CN110510028A - 一种多足爬楼机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多足爬楼机器人，通过四套前支撑足机构和四套后支撑足机构在其翻转电机的驱动、丝杆滑台和升降机构的带动下相对于机架做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮和转向轮的驱动下，相对于地面做水平面运动。本发明提供的所述多足爬楼机器人由两组八套具有前后高度差的可升降支撑机构组成，支撑机构的升降杆下降的同时抬升机器人，被抬升的机器人在丝杆滑台的驱动下进行前后水平运动，八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

一种多足爬楼机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及的是一种多足爬楼机器人及控制方法。

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多足爬楼机器人及控制方法，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多足爬楼机器人，其中，包括：机架、控制机构和分别设置在机架前后两端的两组八套支撑足机构；所述机架包括：上调节框、下调节框、限制轨道槽、内部滑动条、设置在所述机架底部的驱动轮和转向轮；前后两组八套所述支撑足机构均包括：丝杆滑台、滑台电机、翻转蜗轮箱、翻转电机、顶板、升降杆、升降电机、平底支脚及轮变支脚；所述控制机构包括：对所述驱动轮运行进行控制和对支撑足机构的电机控制两部分，控制机构的电源为锂电池；两组八套所述支撑足机构通过上调节框、下调节框、限制轨道槽、内部滑动条与所述机架相连接；两组八套所述支撑足机构在所述翻转电机的驱动、丝杆滑台和升降机构的带动下相对于机架做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮和转向轮的驱动下做水平面运动。

可选的，所述支撑足机构包括：丝杆滑台、滑台电机、翻转蜗轮箱、翻转电机、顶板、升降杆、升降电机、平底支脚、轮变支脚、前摄像机和后摄像机；所述翻转蜗轮箱连接丝杆滑台和顶板，在翻转电机驱动下，使升降杆在水平状态和垂直状态间切换;所述丝杆滑台在滑台电机驱动下,使升降杆作前后平移;所述升降杆包括：升降电机、两组各四个平底支脚及轮变支脚，以及连接在各个平底支脚及轮变支脚内的压力传感器，在升降电机驱动下,带动平底支脚及轮变支脚作上下运动,所述升降杆上安装有防尘伸缩外套；所述轮变支脚上安装有微型电动推杆及滚轮。

可选的，所述机架包括：上调节框、下调节框、限制轨道槽、内部滑动条、驱动轮和转向轮，后组四套支撑足机构设置在下调节框，平时升降杆在水平状态，爬楼时，升降杆在翻转电机驱动下，翻转蜗轮箱带动顶板使升降杆切换成垂直状态；所述的前组四套支撑足机构的位置上端固定连接有限制轨道槽和上调节框，所述限制轨道槽的内部滑动条连接有上调节框，所述上调节框内设置有前组四套支撑足机构，所述内部滑动条连接前后电动推杆在限制轨道槽内滑动，在轮式驱动模式时，翻转电机通过翻转蜗轮箱把顶板和升降杆翻转至水平状态，内部滑动条带动前组四套支撑足机构向后滑动到机架下方，以减少机架前后总长度空间，在多足式爬楼模式时，前后电动推杆及内部滑动条带动前组四套支撑足机构向前滑动到机架前方，使机架前后总长度伸长，翻转电机通过翻转蜗轮箱把顶板和升降杆翻转至垂直状态，升降杆在升降电机作用下，使平底支脚及轮变支脚伸缩踩到地面或台阶平面,所述的平底支脚安装在前组四套支撑足机构的升降杆下端，所述的轮变支脚安装在后组四套支撑足机构的升降杆下端；所述的转向轮在在多足式爬楼模式时，可向上方翻转；所述支撑足机构包括：前组四套支撑足机构和后组四套支撑足机构；所述前组四套支撑足机构和后组四套支撑足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；所述平底支脚及轮变支脚之间的高度差至少为一个预设台阶高度。

可选的，各个驱动轮、翻转电机、升降电机、滑台电机和前后电动推杆均设置成由独立电机控制。

本发明提供的第二实施例为一种多足爬楼机器人的控制方法，其中，包括：两组八套所述支撑足机构在所述翻转电机的驱动、丝杆滑台和升降机构的带动下相对于机架做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮和转向轮的驱动下做水平面运动。

