CN111232081B - 一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统及方法，包括一个前进单元组和一个垂直运动单元组，一个转向机构，以及重心和高度调节机构，在前进单元组上设有由动力滚筒带动的行进轮；在垂直运动单元组上设有由套筒连接的丝杠与动力滚筒，固定焊接架上放置有用来固定电缸的位置的固定垫片；在转向机构上设有支撑架和旋转气缸连接座，旋转气缸连接座分别连接提供动力和转向的旋转气缸和固定焊接架；在重心调节器上设有连接在直线滑轨上的重心调节块；在高度调节器上设有升降架连接件，分别连接升降架底座和活塞式电缸，以及承载重物的载物。通过各部分的配合实现机器人的爬楼过程，达到上楼困难的人和物的简单，方便、快捷化。

Description

一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统及方法

技术领域

本发明涉及爬楼机器人机械系统，特别是一种采用全方位水平姿态方式，由直线行走单元、竖直向升降单元、及转向机构所组成的三自由度移动机器人，通过三个部分的配合实现机器人的爬楼过程，实现了上楼困难的人和物的简单，方便、快捷化，使其可以服务人类、解决人类上下楼梯及上下搬运重物难题。

背景技术

为了满足居住需要，高楼耸立，高楼内部各种物流的不断完善，老年人，残疾者的上下楼、重物的搬运，危险物品的运送使得人们开始去寻找人力以外的资源设备来完成楼梯对人们的困惑。

目前市场上的爬楼机器人造价成本高、结构复杂、稳定性差。经调查研究发现，当前很多爬楼机器人爬楼过程中出现颠簸，不平稳，导致很难运用到实际生活中，来帮助人们完成一些爬楼工作。

目前现有的爬楼机器人有以下几类：

1）履带式爬楼机器人

该类机器人和挖掘机或推土机工作运动过程相类似，爬楼工作原理简单，技术也相对完善成熟，通过履带来进行传动，可爬楼梯的最大倾斜角度为35°。

2) 行星轮式爬楼机器人

该类机器人每一个行星轮和固定行‎星轮的支架架可以绕‎行星轮架主轴进行旋转运动，同时每一个星轮‎也可以绕轴自转，爬楼过程中，各星行轮和行星轮架一‎同绕星轮架主‎轴转动，完成攀爬台阶的工作，但其缺点是行星‎轮本体结构体积‎增加会导致整个爬楼机器人重量增加，影响其载物或者其他工作的实现；其行星轮式爬楼机器人结构较为复杂，需要人为进行对其辅助控制，稳定性较差。

3）Mecanum轮式机器人

该类机器人是一种能够实现前后运动、侧向平移以及绕中心旋转等运动的全方位移动机器人。该机器人运动灵活,控制简单,但车轮机构复杂,成本要求高，对不平路面的适应能力较差。

因此，需要提供一种经济、稳定可靠、安全性高、运动能力强的全方位水平姿态爬楼机器人。

发明内容

本发明提供一种新型全方位水平姿态爬楼机器人以及爬楼方法，包括直线行走单元、竖直升降单元、及转向机构所组成的三自由度移动机器人，通过三个部分的配合实现机器人的爬楼过程，达到上楼困难的人和物的简单，方便、快捷化。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，包括前进单元组、垂直运动单元组、固定焊接架、转向机构、重心调节机构和高度调节机构，其中：

前进单元组，由控制器控制的动力滚筒带动的行进轮；

垂直运动单元组，由套筒连接动力滚筒和丝杠，丝杠连接电动缸至固定焊接架上；

转向机构，包括连接在固定焊接架上的转向的旋转气缸和支撑架；

重心调节机构，连接在固定焊接架上直线滑轨和重心调节块；

高度调节机构，连接在固定焊接架顶部的升降架连接件、活塞式电缸和承载重物的载物台；

通过控制器控制前进单元组行进，控制器控制靠近楼梯的垂直运动单元组电动缸升降，控制行进轮升起与楼梯等高，通过重心调节机构移动改变重心，随后将其余行进轮依次升起与楼梯等高；

