CN109850029B - 一种爬楼梯机器人及其爬楼梯控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种爬楼梯机器人及其爬楼梯控制方法，通过两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于机体做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下，相对于地面做水平面运动。本发明提供的所述爬楼梯机器人由一种具有前后高度差的可升降支撑机构组成，支撑机构下降的同时抬升机器人，被抬升的机器人在轮组的驱动下进行前后水平运动，两套升降机构交替支承、平移，能够平稳、快速、高效地实现多级台阶的连续抬升或下降，完成上下楼梯的功能。

Description

一种爬楼梯机器人及其爬楼梯控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及的是一种爬楼梯机器人及其爬楼梯控制方法。

背景技术

随着科学技术水平的日益提升，机器人产业呈现蓬勃发展的趋势。现在有越来越多的机器人出现在了人们的日常生活中，机器人已经成为了现代生活不可或缺的一部分。楼梯是日常生活中常见的一类障碍，具有攀爬楼梯功能的机器人在日常生活具有广泛的应用。

目前爬楼梯机器人主要有步进式、履带式、星轮式、四连杆式和六轮式等类型，在不同领域有广泛的实际应用。现有的爬楼梯机器人在功能上虽然相对成熟，但却仍有一定的局限性。例如常见的履带式和星轮式爬楼梯机器人，爬梯过程中机器人机身会倾斜，不利于在餐饮配送与物流等行业的应用；传统的步进式爬楼梯机器人则存在动作复杂，爬楼梯速度较慢的问题。因此针对目前爬楼梯机器人在攀爬楼梯方面的问题，急需研制一种具有高效、稳定爬梯功能的爬楼梯机器人。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种爬楼梯机器人及其控制方法，克服现有技术中爬楼梯机器人在爬梯时爬行速度慢或者动作复杂等缺陷。

本发明提供的第一实施例为一种爬楼梯机器人，其中，包括：机体，控制机构和分别设置在机体前后两端的两组支撑机构；

所述机体包括：机架、光轴、设置在所述机架底部的底盘驱动轮和升降机构；

两组所述支撑机构均包括：支撑支架、支撑驱动轮、支撑从动轮和移动连接件；

所述控制机构包括：多个用于对所述支撑驱动轮和底盘驱动轮的运行进行控制的电机；

两组所述支撑机构通过光轴与移动连接件组成的移动副与所述机体相连接；

两组支撑机构在所述支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于所述机体做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下，相对于地面做水平面运动。

可选的，所述支撑机构包括：上楼传感器和下楼传感器；

所述支撑支架包括：两组结构相同的前支脚和后支脚，以及连接在前支脚与后支脚之间的同步梁；

所述前支脚上安装有所述支撑驱动轮和上楼传感器；所述后支脚上安装有支撑从动轮和下楼传感器。

可选的，所述升降机构包括：两组结构相对称的传送装置；两组所述传送装置分别与两组所述支撑机构相连接；

所述传送装置为由同步轮和同步带组成的直线传送装置、蜗轮和蜗杆组成的蜗轮蜗杆传送装置或者为由齿轮和齿条组成的齿轮齿条传送装置。

可选的，所述支撑机构包括：前支撑机构和后支撑机构；

所述前支撑机构与后支撑机构之间的前后距离差为大于一个预设台阶宽度和小于两个预设台阶宽度；所述前支脚与后支脚之间的高度差至少为一个预设台阶高度。

可选的，各个支撑驱动轮和各个底盘驱动轮均设置成由独立电机控制。

可选的，所述移动连接件为直线轴承或者滚动轴承。

本发明提供的第二实施例为一种爬楼梯机器人的爬楼梯控制方法，其中，包括：

两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于机体做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下，相对于地面做水平面运动。

可选的，所述两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于机体做爬楼梯运动的步骤包括：

当位于机体前端的前支撑机构的上楼传感器检测到台阶时，控制升降机构带动所述前支撑机构抬升至少一个台阶的高度，且同时控制机构控制电机驱动后支撑机构的支撑驱动轮向前运动；

当位于机体后端的后支撑机构的上楼传感器检测到台阶后，控制升降机构带动所述前支撑机构降低至少一个台阶的高度、提升所述后支撑机构与机体，同时控制机构控制电机驱动前支撑机构的支撑驱动轮向前运动。

