CN114179929B - 一种轮腿式爬楼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种轮腿式爬楼机器人，包括中心车架3和分别位于中心车架3两侧的车轮1，每一车轮1通过一悬臂2与中心车架3连接，悬臂2与车轮1的连接位置设有第一驱动电机m1以构成转动副一，悬臂2与中心车架3的连接位置设有第二驱动电机m2以构成转动副二；所述爬楼机器人还包括摆杆4和支撑杆件5，摆杆4、支撑杆件5及悬臂2三者一一对应，摆杆4的一端固定连接于其对应的悬臂2，另一端与其对应的支撑杆件5连接，摆杆4与支撑杆件5的连接位置设有第三驱动电机m3以构成转动副三。本发明的轮腿式爬楼机器人的结构简单，能有效实现爬楼动作。

Description

一种轮腿式爬楼机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种轮腿式爬楼机器人。

背景技术

如今机器人已深入到各行各业，在军事、制造业、医疗、服务等方面都有广泛的应用，然而目前常见机器人只能应用于平稳无阻化的场合，往往无法平稳行进在连续障碍物、连续减速带等多级障碍道路，更不必说楼梯这类的高通行能力考验的场合。

众所周知，履带式移动机器人以其强大的地形适应性而倍受青睐，但是转弯时，履带的磨损、履带开模难度大等都成为其应用的瓶颈；相较之下，轮式移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地形适应性的前提下，可以充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点，但是它对地形的适应性却不如履带式机器人。一般来说，轮式移动机器人对地形的适应性与轮子的数量成正比，但随着轮子数量的增加，又带来了机器人体积庞大、重量重等缺点。

因此，如何使轮子的数量越少并兼具越障、爬楼功能，同时又能够移动灵活、简单控制，成为本领域亟需解决的难题。

发明内容

本发明的目的是为了有效解决背景技术中的问题，提出了一种轮腿式爬楼机器人。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种轮腿式爬楼机器人，包括中心车架3和分别位于中心车架3两侧的车轮1，每一车轮1通过一悬臂2与中心车架3连接，悬臂2与车轮1的连接位置设有第一驱动电机m1以构成转动副一，悬臂2与中心车架3的连接位置设有第二驱动电机m2以构成转动副二；

所述爬楼机器人还包括摆杆4和支撑杆件5，摆杆4、支撑杆件5及悬臂2三者一一对应，摆杆4的一端固定连接于其对应的悬臂2，另一端与其对应的支撑杆件5连接，摆杆4与支撑杆件5的连接位置设有第三驱动电机m3以构成转动副三。

其中，第一驱动电机定子固定在悬臂上，转子与车轮轴心固定，行走状态时，第一驱动电机驱动车轮使得机器人整体进行前、后、转弯等运动；当轮子被固定导致第一驱动电机的转子堵转，定子转动并带动悬臂摆动；

