CN108675086B - 一种具有楼道自动输运物品功能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有楼道自动输运物品功能的装置，属于自动化领域。本发明包括载物机构、控制机构、固定在楼梯扶手上的传输机构和固定在楼梯转角处的抓取机构，所述控制机构控制抓取机构对载物机构进行抓取，再控制传输机构将载物机构传输至目的地。本发明采用单片机控制，利用机械臂旋转和步进式电机移动可以实现载物车上下楼，同时可以精准控制运动位置。机械臂的设计解决了传统楼梯运输机不能转向的弊端，可运用于形状复杂的楼梯通道。它适用于在没有安装电梯的楼层运输货物，也适用于靶向运送快递给用户，同时可在爬山台阶上安装此装置，减轻游客载重负担。该运输装置为精确喷灌，自动采集与检测，自动化生产线等领域提供了借鉴。

Description

一种具有楼道自动输运物品功能的装置
技术领域
本发明涉及一种具有楼道自动输运物品功能的装置，属于自动化领域。
背景技术
楼梯运物装置是基于控制系统，利用电动机提供的动能进行定向移动的自动化设备。该装置具有省时，省力，机动性较强，简单易学易操作的特点。一些楼房没有安装电梯，运送货物极不方便，如学校宿舍楼，实验楼等。即使安装电梯，对于一些老年人取物件并不方便，该装置上的便携式载物车可以准确把物品送到目的地。在爬山台阶上不适合安装电梯，重物对旅客来说是不小的负担，该装置可解决这方面问题。因此，楼梯运物装置具有广阔的应用前景。
对于楼梯运物装置的研究，设备类型主要分为两类，一类是采用在楼梯上方设置轨道的方法，该方法解决了楼梯台阶引起的地面不平的问题，但没有不能解决楼梯口转向的问题，自动化程度较低，无法解决多层楼梯的运输自动化衔接，而且无法自动控制物品运输的目的地，实用性不强。另一类是采用履带，车轮等作为行走机构的载物车，它的行走速度较慢，平衡性较差，其中不乏半自动式的，即需要人力协助，在载重情况下运输状况不理想，容易出现翻车的危险。因此以上的运输方案存在种种弊端，包括稳定性差，自动化程度低，无法转向等突出问题。为此，我们通过单片机控制系统和机械结构的合理组合，研究一种自动化的、可操作性强、实用性强、稳定好、可转向的装置十分必要。同时，该运输装置为精确喷灌，自动采集与检测，自动化生产线等领域提供了借鉴。
近年来，围绕楼梯运物装置开发了一些设备，如发明专利一种物品上下楼自动运送系统（201610896537.X），发明专利一种爬楼机的传动控制装置和爬楼机系统（201720037031.3），实用新型专利一种新型爬楼机（201620569145.8），实用新型专利便携式电动楼梯物品运送车（201620172304.0）等。其中便携式电动楼梯物品运送车利用楼梯扶手设置了折叠轨道，再利用运送车和折叠轨道的齿轮啮合实现移动，但水平齿加工造价较高，不利于推广，同时自动化程度较低，不能实现转弯；一种新型爬楼机利用弹簧解决爬楼的稳定性，实际效果较差；一种爬楼机的传动控制装置和爬楼机系统仅从自动化理论上介绍了该装置的可行性，并没有设计出装置的三维装配图，同样也没有考虑机械机构的配合；一种物品上下楼自动运送系统同样不能实现货物多层楼梯的运输，利用绳索的牵引力可能造成的结果不容易控制前进或后退的方向，运行不稳定。
发明内容
为了解决上述背景中提到的问题，本发明提供一种具有楼道自动输运物品功能的装置，以实现多层便携式精准运输。
本发明采用的技术方案为：一种具有楼道自动输运物品功能的装置，包括载物机构、控制机构8固定在楼梯扶手15上的传输机构和固定在楼梯转角处的抓取机构，所述控制机构8控制抓取机构对载物机构进行抓取，再控制传输机构将载物机构传输至目的地；