可选的，所述两组八套所述支撑足机构在所述翻转电机的驱动、丝杆滑台和升降机构的带动下相对于机架做爬楼梯运动的步骤包括：上楼时，当位于机架前端的内部滑动条前端的前摄像机检测到台阶时，控制机构计算出台价的宽度和高度控制升降杆和丝杆滑台带动所述前 支撑足机构抬升至少一个台阶的高度，且同时控制机构控制丝杆滑台带动前、后支撑足机构同时向后运动，驱动机器人往前移动；；下楼时，当位于机架后端的驱动轮罩壳上的后摄像机检测到台阶后，控制机构计算出台价的宽度和高度控制升降杆和丝杆滑台带动所述后支撑足机构降低至少一个台阶的高度，且同时控制机构控制丝杆滑台带动前、后支撑足机构同时向前运动，驱动机器人往后移动。

可选的，所述的压力传感器监测每个平底支脚及轮变支脚的实时压力,每个支脚踏实后有设定的压力值数据，才能进入下一步，升降杆才能作前后运动，只要有一个支脚的实时压力缺失，说明一个支脚或支脚滚轮踏空，轮椅即停止多足式爬楼运行，自查并发出报警，待排除故障后恢复运行，提高了安全性和可靠性；同时还包括：检测所述多足爬楼机器人的机架是否发生倾斜，若是，则控制机构调节升降杆的转速进行倾斜角度校正。

可选的，控制机构同时控制轮变支脚内的微型电动推杆使支脚滚轮伸出和缩回，按需要变换支脚功能或滚轮功能。

有益效果，本发明提供了一种多足爬楼机器人的控制方法，通过两组八套支撑足机构在在所述翻转电机的驱动、丝杆滑台和升降机构的带动下相对于机架做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮和转向轮的驱动下做水平面运动，本发明提供的所述多足爬楼机器人由一种具有前后高度差的可升降支撑足机构组成，支撑足机构下降的同 时抬升机器人，被抬升的机器人在丝杆滑台的驱动下进行前后水平运动，八套升降足机构交替支承、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是本发明所提供的多足爬楼机器人的整体示意图；

图2是本发明所提供的多足爬楼机器人的结构示意图；

图3是本发明所提供的多足爬楼机器人的后视结构示意图；

图4是本发明所提供的多足爬楼机器人的仰视结构示意图；

图5是本发明所提供的多足爬楼机器人的侧面结构示意图；

图6是本发明所提供的多足爬楼机器人中支撑足机构与机架布局示意图；

图7是本发明所提供的多足爬楼机器人中轮变支脚结构示意图；

图8是本发明所提供的多足爬楼机器人中支撑足机构的结构示意图；

图9是本发明所提供的多足爬楼机器人中支撑足机构的翻转示意图；

图10是本发明中所述多足爬楼机器人在上楼梯的状态示意图；

图11是本发明中所述多足爬楼机器人在下楼梯的状态示意图。

图中各个部件的编号如下：1、机架；2、驱动轮；3、转向轮；4、前支撑足机构；5、后支撑足机构；6、丝杆滑台；7、滑台电机；8、翻转蜗轮箱；9、翻转电机、10、顶板；11、升降杆；12、升降电机；13、平底支脚；14、轮变支脚；15、驱动轮罩壳；16、上调节框；17下调节框；18、限制轨道槽；19、内部滑动条；20、控制机构；21、锂电池；22、前摄像机；23、后摄像机；24、前后电动推杆；25、压力传感器；26、微型电动推杆；27、滚轮。

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多足爬楼机器人，如图1所述，包括：机架1、控制机构20和分别设置在机架1前后两端的两组八套支撑足机构4、5；所述机架1包括：上调节框16、下调节框17、限制轨道槽18、内部滑动条19、设置在所述机架1底部的驱动轮2和转向轮3；前后两组八套所述支撑足机构4、5均包括：丝杆滑台6、滑台电机7、翻转蜗轮箱8、翻转电机9、顶板10、升降杆11、升降电机12、平底支脚13及轮变支脚14；所述控制机构20包括：对所述驱动轮1运行进行控制和对支撑足机构4、5的电机控制两部分，控制机构20的电源为锂电池21；两组八套所述支撑足机构4、5通过上调节框16、下调节框17、限制轨道槽18、内部滑动条19与所述机架1相连接；两组八套所述支撑足机构4、5在所述翻转电机9的驱动、丝杆滑台6和升降机构的带动下相对于机架1做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮2和转向轮3的驱动下做水平面运动。

