CN111839920B - 一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人，所述机器人包括机架、座椅机构、履带轮机构、升降机构和抓钩机构；所述座椅机构设置在机架上部，所述履带轮机构通过减震弹簧连接在机架下部两侧，所述升降机构上端固定连接在机架正下部，所述升降机构下端两侧设置有抓钩机构。本发明在爬楼时，抓钩机构通过升降机构伸展而接触楼梯，抓钩机构与履带轮机构共同驱动机器人爬楼，在平地行驶时，抓钩机构通过升降机构收缩而远离地面，履带轮机构驱动机器人移动。本发明利用抓钩机构克服了履带爬楼动力不足和易磨损楼梯边缘的缺点，有效提升了护理机器爬楼性能，具有安全可靠、稳定舒适、经济实用等优点。

Description

一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人

技术领域

本发明涉及护理类机器人技术领域，尤其涉及一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人。

背景技术

对于行动不便的老人，楼梯严重限制了他们的日常出行。辅助出行设备由于能帮助老年人出行而备受欢迎，虽然在我国有些公众场合为行走不便者建立了无障碍设施，但由于一些地区的经济发展水平的制约或一些其他条件的限制，导致无障碍设施不能普及。

目前公开号为CN105213119A的发明专利公开了一种爬楼轮椅，主要包括座椅、行走机构和水平机构，利用行星轮实现了平面与楼梯的移动功能，水平机构实现了爬楼梯时保持座椅水平的功能，但是该种轮椅在爬楼时，上下颠簸较明显，对于老人而言舒适性和安全性较差。

公开号为CN108113813A的发明专利公开了辅助支承式可折叠式路梯两用车，主要包括椅背架、底部椅轮固定架、可折叠式脚踏架、椅座架和履带式驱动装置，在爬楼时履带提供全部的动力，楼梯边沿容易被磨损，不易爬上较大坡度的楼梯，且没有保持座椅水平的功能。

公开号为CN105726232B的发明专利公开了基于行走轮摆动的双节双履带爬楼轮椅及上下楼方法，包括轮椅主体、两个行走大轮、履带爬楼机构和大轮摆臂机构，该轮椅虽为双节履带结构，但上下楼时动力全部由履带提供，履带容易磨损楼梯边沿，且爬楼效率较低。

目前对于爬楼梯越障轮椅的理论研究较成熟且研发的产品较多，并且其中一部分己经投产使用，但普遍存在安全性较低、制造成本较高、舒适性较差等缺点。对于履带式爬楼轮椅，尚未出现一种抓钩辅助、安全性高的设备，因此，本发明旨在研究一种抓钩辅助、舒适安全、稳定性好的爬楼机器人，主要用在老年人家庭、养老机构、医疗机构，帮助老人上下楼。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种克服了履带爬楼动力不足和易磨损楼梯边缘的缺点，以及有效提升了护理机器爬楼性能，从而提高老人舒适感的一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人，包括机架、座椅机构、履带轮机构、升降机构和抓钩机构；所述座椅机构设置在所述机架上部，所述履带轮机构通过减震弹簧连接在所述机架下部两侧，所述升降机构上端固定连接在所述机架正下部，所述抓钩机构对称设置在升降机构下端的两侧；

所述座椅机构包括依次连接的靠背、坐垫、腿垫、脚垫和联动所述腿垫和脚垫的调姿组件，以及对称设置在所述坐垫两侧的扶手组件；所述靠背与所述坐垫底部通过第一电推缸连接；

所述履带轮机构包括前轮和后轮，以及设置在前轮和后轮之间的第一连接板；所述第一连接板上固定设置有第一电机，所述第一连接板通过所述减震弹簧与所述机架连接；

所述升降机构包括升降台和设置在升降台正下部的无动力辅助履带轮，以及第四电推缸；所述升降机构上端固定连接在所述机架正下部，所述升降台下端与抓钩支架滑动连接，所述第四电推缸两端分别与所述升降台和所述抓钩支架转动连接，所述升降台下端两侧对称设置有抓钩机构，所述无动力辅助履带轮转动连接在抓钩支架上；

