CN113018017A - 一种改进型的爬楼机器人及其爬楼方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进型的爬楼机器人及其爬楼方法，主要包括：可承载负载的车身、剪刀式底盘，以及可实现平地行驶、攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯的三叶轮。其特征在于：底盘与车身呈靴形配合安装，攀爬单阶台阶时，底盘限位桩相对于车身限位孔向上侧移动，减小了车身的倾斜幅度。攀爬多阶楼梯时，连接底盘左翼与底盘右翼的电动伸缩杆可根据台阶尺寸伸长或缩短，三叶轮的行走轮能紧密贴合于台阶。行走轮采用蜗轮配合蜗杆驱动，传动平稳结构紧凑，运行噪声小。所述爬楼机器人的优点还包括可采用两个电动机实现全部三叶轮及其行走轮的同时双效旋转，保证了所述改进型的爬楼机器人及其爬楼方法可针对不同尺寸台阶实现良好的多阶楼梯连续攀爬效果。

Description

一种改进型的爬楼机器人及其爬楼方法

技术领域

本发明涉及扶老助残爬楼设备技术领域，尤其是涉及一种改进型的爬楼机器人及其爬楼方法。

背景技术

自二十世纪末以来，我国社会的老龄化进程逐渐加快。我国65岁以上老年人口在2000年占全国总人口的比例已经上升为约7%，达到了联合国界定一个国家或地区进入老龄化社会的标准。据预计，接近二十一世纪中叶，我国65岁以上老年人口占全国总人口的比例将超过20%。届时，我国老龄化社会形势将更加严重，老年人口高龄化现象将更加明显。为了保障老年人的基本生活，方便老年人的居住与出行，中国政府及时修订了《城市道路和建筑物障碍设计规范》、《老年人建筑设计规范》等相关建筑条例，给部分旧住宅楼加装电梯等老旧小区改造措施也在稳步推进。但是，改建措施不可能一蹴而就，部分腿脚不方便的老年人及残疾人日常出行仍然面临着上下楼梯以及大量室外建筑物台阶的挑战。因此，老年人及残疾人对辅助上下楼梯代步工具的需求非常迫切，研制安全有效的爬楼机器人具有重要的现实意义。

现有技术公开了专利申请号为CN2019103844334的一种被动式支撑避障装置、爬楼机器人及其爬楼方法，其技术方案包括：第一连接杆、弹性可伸缩连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆、车轮；所述第一连接杆中部与第二连接杆下端铰接，第一连接杆上端与第四连接杆上端铰接；第三连接杆一端与第二连接杆上端铰接，另一端与第四连接杆下端铰接；上述四个连接杆铰接构成四杆机构；弹性可伸缩连接杆一端与第二连接杆中部铰接，另一端与第四连接杆中部铰接。该方案利用了被动式支撑避障装置一系列的连杆机构转动带动的车轮实现被动越障，该机器人实现单阶台阶的爬楼效果较好，但对于连续攀爬多阶楼梯的应用场景，车身前方的举升装置需要不断调整对准上一级楼梯，连续爬楼效率较低。再如，现有技术公开了专利申请号为CN2019108971529的一种爬楼轮、爬楼行走机构、爬楼轮椅架和全自动爬楼轮椅，其技术方案包括：爬楼轮、爬楼行走机构、爬楼轮椅架和全自动爬楼轮椅，属于爬楼轮椅领域。爬楼轮，包括后轮总成和前轮总成，所述后轮总成和前轮总成均包括轮架；爬楼行走机构，包括爬楼轮，还包括相连的前支架和后支架；爬楼轮椅架，包括座椅架和所述的爬楼行走机构，所述座椅架底侧滑动连接有滑动板，全自动爬楼轮椅，包括所述的爬楼有轮椅架和座椅，所述座椅连接在座椅架上。该方案爬楼轮采用了四叶轮配合多套圆锥齿轮传动。为了爬楼轮椅既能在平地活动又可以上下楼梯，其前后连续设置了多部行走驱动电机和爬行驱动电机。该方案配置的四部步进电机导致装置自重较大，采用的圆锥齿轮传动其制造、装配过程都比较复杂，不利于后期的维修保养。

