CN112722099A - 轮履复合式移动爬楼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮履复合式移动爬楼机器人，其包括结构框架、电源管理箱、两个前臂机构和两个后臂机构，结构框架正下方固定设有电源管理箱，前臂机构包括两个前臂机构，且两个前臂机构对称设于结构框架的前端，后臂机构包括两个后臂机构，且两个后臂机构对称设于结构框架的后端。本发明采用履带和行走轮的组合方式，利用履带爬楼稳定的优点，克服了履带地面移动时机动性差的缺点，扩大了移动爬楼机器人行动范围，其在地面移动时，行走轮接触地面，通过差速实现行走轮灵活转向，在爬楼时，摆臂机构上的履带工作，通过履带实现平稳爬楼，同时还可以通过驱动缸的配合工作实现平面的升降，具有爬楼稳定、爬楼效率高、机动灵活、经济实用等优点。

Description

轮履复合式移动爬楼机器人

技术领域

本发明属于运输类机器人技术领域，特别涉及一种轮履复合式移动爬楼机器人。

背景技术

在工厂厂区等规范平整路面可以实现地面机器人的移动和物资运输等，但是由于复式楼、城市道路或居民区复杂的地形限制，且机器人爬楼功能不好实现，导致无人化运输、巡检机器人等无法在大片区域普及，尤其是对于较大宗的运输对象，比如老人或残疾人的转运、大型快件的派送等。

目前发明专利CN104477268A公开了一种欠驱动履带式移动越障平台，包括车体组件、支架组件、前摆臂组件、后摆臂组件、同步带组件和履带；支架组件的两端分别铰接有前摆臂组件和后摆臂组件；前摆臂组件通过同步带组件带动后摆臂组件同步摆动，且前摆臂组件与后摆臂组件通过履带连接，在地面移动时存在履带机动性差的缺点；发明专利CN111232081A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。爬楼时通过前进单元组与垂直运动单元组交替爬楼，爬楼速度慢，越障能力低；发明专利CN109178137A公开了基于三自由度机械腿的多足机器人，包括机身、电气单元和三自由度机械腿，在爬楼时电机驱动机械腿逐级爬楼，控制复杂，攀爬速度慢；发明专利CN109927808A公开了一种协同履带式的四足机器狗，包括躯干主体，分别连接在所述躯干主体四个端部的能够在平坦道路或复杂地形上行走且能够自行折叠及旋转的四个肢腿，以及通过电磁铁连接在所述躯干主体腹部、用于带动躯干主体和四个肢腿整体在平坦道路行走的履带小车。该爬楼平台虽然比较其他四足机械狗机械结构简单，但是自适应性弱，爬楼速度慢。

目前对于移动爬楼机器人平台的理论研究成果较多且研发的产品多样，并且已经有部分产品上市，但大多数爬楼越障机器人承载能力差、爬楼速度慢的缺点，四足式越障机器人控制复杂，不易普及，履带式机器人移动机动性差。对于现有的移动爬楼机器人，尚未出现一种将履带与轮子结合的结构简单可靠的设备，因此，研究一种将履带与轮子结合的机器人移动爬楼平台，主要用在助老助残护理领域、物流运输行业、以及军口物资保障领域等。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种轮履复合式移动爬楼机器人，将履带与行走轮相结合，克服了单纯履带式移动爬楼机器人地面移动机动性差等缺点，有效利用了履带爬楼稳定、爬楼效率高等优点，继而提升了机器人的移动爬楼性能。

