CN108349516B - 爬楼梯装置 - Google Patents

Abstract

一种爬楼梯装置包括用于输送有效载荷的承载主体、阶梯框架以及用于沿着循环路径相对于所述承载主体移动所述阶梯框架的介于所述阶梯框架和所述承载主体之间的机构。所述机构驱动所述承载主体和所述阶梯框架中的一个沿着所述循环路径的第一段从回缩状态移动到展开状态，并且驱动所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着所述循环路径的第二段移回所述回缩状态。当所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个移动时，所述承载主体和所述阶梯框架在楼梯上保持固定就位。所述机构经配置为保持所述承载主体和所述楼梯之间的相对定向。

Description

爬楼梯装置

技术领域

本发明涉及一种能够在楼梯上爬行的机械装置，尤其涉及一种利用阶梯框架组件的重复循环运动的爬楼梯装置，该阶梯框架组件的部分被成形为符合楼梯台阶的轮廓。

背景技术

在工业环境和日常家庭中，上下楼梯搬运重物是非常麻烦的，甚至可能造成安全隐患。不幸的是，现有的爬楼梯解决方案具有明显的缺点。

物料搬运装置（如手推平车、手推车和台车）经常用于协助上下楼梯搬运货物。但是，这些装置需要将装载货物倾斜以平衡质量中心，并且必须由操作人员来使其保持稳定。

同样，老年人、残疾人或体弱者的行动装置（例如轮椅和轻便摩托车）通常设计为在水平面上操作。若要翻越楼梯，这些装置通常需要坡道或其他人的帮助。

对于移动机器人来说，特别是对那些用于家庭应用的机器人来说，楼梯是一个重大障碍。例如，Roomba吸尘器旨在使吸尘任务自动化，但缺乏翻越楼梯的能力，必须手动将其从房子的一层移动到另一层。其他机器人则依靠类似坦克的踏面，这需要倾斜货物，或使用拟人腿，这使其成为一个非常复杂且昂贵的解决方案。

目前，在现有技术中已经提出了各种具有保持水平能力的爬楼梯装置设计。有些是以协调行走元件或一系列铰接轮组的形式实现的，而另一些则以具有反馈控制的机器人的形式实现。

美国专利申请第US2014 / 0326521号公开了一种运输装置，该运输装置包括承重主体、至少一个中间行走元件、第一侧行走元件和第二侧行走元件。至少一个中间行走元件设置在两个侧行走元件之间。行走元件以能够相对于承重主体上下移动的方式设于承重主体，其中，侧行走元件可以通过垂直驱动器独立于中间行走元件上下移动。同样，行走元件以能够相对于承重主体来回移动的方式设于承重主体，其中，行走元件可以通过水平驱动器独立于中间行走元件来回移动。

美国专利第7,677,345号公开了另一种呈移动式轮式机器人形式的解决方案。确切地说，345专利公开了一种具有窄足迹的移动机器人，其具有在平面上快速移动的性能以及防翻滚功能。该机器人能够通过其轮子排布来应对在具有标高差距的表面上的行进。在通过倒立摆控制进行控制的主传动轮的前后，设置有支撑支脚，其中，支撑支脚能够上下升降，且支撑脚的前端设置为：当在倒置的两轮行进上运行时其与行进表面保持预定的距离，并且支撑支脚固定或者其中处于跌倒方向的任一支撑脚沿着跌倒方向被推出，以便其跌倒。此外，机器人根据设置在支撑支脚的前端处的地表距离传感器和侧面距离传感器的检测信息，感测到标高差距和/或斜面的存在，以使支撑支脚逃离标高差距和/或斜面，并通过另外一个接触地面的支撑支脚和主驱动轮而保持其重心位置稳定；从而使其能够在标高差距和斜面上行进。

美国专利8,776,917中公开了另一种爬楼梯装置。该专利公开了一种爬楼梯装置，其具有在承重台下方延伸的一系列铰接轮组。所有的轮组都可垂直调节，以越过楼梯和类似的高度变化。牵引轮组相对于承重台纵向固定，而随后的轮组可纵向调节以适应不同楼梯的斜度或坡度。该装置使用传感器（例如机械、红外线、超声波等）来检测梯踢脚板的存在及其高度，并实现对由机器上的控制电路完成的组件的控制。轮组通过在平台和轮组之间延伸的受电弓机构彼此独立地上升和下降。水平可调的轮组通过纵向设置在平台上的齿条定位。

现有技术中公开的装置，例如以上所提及的装置，可依赖于可由多个驱动器驱动的多个移动部件。此外，现有技术装置可能需要涉及复杂控制逻辑的主动控制，以便在保持水平的同时在楼梯上来回运动。这些特征通常导致需要多个运动部件在同步控制下工作的大型复杂机电装置。更大的复杂性通常会增加错误和故障的可能性，并且通常会导致更高的生产和维护成本。因此，需要更小、更简单且纯粹的机械式爬楼梯装置，该装置保持稳定且水平，无需主动电子控制。

发明内容

总体描述

为了至少部分地克服先前已知装置的所述缺点，本发明的一个实施例提供了一种装置，其包括承载主体，该承载主体能够通过独特形状的阶梯框架的循环运动来实现承载载荷的稳定、水平，由一个或多个驱动器辅助翻越楼梯，从而在不需要主动控制的情况下保持稳定、水平定向。

确切地说，该爬楼梯装置包括具有能在标称水平的表面上行进的承载主体。这种能力可通过轮子、轨道、带脚的支脚或任何其他合适的移动装置来提供。承载主体包括可含有驱动器、控制逻辑、电源等的主体。驱动器可是机动的或人力驱动的。承载主体还包括承重表面，载荷可以标称水平的方式承载在该承重表面上。

爬楼梯装置进一步包括阶梯框架，该阶梯框架可由单个主体、通过结构连接的多个主体或多个分开的一致运动的主体构成。阶梯框架的特征在于主体部分和外悬部分，其在至少一个实施例中基本上以直角形成以符合楼梯台阶的外形。外悬部分从框架的主体部分自面向楼梯的一侧延伸，且其高度为至少能够通过下一个或多个楼梯台阶。

阶梯框架经由包括非旋转连接件的机构连接到承载主体，该机构允许阶梯框架在水平和/或垂直轴上进行线性平移，同时防止相对于承载主体的任何旋转运动。该机构还包括循环运动机构，该循环运动机构连接到阶梯框架并且使框架相对于承载主体沿着循环路径移动。非旋转连接防止框架在沿循环路径运动时旋转。非旋转连接和循环运动机构可是该机构的不同单元，或者可组合成相同的单元。阶梯框架沿着该闭合路径的水平运动在每个楼梯台阶都以循环方式重复。循环运动机构可由一个或多个由机动或手动操作的驱动器的形式驱动。当翻越楼梯的方向由上升变为下降时，循环路径的运动方向相反。

爬楼梯方法

为了执行循环运动以向上翻越楼梯，爬楼梯装置接近并接触第一台阶，同时其重量完全由承载主体支撑。

接下来，从该初始回缩状态开始，当阶梯框架下降时，循环运动开始，使得框架的底部与地板接触，而阶梯框架的另一部分，较佳地为外悬部分与预定待通过台阶相接触。

随着承载主体爬升到至少大于待通过的台阶的高度时，该装置的重量则从承载主体转移至到阶梯框架上。

然后，承载主体主要水平前进，直到整个承载主体位于待通过的台阶的踏面之上。然后承载主体下降，直到底部接触台阶的踏面。该装置处于完全展开状态。

重量从台阶框转回至承载主体，此时该承载主体位于待通过的台阶的顶部。

然后提升阶梯框架以通过承载主体所在的一个或多个台阶。在通过一个或多个台阶的高度之后，阶梯框架再次主要水平平移，直到装置返回其缩回状态，从而完成循环运动。整个过程在后续台阶上重复进行。

在上述的循环运动期间，需要注意的是，装置在具有或不具有载荷的情况下都会在整个攀爬过程中保持静态稳定。确切地说，当装置的重量由阶梯框架支撑时，装置在重心的整个水平行进中通过框架与台阶的接触保持稳定。当承载主体一旦位于下一台阶的顶部上重量就转回至承载主体，此时重心就会完全转移到承载主体的支撑基座内。较佳地，框架的重量比承载主体相的重量相对较轻，使得其水平位置的变化对整个系统的重心位置的影响相对较小。

若要向下翻越一段楼梯，基本只需反向进行上述爬升次序。确切地说，在检测到顶部台阶的第一边缘时，此时重量置于承载主体，阶梯框架主要水平平移，直到阶梯框架的底部行进了足够的距离，该距离大于预期的待通过的一个或多个台阶的长度。然后阶梯框架下降，直到框架与台阶接触。然后，当承载主体主要水平平移时，重量从承载主体转移到框架。然后承载主体下降，直到其接触到阶梯框架所在的台阶。该装置的重量转移回承载主体上且阶梯框架进一步平移以返回到其相对于承载主体的初始位置。