可选的，所述控制机构控制电机驱动后支撑机构的支撑驱动轮向前运动或者控制机构控制电机驱动前支撑机构的支撑驱动轮向前运动的同时还包括：

支撑机构上的传感器检测所述爬楼梯机器人的机体是否发生倾斜，若是，则控制机构调节支撑驱动轮和底盘驱动轮的转速进行倾斜角度校正。

可选的，在开启爬楼梯的功能之前，所述方法还包括：

设置两组支撑机构之间的前后距离差，以及前支脚和后支脚之间的高度差。

有益效果，本发明提供了一种爬楼梯机器人及其爬楼梯控制方法，通过两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于机体做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下，相对于地面做水平面运动。本发明提供的所述爬楼梯机器人由一种具有前后高度差的可升降支撑机构组成，支撑机构下降的同时抬升机器人，被抬升的机器人在轮组的驱动下进行前后水平运动，两套升降机构交替支承、平移，能够平稳、快速、高效地实现多级台阶的连续抬升或下降，完成上下楼梯的功能。

附图说明

图1是本发明所提供的爬楼梯机器人的结构示意图；

图2是本发明所提供的爬楼梯机器人的左视图；

图3是本发明所提供的爬楼梯机器人中前支撑机构的结构示意图；

图4是本发明所提供的爬楼梯机器人中后支撑机构的结构示意图；

图5是本发明所提供的爬楼梯机器人中机体的结构示意图；

图6是本发明所提供的爬楼梯机器人中支撑机构与机体布局示意图；

图7是本发明中所述爬楼梯机器人在上楼梯步骤中第一步的状态示意图；

图8是本发明中所述爬楼梯机器人在上楼梯步骤中第二步的状态示意图；

图9是本发明中所述爬楼梯机器人在上楼梯步骤中第三步的状态示意图；

图10是本发明中所述爬楼梯机器人在上楼梯步骤中第四步的状态示意图；

图11是本发明中所述爬楼梯机器人在上楼梯步骤中第五步的状态示意图；

图12是本发明中所述爬楼梯机器人在上楼梯步骤中第六步的状态示意图；

图13是本发明中所述爬楼梯机器人在上楼梯步骤中第七步的状态示意图；

图14是本发明中所述爬楼梯机器人在下楼梯步骤中第一步的状态示意图；

图15是本发明中所述爬楼梯机器人在下楼梯步骤中第二步的状态示意图；

图16是本发明中所述爬楼梯机器人在下楼梯步骤中第三步的状态示意图；

图17是本发明中所述爬楼梯机器人在下楼梯步骤中第四步的状态示意图；

图18是本发明中所述爬楼梯机器人在下楼梯步骤中第五步的状态示意图；

图19是本发明中所述爬楼梯机器人的爬楼梯控制方法的步骤流程图。

图中各个部件的编号如下：1、机架；2、底盘驱动轮；3、电源；4、前支撑机构；5、后支撑机构；6、同步带传动机构；7、前支撑驱动轮；8、后支撑驱动轮；9、直线轴承移动副、10、后支撑从动轮；11、前支撑从动轮；12、前上楼传感器；13、后上楼传感器；14、前下楼传感器、15、后下楼传感器。16、前支脚（位于前支撑机构）；17后支脚；18、直线轴承；19、前支脚（位于后支撑机构）；20、后支脚；21、同步梁（位于前支撑机构）；22、同步梁（位于后支撑机构）；23、同步带；24、光轴；25、同步轮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的第一实施例为一种爬楼梯机器人，如图1所述，包括：机体、控制机构和设置在机体前后两端且具有高度差的两组支撑机构；

所述机体包括：机架1、光轴24、设置在所述机架1底部的底盘驱动轮2和升降机构；

两组所述支撑机构均包括：支撑支架、支撑驱动轮、支撑从动轮和移动连接件。

具体的，所述支撑机构包括：前支撑机构4和后支撑机构5；所述前支撑机构与后支撑机构具有相同的结构特征。

所述控制机构包括：多个用于对所述支撑驱动轮和底盘驱动轮2的运行进行控制的电机；可以想到的是，通过电源3为电机提供电能，电源3优选的放置在机体中心的下方。

两组所述支撑机构通过光轴与移动连接件组成的移动副与所述机体相连接；

两组支撑机构在所述支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于所述机体做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下，相对于地面做水平面运动。

