CN105835973B - 一种自适应楼梯楼道清扫机器人及其楼梯爬升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自适应楼梯爬升和清扫机器人，尤其涉及一种自适应楼梯楼道清扫机器人及其楼梯爬升方法。本发明利用斜向电动伸缩杆和垂直电动伸缩杆实现了对层积折叠机构的长度和宽度可调，从而适应不同高度、不同宽度的楼梯，应用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应楼梯爬升和清扫机器人，尤其涉及一种自适应楼梯楼道清扫机器人及其楼梯爬升方法。
背景技术
随着经济的发展，高楼大厦林立，各种高楼大厦、阶梯教室、以及相应的走梯等建筑越来越常见，因为当遇到停电或者灾害时，楼梯的作用非常重要，因此楼道清洁的工作明显增加，这方面的市场需求应运而生。另一方面，对于当前热门的楼道清扫机器人，对于楼梯的清理亦是一项艰难的任务。已走进人们日常生活的清洁机器人绝大多数只是针对室内平地或者楼道的清洁，当前，由于楼梯的高度、宽度不规则，因此对于研制通用的楼梯爬升机器人带来诸多挑战，因此有必要研究开发楼梯清洁机器人。
专利201410146501.0公布了一种平动旋转腿式楼梯清洁机器人及上下楼方法，包括：机身、对称分布在机身两侧的包括支撑腿与转臂的平动旋转腿机构、测距和接近传感器。上楼时，由支撑腿通过转臂撑起机身，平动旋转至上一级台阶，继续旋转转臂至支撑腿收回在机身两侧；下楼时，由机身通过旋转转臂带动支撑腿平动旋转至下一级台阶，将机身从当前台阶撑起，继续旋转转臂至机身回落在下一级台阶，且支撑腿收回在机身两侧。该发明的机器人及上下楼方法具有上下楼动作简洁高效，结构紧凑，便于在楼梯踏步面上来回清理，也兼顾了平地清扫功能，扩展了其应用范围。但是类似这种的专利的结构，如专利201520290572.8公布的一种梯级结构的楼梯清扫的保洁机器人等，只能适应特定的楼梯，且机器在楼梯爬升时，极易发生打滑情况，工作范围狭窄，效率低。
专利201410245199.4公布了一种楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡方法，包括机器人从楼梯到中间平台的过渡、楼梯中间平台的遍历、机器人从中间平台向下一层楼梯的过渡、机器人遇到障碍的处理等方法。其中楼梯中间平台的遍历采取迂回和犁式路径规划相结合的方法。该发明具有规划有规律，简单易实现，可保证清扫覆盖率，便于机器人确定已遍历完中间平台，以及确认往下的楼梯等优点，是保证机器人能够完成楼梯连续性清扫的必不可少的手段。但是类似额的发明，包括该发明只是简单的进行楼道清理，并没有实现针对楼梯进行清理的功能，不能很好的进行室内外的全面楼梯、楼道清理工作。
还有很多其它专利，诸如类似专利201410146295.3公布的一种楼道清洁机器人等，即使实现了楼梯的清理却无法实现楼梯的清理；或者只是实现了低效率楼梯的清理却不能实现楼道的清理工作，工作模式单一。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种由卡箍机构、层积折叠机构、清理机构、伸缩机构、横向移动机构、控制及动力系统组成的自适应楼梯楼道清扫机器人。该机器人结构巧妙、成本低廉、清扫范围广，既具有兼顾平地类型的楼道功能又具备清理不同高度、不同宽度类型的楼梯的功能，还涉及一种楼梯的爬升方法。
一种自适应楼梯楼道清扫机器人，包括卡箍机构1、层积折叠机构2、清理机构3、伸缩机构4、横向移动机构5、控制及动力系统6，所述卡箍机构1和清理机构3均安装在所述层积折叠机构2的外侧面，所述伸缩机构4安装在所述层积折叠机构3的两端，所述控制及动力系统6安装在所述层积折叠机构2的内部。所述层积折叠机构2中的前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23通过卡箍机构1结构实现卡位连接，并通过卡箍的抱紧和松弛实现前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23之间的相对连接。同时通过卡箍机构1中的卡箍齿轮17等结构实现层积折叠块的相对转动，从而模拟上下楼梯的动作。另外，清理机构3用以实现所述机器人在上下楼梯中的垃圾清理工作；伸缩机构4中则通过控制斜向电动伸缩杆41、伸缩本体42和垂直电动伸缩杆43的运动实现层积折叠块外界边缘转轴的长度伸缩，实现体积的变化，从而适应不同高度、不同宽度的楼梯。当机器人在进行楼道清理工作时，横向移动机构5中的横向移动伺服电机51可以直接驱动横向移动轮52横向运动，实现机器人的整体横向移动。最后所述控制及动力系统6为整套自适应楼梯楼道清扫机器人的控制核心，负责所有电气模块等的控制和驱动工作。