承载主体

因此，在一个实施例中，本发明包括承载主体，该承载主体包括旋转操作循环运动机构的驱动轴。该承载主体还包括用于在标称平坦的表面上移动的移动支撑机构。

在另一实施例中，承载主体可是包含传感器、控制逻辑、电源的移动机器人。

在另一实施例中，承载主体可由操作者进行远程操作。

在另一实施例中，承载主体可是由操作人员手动操作的手推平车。

在另一实施例中，承载主体可是轮椅。

机构

导槽中的非旋转连接器

在一个实施例中，该机构固定地连接到承载主体的侧面。非旋转连接件可包括方形凸耳，其与滑架中的矩形导槽的平行水平侧边滑动配合，这防止凸耳沿着导槽移动时旋转。滑架又与机构主体中的平行垂直轨道滑动配合。循环运动机构可通过四个链轮来实现，该链轮通过链环与驱动轴连接，其中驱动轴用于驱动其中一个链轮，且凸耳可旋转地连接到其中一个链环。当循环运动机构被驱动时，非旋转连接件形成与链环形状对应的矩形循环路径。

非旋转滑架组件

在另一实施例中，非旋转连接件可包括滑架，该滑架通过一组滚轮与位于机构主体的一个或两个垂直轨道滑动配合。同时，另一组滚轮使得水平轨道可相对于滑架水平滑动。水平轨道可包括至少两个附着点，以使阶梯框架能够与该至少两个连接点固定连接。

链环机构

在该机构的另一实施例中，非旋转连接件可通过旋转滑架组件实现，而循环运动机构可通过四个链轮实现，该链轮通过链环与驱动轴连接，该驱动轴用于驱动其中一个链轮。

在另一实施例中，循环运动机构可由两组链条和链轮环组件来实现，分别用于垂直方向和水平方向运动。在该实施例中，可能需要一个或多个驱动器来驱动该链条和链轮环组件。

环状齿条机构

在另一实施例中，循环运动机构可包括被驱动的小齿轮，用来在形成闭合平面回路的齿条上运动。小齿轮可以通过各种方式被限制在齿条上。阶梯框架可连接到齿条上。当小齿轮绕齿条运动时，阶梯框架可通过呈非旋转滑架组件形式的非旋转连接件来限制，从而使得框架以与通过齿条所形成的回路形状一致的循环路径平移。

在另一实施例中，小齿轮可通过包括底板上的多个销的约束机构被限制在齿条上。至少一个销与与齿形表面相对的齿条内表面接触，而至少一个销与齿条的外表面接触，使得内销和外销一起将连接到底板的小齿轮限制在带齿齿条上。

回转曲柄机构

在另一实施例中，循环运动机构可由回转曲柄臂组成。曲柄的一端可通过驱动轴转动，而另一端则可通过销连接到阶梯框架。框架可以通过非旋转滑架组件来避免旋转。由此产生的循环运动是圆形的。

非旋转轮毂机构

在另一实施例中，循环运动机构和非旋转连接件可组合成回转曲柄臂机构。与曲柄臂的驱动轴同心的第一轮毂不可旋转地固定到承载主体上。第二轮毂通过轴承和短轴可旋转地连接到曲柄臂的端部。第二轮毂不可旋转地固定在阶梯框架上。第一旋转装置或第一链轮与第一轮毂同心且与第一轮毂固定连接，而第二旋转装置或第二链轮与第二轮毂的轴同心并与第二轮毂固定连接。诸如链环的连接装置连接第一和第二链轮。当曲柄臂通过驱动轴转动时，第二轮毂沿圆形路径运动，但不会相对于第一轮毂旋转，从而实现与阶梯框架的非旋转连接件。

在另一实施例中，上述的链轮和链环可分别用滑轮和皮带代替。

在另一实施例中，上述的链轮和链环可用奇数个啮合齿轮代替。

双曲柄臂机构

在另一实施例中，循环运动机构可使用双曲柄臂机构来实现。驱动轴旋转主曲轴臂。与主曲柄臂的驱动轴同心的非旋转主装置或滑轮不可旋转地固定在机构的主体上。副旋转装置或滑轮通过连接装置或皮带连接到主滑轮上。第二曲柄臂连接到第二滑轮并用于连接到阶梯框架上。滑轮的直径与曲柄臂的长度之间的比率经配置为使得所产生的循环路径是一条长短辐圆内旋轮线路径。

阶梯框架

每个机构都连接到阶梯框架上，该阶梯框架可由单个主体、由刚性结构连接的多个类似主体或者通过通过相互连接机构连接而一致运动的多个类似的主体组成。

固定几何形状

在一个实施例中，具有固定几何形状的阶梯框架包括具有外悬部分的主体，该外悬部分从至少大于单个台阶高度的高度延伸。阶梯框架的外悬部分和主体部分基本上以直角形成以符合台阶的形状。主体部分和外悬部分可包括用于与每个台阶进行承重接触的功能件（例如支撑脚或摩擦垫）。

在一个实施例中，阶梯框架的主体可基本上为“L”形，其中外悬部分从至少大于楼梯台阶高度的高度延伸。

可变几何形状

阶梯框架可具有可变几何形状。在一个实施例中，阶梯框架可包括在爬升或爬下台阶之前展开的折叠外悬部分。

在另一实施例中，阶梯框架可由通过滑轨连接的上部和下部组成，使得下部能够水平滑动，从而使得阶梯框架在无需改变方向的情况下实现从“爬升”状态转变为“爬下”状态。

找平

阶梯框架可具有找平能力。在一个实施例中，找平能力可通过包含主体和与主体相连的两个垂直轨道的阶梯框架实现。两个框架面板可滑动地接合两个垂直轨道。两面板的相对面各自包括一个齿条，使得两个面板可通过固定在背框架上的小齿轮连接。当主体下降时，其中一个面板首先与上部或下部台阶接触。然后，两个面板可反相垂直移动，使得其中一个面板下降，另一个面板升高，直到两个面板都与两个台阶接触。

在另一实施例中，找平能力可通过四连杆机构来实现，其中两个水平杆可在两端处不可旋转地与支撑脚连接。较佳地，四连杆机构可在水平杆的中心附近连接到与承载主体相连的机构的主体上。水平杆可绕主体的连接点旋转，以升高或降低前支撑脚，直到其接触下一台阶。

在另一实施例中，找平能力可使用带齿的旋转枢轴来实现。当阶梯框架爬下到台阶上时，其自由旋转使得前支脚和下支脚分别同时接触下一层表面和当前层表面。当主体再次向下运动时，带齿齿楔将夹在枢轴上，从而防止进一步旋转。

在其他实施例中，找平能力通过前支脚实现，该前支脚通过垂直通道实现相对于主框架主体垂直移动，直到锁定销接合前支脚上的齿形表面。锁定销通过枢轴机械地连接到下支脚。当主框架主体下降时，前支脚先与下一层接触，且当下支脚最终与当前层接触时，锁定销与齿形表面接合并接触，从而将前支脚锁定到位。

上述锁定销配置的其他实施例可使用机电开关和驱动器来实现，以当所有支脚已与其各自的层接触时触发锁定销。

多台阶

在另一实施例中，通过使外悬部分从阶梯框架的主体延伸的高度至少大于所需跨越的多个台阶的高度，从而使阶梯框架能够在一个循环运动时跨越多个台阶。

替代实施例

承载主体相对于阶梯框架和机构的设置是可变化的。在一个实施例中，爬楼梯装置采用在承载主体的任一侧上由两个对称主体构成的阶梯框架。

在另一实施例中，爬楼梯装置可采用仅由一个中心体构成的阶梯框架，由此承载主体可为具有连接到承载主体的两个垂直内表面上的机构的三面框架。阶梯框架具有足够宽度用于支撑装置的重量和任何可能的载荷，且台框架的两侧连接到所述机构，使得在循环运动的最高点处，阶梯框架不会被承载主体的顶部阻碍。

在另一实施例中，本发明可是人力驱动的，以同时实现或单独实现阶梯框架的平面移动和/或循环移动。

在另一实施例中，承载主体的运动支撑机构可具有制动单元，该制动单元其在检测到承载主体紧靠台阶的边缘时将防止或抵抗承载主体朝向边缘的进一步运动。这些制动单元在本质上可是机械的或机电的。

