CN113276979A - 一种具有全方位转向功能的爬楼机械及其控制方法 - Google Patents

一种具有全方位转向功能的爬楼机械及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有全方位转向功能的爬楼机械，包括载物台、控制中心、倾角传感器、数据线、伸缩机构及行走机构；伸缩机构共有8组，包括左前第一伸缩机构、左前第二伸缩机构、右前第一伸缩机构、右前第二伸缩机构、左后第一伸缩机构、左后第二伸缩机构、右后第一伸缩机构、右后第二伸缩机构；行走机构共有2组，包括前行走机构及后行走机构；本发明提供的具有全方位转向功能的爬楼机械及其控制方法，通过行走机构与伸缩机构的配合作用，并利用倾角传感器监测倾角变化，实现爬楼机工作过程中载物台的水平性，工作可靠，结构简单，通过机械结构及闭环控制，提高了载物爬楼过程的安全性，有效节省人力财力。

Description

一种具有全方位转向功能的爬楼机械及其控制方法
技术领域
本发明属于爬楼机械领域，具体涉及一种具有全方位转向功能的爬楼机械及其控制方法。
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克纳姆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
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有全方位转向功能的爬楼机械及其控制方法，以解决现有的爬楼机械不能平稳地上下楼、上下楼及转向不灵活、结构设计复杂及适用范围小的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种具有全方位转向功能的爬楼机械，包括载物台、控制中心、倾角传感器、数据线、伸缩机构及行走机构，伸缩机构共有8组，包括左前第一伸缩机构、左前第二伸缩机构、右前第一伸缩机构、右前第二伸缩机构、左后第一伸缩机构、左后第二伸缩机构、右后第一伸缩机构、右后第二伸缩机构，行走机构共有组，包括前行走机构及后行走机构。
本发明提供了一种具有全方位转向功能的爬楼机械，包括载物台、控制中心、倾角传感器、数据线、伸缩机构及行走机构，伸缩机构包括左前第一伸缩机构、左前第二伸缩机构、右前第一伸缩机构、右前第二伸缩机构、左后第一伸缩机构、左后第二伸缩机构、右后第一伸缩机构、右后第二伸缩机构，行走机构包括前行走机构及后行走机构。
本发明提供了一种具有全方位转向功能的爬楼机械的控制方法，包括以下步骤：
给机械本体通电，打开控制开关，系统程序初始化，行走机构开始工作，开始行走；倾角传感器全程工作，以一定时间步长检测载物台倾角变换，设置倾角变化范围为±5°；若超出设置倾角范围，爬楼机自动调整，伸缩机构开始工作使载物台倾小于45°；当倾角在范围内后，伸缩机构待命，行走机构继续工作；当爬楼机到达楼梯，启动爬楼程序，同时倾角传感器检测倾角变化，若超出设置倾角范围，爬楼机自动调整，实现爬楼过程闭环控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种具有全方位转向功能的爬楼机械及其控制方法，通过控制行走机构的运动，使机械本体前后及左右运动，实现机械本体的前进及转向操作；通过分别控制伸缩机构的伸缩作用，实现机械本体的上下运动；利用行走机构的运动与电动伸缩机构的伸缩的配合作用实现机械本体的爬楼操作，使得上下楼过程中载物台始终保持水平，可有效避免载物上下楼过程中由于载物台倾斜导致的安全问题，爬楼效率高，节约人力，装置结构简单，成本较低。
进一步的，行走机构由八个麦克纳姆轮、八个驱动电机及电机支架组成，麦克纳姆轮安装在驱动电机轴上，驱动电机分别通过电机支架固定在伸缩机构末端，保证承重能力及系统工作的可靠性。
进一步的，控制中心通过控制所述驱动电机的转动方向，实现机械本体的前后左右运动。
进一步的，伸缩机构设置有八套，两套为一组，各伸缩机构互不影响，每组伸缩机构受控制中心单独控制，每组中的两套伸缩机构数据共享，实现同步伸缩，保证载物台不会左右倾斜；
进一步的，所述伸缩机构最大伸长量可满足大部分居民楼楼梯高度，可适应性强。
进一步的，通过设置主控中心分别与每个驱动电机及每组伸缩机构通信连接，利用主控中心控制上下楼过程中行走机构及伸缩机构的动作，通过配合协同作用实现上下楼动作。
进一步的，所述驱动电机采用编码电机，可实现麦克纳姆轮转动及转速的闭环控制，保证机械本体在工作时动作正确。
进一步的，在载物台下方设置有倾角传感器，可检测载物台的倾角变化，若倾角超过一定范围，主控中心控制伸缩机构伸缩作用，保证载物台在上下楼过程中始终水平。
进一步的，通过设置控制方法，使主控中心、编码驱动电机、伸缩机构及倾角传感器构成闭环系统，实现爬楼机上下楼过程的反馈调节。
