CN113734318A - 智能化行走设备及其爬楼梯方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种智能化行走设备及其爬楼梯方法，其包括动力架、第一基架和第二基架，第一基架和第二基架分别滑动连接在动力架相背的两侧，且第一基架和第二基架滑动方向均与动力架高度方向平行，动力架上设有用于驱动第一基架移动的第一驱动组件和用于驱动第二基架移动的第二驱动组件，第一基架底端设有导轮组，动力架上设有第一移动组件，第二基架上设有第二移动组件。本申请具有爬楼梯、平面、曲面等多种对象上移动的效果。

Description

智能化行走设备及其爬楼梯方法

技术领域

本申请涉及智能机器人技术的领域，尤其是涉及一种智能化行走设备及其爬楼梯方法。

背景技术

移动机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

公告号为CN206575373U的中国专利公开了一种光伏电站太阳能板清扫机器人及其履带式行走机构，包括2个行走装置以及车架组件，2个所述行走装置对称设置在所述车架组件两端，行走装置包括主动轮组件、从动轮组件、辅助支撑轮组件、行走同步带以及行走支架，辅助支撑轮组件包括若干辅助支撑轮、摆动支架支撑轮轴、连接轴、摆动支架，辅助支撑轮压在行走同步带内侧，摆动支架为倒V形，摆动支架顶部通过连接轴与行走支架连接，摆动支架2个底部分别通过摆动支架支撑轮轴与辅助支撑轮连接。

针对上述中的相关技术，发明人认为该机器人无法应对楼梯这类对象，有待改进。

发明内容

为了实现机器人爬楼梯的目的，本申请提供一种智能化行走设备及其爬楼梯方法。

本申请提供的一种智能化行走设备采用如下的技术方案：

一种智能化行走设备，包括动力架、第一基架和第二基架，所述第一基架和第二基架分别滑动连接在动力架相背的两侧，且第一基架和第二基架滑动方向均与动力架高度方向平行，所述动力架上设有用于驱动第一基架移动的第一驱动组件和用于驱动第二基架移动的第二驱动组件，所述第一基架底端设有导轮组，所述动力架上设有第一移动组件，所述第二基架上设有第二移动组件。

通过采用上述技术方案，操作者将行走设备置于第一层台阶前，第一驱动组件驱动第一基架抬升至第一层台阶的高度位置，第一移动组件和第二移动组件启动，动力架和第二基架前进，使得第一基架置于第一层台阶上，第一驱动组件和第二驱动组件同时启动，驱动动力架上升至第一层台阶高度，第二移动组件驱动第二基架前进，使得动力架移动至第一层台阶上，第一驱动组件启动，驱动第一基架抬升至第二层台阶高度位置，第二驱动组件启动，驱动第二基架抬升至第一层台阶高度，第一移动组件启动，驱动动力架前进，使得第一基架移动至第二层台阶上，第二基架移动至第一层台阶上，如此循环往复，实现了行走设备的爬楼梯动作，且行走设备在整个爬楼梯过程中第一基架、第二基架和动力架均可保持水平，稳定性强，此外，行走设备亦可通过第一移动组件和第二移动组件在平面或一定曲率范围内的曲面上行驶，适用范围广。

可选的，所述第一驱动组件包括第一电机、丝杆、滑台和支杆，所述丝杆转动连接在动力架侧壁，所述滑台穿设在丝杆上并与丝杆螺纹连接，所述支杆一侧与滑台连接，另一侧与第一基架连接，所述第一电机安装在动力架上，且第一电机的电机轴与丝杆同轴连接，所述第二驱动组件与第一驱动组件结构相同。

通过采用上述技术方案，第一电机驱动丝杆转动，丝杆驱动滑台沿丝杆轴线移动，滑台带动支杆移动，支杆带动第一基架同步移动，传动稳定，位置精度高。

可选的，所述导轮组包括两个全向轮，两个所述全向轮相互平行且转动连接在第一基架底端。

通过采用上述技术方案，全向轮一方面可减小第一基架移动时受到的摩擦阻力，另一方面可配合第一基架进行多方位移动。

可选的，所述第一移动组件包括第二电机和麦克纳姆轮，所述第二电机设有两个且安装在动力架的底部的两端，所述麦克纳姆轮同轴连接在第二电机的电机轴上，所述第二移动组件与第一移动组件结构相同。