在另一实施例中，承载主体可包括其他辅助稳定臂，其会对相同台阶或不同台阶的特征作出反应以保持平衡。

附图说明

本发明的其他方面和优点将从以下结合附图的描述中显现，其中：

装置零件

图1示出根据本发明一个实施例的爬楼梯装置的透视图；

图2示出图1所示出的爬楼梯装置的分解透视图；

图3A示出承载主体的一个实施例的正面、侧面和透视图；

图3B示出图3A中承载主体承载载荷状态下的透视图；

图3C示出承载载荷的承载主体在台阶上的侧视图；

图3D示出具有对台阶的特征作出反应的辅助稳定装置的承载主体的侧视图；

图4示出阶梯框架的一个实施例的透视图和侧视图；

图5A示出图4所示出的阶梯框架的实施例的侧视图，其说明在多个负载位置作用在框架组件上的力；

图5B示出图4所示出的阶梯框架的实施例的侧视图以及当框架组件利用悬臂抵靠台阶时作用在框架组件的多个负载位置上的力；

图6A示出机构架的一个实施例的透视图和侧视图；

图6B示出图6A中描绘的机构的分解透视图；

爬楼梯方法

图7A示出图6中的机构的一系列透视图，其说明执行循环运动路径的两个部分的机构；

图7B示出部分分解图，其示出了连接到承载主体和阶梯框架的图7A所示机构；

图7C示出连接至经历循环运动路径两个部分的机构的阶梯框架的一系列透视图；

图7D描绘通过使用图7A和图7C中所示出的循环运动来爬台阶的爬楼梯装置的侧视图；

图8A-8J示出图1中所示出的爬楼梯装置的实施例的侧视图，其通过说明在其循环爬升运动期间承载主体和阶梯框架的连续位置；

图9A-9E示出图1中所示出的爬楼梯装置的实施例的侧视图，其说明在循环爬升运动期间爬楼梯装置的重心的移动；

机构实施例

图10A描绘了以非旋转滑架组件为非旋转连接件的优选实施例的透视图；

图10B示出图10A中的非旋转滑架组件在其垂直和水平运动时的侧视图；

图11A示出使用链环和四个链轮的机构的优选实施例的透视图；

图11B示出图11A所示机构相对于承载主体和阶梯框架的分解图；

图12A-12D示出具有如图11所示出的机构的爬楼梯装置的局部透明侧视图，其说明使用该机构所实现的循环路径运动；

图13示出使用链条和四个链轮的机构的另一实施例的透视图和侧视图，该机构会产生梯形的循环运动路径；

图14A示出环形齿条齿轮式机构的优选实施例的透视图和侧视图，以及与环状齿条啮合的小齿轮的详细视图；

图14B示出与承载主体和阶梯框架有关的图14A中的机构的分解图；

图15A-15D示出与图14所示环状齿条齿轮式机构结合的爬楼梯装置在循环运动爬上楼梯时的局部透明侧视图；

图16示出具有使用销的约束机构的环状齿条齿轮式机构的替代实施例的透视图；

图17示出如图14和图16所示出的环状齿条的其他可能配置的侧视图；

图18A示出使用曲柄臂的机构的另一实施例的透视图和侧视图；

图18B示出图18A所示曲柄臂机构相对于承载主体和阶梯框架的分解图；

图19A-19D示出具有如图18所示出的机构的爬楼梯装置的局部透明侧视图，其说明通过该机构所实现的循环爬升运动；

图20A示出双曲柄臂循环路径机构的透视图和侧视图；

图20B示出由图20A所示出的双曲柄臂循环路径机构实现的长短辐圆内旋轮线循环路径的侧视图；

图21A示出基于一组非旋转轮毂的组合机构的优选实施例的透视图；

图21B示出图21A的机构的分解透视图；

图21C示出图21A所示出的组合机构在执行圆周循环运动时的一系列运动的侧视图；

图22A示出与承载主体和阶梯框架相关的图21中描绘的组合机构的透视图；

图22B-22J示出由使用图22A所示出的机构的爬楼梯装置执行的循环运动的侧视图；

图23A示出使用齿轮代替链环的非旋转轮毂机构的一个实施例的透视图；

图23B示出图23A中的机构的分解透视图；

图23C示出与承载主体和阶梯框架有关的图23A中的机构的透视图；

图24示出产生圆周运动路径的机构的另一实施例，该圆周运动路径使用由链环驱动的四连杆机构；

图25示出在其循环运动的四个点处的爬楼梯装置的优选实施例的透视图，其中该机构被分成两个独立的阶段，一个竖直的和一个水平的，每个阶段由其自己的驱动器驱动；

阶梯框架实施例

图26A示出由多个一致移动的固定几何体组成的阶梯框架的优选实施例；

图26B示出具有由轻质框架组成的固定几何形状的多体阶梯框架的另一优选实施例；

图26C示出图26B中具有可变几何形状的一级阶梯框架体的一个实施例，同时示出在这种情况下滑动外悬部分处于展开和收起状态；

图26D示出阶梯框架的实施例如何可通过结构连接的多个主体组成；

图26E示出阶梯框架的实施例如何由单个中心体组成；

图27示出阶梯框架的另一可变几何形状实施例的透视图和侧视图，其下部可滑动地配合到其上部的轨道上，从而允许其用于爬升或爬下；

图28A示出通过使用两个相对滑动的面板实现找平能力的阶梯框架的一个实施例的透视图和侧视图；

图28B示出图28A的找平阶梯框架，其可调节到具有较高梯级竖板的台阶；

图28C示出图28A的找平阶梯框架，其可调节到具有较低梯级竖板的台阶；

图29A示出通过使用四连杆机构实现找平能力的阶梯框架的另一实施例的透视图和侧视图；

图29B示出图29A的找平阶梯框架，其可调节到具有任意梯级竖板高度的台阶；

图30A示出通过使用带齿枢轴实现找平能力的阶梯框架的另一实施例的透视图和侧视图；

图30B示出图30A的找平阶梯框架，其可调节到具有任意梯级竖板高度的台阶；

图31A示出通过使用可锁定前支脚实现找平能力的阶梯框架的另一实施例的透视图和侧视图；

图31B示出图31A的找平阶梯框架，其可调节到具有任意梯级竖板高度的台阶；

图32A示出通过使用旋转和锁定前外悬部分实现找平能力的阶梯框架的另一实施例的透视图和侧视图；

图32B示出图32A的找平阶梯框架，其可调节到具有任意梯级竖板高度的台阶；

图33A示出通过使用由可变连杆机构组成的前支脚实现找平能力的阶梯框架的另一实施例的透视图和侧视图；

图33B示出图33A的找平阶梯框架，其可调节到具有任意梯级竖板高度的台阶；

图34A示出能够跨越多个台阶的爬楼梯装置的一个实施例的透视图；

图34B示出图34A中描绘的爬楼梯装置执行循环运动以跨越两个楼梯台阶的侧视图；

图35A示出以机动化机器人为承载主体的一个优选实施例的透视图和侧视图；

图35B示出以遥控车辆为承载主体的一个优选实施例的透视图和侧视图；

图35C示出以手动操纵手推车为承载主体的一个优选实施例的透视图和侧视图；

图35D示出以轮椅为承载主体的一个实施例的透视图和侧视图；

图36A示出图35A的承载主体的侧视图和透视图，其描绘由相似尺寸的固定轮和脚轮的组合组成的轮子配置；

图36B示出图35C的承载主体的侧视图和透视图，其描绘由不同尺寸的固定轮和脚轮的组合组成的轮子配置；

图36C示出承载主体的侧视图和透视图，其描绘具有辅助稳定轮的轮子配置，该辅助稳定轮也可用作边缘检测制动系统的一部分；

图36D示出图36C中的承载主体在地面上以及在台阶上时的侧视图；

图37A示出边缘检测制动单元的透视图；

图37B示出在检测到台阶的边缘时图37A中描绘的制动单元处于其脱离与接合形式的侧视图；

图37C示出在检测到台阶的边缘时图35C中描绘的制动单元处于其脱离与接合形式的侧视图；

装置的优选和替代实施例

图38示出呈服务用机器人形式的爬楼梯装置的优选实施例的透视图和分解透视图；

图39示出呈手推车形式的手动操作爬楼梯装置的优选实施例的透视图和分解图；

图40示出图39中描绘的手推车的手动驱动版本的透视图；

图41示出利用由单个中心体构成的爬升框架组件的爬楼梯装置的一个实施例的透视图和分解图。

详细附图说明：

在以下描述中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

整个装置

如图1所示，爬楼梯装置10与本发明的一个实施例一致。爬楼梯装置10包括能够沿基本水平定向承载载荷的承载主体12。本实施例中具有独特形状的阶梯框架14包含两个类似的联动主体14a和14b，该联动主体14a和14b分别经由机构16连接到承载主体12的两个相对侧。

图2示出图1所示出的爬楼梯装置10的实施例的分解图。使机构16致动的驱动器21较佳地容纳在承载主体12内。

承载主体

图3A展示承载主体12的一个实施例。在所示出的实施例中，承载主体12包括刚性外壳18，其具有呈轮子形式的移动支撑件20。其他类型的移动支撑件可为轨道、踏板、支脚、脚或任何其它适合的装置以促进水平移动。承载主体12进一步包括驱动轴22。在该实施例中，驱动轴22由位于外壳18内部的机动驱动器21驱动。在其他实施例中，驱动轴22可通过外部曲柄手动驱动。如将在下面详细讨论的那样，驱动轴22将驱动所述的机构以使阶梯框架14相对于承载主体12的移动。所有必要的控制逻辑电路或电源都可容纳在外壳18内。

如图3B所示，外壳18进一步包括承重表面26。

图3C示出承载主体12上的运动支撑件20如何设置成允许其在台阶80上或在地板90上以标称水平的定向承载载荷28。

图3D示出承载载荷28的承载主体12如何通过移动支撑件20（示出为轮子）和辅助稳定臂114和116的组合在台阶80上保持水平且稳定，该辅助稳定臂分别针对相同台阶或不同台阶的特征起作用。