具体的，所述支撑足机构4、5包括：丝杆滑台7、滑台电机、翻转蜗轮箱8、翻转电机9、顶板10、升降杆11、升降电机12、平底支脚13、轮变支脚14、前摄像机22和后摄像机23；所述翻转蜗轮箱8连接丝杆滑台6和顶板10，在翻转电机9驱动下，使升降杆11在水平状态和垂直状态间切换;所述丝杆滑台6在滑台电机7驱动下,使升降杆11作前后平移;所述升降杆11包括：升降电机12、两组各四个平底支脚13及轮变支脚14，以及连接在各个平底支脚13及轮变支脚14内的压力传感器25，在升降电机12驱动下,带动平底支脚13及轮变支脚14作上下运动,所述升降杆11上安装有防尘伸缩外套；所述轮变支脚14上安装有微型电动推杆26及滚轮27。

可以想到的是，通过锂电池21为电机提供电能，锂电池21优选的放置在机架1中心的下方，各个驱动轮2、翻转电机9、升降电机、滑台电机7和前后电动推杆24均设置成由独立电机控制。

为了实现所述支撑足机构4、5在升降电机12及滑台电机7的驱动下实现相对于机体1的运动，所述机架1包括：上调节框16、下调节框17、限制轨道槽18、内部滑动条19、驱动轮2和转向轮3，后组四套支撑足机构5设置在下调节框17，平时升降杆11在水平状态，爬楼时，升降杆11在翻转电机9驱动下，翻转蜗轮箱8带动顶板10使升降杆11切换成垂直状态；所述的前组四套支撑足机构4的位置上端固定连接有限制轨道槽18和上调节框16，所述限制轨道槽18的内部滑动条19连接有上调节框16，所述上调节框16内设置有前组四套支撑足机构4，所述内部滑动条19连接前后电动推杆24在限制轨道槽18内滑动，在轮式驱动模式时，翻转电机9通过翻转蜗轮箱8把顶板10和升降杆11翻转至水平状态，内部滑动条19带动前组四套支撑足机构4向后滑动到机架1下方，以减少机架1前后总长度空间，在多足式爬楼模式时，前后电动推杆24及内部滑动条19带动前组四套支撑足机构4向前滑动到机架1前方，使机架1前后总长度伸长，翻转电机9通过翻转蜗轮箱8把顶板10和升降杆11翻转至垂直状态，升降杆11在升降电机12作用下，使平底支脚13及轮变支脚14伸缩踩到地面或台阶平面,所述的平底支脚13安装在前组四套支撑足机构4的升降杆11下端，所述的轮变支脚14安装在后组四套支撑足机构5的升降杆11下端；所述的转向轮2在在多足式爬楼模式时，可向上方翻转；所述支撑足机构4、5包括：前组四套支撑足机构4和后组四套支撑足机构5；所述前组四套支撑足机构4和后组四套支撑足机构5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；所述平底支脚13及轮变支脚14之间的高度差至少为一个预设台阶高度。