通过采用上述技术方案，第二电机驱动麦克纳姆轮旋转，根据麦克纳姆轮的角度以及旋向可实现行走设备原地多方位移动、拐弯动作，方便灵活。

可选的，所述第二基架沿其移动方向的两侧均设有辅助支撑组件。

通过采用上述技术方案，当第二基架抬升时，辅助支撑组件抵在台阶上，利于提高动力架支撑的稳定性。

可选的，所述辅助支撑组件包括摆杆和第一电缸，所述摆杆的一端铰接在第二基架内，另一端开设有沿摆杆长度方向延伸的滑槽，所述滑槽内滑动连接有滑杆，所述滑杆的一端位于滑槽外并垂直连接有支撑座，所述支撑座内设有第二电缸，所述第二电缸的驱动杆端部连接有支撑杆；

所述滑杆侧壁设有导柱，所述摆杆上开设有供导柱穿出并移动的导槽，所述第二基架内设有倾斜的导轨，所述导柱远离滑杆的一端滑动在导轨内，所述导轨倾斜向上的一端位于摆杆铰接点的上方，导轨倾斜向下的一端低于摆杆铰接点；

所述第一电缸的缸体铰接在第二基架上，所述第一电缸的驱动杆端部与摆杆铰接。

通过采用上述技术方案，第一电缸驱动摆杆转动，摆杆转动过程中导柱沿导轨移动，带动滑杆伸出，当摆杆转动至水平位置时，支撑杆刚好支撑在台阶上；当第二基架抬升时，第二电缸驱动支撑杆相应的伸长，使得支撑杆保持对台阶的支撑；辅助支撑组件可自由收放，利于节省其占用空间。

可选的，所述支撑杆远离支撑座的一端转动连接有辊轮。

通过采用上述技术方案，当第二基架处于抬升状态且跟随动力架移动时，辊轮沿台阶滚动，减小了第二基架移动时受到的摩擦阻力。

可选的，所述动力架内滑动有沿垂直于麦克纳姆轮轴线方向移动的平衡板，所述平衡板上设有重力球和两个关于重力球对称分布的压力传感器，两个所述压力传感器沿平衡板移动方向排列，且两个压力传感器均设有与重力球相适配的弧面，所述动力架内设有第三电缸，所述第三电缸的驱动杆与平衡板相连。

通过采用上述技术方案，当动力架产生倾斜时，对应的压力传感器受到重力球的挤压，压力传感器将信号传递给第三电缸，第三电缸驱动平衡板朝动力架倾斜的反方向移动，从而改变动力架重心，使得动力架保持平衡，进一步提升了设备整体的稳定性。

可选的，所述平衡板底部设有凸块，所述凸块侧壁嵌设有变向球，所述变向球上螺纹连接有支柱，所述第三电缸位于平衡板下方，且第三电缸的驱动杆端部铰接有供支柱插入的卡套，所述卡套上螺纹连接有与支柱抵触的限位螺钉。

通过采用上述技术方案，第三电缸的驱动杆与平衡板的连接存在多个自由度，利于在移动时允许两者之间的位置偏差。

本申请提供的一种智能化行走设备采用如下的技术方案：

一种智能化行走设备的爬楼梯方法，采用如权利要求1-9任意一项所述的智能化行走设备，包括如下步骤：S1、第一基架抬升至第一层台阶高度；S2、动力架和第二基架前进，驱动第一基架落在第一层台阶上；S3、动力架抬升至第一层台阶高度；S4、动力架移动至第一层台阶上；S5、第一基架抬升至第二层台阶高度，第二基架抬升至第一层台阶高度；S6、动力架前进，第一基架移动至第二层台阶上，第二基架移动至第一层台阶上；S7、重复S3-S6步骤。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.一方面实现了行走设备的爬楼梯动作，另一方面设备可进行多方向运动，灵活性高；

2.通过辅助支撑组件和重心调整结构，提升了设备整体的稳定性。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构示意图。