所述抓钩机构包括动力链条、第二电机、抓钩支架、轨道组件和抓手组件；所述动力链条由第二电机驱动，所述抓钩支架的前后两端之间分别转动连接有主动轴和从动轴，所述第二电机与主动轴连接，所述动力链条缠绕在所述主动轴和所述从动轴上，所述轨道组件固定连接在所述抓钩支架上，所述轨道组件位于所述动力链条正下部。

进一步的，所述调姿组件包括第二电推缸、第一连杆和第二连杆；所述第一连杆固定连接在腿垫底部，所述第二连杆固定连接在脚垫底部，所述第一连杆的一端与所述第二连杆转动连接，所述第一连杆的另一端通过第二电推缸与所述坐垫底部连接；

进一步的，所述扶手组件包括扶手、第三连杆和操控按钮；所述扶手分别对称转动连接在靠背左右两侧的中部，所述第三连杆的一端转动连接在坐垫上，另一端与扶手转动连接，所述操控按钮设置在扶手的前端部上方。

进一步的，所述坐垫下方固定连接有底板，所述底板后端与机架后端转动连接，所述底板中部通过第三电推缸与所述机架前端连接。

进一步的，所述前轮和所述后轮均由履带、支撑板、第一电机、动力辊和若干无动力辊组成，所述支撑板分别设置在履带两侧，所述动力辊均由所述第一电机通过同步带驱动，所述动力辊和无动力辊均转动连接在所述支撑板上，所述前轮和后轮均通过动力辊与所述第一连接板转动连接。

进一步的，所述轨道组件包括主轨和对称设置在主轨下部两侧的副轨。

进一步的，所述抓手组件包括一端固定连接在所述动力链条上的驱动连杆，和滑动连接在所述轨道组件内的导向连杆，以及转动连接在所述导向连杆一端的抓钩。所述抓钩接触地面的一端为圆柱面，所述导向连杆下部两侧设置有矩形凸台结构，所述导向连杆与所述抓钩的转动连接处设置有扭簧。

进一步的，所述抓钩接触地面的一端为圆柱面，所述导向连杆下部两侧设置有矩形凸台结构，且所述导向连杆与所述抓钩的转动连接处设置有扭簧。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明所提出的一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人，利用抓钩机构提供辅助的动力，克服了履带爬楼动力不足和易磨损楼梯边缘等缺点，同时所述抓钩机构也降低了机器人爬楼过程中意外下滑的风险，有效提升了护理机器人的爬楼性能，具有安全可靠、稳定舒适、经济实用等优点。

附图说明

图1是本发明所提出的一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人一个实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的剖面结构示意图；

图3是本发明座椅机构的结构示意图；

图4是本发明座椅机构完全展开状态的结构示意图；

图5是本发明升降机构与抓钩机构的连接结构示意图；

图6是本发明抓钩机构的结构示意图；

图7是本发明抓手组件的爆炸结构示意图；

图8是本发明履带轮机构的结构示意图；

图9是本发明爬楼时的工作状态示意图。

其中，附图标记：1-机架；2、座椅机构；3-履带轮机构；4-升降机构；5-抓钩机构；11-电控箱；12-中空外壳；13-减震弹簧；21-靠背；22-坐垫；23-腿垫；24-脚垫；25-第一电推缸；26-调姿组件；261-第二电推缸；262-第一连杆；263-第二连杆；27-扶手组件；271-扶手；272-第三连杆；273-操控按钮；28-第三电推缸；29-底板；31-第一连接板；32-第一电机；331-履带；332-支撑板；333-动力辊；334-无动力辊；335-同步带；34-电磁卡锁；4-升降机构；41-升降台；42-无动力辅助履带轮；43-第四电推缸；5-抓钩机构；51-动力链条；511-抓钩支架；512-从动轴；513-主动轴；52-轨道组件；53-抓手组件；54-第二电机；521-主轨；522-副轨；531-驱动连杆；532-导向连杆；533-抓钩；534-扭簧。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