第二驱动电机定子端固定在中心车架上，转子端与悬臂相固定，使得悬臂与中心车架之间可以通过该电机轴线方向上做相对转动；

第三驱动电机输出轴固定有支撑杆件，支撑杆件在第三驱动电机的作用下可绕摆杆上第三驱动电机固定位置做一定角度的摆动。

作为优选方案，所述中心车架3绕转动副二转动的半径小于车轮1的半径。

作为优选方案，所述支撑杆件5为镰刀形结构，其刀柄部通过第三驱动电机m3连接至摆杆4。

作为优选方案，所述支撑杆件5的刀头部设有防滑套51。

作为优选方案，两根摆杆4之间设有横架6。横架保证两摆杆之间的同步，并保持了整个车身的稳定性。

作为优选方案，所述横架6与摆杆4的连接位置位于摆杆4的中部。

作为优选方案，所述中心车架3、悬臂2、摆杆4、横架6及支撑杆件5绕着第二驱动电机m2作同步同方向同角速度的转动。

作为优选方案，所述摆杆4远离悬臂2的一端设有握把41。用于机器人整体进行提、握、推、拉。

作为优选方案，所述中心车架3上设有控制器、电池31、激光雷达32和第一姿态传感器，所述悬臂2上设有第二姿态传感器；

控制器分别与第一驱动电机m1、第二驱动电机m2、第三驱动电机m3、电池31、激光雷达32、第一姿态传感器、第二姿态传感器连接。

其中，电池为整车提供能源供应和一定程度的配重，使得小车的重心尽可能的降低，保持行进过程的稳定性；第一姿态传感器用于感知当前中心车架的位置姿态并将当前位置姿态信息传输至控制器，判断此时中心车架是否在预料设计的水平位置，并通过控制第二驱动电机保证小车在悬臂转动时，中心车架被抬升的过程中能够始终保持位置上的水平，使得小车中心车架不会产生侧翻或倾覆的风险；激光雷达用于感知当前环境状况，并可判断决策当前小车是否攀越或避绕障碍物或连续攀越等行为。另外，第二姿态传感器用于检测悬臂被摆起时的位置角度，用来控制摆杆被控制转动，其末梢的第三驱动电机可调节支撑杆件的转动，用以进一步的触地支撑，调节支撑杆件摆动角度以调节触地位置和支撑力。

作为优选方案，所述中心车架3上还设有与控制器连接的探照灯37，用于照明环境；

所述中心车架3上还设有与控制器连接的数个控制开关33，用于指令开关；

所述中心车架3上还设有与控制器连接的显示屏36，用于显示当前检测环境以及指令状态；

所述中心车架3上还设有与控制器连接的启停开关34和急停开关35，用于爬楼机器人的启动、停止和急停。

其中，中心车架为整车的核心部件，集成了整车的控制、供能以及检测模块，小车整体配置也集中于此，保证了小车行进过程中重心的下移，使得小车行进过程中更加平稳。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的轮腿式爬楼机器人，对称安装的左右悬臂上安装有第一驱动电机，第一驱动电机的定子安装在左右悬臂上，转子与车轮固定，第一驱动电机使得悬臂与车轮之间在电机轴向上保持相对转动，悬臂的另一端安装有第二驱动电机，所述第二驱动电机还与小车中心车架相连接；两摆杆之间还设有横架，且横架位于摆杆中心并远离第一驱动电机偏上的位置，横架将两个摆杆相固定连接，保证了在摆杆转动过程中始终能够保持二者之间的同步运动，更保持了整车的稳定性；摆杆与悬臂相固定的另一端还设有第三驱动电机，第三驱动电机轴还固定有支撑杆件，支撑杆件可在该第三驱动电机的驱动作用下进行转动，第一驱动电机用来驱动小车的运动，当轮子运动靠在台阶上时，轮子堵转，并使得安装在第一驱动电机定子端的左右悬臂进行行进方向上的反向转动，同时悬臂抬升中心车架，摆臂同时转动并末梢逐渐接近地面，设于悬臂上的第二姿态传感器控制第三驱动电机驱动支撑杆件来改变所述支撑杆件的触地位置以及反馈给整车的向上支撑力，使得小车能够逐步越过台阶或其他障碍物；另外，中心车架上还安装有电池、第一姿态传感器、激光雷达以及控制器，电池为整车提供能源供应和一定程度的配重，使得小车的重心尽可能的降低，保持行进过程的稳定性；第一姿态传感器用于感知当前中心车架的位置姿态并将当前位置姿态信息传到控制器，判断此时中心车架是否在预料设计的水平位置，并通过控制第二驱动电机保证小车在悬臂转动时，中心车架被抬升的过程中能够始终保持位置上的水平，使得小车中心车架不会产生侧翻或倾覆的风险；激光雷达用于感知当前环境状况，并可判断决策当前小车是否攀越或避绕障碍物或连续攀越等行为。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图一；