所述卡箍机构1包括：抱箍11、滚珠轴承12、卡箍转轴13、抱箍驱动减速电机14、抱箍驱动减速电机蜗杆15、抱箍涡轮16、卡箍齿轮17、卡箍电磁铁18、卡箍衔铁19。
所述层积折叠机构2包括：前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23。
所述清理机构3包括：吸尘机构31、清扫机构32、储物机构33。
所述伸缩机构4包括：斜向电动伸缩杆41、伸缩本体42，垂直电动伸缩杆43，万向轴44。
所述横向移动机构5包括：横向移动伺服电机51、横向移动轮52、纵向移动伺服电机53、纵向移动轮54。
所述控制及动力系统6包括：控制器61、锂离子电池62、抱箍驱动减速电机驱动器63、横向移动伺服电机驱动器64、纵向移动伺服电机驱动器65。
进一步的，所述卡箍机构1中抱箍11为两个接近半圆的扇形机构，末端互相咬合在一起并固定在卡箍转轴13上，抱箍11的顶端留有缺口，其它机构中的滚珠轴承12可以卡入抱箍11中。卡箍齿轮17固定在卡箍转轴13上，抱箍驱动减速电机14在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23中均有设置并固定，抱箍驱动减速电机蜗杆15套在抱箍驱动减速电机14并且和抱箍涡轮16进行齿轮啮合，同时抱箍涡轮16穿在卡箍转轴13上。另外，卡箍齿轮17也穿在卡箍转轴13，并且卡箍齿轮17设置在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23的横向的四条边缘轴上。卡箍电磁铁18安装固定在卡箍机构1中的抱箍11的缺口一端处，且卡箍衔铁19安装固定在卡箍机构1中的抱箍11的缺口另一端处，通过卡箍电磁铁18的通电，可以实现对卡箍衔铁19的吸引，继而实现对抱箍11的闭合，当其它机构中的滚珠轴承12卡入抱箍11中时，若卡箍电磁铁18处于得电状态，则滚珠轴承12无法脱离闭合的抱箍11；反之，若卡箍电磁铁18处于失电状态，则滚珠轴承12可以脱离抱箍11。
进一步的，层积折叠机构2中的前层积折叠块21、中层积折叠块22和后层积折叠块23，均为方形结构，每个模块具有6条边，其中的横向四条边由四个斜向电动伸缩杆41通过伸缩本体42连接，四个中的两个斜向电动伸缩杆41的末端分别直接连接，形成两对整体斜向电动伸缩杆41，然后这两对体斜向电动伸缩杆41由万向轴44连接，且这两对体斜向电动伸缩杆41垂直电动伸缩杆43连接。而且卡箍转轴13固定在由四个斜向电动伸缩杆41通过伸缩本体42连接的四个顶点的中心处，组成一个横向的四边实体立方体。上述结构的效果为：由于四个斜向电动伸缩杆41通过伸缩本体42连接，且伸缩本体42向外，因此由这四个斜向电动伸缩杆41通过伸缩本体42连接而成的四方实体可以通过斜向电动伸缩杆41的伸缩改变四方实体的体积，即每条边的相对宽度，这样可以适应不同宽度、不同高度的楼梯。
进一步的，清理机构3中吸尘机构31和清扫机构32均在前层积折叠块21，中层积折叠块22和后层积折叠块23中的每一个机构的横向截面有安装，共计12个；储物机构33在前层积折叠块21，中层积折叠块22和后层积折叠块23中各安装1个，共计3个。
进一步的，横向移动机构5中的横向移动伺服电机51可以直接驱动横向移动轮52横向运动，实现机器人的整体横向移动；横向移动机构5中的纵向移动伺服电机53可以直接驱动纵向移动轮54纵向运动，实现机器人的整体纵向移动。
上述机构中，优选的是：当机器人在进行楼道或较大平整面积的地面清理工作时，横向移动机构5中的纵向移动伺服电机53可以直接驱动纵向移动轮54纵向运动，实现机器人的整体纵向移动；同时，横向移动机构5中的横向移动伺服电机51可以直接驱动横向移动轮52横向运动，实现机器人的整体横向移动。即：此时的机器人在楼道等大面积平地工作是，运动方向自由。