所述载物机构包括载物箱7，载物箱7其中一组相对的两面上开有通孔24，另一组相对的两面上固定有铁块26；
所述传输机构包括丝杆导轨4和步进电机Ⅱ17 ，步进电机Ⅱ17可沿丝杆导轨4进行直线运动，丝杆导轨4两端都设置有位置传感器19，步进电机Ⅱ17上设置有导杆37，导杆37与载物车7上的通孔24配合，步进电机Ⅱ17沿丝杆导轨4移动时带动载物车7移动；
所述抓取机构包括旋转平台9和与之相连的机械臂，机械臂随旋转平台9的运动而运动，机械臂的末端固定有磁性柱10，与铁块26配合实现对载物箱7的抓取。
其中楼梯扶手15处还设置有操作平台6，操作平台6上设置有操作屏幕35和急停按钮34。
其中载物箱7的底部设置有万向轮23，万向轮23通过刚性支撑柱27固定在载物箱底部四角载物箱7上还设置有手扶杆25。
其中步进电机Ⅱ17外设置有电机外壳29，电机外壳29上开有导杆安装孔30，导杆37固定在导杆安装孔30中；步进电机Ⅱ17内部设置有转子33、定子32和散热网31，所述定子32位于转子33的外圈，定子32前后端面安装有行程开关5，转子33与丝杆导轨4进行螺纹配合；丝杆导轨4两端固定在轴承座18上，轴承座18之间通过固定板28连接，轴承座18上设置有位置传感器19。
其中旋转平台9固定竖直支撑柱3上，竖直支撑柱3位于楼梯转角处，旋转平台9底部连有步进电机Ⅰ16，步进电机Ⅰ16与控制机构8相连，控制机构8固定在竖直支撑柱3内部，控制机构8还与步进电机Ⅱ17和磁性柱10相连；机械臂包括机械臂上端14、机械臂中端13、机械臂下端12和机械臂爪端11，四者依次连接且四者之间可实现相对运动，其中机械臂上端14与旋转平台9连接，磁性柱10固定在机械臂爪端11的内侧。
本发明的工作原理是：
首先通过控制机构8控制旋转平台9和机械臂转动至合适位置，利用磁性柱10和铁块26的配合将载物箱7抓取，然后再控制旋转平台和机械臂转动至丝杠导轨4处，步进电机Ⅱ17上的导杆37穿过载物箱7上的通孔24将载物箱7固定，此时丝杠导轨端部的位置识别器19识别到载物箱7，控制机构8接收到信号后将磁性柱10断开，行程开关5被触发，控制机构8控制步进电机Ⅱ17沿丝杆导轨4运动，当到达在丝杆导轨4末端时，步进电机Ⅱ17上另一端的行程开关5碰触到丝杆导轨4末端，运动停止，可将载物箱7取下，如果还有继续运动，即重复上述动作直到到达目的地。
本发明的有益效果是：
1、运输精准：该装置利用单片机控制，该装置安装有位置传感器，自动识别货物运输位置，可以在多层楼梯上自动运输，运行动作能够适应复杂外界条件；可以精确控制货物运输的位置。
2、安全：利用丝杆导轨的运输，解决了上台阶时运动不稳定的问题，该装置中的丝杆导轨不转动，大大增强了人身安全。
3、方便：该装置安装方便，不需要专门设置，只需要依托楼梯扶手在原有的基础上安装，操作简便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是载物机构示意图；
图3是步进电机Ⅱ和丝杆导轨结构示意图；
图4是步进电机Ⅱ的结构示意图；
图5是导杆示意图；
图6是操作平台结构示意图；
图7是旋转平台结构示意图；
图8是机械臂示意图；
图9是机械臂爪端示意图；
图10是机械臂初始位置示意图；
图11是机械臂旋转后示意图；
图12是机械臂将载物机构抓取时的结构示意图；
图13是机械臂将载物机构抓取后并旋转至丝杠导轨处的机构示意图；
图14传输机构固定在楼梯扶手上的局部示意图；
