CN112248795A - 基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构及方法，包括载物平台的水平保持机构，控制面板安装盒和麦轮，安装在麦轮外侧支架盘及其中心处能旋转一定角度的旋转机构，能随旋转机构运动的锚形件，还包括连接锚形件的弹簧和限制锚形件运动位置的限位装置。麦轮在平地运动时锚形件缩回，机器人主要依靠麦轮运动和转向；机器人运动至楼梯附近准备上楼时，旋转机构旋转一定的角度，由弹簧带动锚形件运动并伸出部分，随着麦轮旋转伸出部分会扣住楼梯表面，从而带动整个轮子向楼梯上旋转；下楼时旋转机构反向旋转，同样带动锚形件旋转和伸出，可以扣住楼梯，完成下楼过程。本发明设计简单、成本低、适用范围广。

Description

基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构及方法

技术领域

本发明涉及一种上下楼机构，具体说就是一种基于麦轮的移动机器人上下楼机构及方法。

背景技术

随着机器人技术的迅速发展，各种移动机器人正不断地被研发出来并应用于不同的场合以满足各种各样的需求。可靠稳定的上下楼功能是机器人能够广泛使用的关键条件。目前国内外现有的上下楼机构主要分为履带式、腿足式、复合式和轮组式，其中履带式重量大、运动不够灵活、上下楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏，且平地使用所受阻力较大，转弯不方便；腿足式采用仿生学原理，控制难度较大动作迟缓，重量较高，腿足落点偏移过大市面尚无成熟产品；复合式由两种及两种以上爬楼机构组成，其中对轮腿复合式机构的研究较为广泛，这种结构腿足式充当支撑，牵引向前运动和上下楼，需要两种机构配合完美才可以保证作用，但是其上下楼过程及其不平稳，距离成品化还需较长的时间；轮组式爬楼机构多数采用行星轮交替旋转完成爬楼动作，在国内外研究的行星轮式爬楼机构多数在平地行走时由车轮自传驱动，当上下楼时采用机械自锁方式，绕中轴公转实现爬楼动作。轮组式爬楼机构，行驶过程中波动较大，平稳性一般，转向困难，且车轮利用率低。因此设计一种基于麦轮移动机器人上下楼机构，实现高效平稳爬楼成为目前本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对移动机器人上下楼问题，本发明提供了一种低成本基于麦轮的上下楼机构及上下楼控制方法，该机构能够平稳地上下楼，上下楼及转向方便灵活、且结构设计简单、成本低、适用范围广。

本发明解决其技术问题的是通过下述技术方案来实现的：

一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，包括载物平台，通过载物面自动平衡机构安装在载物平台下方的麦轮，控制麦轮旋转的控制机构，以及麦轮外侧的支架盘和其中心的旋转机构，支架盘上设有能随旋转机构转动的锚形件，还包括锚形件的限位装置及弹簧；

通过控制机构控制麦轮行进、支架盘旋转，锚形件随动伸长或缩短，实现机器人的上楼或下楼。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案。

优选的，所述麦轮外侧的支架盘中心设有旋转电机，在支架盘上表面均布有若干个锚形件，锚形件底部通过弹簧连接，锚形件的中部铰接在支架盘上，锚形件的连杆通过限位装置限位；在锚形件连杆中部设有框型结构的保险键。

