CN110179600B - 一种爬楼及越障机器人以及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种爬楼及越障机器人，包括：被动式支撑避障装置、攀爬装置、车架、转向系统；四个相同的被动式支撑避障装置设置在车架的四个拐角，与车架上的前支架以及转向架固接；两个相同的攀爬装置分别设置在车架前后两端，与车架上的连接短轴、连接长轴固接；转向系统设置在车架后端，分别与被动式支撑避障装置第三连接杆、连接固定板固接；被动式支撑避障装置、攀爬装置、车架以及转向系统共同构成爬楼及越障机器人。

Description

一种爬楼及越障机器人以及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种养老助残设备领域，尤其是涉及一种爬楼越障机器人以及其控制方法。
背景技术
随着世界上人口增长，老龄化人口越来越多，人们对养老助残机器人的研究也日渐加强，同时伴随着养老助残辅助器材也日益增多；在养老助残机器人领域，辅助老年人或残疾人出行的设备是极其重要，且在安全性、功能性方面设计要求较高。至此，机器人的爬楼、越障功能尤为重要。但是在现阶段，养老助残机器人属于新兴产业，各种产品的设计水平良莠不齐，很多产品不具有爬楼或越障功能，造成产品功能单一，对出行条件要求苛刻，无法满足用户良好的出行体验。
现有技术中，如中国专利申请(申请号：201510192023.1)公开一种水平姿态智能爬楼轮椅及旋转爬楼方法，水平姿态智能爬梯轮椅，其特征在于，包括上板(4)、转接板(17)和下板(6)，上板(4)固定连接座椅(1)，所述的座椅(1)的下侧设有后轮(2)，座椅(1)通过前腿升降机构(16)连接前腿(10)，前腿(10)上设有前轮(12)，所述的前腿升降机构(16)可使前腿(10)升至水平姿态，上板(4)下侧固定有四个可升降的外腿(7)，上板(4)与转接板(17)通过转向轴(3)连接并可通过转向轴(3)实现相对转动，转接板(17)与下板(6)通过丝杠(5)连接并可通过丝杠(5)实现相对直线运动，下板(6)下侧固定有四个可升降的内腿(8)，内腿(8)位于外腿(7)的内侧。
如中国专利申请(申请号：201310285367.8)公开：全方位水平姿态爬楼机器人及零半径转向、爬楼方法,并具体公开了如下技术方案，包括下台面(5)及位于其上方的上台面(3)，在下台面(5)的下方设有带动其升降的至少两组下台面升降机构(2)，在上台面(3)的下方设有带动其升降的至少四组上台面升降机构(1)，其特征在于：下台面(5)与上台面(3)在水平方向上前后错开，在下台面(5)与上台面(3)之间设有支撑转动板(4)，支撑转动板(4)底部设有直线移动单元(6)，直线移动单元(6)的底部设于下台面(5)上，在上台面(3)上设有转动机构(7)，转动机构(7)与支撑转动板(4)固定连接。
如美国专利申请(公开号：US2012/0175172A1)：公开了一种爬楼装置，并且公开了如下技术方案：爬楼装置具有至少四个机械腿，机械腿包括电动推杆，机械腿的升降通过电动推杆的伸缩实现，电动推杆由电机驱动，进一步的还包括超声波传感器，并且该超声波传感器能够检测水平接近距离以及楼梯台阶的高度，传送至掌上电脑或微处理器中控制装置上下楼。以及日本专利申请(公开号：JP昭62-181978A)公开了一种吸附在工作面的机器人，其技术方案如下：该机器人包括框架1及位于其上方的框架2，在框架1的下方设有带动其升降的四组框架1的升降机构，在框架2的下方设有带动其升降的四组框架2的升降机构，其特征在于：框架1与框架2在水平方向上前后错开，在框架1与框架2之间设有旋转工作台7，驱动电机8底部设有旋转工作台7，驱动电机8的底部设于框架1上，在框架2上设有转动执行机构6，转动执行机构6与旋转工作台7固定连接。