图中各标号：1-楼梯平台；2-楼梯台阶；3-竖直支撑柱；4-丝杆导轨；5-行程开关；6-操作平台；7-载物箱；8-控制机构；9-旋转平台；10-磁性柱；11-机械臂爪端；12-机械臂下端；13-机械臂中端；14-机械臂上端；15-楼梯扶手；16-步进电机Ⅰ；17-步进电机Ⅱ；18-轴承座；19-位置传感器；20-铰链；21-固定螺栓；22-滚动接头；23-万向轮；24-通孔；25-手扶杆；26-铁块；27-刚性支撑柱；28-固定板；29-电机壳体；30-导杆安装孔；31-散热网；32-定子；33-转子；34-急停按钮；35-操作屏幕；36-轴套；37-导杆；38-平台座。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述内容。
实施例1：如图1-5所示，一种具有楼道自动输运物品功能的装置，包括载物机构、控制机构8固定在楼梯扶手上的传输机构和固定在楼梯转角处的抓取机构，所述控制机构8控制抓取机构对载物机构进行抓取，再控制传输机构将载物机构传输至目的地；
所述载物机构包括载物箱7，载物箱7其中一组相对的两面上开有通孔24，另一组相对的两面上固定有铁块26；
所述传输机构包括丝杆导轨4和步进电机Ⅱ17 ，步进电机Ⅱ17可沿丝杆导轨4进行直线运动，丝杆导轨4两端都设置有位置传感器19，步进电机Ⅱ17上设置有导杆37，导杆37与载物车7上的通孔24配合，步进电机Ⅱ17沿丝杆导轨4移动时带动载物车7移动；
所述抓取机构包括旋转平台9和与之相连的机械臂，机械臂随旋转平台9的运动而运动，机械臂的末端固定有磁性柱10，与铁块26配合实现对载物箱7的抓取。
其中控制机构8根据实际需要采用常见的适合的单片机，首先通过单片机控制旋转平台9和机械臂转动至合适位置，利用磁性柱10和铁块26的配合将载物箱7抓取，然后再控制旋转平台和机械臂转动至丝杠导轨4处，步进电机Ⅱ17上的导杆37穿过载物箱7上的通孔24将载物箱7固定，此时丝杠导轨端部的位置识别器19识别到载物箱7，单片机接收到信号后将磁性柱10断开，行程开关5被触发，步进电机Ⅱ17接受到指令随即旋转，经过转子33与丝杆导轨4的配合，旋转运动转化为直线运动，步进电机Ⅱ17带动载物箱7运动，当到达在丝杆导轨4末端时，步进电机Ⅱ17上另一端的行程开关5碰触到丝杆导轨4末端，运动停止，可将载物箱7取下，如果还有继续运动，即重复上述动作直到到达目的地。单片机会根据时间优先原则处理信号，即完成某项指令以后才会执行下一步操作。本装置采用单片机实现，可编程度高，运行动作能够适应复杂外界条件。
实施例2：如图2所示，所述载物箱7的底部设置有万向轮23，万向轮23通过刚性支撑柱27固定在载物箱7底部，载物箱7上还设置有手扶杆25。手扶杆25和万向轮23的设计是为了方便人们推行，即不爬楼梯的时候也能发挥其载物作用。载物箱7具有一定的灵活性，上下楼梯时它在上述装置的作用下实现上下楼层，其他情况可带走作为小推车。本发明不限于图片上的设计思路，它同样可以结合蓄电池或太阳能电池板、电机、齿轮等零件，作为人工助力小推车。
实施例3：如图3-5所示，所述步进电机Ⅱ17外设置有电机外壳29，电机外壳29上开有导杆安装孔30，导杆37固定在导杆安装孔30中；步进电机Ⅱ17内部设置有转子33、定子32和散热网31，所述定子32位于转子33的外圈，定子32前后端面安装有行程开关5，转子33与丝杆导轨4进行螺纹配合。在传统设计中，一般采用丝杆旋转运动转化为滑块的直线运动，这里考虑到丝杆旋转会有很大的安全隐患，所以利用无轴电机转子的转动转化为电机等部件的水平移动，大大增强了安全性；转子33和丝杆导轨4在配合旋转时，由于摩擦容易产生热量，这里可以通过散热网31散出。
