CN107235086B - 一种全地形阶梯攀爬机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能机械领域，具体的说是一种全地形阶梯攀爬机器人，包括抬升机构、行走底座、平衡机构、负重箱和控制装置；抬升机构设置在行走底座前方，抬升机构能将设备前部抬起；控制装置设置在行走底座中部；平衡机构设置在行走底座上方，平衡机构可感应本设备的倾斜状况，并调节负重箱的位置；负重箱设置在平衡机构上方；本发明在遇到向上的阶梯时，能利用撬杆将设备前部抬起并落至阶梯上，到达阶梯顶部时设备前部又能自动落下，使部分重量转移到平地上，以达到平稳攀爬阶梯的目的。
Description
技术领域
本发明涉及智能机械领域，具体的说是一种全地形阶梯攀爬机器人。
背景技术
机器人技术因其涵盖了机械学、计算机科学、人工智能、生物学等领域，成为了当今世界最前沿的科技热点之一。移动机器人是机器人技术领域的一个重要分支，移动机器人通常是作为人类身体与感知的延伸，代替人类进入危险环境开展工作。由于其具有其他机器人所不具有的“移动性”，正越来越多的被应用于危险环境监测、未知区域探测、行星探测、救援搜索、排爆以及运输等领域。而在各种应用中，常常要面对攀爬楼梯的问题，由于楼梯结构的特殊性和攀爬楼梯过程的复杂性使得移动机器人攀爬楼梯问题一直是移动机器人领域的一个难点和热点。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供了一种全地形阶梯攀爬机器人，在遇到阶梯时，能利用撬杆将设备前部抬起并落至阶梯上，到达阶梯顶部时设备前部又能自动落下，使部分重量转移到平地上，以达到平稳攀爬阶梯的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全地形阶梯攀爬机器人，包括抬升机构、行走底座、平衡机构、负重箱和控制装置；所述的抬升机构设置在行走底座前方；所述的控制装置设置在行走底座中部；所述的平衡机构设置在行走底座上方；所述的负重箱设置在平衡机构上方，负重箱底部设置有倾斜传感器。
所述的抬升机构包括缓降装置、液压杆、触碰抬升装置和前轮升降控制杆；所述的液压杆设置在缓降装置前方，所述的触碰抬升装置设置在液压杆两侧，所述的前轮升降控制杆设置在触碰抬升装置后方。
所述的行走底座包括行走轮、履带、前车轴、后车轴和机架；所述的机架包括竖板和活动架；所述的竖板位于机架的前部，竖板为两块竖直且平行对称的直板，且竖板上还设置有一前一后两个连接孔；所述的活动架后端与前车轴铰接，该活动架可围绕前车轴向上转动十五度并向下转动九十度，且活动架上安装有机架上大部分的机械配件；所述的行走轮包括位于最前方的一号轮、连接在前车轴上的二号轮、与二号轮共轴的三号轮和位于最后方的四号轮，所述的一号轮设置在活动架的前端；所述的履带包括安装在一号轮和二号轮上的第一履带，还包括安装在三号轮和四号轮上的第二履带。
所述的液压杆包括对称设置在机架前端的筒部和设置在筒部两侧的杆部。
所述的平衡机构包括铰接在机架中部的支撑杆和铰接在支撑杆前后侧的液压调节杆。
所述的负重箱固定在支撑杆顶端。
作为本发明的优选技术方案，所述的缓降装置包括设置在液压杆后方的驱动电机、设置在驱动电机输出轴上的驱动齿轮、从两个竖板上后部连接孔中穿过的第一旋转轴、设置在第一旋转轴两侧的主动齿轮、从两个竖板上前部连接孔中穿过的第二旋转轴，以及设置在第二旋转轴两侧的半齿轮；所述的第一旋转轴中部设置有与驱动齿轮啮合的轴齿轮；所述半齿轮的有齿部分与主动齿轮啮合。
所述的触碰抬升装置包括凹面凸轮和导臂；所述的导臂呈直杆形，导臂的后端固定在半齿轮的外侧面；所述的凹面凸轮固定在导臂后端的外侧面，凹面凸轮前部为凸面，其后部为凹面，当本发明在水平面上运行时，该凹面凸轮后部凹面所在圆弧面的轴心线与前车轴的轴心线重合；所述的前轮升降控制杆下端固定在活动架的前端，其顶端设置有滚轮，当本发明在水平面上运行时，该滚轮位于凹面凸轮后上方，且该滚轮前部的轮面与凹面凸轮后部凹面所在的圆弧面相切。
作为本发明的优选技术方案，当本发明在水平面上运行时，滚轮前部的轮面还与凹面凸轮前部凸面所在的圆弧面相切。