优选的，所述支架盘为小于麦轮外沿半径且固定于麦轮外侧的圆形盘。

优选的，所述锚形件均匀分布在支架盘上，锚杆指向支架盘中心，锚杆上设置旋转轴；固定在支架盘上的锚形件的摇臂与支架盘外圆周面齐平。

优选的，所述载物面自动平衡机构包括设在平台支架上的减震弹簧和一个斜撑，斜撑的一端固定在平台支架下支架上，一端铰接在平台支架的上支架上。

优选的，所述麦轮通过麦轮电机连接平台支架，平台支架通过一对平台支腿支撑一个下层载物平台，在其上方通过电动缸支撑一个上层载物平台。

优选的，支撑载物平台的4个电动缸，前端的两根电动缸采用万向固定件和转动副与载物平台连接；后端的两根电动缸通过牛眼轮与载物平台上的轨道连接。

优选的，在多层载物平台边沿上分别设有红外传感器，上层载物平台的长度大于下层载物平台的长度；载物平台上设有控制机构和水平检测传感器。

本发明进而提供了一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼方法，包括如下步骤：

1)上楼时，控制机构根据红外传感器检测信息，控制麦轮电机旋转带动机器人移动到楼梯口，支架盘上的旋转电机正转并带动轴套旋转，通过弹簧拉伸带动锚形件反转并伸出麦轮外沿；

2)锚形件随麦轮转动，当锚形件伸出部分接触到楼梯上表面，麦轮绕着锚形件与楼梯接触点旋转上移，带动机器人上移；

3)机器人移动到预定楼层后，旋转电机反转恢复到初始位置，带动轴套旋转缩回弹簧，锚形件缩回麦轮外沿，此时机器人完成上楼动作；

4)下楼时，机器人移动到楼梯口，旋转电机反转带动轴套旋转，拉伸弹簧带动锚形件正转并伸出麦轮外沿；

5)锚形件随麦轮转动，当麦轮移动到楼梯边沿时，锚形件伸出部分会扣住楼梯表面，麦轮围绕接触点旋转下移，从而带动机器人下移；

6)载物平台在水平检测仪、电动缸和控制机构共同作用下，始终保持水平。

本方法中，旋转电机正转或反转的角度β由锚形件的尺寸和旋转中心的位置确定；锚形件伸出麦轮外沿的长度s与锚形件的结构、麦轮的半径R、旋转机构半径r和楼梯的高度h有关。

本发明基于麦轮移动机器人上下楼机构具有如下独特的优点：

1)由于麦轮全方位移动方式，减少了转向机构设计；

2)载物台自动调整，上下楼时仍能保持水平；

3)麦轮半径与楼梯高度满足设计要求时，可以大幅度降低上下楼过程中的波动；

4)机械结构简单，适应性强，较为灵活。

该移动机器人上下楼机构能随楼梯坡度自动调整，能时时保持基本水平的载物台，以及安装在麦轮外侧能够紧扣楼梯的机械结构，可以实现载物台水平的情况下，机器人比较平稳的上下楼。

基于麦轮机构可以省去转向系统设计，且能实现较小空间自由移动或转向；附于麦轮外侧上下楼机构，结构简单，能够实现机器人的上下楼动作；基于电动缸的载物平台，可以确保机器人上下楼时载物台始终保持水平。

本发明巧妙地解决了目前机器人上下楼系统结构复杂，体积大，成本高的难题，为移动机器人的推广应用和降低成本提供了可靠实用的方案。

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是本发明结构主视图；

图2是本发明结构侧视图；

图3是本发明上下楼主要机构示意图；

图4是本发明上下楼机构设计参数关系图。

图中，1、锚形件，2、限位装置Ⅰ，3、弹簧，4、保险键，5、旋转电机，6、轴套，7、限位装置Ⅱ，8、支架盘，9、麦轮电机，10、减震弹簧，11、麦轮，12、平台支腿，13、红外传感器Ⅰ，14、电动缸，15、红外传感器Ⅱ，16、万向固定件，17、平台支架，18、牛眼轮，19、控制机构，20、载物平台，21、转动副，22、水平检测传感器Ⅰ，23、水平检测传感器Ⅱ。

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以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1、图2所示，基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，至少包括两对麦轮11，麦轮11通过麦轮电机9连接有平台支架17，平台支架17通过一对平台支腿12支撑一个下层载物平台20，在其上方通过电动缸14支撑一个上层载物平台20。