本发明采用的技术方案是，一种轮履复合式移动爬楼机器人，其包括结构框架、电源管理箱、两个前臂机构和两个后臂机构，所述结构框架正下方固定设有所述电源管理箱；所述两个前臂机构对称设于所述结构框架的前端，且每个所述前臂机构均包括前减震器、前大臂、前摆臂、前履带、前驱动缸连接板和第一驱动缸，所述前减震器设于所述结构框架与所述前大臂之间，且所述前减震器的第一端通过第一转动副与所述结构框架的底部连接，所述前减震器的第二端通过第二转动副与所述前大臂连接，且所述前大臂的第一端通过所述第三转动副与所述结构框架的底部连接，所述前大臂的第二端通过第四转动副与所述前摆臂的第一端连接，所述前摆臂上环绕设有所述前履带，且所述前摆臂的第二端两侧对称设有行走轮，所述前摆臂上设有所述前驱动缸连接板，且所述前驱动缸连接板与所述前大臂之间设有所述第一驱动缸，所述第一驱动缸的第一端通过第五转动副与所述前驱动缸连接板连接，且所述第一驱动缸的第二端通过第六转动副与所述前大臂连接；所述两个后臂机构对称设于所述结构框架的后端，且每个后臂机构均包括后减震器、后大臂、后中臂、后摆臂、后履带、后驱动缸连接板、第二驱动缸和第三驱动缸，所述后减震器设于所述结构框架与所述后大臂之间，且所述后减震器的第一端通过第七转动副与所述结构框架的底部连接，所述后减震器的第二端通过第八转动副与所述后大臂连接，且所述后大臂的第一端通过第九转动副与所述结构框架的底部连接，所述后大臂的第二端通过第十转动副与所述后中臂的第一端连接，所述后中臂的第二端通过第十一转动副与所述后摆臂的第一端连接，且所述后中臂的第二端两侧对称设有行走轮，所述后摆臂上环绕设有所述后履带，且所述后中臂与所述后大臂之间设有所述第二驱动缸，所述第二驱动缸的第一端通过第十二转动副与所述后大臂连接，所述第二驱动缸的第二端通过第十三转动副与所述后中臂连接，所述后摆臂上设有所述后驱动缸连接板，且所述后驱动缸连接板与所述后中臂之间设有所述第三驱动缸，所述第三驱动缸的第一端通过第十四转动副与所述后中臂连接，所述第三驱动缸的第二端通过第十五转动副与所述后驱动缸连接板连接。

进一步地，所述前摆臂的第一端和第二端分别设有前主动轮和前从动轮，且所述前主动轮带动围绕在所述前主动轮以及前从动轮外侧的前履带进行转动。

进一步地，所述后摆臂的第一端和第二端分别设有后主动轮和后从动轮，且所述后主动轮带动围绕在所述后主动轮以及后从动轮外侧的后履带进行转动。

优选地，所述第一驱动缸能控制所述前摆臂相对于所述前大臂的转角。

优选地，所述第二驱动缸能控制所述后中臂相对于所述后大臂的转角，且所述第三驱动缸能控制所述后摆臂相对所述后中臂的转角。

进一步地，所述行走轮、前主动轮以及后主动轮均能由无刷轮毂电机驱动。

优选地，所述第二转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线、第五转动副轴线以及第六转动副轴线均平行于所述第一转动副轴线。

优选地，所述第八转动副轴线、第九转动副轴线、第十转动副轴线、第十一转动副轴线、第十二转动副轴线、第十三转动副轴线、第十四转动副轴线以及第十五转动副轴线均平行于所述第七转动副轴线，且所述第七转动副轴线平行于所述第一转动副轴线。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种轮履复合式移动爬楼机器人，采取四条支腿设计，并将履带与行走轮结合在四条支腿上，对复式楼、城市道路或居民区等复杂的地形有良好的适应性，在越过小台阶和小障碍物时，随着平台向前移动，履带与障碍物直接接触，可以简化操作算法。

2、本发明提供的一种轮履复合式移动爬楼机器人，通过履带和行走轮的结合，克服了履带地面移动时机动性差的缺点，扩大了移动爬楼机器人行动范围，具有爬楼稳定、爬楼效率高、机动灵活、经济实用等优点。

3、本发明提供的一种轮履复合式移动爬楼机器人，可以在结构框架中设置座椅、货物固定装置或者托举装置，这对于助老助残护理、物流运输以及军口物资保障等领域的应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明前臂机构的爆炸结构示意图；