作为本发明的优选技术方案，所述导臂的后半段中部设置有弧形的缺口，且该缺口搭在限位段上。
所述的一种全地形阶梯攀爬机器人的运行方法，包括以下步骤：
步骤s1：本设备在触碰到楼梯之前，导臂搭在限位段上，一号轮、二号轮、三号轮和四号轮在同一水平面上行驶，负重箱保持水平状态；
步骤s2：本设备开始上楼梯时，液压杆收缩，使得杆部与导臂分离；导臂前端抵住阶梯后，本设备继续前进，导臂开始围绕第二旋转轴逆时针转动，且凹面凸轮后部凹面所在圆弧面的轴心线向上偏移，与此同时铰接在前车轴上的活动架开始下垂，随后滚轮搭在凹面凸轮的凹面上并阻止了活动架的继续下垂，使活动架和本设备前部一同被导臂抬起；本设备继续前进，在导臂与地面垂直之前，半齿轮上的带齿部分开始与主动齿轮啮合转动，使本设备的前部得以缓慢落在阶梯上；导臂继续转动，液压杆伸长，在导臂接触限位段时半齿轮的带齿部分不再与主动齿轮啮合；
在此过程中，负重箱底部的倾斜传感器感应到负重箱倾斜，该倾斜传感器将数据传输给控制装置，并由控制装置控制液压调节杆来对支撑杆进行调整，使支撑柱维持竖直状态，使负重箱保持水平；
步骤s3：在本设备即将离开向上的阶梯时，铰接在前车轴上的活动架开始下垂，使得本设备的前部搭在阶梯上方的水平地面上，随后整体再行驶到平地上；
在此过程中，负重箱底部的倾斜传感器感应到负重箱倾斜，该倾斜传感器将数据传输给控制装置，并由控制装置控制液压调节杆来对支撑杆进行调整，使支撑柱维持竖直状态，使负重箱保持水平；
步骤s4：在本设备开始下楼时，铰接在前车轴上的活动架开始下垂，使得本设备的前部首先搭在阶梯上，随后整体再完全行驶到阶梯上；
在此过程中，负重箱底部的倾斜传感器感应到负重箱倾斜，该倾斜传感器将数据传输给控制装置，并由控制装置控制液压调节杆来对支撑杆进行调整，使支撑柱维持竖直状态，使负重箱保持水平。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种全地形阶梯攀爬机器人，在遇到向上的阶梯时，能利用撬杆将设备前部抬起并落至阶梯上，到达阶梯顶部时设备前部又能自动落下，使部分重量转移到平地上，以达到平稳攀爬阶梯的目的；
(2)本发明的一种全地形阶梯攀爬机器人，在遇到向下的阶梯时，设备的前部能自动落下，使一部分重量先转移到阶梯上，避免整体突然倾斜导致设备失控；
(3)本发明的一种全地形阶梯攀爬机器人，在上阶梯时，负重箱前移使整体重心前移，而在下阶梯时，负重箱后移使整体重心后移，以此使设备运行更平稳。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明正面视角的立体结构示意图；
图2是本发明背面视角的立体结构示意图；
图3是抬升机构的立体结构示意图；
图4是触碰抬升装置的结构示意图；
图5是抬升机构的俯视图；
图6是本发明在平地上行驶时的示意图；
图7是本发明开始爬阶梯时的示意图；
图8是本发明爬上阶梯顶部后的示意图；
图中：抬升机构-1、行走底座-2、平衡机构-3、负重箱-4、控制装置-5、缓降装置-11、液压杆-12、触碰抬升装置-13、前轮升降控制杆-14、行走轮-21、履带-22、前车轴-23、后车轴-24、机架-25、支撑杆-31、液压调节杆-32、驱动电机-111、驱动齿轮-112、第一旋转轴-113、主动齿轮-114、第二旋转轴-115、半齿轮-116、筒部-121、杆部-122、凹面凸轮-131、导臂-132、滚轮-141、一号轮-211、二号轮-212、三号轮-213、四号轮-214、第一履带-221、第二履带-222、竖板-251、活动架-252、轴齿轮-1131、滑动段-1241、螺纹段-1242、限位段-1243、缺口-1321。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1、图2，本实施例的一种全地形阶梯攀爬机器人，包括抬升机构1、行走底座2、平衡机构3、负重箱4和控制装置5；所述的抬升机构1设置在行走底座2前方；所述的控制装置5设置在行走底座2中部；所述的平衡机构3设置在行走底座2上方；所述的负重箱4设置在平衡机构3上方，负重箱4底部设置有倾斜传感器。