上述现有技术虽然都属于爬楼机器人领域，并且其结构虽然相对简单，但是，结合该装置的应用领域及其应用人群，上述现有技术很难实现应用者的安全性以及稳定性、灵活性，尤其是现有技术中并没有通过采用避障装置以及灵活的攀爬装置、车架、转向装置实现机器人对使用者的安全保障。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明公开一种爬楼及跃障机器人，其技术方案如下：
一种爬楼及越障机器人，包括：被动式支撑避障装置10、攀爬装置20、车架30、转向系统40；其特征为：四个相同的被动式支撑避障装置10设置在车架30的四个拐角，分别与车架30上的前支架312以及转向架304固接；两个相同的攀爬装置20分别设置在车架30前后两端，与车架30上的连接短轴305、连接长轴304固接；转向系统40设置在车架后端，分别与被动式支撑避障装置第三连接杆104、连接固定板204固接；被动式支撑避障装置10、攀爬装置20、车架30以及转向系统40共同构成爬楼及越障机器人。
本发明还公开一种爬楼及越障机器人的控制方法。
有益效果
本发明公开的爬楼及越障机器人可以实现爬楼及其越障高的安全性，可适应多种楼梯规格且对楼梯光滑程度依赖程度低，实现独行时爬楼等，解除现有爬楼轮椅的短板问题。
附图说明
图1为一种爬楼及越障机器人结构示意图；
图2为一种爬楼及越障机器人被动式支撑避障装置结构示意图；
图3为一种爬楼及越障机器人被动式支撑避障装置部件结构示意图；
图4为一种爬楼及越障机器人被动式支撑避障装置及其爬楼机器人的第一连接杆101与车轮106连接示意图；
图5为一种爬楼及越障机器人被动式支撑避障装置反面受力示意图；
图6为一种爬楼及越障机器人攀爬装置示意图；
图7一种爬楼及越障机器人车架结构示意图；
图8一种爬楼及越障机器人转向系统结构示意图；
图9为一种爬楼及越障机器人应用场景示意图1；
图10为一种爬楼及越障机器人应用场景示意图2；
图11为一种爬楼及越障机器人应用场景示意图3。
具体实施方式
一种爬楼及越障机器人，包括：被动式支撑避障装置10、攀爬装置20、车架30、转向系统40；其特征为：四个相同的被动式支撑避障装置10设置在车架30的四个拐角，分别与车架30上的前支架312以及转向架304固接；两个相同的攀爬装置20分别设置在车架30前后两端，与车架30上的连接短轴305、连接长轴304固接；转向系统40设置在车架后端，分别与被动式支撑避障装置第三连接杆104、连接固定板204固接；被动式支撑避障装置10、攀爬装置20、车架30以及转向系统40共同构成爬楼及越障机器人。
如图2-5所示。被动式支撑避障装置，包括：第一连接杆101、弹性可伸缩连接杆102、第二连接杆103、第三连接杆104、第四连接杆105、车轮106；所述第一连接杆101中部与第二连接杆103下端铰接；第一连接杆101上端与第四连接杆105上端铰接；第三连接杆104一端与第二连接杆103上端铰接，另一端与第四连接杆105下端铰接；上述四个连接杆铰接构成四杆机构，弹性可伸缩连接杆102一端与第二连接杆103中部铰接，另一端与第四连接杆105中部铰接。所述第一连接杆101下部有一凸台，凸台斜面与竖直方形成一定倾斜角度γ，第三连接杆104一个端面与竖直方向形成一定倾斜角度α、β；第二连接杆103两端铰接孔左右错开不在一个平面内，第四连接杆105两端铰接孔左右错开不在一个平面内。第一连接杆101下端有竖直方向腰孔，车轮106连接轴通过第一连接杆101下端腰孔用螺栓固接，车轮106安装位置不同可以调节避障的大小以及支撑避障装置的稳定性。
被动式支撑避障装置的工作原理如下：