图2是本申请实施例用于体现第一驱动组件的结构示意图。

图3是本申请实施例用于体现重力球的结构示意图。

图4是图3中A处放大图。

图5是本申请实施例用于体现导轨的结构示意图。

图6是本申请实施例用于体现爬楼梯动作的流程图。

附图标记说明：1、动力架；101、第一基架；102、第二基架；11、第一驱动组件；111、第一电机；112、丝杆；113、滑台；114、支杆；12、第二驱动组件；2、全向轮；3、第一移动组件；31、第二电机；32、麦克纳姆轮；4、第二移动组件；5、摆杆；51、第一电缸；52、滑槽；53、滑杆；531、导柱；54、支撑座；541、第二电缸；55、支撑杆；551、辊轮；56、导槽；57、导轨；6、平衡板；61、重力球；62、压力传感器；621、弧面；63、第三电缸；64、卡套；641、限位螺钉；65、支柱；66、变向球；67、凸块。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种智能化行走设备。如图1和图2，智能化行走设备包括动力架1，动力架1相背的两侧分别滑动连接有第一基架101和第二基架102，且第一基架101和第二基架102均沿动力架1高度方向上下移动，动力架1上设有用于驱动第一基架101移动的第一驱动组件11和驱动第二基架102移动的第二驱动组件12，第一基架101底端设有导轮组，动力架1底端设有第一移动组件3，动力架1上设有重心调节组件，第二基架102底端设有第二移动组件4，第二基架102内在其沿动力架1滑动方向的两侧均设有辅助支撑组件。

如图1，第一驱动组件11包括第一电机111、丝杆112、滑台113和支杆114，丝杆112转动连接在动力架1朝向第一基架101的一侧，且丝杆112轴线与第一基架101高度方向平行，丝杆112穿过滑台113并与滑台113螺纹连接，滑台113与支杆114固定，支杆114水平分布且支杆114背离滑台113的一侧与第一基架101固定，第一电机111安装在动力架1顶端，第一电机111的电机轴通过联轴器与丝杆112同轴固定；第一电机111驱动丝杆112转动，丝杆112驱动滑台113带动支杆114移动，支杆114带动第一基架101向上或向下移动，当第一电机111反转时，则驱动第一基架101反向移动。第二驱动组件12与第一驱动组件11结构相同，此处不再赘述。

导轮组包括两个转动连接在第一基架101底端的全向轮2，两个全向轮2相互平行且分布在第一基架101沿动力架1移动方向的两侧。

如图2，第一移动组件3包括两个第二电机31和两个麦克纳姆轮32，两个第二电机31均固定在动力架1底端，且关于动力架1的高度方向对称分布，麦克纳姆轮32与第二电机31一一对应，且麦克纳姆轮32与对应的第二电机31的电机轴同轴固定。第二电机31驱动麦克纳姆轮32转动，麦克纳姆轮32驱动力的矢量合成，可实现行走设备的原地多方位移动、拐弯动作。第二移动组件4与第一移动组件3结构相同，第二移动组件4中的第二电机31安装在第二基架102底端，第二电机31和第一电机111均采用步进电机，以提高驱动控制的精度。

如图3和图4，重心调节组件包括平衡板6、重力球61和第三电缸63，平衡板6水平滑动连接在动力架1内，且平衡板6滑动方向与麦克纳姆轮32轴线相垂直，平衡板6靠近动力架1下端，平衡板6上设有两个沿平衡板6移动方向间隔排列的压力传感器62，两个压力传感器62相对的一端均设有弧面621，重力球61位于两个压力传感器62的正中间并支撑在平衡板6上，两个压力传感器62的弧面621均与重力球61相贴合，从而夹住重力球61。

第三电缸63安装在动力架1内，并位于平衡板6下方，第三电缸63的驱动杆端部铰接有卡套64，卡套64的转动轴线呈竖直分布，卡套64内插接有支柱65，卡套64上螺纹连接有限位螺钉641，限位螺钉641端部穿进卡套64内并与支柱65抵紧，将支柱65固定，支柱65远离卡套64的一端固定有变向球66，平衡板6底面固定有凸块67，凸块67侧壁设有球形的槽，变向球66嵌设在凸块67的槽内并可自由转动。

当动力架1正常移动时，重力球61使其整体重心下降，保持动力架1的稳定性。当动力架1发生倾斜时，重力球61在重力作用下挤压倾斜一侧的压力传感器62，压力传感器62将信号传递给第三电缸63，第三电缸63启动并推动平衡板6沿与动力架1倾斜方向相反的方向移动，从而使得动力架1的重心偏移，迫使动力架1趋于摆正，在此过程中，第三电缸63根据压力传感器62的反馈信号，推动平衡板6同步回移，直至动力架1达到原先平衡位置。操作者可设定压力传感器62的数值范围，当超过这个竖直范围后才启动第三电缸63。