如图3，所述的抬升机构1包括缓降装置11、液压杆12、触碰抬升装置13和前轮升降控制杆14；所述的液压杆12设置在缓降装置11前方，所述的触碰抬升装置13设置在液压杆12两侧，所述的前轮升降控制杆14设置在触碰抬升装置13后方。
如图1、图3，所述的行走底座2包括行走轮21、履带22、前车轴23、后车轴24和机架25；所述的机架25包括竖板251和活动架252；所述的竖板251位于机架25的前部，竖板251为两块竖直且平行对称的直板，且竖板251上还设置有一前一后两个连接孔；所述的活动架252后端与前车轴23铰接，该活动架252可围绕前车轴23向上转动十五度并向下转动九十度，且活动架252上安装有机架25上大部分的机械配件；所述的行走轮21包括位于最前方的一号轮211、连接在前车轴23上的二号轮212、与二号轮212共轴的三号轮213和位于最后方的四号轮214，所述的一号轮211设置在活动架252的前端；所述的履带22包括安装在一号轮211和二号轮212上的第一履带221，还包括安装在三号轮213和四号轮214上的第二履带222。
所述的液压杆12包括对称设置在机架25前端的筒部121和设置在筒部121两侧的杆部122。
所述的平衡机构3包括铰接在机架25中部的支撑杆31和铰接在支撑杆31前后侧的液压调节杆32。
所述的负重箱4固定在支撑杆31顶端。
如图3、图5，所述的缓降装置11包括设置在液压杆12后方的驱动电机111、设置在驱动电机111输出轴上的驱动齿轮112、从两个竖板251上后部连接孔中穿过的第一旋转轴113、设置在第一旋转轴113两侧的主动齿轮114、从两个竖板251上前部连接孔中穿过的第二旋转轴115，以及设置在第二旋转轴115两侧的半齿轮116；所述的第一旋转轴113中部设置有与驱动齿轮112啮合的轴齿轮1131；所述半齿轮116的有齿部分与主动齿轮114啮合。
如图3、图4，所述的触碰抬升装置13包括凹面凸轮131和导臂132；所述的导臂132呈直杆形，导臂132的后端固定在半齿轮116的外侧面，导臂132的后半段中部设置有弧形的缺口1321，且该缺口1321搭在限位段1243上；所述的凹面凸轮131固定在导臂132后端的外侧面，凹面凸轮131前部为凸面，其后部为凹面，当本发明在水平面上运行时，该凹面凸轮131后部凹面所在圆弧面的轴心线与前车轴23的轴心线重合；所述的前轮升降控制杆14下端固定在活动架252的前端，其顶端设置有滚轮141，当本发明在水平面上运行时，该滚轮141位于凹面凸轮131后上方，且该滚轮141前部的轮面与凹面凸轮131后部凹面所在的圆弧面相切。
如图6、图7、图8，所述的一种全地形阶梯攀爬机器人的运行方法，包括以下步骤：
步骤s1：本设备在触碰到楼梯之前，导臂132搭在限位段1243上，一号轮211、二号轮212、三号轮213和四号轮214在同一水平面上行驶，负重箱4保持水平状态；
步骤s2：本设备开始上楼梯时，液压杆12收缩，使得杆部122与导臂132分离；导臂132前端抵住阶梯后，本设备继续前进，导臂132开始围绕第二旋转轴115逆时针转动，且凹面凸轮131后部凹面所在圆弧面的轴心线向上偏移，与此同时铰接在前车轴23上的活动架252开始下垂，随后滚轮141搭在凹面凸轮131的凹面上并阻止了活动架252的继续下垂，使活动架252和本设备前部一同被导臂132抬起；本设备继续前进，在导臂132与地面垂直之前，半齿轮116上的带齿部分开始与主动齿轮114啮合转动，使本设备的前部得以缓慢落在阶梯上；导臂132继续转动，液压杆12伸长，在导臂132接触杆部122时半齿轮116的带齿部分不再与主动齿轮114啮合；
在此过程中，负重箱4底部的倾斜传感器感应到负重箱4倾斜，该倾斜传感器将数据传输给控制装置5，并由控制装置5控制液压调节杆32来对支撑杆31进行调整，使支撑柱34维持竖直状态，使负重箱4保持水平；
步骤s3：在本设备即将离开向上的阶梯时，铰接在前车轴23上的活动架252开始下垂，使得本设备的前部搭在阶梯上方的水平地面上，随后整体再行驶到平地上；
在此过程中，负重箱4底部的倾斜传感器感应到负重箱4倾斜，该倾斜传感器将数据传输给控制装置5，并由控制装置5控制液压调节杆32来对支撑杆31进行调整，使支撑柱34维持竖直状态，使负重箱4保持水平；