参见图1至图9，给出了本发明所提出的一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人的一个实施例的具体结构。该机器人包括机架1、座椅机构2、履带轮机构3、升降机构4和抓钩机构5。所述座椅机构2设置在所述机架1上部，所述履带轮机构3分别通过减震弹簧13对称连接在机架1下部的左右两侧，所述升降机构4上端固定连接在机架1的正下部，所述抓钩机构5对称连接在升降机构4下端的左右两侧。

所述座椅机构2包括靠背21、坐垫22、腿垫23、脚垫24、第一电推缸25和联动所述腿垫23和所述脚垫24的调姿组件26，以及对称设置在坐垫22左右两侧的扶手组件27；本实施例中，所述靠背21、坐垫22、腿垫23和脚垫24的底部均安装有用于连接的固定架；所述靠背21与坐垫22转动连接，且所述靠背21与坐垫22的底部通过第一电推缸25连接；所述调姿组件27包括第二电推缸261、第一连杆262和第二连杆263，所述第二连杆263固定连接在脚垫24的底部，所述第一连杆262一端转动连接在所述坐垫22的底部，另一端与所述第二连杆263转动连接，且所述第一连杆262与所述坐垫22的底部通过第二电推缸261连接；所述扶手组件27包括扶手271、第三连杆272和操控按钮273，所述扶手271分别对称转动连接在靠背21左右两侧的中部，所述第三连杆272一端转动连接在坐垫22上，另一端与扶手271转动连接；所述坐垫22下方固定设置有底板29，所述底板29一端与所述机架1后端转动连接，另一端通过第三电推缸28与所述机架1前端连接；所述扶手组件27可在所述靠背21调整角度时联动，所述扶手271上还安装有操控按钮272，所述机架1的一侧固定连接有电控箱11，且所述机架1的外侧固定连接有中空外壳12，所述中空外壳12设置有开口，所述电控箱11镶嵌在所述开口中。

所述履带轮机构3包括对称设置的前轮和后轮，以及设置在前轮和后轮之间的第一连接板31，所述第一连接板31上固定设置有第一电机32，所述前轮和所述后轮均由履带331、支撑板332、动力辊333和若干无动力辊334组成，所述动力辊333均由所述第一电机32通过同步带335驱动，所述动力辊333和所述无动力辊334均转动连接在所述支撑板332上，且所述前轮和所述后轮均通过所述动力辊333与所述第一连接板31转动连接，所述第一连接板31通过所述减震弹簧13与所述机架1连接，所述后轮远离所述动力辊333的一端设置有斜向上凸起，使机器人能爬上更倾斜的楼梯，所述第一连接板31上固定连接有电磁卡锁34，用于控制所述前轮和所述后轮相对于第一连接板31的转动，电磁卡锁34锁死时，所述前轮和所述后轮不能相对于第一连接板31转动，所述电磁卡锁34的数量可根据实际需要调整，本实施例中，所述电磁卡锁34的数量设置为四个。

所述升降机构4包括升降台41，和设置在所述升降台41正下部的无动力辅助履带轮42，以及第四电推缸43；本实施例中，所述升降台41为剪叉结构；所述无动力辅助履带轮42用于防止前轮和后轮之间的间隙卡在楼梯边缘；所述升降台41的上端固定连接在所述机架1正下部，所述升降台41的下端与抓钩支架511滑动连接，所述第四电推缸43两端分别与所述升降台41和所述抓钩支架511转动连接，所述升降台41下端两侧对称设置有抓钩机构5，所述无动力辅助履带轮42转动连接在抓钩支架511的后端中部。

