CN108313153A - 一种无人驾驶阶梯攀爬机器人 - Google Patents

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CN108313153A
CN108313153A CN201810107727.8A CN201810107727A CN108313153A CN 108313153 A CN108313153 A CN 108313153A CN 201810107727 A CN201810107727 A CN 201810107727A CN 108313153 A CN108313153 A CN 108313153A
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climbing robot
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杨萍
祝铎
张淑珍
郑海霞
李春玲
马晓
贺瑗
南文虎
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Lanzhou University of Technology
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Lanzhou University of Technology
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Abstract

本发明涉及一种机器人，更具体的说是一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，包括变形轮、行星轮、底盘和重心调节机构，所述底盘的一端转动连接有两个变形轮，所述底盘的另一端转动连接有两个行星轮，所述重心调节机构设置在底盘上端面的中端；一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，其有益效果为：可高效地实现信息采集及反馈，保证在平地与楼梯之间行走状态转换的准确性和可靠性，具有成本低，机构稳定、总体质量轻以及机器人能耗低等优点。

Description

一种无人驾驶阶梯攀爬机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人，更具体的说是一种无人驾驶阶梯攀爬机器人。
背景技术
无人驾驶阶梯攀爬机器人是利用机器人的人工智能来实现阶梯攀爬工作，代替低楼层货物搬运时所需的人工劳力，在建筑环境等存在楼梯或台阶的现场，代替人工进行探测、消防和实施救援工作等,也可用于残疾人的自主行走。目前，国内外设计了多种结构的无人驾驶阶梯攀爬机器人，其攀爬基本结构包括履带式、轮式、足式和复合式,这些机构大多结构复杂，造价昂贵，受到体积、重量以及稳定性等的限制，目前还未广泛应用于实际生活。
如现有专利申请号为CN203158114U的基于蓝牙控制的智能越障机器人和专利申请号为CN103231748A的内外加固结构式可变构型越障机器人，前者轮式运动机构遇到栅栏和楼梯类障碍时,运动将受到限制；并且对于圆车轮,当障碍的高度高于运动机构的质心时,它前进是十分困难的，承载能力、适应能力及稳定性较差。后者采用履带型，其结构复杂，运动速度相对低，效率低，运动噪声较大，灵活性较差，缺乏实用价值。为解决阶梯攀爬服务机器人使用受限的问题，同时考虑到经济性，本发明提出一种兼顾平地行走和阶梯攀爬,结构紧凑、体积小、效率较高、操作相对简单,具有越障和避障功能的无人驾驶阶梯攀爬机器人。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，可高效地实现信息采集及反馈，保证在平地与楼梯之间行走状态转换的准确性和可靠性，具有成本低，机构稳定、总体质量轻以及机器人能耗低等优点。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，包括变形轮、行星轮、底盘和重心调节机构，所述底盘的一端转动连接有两个变形轮，所述底盘的另一端转动连接有两个行星轮，所述重心调节机构设置在底盘上端面的中端。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，所述变形轮包括三组相同的弧形轮、内盘、外盘和第二舵机，所述外盘与第二舵机的壳体固定连接，所述内盘固定连接在第二舵机的转轴上，所述弧形轮包括弧形轮胎、曲线三角形轮毂、外盘滑动轴和内盘转轴，所述弧形轮胎固定连接在曲线三角形轮毂的外端，所述曲线三角形轮毂上设置有滑动槽和连接孔，所述三组弧形轮各通过一个外盘滑动轴与外盘滑动连接，所述外盘滑动轴滑动连接在三角形轮毂上的滑动槽内，所述三组弧形轮各通过一个内盘转轴铰接连接在内盘上，所述内盘转轴间隙配合在三角形轮毂上的连接孔内。