步骤s4：在本设备开始下楼时，铰接在前车轴23上的活动架252开始下垂，使得本设备的前部首先搭在阶梯上，随后整体再完全行驶到阶梯上；
在此过程中，负重箱4底部的倾斜传感器感应到负重箱4倾斜，该倾斜传感器将数据传输给控制装置5，并由控制装置5控制液压调节杆32来对支撑杆31进行调整，使支撑柱34维持竖直状态，使负重箱4保持水平
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种全地形阶梯攀爬机器人，其特征在于：包括抬升机构（1）、行走底座（2）、平衡机构（3）、负重箱（4）和控制装置（5）；所述的抬升机构（1）设置在行走底座（2）前方；所述的控制装置（5）设置在行走底座（2）中部；所述的平衡机构（3）设置在行走底座（2）上方；所述的负重箱（4）设置在平衡机构（3）上方，负重箱（4）底部设置有倾斜传感器；
所述的抬升机构（1）包括缓降装置（11）、液压杆（12）、触碰抬升装置（13）和前轮升降控制杆（14）；所述的液压杆（12）设置在缓降装置（11）前方，所述的触碰抬升装置（13）设置在液压杆（12）两侧，所述的前轮升降控制杆（14）设置在触碰抬升装置（13）后方；
所述的行走底座（2）包括行走轮（21）、履带（22）、前车轴（23）、后车轴（24）和机架（25）；所述的机架（25）包括竖板（251）和活动架（252）；所述的竖板（251）位于机架（25）的前部，竖板（251）为两块竖直且平行对称的直板，且竖板（251）上还设置有一前一后两个连接孔；所述的活动架（252）后端与前车轴（23）铰接，该活动架（252）可围绕前车轴（23）向上转动十五度并向下转动九十度；所述的行走轮（21）包括位于最前方的一号轮（211）、连接在前车轴（23）上的二号轮（212）、与二号轮（212）共轴的三号轮（213）和位于最后方的四号轮（214），所述的一号轮（211）设置在活动架（252）的前端；所述的履带（22）包括安装在一号轮（211）和二号轮（212）上的第一履带（221），还包括安装在三号轮（213）和四号轮（214）上的第二履带（222）；
所述的液压杆（12）包括对称设置在机架（25）前端的筒部（121）和设置在筒部（121）两侧的杆部（122）；
所述的平衡机构（3）包括铰接在机架（25）中部的支撑杆（31）和铰接在支撑杆（31）前后侧的液压调节杆（32）；
所述的负重箱（4）固定在支撑杆（31）顶端；
所述的缓降装置（11）包括设置在液压杆（12）后方的驱动电机（111）、设置在驱动电机（111）输出轴上的驱动齿轮（112）、从两个竖板（251）上后部连接孔中穿过的第一旋转轴（113）、设置在第一旋转轴（113）两侧的主动齿轮（114）、从两个竖板（251）上前部连接孔中穿过的第二旋转轴（115），以及设置在第二旋转轴（115）两侧的半齿轮（116）；所述的第一旋转轴（113）中部设置有与驱动齿轮（112）啮合的轴齿轮（1131）；所述半齿轮（116）的有齿部分与主动齿轮（114）啮合；
所述的触碰抬升装置（13）包括凹面凸轮（131）和导臂（132）；所述的导臂（132）呈直杆形，导臂（132）的后端固定在半齿轮（116）的外侧面；所述的凹面凸轮（131）固定在导臂（132）后端的外侧面，凹面凸轮（131）前部为凸面，其后部为凹面，当本攀爬机器人在水平面上运行时，该凹面凸轮（131）后部凹面所在圆弧面的轴心线与前车轴（23）的轴心线重合；所述的前轮升降控制杆（14）下端固定在活动架（252）的前端，其顶端设置有滚轮（141），当本攀爬机器人在水平面上运行时，该滚轮（141）位于凹面凸轮（131）后上方，且该滚轮（141）前部的轮面与凹面凸轮（131）后部凹面所在的圆弧面相切；
当本攀爬机器人在水平面上运行时，滚轮（141）前部的轮面还与凹面凸轮（131）前部凸面所在的圆弧面相切；
所述导臂（132）的后半段中部设置有弧形的缺口（1321），且该缺口（1321）搭在限位段（1243）上。
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