下面具体的对本发明提供的多足爬楼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，两组八套所述支撑足机构4、5在所述翻转电机9的驱动、丝杆滑台6和升降机构的带动下相对于机架1做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮2和转向轮3的驱动下做水平面运动：上楼时，当多足爬楼机器人运动到台阶边缘时，前支撑足机构4的平底支脚13与后支撑足机构5的轮变支脚14间由于具有前后高度差，而高度差为台阶高度，且前支撑足机构4与后支撑足机构5之间具有距离差，所以能够使得平底支脚13支撑在第一级台阶和后支撑足机构5的轮变支脚14支撑在地面上。此时通过控制机构20使机器人进入自动爬楼梯模式；当位于机架1前端的内部滑动条19前端的前摄像机22检测到台阶时，控制机构20计算出台价的宽度和高度控制升降杆11和丝杆滑台6带动所述前 、后支撑足机构4、5抬升至少一个台阶的高度，前、后支撑足机构4、5下降，机架1被抬升，且同时控制机构20控制丝杆滑台6带动前、后支撑足机构4、5同时向后运动，驱动机器人往前移动；下楼时，当位于机架1后端的驱动轮罩壳15上的后摄像机23检测到台阶后，控制机构20计算出台价的宽度和高度控制升降杆11和丝杆滑台6带动所述后支撑足机构5降低至少一个台阶的高度，且同时控制机构20控制丝杆滑台6带动前、后支撑足机构4、5同时向前运动，驱动机器人往后移动；如此循环直至下到地面，后支撑足机构5和前支撑足机构4一次抬升使机体1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，则由前摄像机22进行台阶检测，并由控制机构20根据台阶检测情况控制前支撑足机构4和后支撑足机构5相对于机架1做升降运动，同时由控制机构20控制丝杆滑台6向前运动；当开始下楼梯模式时，则由后摄像机23进行台阶检测，并由控制机构20根据台阶检测情况控制前支撑足机构4和后支撑足机构5相对于机架1做升降运动，同时由控制机构20控制丝杆滑台6向后运动；当开始水平运动模式，则控制前、后支撑足机构4、5抬升，翻转至水平状态，前后电动推杆24通过内部滑动条19使前支撑足机构4全部缩入机架内，由驱动轮2和转向轮3在水平面上运行。

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，所述的压力传感器25监测每个平底支脚13及轮变支脚14的实时压力,每个支脚踏实后有设定的压力值数据，才能进入下一步，升降杆11才能作前后运动，只要有一个支脚的实时压力缺失，说明一个支脚或支脚滚轮27踏空，轮椅即停止多足式爬楼运行，自查并发出报警，待排除故障后恢复运行，提高了安全性和可靠性；同时还包括：检测所述多足爬楼机器人的机架1是否发生倾斜，若是，则控制机构20调节升降杆11的转速进行倾斜角度校正。

可选的，所述控制机构20同时控制轮变支脚14内的微型电动推杆26使支脚滚轮27伸出和缩回，按需要变换支脚功能或滚轮功能，防止上下楼梯时在台阶上滑落。

本发明提供了一种多足爬楼机器人的控制方法，通过两组八套支撑足机构4、5在在所述翻转电机9的驱动、丝杆滑台6和升降机构的带动下相对于机架1做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮2和转向轮3的驱动下做水平面运动，本发明提供的所述多足爬楼机器人由一种具有前后高度差的可升降支撑足机构4、5组成，支撑足机构4、5下降的同时抬升机器人，被抬升的机器人在丝杆滑台6的驱动下进行前后水平运动，八套升降足机构4、5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 (9)

1.一种多足爬楼机器人，其特征在于，包括：机架、控制机构和分别设置在机架前后两端的两组八套支撑足机构；所述机架包括：上调节框、下调节框、限制轨道槽、内部滑动条、设置在所述机架底部的驱动轮和转向轮；前后两组八套所述支撑足机构均包括：丝杆滑台、滑台电机、翻转蜗轮箱、翻转电机、顶板、升降杆、升降电机、平底支脚及轮变支脚；所述控制机构包括：对所述驱动轮运行进行控制和对支撑足机构的电机控制两部分；两组八套所述支撑足机构通过上调节框、下调节框、限制轨道槽、内部滑动条与所述机架相连接；两组八套所述支撑足机构在所述翻转电机的驱动、丝杆滑台和升降机构的带动下相对于机架做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮和转向轮的驱动下做水平面运动。

2.根据权利要求1所述的一种多足爬楼机器人，其特征在于，所述支撑足机构包括：丝杆滑台、滑台电机、翻转蜗轮箱、翻转电机、顶板、升降杆、升降电机、平底支脚、轮变支脚、前摄像机和后摄像机；所述翻转蜗轮箱连接丝杆滑台和顶板，在翻转电机驱动下，使升降杆在水平状态和垂直状态间切换;所述丝杆滑台在滑台电机驱动下,使升降杆作前后平移;所述升降杆包括：升降电机、两组各四个平底支脚及轮变支脚，以及连接在各个平底支脚及轮变支脚内的压力传感器，在升降电机驱动下,带动平底支脚及轮变支脚作上下运动,所述升降杆上安装有防尘伸缩外套；所述轮变支脚上安装有微型电动推杆及滚轮。