为了实现所述支撑机构在升降机构及驱动轮的控制下实现相对于机体的运动，通过移动连接件将支撑机构与机体相连接，相连接的元件组成移动副，具体的所述移动连接件为直线轴承18或者滚动轴承。

结合图1和图2所示，所示升降机构与两组支撑结构分别连接，用于控制支撑机构的上升和下降，而控制机构用于控制支撑驱动轮和底盘驱动轮转动，使得整个爬楼梯机器人在驱动轮的带动下在水平面上运行。

具体的，当爬楼梯机器人开启的功能为水平面上移动时，升降机构控制位于前端的支撑机构提升一定高度，而位于后端的后支撑机构则下降到其支撑驱动轮接触地面或水平面，机体上的底盘驱动轮也同时处于接触地面或水平面，因此四个驱动轮（后支撑机构的支撑驱动轮和两个设置在机架上的底盘驱动轮）处于同一平面上，此时电机通过控制四个驱动轮转动的速度来控制爬楼梯机器人的移动方向和移动速度。

具体的，结合图3所示的前支撑机构和图4所示的后支撑机构的结构示意图。

所述支撑机构还包括：上楼传感器和下楼传感器；位于前端的支撑结构包括的上楼传感器命名为前上楼传感器12，位于后端的支撑结构包括的上楼传感器命名为后上楼传感器13。相似的，位于前端的支撑结构包括的下楼传感器命名为前下楼传感器14，位于后端的支撑结构包括的后楼传感器命名为后下楼传感器15。

所述支撑支架包括：相对称的两组前支脚16和后支脚17，以及连接在两组支脚之间的同步梁21；

所述前支脚上安装有所述支撑驱动轮和上楼传感器；所述后支脚上安装有支撑从动轮和下楼传感器。

具体的，结合如图5所示的机体结构示意图，所述升降机构包括：两组相对称的传送装置6；两组所述传送装置6分别与两组所述支撑机构相连接；

具体的，所示传送装置可以为直线传送装置也可以为滚动传送装置，在具体实施时，所述传送装置可以为由同步轮25和同步带23组成的直线传送装置、蜗轮和蜗杆组成的蜗轮蜗杆传送装置或者为由齿轮和齿条组成的齿轮齿条传送装置。

可以想的是，为了满足爬楼梯的要求，结合图6，所述前支撑机构与后支撑机构之间的高度差至少为一个预设台阶高度；所述前支撑机构与后支撑机构之间的距离大于一个预设台阶宽度和小于两个预设台阶宽度。

前、后支撑机构的结构尺寸大致相同。前、后支撑机构前后均具有高度差、并且高度差恰好为一级台阶的高度。支撑机构的前后跨度大于一级的台阶宽度、小于两级的台阶宽度。前支撑机构和后支撑机构在机体上前后布置，前后距离要略小于一级台阶宽度；前支撑机构的后支脚和后支撑机构的前支脚的距离要略小于一级台阶宽度；当机体被抬升时，抬升高度要略大于两级台阶高度。

较佳的，各个支撑驱动轮和各个底盘驱动轮均为电机独立控制。便于根据爬楼机器人在爬行时的状态对任何一个驱动轮的转速进行调整。

下面具体的对本发明提供的爬楼梯机器人在进行上下楼时的爬行过程进行详细的说明。

如图7所示，当爬楼梯机器人运动到台阶边缘时，前支撑机构的前支脚与后支脚之间由于具有前后高度差，而高度差为台阶高度，且前支撑机构与后支撑机构之间具有距离差，所以能够使得前支脚支撑在第一级台阶和后支撑机构的前后支脚支撑在地面上。此时通过控制系统使机器人进入自动爬楼梯模式。如图8所示，前、后支撑机构下降，机体被抬升，并且抬升高度略大于第二级台阶高度。如图9所示，前、后支撑驱动轮开始运动，驱动机器人往前移动。

如图10所示，当前支撑机构上的前上楼传感器检测到第二级台阶时，（如果左右两边的传感器只有一个传感器感应到，则加快另一边轮子的转动速度进行校正。当两位于两个前支脚上的两个前上楼传感器均能检测到台阶时，代表机器人方向正对楼梯）前支撑机构抬升，后支撑驱动轮继续驱动，机器人继续向前移动。