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，所述三角形轮毂的外沿设有L形搭接边，三个三角形轮毂外沿的L形搭接边两两搭接，三个三角形轮毂组成圆形结构。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，所述重心调节机构包括货箱、支架、八个第一连杆、四个第二连杆、第一舵机、第一转臂、第二转臂和横梁，所述货箱固定连接在支架的上端，四个第二连杆分别位于货箱的四角处，四个第二连杆的下端铰接连接在底盘上，四个第二连杆的上端各与两个第一连杆的外端铰接，八个第一连杆的内端均铰接在支架上，所述第一舵机固定连接在底盘上，所述第一转臂的一端固定连接在第一舵机的转轴上，所述第一转臂的另一端与第二转臂的一端铰接，所述第二转臂的另一端铰接在横梁上，所述横梁的两端分别连接在右端的两个第二连杆上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，所述四个第二连杆为平行关系，八个第一连杆为平行关系，所述支架、四个第二连杆和八个第一连杆之间形成四个平行四边形结构。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括十字万向轴、电磁离合器、电机、减速器、主轴和差速器，所述电机的传动轴固定连接减速器的输入端，减速器的输出轴连接电磁离合器，电磁离合器的输出轴固定连接十字万向轴的一端，十字万向轴的另一端连接差速器，所述差速器驱动两根主轴，两根主轴上各固定连接一个行星轮。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，所述底盘的两端设置有前悬架和后悬架，两个变形轮转动连接在前悬架的两侧，两个行星轮转动连接在后悬架的两侧，所述前悬架与底盘之间设置有前减震器，所述后悬架与底盘之间设置有后减震器。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括转向机构，所述转向机构包括第三舵机、转向转臂、第一转向连杆、第二转向连杆、转向盘和转向调节杆，所述转向转臂固定连接在第三舵机的转轴上，所述第三舵机固定连接在底盘上，所述第一转向连杆的一端铰接连接转向转臂，所述第一转向连杆的另一端与第二转向连杆的一端铰接，所述第二转向连杆的另一端与转向盘铰接，所述转向盘的两端分别与一个转向调节杆的一端铰接，所述转向调节杆的另一端铰接连接转向臂，两个转向臂分别固定连接在两个前转向架上，两个前转向架分别铰接在底盘前端的两侧，两个第二舵机分别转动连接在两个前转向架上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括超声波传感器和单片机控制器，所述超声波传感器固定连接在底盘的前端，所述超声波传感器的输入端连接单片机控制器，所述单片机控制器的输出端分别连接第二舵机的信号输入端、第一舵机的信号输入端和第三舵机的信号输入端。
本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人的有益效果为：
本发明一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，机构设计简单、合理，使用直流电动机、第一舵机、第二舵机和第三舵机作为动力源，自动实现了在平地与楼梯之间的攀爬行进，可高效地实现信息采集及反馈，保证在平地与楼梯之间行走状态转换的准确性和可靠性；避免了机器人行进过程中的不稳定现象，有效地提高了攀爬过程中的稳定性、安全性和可靠性，最终有利于实现阶梯攀爬机器人的自动化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的整体结构主视图；
图2是本发明的整体结构俯视图；
图3是本发明无人驾驶阶梯攀爬机器人攀爬状态示意图；
图4是本发明的变形轮剖视图。
图中：货箱1；支架2；第一连杆3；第二连杆4；行星轮5；十字万向轴6；电磁离合器7；电机8；减速器9；第一转臂10；转向转臂11；第三舵机12；主轴13；后减震器14；底盘15；差速器16；第二舵机17；转向调节杆18；第一转向连杆19；第二转向连杆20；超声波传感器21；转向盘22；前减震器24；横梁25；变形轮26；第一舵机27；第二转臂28；重心调节机构29；内盘转轴30；外盘滑动轴31；曲线三角形轮毂32；弧形轮胎33；弧形轮34；内盘35；外盘36；转向机构37。