通过控制器控制旋转气缸进行角度旋转；

通过控制器控制剪叉式升降架的高度调节。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述前进单元组的动力滚筒带动的行进轮至少有三组，各组行进轮为一对，由连接轴连接。

优选的，所述固定焊接架为双层框架结构，旋转气缸连接于框架底部，升降架连接件连接于框架顶部，直线滑轨横跨于框架中部连接在框架两端。

优选的，所述垂直运动单元组中，套筒滚动连接在每个动力滚筒内侧的连接轴上；电动缸上部通过固定垫片固定在固定焊接架上。

优选的，所述转向机构的旋转气缸通过连接在固定焊接架底部的旋转气缸连接座连接，支撑架连接在旋转气缸下方，支撑架为框形架。

优选的，所述高度调节机构包括设于升降架连接件上下方的载物台和升降架底座；载物台和升降架底座上分别设有滑槽；升降架连接件为剪刀叉形结构，在剪刀叉的一端设有贯穿滑槽的推杆，剪刀叉的另一端分别固定在载物台和升降架底座上。

优选的，所述贯穿升降架底座上滑槽的推杆上连接有活塞式电缸，活塞式电缸的活塞杆连接在推杆上，活塞式电缸的活塞杆连接在升降架底座端部。

优选的，所述控制器安装在固定焊接架上，动力滚筒上安装有与控制器连接的传感器。

本发明还给出了一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，包括以下步骤：

1）直线行走时，前进单元中的三组动力滚筒带动行进轮行走；

2）爬楼运动时，控制器根据传感器感应位置信号，控制最靠近楼梯的一组电动缸带动丝杠连接动力滚筒向上升起，第一组行进轮升起至与第一级楼梯等高，其余两组动力滚筒前进，使第一组行进轮与第一级楼梯接触，同时重心调节块移动改变重心保持稳定；

前进到一定距离后，第二组电动缸驱动，使第二组行进轮上升到与第一级楼梯等高，同时其余两组动力滚筒前进，使第二组行进轮与第一级楼梯接触，同时重心调节块再次移动；

再次前进一定距离，使第三组行进轮上升到与第一级楼梯等高，同时其余两组动力滚筒提供前进动力，使第三组行进轮成功稳定地与第一级楼梯接触，同时重心调节块再次移动，依次循环重复，爬楼运动完成；

3）进行转向运动时，机器人机械系统整体位于水平面上，三组升降机构丝杠同时进行上升，至支撑架完全与地面接触，三组升降机构处于悬空状态，稳定后，控制器根据传感器感应位置信号控制旋转气缸进行角度旋转，转向完成后，升降机构丝杠同步下降，至完全接触到地面停止；

4）高度调节时，在控制器控制活塞式电缸作用下，活塞杆往复运动，带动推杆左右移动，同时带动推杆上的升降架连接件相对绕连杆转动，完成高度调节。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明采用升降技术和转向技术，该方案经济、稳定可靠、安全性高、运动能力强，且可以降低颠簸程度，更加方便快捷。

本发明的特点在于：

1）本发明可以根据不同楼梯或台阶的不同高度，通过高度调节机构自行调节高度。

2）本发明不仅可以用于解决人类上下楼梯搬运重物，也可以用于帮助老人及一些行动不便的人们更方便的上下楼梯。

3）本发明可以通过直线行走单元、竖直向升降单元、及转向机构三个部分的配合实现机器人的稳定爬楼过程，整个过程保持水平姿态，达到增加舒适感的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明爬楼机械系统结构示意图；

图2为本发明爬楼机械系统右视图；

图3为本发明爬楼机械系统仰视图；

图4为本发明转向机构示意图；

图5为本发明爬楼过程示意图。

图中：1-固定焊接架；2-升降架底座；3-推杆；4-升降架连接件；5-长横杆；6-活塞杆；7-载物台；8-活塞式电缸；9-短横杆；10-螺钉；11-直线滑轨；12-电动缸；13-丝杠；14-行进轮；15-动力滚筒；16-连接套筒；17-重心调节块；18-固定垫片；19-旋转气缸；20-旋转气缸连接座；21-支撑架；22-螺钉；23-连杆。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1示意了爬楼机械系统的主体部分。本发明是一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，包括一个前进单元组和一个垂直运动单元组，一个转向机构，一个固定焊接架以及重心和高度调节机构。