上述机构中，优选的是：当机器人在进行楼道清理工作时，横向移动机构5中的横向移动伺服电机51可以直接驱动横向移动轮52横向运动，实现机器人的整体横向移动。但是，横向移动机构5中的纵向移动伺服电机53一般并不直接驱动纵向移动轮54纵向运动。因为该机构中，通过控制斜向电动伸缩杆41、伸缩本体42和垂直电动伸缩杆43的运动实现前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23外界边缘转轴的长度伸缩，实现体积的变化，从而适应不同高度、不同宽度的楼梯。
更进一步的，控制及动力系统6中的控制器61为机器人的心脏，负责机器人的整体电气控制和信息融合；锂离子电池62为机器人提供动力；抱箍驱动减速电机驱动器63负责接收控制器61的指令并驱动抱箍驱动减速电机14转动；横向移动伺服电机驱动器64负责驱动横向移动伺服电机51转动；纵向移动伺服电机驱动器65负责驱动纵向移动伺服电机53转动。
最后，本发明不仅提出了一种自适应楼梯楼道清扫机器人，还提出了相对应的楼道爬升方法，步骤如下：
通过上述结构，为了对机器人的楼梯爬升结构描述较为方便和准确，定义前层积折叠块21中的横向四条实体边的四个卡箍转轴13从左上方顺时针方向分别为A1、A2、A3和A4；定义中层积折叠块22中的横向四条实体边的四个卡箍转轴13从左上方顺时针方向分别为B1、B2、B3和B4；定义后层积折叠块23中的横向四条实体边的四个卡箍转轴13从左上方顺时针方向分别为C1、C2、C3和C4。
首先，对于初始状态，后层积折叠块23中卡箍转轴13C1和中层积折叠块22上的卡箍转轴13B3通过抱箍11和滚珠轴承12卡紧，即：后层积折叠块23上的卡箍转轴13C1上的抱箍11卡紧中层积折叠块22上的卡箍转轴13B3所在的滚珠轴承12；同样的，中层积折叠块22上的卡箍转轴13B3上的抱箍11卡紧后层积折叠块23上的卡箍转轴13C1所在的滚珠轴承12。
然后，中层积折叠块22中卡箍转轴13B1和前层积折叠块21上的卡箍转轴13A3通过抱箍11和滚珠轴承12卡紧，即：中层积折叠块22上的卡箍转轴13B1上的抱箍11卡紧前层积折叠块21上的卡箍转轴13A3所在的滚珠轴承12；同样的，前层积折叠块21上的卡箍转轴13A3上的抱箍11卡紧中层积折叠块22上的卡箍转轴13B1所在的滚珠轴承12。
其次，对于爬升状态，由于卡箍齿轮17固定在卡箍转轴13上，抱箍驱动减速电机14在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23中均有设置并固定，抱箍驱动减速电机蜗杆15套在抱箍驱动减速电机14并且和抱箍涡轮16进行齿轮啮合，同时抱箍涡轮16穿在卡箍转轴13上。另外，卡箍齿轮17也穿在卡箍转轴13，并且卡箍齿轮17设置在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23的横向的四条边缘轴上。使得当控制器61控制抱箍驱动减速电机14转动时，带动抱箍驱动减速电机蜗杆15转动，进而带动抱箍涡轮16转动，由于抱箍涡轮16穿在卡箍转轴13上。另外，卡箍齿轮17也穿在卡箍转轴13，并且卡箍齿轮17设置在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23的横向的四条边缘轴上。此时，在卡箍齿轮17齿轮啮合的作用下，由于前层积折叠块21和中层积折叠块22的重量较大，重心较为靠前，因此后层积折叠块23向前翻转，使得后层积折叠块23中卡箍转轴13C2和中层积折叠块22上的卡箍转轴13B2通过抱箍11和滚珠轴承12卡紧。
在重复类似上述步骤前，中层积折叠块22所在的卡箍电磁铁18得电，吸引卡箍衔铁19，此时中层积折叠块22所在的卡箍转轴13B2卡紧并锁死后层积折叠块23所在卡箍转轴13，因此卡箍转轴13B2和卡箍转轴13C2并不能分离。但是在上述步骤完成后，卡箍转轴13B3和卡箍转轴13C1也卡紧在一起，但是由于相应的卡箍电磁铁18失电，因此在卡箍齿轮17的带动下，卡箍转轴13B3和卡箍转轴13C1会相对分离，使得后层积折叠块23继续向上翻转，最终为：前层积折叠块21所在的卡箍转轴13A3和中层积折叠块22所在的卡箍转轴13C3卡紧，前层积折叠块21所在的卡箍转轴13A2和中层积折叠块22所在的卡箍转轴13C4卡紧；中层积折叠块22所在的卡箍转轴13B1和后层积折叠块23所在的卡箍转轴13C3卡紧，中层积折叠块22所在的卡箍转轴13B2和后层积折叠块23所在的卡箍转轴13C2卡紧。