如图11所示，当后支撑机构上的两个前支脚安装的后上楼传感器均检测到第二级台阶时，前支撑机构下降。前、后支撑主动轮旋转，机器人继续向前移动。

在之后的运动中，如图12所示，当前支撑传感器检测到台阶时，前支撑装置抬升，当后上楼传感器测到台阶时，前支撑装置降下（即抬升底盘与后支撑装置），如此循环直至攀爬到楼梯顶端，当传感器检测到再无台阶时，按顺序收回前、后、支撑装置，使其平稳落在平地上。

下楼梯运动：

下楼梯则需要用到前、后支撑机构的后支脚上的传感器，即前下楼传感器、后下楼传感器。

如图13所示，当前下楼传感器检测不到台阶时，后支撑机构下降，抬升机体和前支撑机构，后支撑驱动轮驱动机器人向下楼方向前进。

如图14所示，当后下楼传感器检测不到台阶时，前支撑机构下降，前、后支撑机构共同支撑机体，前、后支撑驱动轮驱动机器人继续前进。

如图15所示，前支撑机构上的前下楼传感器检测不到台阶时，前支撑机构抬升，此时后支撑机构和机体下降一个台阶的高度。后支撑驱动轮驱动机器人向下楼方向前进。

如图16所示，之后的运动，当后下楼传感器检测不到台阶时，前支撑机构下降；如图17和图18所示，当前下楼传感器检测不到台阶时、前支撑机构抬升，即机体下降一个台阶的高度；如此循环直至下到地面，后支撑机构和前支撑机构一次抬升使机体最终降落到地面。

可以想到的是，本发明提供的爬楼梯机器人可以开启三种不同的运动模式，上楼梯模式、下楼梯模式和水平运动模式，当开始上楼梯模式时，则由前支撑机构和后支撑机构上安装的上楼传感器进行台阶检测，并由升降机构根据台阶检测情况控制前支撑机构和后支撑机构相对于机体做升降运动，同时由控制机构控制支撑驱动轮向前运动。当开始下楼梯模式时，则由前支撑机构和后支撑机构上安装的下楼传感器进行无台阶检测，并由升降机构根据台阶检测情况控制前支撑机构和后支撑机构相对于机体做升降运动，同时由控制机构控制支撑驱动轮向后运动。当开始水平运动模式，则控制前支撑机构抬升，控制机构的电机驱动机体上的底盘驱动轮与后支撑机构的后支撑驱动轮在水平面上运行。

本发明提供的第二实施例为一种爬楼梯机器人的爬楼梯控制方法，如图19所示，包括：

步骤S1、两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于机体做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下，相对于地面做水平面运动。

具体的，所述两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于机体做爬楼梯运动的步骤包括：

当位于前端的前支撑机构上的上楼传感器和下楼传感器均检测到台阶时，控制升降机构带动所述前支撑机构抬升至少一个台阶的高度，且同时控制机构控制电机驱动后支撑机构的支撑驱动轮向前运动；

当位于后端的后支撑机构的检测到台阶后，控制升降机构带动所述后支撑机构升至少一个台阶的高度，且同时控制机构控制电机驱动前支撑机构的支撑驱动轮向前运动。

进一步的，由于当机器人在前行过程中，机器人的机体发生倾斜时，可能会导致机器人倾翻，因此为了保证机器人在前行过程中稳定，所述控制机构控制电机驱动后支撑机构的支撑驱动轮向前运动或者控制机构控制电机驱动前支撑机构的支撑驱动轮向前运动的同时还包括：

支撑机构上的传感器检测所述爬楼梯机器人的机体是否发生倾斜，若是，则控制机构调节支撑驱动轮和底盘驱动轮的转速进行倾斜角度校正。

所述支撑支架包括：相对称的两组前支脚和后支脚，以及连接在两组支脚之间的同步梁；

所述前支脚上安装有所述支撑驱动轮和上楼传感器；所述后支脚上安装有支撑从动轮和下楼传感器。

可选的，在开启爬楼梯的功能之前，所述方法还包括：

设置两组支撑机构之间的前后距离差，以及前支脚和后支脚之间的高度差。

本发明提供了一种爬楼梯机器人及其爬楼梯控制方法，通过两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于机体做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下，相对于地面做水平面运动。本发明提供的所述爬楼梯机器人由一种具有前后高度差的可升降支撑机构组成，支撑机构下降的同时抬升机器人，被抬升的机器人在轮组的驱动下进行前后水平运动，两套升降机构交替支承、平移，能够平稳、快速、高效地实现多级台阶的连续抬升或下降，完成上下楼梯的功能。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种爬楼梯机器人，其特征在于，包括：机体、控制机构和分别设置在机体前后两端的两组支撑机构；