整个装置通过第三连接杆104固接在爬楼机器人上，如图5以及如9-11所述，爬楼机器人重力F1压在被动式支撑避障装置10上时，第三连接杆104绕D点逆时针转动，使第二连接杆103绕E点顺时针转动，第四连接杆105绕C点逆时针转动，弹性可伸缩连接杆102拉紧第四连接杆105与第二连接杆103，使第三连接杆104与第二连接杆103、第一连接杆101卡紧，第四连接杆105与第一连接杆101卡紧，使整个四连杆机构稳定，能够稳定支撑重力F1；如图5、9所示，当机器人运动爬楼轮子遇到楼梯或障碍物时受到阻力F2作用时，弹性可伸缩连接杆102被动伸长，第一连接杆101绕C点逆时针转动，带动第二连接杆103绕D点逆时针转动,第四连接杆105绕B点顺时针转动，一系列的连杆机构转动带动与第一连接杆101固接的车轮106提升实现被动越障。当爬楼机器人爬上楼梯或障碍物时弹性可伸缩连接杆102拉动第二连接杆103绕D点顺时针转动，第四连接杆105绕B点逆时针转动，使其整体回到卡进状态能够再次支撑爬楼机器人重力。
如图6、7、9所示，攀爬装置20为相同的两个，分别设置在车架30前后两端，与车架30上的连接短轴305、连接长轴304固接；每个攀爬装置包括爬爪201、下移动板202、直线轴承203、连接固定板204、导杆205、丝杆206、上移动板207、电机208、减速器209、同步带210、同步带轮211A，同步带轮211B、涨紧轮212、缓冲器213、接近开关214。
所述下移动板202与上移动板207通过三根导杆205相连，导杆205一端与下移动板202固接，另一端与上移动板207固定形成稳定框架结构，所述爬爪201与下移动板202固接，下移动板202、上移动板207、导杆205、爬爪201组成爬爪组件；所述连接固定板204通过直线轴承203套在导杆205上形成移动副；所述减速器209一端与电机208输出轴相连，另一端与同步带轮211A相连接，减速器209固定在下移动板202上；所述丝杆206上端与上移动板207连接形成转动副，丝杆206中部与连接固定板204螺纹连接形成转动副，丝杆206另一端穿过下移动板202与同步带轮211B固接，同步带轮211A和同步带轮211B通过同步带210连接；所述缓冲器213与接近开关214固定在下移动板202上，缓冲器213起到下移动板202与连接固定板204间的缓冲作用，接近开关214起到位置控制作用。
当所述攀爬装置设置在爬楼机器人上时，所述攀爬装置与移动方向之间的安装夹角μ设定在一定范围内(如30°-50°之间)，μ过大时导致当连接固定板204移动至顶端时，与连接固定板204连接的爬楼机器人水平移动距离仍然较小机器人车轮无法爬上台阶，等到连接固定板204回程时带动车轮回到原位置，无法爬上下一级楼梯。如果μ过小会导致爬爪201与地面摩擦力过小，出现爬爪201向后滑动的打滑现象，这一装置利用在爬楼机器人上解决了目前爬楼装置在爬楼过程中出现打滑不稳定的问题。
攀爬装置的工作原理如下：
在平地时，所述连接固定板204位于丝杆206的下部，爬楼时，所述爬爪与台阶水平面接触，并以台阶水平面为支撑，所述电机208通过减速器209带动同步带轮211A转动，在同步带210的作用下带动同步带轮211B转动，同步带轮211B驱动丝杆206转动，丝杆206通过与之配合的连接固定板204的螺纹带动连接固定板204向上移动，从而使与连接固定板204连接的爬楼机器人提升，当连接固定板204上升到最大位置时被锁定，电机接到指令反转，丝杆206通过连接固定板204的螺母带动爬爪组件向下回位，因而到达上一级台阶，如此反复，带动爬楼机器人爬上楼梯或障碍物。
爬楼及越障机器人的车架，包括：连接杆301、连接长轴302、后支架303、转向架304、连接短轴305、伺服推杆306、座椅斜支撑杆307、座椅板308、座椅连接块309、座椅连接轴310、座椅支撑杆311、前支架312、座椅连接板313、框架连接轴314；所述的车架30为左右对称结构；后部的连接杆301一端与后支架303铰接，另一端与座椅连接板313铰接形成转动副，后部两个连接杆301与后支架303，座椅连接板313铰接形成框架结构，后部两个框架结构左右对称布置；前部连接杆301一端与前支撑312铰接，另一端与座椅连接板313铰接形成转动