其中，在前进单元组上设有由控制器控制的动力滚筒15带动的行进轮14，现机器人的直线行走功能，动力滚筒15为机器人提供了攀爬楼梯的动力。

前进单元组至少有三组，各组行进轮14为一对，由连接轴连接。控制器安装在固定焊接架1上，动力滚筒15上安装有与控制器连接的传感器。

在垂直运动单元组上设有由套筒16连接的丝杆13与动力滚筒15，连接套筒16滚动连接在每个动力滚筒15内侧的连接轴上；丝杠连接电动缸12至固定焊接架1上，固定焊接架1上连接有用来固定电动缸12的位置的固定垫片18，固定垫片18通过螺钉10固定。电动缸实现垂直方向上规律性的往复运动。

如图4所示，在转向机构上设有支撑架21和旋转气缸连接座20，旋转气缸19通过连接在固定焊接架1底部的旋转气缸连接座20连接，旋转气缸19与控制器连接，支撑架21连接在旋转气缸19下方，支撑架21为框形架，用来完成转向时支撑机器人整体的重量，完成整体结构在水平面形状的变化。

在重心调节器上设有连接在直线滑轨11上的重心调节块17；通过重心调节块17与直线滑轨11的配套使用，在爬楼过程中进行重心的调节，以保证机器人在攀爬运动过程中整体结构的平稳。在高度调节器上设有升降架连接件4，分别连接升降架底座2和活塞式电缸8，以及承载重物的载物台7。

其中，固定焊接架1为双层框架结构，旋转气缸19连接于框架底部，升降架连接件4连接于框架顶部，直线滑轨11横跨于框架中部连接在框架两端。

如图2、图3所示，行进轮14通过动力滚筒15连接，在机器人底部设有6个行进轮，实现直线行走功能，丝杠13和动力滚筒15通过连接套筒16连接。

如图2、图3所示，固定焊接架1和旋转气缸19通过旋转气缸连接座20连接，在旋转气缸下方通过螺钉22连接有支撑架21。

如图1、图3所示，示意了高度调节器结构，高度调节机构包括设于升降架连接件4上下方的载物台7和升降架底座2；载物台7和升降架底座2上分别设有滑槽；载物平台7通过连接在升降架底座2上的升降架连接件4支撑，升降架连接件4为剪刀叉形结构，在升降架底座2上的升降架连接件4之间设有推杆3和连杆23；在载物平台7剪刀叉上的升降架连接件4设有贯穿滑槽的长横杆5，另一端短横杆9分别固定在载物台7和升降架底座2上。贯穿升降架底座2上滑槽的推杆3上连接有活塞式电缸8，活塞式电缸8的活塞杆6连接在推杆3上，活塞式电缸8的活塞杆连接在升降架底座2端部。

采用剪叉式升降架结构，可实现不同台阶高度的升降，通过调节高度调节器来实现台阶高对载物台的限制。并进一步增强爬楼机器人的稳定性，保持全方位的水平姿态。

本发明系统具体爬楼步骤如下：

直线行走时，前进单元中的三组动力滚筒15为行进轮14提供前进动力，保证前进运动以及爬楼过程中具有稳定的动力来源。

进行爬楼运动时，固定在丝杠13上的电动缸12提供升降动力，首先控制器根据传感器感应位置信号，控制最靠近楼梯的一组丝杠13在电动缸12的驱动作用下向上升起，同时带动连接在套筒16上的动力滚筒15上升，第一组行进轮14升起至与第一级楼梯等高后，其余两组动力滚筒15提供前进动力，使第一组行进轮成功稳定地与第一级楼梯接触，同时重心调节块17通过移动改变重心，使结构保持稳定；前进到一定距离后，第二组电动缸12驱动，使第二组行进轮14上升到与第一级楼梯等高，同时其余两组动力滚筒15提供前进动力，使第二组行进轮成功稳定地与第一级楼梯接触，同时重心调节块17再次移动；再次前进一定距离，第三组电动缸12驱动，使第三组行进轮14上升到与第一级楼梯等高，同时其余两组动力滚筒15提供前进动力，使第三组行进轮成功稳定地与第一级楼梯接触，同时重心调节块17再次移动，依次循环重复，爬楼运动完成。