所述抓钩机构5包括动力链条51、轨道组件52、抓手组件53、第二电机54和抓钩支架511，所述动力链条51由第二电机54驱动，所述抓钩支架511的前后两端分别转动连接有从动轴512和主动轴513，所述动力链条51分别缠绕在所述主动轴513和所述从动轴512外侧，所述第二电机54的输出轴与主动轴513连接，所述轨道组件52固定连接在所述抓钩支架511上，所述轨道组件52分别对称固定连接在两侧动力链条51的正下部；所述轨道组件52包括主轨521，和对称设置在所述主轨521下部两侧的副轨522；所述抓手组件53包括一端固定连接在动力链条51上的驱动连杆531，和滑动连接在所述轨道组件52内的导向连杆532，以及转动连接在导向连杆532下端的抓钩533，所述导向连杆532另一端与驱动连杆531转动连接，且所述抓钩533接触地面的一端为圆柱面，所述导向连杆532下部两侧设置有矩形凸台结构，且后端设置有向下倾斜的槽口凸台结构，所述导向连杆532与所述抓钩533的转动连接处还设置有扭簧534。

本发明的工作原理如下：

所述座椅机构2在调姿时，所述靠背21的角度可通过第一电推缸25来调节，所述第一电推缸25收缩时，所述靠背21与坐垫22之间的角度变大，所述第一电推缸25伸长时，所述靠背21与坐垫22之间的角度变小；所述第二电推缸261收缩时驱动第一连杆262联动腿垫23和脚垫24，调整为坐姿状态，所述第二电推缸261伸长时调整为躺姿状态；在使用本发明上下楼时，可通过陀螺仪控制第三电推缸28工作，驱动底板29绕其与机架1转动连接的一端转动，保证坐垫22在整个过程中保持水平状态，从而保证老人在上下楼过程中不会滑下座椅，进而提高老人的舒适度。

在使用本发明平地行驶时，所述四个电磁卡锁34锁死，调节两个第一电机32的转速可以通过差速实现灵活移动。

在使用本发明爬楼之前，调整所述座椅机构2为坐姿状态，所述电磁卡锁34打开，在使用本发明爬楼时，首先，所述后轮斜向上的凸起部分接触楼梯，在两个所述第一电机32驱动履带轮机构3向前移动的过程中，所述前轮被迫以动力辊333为轴相对于第一连接板31向上转动，直至前轮长度方向与楼梯台阶沿连线相平行，此时两个所述第一电机32继续驱动履带轮机构3向前移动，所述前轮也爬上楼梯，直到前轮和后轮长度方向均与楼梯台阶沿连线相平行，然后将所述电磁卡锁34锁死，使前轮和后轮不能相对第一连接板31产生转动，保证上楼过程中前轮和后轮长度方向均始终与楼梯台阶沿连线相平行，从而提高机器人运行的稳定性；所述电磁卡锁34开始锁死的同时，所述抓钩机构5通过升降台41向下伸展接触楼梯面，同时无动力辅助履带轮42也随之降下接触到楼梯边沿线，此时所述第二电机54开始工作，驱动所述动力链条51转动，所述导向连杆532在轨道组件52内做往复运动，在所述导向连杆532沿楼梯边沿连线方向向上运动过程中，所述抓钩533与楼梯边沿接触而受到垂直于其长度方向的分力，为了防止所述抓钩533在该分力作用下损坏，所述抓钩533可在该分力作用下转过一定角度，当所述抓钩533越过一级楼梯边缘后，所述抓钩533在所述扭簧534的作用下迅速复位，所述导向连杆532沿楼梯边沿连线方向向上运动的过程中抓钩533不提供爬楼动力，在所述导向连杆532沿楼梯边沿连线方向向下运动的过程中，所述抓钩533与楼梯边沿接触而受到其长度方向的分力，抓钩533克服该分力，提供爬楼动力，爬楼过程中两个抓钩结构5交替提供爬楼的动力，而无动力辅助履带轮42可以防止楼梯边角卡在前轮和后轮间隙中，所述后轮在爬至最后一级楼梯时，所述电磁卡锁34停止工作，同时升降台41收缩，使所述抓钩结构5和无动力辅助履带轮42离开台阶面，所述前轮在重力作用下绕动力辊333轴线向下转动，直至前轮长度方向逐渐与地面平行，随后所述前轮也爬上最后一级台阶，在所述前轮和后轮长度方向均与地面平行后，电磁卡锁34锁死，整个爬楼过程完成，调节两个所述第一电机32的转速可以通过差速实现在狭小楼道内的转向。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人，其特征在于：所述机器人包括机架、座椅机构、履带轮机构、升降机构和抓钩机构；所述座椅机构设置在所述机架上部，所述履带轮机构通过减震弹簧连接在所述机架下部两侧，所述升降机构上端固定连接在所述机架正下部，所述抓钩机构对称设置在升降机构下端的两侧；