3.根据权利要求1所述的一种多足爬楼机器人，其特征在于，所述机架包括：上调节框、下调节框、限制轨道槽、内部滑动条、驱动轮和转向轮，后组四套支撑足机构设置在下调节框，平时升降杆在水平状态，爬楼时，升降杆在翻转电机驱动下，翻转蜗轮箱带动顶板使升降杆切换成垂直状态；所述的前组四套支撑足机构的位置上端固定连接有限制轨道槽和上调节框，所述限制轨道槽的内部滑动条连接有上调节框，所述上调节框内设置有前组四套支撑足机构，所述内部滑动条连接前后电动推杆在限制轨道槽内滑动，在轮式驱动模式时，翻转电机通过翻转蜗轮箱把顶板和升降杆翻转至水平状态，内部滑动条带动前组四套支撑足机构向后滑动到机架下方，以减少机架前后总长度空间，在多足式爬楼模式时，前后电动推杆及内部滑动条带动前组四套支撑足机构向前滑动到机架前方，使机架前后总长度伸长，翻转电机通过翻转蜗轮箱把顶板和升降杆翻转至垂直状态，升降杆在升降电机作用下，使平底支脚及轮变支脚伸缩踩到地面或台阶平面,所述的平底支脚安装在前组四套支撑足机构的升降杆下端，所述的轮变支脚安装在后组四套支撑足机构的升降杆下端；所述的转向轮在在多足式爬楼模式时，可向上方翻转。

4.根据权利要求1所述的一种多足爬楼机器人，其特征在于，所述支撑足机构包括：前组四套支撑足机构和后组四套支撑足机构；所述前组四套支撑足机构和后组四套支撑足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；所述平底支脚及轮变支脚之间的高度差至少为一个预设台阶高度。

5.根据权利要求1所述的一种多足爬楼机器人，其特征在于，各个驱动轮、翻转电机、升降电机、滑台电机和前后电动推杆均设置成由独立电机控制。

6.一种多足爬楼机器人的控制方法，其特征在于，包括：两组八套所述支撑足机构在所述翻转电机的驱动、丝杆滑台和升降机构的带动下相对于机架做爬楼梯运动，或者在所述驱动轮和转向轮的驱动下做水平面运动。

7.根据权利要求6所述的一种多足爬楼机器人的控制方法，其特征在于，两组八套所述支撑足机构在所述翻转电机的驱动、丝杆滑台和升降机构的带动下相对于机架做爬楼梯运动的步骤包括：上楼时，当位于机架前端的内部滑动条前端的前摄像机检测到台阶时，控制机构计算出台价的宽度和高度控制升降杆和丝杆滑台带动所述前 支撑足机构抬升至少一个台阶的高度，且同时控制机构控制丝杆滑台带动前、后支撑足机构同时向前运动；下楼时，当位于机架后端的驱动轮罩壳上的后摄像机检测到台阶后，控制机构计算出台价的宽度和高度控制升降杆和丝杆滑台带动所述后支撑足机构降低至少一个台阶的高度，且同时控制机构控制丝杆滑台带动前、后支撑足机构同时向后运动。

8.根据权利要求6所述的一种多足爬楼机器人的控制方法，其特征在于，所述的压力传感器监测每个平底支脚及轮变支脚的实时压力,每个支脚踏实后有设定的压力值数据，才能进入下一步，升降杆才能作前后运动，只要有一个支脚的实时压力缺失，说明一个支脚或支脚滚轮踏空，轮椅即停止多足式爬楼运行，自查并发出报警，待排除故障后恢复运行，提高了安全性和可靠性；同时还包括：检测所述多足爬楼机器人的机架是否发生倾斜，若是，则控制机构调节升降杆的转速进行倾斜角度校正。

9.根据权利要求6所述的一种多足爬楼机器人的控制方法，其特征在于，控制机构同时控制轮变支脚内的微型电动推杆使支脚滚轮伸出和缩回，按需要变换支脚功能或滚轮功能，控制机构的电源为锂电池。