进行转向运动时，全方位水平爬楼机器人整体位于水平面上，三组升降机构丝杠13同时进行上升，至支撑架21完全与地面接触，三组升降机构处于悬空状态，通过支撑架21来实现机器人的稳定，爬楼机器人处于稳定状态后，控制器根据传感器感应位置信号控制旋转气缸19开始进行角度旋转，升降机构及相关机构处于悬空状态，转动旋转气缸19，进行角度在0-180°的转向，转向完成后，升降机构丝杠13开始同步下降，至完全接触到地面停止。

图1示意了升降架连接件4和连杆23之间的刚性连接状态。

进行高度调节时，控制器控制活塞式电缸8作用下，活塞杆6进行往复运动，带动推杆3左右移动，同时带动连接在推杆3上的升降架连接件4相对绕连杆23转动，完成剪叉式升降架的高度调节。

图2示意了支撑架21与旋转气缸19的刚性连接状态。

转向时，三组丝杠13在电动缸12的驱动作用下，进行上升运动，至支撑架21完全与地面接触，此时，三组丝杠13间接带动行进轮14处于悬空状态，通过支撑架21来实现机器人的稳定，爬楼机器人处于稳定状态后，旋转气缸19开始进行角度旋转，转动旋转气缸19，进行角度在0-180°的转向，转向完成后，三组丝杠13开始同步下降，至行进轮14完全接触到地面停止，转向运动完成。

图5示意了全方位水平姿态爬楼机器人爬楼过程。

A-1为爬楼机器人位于水平地方，处于稳定状态，距离楼梯适当位置点，经过一段时间的位移，此时位于A-2；前进单元组包括轮组1、轮组2、轮组3，轮组1靠近台阶壁，轮组1升高到和楼梯高相同的高度，轮组2、3进行水平线性运动后，位于A-3；轮组1，轮组2，轮组3做水平线性运动，至轮组2快贴近台阶壁，位于A-4轮组2上升到与楼梯高相同的高度，轮组1、轮组3进行直线运动，位于A-5；轮组3开始上升到与台阶其高，轮组1、轮组2进行线性运动，至三轮组位于同一个台阶上，位于A-6；接着进行下一个台阶的攀爬至A-7，轮组1，轮组2，轮组3做水平线性运动，至轮组2快贴近台阶壁，位于A-8；轮组2上升到与楼梯高相同的高度，轮组1、轮组3进行直线运动，位于A-9；轮组3开始上升到与台阶其高，轮组1、轮组2进行线性运动，至三轮组位于第二个台阶上，位于A-10。重复A-3至A-10运动步骤。通过爬楼机器人三个轮组间交替配合运，完成其对楼梯进行上下攀爬的工作。

本发明中，控制器采用野火RT1052 MINI单片机、野火DHT11或野火ESP8266控制器，通过控制器程序完成爬楼机器人直线行走爬楼运动以及转向运动和高度升降之间配合运动，从而实现爬楼机器人的机械运动。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，其特征在于，

采用全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，包括：

前进单元组、垂直运动单元组、固定焊接架（1）、转向机构、重心调节机构和高度调节机构，其中：

前进单元组，由控制器控制的动力滚筒（15）带动的行进轮（14）；

垂直运动单元组，由套筒（16）连接动力滚筒（15）和丝杠（13），丝杠连接电动缸（12）至固定焊接架（1）上；

转向机构，连接在固定焊接架（1）上的转向的旋转气缸（19）和支撑架（21）；

重心调节机构，包括连接在固定焊接架（1）上直线滑轨（11）和重心调节块（17）；

高度调节机构，包括连接在固定焊接架（1）顶部的升降架连接件（4）、活塞式电缸（8）和承载重物的载物台（7）；

升降架连接件（4）上下方设载物台（7）和升降架底座（2），载物台（7）和升降架底座（2）上分别设有滑槽；在升降架底座（2）上的升降架连接件（4）之间设有推杆（3）和连杆（23）；

