CN109515546B - 一种轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公布的一种轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人，包括行走底盘单元、车架单元和爬楼伸缩腿系统，行走底盘单元包括底盘架，在底盘架上设置用于平路行驶的驱动轮；爬楼伸缩腿系统包括四条前伸缩腿、两条后伸缩腿和设置在车架单元顶面外侧的前后延伸的直线导轨，在直线导轨上一前一后通过滑块滑动连接两块滑动承重板，两块滑动承重板之间通过承重板连接块连接，两块滑动承重板的左右侧伸到车架单元外的部分的下表面分别安装有前伸缩腿，两条后伸缩腿分别设置在车架单元左右侧顶面内侧靠车架单元后端的位置，该两条后伸缩腿的下端通过后轮固定板连接，后轮固定板位于底盘架下方，后轮固定板下面设置有两个后定向轮。能翻越楼梯，适应各种地形。

Description

一种轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人。

背景技术

当今随着经济水平的上升，人们可支配收入的增加，使得人们能够购买服务机器人及其服务来解放简单的重复劳动来获得更多的空闲时间。

特别是对于快递行业和外卖行业，其服务的重要理念在于为人们节省时间，带来生活上的便利。对于快递自提点而言，取件人数多，耗费在排队取件的时间不可预估，此即为快递物流最后一公里难题。同时，人类日常生活中超市购物等同样产生了搬运物品的需求。当货物的重量过大、或者人力所不能及的情况下，更是一个难题。因此，将载物机器人应用到物流配送，重物搬运以及解决行动不便人群的出行问题等场景中，具有很好的发展前景。

机器人环境适应性很大程度上决定了机器人的应用范围。如上所述，对于载物机器人，要更加切实地为人们的生活带来便利，不仅要求机器人的运动系统能面对平坦道路环境，而且还要机器人能适应人行道路环境。首先，平坦道路上的运动能力作为基础运动能力，是机器人运动系统适应现实环境所必备的。再者，对于人行道路环境而言，楼梯作为人行环境中最常见也是最普遍存在的一种路障，要提高机器人的机动能力，能翻越楼梯等障碍成为机器人运动系统设计的关键点。

现有市面的物流机器人在平地上运动的能力较强，但是翻越楼梯等障碍的能力较差或不具备这种能力，因此在实际运用场景中很受限制。

发明内容

针对上述技术问题，本发明旨在提供一种能翻越楼梯等障碍的轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人，其特征在于：包括车架和爬楼伸缩腿系统，所述车架包括行走底盘单元和车架单元，所述行走底盘单元包括底盘架，在底盘架上设置用于平路行驶的驱动轮；

所述车架单元设置在底盘架上，货物放置在所述车架单元和底盘架围成的空间内；

所述爬楼伸缩腿系统包括四条前伸缩腿、两条后伸缩腿和设置在车架单元顶面的前后延伸的直线导轨，在所述直线导轨上一前一后通过滑块滑动连接两块滑动承重板，两块滑动承重板能通过安装在车架单元上的直线运动驱动装置控制在直线导轨上前后往复滑动，两块所述滑动承重板之间通过承重板连接块连接，两块所述滑动承重板的左右端分别伸到车架单元的左右侧外，两块所述滑动承重板的左右侧伸到车架单元外的部分的下表面分别安装有所述前伸缩腿，两条后伸缩腿分别设置在车架单元左右侧顶面内侧靠车架单元后端的位置，该两条后伸缩腿沿车架的横向中心线对称设置，该两条后伸缩腿的下端伸到底盘架下方，并通过后轮固定板连接，所述后轮固定板下面设置有两个后定向轮。

上述方案中：在所述底盘架的四个角上分别设置驱动轮，所述驱动轮包括麦轮、麦轮电机和联轴器，所述麦轮电机通过联轴器与麦轮驱动连接。

上述方案中：所述前伸缩腿和后伸缩腿均为电动推杆。

上述方案中：所述底盘架由前、后纵向梁、两根长横向梁、两根短横向梁和一根中纵向梁围成，两根所述长横向梁与中纵向梁围成]形架，两根所述短横向梁连接在中纵向梁的背侧与中纵向梁围成π形，两根所述长横向梁、中纵向梁以及两根所述短横向梁围成的架子连接在前、后纵向梁的中部之间，所述后轮固定板位于两根短横向梁下方。