如图2和图5，辅助支撑组件包括摆杆5和第一电缸51，摆杆5沿长度方向的一端以及第一电缸51的缸体均铰接在第二基架102内，第一电缸51缸体的铰接点低于摆杆5铰接点，第一电缸51的驱动杆与摆杆5铰接，当第一电缸51的驱动杆伸缩运动时，推动摆杆5往复转动。摆杆5远离与第二基架102铰接点的一端开设有沿摆杆5长度方向延伸的滑槽52，滑槽52内滑动连接有滑杆53，滑杆53的一端伸出滑槽52外并垂直连接有支撑座54，支撑座54内设有第二电缸541，第二电缸541轴线与支撑座54长度方向平行，且第二电缸541的驱动杆端部固定有支撑杆55，支撑杆55远离第二电缸541的一端转动连接有辊轮551。

滑杆53侧壁垂直设有导柱531，摆杆5上开设有与滑槽52连通的导槽56，导槽56沿滑槽52长度方向分布，第二基架102内设有倾斜的导轨57，导轨57位于摆杆5的一侧且导轨57倾斜向上的一端位于摆杆5与第二基架102铰接点的上方，导轨57倾斜向下的一端低于摆杆5和第二基架102的铰接点位置，导柱531的一端从导槽56中穿出并滑动在导轨57内；当摆杆5处于竖直向上位置时，导柱531位于导轨57倾斜向上端，当摆杆5转动至水平位置时，导柱531位于导轨57倾斜向下的一端，支撑杆55竖直朝下。

本申请实施例实施原理为：操作者将行走设备置于第一层台阶前，第一驱动组件11的第一电机111启动，驱动第一基架101抬升至第一层台阶的高度位置，第二电机31启动，驱动麦克纳姆轮32旋转，使得动力架1和第二基架102移动前进，直至全向轮2移动至第一层台阶上；两个第一电机111同时启动，动力架1一第一基架101和第二基架102为支撑，向上移动至第一层台阶高度位置，第二移动组件4中的第二电机31启动，驱动第二基架102前进，使得动力架1移动至第一层台阶上；第一驱动组件11中的第一电机111启动，驱使第一基架101上升至第二层台阶高度位置，第一电缸51启动，拉动摆杆5向下转动，导柱531在导轨57的导向作用下带动滑杆53逐渐伸出，直至辊轮551与地面相抵，第二驱动组件12中的第一电机111启动，驱动第二基架102上升至第一层台阶高度位置，在第二基架102上升过程中，第二电缸541的驱动杆同步伸长，使辊轮551保持与地面抵接；第一移动组件3中的第二电机31启动，驱动动力架1前进，使得全向轮2移动至第二层台阶上，当第二基架102移动至第一层台阶上时，第一电缸51推动摆杆5回转，滑杆53在导柱531的带动下回移，同时第二电缸541的驱动杆收缩复位；之后设备按照前述步骤重复，即可实现爬楼梯的动作。

此外，操作者亦可使动力架1和第二基架102保持与地面的支撑，依靠四个麦克纳姆轮32驱动设备沿平面进行移动，满足了行走设备对不同对象的适用需求。

本申请实施例还公开了一种智能化行走设备的爬楼梯方法，如图1和图6，采用上述中的智能化行走设备，包括如下步骤：S1、设备就位，第一基架101与第一层台阶位置相对，第一基架101抬升至第一层台阶高度；S2、动力架1和第二基架102前进，驱动第一基架101落在第一层台阶上；S3、动力架1抬升至第一层台阶高度；S4、动力架1移动至第一层台阶上；S5、第一基架101抬升至第二层台阶高度，第二基架102抬升至第一层台阶高度；S6、动力架1前进，第一基架101移动至第二层台阶上，第二基架102移动至第一层台阶上；S7、重复S3-S6步骤。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能化行走设备，其特征在于：包括动力架(1)、第一基架(101)和第二基架(102)，所述第一基架(101)和第二基架(102)分别滑动连接在动力架(1)相背的两侧，且第一基架(101)和第二基架(102)滑动方向均与动力架(1)高度方向平行，所述动力架(1)上设有用于驱动第一基架(101)移动的第一驱动组件(11)和用于驱动第二基架(102)移动的第二驱动组件(12)，所述第一基架(101)底端设有导轮组，所述动力架(1)上设有第一移动组件(3)，所述第二基架(102)上设有第二移动组件(4)。