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1-4说明本实施方式，一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，包括变形轮26、行星轮5、底盘15和重心调节机构29，所述底盘15的一端转动连接有两个变形轮26，所述底盘15的另一端转动连接有两个行星轮5，所述重心调节机构29设置在底盘15上端面的中端；使用时，通过驱动行星轮5转动，可以使机器人不仅可以在平地行进，同时行星轮5上转动连接且呈三角形分布的三个行星转轮可以进行进行楼梯攀爬；变形轮26可以呈圆形适应平地行进，同时可以根据楼梯攀爬时的需要进行变形形成可适应楼梯攀爬的阶梯轮，避免圆形轮在楼梯行进时颠簸的问题；通过重心调节机构29，可以在行进时调节重心位置，以此使机器人在攀爬时具有极佳的稳定性，避免坡度过大时翻覆；同时通过重心调节机构29可以确保货箱1处于水平状态，当机器人在攀爬楼梯时，通过重心调节机构29可以调节货箱1水平，从而避免机器人攀爬楼梯时货箱1内物品洒落。
具体实施方式二：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述变形轮26包括三组相同的弧形轮34、内盘35、外盘36和第二舵机17，所述外盘36与第二舵机17的壳体固定连接，所述内盘35固定连接在第二舵机17的转轴上，所述弧形轮34包括弧形轮胎33、曲线三角形轮毂32、外盘滑动轴31和内盘转轴30，所述弧形轮胎33固定连接在曲线三角形轮毂32的外端，所述曲线三角形轮毂32上设置有滑动槽和连接孔，所述三组弧形轮34各通过一个外盘滑动轴31与外盘36滑动连接，所述外盘滑动轴31滑动连接在三角形轮毂32上的滑动槽内，所述三组弧形轮34各通过一个内盘转轴30铰接连接在内盘35上，所述内盘转轴30间隙配合在三角形轮毂32上的连接孔内；使用时，第二舵机17的转轴旋转带动内盘35相对于外盘36进行旋转，从而使三组弧形轮34与外盘36之间产生相对滑动，进而可以使三组弧形轮34从圆形结构变化为三个呈阶梯状圆周分布的圆弧状结构，实现变形轮26自动变形，根据路面实际情况改变变形轮26形状，适应阶梯路面攀爬，有效地提高了阶梯攀爬机器人的实用性和可靠性，最终有利于实现阶梯攀爬机器人自动攀爬阶梯。
具体实施方式三：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述三角形轮毂32的外沿设有L形搭接边，三个三角形轮毂32外沿的L形搭接边两两搭接，三个三角形轮毂32组成圆形结构；在平地时，通过三个三角形轮毂32外沿的L形搭接边两两搭接，确保三个三角形轮毂32组成的圆形结构稳固，同时L形搭接边对变形轮26变形为圆形结构进行限位，避免变形过量。
具体实施方式四：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述重心调节机构29包括货箱1、支架2、八个第一连杆3、四个第二连杆4、第一舵机27、第一转臂10、第二转臂28和横梁25，所述货箱1固定连接在支架2的上端，四个第二连杆4分别位于货箱1的四角处，四个第二连杆4的下端铰接连接在底盘15上，四个第二连杆4的上端各与两个第一连杆3的外端铰接，八个第一连杆3的内端均铰接在支架2上，所述第一舵机27固定连接在底盘15上，所述第一转臂10的一端固定连接在第一舵机27的转轴上，所述第一转臂10的另一端与第二转臂28的一端铰接，所述第二转臂28的另一端铰接在横梁25上，所述横梁25的两端分别固定连接在右端的两个第二连杆4上；所述的第一舵机27驱动第一转臂10，第一转臂10带动第二转臂28运动，第二转臂28通过带动横梁25带动两侧所述的第二连杆4摆动；阶梯攀爬机器人在攀爬时，车体倾斜，由单片机控制器控制第一舵机27转动，通过所述的支架2、所述的第一连杆3、所述的第二连杆4之间的运动传递，使第二连杆4处于竖直状态时，所述的支架2的中心线也处于竖直状态，从而保证固定在支架2上货箱1保持水平状态。
具体实施方式五：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述四个第二连杆4为平行关系，八个第一连杆3为平行关系，所述支架2、四个第二连杆4和八个第一连杆3之间形成四个平行四边形结构，通过平行四边形结构使四个第二连杆4在摆动过程中始终保持平行状态。
具体实施方式六：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括十字万向轴6、电磁离合器7、电机8、减速器9、主轴13和差速器16，其特征在于：所述电机8的传动轴固定连接减速器9的输入端，减速器9的输出轴连接电磁离合器7，电磁离合器7的输出轴固定连接十字万向轴6的一端，十字万向轴6的另一端连接差速器16，所述差速器16驱动两根主轴13，两根主轴13上各固定连接一个行星轮5；电动机8通过减速器9、电磁离合器7、差速器16和主轴13带动行星轮5自由转动，同时驱动机器人前进、停止或后退。