图3是本发明的前大臂结构示意图；

图4是本发明的前驱动缸连接板的结构示意图；

图5是本发明后臂机构的结构示意图；

图6是本发明的后中臂结构示意图；

图7是本发明在爬楼时的第一工作状态示意图；

图8是本发明在爬楼时的第二工作状态示意图；

图9是本发明处于最大高度时的工作状态示意图；

图10是本发明在帮助老人入座和起身时的工作状态示意图；

图11是本发明实施例之二的结构示意图；

图12是本发明实施例之三的结构示意图。

主要附图标记：

结构框架1；电源管理箱2；前臂机构3；前大臂31；前摆臂32；第一驱动缸33；前履带34；后臂机构4；后大臂41；后中臂42；后摆臂43；第二驱动缸44；第三驱动缸45；后履带46；前减震器51；后减震器52；前驱动缸连接板61；后驱动缸连接板62；行走轮7；座椅8；机械臂9。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种轮履复合式移动爬楼机器人，如图1所示，其包括结构框架1、电源管理箱2、两个前臂机构3和两个后臂机构4，结构框架1正下方固定设有电源管理箱2，且电源管理箱2内置有电池与电控元件。

如图2～图4所示，两个前臂机构3对称设于结构框架1的前端，且每个前臂机构3均包括前减震器51、前大臂31、前摆臂32、前履带34、前驱动缸连接板61和第一驱动缸33，前减震器51设于结构框架1与前大臂31之间，且前减震器51的第一端通过第一转动副与结构框架1的底部连接，前减震器51的第二端通过第二转动副与前大臂31连接，且前大臂31的第一端通过第三转动副与结构框架1的底部连接，前大臂31的第二端通过第四转动副与前摆臂32的第一端连接，前摆臂32上环绕设有前履带34，且前摆臂32的第二端两侧对称设有行走轮7，前摆臂32上设有前驱动缸连接板61，且前驱动缸连接板61与前大臂31之间设有第一驱动缸33，第一驱动缸33的第一端通过第五转动副与前驱动缸连接板61连接，且第一驱动缸33的第二端通过第六转动副与前大臂31连接，第一驱动缸33能控制前摆臂32相对于前大臂31的转角。其中第二转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线、第五转动副轴线以及第六转动副轴线均平行于第一转动副轴线。

在一种优选方式中，前摆臂32的第一端和第二端分别设有前主动轮和前从动轮，且前主动轮带动围绕在前主动轮以及前从动轮外侧的前履带34进行转动。

如图5和图6所示，两个后臂机构4对称设于结构框架1的后端，且每个后臂机构4均包括后减震器52、后大臂41、后中臂42、后摆臂43、后履带46、后驱动缸连接板62、第二驱动缸44和第三驱动缸45，后减震器52设于结构框架1与后大臂41之间，且后减震器52的第一端通过第七转动副与结构框架1的底部连接，后减震器52的第二端通过第八转动副与后大臂41连接，且后大臂41的第一端通过第九转动副与结构框架1的底部连接，后大臂41的第二端通过第十转动副与后中臂42的第一端连接，后中臂42的第二端通过第十一转动副与后摆臂43的第一端连接，且后中臂42的第二端两侧对称设有行走轮7，后摆臂43上环绕设有后履带46，且后中臂42与后大臂41之间设有第二驱动缸44，第二驱动缸44的第一端通过第十二转动副与后大臂41连接，第二驱动缸44的第二端通过第十三转动副与后中臂42连接，且第二驱动缸44能控制后中臂42相对于后大臂41的转角，后摆臂43上设有后驱动缸连接板62，且后驱动缸连接板62与后中臂42之间设有第三驱动缸45，第三驱动缸45的第一端通过第十四转动副与后中臂42连接，第三驱动缸45的第二端通过第十五转动副与后驱动缸连接板62连接，且第三驱动缸45能控制后摆臂43相对后中臂42的转角。其中第八转动副轴线、第九转动副轴线、第十转动副轴线、第十一转动副轴线、第十二转动副轴线、第十三转动副轴线、第十四转动副轴线以及第十五转动副轴线均平行于第七转动副轴线，且第七转动副轴线平行于第一转动副轴线。