所述座椅机构包括依次连接的靠背、坐垫、腿垫、脚垫和联动所述腿垫和脚垫的调姿组件，以及对称设置在所述坐垫两侧的扶手组件；所述靠背与所述坐垫底部通过第一电推缸连接；

所述履带轮机构包括前轮和后轮，以及设置在前轮和后轮之间的第一连接板；所述第一连接板上固定设置有第一电机，所述第一连接板通过所述减震弹簧与所述机架连接；

所述抓钩机构包括动力链条、第二电机、抓钩支架、轨道组件和抓手组件；所述动力链条由第二电机驱动，所述抓钩支架的前后两端之间分别转动连接有主动轴和从动轴，所述第二电机与主动轴连接，所述动力链条缠绕在所述主动轴和所述从动轴上，所述轨道组件固定连接在所述抓钩支架上，所述轨道组件位于所述动力链条正下部；

所述升降机构包括升降台和设置在升降台正下部的无动力辅助履带轮，以及第四电推缸；所述升降机构上端固定连接在所述机架正下部，所述升降台下端与抓钩支架滑动连接，所述第四电推缸两端分别与所述升降台和所述抓钩支架转动连接，所述升降台下端两侧对称设置有抓钩机构，所述无动力辅助履带轮转动连接在抓钩支架上；

所述调姿组件包括第二电推缸、第一连杆和第二连杆；所述第一连杆固定连接在腿垫底部，所述第二连杆固定连接在脚垫底部，所述第一连杆的一端与所述第二连杆转动连接，所述第一连杆的另一端通过第二电推缸与所述坐垫底部连接；

所述扶手组件包括扶手、第三连杆和操控按钮；所述扶手分别对称转动连接在靠背左右两侧的中部，所述第三连杆的一端转动连接在坐垫上，另一端与扶手转动连接，所述操控按钮设置在扶手的前端部上方；

所述坐垫下方固定连接有底板，所述底板后端与机架后端转动连接，所述底板中部通过第三电推缸与所述机架前端连接；

所述抓手组件包括一端固定连接在所述动力链条上的驱动连杆，和滑动连接在所述轨道组件内的导向连杆，以及转动连接在所述导向连杆一端的抓钩；所述抓钩接触地面的一端为圆柱面，所述导向连杆下部两侧设置有矩形凸台结构，所述导向连杆与所述抓钩的转动连接处设置有扭簧；

所述第一连接板的侧面设置有用于锁死前轮和后轮的电磁卡锁。

2.根据权利要求1所述的一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人，其特征在于：所述前轮和所述后轮均由履带、支撑板、第一电机、动力辊和若干无动力辊组成，所述支撑板分别设置在履带两侧，所述动力辊均由所述第一电机通过同步带驱动，所述动力辊和无动力辊均转动连接在所述支撑板上，所述前轮和后轮均通过动力辊与所述第一连接板转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人，其特征在于：所述轨道组件包括主轨和对称设置在主轨下部两侧的副轨。

4.根据权利要求1所述的一种抓钩辅助的履带式爬楼机器人，其特征在于：所述抓钩接触地面的一端为圆柱面，所述导向连杆下部两侧设置有矩形凸台结构，且所述导向连杆与所述抓钩的转动连接处设置有扭簧。

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