本发明所述的具有全方位转向功能的爬楼机械及其控制方法，工作可靠，结构简单，通过机械结构及闭环控制，保证爬楼机在上下楼过程中载物台始终水平，提高了载物爬楼过程的安全性，有效节省人力财力。
附图说明
构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例中的具有全方位转向功能的爬楼机械的整体结构示意图；
图2为实施例中的具有全方位转向功能的爬楼机械的主视图；
图3为实施例中的具有全方位转向功能的爬楼机械的侧视图；
图4为实施例中的具有全方位转向功能的爬楼机械的底部结构示意图；
图5为实施例中的具有全方位转向功能的爬楼机械的伸缩机构结构示意图；
图6为实施例中的具有全方位转向功能的爬楼机械的行走机构结构示意图；
图7为实施例中的具有全方位转向功能的爬楼机械的控制流程框图。
其中，1载物台，2左后第二伸缩机构，3左后第一伸缩机构，4后行走机构，5右后第二伸缩机构，6右后第一伸缩机构，7前行走机构，8右前第二伸缩机构，9右前第一伸缩机构，10控制中心，11左前第一伸缩机构，12左前第二伸缩机构，13倾角传感器，14数据线；401 轮毂，402辊子，403辊子轴，404驱动电机；501减速机构，502伸缩杆，503伸缩机构电机， 504安装片。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明提供了一种具有全方位转向功能的爬楼机械，包括载物台1、控制中心10、倾角传感器13、数据线14、伸缩机构及行走机构，伸缩机构共有8组，包括左前第一伸缩机构11、左前第二伸缩机构12、右前第一伸缩机构9、右前第二伸缩机构8、左后第一伸缩机构3、左后第二伸缩机构2、右后第一伸缩机构6、右后第二伸缩机构5，行走机构共有2组，包括前行走机构7及后行走机构4。
伸缩机构与行走机构构成整车的支撑，安装在载物台1的下端，行走机构通过螺栓安装在伸缩机构的下端。如图5所示，右后第二伸缩机构5与后行走机构4构成行走系统，所述右后第二伸缩机构5由减速机构501、伸缩杆502、伸缩机构电机503及安装片504构成。
本发明中，伸缩机构中伸缩杆为三级伸缩杆，如图5所示，右后第二伸缩机构5中伸缩杆502由三级伸缩杆组成，伸缩机构最大伸长量可满足大部分居民楼楼梯高度，可适应性强。
行走机构分为前行走机构7及后行走机构4，前后行走机构中辊子轴关于整车中心线对称，如图6所示，后行走机构4由轮毂401、辊子402、辊子轴403及驱动电机404组成，驱动电机404为编码电机，可实现整车行走的反馈调节。
本发明还提供了一种具有全方位转向功能的爬楼机械的控制方法，包括以下步骤：
给机械本体通电，打开控制开关，系统程序初始化，行走机构开始工作，开始行走；倾角传感器13全程工作，以一定时间步长检测载物台1倾角变换，设置倾角变化范围为±5°；若超出设置倾角范围，爬楼机自动调整，伸缩机构开始工作使载物台1倾小于45°；当倾角在范围内后，伸缩机构待命，行走机构继续工作；当爬楼机到达楼梯，启动爬楼程序，同时倾角传感器13检测倾角变化，若超出设置倾角范围，爬楼机自动调整，实现爬楼过程闭环控制。
实施例
如附图1-6所示，本实施例提供的一种具有全方位转向功能的爬楼机械，包括载物台1、控制中心10、倾角传感器13、数据线14、伸缩机构及行走机构，伸缩机构共有8组，包括左前第一伸缩机构11、左前第二伸缩机构12、右前第一伸缩机构9、右前第二伸缩机构8、左后第一伸缩机构3、左后第二伸缩机构2、右后第一伸缩机构6、右后第二伸缩机构5，行走机构共有2组，包括前行走机构7及后行走机构4。
伸缩机构与行走机构构成整车的支撑，安装在载物台1的下端，行走机构通过螺栓安装在伸缩机构的下端。如图5所示，右后第二伸缩机构5与后行走机构4构成行走系统，所述右后第二伸缩机构5由减速机构501、伸缩杆502、伸缩机构电机503及安装片504构成。
本发明中，伸缩机构中伸缩杆为三级伸缩杆，如图5所示，右后第二伸缩机构5中伸缩杆502由三级伸缩杆组成，伸缩机构最大伸长量可满足大部分居民楼楼梯高度，可适应性强。
行走机构分为前行走机构7及后行走机构4，前后行走机构中辊子轴关于整车中心线对称，如图6所示，后行走机构4由轮毂401、辊子402、辊子轴403及驱动电机404组成，驱动电机404为编码电机，可实现整车行走的反馈调节。
控制方法：
如附图7所示，工作时，机械本体通电，打开控制开关，系统程序初始化，行走机构开始工作，开始行走；倾角传感器13全程工作，以一定时间步长检测载物台1倾角变换，设置倾角变化范围为±5°；若超出设置倾角范围，爬楼机自动调整，伸缩机构开始工作使载物台1倾小于45°；当倾角在范围内后，伸缩机构待命，行走机构继续工作；当爬楼机到达楼梯，启动爬楼程序，同时倾角传感器13检测倾角变化，若超出设置倾角范围，爬楼机自动调整，实现爬楼过程闭环控制。