图2为本发明实施例的整体结构示意图二；

图3为本发明实施例的整体结构示意图三；

图4为本发明实施例的运动原理示意简图；

图5为本发明实施例的爬楼示意图一；

图6为本发明实施例的爬楼示意图二；

图7为本发明实施例的爬楼示意图三；

图8为本发明实施例的爬楼示意图四；

图9为本发明实施例的爬楼示意图五；

图10为本发明实施例的爬楼运动结构示意图一；

图11为本发明实施例的爬楼运动结构示意图二；

图12为本发明实施例的爬楼运动结构示意图三；

图13为本发明实施例的爬楼运动结构示意图四；

图14为本发明实施例的爬楼运动结构示意图五；

图中：1-车轮、2-悬臂、3-中心车架、31-电池、32-激光雷达、33-控制开关、34-开关、45-急停开关、36-显示屏、37-探照灯、4-摆杆、41-握把、5-支撑杆件、51-防滑套、6-横架、10-物块、11-杆件一、12-杆件二、13-杆件三、111-转动副一、112-转动副二、113-转动副三、m1-第一驱动电机、m2-第二驱动电机、m3-第三驱动电机。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。除非另作定义,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”包括两个,相当于至少两个。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同,并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而且可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本发明实施例中，如图1、图2、图3所示，轮腿式爬楼机器人包括中心车架3和分别位于中心车架3两侧的车轮1，每一车轮1通过一悬臂2与中心车架3连接，悬臂2与车轮1的连接位置设有第一驱动电机m1以构成转动副一，悬臂2与中心车架3的连接位置设有第二驱动电机m2以构成转动副二；

爬楼机器人还包括摆杆4和支撑杆件5，摆杆4、支撑杆件5及悬臂2三者一一对应，摆杆4的一端固定连接于其对应的悬臂2，另一端与其对应的支撑杆件5连接，摆杆4与支撑杆件5的连接位置设有第三驱动电机m3以构成转动副三。

其中，中心车架3绕转动副二转动的半径小于车轮1的半径。

本发明实施例的支撑杆件5优选为镰刀形结构，其刀柄部通过第三驱动电机m3连接至摆杆4；另外，其支撑杆件5的刀头部设有防滑套51。

本发明实施例的两根摆杆4之间设有横架6；横架保证两摆杆之间的同步，并保持了整个车身的稳定性。其中，横架6与摆杆4的连接位置位于摆杆4的中部；或者横架6位于摆杆4中心并远离第一驱动电机m1偏上的位置，横架6将两个摆杆4相固定。

其中，中心车架3、悬臂2、摆杆4、横架6及支撑杆件5绕着第二驱动电机m2作同步同方向同角速度的转动。

另外，本发明实施例的摆杆4远离悬臂2的一端设有握把41，用于机器人整体进行提、握、推、拉。

更为具体地，从整体上看，本发明实施例的机器人整体以中心车架的中心呈对称分布，更具体地说，如图1所示，悬臂2具有中间连接键，连接键的两端分别设有轴孔，轴孔还分别通过第一驱动电机和第二驱动电机分别与车轮和中心车架相连接，更详细地说，与车轮相连接的轴孔固定有第一驱动电机的转子，车轮安装在该轴孔固定有主驱动第一驱动电机，主驱动第一驱动电机的定子端与该轴孔固定，定子端与悬臂相固定，车轮与悬臂之间即通过第一驱动电机保持车轮轴心上的相对转动；相应地，另一孔轴与第二驱动电机的定子相固定，第二驱动电机的转子固定在中心车架上，第二驱动电机可以控制中心车架与悬臂之间的转动，以调整并保持中心车架的位置的水平。

悬臂连接中心车架最大运动轨迹半径小于车轮半径长度，保证小车在攀越楼梯台阶时不被台阶所干涉运动，悬臂安装有第一驱动电机的对侧还固定安装有摆杆，摆杆与悬臂为死连接，摆杆可绕该第一驱动电机与悬臂做同轴同向的同速率转动；两摆杆之间还固定连接有横架，横架位于摆杆中心并远离第一驱动电机偏上的位置，横架将两个摆杆相固定连接，保证了在摆杆转动过程中始终能够保持二者之间的同步运动，更保持了整车的稳定性；摆杆与悬臂相固定的另一端设有握把以及第三驱动电机，握把可以用于对整体小车提、握、推、拉，第三驱动电机的转轴上还固定有支撑杆件，第三驱动电机可以控制支撑杆件的转动，支撑杆件为“镰刀”形状，“镰刀”刀柄通过第三驱动电机与摆杆固定，其“刀头”部分还固定有防滑套，确保了小车在爬楼过程中可以被提供一定的稳定支撑力。

为了便于智能控制，如图2、图3所示，本发明实施例的中心车架3上设有控制器、电池31、激光雷达32和第一姿态传感器，悬臂2上设有第二姿态传感器；其中，控制器分别与第一驱动电机m1、第二驱动电机m2、第三驱动电机m3、电池31、激光雷达32、第一姿态传感器、第二姿态传感器连接。