2.根据权利要求1所述的智能化行走设备，其特征在于：所述第一驱动组件(11)包括第一电机(111)、丝杆(112)、滑台(113)和支杆(114)，所述丝杆(112)转动连接在动力架(1)侧壁，所述滑台(113)穿设在丝杆(112)上并与丝杆(112)螺纹连接，所述支杆(114)一侧与滑台(113)连接，另一侧与第一基架(101)连接，所述第一电机(111)安装在动力架(1)上，且第一电机(111)的电机轴与丝杆(112)同轴连接，所述第二驱动组件(12)与第一驱动组件(11)结构相同。

3.根据权利要求1所述的智能化行走设备，其特征在于：所述导轮组包括两个全向轮(2)，两个所述全向轮(2)相互平行且转动连接在第一基架(101)底端。

4.根据权利要求1所述的智能化行走设备，其特征在于：所述第一移动组件(3)包括第二电机(31)和麦克纳姆轮(32)，所述第二电机(31)设有两个且安装在动力架(1)的底部的两端，所述麦克纳姆轮(32)同轴连接在第二电机(31)的电机轴上，所述第二移动组件(4)与第一移动组件(3)结构相同。

5.根据权利要求1所述的智能化行走设备，其特征在于：所述第二基架(102)内设有两个辅助支撑组件，两个所述辅助支撑组件分布在第二基架(102)沿动力架(1)移动方向的两侧。

6.根据权利要求5所述的智能化行走设备，其特征在于：所述辅助支撑组件包括摆杆(5)和第一电缸(51)，所述摆杆(5)的一端铰接在第二基架(102)内，另一端开设有沿摆杆(5)长度方向延伸的滑槽(52)，所述滑槽(52)内滑动连接有滑杆(53)，所述滑杆(53)的一端位于滑槽(52)外并垂直连接有支撑座(54)，所述支撑座(54)内设有第二电缸(541)，所述第二电缸(541)的驱动杆端部连接有支撑杆(55)；

所述滑杆(53)侧壁设有导柱(531)，所述摆杆(5)上开设有供导柱(531)穿出并移动的导槽(56)，所述第二基架(102)内设有倾斜的导轨(57)，所述导柱(531)远离滑杆(53)的一端滑动在导轨(57)内，所述导轨(57)倾斜向上的一端位于摆杆(5)铰接点的上方，导轨(57)倾斜向下的一端低于摆杆(5)铰接点；

所述第一电缸(51)的缸体铰接在第二基架(102)上，所述第一电缸(51)的驱动杆端部与摆杆(5)铰接。

7.根据权利要求6所述的智能化行走设备，其特征在于：所述支撑杆(55)远离支撑座(54)的一端转动连接有辊轮(551)。

8.根据权利要求1所述的智能化行走设备，其特征在于：所述动力架(1)内滑动有沿垂直于麦克纳姆轮(32)轴线方向移动的平衡板(6)，所述平衡板(6)上设有重力球(61)和两个关于重力球(61)对称分布的压力传感器(62)，两个所述压力传感器(62)沿平衡板(6)移动方向排列，且两个压力传感器(62)均设有与重力球(61)相适配的弧面(621)，所述动力架(1)内设有第三电缸(63)，所述第三电缸(63)的驱动杆与平衡板(6)相连。

9.根据权利要求8所述的智能化行走设备，其特征在于：所述平衡板(6)底部设有凸块(67)，所述凸块(67)侧壁嵌设有变向球(66)，所述变向球(66)上螺纹连接有支柱(65)，所述第三电缸(63)位于平衡板(6)下方，且第三电缸(63)的驱动杆端部铰接有供支柱(65)插入的卡套(64)，所述卡套(64)上螺纹连接有与支柱(65)抵触的限位螺钉(641)。

10.一种智能化行走设备的爬楼梯方法，其特征在于：采用如权利要求1-9任意一项所述的智能化行走设备，包括如下步骤：S1、第一基架抬升至第一层台阶高度；S2、动力架和第二基架前进，驱动第一基架落在第一层台阶上；S3、动力架抬升至第一层台阶高度；S4、动力架移动至第一层台阶上；S5、第一基架抬升至第二层台阶高度，第二基架抬升至第一层台阶高度；S6、动力架前进，第一基架移动至第二层台阶上，第二基架移动至第一层台阶上；S7、重复S3-S6步骤。

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