本实施例提供的一种具有全方位转向功能的爬楼机械控制方法，爬楼时，左前第一伸缩机构11与右前第一伸缩机构9同步收缩，安装在左前第一伸缩机构11与右前第一伸缩机构9 上的前行走机构7升起，登上第一级楼梯，并同时起支撑作用；同时，行走机构工作，整车同时做前进运动；当左前第二伸缩机构12与右前第二伸缩机构8到达楼梯时，左前第二伸缩机构12与右前第二伸缩机构8同步收缩，安装在左前第二伸缩机构12与右前第二伸缩机构8 上的行走机构升起，登上第一级楼梯；当4组第一伸缩机构收缩使行走机构登上一级楼梯时，剩下4组第二伸缩机构保持伸长状态，与行走机构共同起支撑作用，保证载物平台水平；下楼时，整车会在合适的位置掉头，此时与爬楼时伸缩机构的工作顺序一只，但伸缩方向与爬楼时相反。
本实施例提供的一种具有全方位转向功能的爬楼机械控制方法，通过控制伸缩机构与行走机构的配合作用及8组伸缩机构的伸缩顺序，无论是在上楼或是下楼过程中，利用倾角传感器13监测载物台倾角变化，通过伸缩机构的调整作用，保证爬楼机在工作时，载物台1具有很小的倾角，保证爬楼机工作过程的安全性。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (10)

1.一种具有全方位转向功能的爬楼机械，其特征在于，包括载物台(1)、控制中心(10)、倾角传感器(13)、数据线(14)。
2.根据权利要求1所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械伸缩机构及行走机构，其特征在于，伸缩机构共有(8)组，包括左前第一伸缩机构(11)、左前第二伸缩机构(12)、右前第一伸缩机构(9)、右前第二伸缩机构(8)、左后第一伸缩机构(3)、左后第二伸缩机构(2)、右后第一伸缩机构(6)、右后第二伸缩机构(5)。
3.根据权利要求1所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械伸缩机构及行走机构，其特征在于，行走机构共有2组，包括前行走机构(7)及后行走机构(4)。
4.根据权利要求2所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械伸缩机构及行走机构，其特征在于，伸缩机构包括8组减速机构、伸缩杆、伸缩机构电机及安装片。
5.根据权利要求2所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械伸缩机构及行走机构，其特征在于，伸缩机构与行走机构构成整车的支撑，安装在载物台(1)的下端。
6.根据权利要求3所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械伸缩机构及行走机构，其特征在于，行走机构通过螺栓安装在伸缩机构的下端，伸缩机构与行走机构构成行走系统。
7.根据权利要求3所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械伸缩机构及行走机构，其特征在于，行走机构分为前行走机构(7)及后行走机构(4)，前后行走机构中辊子轴关于整车中心线对称，行走机构由轮毂、辊子(4)、辊子轴及驱动电机组成。
8.根据权利要求3所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械伸缩机构及行走机构，其特征在于，驱动电机为编码电机，可实现整车行走的反馈调节。
9.根据权利要求4所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械伸缩机构及行走机构，其特征在于，伸缩机构中伸缩杆为三级伸缩杆，伸缩机构中伸缩杆由三级伸缩杆组成，伸缩机构最大伸长量可满足大部分居民楼楼梯高度，可适应性强。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种具有全方位转向功能的爬楼机械的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
给机械本体通电，打开控制开关，系统程序初始化，行走机构开始工作，开始行走；倾角传感器(13)全程工作，以一定时间步长检测载物台(1)倾角变换，设置倾角变化范围为±5°；若超出设置倾角范围，爬楼机自动调整，伸缩机构开始工作使载物台(1)倾小于45°；当倾角在范围内后，伸缩机构待命，行走机构继续工作；当爬楼机到达楼梯，启动爬楼程序，同时倾角传感器(13)检测倾角变化，若超出设置倾角范围，爬楼机自动调整，实现爬楼过程闭环控制。
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