第二姿态传感器可以使小车悬臂摆动过程中，检测其摆动角度姿态信息，用于控制摆杆一端第三驱动电机进一步精准控制支撑杆件的转动；更详细地说，当小车位于平直路面上时，小车第一驱动电机控制小车轮子作预设方向上的运动，当小车进行翻越台阶的爬楼梯行为时，小车轮子靠在台阶上，由于台阶阻力，使得小车电机堵转，导致第一驱动电机的转子被固定造成堵转，定子转动，即小车悬臂开始在第一驱动电机的作用下绕车轮轴线上进行转动，悬臂摆动过程中，与悬臂相固定的摆杆也做同转向同速率的转动，悬臂摆动时，在第二姿态传感器的作用下，传递控制器相关角度信息并控制驱动支撑杆件的第三驱动电机转动，使得支撑杆件的“镰刀头”部位不断的靠近地面，调节支撑杆件的触地位置从而改变其支撑力，该支撑力的作用方向向上的，通过上述连接，使得该支撑力可转换为小车轮子不断越过台阶的向上瞬时作用力，所述作用力可减小小车轮子所受到台阶的行进阻力，当摩擦驱动力矩大于阻力矩时，小车将越过台阶，并进行后续连续的爬楼操作。

电池为整车提供能源供应和一定程度的配重，使得小车的重心尽可能的降低，保持行进过程的稳定性；第一姿态传感器用于感知当前中心车架的位置姿态并将当前位置姿态信息传到控制器，判断此时中心车架是否在预料设计的水平位置，并通过控制第二驱动电机保证小车在悬臂转动时，中心车架被抬升的过程中能够始终保持位置上的水平，使得小车中心车架不会产生侧翻或倾覆的风险；激光雷达用于感知当前环境状况，并可判断决策当前小车是否攀越或避绕障碍物或连续攀越等行为。

更具体地说，本发明实施例的爬行机器人(即小车)运动过程可如下：

S1：如图5所示，小车运动到台阶附近，检测到楼梯并收到爬楼指令，小车轮子靠近碰到楼梯，由于台阶阻力矩的作用，轮子堵转，第一驱动电机转子不转定子转动，根据牛顿第一定律可知，这将使得与定子固定的悬臂带动中心车架开始向前向上摆动，与悬臂固定连接的摆杆带动支撑杆件开始相下摆动，悬臂摆到一定角度稳定，此时固定在悬臂上的第二姿态传感器记录位置角度信息并传递给控制器控制摆杆上的第三驱动电机驱动支撑杆件摆动，随着第三驱动电机驱动支撑杆件的不断摆动，使得整车向上的支撑力不断增加，使得小车轮子越过台阶，如图6所示；小车轮子越过台阶后，即已经迈上了第一台阶，悬臂开始稳定摆回，此时第二姿态传感器记录位置角度信息并传递给控制器驱动支撑杆件摆回，整体小车回到最初的状态；

S2：如图5、图6、图7和图8所示，小车在迈上一级台阶上时，小车继续减速前进，当两个轮子都靠上台阶并均发生堵转时，继续S1过程，如图9所示；

S3：当小车迈上最后一级台阶时，小车继续前进，轮子不再发生堵转，即完成了爬楼过程，即开始按正常的规划路径行走。

本小车可通过S1,S2,S3三个过程实现爬楼、越障和平地行走，极大地提高了机器人的无碍化全域通行能力。

其中，物块10对应中心车架3，杆件一11对应悬臂2与摆杆4的整体结构，杆件二12对应车轮1，杆件三13对应支撑杆件5，三个转动副111、112、113为分别对应着三处连接电机，即m1、m2、m3。

综上，本发明实施例的轮腿式爬楼机器人，其运动步态可描述为“行、靠、压、撑、回”五步，更详细地说，小车行走靠近台阶并靠上台阶阶角摆杆压下、撑杆触地并给与本小车向上撑力，小车车轮所受车轮堵转慢慢减弱，小车便会以车轮靠上台阶的阶角为转心越上台阶，车轮行走，过程中摆杆即开始复位回到初始行走的状态，小车也开始重复下一次的运动步态进行爬楼。