本实施例中，支撑载物平台的4个电动缸14，前端的两根电动缸14采用万向固定件16和转动副21与载物平台20连接；后端的两根电动缸14通过牛眼轮18与载物平台20上的轨道连接；当机器人上下楼时，电动缸14伸缩，牛眼轮18在轨道里滑动，调整因电动缸14伸缩产生的载物平台20连接处尺寸的变化。在多层载物平台20上，上层载物平台和下层载物平台上分别设有红外传感器Ⅰ13、红外传感器Ⅱ15，在下层载物平台上安装有控制机构19和水平检测传感器Ⅰ22、Ⅱ23。

还包括载物平台的水平保持机构，以及控制中心面板安装盒。载物平台的水平保持机构包括设在平台支架17上的减震弹簧10和一个斜撑，斜撑的一端固定在平台支架17下支架上，一端铰接在平台支架17上支架上。

如图3、图4所示，本发明的移动机器人上下楼主要机构，包括麦轮11、安装在麦轮11外侧的支架盘8及其中心处能旋转一定角度的旋转电机5。在支架盘8上表面设有能随旋转机构运动的锚形件1，还包括连接锚形件1的弹簧3和限制锚形件运动位置的限位装置。限位装置由两部分组成，在一定范围内限定锚形件在切向的旋转运动。

还包括连接锚形件的弹簧3和限制锚形件运动位置的限位装置2。其中，锚形件1为T形结构，锚形件1连杆通过铰接在支架盘8上，连杆端部连接弹簧3，锚形件1摇臂与铰接部之间通过限位装置Ⅰ2、Ⅱ7限位，其中，铰接部连杆的两端凸起，构成与一对限位装置Ⅰ2、Ⅱ7形成的限位机构。在锚形件1连杆中部设有框型结构的保险键4。固定在支架盘8上的锚形件1的摇臂与支架盘8外圆周面齐平。

其中，支架盘是小于麦轮外沿半径且固定于麦轮外侧的圆形盘，用于安装旋转机构与锚形件。设计在满足强度要求的情况下，选择比较轻的材料且厚度尽量薄，以减轻整体重量。

锚形件均匀分布在支架盘上，锚杆指向支架盘中心，锚杆上设置旋转轴，旋转轴位置、锚形件尺寸和个数由麦轮大小及上下楼梯规格范围决定。

定位装置是由满足一定刚度要求的两个圆柱组成，其位置安装在锚杆两侧，当锚形件绕着旋转中心旋转时限定其运动。

弹簧一直处于拉伸状态，只是不同位置时，拉伸长度不同。

旋转机构主要是固定于支架盘中心的电机及安装在其轴上的轴套，轴套外侧与弹簧相连，当电机转过一定角度时拉伸弹簧，带动锚形件旋转。

机器人上下楼机构包括四个电动缸，在机器人的前后各安装2个，机器人上楼时，后面连个电动缸根据楼梯坡度伸出相对应的长度，前面两个电动缸不动，保证载物平台水平；机器人下楼时刚好相反，前面两个电动缸伸出。

机器人在平地运动时，主要靠麦轮运动和转向，锚形件缩回，锚形件1的摇臂与支架盘8外圆周面齐平；机器人运动至楼梯附近准备上楼时，在旋转电机5的带动下旋转一定的角度，锚形件1的摇臂与支架盘8外圆周面形成一定角度，拉伸弹簧3带动锚形件1运动并伸出，随着麦轮旋转伸出部分会扣住楼梯表面，从而带动整个轮子向楼梯上旋转；下楼时旋转机构反向旋转，同样带动锚形件旋转和伸出，可以扣住楼梯，完成下楼过程。