阶梯框架

参考图4，阶梯框架14的该实施例包括主体部分54和外悬部分56，由假想虚线分开。基本上水平的外悬部分56位于主体54的底部之上的高度58处。高度58至少大于单个楼梯台阶的高度。升高的外悬部分56使得阶梯框架基本上符合楼梯台阶的形状。主体部分54具有包括支撑件66、68的底表面64。在该实施例中，主体部分54还具有基本垂直的表面65。其他支撑件70位于表面60上。表面60、64、65和支撑件66、68、70用于接触并顶抵台阶的一个或多个表面或单元，以确保爬楼梯装置10在爬升或爬下台阶时保持静态平衡。

图5A和图5B示出了在保持静态平衡的同时，阶梯框架14如何在横向范围72的各个位置处支撑主要向下的垂直载荷28。

在图5A中，支撑件66、68和70分别提供抵靠台阶80的表面81和82的垂直反作用力74、76和78，以平衡载荷28在其整个运动范围72内的重量。

在图5B中，在阶梯框架14的上半部分悬挑在台阶80上方（支撑件70被拆卸）的情况下，载荷28通过抵靠表面81的垂直反作用力74、76，表面65在踏面84的突出部分的水平反作用86以及在最前部支撑件74处的水平摩擦部件87来保持平衡。

机构

图6示出机构16的一个实施例，其包括主体部分1601，在该实施例中，该主体部分刚性地连接于承载主体12。在其他可能的替代实施例中，主体部分1601可刚性地连接于阶梯框架。主体部分1601具有垂直轨道1610。滑架1620滑设于垂直轨道1610。在该实施例中，非旋转连接件由方形凸耳1602组成，其滑动连接于滑架1620内的矩形导槽1603的平行侧边，该平行侧边防止凸耳1602在其沿导槽1603移动时及在滑架1620沿着轨道1610滑动时旋转。循环运动机构通过由链环162连接的三个空转链轮1164和一个从动链轮164实现。由驱动器21驱动的爬升驱动轴22驱动链轮164，致使链环移动。凸耳1602借助销166转动连接于链环162中的一环上，使得凸耳随着链环移动。凸耳连接到阶梯框架14中的对应单元1700上。

爬楼梯方法

图7说明在机构16连接到阶梯框架14时由机构产生的循环运动如何导致爬楼梯运动。

图7A示出状态序列中的机构16。首先，非旋转连接件1602处于其初始位置。然后，当驱动器21被启动时，驱动轴22沿方向23转动，从而致使连接件1602沿着与图6B所示出的链环162的形状对应的矩形循环路径48的第一段481移动。最后，连接件1602沿着循环路径的第二段482移动，从而返回到其初始位置。

当如图所示出沿逆时针方向23执行时，第一路径段481由向下的垂直行程和向后的水平行程组成，而第二路径段482则由向上的垂直行程和向前的水平行程组成。这些序列可通过将方向23从逆时针改变为顺时针来逆转。

图7B是示出连接到承载主体12和阶梯框架14的机构16的局部分解视图。阶梯框架14通过相应的单元1700连接到非旋转连接件1602。因此，阶梯框架14与非旋转连接件1602一起移动。

图7C示出在完全组装好的爬楼梯装置10的情况下图5A中所示的相同的序列。机构16沿着循环路径48相对于承载主体12移动阶梯框架14。阶梯框架14沿着循环路径48的第一段481相对于承载主体12从回缩状态移动到展开状态，然后沿着第二段482从展开状态返回到回缩状态。

图7D示出与图5B相同的序列，其中爬楼梯装置10放置在台阶80的第一层81上。在回缩状态下，承载主体12和阶梯框架14都位于第一层81上。当沿着循环路径481的第一段驱动框架时，装置10处于展开状态，其中承载主体12和框架14分别处于不同层81和82上。最后，沿着循环路径482的第二段驱动框架，使装置10返回到其回缩状态，其中承载主体12和框架14在同一层82上。

图7中所示出的序列对应于爬升运动。通过反转方向23，可实现等同的下行运动。

图8更详细地说明如图1所示出的爬楼梯装置10的实施例如何使用如图7所示的阶梯框架14的循环运动来爬升楼梯。

图8A示出爬楼梯装置10接近台阶80。装置的重量及其有效载荷完全由承载主体的运动单元20支撑。

在图8B中，爬楼梯装置10在第一台阶80上处于初始回缩状态。承载主体和阶梯框架14都在层81上。

在图8C中，循环运动已经开始。装置10的重量已经从承载主体（隐藏）转移到阶梯框架14。较佳地，支撑件66、68与下层81接触且支撑件70与台阶表面82接触。机构16（具有隐藏的承载主体12）正在爬升。

在图8D中，循环运动机构的向下垂直行程允许承载主体12（隐藏）爬升的高度能够跨越台阶82。

在图8E中，循环运动机构的向后水平行程驱动承载主体（隐藏）以及机构16水平前进。

在图8F中，循环路径481的第一段完成。装置10现在处于展开状态，其中阶梯框架位于层81上，承载主体位于层82上。

在图8G中，重量已经从阶梯框架14转移回承载主体的运动单元20，并且装置10现在支撑在表面82上。随着阶梯框架14现在被提升，循环运动继续。

在图8H中，在向上竖直行程的顶点处，阶梯框架14处于足以通过第一台阶82的高度处。

在图8I中，循环路径的向前水平行程使阶梯框架14相对于承载主体12朝其初始状态移动。

最后，在图8J中，循环路径482的第二段现在完成，并且爬楼梯装置10在表面82上回到回缩状态。

图9示出在上述循环运动期间爬楼梯装置10和有效载荷（隐藏）的重心92转移。需要注意的是，装置10不管是否带有载荷，在整个爬楼梯装置序列中保持静态稳定。

在图9A中，重心92位于地面以上的承载主体上，并且将在位置94的整个范围内得到很好的支撑。

如图9B和图9C所示，当承载主体在有载荷或无载荷的情况下爬升以通过第一台阶82的高度时，重心92的支撑转移到阶梯框架14。如上所述，较佳地，支撑件66、68和70与表面81和表面82接触，使得在有载荷或无载荷的情况下承载主体12在整个位置范围94内得以被完全支撑。

在图9D和图9E中，当装置10的重量转移回承载主体12上时，重心92再次完全转移到承载主体12内。由于阶梯框架14与承载主体12相比重量轻，所以其水平位置的变化对质心92在位置94的范围上的位置影响相对较小。

机构实施例

非旋转滑架组件

图10示出位于机构16内为非旋转滑架组件31形式的非旋转连接件的优选实施例。

在图10A中，非旋转滑架组件31包括后板1190，该后板刚性地连接到承载主体12的两侧以与其整体移动。两个垂直轨道1194连接到后板1190靠近其外部两个垂直边缘的位置上。滑架1191在第一表面上包含两组能够在垂直轨道导轨1194的表面上自由滚动的垂直滚轮1193。在与第一表面相反的第二表面上，设有两组水平滚轮1192以在水平轨道1195的表面上自由滚动。如图所示出，两个连接点44分别位于水平轨道1195的远端和近端附近，用于连接到框架组件14（未示出）。水平轨道因此与阶梯框架整体移动。在另一实施例中，水平轨道可与阶梯框架一体成型。

图10B说明非旋转滑架组件31如何实现水平轨道1195在水平方向1197和垂直方向1198上进行平移运动。当通过连接点44连接到阶梯框架14（未示出）时，相同的二维自由平移相对于机构16被传输到阶梯框架，进而被传输到承载主体12（未示出）上。同时，非旋转滑架组件防止框架14相对于承载主体12旋转。

链环机构

图11所示为利用链环执行直线循环路径的机构160的优选实施例。

在该实施例中，机构160包含非旋转连接件，其形式为类似于图11A中所示出的非旋转滑架组件31。该循环运动机构呈现为由源于承载主体12的驱动轴22致动的链环162。如上所述，驱动轴22可是机动的或人力驱动的。驱动轴22转动四个链轮164中的一个，这导致链环162绕如图所示的所有四个链轮164前进。阶梯框架14通过连接点44连接到机构160。连接到链环162中的专用环节（未示出）的连接销166连接到阶梯框架14上的相应孔170上。如本领域技术人员可以理解的，在上述实施例中，链轮164和链环162可由类似或等同的装置（例如同步带、束带圈、齿条和小齿轮、导螺杆和滑轮）来实现等同的结果。

图12A至图12D中描绘了于上述实施例的相同的爬楼梯序列。当驱动轴22转动其中一个链轮164时，链环162绕其他链轮旋转。继而，连接销166在直线循环路径中沿着链环162移动阶梯框架14。这允许阶梯框架执行类似于上面讨论的循环爬升运动。

如本领域技术人员可以理解的，图11所示出的上述实施例示出了由单个驱动器驱动的链环162。

图13示出了链环机构1600的另一实施例，其中链环162设置成梯形。梯形链环162与适当形状的阶梯框架相耦合，以主要对角线方式移动这样的阶梯框架以最小化循环时间。