副，前部两个连接杆301与前支架312，座椅连接板313铰接形成框架结构，前部两个框架结构左右对称布置；连接长轴302、框架连接轴314分别连接着左右连接杆301形成一个框架结构；座椅支撑杆311下端与座椅连接板313固接，座椅斜支撑杆307一端与座椅板308固接，另一端与座椅支撑杆311固接，座椅连接块309一端与座椅板308固接另一端与座椅支撑杆311固接形成座椅支撑框架；座椅连接轴310两端与左右座椅斜支撑杆307中部套接；伺服推杆306上端与座椅连接轴310中部套接，下端与框架连接轴314中部套接。转动支架304与后支架303侧部铰接。
车架工作原理如下：
爬楼时，前车轮遇到楼梯或障碍物时，前攀爬装置接收指令开启爬楼工作，带动前支架312提升，前部连接杆301一端与前支撑312的转动副，另一端与座椅连接板313的转动副发生相对转动，框架随之变形为平行四边形，当座椅连接板313提升时，后连接框架跟随变形为平行四边形，同时座椅支撑杆左右两侧推杆307伸展或收缩，保证座椅板308保持水平。
所述的转向系统，包括：转向电机401、转向丝杆402、转向弯杆403、转向螺母杆404、转动轴405、左转向连接杆406、转向光电传感器407、中部转向连接杆408、右转向连接杆409，所述左转向连接杆406一端与左侧支撑避障装置10中的第三连接杆104下端固接，另一端与转向弯杆403左端都套在转动轴405上形成转动连接构成转动副；右转向连接杆409一端与右侧支撑避障装置10中的第三连接杆104下端固接另一端与转向弯杆403右端转动连接构成转动副；转向螺母杆404一端套在转动轴405上端形成转动连接，另一端螺母套在转向丝杆402上，转向丝杆402另一端与转向电机401输出轴固接，转向电机401后端电机座套在中部转向连接杆408下端形成转动连接，中部转向连接杆408上端与连接固定板204中部固接。
转向系统的工作原理如下：
当左转向指令传送至电机，电机带动转向丝杆运转，使得转向螺母与向远离丝杆的方向产生相对运动使得403和406与转动轴405发生相对转动并向左移动，同时右侧403另一端和409与也与右端的转动轴405发生相对转动并向左移动，转向弯杆403向左移动，分别与406和409固接的车轮随之发生偏转，实现左转弯，反之，当右转向指令传送至电机，电机带动转向丝杆反向运转，使得转向螺母与向靠近丝杆的方向产生相对运动，403和406与转动轴405发生相对转动并向右移动，同时右侧403另一端和409与也与右端的转动轴405发生相对转动并向右移动，转向弯杆403向右移动，分别与406和409固接的车轮随之发生偏转，实现右转弯。
整个爬楼机器人的工作原理如下：
当车轮遇到楼梯或障碍物时，固接在车架30前支架上的前攀爬装置接收指令开始爬楼工作，从而带动前支架312提升，被动避障装置20在楼梯阻力的作用下开启被动避障功能，前部连接杆301一端与前支撑312的转动副，另一端与座椅连接板313的转动副发生相对转动，框架随之变形为平行四边形，当座椅连接板313提升时，后连接框架跟随变形为平行四边形，同时座椅支撑杆左右两侧推杆307伸展或收缩，保证座椅板308保持水平；随着前支架的不断提升前行，后轮跟随前行，当后车轮遇到楼梯时或障碍物时，后攀爬装置开始爬楼工作，前后爬爪共同作用实现爬楼工作。
本发明还公开一种爬楼及跃障机器人的控制方法，该方法包括如上爬楼及跃障机器人。