发明内容

本发明的目的在于针对上述常见的爬楼装置的缺点与不足，提出一种改进型的爬楼机器人及其爬楼方法，以缓解现有的几种爬楼设备结构方案在攀爬多阶楼梯时，连续攀爬能力较差，结构复杂，装置自重较大，实用性不佳的问题。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的改进型的爬楼机器人的主体结构，它主要包括用于承载外部负载的车身，剪刀式底盘和双效三叶轮。

进一步地，所述的改进型的爬楼机器人底盘通过避震器与上方车身上的避震器限位架装配在一起，底盘右翼前后两侧各有一个底盘限位桩，且所述的两个底盘限位桩恰好被装配于车身限位孔中。底盘限位桩采用二级凸台结构，即底盘限位桩上侧的圆形凸台与下侧半椭圆形凸台均凸出于底盘前后侧立面，且上侧圆形凸台比下侧半椭圆形凸台更加外凸于底盘侧面。

进一步地，所述的改进型的爬楼机器人在正常平地行驶、攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯时，底盘限位桩可以根据地形反馈在车身限位孔中上下移动。但底盘限位桩的上侧圆形凸台始终无法越过车身限位孔的上侧边界，底盘限位桩的下侧圆形凸台始终无法越过车身限位孔的下侧边界。

进一步地，所述的改进型的爬楼机器人剪刀式底盘的底盘左翼与底盘右翼被底盘装配轴像剪刀一样铰接装配在一起。底盘左翼的下方与底盘右翼的下方被电动伸缩杆左右连接在一起。电动伸缩杆与底盘左翼及底盘右翼各有一个转轴铰接点，上述两个转轴铰接点与底盘装配轴铰接点形成稳固的三角形结构，保证底盘在所述的改进型的爬楼机器人平地行驶、攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯时的结构稳定性。

进一步地，所述的改进型的爬楼机器人采用同心双效的三叶轮，可以实现正常平地行驶、攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯。在正常平地行驶时，爬行动力齿轮与传动箱齿轮脱开，此时底盘电动机通过行走轴带动主动蜗轮同轴旋转，主动蜗轮通过蜗杆驱动从动蜗轮，从动蜗轮带动行走轮同轴旋转实现所述的改进型的爬楼机器人正常平地行驶。

进一步地，所述的改进型的爬楼机器人需要攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯时，利用传动箱的传动箱齿轮与爬行动力齿轮紧密啮合，在底盘电动机正常驱动行走轮旋转的同时，爬行动力齿轮驱动传动箱齿轮旋转，传动箱齿轮通过爬行传动轴带动爬行传动齿轮同轴旋转，爬行传动齿轮驱动爬行从动齿轮，爬行从动齿轮带动三叶轮轮架同轴旋转，实现行走轮与三叶轮的同时双效旋转，完成攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯。

本发明优点在于所述的改进型的爬楼机器人及其爬楼方法结构巧妙合理，底盘与车身呈现跷跷板式靴形配合安装，当采用两个三叶轮攀爬单阶台阶时，底盘限位桩相对于车身限位孔向上侧移动，攀爬一侧的底盘与车身之间的缝隙变小，另外一侧底盘与车身之间的缝隙变大，减小了攀爬时车身的倾斜幅度。剪刀式底盘的底盘左翼与底盘右翼之间安装有电动伸缩杆，电动伸缩杆可以根据楼梯台阶的长度伸长或者缩短，自由调整左右两组三叶轮行走轴之间的轴距，保证了所述的改进型的爬楼机器人连续攀爬多阶楼梯时，左右两组三叶轮的行走轮能紧密贴合于被攀爬楼梯的台阶。三叶轮的行走轮采用蜗轮配合蜗杆驱动，具有传动平稳，结构紧凑，运行噪声小的优点。此外，在连续攀爬多阶楼梯时，所述的改进型的爬楼机器人采用两个电动机实现全部四个三叶轮及其附属行走轮的同时双效旋转，在精简传统爬楼机器人机械结构与设备重量的同时，保证了所述改进型的爬楼机器人可以实现良好的多阶楼梯连续攀爬效果。