在一种优选方式中，后摆臂43的第一端和第二端分别设有后主动轮和后从动轮，且后主动轮带动围绕在后主动轮以及后从动轮外侧的后履带46进行转动。

在一种优选方式中，行走轮7、前主动轮以及后主动轮均能由无刷轮毂电机驱动。

本发明的具体操作步骤如下：

实施例1

如图7～图10所示，在使用本发明平地移动时，行走轮7接触地面，且行走轮7均由轮毂电机驱动，较强大的动力源保证了该发明大承载的特性，需要转向时，电源管理箱2可以控制左右两侧行走轮7的转速，利用差速原理实现转向，该转向过程中，操作员可以通过蓝牙接口给电源管理箱2信号，以控制转向大小，适应不同环境，在电源管理箱2的控制下，第一驱动缸33、第二驱动缸44和第三驱动缸45协调工作，可以实现平台的升降，若第一驱动缸33和第二驱动缸44伸长，则平台整体高度升高，若第一驱动缸33和第二驱动缸44缩短，则平台整体高度降低，电源管理箱还可以控制第一驱动缸33伸长，同时控制第二驱动缸44缩短，此时平台前端高度升高，后端高度降低，该功能可用于帮助老人入座和起身，对于体能下降的老人，普遍存在坐下之后很难独立起来，站立之后很难独立坐下去，且存在一定的安全隐患，针对此情况，该平台移动到老人身后之后，该平台前端高度升高，后端高度降低，同时老人慢慢坐下，与老人接触后，电源管理箱2控制第一驱动缸33慢慢缩短，同时控制第二驱动缸44慢慢伸长，从而实现老人站姿到坐姿的转换，具有舒适性高、安全性高的特点。

如图7和图8所示，在使用本发明爬楼时，平台先移动到楼梯前，前臂机构3先接触楼梯，在电源管理箱2的控制下，第一驱动缸33、第二驱动缸44和第三驱动缸45协调工作，使前摆臂32和后摆臂43与水平面形成的夹角与楼梯坡度相同，即使前摆臂32和后摆臂43与楼梯之间的接触面最大，以保证爬楼过程的平稳性，该调整过程中，操作员可以通过蓝牙接口给电源管理箱2信号，以控制调整量的大小，适应不同高度的楼梯，然后前摆臂32和后摆臂43工作，利用履带驱动平台平稳爬上楼梯。

实施例2

如图11所示，是本发明的实施例之二，座椅8固定连接在机架1正上方，可用于老人或残疾人的转运，尤其适用于复式楼、台阶等复杂地形，该机器人可以适应以坡面和各种台阶为主要障碍的城市地形，为行动不便的老人或残疾人提供出行便利，在通过坡面时，与上述爬楼原理类似，到达坡面之前，电源管理箱2控制第一驱动缸33和第二驱动缸44伸长，一方面使前履带34先接触坡面，另一方面降低了机器人的重心，有利于提高爬坡的稳定性，前履带34先接触坡面后，通过调整第一驱动缸33的伸长量，使前履带34与坡面的接触面积达到最大，然后控制第三驱动缸45伸长量，使后履带46在其长度方向上与前履带34平行，机器人继续向前移动，前履带34与后履带46完全与坡面接触，利用履带优良的爬坡性能通过坡道。

实施例3

如图12所示，是本发明的实施例之三，机械臂9固定连接在机架1正上方，可用于物流领域，实现货物的码垛、分拣、运送等功能，针对仓库、分拣中心等空间较为狭小的场景，该机器人具有切边转向、中心转向的功能，电源管理箱2可控制任一侧的四个行走轮7锁死，另一侧的四个行走轮7以较低速旋转，该机器人会以锁死一侧的行走轮7中心为圆心进行转弯半径较小的转向，在不足两个设备宽度的空间内转向时，电源管理箱2可控制任一侧的四个行走轮7保持旋转，另一侧的四个行走轮7等速反向旋转，该机器人会以机器人中心为圆心进行原地转向，另外，该机器人可适用于较复杂的地形环境，针对坡道、楼梯、台阶等常见的障碍类型，其越障原理与上述两个实施例相同。

以上所述的实施例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 (8)

