CN114569006B - 一种应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构，包括半包覆式外壳固定机构(1)，设于半包覆式外壳固定机构(1)底部的通用扫地机器人(8)，设于半包覆式外壳固定机构(1)两侧的前攀爬足(5)、后支撑足(3)，用以驱动前攀爬足(5)、后支撑足(3)的驱动装置，以及与驱动装置连接的控制系统；所述前攀爬足(5)为两段式连杆机构，两段式连杆机构通过驱动装置的驱动在其运动平面内进行360°周转运动，所述控制系统控制前攀爬足(5)、后支撑足(3)协同动作实现通用扫地机器人(8)的攀爬动作。与现有技术相比，本发明具有占用空间小、工作效率较高、攀爬能力强等优点。

Description

一种应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构

技术领域

本发明涉及扫地机器人技术领域，尤其是涉及一种应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构。

背景技术

随着集成电路、传感技术和电机驱动技术的发展，小型移动机器人平台已经有了广泛的应用。基于既有的小型机器人动力驱动技术以及小型机器人单片机控制技术，可以实现小型机器人平台的空间移动。扫地机器人是一种常见的移动机器人平台，在满足基本清扫功能的基础上可以实现二维尺度上的平面移动。现有的扫地机器人的移动工作空间普遍局限于二维，无法通过下沉式台阶或是室内楼梯，很大程度上影响了机器人的工作效益。现有的越障机器人普遍机构复杂，多用于解决复杂条件下的救援搜索场景，用于扫地机器人难以在不影响机器人正常工作的情况下使得扫地机器人具有爬楼能力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构，该机构可以在不侵占扫地机器人过多机体空间的条件下赋予扫地机器人以攀爬楼梯的能力，提高单台扫地机器人的清扫面积，解决多层住宅和复杂屋内环境的室内清扫问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构，包括半包覆式外壳固定机构，设于半包覆式外壳固定机构底部的通用扫地机器人，设于半包覆式外壳固定机构两侧的前攀爬足、后支撑足，用以驱动前攀爬足、后支撑足的驱动装置，以及与驱动装置连接的控制系统；所述前攀爬足为两段式连杆机构，两段式连杆机构通过驱动装置的驱动在其运动平面内进行360°周转运动，所述控制系统控制前攀爬足、后支撑足协同动作实现通用扫地机器人的攀爬动作。

进一步地，所述半包覆式外壳固定机构上设有用以限制后支撑足移动范围的后足导向槽。

进一步地，所述驱动装置包括用以驱动前攀爬足的前足动力装置和用以驱动后支撑足的后足驱动装置。

进一步地，所述前足动力装置设有两个，一个前足动力装置设于所述半包覆式外壳固定机构上，另一个前足动力装置设于两段式连杆机构的连接处。

所述前攀爬足包括通过周转副相互铰接的第一关节杆和第二关节杆，第一关节杆的另一端与半包覆式外壳固定机构通过周转副铰接，并安装有前足动力装置，第二关节杆与第一关节杆的连接处安装有另一个前足动力装置。

进一步地，所述前足动力装置采用直流周转电动机。

进一步地，所述后支撑足为圆弧状支撑杆，所述半包覆式外壳固定机构的两侧设有用以带动后支撑足沿后足导向槽移动的驱动轮，所述驱动轮连接后足驱动装置。

进一步地，所述后足驱动装置包括电机支架，设于电机支架上的直流步进电机，以及与直流步进电机连接的联轴器，所述电机支架通过轴承安装在半包覆式外壳固定机构两侧，所述联轴器的另一端连接驱动轮的驱动轴。

进一步地，所述控制系统包括设于半包覆式外壳固定机构上的单片机，所述单片机与前足动力装置、后足驱动装置分别连接。

进一步地，本发明机构还包括用以检测机构与待攀爬楼梯的相对距离的激光测距传感器，以及用以定位通用扫地机器人在工作区域内的相对坐标的激光雷达，所述激光测距传感器和所述激光雷达分别与单片机连接。

本发明提供的应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)本发明所提出的应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构通过前置攀爬足和后置支撑足实现楼梯攀爬，利用单片机控制、通过电动机驱动，使用机器人机载电源供电，机构占用的空间小、工作效率较高。

2)本发明通过对机械设计机构的创新，在扫地机器人的应用场景之下主要需要完成两个主要的运动，一是竖直方向机器人的顶升，二是水平方向机器人的前移，将二者综合，可以实现机构先竖直顶升再水平前移的运动；该通用型爬楼梯机构设计充分融合了机械足机构和升降机机构的优点，利用了机身侧向空间，通过曲线导轨的形式一次性实现了机器人垂直方向的顶升和水平方向的移动，在不改变扫地机器人原功能的前提下实现了较强的楼梯攀爬功能。