本发明应用于移动机器人时，如图1和图2所示，机器人在麦轮11和麦轮电机9作用下向前移动，红外传感器Ⅰ13检测到障碍物，降低移动速度，红外传感器Ⅱ15检测到与路面距离增加在楼梯高度范围内，将检测信号传回控制机构19，判定已达到开启上楼旋转机构条件，控制机构控制旋转电机5顺时针旋转一定角度，拉伸轴套6上的弹簧3，带动锚形件1旋转到限位装置Ⅰ2，并有一部分伸出麦轮11外沿，伸出部分接触并紧扣楼梯，锚形件1沿着接触点旋转带动机器人主体沿楼梯上移，实现上楼动作；随着机器人移动过程中，红外传感器Ⅰ13检测到路面下降，降低移动速度；红外传感器Ⅱ15检测到与路面距离降低在楼梯高度范围内，将检测信号传回控制机构19，判定已达到开启下楼旋转机构条件，控制机构控制旋转电机5逆时针旋转一定角度，拉伸轴套6上的弹簧3，带动锚形件1旋转到限位装置7，并有一部分伸出麦轮11外沿，伸出部分接触并紧扣楼梯，锚形件1沿着接触点旋转带动机器人主体沿楼梯下移，实现下楼动作。

机器人移动过程中，通过底板下红外探测仪探测到水平道路突然下降的高度，并在机器人工作范围之内时，将检测信号传输给控制中心，其控制旋转机构反向带动锚形件伸出麦轮外沿，同时移动控制速度，在楼梯边缘锚形件伸出部分与楼梯上表面接触，锚形件以接触点为圆心，在电机的驱动和楼梯表面的反作用力下产生向下旋转运动，从而带动机器人向下运动，从而实现了机器人下楼的动作。

为了准确检测上下楼梯时的工作条件，设计了两个红外传感器进行距离和行进路面宽度检测，由于楼梯的坡度一般在25°～45°之间，红外传感器15的红外射线与机器人前进方向成56°角，与机器人宽度方向成的角为由

确定，其中K为机器人宽度的一半，G为机器人高度的一半；红外传感器13的红外射线与机器人前进方向成23°角，与机器人宽度方向成的角由

确定，具体方向如图4所示。

爬楼机构的设计结构包括：

11)支架盘的设计，应根据麦轮的尺寸和安装方式设计并能安装于麦轮外侧，作为电机、弹簧、锚形件和限位装置的载体；

12)支架盘的结构和材料在满足刚性和强度要求的前提下，尽量减轻重量；

13)电机正转或反转的角度β主要有锚形件的尺寸和旋转中心的位置确定；旋转角度为：

其中，b为锚爪长度，c为锚杆中锚爪到旋转中心的长度；

14)锚形件伸出麦轮外沿的长度s与锚形件的结构、麦轮的半径R、旋转机构半径r和楼梯的高度h的关系为；

当h＞R时，

当h≤R时，s＞R

其中，a为锚形件旋转中心到轴套外沿的距离。

机器人上下楼时载物面能自动保持平衡，当机器人在上楼或下楼过程中，由水平检测仪提供信号，通过控制机构控制电动缸伸长或缩短来保证载物面始终保持水平状态。

旋转机构旋转时通过弹簧带动锚形件旋转，接触到限位装置，旋转电机停止转动，锚形件伸出部分可以扣住楼梯，在麦轮电机带动下实现上楼动作。

旋转机构通过电机带动，旋转电机可以正转和反转，从而控制锚形件顺时针或逆时针伸出，实现上楼或下楼动作；旋转电机带动锚形件正转和反转一定角度，实现锚形件伸出量最长。

机器人移动过程中，通过红外传感器检测到楼梯并达到一定的距离时，将检测信号传输给控制机构，其控制旋转机构带动锚形件伸出麦轮外沿，机器人继续移动到麦轮与楼梯竖直面接触，同时锚形件伸出部分与楼梯上表面接触，锚形件以接触点为圆心，在麦轮电机的驱动和楼梯表面的反作用力下产生向上旋转运动，从而带动机器人向上运动，实现了机器人上楼的动作；机器人移动过程中，通过底板下红外探测仪探测到水平道路突然下降的高度，并在机器人工作范围之内时，将检测信号传输给控制机构，其控制旋转机构反向带动锚形件伸出麦轮外沿，同时移动控制速度，在楼梯边缘锚形件伸出部分与楼梯上表面接触，锚形件以接触点为圆心，在麦轮电机的驱动和楼梯表面的反作用力下产生向下旋转运动，从而带动机器人向下运动，从而实现了机器人下楼的动作。

