂直方向上大伸缩范围领域的应用，使得携带的检测设备能在较大范围内实施检测。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明驱动模块和第一级升降模块组合示意图；

图3为本发明第一级升降模块和第二级升降模块的组合示意图；

图4为图3的侧视图。

图中：101、驱动模块；111、驱动电机；112、丝杆；113、螺母传动件；114、底座；115、主导轨；116、顶座；102、第一级升降模块；121、第一级滑块；122、第一级导轨；123、第一级连接件；124、第一级顶滑轮；125、第一级传动带；126、第一级底滑轮；127，137，138、卡销；131、第二级滑块；132、第二级导轨；133、第二级连接件；134、第二级顶滑轮；135、第二级传动带；136、第二级底滑轮。

具体实施方式

图1展示的是五级机器人升降装置，包括驱动模块101、第一级升降模块102、第二级升降模块103、第三级升降模块104、第四级升降模块105、第五级升降模块106。

下面结合图2、3、4，详细阐述驱动模块101、各级升降模块的结构以及组合机构。

如图2所示，图2展示的是驱动模块101与第一级升降模块102的结构关系。驱动模块101包括驱动电机111、丝杆112、螺母传动体113、底座114、主导轨115以及顶座116。丝杆112、主导轨115的两端都分别安装在底座114、顶座116上，丝杆112与主导轨115平行，丝杠112在顶座116与底座114上可转动。驱动电机111安装在顶座116上，驱动电机111通过齿轮和同步带带动丝杠112转动。丝杆112的外周具有螺纹，螺母传动体113安装在丝杆112上，两者螺纹连接，丝杆112转动时，螺纹传动体113可在丝杠112上作上下移动。驱动模块也可以采用其他结构形式，如电机加传动带的方式，电机带动传动带在竖直方向上转动，将第一级升降模块安装在传动带上。

如图2、3、4所示，第一级升降模块102包括第一级滑块121、第一级导轨122、第一级连接件123、第一级顶滑轮124、第一级传动带125、第一级底滑轮126和卡销127。第一级连接件123与螺母传动体113固定连接，第一级滑块121套在主导轨115上并可在主导轨115上进行上下移动，第一级滑块121的背面固定在第一级连接件123的右端。第一级导轨122的顶端与第一级连接件123的左端固定连接，第一级导轨122的顶端、底端分别安装有第一级顶滑轮124、第一级底滑轮126，第一级传动带125套在第一级顶滑轮124与第一级底滑轮126上。卡销127的一端固定安装在主导轨115的底端，卡销127的另一端夹持第一级传动带125的下半带。当第一级升降模块102收起时，即图1、2所示状态，卡销127基本上夹持在第一级传动带125的下部，靠近第一级底滑轮126。

如图3、4所示，展示的是第一级升降模块102与第二级升降模块103的结构关系。第二级升降模块103包括第二级滑块131、第二级连接件133、第二级导轨132、第二级顶滑轮134、第二级传动带135、第二级底滑轮136以及卡销137。第二级滑块131套在第一级导轨122上并可在第一级导轨上作上下移动，第二级滑块131的背面固定连接第二级连接体133的左端，第二级滑块131的底面固定连接第一级传动带125，连接点靠近第一级顶滑轮124，第一级顶滑轮、第一级底滑轮将第一级传动带分成两个半带，第二级滑块与第一级传动带的连接点、卡销127与第一级传动带的夹持点分别位于这两个半带上，第二级滑块131在第一级导轨122上移动的动力来自于第一级传动带125。第二级导轨132的顶端与第二级连接件133的右端固定连接，第二级导轨132的顶端、底端分别安装第二级顶滑轮134和第二级底滑轮136，第二级传动带135套在第二级顶滑轮134与第二级底滑轮136上。卡销137的一端固定安装在第一级导轨122的底端，卡销137的另一端夹持第二级传动带的下半带。当第二级升降模块102收起时，即图3、4所示状态，卡销137基本上夹持在第二级传动带135的下部。

结合图2、3、4，第三级升降模块104、第四级升降模块105、第五级升降模块106的结构与第一级升降模块102、第二级升降模块103基本相同。例如，第三级升降模块104包括第三级滑块、第三级连接件、第三级导轨、第三级顶滑轮、第三级传动带、第三级底滑轮以及卡销138。第三级滑块套在第二级导轨上并可在第二级导轨上作上下移动，第三级滑块的背面固定连接第三级连接体的右端，第三级滑块的底面固定连接第二级传动带，第三级滑块在第二级导轨上移动的动力来自于第二级传动带。第三级导轨的顶端与第三级连接件的左端固定连接，第三级导轨的顶端、底端分别安装第三级顶滑轮和第三级底滑轮，第三级传动带套在第三级顶滑轮与第三级底滑轮上。卡销138的一端固定安装在第二级导轨的底端，卡销的另一端夹持第三级传动带的下半带。需要指出的是，如前文所述，第一级滑块121的背面固定在第一级连接件123的右端、第一级导轨122的顶端与第一级连接件123的左端固定连接，第二级滑块131的背面固定连接第二级连接体133的左端、第二级导轨132的顶端与第二级连接件133的右端固定连接，依此类推，第三级升降模块的第三级滑块的背面固定连接第三级连接体的右端、第三级导轨的顶端与第三级连接件的左端固定连接，第四级升降模块的第四级滑块的背面固定连接第四级连接体的左端、第四级导轨的顶端与第四级连接件的右端固定连接，第五级升降模块的第五级滑块的背面固定连接第五级连接体的右端、第五级导轨的顶端与第五级连接件的左端固定连接。这种左右交错安装的方式，使得各级升降模块收起时，依次整齐排列，整体结构非常紧凑，利于小型化设计(结合图1、3)。