环状齿条机构

在另一优选实施例中，机构16可包括循环运动机构，该循环运动机构包括设置为能够在形成平面直线循环路径的齿条传动装置上运动的从动小齿轮。

如图14A所示出，该机构的该实施例包括呈非旋转滑架组件31形式的非旋转连接件和由内轨道50和外轨道52组成的循环运动机构53。内轨道50装配在外轨道52的中空中心内。在组装时，内轨道50和外轨道52形成刚性结构，使得轨道之间的间隙保持固定。内轨道50的外圆周衬有齿条传动装置49，从而形成闭合的直线回路。

与齿条传动装置49对应的小齿轮24固定在驱动轴22上，该驱动轴又由承载主体12中的驱动器驱动。驱动器可是机动的或人力驱动的。如本领域技术人员可以理解的那样，该实施例仅需要一个驱动器来驱动驱动轴22。

如细节所示出，小齿轮24被约束为在整个回路上跟随并保持与齿条传动装置49啮合。在该实施例中，约束由外轨道52提供，使得小齿轮24始终保持在轨道50和52之间的间隙内。小齿轮24的中心遵循由轨道50和52之间的中心线48限定的轨迹。

包括内轨道50、齿条传动装置49、外轨道52的组件与小齿轮24一起形成循环运动机构53。

旋转小齿轮24会使循环运动机构53以相对于机构16的直线形式移动，其路径形状与中心线48相似。反向转动小齿轮24会使循环运动机构53沿着相同的中心线48反向运动。

如图14B中的分解图所示出，循环运动机构53通过连接点153固定地连接到框架组件14。由于框架组件14也固定地连接到非旋转滑架组件31上的连接点44，因此防止框架组件14和循环运动机构53相对于承载主体12旋转并且仅允许通过由小齿轮24推进的循环运动机构53的直线运动来平移。所得到的循环路径的形状与中心线48的形状相似。

图15A至图15D中描绘了上述实施例的相应的爬升或下行序列。当小齿轮24转动时，循环运动机构53相对于机构16执行直线循环路径。继而使得阶梯框架执行类似于上面讨论的循环爬升运动。

图16示出了循环运动机构530的替代实施例。该实施例说明用于将小齿轮24限制到齿条传动装置49的替代机构。

确切地说，如图16所示出，小齿轮24通过约束机构531被约束到齿条49上。约束机构包括底板532，其具有位于齿条框架533内侧上的第一销534。其他两个销536、538位于齿条框架533的与第一销轴所在齿条框架533的另一侧上，使得位于底板532相对中心处的小齿轮24与在齿条框架533的外圆周上的齿条传动装置49形成偏压。驱动轴22通过底板532连接到小齿轮24。如技术人员可以理解的，可使用类似或等同的约束机制。

应该注意的是，环形齿条不需要是直线形的，而是可以设置为任何合适的形状。图17中所示出为一些可能的环形齿条形状的非详尽示例，其包括体育场形状和具有三个或更多不同侧面的多边形形状。

回转曲柄机构

图18A示出了利用曲柄臂362产生圆周循环运动的机构360的另一实施例。

在该实施例中，机构360包含类似于图10所示出的非旋转滑架组件31以及由源自承载主体12的驱动轴22致动的曲柄臂362。此外，驱动轴22可是机动的或人力驱动的。驱动轴22延伸穿过机构360的主体365中的开口363。应该注意的是，延伸穿过开口363的驱动轴22的长度至少大于非旋转滑架组件31的垂直轨道42的宽度，使得曲柄臂362可不受垂直轨道42阻碍而旋转。

如图18B中的分解图所示出，阶梯框架14通过连接点44连接到机构360。在旋转曲柄臂362端处的销364连接到阶梯框架14上的相应孔366。

如图19A至19D所示的序列所示，由曲柄臂机构产生的循环路径368是圆形的。

双曲柄臂机构

图20A说明曲柄臂循环机构的另一实施例。确切地说，双曲柄臂机构460由主臂462和次级臂464组成。连接到框架组件14（未示出）的销466连接到次级臂464的端部，该端部与主臂462和次级臂464可旋转连接的端部相对。

在该实施例中，主臂462由可机动化或人力驱动的驱动轴22通过止转主装置或皮带轮463致动。主皮带轮463并不相对于承载主体12旋转。次级臂464通过辅助装置或皮带轮468连接在主曲柄臂462的另一端。两个皮带轮通过连接装置或皮带470连接。任何技术人员应该理解，皮带470可通过同等装置（例如链条或一系列齿轮），并且相应地改变两个皮带轮以实现相同的功能。当主臂462被驱动轴22驱动旋转时，次级臂464相对于主臂462旋转。

如图20B所示的序列所示出，由上述双曲柄臂机构460产生的循环路径472通常是摆线形的。在所示出的具体实施例中，齿轮比和臂长度的设定以使销466执行类似于具有圆角的正方形的短辐圆内旋轮线路径。

非旋转轮毂机构

应该注意的是，机构内的非旋转连接件和循环运动机构并非得是不同的单元。有可能将这两个特征组合成一个单一的机构。

图21A（透视图）和图21B（分解图）示出组合机构560的实施例，该组合机构在旋转曲柄臂564的端部融入了第一非旋转轮毂562。非旋转轮毂562刚性连接到阶梯框架14（未示出）。第一非旋转轮毂562通过轴563刚性地连接至第一装置或链轮565。曲柄臂564的另一端从承载主体12（未示出）连接到驱动轴22。驱动轴22穿过刚性连接到承载主体12（未示出）的第二非旋转轮毂566。驱动轴22还借助于轴承569穿过第二装置或链轮567并且转动曲柄臂564。链轮567刚性地固定到非旋转轮毂566。两个链轮（565、567）具有相同的直径并通过连接装置或链环570连接。当曲柄臂564旋转时，第一链轮565以相同的角速度反向旋转，使得第一非旋转轮毂562相对于非旋转轮毂566和承载主体12经历净零旋转。因此，这种类型的机构将非旋转和圆周运动特征融入到单个机构中。

在图21C中，用图21A和图21B中所示的组合机构560形成圆周循环路径574。

如图22A所示出，第一非旋转轮毂562连接到框架组件14上的对应连接单元568，第二非旋转轮毂566固定到承载主体12的主结构上。

图22B至图22J说明如何使用图22中所示处的曲柄臂机构560来执行圆周循环运动。确切地说，图22A至图22I示出了在如图21A所示出的组合机构560的一个整转期间承载主体12和阶梯框架14相对于楼梯的相对位置。此外，该运动可反向执行以爬下楼梯。

图22B-爬楼梯装置在第一楼梯层处于回缩状态。

图22C-当承载主体12升高时，装置的重量向阶梯框架14上移动。

图22D和图22E-示出承载主体12以圆周方式旋转。

图22F-装置在承载主体12与下一个楼梯层接触时处于展开状态。

图22G-当阶梯框架14升高离开第一层时，装置的重量现在转移至承载主体12上。

图22H和图22I-示出阶梯框架14以圆周方式旋转。

图22J-圆周循环路径完成，装置现在位于第二层上，回到其回缩状态。

替代非旋转轮毂机构

图23A至图23C示出组合机构590的一个实施例，该组合机构相当于图21中的实施例560，不同之处在于第一和第二旋转装置以及连接装置（即链轮和链环）已由一系列齿轮替代。

机构590在旋转曲柄臂564的端部融入第一非旋转轮毂562。非旋转轮毂562刚性连接到框架组件14（未示出）。第一非旋转轮毂562通过轴563刚性地连接至第一主齿轮585。曲柄臂564的另一端从承载主体12（未示出）连接到驱动轴22。驱动轴22穿过刚性连接到承载主体12（未示出）的第二非旋转轮毂566。驱动轴22还借助于轴承569穿过第二主齿轮587并且转动曲柄臂564。齿轮587刚性地固定到非旋转轮毂566。两个主齿轮（585、587）具有相同的直径，并通过同样具有相同直径的一系列齿轮580连接。当曲柄臂564旋转时，第一齿轮585以相同的角速度反向旋转，使得第一非旋转轮毂562相对于非旋转轮毂566和承载主体12经历净零耗能旋转。

另外，本领域的任何技术人员应该理解，链轮和链条也可由具有相同效果的同步皮带和滑轮代替。

图24示出了融入四连杆机构的组合机构690的另一实施例。驱动轴22穿过主体680中的第一轴承（未示出）并刚性地固定到第一链轮665。第二链轮667通过轴661连接到主体680中的第二轴承（未示出）。链轮665、667通过链环670连接。第一曲柄臂664刚性连接到第一链轮665，而长度与臂664长度相同的第二曲柄臂674则刚性连接到第二链轮667，使得两个曲柄臂一致转动并保持平行。连杆675通过销676连接到臂664并通过销677连接到臂674。销676、677的中心距链轮665、667的距离相同。链杆675刚性连接到阶梯框架（未示出）。当轴22旋转时，链杆675（并且与之连接的阶梯框架）在整个过程中保持相同的定向的同时执行圆周循环路径。