丝杆导轨4两端固定在轴承座18上，轴承座18之间通过固定板28连接，轴承座18上设置有位置传感器19；如图1所示，为本装置整体安装在楼梯上的示意图，传输机构在使用时可以整体安装在需要使用的楼梯扶手15上，不使用时，也方便拆卸。利用丝杆导轨的运输，解决了上台阶时运动不稳定的问题。
实施例4：如图6所示，所述楼梯扶手处还设置有操作平台6，操作平台6上设置有操作屏幕35和急停按钮34。操作平台6背部设置轴套36，套设在楼梯扶手15上，位于传输机构的起始处，操作平台6为触摸式显示屏，若需要将货物运送到三层，按下数字三即可，若需要将货物从三楼运送到一楼，按下数字一即可；急停按钮34的设置可防止发生危险。
实施例5：如图7和12所示，旋转平台9固定竖直支撑柱3上，竖直支撑柱3位于楼梯转角处，旋转平台9底部连有步进电机Ⅰ16，步进电机Ⅰ16与控制机构8相连，控制机构8固定在竖直支撑柱3内部，控制机构8还与步进电机Ⅱ17和磁性柱10相连。旋转平台9的底部设置有平台座38，步进电机Ⅰ16固定在平台座38的下方，所述控制机构8控制步进电机Ⅰ16、步进电机Ⅱ17和磁性柱10，并接收来自位置传感器19的信号。位置传感器19可以识别载物箱7并反馈到控制机构8，控制机构8再控制步进电机Ⅱ17完成相应动作。
实施例6：如图8-9所示，所述机械臂包括机械臂上端14、机械臂中端13、机械臂下端12和机械臂爪端11，四者依次连接且四者之间可实现相对运动，其中机械臂上端14与旋转平台9连接，磁性柱10固定在机械臂爪端11的内侧。机械臂上端14与机械臂中端13之间通过铰链20连接，机械臂下端12和机械臂爪端11之间通过固定螺栓21和滚动接头22连接。
其中旋转平台9的转动角度为0°~225°，机械臂上端14以旋转平台9上的导杆为转轴，可转动角度范围为0°~90°；机械臂-中端13以机械臂上端14的水平轴为转轴，转动范围为0°~90°，两个极限位置是分别与机械臂上端14垂直和在同一水平线；机械臂下端12以机械臂中端13上的水平轴为转轴，旋转角度为0°~90°；在另一个自由度上，机械臂爪端11相对于机械臂下端12可进行360°旋转，并可控制旋转角度；机械臂爪端11内侧的磁性柱10能与铁块26相配合，因此机械臂爪端11的尺寸要与载物箱7相配合设置。以上转动角度均属于转动范围，具体情况下可以设定确定的转动角，进而完成相应动作。本装置主要利用机械臂实现了转向。
使用本装置运输物品时，先将货物放入载物箱7中，载物箱7位于如图13所示的楼梯平台1上，且位于没有丝杆导轨4的一侧，如图14所示，丝杠导轨4和步进电机Ⅱ17所组成的传输机构是整体侧向楼梯台阶2的，其中步进电机Ⅱ17上的导杆37与楼梯台阶平行，单片机控制步进电机Ⅰ16使得旋转平台9回到0°上，机械臂上端14下降到水平0°，机械臂中端13调整角度为-45°，机械臂下端12和机械臂上端14在同一条水平线上，机械臂爪端11与机械臂下端12保持垂直（规定为0°），即如图10所示的状态；此时磁性柱10恰好与载物箱7上的铁块26配合，然后单片机控制磁性柱10通电产生磁性，通过磁力吸引使得机械臂与载物箱7固定在一起；接着控制旋转平台9逆时针旋转225°，机械臂转到有丝杆导轨4的一面，如图12所示；同时控制机械臂上端14和机械臂中端13均调整到上升45°，机械臂下端12保持水平0°，如图11所示，同时机械臂爪端11与机械臂下端12角度由垂直变为倾斜45°或135°，此时导杆37穿过载物箱7上的两个通孔24，再然后控制磁性柱10断电磁性消失，其与铁块26配合断开；位置传感器19识别到载物箱7，把信号传送给单片机，随后发送信号给步进电机Ⅱ17，步进电机Ⅱ17转动带动转子33，从而使得携有载物箱7的步进电机Ⅱ17沿丝杆导轨4滑动，当行程开关5触碰到丝杆导轨4的末端，运动停止。