在一些变劣的技术方案中，还可以将驱动模块中的主导轨去除，相应地，第一级升降模块中的第一级滑块也去除，螺母传动体带动第一级连接件移动，第一级升降模块的卡销的一端固定安装在底座上，此时，由于缺少主导轨的支撑，丝杆的动力传递有可能不稳定。第二级升降模块、第三级升降模块、第四级升降模块、第五级升降模块中的滑块也可以去除，以第二级升降模块为例，去除第二级滑块，此时，第二级连接件直接与第一级传动带连接，第一级传动带带动第二级连接件移动，相应地，由于缺少第一级导轨的支撑，第一级传动带的动力传递可能不稳定，同时，第二级升降模块在移动过程发生晃动的可能性较大。

还可以对技术方案作如下改进：去除各级升降模块的连接件，第一级升降模块的第一级滑块套在主导轨上的同时，第一级滑块还与螺母传动体、第一级导轨顶端连接，螺母传动体带动第一级滑块、进而带动第一级导轨移动。相应地，第二级升降模块的第二级滑块套在第一级导轨上，第二级滑块与第一级传动带连接的同时，还与第二级导轨顶端连接，第一级传动带带动第一级滑块、进而带动第二级导轨移动。依此类推，其他各级升降模块作相应的改动。

以下结合附图1-4详细阐述本发明的升降过程：

如图1所示，当五级机器人升降装置全部收起时，第一级升降模块102的卡销127夹持第一级传动带125的摩擦力与第二级升降模块103、第三级升降模块104、第四级升降模块105、第五级升降模块106的重力总和(为简化描述，未考虑各级升降模块上可能挂在的检测设备)，此时，第二级升降模块103、第三级升降模块104、第四级升降模块105、第五级升降模块106与第一级模块102之间保持静止。

1、驱动电机111带动丝杆112转动，使得螺母传动体113在丝杠112上向下移动：

(1)由于第一级连接件与螺母传动体连接，第一级连接件与第一级滑块连接，螺母传动体带动第一级连接件、进而带动第一级升降模块下移，第一级滑块在主导轨上下移，主导轨起到稳定传递丝杆动力的作用。第二级升降模块103、第三级升降模块104、第四级升降模块105、第五级升降模块106的重力总和与丝杆带动第一级升降模块下移的动力超过卡销127对第一级传动带夹持的摩擦力，从而使得第一级传动带克服卡销127摩擦力而发生转动。

(2)第二级滑块与第一级传动带连接，同时第二级滑块还与第二级连接件连接，第一级传动带带动第二级滑块、进而带动第二级升降模块下移，第二级滑块在第一级导轨上下移。第三级升降模块104、第四级升降模块105、第五级升降模块106的重力总和与第一级传动带下移的动力超过卡销137对第二级传动带夹持的摩擦力，从而使得第二级传动带克服卡销137摩擦力而发生转动。

(3)第三级滑块与第二级传动带连接，同时第三级滑块还与第三级连接件连接，第二级传动带带动第三级滑块、进而带动第三级升降模块下移，第三级滑块在第二级导轨上下移。依次类推，第三级传动带带动第四级滑块、进而带动第四级升降模块下移，第四级滑块在第三级导轨上下移；第四级传动带带动第五级滑块、进而带动第五级升降模块下移，第五级滑块在第四级导轨上下移。

2、驱动电机111带动丝杆112转动，使得螺母传动体113在丝杠112上向上移动：

(1)螺母传动体带动第一级连接件、进而带动第一级升降模块上移，第一级滑块在主导轨上上移。丝杆带动第一级升降模块下移的动力超过第二级升降模块103、第三级升降模块104、第四级升降模块105、第五级升降模块106的重力总和与卡销127对第一级传动带夹持的摩擦力之和，从而使得第一级传动带克服卡销127摩擦力而发生转动。

(2)第一级传动带带动第二级滑块、进而带动第二级升降模块上移，第二级滑块在第一级导轨上上移。第一级传动带下移的动力超过第三级升降模块104、第四级升降模块105、第五级升降模块106的重力总和与卡销137对第二级传动带夹持的摩擦力之和，从而使得第二级传动带克服卡销137摩擦力而发生转动。