双驱动器机构

图25示出了通过使用两个驱动器实现循环运动的爬楼梯装置3000的替代优选实施例。装置3000包括承载主体12、阶梯框架14和双驱动器机构3100，其包括在此描述为滚珠丝杠式驱动器的垂直运动驱动器3200和在此描绘为齿条齿轮式驱动器的水平运动驱动器3300。图25说明机构3100在直线循环路径中的四个阶段。由于两个驱动器3200、3300可通过电子控制系统使其运动得以同步，所以机构3100可以执行具有任意形状的循环路径。由于驱动器是分开的，所以其各自独立地改变输出功率，使得水平驱动器3200可具有较高的输出功率以提起更重物体。如本领域技术人员应该理解，驱动器3200和3300可通过使用其他替代机构如链环、皮带或其他装置来实现同等效果。

阶梯框架实施例

如图26A和图26B（以及图4）所示出，通常阶梯框架14的形状适于与台阶之间的不同高度共形，从而实现与一个或多个台阶的水平的、静态稳定的接触。阶梯框架组件通常具有主体部分54和外悬部分56，该外悬部分在高度58处连接至主体，该高度至少大于单个楼梯台阶的高度。

如图26A和图26B所示出，阶梯框架14优选地可由多个分开的联动的主体组成或替代地由结构（图26D）连接的多个主体或单个主体（图26E）组成。

固定几何形状

通常，阶梯框架14可具有固定几何形状或可变几何形状。图4和图26A、26B、26D、26E描绘了固定几何形状的实施例。阶梯框架可由实体（图26A）或轻质结构（图26B）组成。

可变几何形状

图26C描绘了框架组件640的另一实施例，其具有可为了方便或存储而缩回的滑动外悬部分642，并且可在爬上或爬下台阶之前立即展开。

图27描绘了可变几何形状框架组件740，其中下部742设置为可以在沿着上部741的底部边缘刚性连接的滑动件744上前后移动，从而允许可变几何形状框架组件740为爬上状态746或爬下状态748，而无需相对于运动方向750对承载主体12（未示出）重新定向。于其他阶梯框架设计类似，组件740通过孔749连接至机构（未示出）。

找平

爬楼梯装置10，特别是阶梯框架14可具有找平能力。

图28A描绘具有找平能力的可变几何形状阶梯框架140的一个实施例，其中主体部分141包括两个滑动件142、143。第一框架面板144和第二框架面板145各自分别在滑动件142、143上自由滑动。每个框架面板144和145都在彼此相对的两个面板侧面上设有齿条146和147。另外，第一框架面板144和第二框架面板145通过小齿轮148连接，该小齿轮相应地啮合于齿条146和147，使得这两个部分在连接状态下沿相反的垂直方向移动。

当主体部分141下降时，其中的一个面板（144或145）首先与上台阶或下台阶接触。然后，两个面板可沿相反的垂直方向移动，使得其中一个面板下降，另一个面板升高，直至两个面板分别与两个台阶接触。

例如，图28B示出阶梯框架140下降到相对较高的台阶801上。当主体部分141朝向第一台阶下降时，后面板144首先接触下层81。齿条齿轮（146、148）致使面板沿相反方向移动，直到两个面板（144、145）与其各自的层接触。在该配置中，阶梯框架140处于静态平衡。

图28C示出阶梯框架140下降到相对较低的台阶上。注意，由于台阶801和802之间的高度差异，该图中的面板144、145的最终设置与图28B中的不同。

图29A说明具有找平能力的框架组件的另一实施例，特别是基于四连杆机构242的找平框架组件240。主体部分241连接到机构（未示出）。

在图29B中，具有找平能力的框架组件240降低到一组台阶上。首先，后支撑脚（247、248）与下层81接触。主体部分241将继续垂直下降直到前支撑脚246与上层82接触。当所有支撑脚（246、247、248）已经与其各自的层接触时，阶梯框架240处于静态平衡。

图30A描绘了具有找平能力的框架组件340的另一实施例，其包括由承载体部分341、支架主体部分342和旋转体部分组成的主体部分及外悬部分。主体部分341连接至机构（未示出）并且借助于槽单元343相对于支架主体部分342垂直地滑动。旋转体部分344通过枢转特征345连接到支架主体部分342。旋转体部分还具有夹紧面347，该夹紧面在与主体部分341接合时防止旋转体部分344旋转。旋转体部分具有前支撑件346和后支撑件348，这里为轮子。

在图30B中，找平框架组件340降低到一组台阶上。首先，后支撑件348与下层81接触。当主体部分341继续垂直下降时，旋转体部分344旋转直到前支撑脚346与上层82接触。当两个支撑件（346、348）已经与其各自的层接触时，主体部分341向下滑动并夹紧到旋转体部分344上，从而防止其进一步旋转。阶梯框架340现处于静态平衡。

图31A说明具有找平能力的框架组件440的另一实施例，其中前支脚446相对于主体部分441垂直自由地移动，直到锁紧栓444向前滑动并与前支脚杆442接合。锁紧栓444通过槽内销单元449机械地连接到相对于主体部分441自由垂直移动的下移动支脚447。当没有载荷时，移动支脚447在弹簧445作用下保持延伸。当下移动支脚447向上滑动时，槽内销449使得锁紧栓444向前滑动，直到其与前支脚杆442接合，从而防止前支脚446进一步移动。

在图31B中，具有找平能力的框架组件440降低到一组台阶上。当主体部分441下降时，前支脚446首先与层82接触。当下支脚447最终与层81接触时，锁紧栓444与前支脚446接合并将其锁定到位。阶梯框架440现处于静态平衡。

图32A描绘了具有找平能力的框架组件540的另一实施例，其由主体部分541和旋转外悬部分542组成，该旋转外悬部分通过枢转单元543相对于主体部分541旋转。旋转外悬部分542自由旋转，直到锁紧栓544向上滑动并与夹紧面552接合。下移动支脚547相对于主体部分541自由地垂直移动。当没有载荷时，移动支脚547在弹簧545的作用下保持延伸。下移动支脚547通过穿过终点止动件554的杆553刚性地连接到锁紧栓544。移动支脚547和旋转外悬部分542两者的最低位置由终点止动件554限制。

在图32B中，找平框架组件540降低到一组台阶上。当主体部分541下降时，旋转外悬部分542首先与层82接触。当下支脚547最终与层81接触时，锁紧栓544与旋转外悬部分542接合并将其锁定到位。阶梯框架540现处于静态平衡。

图33A描绘了具有找平能力的框架组件940的另一个实施例，其由主体部分941和由二体连杆机构组成的铰接前支脚942构成。铰接的前支脚942的前部连杆通过第一销955连接到主体部分941，而后连杆连接到相对于主体部分941水平滑动的锁杆944。铰接的前支脚942自由移动，直到杆953的顶点954与锁杆942的夹紧面952接合。杆953刚性地连接到下移动支脚947，该下移动支脚相对于主体部分941自由垂直移动。当没有载荷时，移动支脚947在弹簧945的作用下保持延伸。

在图33B中，具有找平能力的框架组件940降低到一组台阶上。当主体部分941下降时，铰接的前支脚942首先与层82接触。当下支脚947最终与层81接触时，杆953与锁杆944接合并将铰接的前支脚942锁定到位。阶梯框架940现处于静态平衡。

应了解，以上所示的具有找平能力的实施例是机械连杆机构。当框架已经与台阶层接触时，可使用机电开关和驱动器来实现等效概念以触发锁定机构。

多台阶

阶梯框架设计不限于一次爬上或爬下单个台阶。在图34A所示出的实施例中，框架组件840的一个实施例经示出如图34B所示为设置为用于在单个循环中横翻越多个台阶。确切地说，主体部分842具有外悬臂844，该外悬臂的延伸高度至少大于两个或更多楼梯台阶的高度。

承载主体实施例

承载主体设置

除了以上公开的承载主体12的实施例之外，图35A至图35D示出承载主体12的其他可选实施例：

图35A描绘半自主移动机器人，其中承载主体12包含控制轮子20运动的机动驱动器和控制逻辑；

图35B描绘遥控前行车辆，其中呈轨道形式的移动支撑件20的移动由操作者远程控制；

图35C描绘手动操作的手推车，其可连接到机动机构或由手动曲柄驱动的手动操作机构；

图35D为轮椅。

轮子设置

图36A至图36D描绘了用于承载主体12的各种实施例的可选移动支撑构造20。

图36A示出由成对的定向轮2010和万向脚轮2020组成的轮子配置20，每对都具有类似直径。

图36B中描绘的轮子配置包括具有不同直径的成对轮子，其包括一对全向辊脚轮2030、一对较大的轮子2040和一对较小的导轮2050，这些都是边缘检测系统的一部分（如下所述）。

图36C示出除了主支撑轮和脚轮之外还包括一对辅助支重轮2060和一对外支撑轮2070的配置，其中辅助支重轮用于防止承载主体12在其脚轮向内指向时向前倾斜。

图36D说明当承载主体12横穿地板90时外支撑轮2070如何进一步增加稳定性，且该外支撑轮还可在承载主体12在台阶80上（如下所述）时在边缘检测制动系统中用作导引轮。