附图说明

图1是一种改进型的爬楼机器人结构示意图；

图2是一种改进型的爬楼机器人结构剖面图；

图3是一种改进型的爬楼机器人车身与底盘结构示意图；

图4是一种改进型的爬楼机器人底盘结构示意图；

图5是一种改进型的爬楼机器人底盘结构俯视图；

图6是一种改进型的爬楼机器人三叶轮结构示意图；

图7是一种改进型的爬楼机器人三叶轮侧视图；

图8是一种改进型的爬楼机器人两轮爬楼应用场景示意图；

图9是一种改进型的爬楼机器人四轮爬楼应用场景示意图；

附图中的数字序号分别代表：行走轮1、三叶轮轮架2、主动蜗轮3、蜗杆4、蜗杆支架5、行走轴6、电动伸缩杆7、避震器8、避震器限位架9、车身10、车身限位孔11、底盘左翼12、底盘右翼13、转轴14、底盘限位桩15、底盘装配轴16、爬行传动轴17、传动箱18、电动机19、爬行动力齿轮20、传动箱齿轮21、换挡杆22、换挡叉23、同步器24、爬行传动齿轮25、爬行从动齿轮26、从动蜗轮27、三叶轮28、底盘29。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的改进型的爬楼机器人及其爬楼方法主要适用于扶老助残爬楼设备技术领域，特别是该发明方案可以适应爬楼机器人正常平地行驶、攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯等多种运行环境，具有普遍适应性。从图1、2、3可以清楚地看到，所述的改进型的爬楼机器人设备由可承载外部负载的车身10、与车身10呈现跷跷板式靴形配合安装的剪刀式底盘29，以及可以实现正常平地行驶、攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯的三叶轮28等几个大部分构成。

从图4、5可以清楚地看到，所述的改进型的爬楼机器人的底盘29采用剪刀式结构，由底盘左翼12和底盘右翼13在上侧通过底盘装配轴16铰接在一起，在底盘装配轴16同轴位置的底盘右翼13前后两侧各有一个外凸的底盘限位桩15，底盘左翼12和底盘右翼13的下侧通过一个电动伸缩杆7连接在一起，电动伸缩杆7与底盘左翼12及底盘右翼13连接的位置各有一个转轴14铰接点，两个转轴14铰接点与底盘装配轴16铰接点使底盘29形成了稳固的三角形结构。

结合图1、2、3可以清楚地看到，所述的改进型的爬楼机器人的底盘29通过外侧的避震器8与车身10外侧的避震器限位架9装配在一起，底盘右翼13前后两侧外凸的底盘限位桩15恰好装配在车身10的车身限位孔11中，并且底盘限位桩15在车身限位孔11中有一定的上下活动裕度。分别装配于所述的改进型的爬楼机器人底盘29的底盘左翼12和底盘右翼13中的电动机19可带动行走轴6旋转。行走轴6上装配有同轴旋转的爬行动力齿轮20，底盘29上侧安装有爬行传动轴17和传动箱18，根据爬行需要，操纵传动箱18的换挡杆22可以实现传动箱18的传动箱齿轮21与爬行动力齿轮20的啮合或者脱开。

从图2、6、7可以清楚地看到，所述的改进型的爬楼机器人的三叶轮28是保证本发明的爬楼机器人既能平地行驶，又能攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯的关键。在正常平地行驶时，电动机19通过行走轴6带动爬行动力齿轮20同轴旋转，但传动箱18的传动箱齿轮21与爬行动力齿轮20脱开，此时传动箱齿轮21、爬行传动齿轮25、爬行从动齿轮26均不旋转，电动机19通过行走轴6带动主动蜗轮3同轴旋转，蜗杆4的两端被安装于蜗杆支架5上，主动蜗轮3通过蜗杆4驱动从动蜗轮27旋转，从动蜗轮27带动安装于三叶轮轮架2上的行走轮1同步旋转，即可实现所述改进型的爬楼机器人在正常平地行驶。

从图2可以清楚地看到，所述的改进型的爬楼机器人需要攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯时，在电动机19驱动三叶轮28的行走轮1正常旋转的同时，操纵传动箱18的换挡杆22，通过换挡叉23和同步器24带动传动箱齿轮21向右与爬行动力齿轮20啮合在一起，电动机19通过行走轴6带动爬行动力齿轮20同轴旋转，爬行动力齿轮20驱动传动箱齿轮21旋转，并通过爬行传动轴17带动爬行传动齿轮25旋转，爬行传动齿轮25驱动爬行从动齿轮26旋转，爬行从动齿轮26带动耦合在一起的三叶轮28同步旋转，最终电动机19驱动行走轮1与三叶轮28同时双效旋转运行，实现了所述改进型的爬楼机器人成功攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯。