(3)第二级传动带带动第三级滑块、进而带动第三级升降模块上移，第三级滑块在第二级导轨上上移。依次类推，第三级传动带带动第四级滑块、进而带动第四级升降模块上移，第四级滑块在第三级导轨上上移；第四级传动带带动第五级滑块、进而带动第五级升降模块上移，第五级滑块在第四级导轨上上移。

由于各级升降模块是联动的，当驱动模块带动第一级升降模块向上/下移动单位距离时，第二、三、四、五级升降模块均向上/下移动相同单位距离。

Claims (10)

1.一种多级式机器人升降装置，其特征在于：包括驱动模块以及若干级升降模块；各级升降模块包括传动机构以及卡销，所述传动机构包括导轨、传动带，所述导轨的上端和下端分别安装有顶滑轮和底滑轮，所述传动带环绕在所述顶滑轮和底滑轮上；所述卡销夹持所述传动带；各级升降模块中的第一级升降模块的传动机构与所述驱动模块连接，下一级升降模块的传动机构与上一级升降模块的传动带连接。

2.如权利要求1所述的多级式机器人升降装置，其特征在于：所述驱动模块包括电机驱动的丝杆、螺母传动体，所述螺母传动体套在所述丝杆上，各级升降模块中的第一级升降模块的传动机构与所述螺母传动体连接。

3.如权利要求2所述的多级式机器人升降装置，其特征在于：所述驱动模块还包括主导轨，该主导轨与所述丝杆平行设置；所述第一级升降模块的传动机构还包括滑块，该滑块可滑动地安装在所述主导轨上，所述滑块与所述第一级升降模块的传动机构连接。

4.如权利要求1所述的多级式机器人升降装置，其特征在于：第一级升降模块之外的其他各级升降模块的传动机构与上一级升降模块的传动带的连接点、该上一级升降模块的卡销与该上一级升降模块的传动带的夹持点，分别位于该上一级升降模块的导轨的两侧；其中，当所述多级式机器人升降装置收起时，所述连接点靠近上一级升降模块的顶滑轮，所述夹持点靠近该上一级升降模块的底滑轮。

5.如权利要求1所述的多级式机器人升降装置，其特征在于：第一级升降模块的卡销的安装端安装在所述驱动模块上，其他各级升降模块的卡销的安装端安装在上一级升降模块的导轨的下端。

6.如权利要求1-5任一权利要求所述的多级式机器人升降装置，其特征在于：第一级升降模块之外的其他各级升降模块的传动机构还包括滑块，所述滑块与本级升降模块的传动机构连接，其中，下一级升降模块的滑块可滑动地安装在上一级升降模块的导轨上，且该滑块还与上一级升降模块的传动带连接。

7.如权利要求6所述的多级式机器人升降装置，其特征在于：各级升降模块的传动机构还包括连接件，所述导轨的顶端安装在本级升降模块的连接件上；所述第一级升降模块通过连接件与所述驱动模块连接，其他各级升降模块的传动机构的连接件与本级升降模块的滑块连接。

8.如权利要求1-5任一权利要求所述的多级式机器人升降装置，其特征在于：各级升降模块的传动机构还包括连接件，所述导轨的顶端安装在本级升降模块的连接件上；所述第一级升降模块通过连接件与所述驱动模块连接，其他各级升降模块的传动机构通过连接件与上一级升降模块的传动带连接。

9.如权利要求8所述的多级式机器人升降装置，其特征在于：各级升降模块的导轨与连接件交错连接，即，第一级升降模块的导轨安装在第一级升降模块的连接件的左端，第二级升降模块的导轨安装在第二级升降模块的连接件的右端，依此类推。

10.一种多级式机器人升降方法，其特征在于：

需要下降时，启动电机带动丝杆转动，螺母传动体带动第一级升降模块向下移动；第一级升降模块下移过程中克服第一级升降模块的卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得第一级升降模块的传动带转动，传动带转动时带动第二级升降模块向下移动；第二级升降模块下移过程中克服第二级升降模块的卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得第二级升降模块的传动带转动，传动带转动时带动第三级升降模块向下移动；依此类推，倒数第二级升降模块下移过程中克服其卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得其传动带转动，传动带转动时带动最后一级升降模块向下移动；

需要上升时，启动电机带动丝杆转动，螺母传动体带动第一级升降模块向上移动；第一级升降模块上升过程中克服第一级升降模块的卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得第一级升降模块的传动带转动，传动带转动时带动第二级升降模块向上移动；第二级升降模块上升过程中克服第二级升降模块的卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得第二级升降模块的传动带转动，传动带转动时带动第三级升降模块向上移动；依此类推，倒数第二级升降模块上升过程中克服其卡销对其传动带的夹持摩擦力，使得其传动带转动，传动带转动时带动最后一级升降模块向上移动。