然后，在进行中层积折叠块22和后层积折叠块23的分离及进行前层积折叠块21和中层积折叠块22的分离时，前层积折叠块21所在的卡箍电磁铁18得电，吸引卡箍衔铁19，此时前层积折叠块21所在的卡箍转轴13A2卡紧并锁死后层积折叠块23所在卡箍转轴13C4，因此卡箍转轴13A2和卡箍转轴13C4并不能分离；但是此时由于其他卡箍电磁铁18处于失电状态，因此卡箍转轴13A3和卡箍转轴13C3开始分离，卡箍转轴13C3和卡箍转轴13B1开始分离，卡箍转轴13C2和卡箍转轴13B2开始分离，在卡箍齿轮17齿轮啮合的作用下和上述中重心的作用下，后层积折叠块23开始向前翻滚分离运动。
同样的道理，后层积折叠块23在类似上述步骤的控制下，继续向前翻滚，使得后层积折叠块23、中层积折叠块22和前层积折叠块21的摆放位置与初始位置相似，只是相对位置改变，整体的布局没有变动。
重复上述过程，此时的中层积折叠块22开始继续向前翻滚，一直翻滚至机器人的最前端，然后依次是前层积折叠块21开始翻滚，依次顺序进行，最终的功能便实现了机器人的轮回式翻滚爬升楼梯。
最后，当机器人向下运动时，过程与上述相反，步骤不在赘述。
上述机构中，优选的是：卡箍机构1中抱箍11固定在卡箍转轴13上的位置具有特定性，即：对于前层积折叠块21、中层积折叠块22和后层积折叠块23位置不同，这样才能使得当前层积折叠块21、中层积折叠块22和后层积折叠块23互相翻滚时，抱箍11可以卡紧相对应的层积折叠块，否则会出现抱箍11不能卡紧的情况。
本发明的有益效果是：
本发明通过卡箍机构实现了卡箍转轴和卡箍轴承的卡紧咬合，并且利用卡箍电磁铁和卡箍衔铁配合，实现了对抱箍的锁死，从而有选择的对后续的机械结构进行控制分离和锁紧。
本发明合理采用了三个层积折叠机构，通过卡箍转轴和卡箍轴承卡紧和分离，并且配合抱箍驱动电机实现了前层积折叠机构、中层积折叠机构和后层积折叠机构的交替翻滚动作，巧妙的实现了楼梯爬升功能。
本发明利用涡轮蜗杆结构，配合层积折叠机构中的卡箍转轴实现了对层积折叠机构的巧妙驱动，结构简单，效率高。
本发明利用斜向电动伸缩杆和垂直电动伸缩杆实现了对层积折叠机构的长度和宽度可调，从而适应不同高度、不同宽度的楼梯，应用范围较广。
本发明通过设置横向移动轮和纵向移动轮，通过控制横向移动伺服电机和纵向移动伺服电机，从而带动机器人的横向和纵向运动，可以实现对楼道等大面积水平地面的清理工作；但在进行楼梯清理工作时，通过使用横向移动轮和通过控制横向移动伺服电机，实现机器人的横向运动，可以实现对楼梯等狭窄区域的清理工作。
附图说明
附图1为本发明自适应楼梯楼道清扫机器人的立体结构示意图。
附图2为本发明自适应楼梯楼道清扫机器人的主视结构示意图。
附图3为本发明自适应楼梯楼道清扫机器人的伸缩机构和横向移动机构局部放大示意图。
附图4为本发明自适应楼梯楼道清扫机器人的卡箍和清理机构局部放大示意图。
附图5为本发明自适应楼梯楼道清扫机器人的卡箍结构说明示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示。一种自适应楼梯楼道清扫机器人，包括卡箍机构1、层积折叠机构2、清理机构3、伸缩机构4、横向移动机构5、控制及动力系统6。
所述卡箍机构1包括：抱箍11、滚珠轴承12、卡箍转轴13、抱箍驱动减速电机14、抱箍驱动减速电机蜗杆15、抱箍涡轮16、卡箍齿轮17、卡箍电磁铁18、卡箍衔铁19。
所述层积折叠机构2包括：前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23。
所述清理机构3包括：吸尘机构31、清扫机构32、储物机构33。
所述伸缩机构4包括：斜向电动伸缩杆41、伸缩本体42，垂直电动伸缩杆43，万向轴44。
所述横向移动机构5包括：横向移动伺服电机51、横向移动轮52、纵向移动伺服电机53、纵向移动轮54。
所述控制及动力系统6包括：控制器61、锂离子电池62、抱箍驱动减速电机驱动器63、横向移动伺服电机驱动器64、纵向移动伺服电机驱动器65。