1.一种轮履复合式移动爬楼机器人，其特征在于，其包括结构框架、电源管理箱、两个前臂机构和两个后臂机构，

所述结构框架正下方固定设有所述电源管理箱；

所述两个前臂机构对称设于所述结构框架的前端，且每个所述前臂机构均包括前减震器、前大臂、前摆臂、前履带、前驱动缸连接板和第一驱动缸，所述前减震器设于所述结构框架与所述前大臂之间，且所述前减震器的第一端通过第一转动副与所述结构框架的底部连接，所述前减震器的第二端通过第二转动副与所述前大臂连接，且所述前大臂的第一端通过所述第三转动副与所述结构框架的底部连接，所述前大臂的第二端通过第四转动副与所述前摆臂的第一端连接，所述前摆臂上环绕设有所述前履带，且所述前摆臂的第二端两侧对称设有行走轮，所述前摆臂上设有所述前驱动缸连接板，且所述前驱动缸连接板与所述前大臂之间设有所述第一驱动缸，所述第一驱动缸的第一端通过第五转动副与所述前驱动缸连接板连接，且所述第一驱动缸的第二端通过第六转动副与所述前大臂连接；

所述两个后臂机构对称设于所述结构框架的后端，且每个后臂机构均包括后减震器、后大臂、后中臂、后摆臂、后履带、后驱动缸连接板、第二驱动缸和第三驱动缸，所述后减震器设于所述结构框架与所述后大臂之间，且所述后减震器的第一端通过第七转动副与所述结构框架的底部连接，所述后减震器的第二端通过第八转动副与所述后大臂连接，且所述后大臂的第一端通过第九转动副与所述结构框架的底部连接，所述后大臂的第二端通过第十转动副与所述后中臂的第一端连接，所述后中臂的第二端通过第十一转动副与所述后摆臂的第一端连接，且所述后中臂的第二端两侧对称设有行走轮，所述后摆臂上环绕设有所述后履带，且所述后中臂与所述后大臂之间设有所述第二驱动缸，所述第二驱动缸的第一端通过第十二转动副与所述后大臂连接，所述第二驱动缸的第二端通过第十三转动副与所述后中臂连接，所述后摆臂上设有所述后驱动缸连接板，且所述后驱动缸连接板与所述后中臂之间设有所述第三驱动缸，所述第三驱动缸的第一端通过第十四转动副与所述后中臂连接，所述第三驱动缸的第二端通过第十五转动副与所述后驱动缸连接板连接。

2.根据权利要求1所述的轮履复合式移动爬楼机器人，其特征在于，所述前摆臂的第一端和第二端分别设有前主动轮和前从动轮，且所述前主动轮带动围绕在所述前主动轮以及前从动轮外侧的前履带进行转动。

3.根据权利要求1所述的轮履复合式移动爬楼机器人，其特征在于，所述后摆臂的第一端和第二端分别设有后主动轮和后从动轮，且所述后主动轮带动围绕在所述后主动轮以及后从动轮外侧的后履带进行转动。

4.根据权利要求1所述的轮履复合式移动爬楼机器人，其特征在于，所述第一驱动缸能控制所述前摆臂相对于所述前大臂的转角。

5.根据权利要求1所述的轮履复合式移动爬楼机器人，其特征在于，所述第二驱动缸能控制所述后中臂相对于所述后大臂的转角，且所述第三驱动缸能控制所述后摆臂相对所述后中臂的转角。

6.根据权利要求1所述的轮履复合式移动爬楼机器人，其特征在于，所述行走轮、前主动轮以及后主动轮均能由无刷轮毂电机驱动。

7.根据权利要求1所述的轮履复合式移动爬楼机器人，其特征在于，所述第二转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线、第五转动副轴线以及第六转动副轴线均平行于所述第一转动副轴线。

8.根据权利要求7所述的轮履复合式移动爬楼机器人，其特征在于，所述第八转动副轴线、第九转动副轴线、第十转动副轴线、第十一转动副轴线、第十二转动副轴线、第十三转动副轴线、第十四转动副轴线以及第十五转动副轴线均平行于所述第七转动副轴线，且所述第七转动副轴线平行于所述第一转动副轴线。

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