具体实施方式七：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述底盘15的两端设置有前悬架和后悬架，两个变形轮26转动连接在前悬架的两侧，两个行星轮5转动连接在后悬架的两侧，所述前悬架与底盘15之间设置有前减震器24，所述后悬架与底盘15之间设置有后减震器14；通过前减震器24和后减震器14减轻机器人在行进或攀爬过程中的震动。
具体实施方式八：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括转向机构37，其特征在于：所述转向机构37包括第三舵机12、转向转臂11、第一转向连杆19、第二转向连杆20、转向盘22和转向调节杆18，所述转向转臂11固定连接在第三舵机12的转轴上，所述第三舵机12固定连接在底盘15上，所述第一转向连杆19的一端铰接连接转向转臂11，所述第一转向连杆19的另一端与第二转向连杆20的一端铰接，所述第二转向连杆20的另一端与转向盘22铰接，所述转向盘22的两端分别与一个转向调节杆18的一端铰接，所述转向调节杆18的另一端铰接连接转向臂，两个转向臂分别固定连接在两个前转向架上，两个前转向架分别铰接在底盘15前端的两侧，两个第二舵机17分别转动连接在两个前转向架上；转向时，第三舵机12驱动转向转臂11，转向转臂11带动第一转向连杆19、第二转向连杆20运动，第二转向连杆20推动或拉动通过转向盘22进而实现转向盘22的旋转，通过转向盘22带动转向调节杆18控制两个前转向架摆动，从而实现机器人的转向。
具体实施方式九：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括超声波传感器21和单片机控制器，所述超声波传感器21固定连接在底盘15的前端，所述超声波传感器21的输入端连接单片机控制器，所述单片机控制器的输出端分别连接第二舵机17的信号输入端、第一舵机27的信号输入端和第三舵机12的信号输入端；在平路上运行时，所述的变形轮26为圆形轮式，电动机8通过减速器9可以带动呈圆形结构的变形轮26转动，从而驱动机器人前进、停止或后退，在机器人行进的同时带动行星轮5上的行星转轮自由转动，所述电动机8带动变形轮26转动的传动方式与电动机8带动行星轮5转动的传动方式相同，且此电机驱动车轮转动为四驱或两驱车辆的常用驱动结构，本说明书中不多做阐述；由第三舵机12驱动转向转臂11，通过转向转臂11带动第一连杆19和第二连杆20，通过带动第二连杆20转向盘22控制所述的转向调节杆18控制机器人的转向；在前行的过程中，当安装在车体前端的超声波传感器21检测到前方阶梯时，机器人停止前进，所述的第二舵机17使所述的变形轮26发生变形，电磁离合器7驱动十字万向轴6，通过差速器16驱动主轴13，带动行星轮5转动，机器人开始攀爬；同时，由所述的第一舵机27驱动所述的第一转臂10，带动所述的第二转臂28，再通过横梁25、所述的第二连杆4、所述的第一连杆3、所述的支架2之间的运动传递，使得所述的第二连杆4处于竖直状态，保证所述的支架2处于水平状态，从而使得固定在支架2上的货箱1始终保持水平状态。并且，为了缓解路面带来的冲击，能够迅速吸收颠簸时产生的震动，使机器人恢复到正常运行状态，在机身前后设计了前减震器24和后减震器14。
本发明的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，其工作原理为：使用时，通过驱动行星轮5转动，可以使机器人不仅可以在平地行进，同时行星轮5上转动连接且呈三角形分布的三个行星转轮可以进行进行楼梯攀爬；变形轮26可以呈圆形适应平地行进，同时可以根据楼梯攀爬时的需要进行变形形成可适应楼梯攀爬的阶梯轮，避免圆形轮在楼梯行进时颠簸的问题；通过重心调节机构29，可以在行进时调节重心位置，以此使机器人在攀爬时具有极佳的稳定性，避免坡度过大时翻覆；同时通过重心调节机构29可以确保货箱1处于水平状态，当机器人在攀爬楼梯时，通过重心调节机构29可以调节货箱1水平，从而避免机器人攀爬楼梯时货箱1内物品洒落。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，包括变形轮(26)、行星轮(5)、底盘(15)和重心调节机构(29)，其特征在于：所述底盘(15)的一端转动连接有两个变形轮(26)，所述底盘(15)的另一端转动连接有两个行星轮(5)，所述重心调节机构(29)设置在底盘(15)上端面的中端。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，其特征在于：所述变形轮(26)包括三组相同的弧形轮(34)、内盘(35)、外盘(36)和第二舵机(17)，所述外盘(36)与第二舵机(17)的壳体固定连接，所述内盘(35)固定连接在第二舵机(17)的转轴上，所述弧形轮(34)包括弧形轮胎(33)、曲线三角形轮毂(32)、外盘滑动轴(31)和内盘转轴(30)，所述弧形轮胎(33)固定连接在曲线三角形轮毂(32)的外端，所述曲线三角形轮毂(32)上设置有滑动槽和连接孔，所述三组弧形轮(34)各通过一个外盘滑动轴(31)与外盘(36)滑动连接，所述外盘滑动轴(31)滑动连接在三角形轮毂(32)上的滑动槽内，所述三组弧形轮(34)各通过一个内盘转轴(30)铰接连接在内盘(35)上，所述内盘转轴(30)间隙配合在三角形轮毂(32)上的连接孔内。