进一步的，所述卡箍机构1中抱箍11为两个接近半圆的扇形机构，末端互相咬合在一起并固定在卡箍转轴13上，抱箍11的顶端留有缺口，其它机构中的滚珠轴承12可以卡入抱箍11中。卡箍齿轮17固定在卡箍转轴13上，抱箍驱动减速电机14在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23中均有设置并固定，抱箍驱动减速电机蜗杆15套在抱箍驱动减速电机14并且和抱箍涡轮16进行齿轮啮合，同时抱箍涡轮16穿在卡箍转轴13上。另外，卡箍齿轮17也穿在卡箍转轴13，并且卡箍齿轮17设置在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23的横向的四条边缘轴上。卡箍电磁铁18安装固定在卡箍机构1中的抱箍11的缺口一端处，且卡箍衔铁19安装固定在卡箍机构1中的抱箍11的缺口另一端处，通过卡箍电磁铁18的通电，可以实现对卡箍衔铁19的吸引，继而实现对抱箍11的闭合，当其它机构中的滚珠轴承12卡入抱箍11中时，若卡箍电磁铁18处于得电状态，则滚珠轴承12无法脱离闭合的抱箍11；反之，若卡箍电磁铁18处于失电状态，则滚珠轴承12可以脱离抱箍11。
进一步的，层积折叠机构2中的前层积折叠块21、中层积折叠块22和后层积折叠块23，均为方形结构，每个模块具有6条边，其中的横向四条边由四个斜向电动伸缩杆41通过伸缩本体42连接，四个中的两个斜向电动伸缩杆41的末端分别直接连接，形成两对整体斜向电动伸缩杆41，然后这两对体斜向电动伸缩杆41由万向轴44连接，且这两对体斜向电动伸缩杆41垂直电动伸缩杆43连接。而且卡箍转轴13固定在由四个斜向电动伸缩杆41通过伸缩本体42连接的四个顶点的中心处，组成一个横向的四边实体立方体。上述结构的效果为：由于四个斜向电动伸缩杆41通过伸缩本体42连接，且伸缩本体42向外，因此由这四个斜向电动伸缩杆41通过伸缩本体42连接而成的四方实体可以通过斜向电动伸缩杆41的伸缩改变四方实体的体积，即每条边的相对宽度，这样可以适应不同宽度、不同高度的楼梯。
进一步的，清理机构3中吸尘机构31和清扫机构32均在前层积折叠块21，中层积折叠块22和后层积折叠块23中的每一个机构的横向截面有安装，共计12个；储物机构33在前层积折叠块21，中层积折叠块22和后层积折叠块23中各安装1个，共计3个。
进一步的，横向移动机构5中的横向移动伺服电机51可以直接驱动横向移动轮52横向运动，实现机器人的整体横向移动；横向移动机构5中的纵向移动伺服电机53可以直接驱动纵向移动轮54纵向运动，实现机器人的整体纵向移动。
上述机构中，优选的是：当机器人在进行楼道或较大平整面积的地面清理工作时，横向移动机构5中的纵向移动伺服电机53可以直接驱动纵向移动轮54纵向运动，实现机器人的整体纵向移动；同时，横向移动机构5中的横向移动伺服电机51可以直接驱动横向移动轮52横向运动，实现机器人的整体横向移动。即：此时的机器人在楼道等大面积平地工作是，运动方向自由。
上述机构中，优选的是：当机器人在进行楼道清理工作时，横向移动机构5中的横向移动伺服电机51可以直接驱动横向移动轮52横向运动，实现机器人的整体横向移动。但是，横向移动机构5中的纵向移动伺服电机53一般并不直接驱动纵向移动轮54纵向运动。因为该机构中，通过控制斜向电动伸缩杆41、伸缩本体42和垂直电动伸缩杆43的运动实现前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23外界边缘转轴的长度伸缩，实现体积的变化，从而适应不同高度、不同宽度的楼梯。
更进一步的，控制及动力系统6中的控制器61为机器人的心脏，负责机器人的整体电气控制和信息融合；锂离子电池62为机器人提供动力；抱箍驱动减速电机驱动器63负责接收控制器61的指令并驱动抱箍驱动减速电机14转动；横向移动伺服电机驱动器64负责驱动横向移动伺服电机51转动；纵向移动伺服电机驱动器65负责驱动纵向移动伺服电机53转动。
最后，通过上述结构，为了对机器人的楼梯爬升结构描述较为方便和准确，定义前层积折叠块21中的横向四条实体边的四个卡箍转轴13从左上方顺时针方向分别为A1、A2、A3和A4；定义中层积折叠块22中的横向四条实体边的四个卡箍转轴13从左上方顺时针方向分别为B1、B2、B3和B4；定义后层积折叠块23中的横向四条实体边的四个卡箍转轴13从左上方顺时针方向分别为C1、C2、C3和C4。
首先，对于初始状态，后层积折叠块23中卡箍转轴13C1和中层积折叠块22上的卡箍转轴13B3通过抱箍11和滚珠轴承12卡紧，即：后层积折叠块23上的卡箍转轴13C1上的抱箍11卡紧中层积折叠块22上的卡箍转轴13B3所在的滚珠轴承12；同样的，中层积折叠块22上的卡箍转轴13B3上的抱箍11卡紧后层积折叠块23上的卡箍转轴13C1所在的滚珠轴承12。