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种爬楼及越障机器人，包括：被动式支撑避障装置、攀爬装置、车架、转向系统；四个相同的被动式支撑避障装置设置在车架的四个拐角，分别与车架上的前支架以及转向架固接；两个相同的攀爬装置分别设置在车架前后两端，与车架上的连接短轴、连接长轴固接；转向系统设置在车架后端，分别与被动式支撑避障装置第三连接杆、连接固定板固接；被动式支撑避障装置、攀爬装置、车架以及转向系统共同构成爬楼及越障机器人；其特征为：被动式支撑避障装置，包括：第一连接杆、弹性可伸缩连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆、车轮；其特征为：所述第一连接杆中部与第二连接杆下端铰接形成转动副，第一连接杆上端与第四连接杆上端铰接形成转动副；第三连接杆一端与第二连接杆上端铰接形成转动副，另一端与第四连接杆下端铰接形成转动副；上述四个连接杆铰接构成四杆机构；弹性可伸缩连接杆一端与第二连接杆中部铰接形成转动副，另一端与第四连接杆中部铰接形成转动副。
2.根据权利要求1所述的一种爬楼及越障机器人，其特征为：第一连接杆下端有竖直方向腰孔，车轮连接轴通过第一连接杆下端腰孔用螺栓固接，车轮安装位置不同可以调节避障的大小以及支撑避障装置的稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种爬楼及越障机器人，其特征为：所述弹性可伸缩连接杆为弹簧，车轮内设有伺服驱动电机。
4.根据权利要求1所述的一种爬楼及越障机器人，其特征为：所述攀爬装置包括：包括爬爪、下移动板、直线轴承、连接固定板、导杆、丝杆、上移动板、电机、减速器、同步带、第一同步带轮、第二同步带轮、涨紧轮、缓冲器、接近开关；所述下移动板与上移动板通过导杆相连，导杆一端与下移动板固接，另一端与上移动板固定形成稳定三角形框架结构，所述爬爪与下移动板固接；下移动板、上移动板、导杆、爬爪共同组成爬爪组件；所述连接固定板通过直线轴承套在导杆上形成移动副；所述减速器一端与电机输出轴相连，另一端与第一同步带轮相连接，减速器固定在下移动板上；所述丝杆上端与上移动板连接形成转动副，丝杆中部与连接板固定板螺纹连接形成转动副，丝杆另一端穿过下移动板与第二同步带轮固接，第一同步带轮和第二同步带轮通过同步带连接；所述缓冲器与接近开关固定在下移动板上，缓冲器起到下移动板与连接固定板间的缓冲作用，接近开关起到位置控制作用。
5.根据权利要求4所述的一种爬楼及越障机器人，其特征为：所述导杆三角形对均匀布置与上移动板、下移动板构成稳定的框架结构。
6.根据权利要求1所述的一种爬楼及越障机器人，其特征为：所述的车架包括：连接杆、连接长轴、后支架、转向架、连接短轴、伺服推杆、座椅斜支撑杆、座椅板、座椅连接块、座椅连接轴、座椅支撑杆、前支架、座椅连接板、框架连接轴；所述的车架为左右对称结构；后部的连接杆一端与后支架铰接，另一端与座椅连接板铰接形成转动副；前部连接杆一端与前支撑铰接，另一端与座椅连接板铰接形成转动副；连接长轴、框架连接轴分别连接着左右连接杆形成一个框架结构；座椅支撑杆下端与座椅连接板固接，座椅斜支撑杆一端与座椅板固接，另一端与座椅支撑杆固接，座椅连接块一端与座椅板固接另一端与座椅支撑杆固接形成座椅支撑框架；座椅连接轴两端与左右座椅斜支撑杆中部套接；伺服推杆上端与座椅连接轴中部套接，下端与框架连接轴中部套接；转动支架与后支架侧部铰接。
7.根据权利要求1所述的一种爬楼及越障机器人，其特征为：所述的转向系统包括：转向电机、转向丝杆、转向弯杆、转向螺母杆、转动轴、左转向连接杆、转向光电传感器、中部转向连接杆、右转向连接杆，所述左转向连接杆一端与左侧支撑避障装置中的第三连接杆下端固接另一端与转向弯杆左端都套在转动轴上形成转动连接构成转动副；右转向连接杆一端与左侧支撑避障装置中的第三连接杆下端固接另一端与转向弯杆右端转动连接构成转动副；转向螺母杆一端套在转动轴上端形成转动连接，另一端螺母套在转向丝杆上，转向丝杆另一端与转向电机输出轴固接，转向电机后端电机座套在中部转向连接杆下端形成转动连接，中部转向连接杆上端与连接固定板中部固接。
8.一种爬楼及越障机器人的控制方法，其特征为：包括如权利要求1-7任一所述的爬楼及越障机器人。
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