3.根据权利要求2所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，其特征在于：所述三角形轮毂(32)的外沿设有L形搭接边，三个三角形轮毂(32)外沿的L形搭接边两两搭接，三个三角形轮毂(32)组成圆形结构。
4.根据权利要求2所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，其特征在于：所述重心调节机构(29)包括货箱(1)、支架(2)、八个第一连杆(3)、四个第二连杆(4)、第一舵机(27)、第一转臂(10)、第二转臂(28)和横梁(25)，所述货箱(1)固定连接在支架(2)的上端，四个第二连杆(4)分别位于货箱(1)的四角处，四个第二连杆(4)的下端铰接连接在底盘(15)上，四个第二连杆(4)的上端各与两个第一连杆(3)的外端铰接，八个第一连杆(3)的内端均铰接在支架(2)上，所述第一舵机(27)固定连接在底盘(15)上，所述第一转臂(10)的一端固定连接在第一舵机(27)的转轴上，所述第一转臂(10)的另一端与第二转臂(28)的一端铰接，所述第二转臂(28)的另一端铰接在横梁(25)上，所述横梁(25)的两端分别连接在右端的两个第二连杆(4)上。
5.根据权利要求4所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，其特征在于：所述四个第二连杆(4)为平行关系，八个第一连杆(3)为平行关系，所述支架(2)、四个第二连杆(4)和八个第一连杆(3)之间形成四个平行四边形结构。
6.根据权利要求1所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括十字万向轴(6)、电磁离合器(7)、电机(8)、减速器(9)、主轴(13)和差速器(16)，其特征在于：所述电机(8)的传动轴固定连接减速器(9)的输入端，减速器(9)的输出轴连接电磁离合器(7)，电磁离合器(7)的输出轴固定连接十字万向轴(6)的一端，十字万向轴(6)的另一端连接差速器(16)，所述差速器(16)驱动两根主轴(13)，两根主轴(13)上各固定连接一个行星轮(5)。
7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，其特征在于：所述底盘(15)的两端设置有前悬架和后悬架，两个变形轮(26)转动连接在前悬架的两侧，两个行星轮(5)转动连接在后悬架的两侧，所述前悬架与底盘(15)之间设置有前减震器(24)，所述后悬架与底盘(15)之间设置有后减震器(14)。
8.根据权利要求4所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括转向机构(37)，其特征在于：所述转向机构(37)包括第三舵机(12)、转向转臂(11)、第一转向连杆(19)、第二转向连杆(20)、转向盘(22)和转向调节杆(18)，所述转向转臂(11)固定连接在第三舵机(12)的转轴上，所述第三舵机(12)固定连接在底盘(15)上，所述第一转向连杆(19)的一端铰接连接转向转臂(11)，所述第一转向连杆(19)的另一端与第二转向连杆(20)的一端铰接，所述第二转向连杆(20)的另一端与转向盘(22)铰接，所述转向盘(22)的两端分别与一个转向调节杆(18)的一端铰接，所述转向调节杆(18)的另一端铰接连接转向臂，两个转向臂分别固定连接在两个前转向架上，两个前转向架分别铰接在底盘(15)前端的两侧，两个第二舵机(17)分别转动连接在两个前转向架上。
9.根据权利要求8所述的一种无人驾驶阶梯攀爬机器人，还包括超声波传感器(21)和单片机控制器，其特征在于：所述超声波传感器(21)固定连接在底盘(15)的前端，所述超声波传感器(21)的输入端连接单片机控制器，所述单片机控制器的输出端分别连接第二舵机(17)的信号输入端、第一舵机(27)的信号输入端和第三舵机(12)的信号输入端。
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