然后，中层积折叠块22中卡箍转轴13B1和前层积折叠块21上的卡箍转轴13A3通过抱箍11和滚珠轴承12卡紧，即：中层积折叠块22上的卡箍转轴13B1上的抱箍11卡紧前层积折叠块21上的卡箍转轴13A3所在的滚珠轴承12；同样的，前层积折叠块21上的卡箍转轴13A3上的抱箍11卡紧中层积折叠块22上的卡箍转轴13B1所在的滚珠轴承12。
其次，对于爬升状态，由于卡箍齿轮17固定在卡箍转轴13上，抱箍驱动减速电机14在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23中均有设置并固定，抱箍驱动减速电机蜗杆15套在抱箍驱动减速电机14并且和抱箍涡轮16进行齿轮啮合，同时抱箍涡轮16穿在卡箍转轴13上。另外，卡箍齿轮17也穿在卡箍转轴13，并且卡箍齿轮17设置在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23的横向的四条边缘轴上。使得当控制器61控制抱箍驱动减速电机14转动时，带动抱箍驱动减速电机蜗杆15转动，进而带动抱箍涡轮16转动，由于抱箍涡轮16穿在卡箍转轴13上。另外，卡箍齿轮17也穿在卡箍转轴13，并且卡箍齿轮17设置在前层积折叠块21，中层积折叠块22，后层积折叠块23的横向的四条边缘轴上。此时，在卡箍齿轮17齿轮啮合的作用下，由于前层积折叠块21和中层积折叠块22的重量较大，重心较为靠前，因此后层积折叠块23向前翻转，使得后层积折叠块23中卡箍转轴13C2和中层积折叠块22上的卡箍转轴13B2通过抱箍11和滚珠轴承12卡紧。
在重复类似上述步骤前，中层积折叠块22所在的卡箍电磁铁18得电，吸引卡箍衔铁19，此时中层积折叠块22所在的卡箍转轴13B2卡紧并锁死后层积折叠块23所在卡箍转轴13，因此卡箍转轴13B2和卡箍转轴13C2并不能分离。但是在上述步骤完成后，卡箍转轴13B3和卡箍转轴13C1也卡紧在一起，但是由于相应的卡箍电磁铁18失电，因此在卡箍齿轮17的带动下，卡箍转轴13B3和卡箍转轴13C1会相对分离，使得后层积折叠块23继续向上翻转，最终为：前层积折叠块21所在的卡箍转轴13A3和中层积折叠块22所在的卡箍转轴13C3卡紧，前层积折叠块21所在的卡箍转轴13A2和中层积折叠块22所在的卡箍转轴13C4卡紧；中层积折叠块22所在的卡箍转轴13B1和后层积折叠块23所在的卡箍转轴13C3卡紧，中层积折叠块22所在的卡箍转轴13B2和后层积折叠块23所在的卡箍转轴13C2卡紧。
然后，在进行中层积折叠块22和后层积折叠块23的分离及进行前层积折叠块21和中层积折叠块22的分离时，前层积折叠块21所在的卡箍电磁铁18得电，吸引卡箍衔铁19，此时前层积折叠块21所在的卡箍转轴13A2卡紧并锁死后层积折叠块23所在卡箍转轴13C4，因此卡箍转轴13A2和卡箍转轴13C4并不能分离；但是此时由于其他卡箍电磁铁18处于失电状态，因此卡箍转轴13A3和卡箍转轴13C3开始分离，卡箍转轴13C3和卡箍转轴13B1开始分离，卡箍转轴13C2和卡箍转轴13B2开始分离，在卡箍齿轮17齿轮啮合的作用下和上述中重心的作用下，后层积折叠块23开始向前翻滚分离运动。
同样的道理，后层积折叠块23在类似上述步骤的控制下，继续向前翻滚，使得后层积折叠块23、中层积折叠块22和前层积折叠块21的摆放位置与初始位置相似，只是相对位置改变，整体的布局没有变动。
重复上述过程，此时的中层积折叠块22开始继续向前翻滚，一直翻滚至机器人的最前端，然后依次是前层积折叠块21开始翻滚，依次顺序进行，最终的功能便实现了机器人的轮回式翻滚爬升楼梯。
最后，当机器人向下运动时，过程与上述相反，步骤不在赘述。
上述机构中，优选的是：卡箍机构1中抱箍11固定在卡箍转轴13上的位置具有特定性，即：对于前层积折叠块21、中层积折叠块22和后层积折叠块23位置不同，这样才能使得当前层积折叠块21、中层积折叠块22和后层积折叠块23互相翻滚时，抱箍11可以卡紧相对应的层积折叠块，否则会出现抱箍11不能卡紧的情况。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种自适应楼梯楼道清扫机器人，其特征在于：包括卡箍机构(1)、层积折叠机构(2)、清理机构(3)、伸缩机构(4)、横向移动机构(5)、控制及动力系统(6)，所述卡箍机构(1)和清理机构(3)均安装在所述层积折叠机构(2)的外侧面，所述伸缩机构(4)安装在所述层积折叠机构(3)的两端，所述控制及动力系统(6)安装在所述层积折叠机构(2)的内部。