边缘检测制动

本发明可包括制动单元以防止不希望的轮子移动，特别是当轮子靠近台阶的边缘时。

图37A示出连接至前轮101的制动组件100的优选实施例。在该实施例中，制动组件主体102刚性地连接到承载主体12上并且为轮轴103提供连接点。第一制动块104通常手动或机电致动以防止轮子101旋转。第二制动块105设置为当轮子101靠近台阶80的边缘84时被致动。第二制动块105连接到围绕销107枢转的枢转臂106的一端。导轮108连接到枢转臂106的另一端。弹簧（隐藏）偏置枢转臂使其顺时针旋转，从而将导轮顶抵在承载主体12所在的表面82上。

图37B示出配备有接近边缘84的制动组件100的承载主体12。第一制动块104处于脱离状态，从而使得承载主体12在表面82上自由滚动。如果前轮101距边缘84足够远，则第二制动块105处于脱离状态。然而，一旦轮子101足够接近以允许导轮108在边缘84上移动，那么第二制动块105就与轮子101接合，从而防止承载主体12进一步移动。

图37C示出边缘检测制动的替代实施例。在该实施例中，第二制动块105成为枢转臂的一部分，并且导轮108的尺寸与前轮101尺寸相当。当导轮108在台阶边缘上移动时，制动块105与轮子101接合，顶抵其踏面或其它功能件（例如轮轴），以防止进一步移动。

制动功能件100的其他实施例是可能的，例如其中边缘探测臂102使摩擦垫与台阶的表面接合的实施例，其会防止进一步的运动。其他可能的实施例包括使用边缘检测传感器、驱动器和控制逻辑的组合来达到相同效果的机电版本。

装置的优选和替代实施例

如本领域技术人员应该理解，可以通过组合组成子组件和特性的各种替代实施例来组装与本发明的范围一致的爬楼梯装置。确切地说，不同的承载主体（例如，机器人、车辆、手推车、轮椅）可与不同的阶梯框架组件（例如，单体和多体、固定几何形状、可变几何形状、可折叠等）和不同的机构（例如，曲柄臂、非旋转轮毂、链环、齿条齿轮等）组合。

图38示出呈服务机器人形式的爬楼梯装置10的一个优选实施例，该服务机器人包括类似于图35A中描绘的承载主体12、类似于图26A中所示出的阶梯框架14和类似于图14中所描绘的机构16。

图39描绘呈手动操作手推车形式的爬楼梯装置10的另一优选实施例，其包括类似于图35C中描绘的承载主体12、类似于图26B中所示出的阶梯框架14以及类似于图21中所描绘的非旋转轮毂式机构14。该实施例由操作人员从一个地方移动到另一个地方。

图40示出了呈手推车型式的爬楼梯装置的另一实施例500，其类似于图39中所描绘的实施例，该装置使用手动动力曲柄504而不是电动机来转动驱动机构16的轴502。

在替代实施例中，承载主体相对于阶梯框架和机构的设置可变化。在上述设计中所示出的实施例中，爬楼梯装置采用的阶梯框架包含两个位于承载主体任一侧上的对称主体。

然而，如图41所示出，本发明也可使用由单个中心体构成的阶梯框架来实现，而不是具有上面公开的具有两个对称主体的设计。爬楼梯装置300包括承载主体302，该承载主体为中空中心的三边矩形框架。机构14刚性地连接到承载主体302的两个垂直侧面304和306的内表面上。由单个中心体308构成的框架组件在两侧通过两侧上的两个孔310连接到两个机构14。单个中心体308宽度增加，并包含多个连接到外悬部分312和框架组件的底部支撑脚309。另外，单个中心体308的高度应小于承载主体302的内部高度，使得当单个中心体308在循环运动期间升高到其最高点时，将不会触碰到承载主体302。

爬楼梯的方法

还公开了一种使用如本文所述的爬楼梯装置翻越楼梯并且包括用于运输有效载荷的承载主体、阶梯框架以及阶梯框架和承载主体之间的机构的方法。该方法包括使承载主体和阶梯框架中的一个相对于承载主体和阶梯框架中的另一个沿着循环路径，从承载主体和阶梯框架都处于楼梯的第一层的回缩状态移动到承载主体和阶梯框架分别位于楼梯的两个不同层上的展开状态。

该方法进一步包括当阶梯框架和承载主体都处于楼梯的第二层时，承载主体和阶梯框架中的另一个沿着循环路径移回至回缩状态。

该方法包括以下步骤：在任何爬上或爬下运动的同时维持承载主体和楼梯之间的相对定向。因此，有效载荷将通过楼梯在承载主体上保持稳定。该步骤可通过非旋转滑架组件、非旋转轮毂组件或非旋转连接组件来实现。

为了适应多级台阶尺寸，该方法可包括还包括使用可变几何形状阶梯框架调节阶梯框架以适配所述台阶尺寸。

该方法可进一步包括将枢转安装的驱动轴接合至承载主体以及机构的方法。如上所述，驱动轴可通过机动驱动器（例如但不限于电动机）驱动。驱动轴也可通过专用机构由人力进行驱动。

在某些情况下，当邻近楼梯时可能需要使用制动组件来防止承载主体向后移动以避免事故。上面描述了制动组件的实施例。

本发明的范围不应受实施例中提出的优选实施方式的限制，而应在符合整个说明书描述的情况下给予最宽泛的理解。

Claims (41)

1.一种爬楼梯装置，其特征在于，包括：

承载主体，其用于输送有效载荷；

阶梯框架；以及

机构，其介于所述阶梯框架和所述承载主体之间，

所述机构设为通过以下方式沿着循环路径相对于所述承载主体移动所述阶梯框架：

驱动所述承载主体和所述阶梯框架中的一个相对于所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着所述循环路径的第一段，从所述阶梯框架和所述承载主体都处于第一层的回缩状态移动到所述阶梯框架和所述承载主体位于两个不同层上的展开状态；以及

驱动所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着所述循环路径的第二段移回至所述阶梯框架和所述承载主体都处于第二层的回缩状态；

其中，所述阶梯框架设置为当所述承载主体在所述第一层和所述第二层之间移动时阶梯框架停留在所述第一或第二层上；且

其中，所述机构还设为保持所述承载主体和所述阶梯框架之间的相对定向；

所述机构还包括：

设置在所述承载主体两侧的两个臂，每个臂都具有有效连接到所述承载主体的驱动轴的第一端和枢转地安装到所述阶梯框架的第二端，所述臂从所述驱动轴径向地延伸以绕其旋转，

所述循环路径的所述第一段由所述臂沿给定方向绕所述驱动轴的部分转动形成，

所述循环路径的所述第二段由所述臂沿给定方向绕所述驱动轴的的另一部分转动形成，

所述循环路径的所述第一段和所述循环路径的第二段形成了所述臂绕所述驱动轴的完整转动。

2.如权利要求1所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述承载主体和所述阶梯框架均设为在其中的另一个在所述第一层和第二层之间移动时保持在所述的第一层或第二层上。

3.如权利要求1所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构还包括非旋转滑架组件，其中所述阶梯框架的形状与所述楼梯的台阶形状一致。

4.如权利要求1所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构还包括非旋转滑架组件，所述的非旋转滑架组件包括与所述机构主体整体移动的垂直轨道、与所述阶梯框架整体移动的水平轨道以及设于所述垂直轨道与所述水平轨道之间的滑架，所述滑架与所述垂直轨道及所述水平轨道滑动配合，从而允许所述阶梯框架相对于所述承载主体沿垂直方向和水平方向移动。

5.如权利要求4所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述滑架可枢转地设有与所述垂直轨道接合的垂直滚轮和与所述水平轨道接合的水平滚轮。

6.如权利要求1所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构进一步包括非旋转轮毂组件，其中所述阶梯框架的形状与所述楼梯的台阶形状一致。

7.如权利要求1所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构还包括非旋转轮毂组件，所述非旋转轮毂组件包括刚性连接至所述承载主体并可枢转地设于每一臂的所述第一端的第一旋转装置、刚性连接至所述阶梯框架并可枢转地设于每一臂的所述第二端的第二旋转装置，以及与所述第一旋转装置和所述第二旋转装置连接的连接装置，所述连接装置实现所述第一旋转装置和所述第二旋转装置之间的耦合。

8.如权利要求7所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述第一旋转装置和所述第二旋转装置为皮带轮，其中，所述连接装置是绕所述皮带轮设置的皮带。

9.如权利要求7所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述第一旋转装置和第二旋转装置为链轮，其中，所述连接装置是绕所述链轮设置并由所述链轮的齿啮合的链条。

10.如权利要求7所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述第一旋转装置和所述第二旋转装置为齿轮，其中，所述连接装置是奇数个设置在所述齿轮之间的啮合齿轮。

11.如权利要求1至10中任一项所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述阶梯框架形成有孔，用于枢转地容纳设置于每一臂的所述第二端的销，所述销平行于所述驱动轴。