上述方案中：所述车架单元包括四根外竖向梁和四根内竖向梁，四根所述外竖向梁分别设置在前、后纵向梁的两端，其中两根内竖向梁设置在中纵向梁的两端，另外两根内竖向梁设置在前纵向梁上，四根内竖向梁围成矩形架，前侧的两根外竖向梁之间以及后侧的两根外竖向梁之间通过上纵向梁相连，前侧和后侧的上纵向梁之间通过两根上横向梁相连，两根上横向梁还分别连接在中纵向梁两端的内竖向梁的顶端，所述直线导轨连接在前侧和后侧的上纵向梁之间，且所述直线导轨位于两条上横向梁之间，所述后伸缩腿设置在两条上横向梁的后端。

上述方案中：所述前纵向梁、中纵向梁和两根所述长横向梁之间设置有载物板，左侧的两根内竖向梁之间以及右侧的两根内竖向梁之间设置有侧挡板，所述中纵向梁上的两根内竖向梁之间设置有后挡板，四根内竖向梁的顶端之间设置有上挡板，所述载物板、侧挡板、后挡板和上挡板围成用于放置货物的箱体。箱体位于车架内，重心低，运行平稳，保证货物的安全性。

上述方案中：所述直线运动驱动装置为电动推杆，所述电动推杆安装在车架单元的后侧的上纵向梁上。

上述方案中：所述直线运动驱动装置包括步进电机和齿轮齿条机构，所述齿轮齿条机构的齿条设置在车架单元顶面，所述齿条与直线导轨平行设置，在所述载物承重板的底面安装有齿轮，所述齿轮与齿条啮合，所述齿轮通过步进电机驱动旋转。齿轮旋转，带动齿条移动，从而实现车架的移动或实现承重板的移动。

本发明的有益效果是：本发明的轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人能实现在平坦的道路上稳定运行，同时在遇到梯坎时，能翻越楼梯，适应各种地形，运载货物可靠性高，可用于快递、外卖以及货物的搬运。

附图说明

图1是本发明的实施例1的结构示意图。

图2为后侧视图。

图3为右侧视图。

图4为仰视图。

图5为本发明的框架图。

图6为图1中A处局部放大图。

图7为爬楼示意图1。

图8为爬楼示意图2。

图9为爬楼示意图3。

图10为爬楼示意图4。

图11为爬楼示意图5。

图12为爬楼示意图6。

图13为爬楼示意图7。

图14为实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

本发明的方位词“前”指的是机器人前进的方向，“后”与“前”相对，指机器人后退的方向，“左”、“右”指底盘架的宽度方向。

实施例1，如图1-13所示，轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人由车架、爬楼伸缩腿系统和用于装货物的箱体组成，车架包括行走底盘单元和车架单元。

行走底盘单元包括底盘架和驱动机器人在平路上行驶的驱动轮。

其中底盘架由前、后纵向梁1、两根长横向梁2、两根短横向梁3和中纵向梁4围成，两根长横向梁2与中纵向梁4围成]形架，两根短横向梁3连接在中纵向梁4的背侧与中纵向梁4围成π形，也就是说短横向梁3与长横向梁2分别位于中纵向梁4的不同侧，两根长横向梁2、中纵向梁4以及两根短横向梁3围成的架子连接在前、后纵向梁1的中部之间。其中长横向梁2位于前方。

在底盘架的四个角上分别设置驱动轮，驱动轮包括麦轮5、麦轮电机6和联轴器，麦轮电机6通过联轴器与麦轮5驱动连接。

车架单元设置在底盘架上，车架单元包括四根外竖向梁7和四根内竖向梁8，四根外竖向梁7分别设置在前、后纵向梁1的两端，其中两根内竖向梁8设置在中纵向梁4的两端，另外两根内竖向梁8设置在前纵向梁1上，四根内竖向梁8围成矩形架，前侧的两根外竖向梁7之间以及后侧的两根外竖向梁7之间通过上纵向梁9相连，前侧和后侧的上纵向梁9之间通过两根上横向梁10相连，两根上横向梁10还分别连接在中纵向梁4两端的内竖向梁8的顶端，即上横向梁10将同一侧的两根内竖向梁8和前后侧的上纵向梁9连接起来，直线导轨11连接在前侧和后侧的上纵向梁9之间，且直线导轨11位于两条上横向梁10之间。

前纵向梁1、中纵向梁4和两根长横向梁2之间设置有载物板12，左侧的两根内竖向梁8之间以及右侧的两根内竖向梁8之间设置有侧挡板13，中纵向梁4上的两根内竖向梁8之间设置有后挡板14，四根内竖向梁8的顶端之间设置有上挡板15，载物板12、侧挡板13、后挡板14和上挡板15围成用于放置货物的箱体，箱体内还可分层设置载物板12。