2.如权利要求1所述的一种自适应楼梯楼道清扫机器人，其特征在于：卡箍机构(1)包括：抱箍(11)、滚珠轴承(12)、卡箍转轴(13)、抱箍驱动减速电机(14)、抱箍驱动减速电机蜗杆(15)、抱箍涡轮(16)、卡箍齿轮(17)、卡箍电磁铁(18)、卡箍衔铁(19)，所述卡箍机构(1)中抱箍(11)为两个接近半圆的扇形机构，末端互相咬合在一起并固定在卡箍转轴(13)上，抱箍(11)的顶端留有缺口，其中所述层积折叠机构、清理机构、伸缩机构、横向移动机构和控制及动力系统中设置的滚珠轴承(12)卡入抱箍(11)中，卡箍齿轮(17)固定在卡箍转轴(13)上，抱箍驱动减速电机(14)在前层积折叠块(21)，中层积折叠块(22)，后层积折叠块(23)中均有设置并固定，抱箍驱动减速电机蜗杆(15)套在抱箍驱动减速电机(14)并且和抱箍涡轮(16)进行齿轮啮合，同时抱箍涡轮(16)穿在卡箍转轴(13)上，另外，卡箍齿轮(17)也穿在卡箍转轴(13)，并且卡箍齿轮(17)设置在前层积折叠块(21)，中层积折叠块(22)，后层积折叠块(23)的横向的四条边缘轴上，卡箍电磁铁(18)安装固定在卡箍机构(1)中的抱箍(11)的缺口一端处，且卡箍衔铁(19)安装固定在卡箍机构(1)中的抱箍(11)的缺口另一端处，通过卡箍电磁铁(18)的通电，实现对卡箍衔铁(19)的吸引，继而实现对抱箍(11)的闭合，当其它机构中的滚珠轴承(12)卡入抱箍(11)中时，若卡箍电磁铁(18)处于得电状态，则滚珠轴承(12)无法脱离闭合的抱箍(11)；反之，若卡箍电磁铁(18)处于失电状态，则滚珠轴承(12)脱离抱箍(11)。
3.如权利要求1所述的一种自适应楼梯楼道清扫机器人，其特征在于：所述层积折叠机构(2)包括：前层积折叠块(21)，中层积折叠块(22)，后层积折叠块(23)，层积折叠机构(2)中的前层积折叠块(21)、中层积折叠块(22)和后层积折叠块(23)，均为方形结构，每个模块具有6条边，其中的横向四条边由四个斜向电动伸缩杆(41)通过伸缩本体(42)连接，四个中的两个斜向电动伸缩杆(41)的末端分别直接连接，形成两对整体斜向电动伸缩杆(41)，然后这两对整体斜向电动伸缩杆(41)由万向轴(44)连接，且这两对斜向电动伸缩杆(41)垂直电动伸缩杆(43)连接，而且卡箍转轴(13)固定在由四个斜向电动伸缩杆(41)通过伸缩本体(42)连接的四个顶点的中心处，组成一个横向的四边实体立方体。
4.如权利要求1所述的一种自适应楼梯楼道清扫机器人，其特征在于：当机器人在进行楼道或大平整面积的地面清理工作时，横向移动机构(5)中的纵向移动伺服电机(53)直接驱动纵向移动轮(54)纵向运动，实现机器人的整体纵向移动；同时，横向移动机构(5)中的横向移动伺服电机(51)直接驱动横向移动轮(52)横向运动，实现机器人的整体横向移动，即：此时的机器人在楼道大面积平地工作时，运动方向自由，同时，当机器人在进行楼道清理工作时，横向移动机构(5)中的横向移动伺服电机(51)直接驱动横向移动轮(52)横向运动，实现机器人的整体横向移动。
5.如权利要求2所述的一种自适应楼梯楼道清扫机器人，其特征在于：卡箍机构(1)中抱箍(11)固定在卡箍转轴(13)上的位置具有特定性，即：对于前层积折叠块(21)、中层积折叠块(22)和后层积折叠块(23)位置不同，这样才能使得当前层积折叠块(21)、中层积折叠块(22)和后层积折叠块(23)互相翻滚时，抱箍(11)卡紧相对应的层积折叠块，否则会出现抱箍(11)不能卡紧的情况。
6.权利要求1-4中任一项所述自适应楼梯楼道清扫机器人的爬升方法，为了对机器人的楼梯爬升结构描述较为方便和准确，定义前层积折叠块(21)中的横向四条实体边的四个卡箍转轴(13)从左上方顺时针方向分别为A1、A2、A3和A4；定义中层积折叠块(22)中的横向四条实体边的四个卡箍转轴(13)从左上方顺时针方向分别为B1、B2、B3和B4；定义后层积折叠块(23)中的横向四条实体边的四个卡箍转轴(13)从左上方顺时针方向分别为C1、C2、C3和C4；
首先，对于初始状态，后层积折叠块(23)中卡箍转轴(13)C1和中层积折叠块(22)上的卡箍转轴(13)B3通过抱箍(11)和滚珠轴承(12)卡紧，即：后层积折叠块(23)上的卡箍转轴(13)C1上的抱箍(11)卡紧中层积折叠块(22)上的卡箍转轴(13)B3所在的滚珠轴承(12)；同样的，中层积折叠块(22)上的卡箍转轴(13)B3上的抱箍(11)卡紧后层积折叠块(23)上的卡箍转轴(13)C1所在的滚珠轴承(12)；