贯穿升降架底座（2）上滑槽的推杆（3）上连接有活塞式电缸（8），活塞式电缸（8）的活塞杆（6）连接在推杆（3）上；

通过控制器控制前进单元组行进，控制器控制靠近楼梯的垂直运动单元组电动缸（12）升降，控制行进轮（14）升起与楼梯等高，通过重心调节机构移动改变重心，随后将其余行进轮（14）依次升起与楼梯等高；

通过控制器控制旋转气缸（19）进行角度旋转；

通过控制器控制升降架连接件的高度调节；

所述爬楼方法，包括以下步骤：

1）直线行走时，前进单元中的三组动力滚筒（15）带动行进轮（14）行走；

2）爬楼运动时，控制器根据传感器感应位置信号，控制最靠近楼梯的一组电动缸（12）带动丝杠（13）连接动力滚筒（15）向上升起，第一组行进轮（14）升起至与第一级楼梯等高，其余两组动力滚筒（15）前进，使第一组行进轮与第一级楼梯接触，同时重心调节块（17）移动改变重心保持稳定；

前进到一定距离后，第二组电动缸（12）驱动，使第二组行进轮（14）上升到与第一级楼梯等高，同时其余两组动力滚筒（15）前进，使第二组行进轮与第一级楼梯接触，同时重心调节块（17）再次移动；

再次前进一定距离，使第三组行进轮（14）上升到与第一级楼梯等高，同时其余两组动力滚筒（15）提供前进动力，使第三组行进轮成功稳定地与第一级楼梯接触，同时重心调节块（17）再次移动，依次循环重复，爬楼运动完成；

3）进行转向运动时，机器人机械系统整体位于水平面上，三组升降机构丝杠（13）同时进行上升，至支撑架（21）完全与地面接触，三组升降机构处于悬空状态，稳定后，控制器根据传感器感应位置信号控制旋转气缸（19）进行角度旋转，转向完成后，升降机构丝杠（13）同步下降，至完全接触到地面停止；

4）高度调节时，控制器控制活塞式电缸（8）作用下，活塞杆（6）往复运动，带动推杆（3）左右移动，同时带动推杆（3）上的升降架连接件（4）相对绕连杆（23）转动，完成高度调节。

2.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，其特征在于，所述前进单元组的动力滚筒（15）带动的行进轮（14）至少有三组，各组行进轮（14）为一对，由连接轴连接。

3.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，其特征在于，所述固定焊接架（1）为双层框架结构，旋转气缸（19）连接于框架底部，升降架连接件（4）连接于框架顶部，直线滑轨（11）横跨于框架中部连接在框架两端。

4.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，其特征在于，所述垂直运动单元组中，套筒（16）滚动连接在每个动力滚筒（15）内侧的连接轴上；电动缸（12）上部通过固定垫片（18）固定在固定焊接架（1）上。

5.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，其特征在于，所述转向机构的旋转气缸（19）通过连接在固定焊接架（1）底部的旋转气缸连接座（20）连接，支撑架（21）连接在旋转气缸（19）下方，支撑架（21）为框形架。

6.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，其特征在于，所述高度调节机构包括设于升降架连接件（4）上下方的载物台（7）和升降架底座（2）；载物台（7）和升降架底座（2）上分别设有滑槽；升降架连接件（4）为剪刀叉形结构，在剪刀叉的一端设有贯穿滑槽的推杆（3），剪刀叉的另一端分别固定在载物台（7）和升降架底座（2）上。

7.根据权利要求6所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，其特征在于，贯穿所述升降架底座（2）上滑槽的推杆（3）上连接有活塞式电缸（8），活塞式电缸（8）的活塞杆连接在推杆（3）上，活塞式电缸（8）的活塞杆连接在升降架底座（2）端部。

8.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，其特征在于，所述控制器安装在固定焊接架（1）上，动力滚筒（15）上安装有与控制器连接的传感器。