无论是在上楼或是下楼过程中，载物平台在水平检测仪、电动缸和控制中心共同作用下，始终保持水平。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，其特征在于，包括载物平台，通过载物面自动平衡机构安装在载物平台下方的麦轮，控制麦轮旋转的控制机构，以及麦轮外侧的支架盘和其中心的旋转机构，支架盘上设有能随旋转机构转动的锚形件，还包括锚形件的限位装置及弹簧；

通过控制机构控制麦轮行进、支架盘旋转，锚形件随动伸长或缩短，实现机器人的上楼或下楼。

2.根据权利要求1所述的一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，其特征在于，所述麦轮外侧的支架盘中心设有旋转电机，在支架盘上表面均布有若干个锚形件，锚形件底部通过弹簧连接，锚形件的中部铰接在支架盘上，锚形件的连杆通过限位装置限位；在锚形件连杆中部设有框型结构的保险键。

3.根据权利要求2所述的一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，其特征在于，所述支架盘为小于麦轮外沿半径且固定于麦轮外侧的圆形盘。

4.根据权利要求2所述的一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，其特征在于，所述锚形件均匀分布在支架盘上，锚杆指向支架盘中心，锚杆上设置旋转轴；固定在支架盘上的锚形件的摇臂与支架盘外圆周面齐平。

5.根据权利要求1所述的一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，其特征在于，所述载物面自动平衡机构包括设在平台支架上的减震弹簧和一个斜撑，斜撑的一端固定在平台支架下支架上，一端铰接在平台支架的上支架上。

6.根据权利要求5所述的一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，其特征在于，所述麦轮通过麦轮电机连接平台支架，平台支架通过一对平台支腿支撑一个下层载物平台，在其上方通过电动缸支撑一个上层载物平台。

7.根据权利要求6所述的一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，其特征在于，支撑载物平台的4个电动缸，前端的两根电动缸采用万向固定件和转动副与载物平台连接；后端的两根电动缸通过牛眼轮与载物平台上的轨道连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼机构，其特征在于，在多层载物平台边沿上分别设有红外传感器，上层载物平台的长度大于下层载物平台的长度；载物平台上设有控制机构和水平检测传感器。

9.一种权利要求1-8任一项所述机构的基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)上楼时，控制机构根据红外传感器检测信息，控制麦轮电机旋转带动机器人移动到楼梯口，支架盘上的旋转电机正转并带动轴套旋转，通过弹簧拉伸带动锚形件反转并伸出麦轮外沿；

2)锚形件随麦轮转动，当锚形件伸出部分接触到楼梯上表面，麦轮绕着锚形件与楼梯接触点旋转上移，带动机器人上移；

3)机器人移动到预定楼层后，旋转电机反转恢复到初始位置，带动轴套旋转缩回弹簧，锚形件缩回麦轮外沿，此时机器人完成上楼动作；

4)下楼时，机器人移动到楼梯口，旋转电机反转带动轴套旋转，拉伸弹簧带动锚形件正转并伸出麦轮外沿；

5)锚形件随麦轮转动，当麦轮移动到楼梯边沿时，锚形件伸出部分会扣住楼梯表面，麦轮围绕接触点旋转下移，从而带动机器人下移；

6)载物平台在水平检测仪、电动缸和控制机构共同作用下，始终保持水平。

10.根据权利要求9所述的基于麦轮全方位转向功能的移动机器人上下楼方法，其特征在于，旋转电机正转或反转的角度β由锚形件的尺寸和旋转中心的位置确定；

旋转角度为：

其中，b为锚爪长度，c为锚杆中锚爪到旋转中心的长度；

锚形件伸出麦轮外沿的长度s与锚形件的结构、麦轮的半径R、旋转机构半径r和楼梯的高度h的关系为；

当h＞R时，

当h≤R时，s＞R

其中，a为锚形件旋转中心到轴套外表面的距离。

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