然后，中层积折叠块(22)中卡箍转轴(13)B1和前层积折叠块(21)上的卡箍转轴(13)A3通过抱箍(11)和滚珠轴承(12)卡紧，即：中层积折叠块(22)上的卡箍转轴(13)B1上的抱箍(11)卡紧前层积折叠块(21)上的卡箍转轴(13)A3所在的滚珠轴承(12)；同样的，前层积折叠块(21)上的卡箍转轴(13)A3上的抱箍(11)卡紧中层积折叠块(22)上的卡箍转轴(13)B1所在的滚珠轴承(12)；
其次，对于爬升状态，由于卡箍齿轮(17)固定在卡箍转轴(13)上，抱箍驱动减速电机(14)在前层积折叠块(21)，中层积折叠块(22)，后层积折叠块(23)中均有设置并固定，抱箍驱动减速电机蜗杆(15)套在抱箍驱动减速电机(14)并且和抱箍涡轮(16)进行齿轮啮合，同时抱箍涡轮(16)穿在卡箍转轴(13)上，另外，卡箍齿轮(17)也穿在卡箍转轴(13)，并且卡箍齿轮(17)设置在前层积折叠块(21)，中层积折叠块(22)，后层积折叠块(23)的横向的四条边缘轴上，使得当控制器(61)控制抱箍驱动减速电机(14)转动时，带动抱箍驱动减速电机蜗杆(15)转动，进而带动抱箍涡轮(16)转动，由于抱箍涡轮(16)穿在卡箍转轴(13)上，另外，卡箍齿轮(17)也穿在卡箍转轴(13)，并且卡箍齿轮(17)设置在前层积折叠块(21)，中层积折叠块(22)，后层积折叠块(23)的横向的四条边缘轴上，此时，在卡箍齿轮(17)齿轮啮合的作用下，由于前层积折叠块(21)和中层积折叠块(22)的重量较大，重心较为靠前，因此后层积折叠块(23)向前翻转，使得后层积折叠块(23)中卡箍转轴(13)C2和中层积折叠块(22)上的卡箍转轴(13)B2通过抱箍(11)和滚珠轴承(12)卡紧；
在重复上述步骤前，中层积折叠块(22)所在的卡箍电磁铁(18)得电，吸引卡箍衔铁(19)，此时中层积折叠块(22)所在的卡箍转轴(13)B2卡紧并锁死后层积折叠块(23)所在卡箍转轴(13)，因此卡箍转轴(13)B2和卡箍转轴(13)C2并不能分离，但是在上述步骤完成后，卡箍转轴(13)B3和卡箍转轴(13)C1也卡紧在一起，但是由于相应的卡箍电磁铁(18)失电，因此在卡箍齿轮(17)的带动下，卡箍转轴(13)B3和卡箍转轴(13)C1会相对分离，使得后层积折叠块(23)继续向上翻转，最终为：前层积折叠块(21)所在的卡箍转轴(13)A3和中层积折叠块(22)所在的卡箍转轴(13)C3卡紧，前层积折叠块(21)所在的卡箍转轴(13)A2和中层积折叠块(22)所在的卡箍转轴(13)C4卡紧；中层积折叠块(22)所在的卡箍转轴(13)B1和后层积折叠块(23)所在的卡箍转轴(13)C3卡紧，中层积折叠块(22)所在的卡箍转轴(13)B2和后层积折叠块(23)所在的卡箍转轴(13)C2卡紧；
然后，在进行中层积折叠块(22)和后层积折叠块(23)的分离及进行前层积折叠块(21)和中层积折叠块(22)的分离时，前层积折叠块(21)所在的卡箍电磁铁(18)得电，吸引卡箍衔铁(19)，此时前层积折叠块(21)所在的卡箍转轴(13)A2卡紧并锁死后层积折叠块(23)所在卡箍转轴(13)C4，因此卡箍转轴(13)A2和卡箍转轴(13)C4并不能分离；但是此时由于其他卡箍电磁铁(18)处于失电状态，因此卡箍转轴(13)A3和卡箍转轴(13)C3开始分离，卡箍转轴(13)C3和卡箍转轴(13)B1开始分离，卡箍转轴(13)C2和卡箍转轴(13)B2开始分离，在卡箍齿轮(17)齿轮啮合的作用下和上述重心的作用下，后层积折叠块(23)开始向前翻滚分离运动；
同样的道理，后层积折叠块(23)在上述步骤的控制下，继续向前翻滚，使得后层积折叠块(23)、中层积折叠块(22)和前层积折叠块(21)的摆放位置与初始位置相似，只是相对位置改变，整体的布局没有变动；
重复上述过程，此时的中层积折叠块(22)开始继续向前翻滚，一直翻滚至机器人的最前端，然后依次是前层积折叠块(21)开始翻滚，依次顺序进行，最终的功能便实现了机器人的轮回式翻滚爬升楼梯；
最后，当机器人向下运动时，过程与上述相反。
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