若此刻到达目的地，位置传感器19不再识别到载物箱7，则运动完成，便可取下载物箱7；若无到达目的地，位置传感器19再次识别到载物箱7，利用机械臂把将载物箱7从导杆37中抽出，再控制磁性柱10通电产生磁性，通过磁力吸引与铁块26配合使载物箱7和机械臂固定在一起，然后机械臂上端14调整为到45°，机械臂中端13调整角度为-45°，机械臂下端12保持水平0°，同时机械臂整体旋转到另一侧，使得两个通孔24和下一个导杆37配合，紧接着完成下一个直线运动，当直到目的地，任务结束。
上面结合附图对本发明的具体操作实施做了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员对本发明设计做出的变型和改进，均在落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有楼道自动输运物品功能的装置，其特征在于：包括载物机构、控制机构(8)、固定在楼梯扶手(15)上的传输机构和固定在楼梯转角处的抓取机构，所述控制机构(8)控制抓取机构对载物机构进行抓取，再控制传输机构将载物机构传输至目的地；
所述载物机构包括载物箱(7)，载物箱(7)其中一组相对的两面上开有通孔(24)，另一组相对的两面上固定有铁块(26)；
所述传输机构包括丝杆导轨(4)和步进电机Ⅱ(17)，步进电机Ⅱ(17)可沿丝杆导轨(4)进行直线运动，丝杆导轨(4)两端都设置有位置传感器(19)，步进电机Ⅱ(17)上设置有导杆(37)，导杆(37)与载物箱(7)上的通孔(24)配合，步进电机Ⅱ(17)沿丝杆导轨(4)移动时带动载物箱(7)移动；
所述抓取机构包括旋转平台(9)和与之相连的机械臂，机械臂随旋转平台(9)的运动而运动，机械臂的末端固定有磁性柱(10)，与铁块(26)配合实现对载物箱(7)的抓取；
所述旋转平台(9)固定竖直支撑柱(3)上，竖直支撑柱(3)位于楼梯转角处，旋转平台(9)底部连有步进电机Ⅰ(16)，步进电机Ⅰ(16)与控制机构(8)相连，控制机构(8)固定在竖直支撑柱(3)内部，控制机构(8)还与步进电机Ⅱ(17)和磁性柱(10)相连；
所述步进电机Ⅱ(17)外设置有电机外壳(29)，电机外壳(29)上开有导杆安装孔(30)，导杆(37)固定在导杆安装孔(30)中；步进电机Ⅱ(17)内部设置有转子(33)、定子(32)和散热网(31)，所述定子(32)位于转子(33)的外圈，定子(32)前后端面安装有行程开关(5)，转子(33)与丝杆导轨(4)进行螺纹配合。
2.根据权利要求1所述的具有楼道自动输运物品功能的装置，其特征在于：所述楼梯扶手处还设置有操作平台(6)，操作平台(6)上设置有操作屏幕(35)和急停按钮(34)。
3.根据权利要求1所述的具有楼道自动输运物品功能的装置，其特征在于：所述载物箱(7)的底部设置有万向轮(23)，载物箱(7)上还设置有手扶杆(25)。
4.根据权利要求1所述的具有楼道自动输运物品功能的装置，其特征在于：所述丝杆导轨(4)两端固定在轴承座(18)上，轴承座(18)之间通过固定板(28)连接，轴承座(18)上设置有位置传感器(19)。
5.根据权利要求1所述的具有楼道自动输运物品功能的装置，其特征在于：所述机械臂包括机械臂上端(14)、机械臂中端(13)、机械臂下端(12)和机械臂爪端(11)，四者依次连接且四者之间可实现相对运动，其中机械臂上端(14)与旋转平台(9)连接，磁性柱(10)固定在机械臂爪端(11)的内侧。
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