爬楼伸缩腿系统包括四条前伸缩腿16、两条后伸缩腿17和直线导轨11，前伸缩腿16和后伸缩腿17均为电动推杆，包括电动推杆外筒和电动推杆内活动杆(此为现有技术)，活动杆的下端设置有圆形底盘起到支撑作用。内活动杆向下伸长，伸缩腿变长，抬高。

在直线导轨11上一前一后通过滑块滑动连接两块滑动承重板18，两块滑动承重板18能在直线导轨11上前后滑动，两块滑动承重板18通过安装在车架单元上的直线运动驱动装置控制在直线导轨上前后往复滑动，直线运动驱动装置a包括步进电机和齿轮齿条机构，齿轮齿条机构的齿条22设置在车架单元顶面，齿条22与直线导轨11平行设置，在每个载物承重板18的底面安装有齿轮，齿轮与齿条22啮合，齿轮通过步进电机驱动旋转。齿轮齿条和步进电机作为直线驱动装置为本领域常规技术，因此图1中未画出步进电机，未显示出齿轮。

两块滑动承重板18之间通过承重板连接块19连接，两块滑动承重板18的左右端分别伸到车架单元的左右侧外，两块滑动承重板18的左右侧伸到车架单元外的部分的下表面分别安装有前伸缩腿16，两条后伸缩腿17分别设置在车架单元的顶面内侧的左右侧靠车架单元后端的位置，具体的后伸缩腿17设置在两条上横向梁9的后端，后伸缩腿17位于中纵向梁4和后纵向梁1之间，该两条后伸缩腿17沿车架单元的横向中心线对称设置，后伸缩腿17的下端伸到底盘架下方并通过后轮固定板20连接，后轮固定板20位于底盘架的两根短横向梁3的下方，后轮固定板20下面设置有两个后定向轮21。

实施例2

其他与实施例1相同，不同的是，如图14所示，直线运动驱动装置a为电动推杆，电动推杆安装在车架单元的后侧的上纵向梁9上，其伸缩杆伸到前方与承重板18相连。

机器人通过驱动轮带动在平路上行驶。当靠近台阶时，前伸缩腿16和后伸缩腿17均抬起(即伸缩腿的活动杆向下伸出，将车架向上抬起，并且伸缩腿着地，驱动轮被抬起)，此时通过直线运动驱动装置控制让车架向前移动一小段(此时由于伸缩腿与地面接触，处于固定状态，通过电动推杆伸缩，让导轨沿着滑块移动，带动车架向前移动。或者是齿条移动带动车架向前移动)，让前驱动轮首先搭在第一级台阶上，前驱动轮搭台成功后，在第一级台阶上继续驱动前进，同时前伸缩腿的活动杆缩回，其中更靠前的前伸缩腿缩回更多，是为了当装有四条前伸缩腿的两块承重板沿直线导轨被直线驱动装置驱动向前运动时让更靠前的前伸缩腿能搭在第一级台阶上而不发生伸缩腿和台阶不干涉现象，而靠后的前伸缩腿缩回仅仅是为了避免影响机器人前进过程中伸缩腿与地面的摩擦干涉，此时后伸缩腿不缩回支撑在平路上，保证车架始终处于水平状态。

当装有四条前伸缩腿的两块承重板沿直线导轨被直线驱动装置驱动向前运动至更靠前的前伸缩腿塔台成功后，伸缩腿继续向上抬起(即伸缩腿的活动杆向下伸出，将车架向上抬起)，让前驱动轮再次离开地面，直线运动驱动装置驱动车架前进一小段，直至让前驱动轮能搭在第二级台阶时，四条前伸缩腿缩短，其中更靠前的前伸缩腿缩回更多，同样是为了防止出现攀爬第一个台阶时候所述的干涉问题，驱动轮驱动前进，让两条前伸缩腿分别在第二和第一台阶搭台成功，同时后伸缩腿伸长保持机器人水平。机器人搭台成功后，前驱动轮带动机器人继续前进，直至前驱动轮靠近下一个台阶时驱动轮停止驱动，此时，装有四条前伸缩腿的两块承重板18沿直线导轨被直线驱动装置驱动向前运动至更靠前的前伸缩腿到达其在导轨上能运动到的最前端后，继续向上抬起，(即伸缩腿的活动杆向下伸出，将车架向上抬起)，此时后伸缩腿缩短，进而前驱动轮和后伸缩腿上的定向轮一起离开地面，直线运动驱动装置驱动车架前进一小段，直至让前驱动轮能搭在第三级台阶，后伸缩腿上的定向轮搭在第一个台阶。此后，按照同样的方式往复运动，让机器人再次搭台成功。