12.如权利要求1至6中任一项所述的爬楼梯装置，其特征在于，每一臂的所述第一端设有刚性连接于所述承载主体的非旋转装置，每一臂的所述第二端枢转地设有旋转装置，所述旋转和非旋转装置与连接装置耦合，所述机构还包括枢转地设于所述臂的所述第二端处的第二臂，用于绕平行于所述驱动轴的轴旋转，所述第二臂限定设置在所述第二臂的自由端的销，所述销枢转地被收纳在形成于所述阶梯框架上的孔内，所述销平行于所述驱动轴，所述第二臂与所述旋转装置整体旋转。

13.如权利要求12所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述旋转和非旋转装置为皮带轮，其中，所述连接装置是绕所述皮带轮设置的皮带。

14.如权利要求1至10中任一项所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述驱动轴由设置在所述承载主体内的电动机驱动。

15.一种爬楼梯装置，其特征在于，包括：

承载主体，其用于输送有效载荷；

阶梯框架；以及

机构，其介于所述阶梯框架和所述承载主体之间，

所述机构设为通过以下方式沿着循环路径相对于所述承载主体移动所述阶梯框架：

驱动所述承载主体和所述阶梯框架中的一个相对于所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着所述循环路径的第一段，从所述阶梯框架和所述承载主体都处于第一层的回缩状态移动到所述阶梯框架和所述承载主体位于两个不同层上的展开状态；以及

驱动所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着所述循环路径的第二段移回至所述阶梯框架和所述承载主体都处于第二层的回缩状态；

其中，所述阶梯框架设置为当所述承载主体在所述第一层和所述第二层之间移动时阶梯框架停留在所述第一或第二层上；且

其中，所述机构还设为保持所述承载主体和所述阶梯框架之间的相对定向；

所述机构包括：

接合部分，其可操作地与所述承载主体和所述阶梯框架中的一个连接；以及

接收部分，其与所述的接合部分接合，所述接收部分可操作地与所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个连接；

所述机构使所述接合部分相对于所述接收部分沿所述循环路径的所述第一段移动，其中所述接合部分通过经过第一中间位置而从第一位置移动到第二位置；

所述机构使所述接合部分相对于所述接收部分沿所述循环路径的所述第二段移动，其中所述接合部分通过经过第二中间位置而从所述第二位置回到所述第一位置，

所述第一中间位置偏离所述第二中间位置。

16.如权利要求15的爬楼梯装置，其特征在于：所述承载主体设置为当所述阶梯框架在所述第一层和所述第二层之间移动时承载主体停留在所述第一或第二层上。

17.如权利要求15所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构还包括非旋转滑架组件，其中，所述阶梯框架的形状与所述楼梯的台阶形状一致。

18.如权利要求15所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构还包括非旋转滑架组件，所述非旋转滑架组件包括与所述承载主体整体移动的垂直轨道、与所述阶梯框架整体移动的水平轨道以及设置在所述垂直轨道与所述水平轨道之间的滑架，所述滑架与所述垂直轨道及所述水平轨道滑动配合，从而允许所述阶梯框架相对于所述承载主体沿垂直方向和水平方向移动。

19.如权利要求18所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述滑架可枢转地接收设有接合所述垂直轨道的垂直滚轮和接合所述水平轨道的水平滚轮。

20.如权利要求15所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构包括与有效负载荷主体一起移动的链环，每个链环都绕枢转安装到所述机构的多个链轮安装，所述多个链轮中的一个链轮由从所述承载主体凸出的驱动轴驱动接合，其中，所述接合部分是刚性地连接到所述链环的销，通过其四周移动从而形成所述循环路径，且其中，所述接收部分为设于所述阶梯框架上用于收纳所述销的孔。

21.如权利要求15所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述接合部分是小齿轮，所述小齿轮刚性地安装到从所述承载主体凸出的驱动轴上，其中，所述接收部分是限定所述循环路径的带齿齿条，所述带齿齿条与阶梯框架整体移动并与小齿轮啮合。

22.如权利要求20或21所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述驱动轴与设置在所述承载主体内的电动机配合。

23.如权利要求22所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构还包括非旋转连接组件，且其中，所述阶梯框架的形状与所述楼梯的台阶形状一致。

24.如权利要求22所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构还包括非旋转连接组件，所述非旋转连接组件包括滑动地收纳在与所述承载主体整体移动的轨道内的滑架，每个滑架都限定沿垂直于所述轨道的方向延伸的导槽，所述导槽中的每个都滑动地收纳具有与导槽的形状匹配的形状的凸耳，以允许平移并阻止旋转，所述凸耳和所述阶梯框架整体移动。

25.如权利要求24所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述机构包括与有效负载荷主体一起移动的链环，每个链环都绕枢转地安装到所述机构的多个链轮安装，所述多个链轮中的一个链轮由从所述承载主体凸出的驱动轴驱动配合，其中，所述接合部分刚性地连接到所述链环的销，通过其四周移动从而形成所述循环路径，其中，所述接收部分为设置在所述凸耳上的孔，用于枢转地接收所述销，所述销相对于所述凸耳绕平行于所述驱动轴的轴旋转。

26.如权利要求25所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述阶梯框架接合部分刚性连接到所述凸耳上。

27.如权利要求26所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述凸耳为方形凸耳，其中，所述阶梯框架上设置有方形孔，每个方形孔都具有与所述方形凸耳的形状匹配的形状以阻止旋转。

28.如权利要求25至27中任一项所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述驱动轴由设置在所述承载主体内的电动机驱动。

29.一种爬楼梯装置，其特征在于，包括：

承载主体，其用于输送有效载荷；

阶梯框架；以及

机构，其介于所述阶梯框架和所述承载主体之间，

所述机构设为通过以下方式沿着循环路径相对于所述承载主体移动所述阶梯框架：

驱动所述承载主体和所述阶梯框架中的一个相对于所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着所述循环路径的第一段，从所述阶梯框架和所述承载主体都处于第一层的回缩状态移动到所述阶梯框架和所述承载主体位于两个不同层上的展开状态；以及

驱动所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着所述循环路径的第二段移回至所述阶梯框架和所述承载主体都处于第二层的回缩状态；

其中，所述阶梯框架设置为当所述承载主体在所述第一层和所述第二层之间移动时阶梯框架停留在所述第一或第二层上；且

其中，所述机构还设为保持所述承载主体和所述阶梯框架之间的相对定向；

所述阶梯框架包括主体部分和外悬部分，所述主体部分和所述外悬部分形成L形；所述阶梯框架包括找平机构。

30.如权利要求29所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述外悬部分可相对于所述主体部分水平滑动。

31.如权利要求29所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述找平机构包括两个框架面板，每个框架面板都可相对于所述主体部分反向垂直地滑动。

32.如权利要求31所述的爬楼梯装置，其特征在于，每个框架面板包括齿条，所述齿条相对设置，所述找平机构还包括枢转安装到所述主体部分并与所述齿条啮合的齿轮。

33.如权利要求29所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述找平机构包括枢转地安装到所述主体部分的第一垂直缘的杆，所述杆从所述主体部分的所述第一垂直缘水平地延伸到所述主体部分的相对的第二垂直缘，并且延伸出所述主体部分的所述第一垂直缘以限定所述外悬部分。

34.如权利要求29所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述找平机构包括安装到所述机构的承载体部分和枢转地收纳所述阶梯框架的支架主体部分，所述承载体部分形成槽体用于收纳所述支架主体部分的销，以允许其在其间垂直运动。

35.如权利要求34所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述阶梯框架包括用于接合所述承载体部分的夹紧面。

36.如权利要求29所述的爬楼梯装置，其特征在于，所述找平机构包括滑动地收纳在所述主体部分和/或所述外悬部分内的可调节支脚。

37.一种使用爬楼梯装置翻越楼梯的方法，其特征在于，所述装置包括：

承载主体，其用于输送有效载荷；

阶梯框架；以及

机构，其介于所述阶梯框架和所述承载主体之间，

所述的方法包括以下步骤：

a)使承载主体和阶梯框架中的一个相对于所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着循环路径，从所述承载主体和所述阶梯框架都处于所述楼梯的第一层的回缩状态移动到所述承载主体和所述阶梯框架位于所述楼梯的两个不同层上的展开状态；

b)使所述承载主体和所述阶梯框架中的另一个沿着所述循环路径移回至所述阶梯框架和所述承载主体都处于所述楼梯的第二层的所述回缩状态；

c)在步骤a）和b）期间保持所述承载主体和所述楼梯之间的相对定向；以及

d) 使用可变几何形状阶梯框架将所述阶梯框架调整至所述楼梯台阶的尺寸。

38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：将驱动轴枢转地连接到所述承载主体以及所述机构。

39.如权利要求37或38所述的方法，其特征在于，还包括当所述承载主体邻近所述楼梯的台阶的边缘时，使用制动组件防止所述承载主体向后滚动。

40.如权利要求37或38所述的方法，其特征在于，还包括相对于地面水平地移动所述承载主体，直到所述阶梯框架邻近所述楼梯的台阶。

41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，还包括在移动所述承载主体之前，沿着所述循环路径的一部分移动所述阶梯框架直到其接触所述楼梯或所述地面。

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