本轮腿式爬楼机器人运动机构简图可如图4所示，该机构可由4个构件组成，分别为物块10、杆件一11、杆件二12和杆件三13，其中，杆件一分别与物块、杆件二和杆件三之间有转动副一111、转动副二112和转动副三113；所述物块绕转动副二转动的半径还应该小于杆件二的长度，本机构可构成的步态驱动方式描述可如下：

K1：如图10所示，正常平地行走时，转动副二输出转动并驱动杆件二转动，使本机构得以不断运动；

K2：如图11所示，在行走过程中，杆件二的末端移动并逐渐靠上台阶阶角；

K3：如图12所示，在K2的步态下，杆件一末端被抵住，使得转动副二驱动杆件一绕着转动副二进行转动，此时转动副一作为原动机二输出并保证物块调平；转动副三随着杆件一绕着转动副二转动不断靠近地面，此时转动副三又作为原动机三输出使杆件三绕着转动副三进行转动并使杆件三另一端的末梢不断靠近直至抵住地面；

K4：如图13所示，在K3的步态下，随着原动机一和原动机三的转矩不断输出，小车开始以杆件二靠触台阶阶角位置为转心绕上台阶；

K5：如图14所示，本机构越上台阶后，机构开始复位回到K1的运动步态。

此机构即模拟了本一种轮腿式爬楼机器人的爬楼运动步态，运动步态从K1到K5循环完成爬楼动作，极大地简化了机器人爬楼的运动过程，故很大程度上地缩短了机器人爬楼的时间。

上述内容描述了本发明的使用原理、特征和有益效果。本领域的相关人员根据上述内容可以了解，上述内容并未限制本发明，上述的实施例和说明书描述的是本发明的基本原理和特征，在符合本发明构思的前提之下，本发明还可进行各种变化改进，这些改进都应落入本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，包括中心车架(3)和分别位于中心车架(3)两侧的车轮(1)，每一车轮(1)通过一悬臂(2)与中心车架(3)连接，悬臂(2)与车轮(1)的连接位置设有第一驱动电机(m1)以构成转动副一，悬臂(2)与中心车架(3)的连接位置设有第二驱动电机(m2)以构成转动副二；

所述爬楼机器人还包括摆杆(4)和支撑杆件(5)，摆杆(4)、支撑杆件(5)及悬臂(2)三者一一对应，摆杆(4)的一端固定连接于其对应的悬臂(2)，另一端与其对应的支撑杆件(5)连接，摆杆(4)与支撑杆件(5)的连接位置设有第三驱动电机(m3)以构成转动副三。

2.根据权利要求1所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，所述中心车架(3)绕转动副二转动的半径小于车轮(1)的半径。

3.根据权利要求1所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，所述支撑杆件(5)为镰刀形结构，其刀柄部通过第三驱动电机(m3)连接至摆杆(4)。

4.根据权利要求3所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，所述支撑杆件(5)的刀头部设有防滑套(51)。

5.根据权利要求1所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，两根摆杆(4)之间设有横架(6)。

6.根据权利要求5所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，所述横架(6)与摆杆(4)的连接位置位于摆杆(4)的中部。

7.根据权利要求5所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，所述中心车架(3)、悬臂(2)、摆杆(4)、横架(6)及支撑杆件(5)绕着第二驱动电机(m2)作同步同方向同角速度的转动。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，所述摆杆(4)远离悬臂(2)的一端设有握把(41)。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，所述中心车架(3)上设有控制器、电池(31)、激光雷达(32)和第一姿态传感器，所述悬臂(2)上设有第二姿态传感器；

控制器分别与第一驱动电机(m1)、第二驱动电机(m2)、第三驱动电机(m3)、电池(31)、激光雷达(32)、第一姿态传感器、第二姿态传感器连接。

10.根据权利要求9所述的一种轮腿式爬楼机器人，其特征在于，所述中心车架(3)上还设有与控制器连接的探照灯(37)，用于照明环境；

所述中心车架(3)上还设有与控制器连接的数个控制开关(33)，用于指令开关；

所述中心车架(3)上还设有与控制器连接的显示屏(36)，用于显示当前检测环境以及指令状态；

所述中心车架(3)上还设有与控制器连接的启停开关(34)和急停开关(35)，用于爬楼机器人的启动、停止和急停。

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