所述机体包括：机架、光轴、设置在所述机架底部的底盘驱动轮和升降机构；

两组所述支撑机构均包括：支撑支架、支撑驱动轮、支撑从动轮和移动连接件；

所述控制机构包括：多个用于对所述支撑驱动轮和底盘驱动轮的运行进行控制的电机；

两组所述支撑机构通过光轴与移动连接件组成的移动副与所述机体相连接；

两组支撑机构在所述支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下做水平面运动；

所述支撑机构包括：上楼传感器和下楼传感器；

所述支撑支架包括：两组结构相同的前支脚和后支脚，以及连接在前支脚与后支脚之间的同步梁；

所述前支脚上安装有所述支撑驱动轮和上楼传感器；所述后支脚上安装有所述支撑从动轮和所述下楼传感器；

所述升降机构包括：两组结构相对称的传送装置；两组所述传送装置分别与两组所述支撑机构相连接；

所述传送装置为由同步轮和同步带组成的直线传送装置、蜗轮和蜗杆组成的蜗轮蜗杆传送装置或者为由齿轮和齿条组成的齿轮齿条传送装置；

当后支撑机构上的两个前支脚安装的后上楼传感器均检测到第二级台阶时，前支撑机构下降；前、后支撑主动轮旋转，机器人继续向前移动；当前支撑传感器检测到台阶时，前支撑装置抬升，当后上楼传感器测到台阶时，前支撑装置降下，如此循环直至攀爬到楼梯顶端。

2.根据权利要求1所述的爬楼梯机器人，其特征在于，所述支撑机构包括：前支撑机构和后支撑机构；

所述前支撑机构与后支撑机构之间的前后距离差为大于一个预设台阶宽度和小于两个预设台阶宽度；所述前支脚与后支脚之间的高度差至少为一个预设台阶高度。

3.根据权利要求1所述的爬楼梯机器人，其特征在于，各个支撑驱动轮和各个底盘驱动轮均设置成由独立电机控制。

4.根据权利要求1所述的爬楼梯机器人，其特征在于，所述移动连接件为直线轴承或者滚动轴承。

5.一种爬楼梯机器人的爬楼梯控制方法，其特征在于，包括：

两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下做爬楼梯运动，或者所述支撑驱动轮和底盘驱动轮在电机的驱动下做水平面运动；

所述两组支撑机构在其支撑驱动轮的驱动、支撑从动轮和升降机构的带动下相对于机体做爬楼梯运动的步骤包括：

当位于机体前端的前支撑机构的上楼传感器检测到台阶时，控制升降机构带动所述前支撑机构抬升至少一个台阶的高度，且同时控制机构控制电机驱动后支撑机构的支撑驱动轮向前运动；

当位于机体后端的后支撑机构的上楼传感器检测到台阶后，控制升降机构带动所述前支撑机构降低至少一个台阶的高度、提升所述后支撑机构与机体，同时控制机构控制电机驱动前支撑机构的支撑驱动轮向前运动；

当后支撑机构上的两个前支脚安装的后上楼传感器均检测到第二级台阶时，前支撑机构下降；前、后支撑主动轮旋转，机器人继续向前移动；当前支撑传感器检测到台阶时，前支撑装置抬升，当后上楼传感器测到台阶时，前支撑装置降下，如此循环直至攀爬到楼梯顶端。

6.根据权利要求5所述的爬楼梯机器人的爬楼梯控制方法，其特征在于，所述控制机构控制电机驱动后支撑机构的支撑驱动轮向前运动或者控制机构控制电机驱动前支撑机构的支撑驱动轮向前运动的同时还包括：

支撑机构上的传感器检测所述爬楼梯机器人的机体是否发生倾斜，若是，则控制机构调节支撑驱动轮和底盘驱动轮的转速进行倾斜角度校正。

7.根据权利要求5所述的爬楼梯机器人的爬楼梯控制方法，其特征在于，在开启爬楼梯的功能之前，所述方法还包括：

设置两组支撑机构之间的前后距离差，以及前支脚和后支脚之间的高度差。