每条伸缩腿如此往复的伸长缩短，最终完成整个爬楼过程。在搭台过程中，机器人的前进主要靠前驱动轮的动力、直线运动驱动装置的动力，后定向轮辅助前进。在运动过程中，直线运动驱动装置还需要驱动承重板沿着直线导轨前后移动。在搭台的过程中，通过前后伸缩腿的配合，使得机器人车架始终处于水平，以保证运载的货物的安全性，并且本发明的机器人的货物重心低，运行平稳。当下楼时与上楼的运动过程相反。

本发明不局限于上述实施例，如底盘架、车架和箱体的结构可以采取其他形式的结构。本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人，其特征在于：包括车架和爬楼伸缩腿系统，所述车架包括行走底盘单元和车架单元，所述行走底盘单元包括底盘架，在底盘架上设置用于平路行驶的驱动轮；

所述车架单元设置在底盘架上，货物放置在所述车架单元和底盘架围成的空间内；

所述爬楼伸缩腿系统包括四条前伸缩腿、两条后伸缩腿和设置在车架单元顶面的前后延伸的直线导轨，在所述直线导轨上一前一后通过滑块滑动连接两块滑动承重板，两块滑动承重板能通过安装在车架单元上的直线运动驱动装置控制在直线导轨上前后往复滑动，两块所述滑动承重板之间通过承重板连接块连接，两块所述滑动承重板的左右端分别伸到车架单元的左右侧外，两块所述滑动承重板的左右侧伸到车架单元外的部分的下表面分别安装有所述前伸缩腿，两条后伸缩腿分别设置在车架单元左右侧顶面内侧靠车架单元后端的位置，该两条后伸缩腿沿车架的横向中心线对称设置，该两条后伸缩腿的下端伸到底盘架下方，并通过后轮固定板连接，所述后轮固定板下面设置有两个后定向轮；所述底盘架由前、后纵向梁、两根长横向梁、两根短横向梁和一根中纵向梁围成，两根所述长横向梁与中纵向梁围成］形架，两根所述短横向梁连接在中纵向梁的背侧与中纵向梁围成π形，两根所述长横向梁、中纵向梁以及两根所述短横向梁围成的架子连接在前、后纵向梁的中部之间，所述后轮固定板位于两根短横向梁下方；

所述车架单元包括四根外竖向梁和四根内竖向梁，四根所述外竖向梁分别设置在前、后纵向梁的两端，其中两根内竖向梁设置在中纵向梁的两端，另外两根内竖向梁设置在前纵向梁上，四根内竖向梁围成矩形架，前侧的两根外竖向梁之间以及后侧的两根外竖向梁之间通过上纵向梁相连，前侧和后侧的上纵向梁之间通过两根上横向梁相连，两根上横向梁还分别连接在内竖向梁的顶端，所述直线导轨连接在前侧和后侧的上纵向梁之间，且所述直线导轨位于两条上横向梁之间，所述后伸缩腿设置在两条上横向梁的后端；

所述前纵向梁、中纵向梁和两根所述长横向梁之间设置有载物板，左侧的两根内竖向梁之间以及右侧的两根内竖向梁之间设置有侧挡板，所述中纵向梁上的两根内竖向梁之间设置有后挡板，四根内竖向梁的顶端之间设置有上挡板，所述载物板、侧挡板、后挡板和上挡板围成用于放置货物的箱体；

所述直线运动驱动装置包括步进电机和齿轮齿条机构，所述齿轮齿条机构的齿条设置在车架单元顶面，所述齿条与直线导轨平行设置，在所述载物承重板的底面安装有齿轮，所述齿轮与齿条啮合，所述齿轮通过步进电机驱动旋转。

2.根据权利要求1所述一种轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人，其特征在于：在所述底盘架的四个角上分别设置驱动轮，所述驱动轮包括麦轮、麦轮电机和联轴器，所述麦轮电机通过联轴器与麦轮驱动连接。

3.根据权利要求1或2所述一种轮腿复合式的水平姿态载物爬楼机器人，其特征在于：所述前伸缩腿和后伸缩腿均为电动推杆。