下面结合附图，对所述的改进型的爬楼机器人及其爬楼方法作进一步的说明。

从图8可以清楚地看到，以所述的改进型的爬楼机器人采用两个三叶轮28向右攀爬单阶台阶为例，剪刀式底盘29的底盘右翼13随着三叶轮28向右攀爬台阶而被抬高，导致底盘限位桩15相对于车身限位孔11向上侧移动，同时底盘右翼13外侧两个避震器8的弹簧被压缩。剪刀式底盘29的底盘右翼13与车身10右侧之间的缝隙变小，底盘左翼12与车身10左侧之间的缝隙变大，减小了所述的改进型的爬楼机器人因向右攀爬单阶台阶而导致的车身10的倾斜幅度。

从图9可以清楚地看到，以所述的改进型的爬楼机器人采用四个三叶轮28向右连续攀爬多阶楼梯为例，因不同建筑物楼梯的台阶长度可能不同，连接剪刀式底盘29的底盘左翼12与底盘右翼13的电动伸缩杆7可以根据适配所攀爬台阶尺寸的需要进行伸长或者缩短，此时底盘左翼12与底盘右翼13可以像剪刀一样开或者合，导致左右两组三叶轮28的行走轴6之间的轴距随之变大或者减小，电动伸缩杆7的长度适当调整完毕后，当所述改进型的爬楼机器人在连续攀爬多阶楼梯时，左右两组三叶轮28的行走轮1可以紧密贴合于被攀爬楼梯的台阶，保证了所述改进型的爬楼机器人针对不同尺寸的楼梯台阶可以实现良好的连续攀爬效果。与传统的几种爬楼设备相比，所述改进型的爬楼机器人及其爬楼方法结构简单且高效，具有良好的针对不同尺寸楼梯台阶的连续攀爬适应能力。

Claims (3)

1.一种改进型的爬楼机器人，主要包括：车身（10），利用避震器（8）与车身（10）配合安装的底盘（29），以及三叶轮（28）；其特征在于：底盘（29）的底盘左翼（12）和底盘右翼（13）通过底盘装配轴（16）铰接在一起，在底盘装配轴（16）同轴位置的底盘右翼（13）前后两侧各有一个外凸的底盘限位桩（15），底盘限位桩（15）采用二级凸台结构，底盘左翼（12）下侧和底盘右翼（13）下侧通过电动伸缩杆（7）连接在一起；底盘（29）通过外侧的避震器（8）与车身（10）外侧的避震器限位架（9）装配在一起，底盘右翼（13）前后两侧外凸的底盘限位桩（15）恰好装配在车身（10）的车身限位孔（11）中并有上下活动裕度；分别装配于底盘左翼（12）和底盘右翼（13）中的电动机（19）可带动行走轴（6）旋转，行走轴（6）上装配有同轴旋转的爬行动力齿轮（20），底盘（29）上侧安装有爬行传动轴（17）和传动箱（18）。

2.根据权利要求1所述的改进型的爬楼机器人在平地行驶时，其特征在于：电动机（19）通过行走轴（6）带动爬行动力齿轮（20）同轴旋转，传动箱（18）的传动箱齿轮（21）与爬行动力齿轮（20）脱开，此时传动箱齿轮（21）、爬行传动齿轮（25）、爬行从动齿轮（26）均不旋转，电动机（19）通过行走轴（6）带动主动蜗轮（3）同轴旋转，蜗杆（4）的两端被安装于蜗杆支架（5）上，主动蜗轮（3）通过蜗杆（4）驱动从动蜗轮（27）旋转，从动蜗轮（27）带动安装于三叶轮轮架（2）上的行走轮（1）旋转运行。

3.根据权利要求1所述的改进型的爬楼机器人在攀爬单阶台阶或者连续攀爬多阶楼梯时，其特征在于：电动机（19）正常驱动三叶轮（28）的行走轮（1）旋转的同时，传动箱齿轮（21）与爬行动力齿轮（20）啮合在一起，电动机（19）通过行走轴（6）带动爬行动力齿轮（20）旋转，爬行动力齿轮（20）驱动传动箱齿轮（21）旋转，并通过爬行传动轴（17）带动爬行传动齿轮（25）旋转，爬行传动齿轮（25）驱动爬行从动齿轮（26）旋转，爬行从动齿轮（26）带动耦合在一起的三叶轮（28）旋转，最终电动机（19）驱动行走轮（1）与三叶轮（28）同时旋转运行。

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