附图说明

图1为实施例中本发明应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构的立体结构示意图；

图2为实施例中本发明应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构的侧视结构示意图；

图3为实施例中前攀爬足的结构示意图；

图4为实施例中后支撑足的结构示意图；

图5为实施例中后支撑足的爆炸图；

图6为实施例中后支撑足与侧板的装配原理示意图；

图7为实施例中爬楼梯动作第1步示意图；

图8为实施例中爬楼梯动作第2步示意图；

图9为实施例中爬楼梯动作第3步示意图；

图10为实施例中爬楼梯动作第4步示意图；

图11为实施例中爬楼梯动作第5步示意图；

图12为实施例中爬楼梯动作第6步示意图。

图中标号所示：

1、半包覆式外壳固定机构，2、后足驱动装置，3、后支撑足，4、后足导向槽，5、前攀爬足，6、前足动力装置，7、三爪卡盘，8、通用扫地机器人，9、驱动轮，10、外侧挡板，11、内侧挡板，101、侧板，201、轴承，202、电机支架，203、联轴器，204、直流步进电机，51、第一关节杆，52、第二关节杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构，该机构包括半包覆式外壳固定机构、攀爬运动机构和相应的传感器与控制器，如图1、图2所示，该机构具体包括半包覆式外壳固定机构1、后足驱动装置2、后支撑足3、后足导向槽4、前攀爬足5、前足动力装置6和三爪卡盘7。

其中，半包覆式外壳固定机构1用于安装通用扫地机器人8。在本发明中，半包覆式外壳固定机构1的底部固定有三爪卡盘7，该三爪卡盘7用于安装通用扫地机器人8。作为优选方案，半包覆式外壳固定机构1采用类门字型半封闭结构，包括顶板和对称设于顶板两侧的侧板101，顶板的底部安装三爪卡盘7，两个侧板101的前侧、后侧分别安装有前攀爬足5和后足驱动装置2。两个前足动力装置6分别安装于半包覆式外壳固定机构1和前攀爬足5之上。安装通用扫地机器人8后，机器人的移动轮要高出侧板101的高度，可通过通用扫地机器人8的移动，带动整个机构移动。

进一步地，每一个侧板101的前侧外壁的上方分别设置有一个前足动力装置6，该前足动力装置6与前攀爬足5连接。前攀爬足5的基本机械机构为两段式连杆机构，两个周转副作为运动关节，通过驱动，在其运动平面内进行360°周转运动。结合图3可知，包括第一关节杆51和第二关节杆52，第一关节杆51的一端与侧板101通过周转副铰接，并在连接处设置前足动力装置6，第一关节杆51的另一端与第二关节杆52通过周转副铰接。第二关节杆52与第一关节杆51的连接处还连接有另一个前足动力装置6。前足动力装置6可优选为直流周转电动机。可根据实际尺寸要求调整前攀爬足5和半包覆式外壳固定机构1之间的相对距离，并选取技术规格符合要求的前足动力装置6，使得前攀爬足5的两个关节都可以实现周转运动。通过将直流周转电动机安装于运动关节处，可为运动提供转动扭矩。

每一个侧板101的外壁还设有后支撑足3，且侧板101的内壁的下方安装后足驱动装置2，该装置与后支撑足3连接。在本发明中，侧板101的外壁上设有后足导向槽4，用于限制后支撑足3的运动轨迹。本发明的后支撑足3为圆弧状支撑杆，其一端与后足驱动装置2连接，另一端设置在后足导向槽4中并可在槽内移动。作为优选地，后足导向槽4为相互衔接的两个弧形凹槽，其中一个弧形凹槽靠近前攀爬足5，且向侧板101的顶部方向凸起，另一个弧形凹槽靠近后足驱动装置2，且向侧板101的底部方向凸起，二者形成一条曲线导向槽。

如图4、5所示，后足驱动装置2包括直流步进电机204、联轴器203、电机支架202和轴承201，电机支架202通过轴承201与侧板101配合，即轴承201嵌入侧板101中。直流步进电机204设置在电机支架202上。侧板101的外壁上安装两个驱动轮9，用于驱动后支撑足3运动，驱动轮9由两挡板约束并固定在电机支架202上。具体地：两个驱动轮9的转轴的一端连接外侧挡板10，另一端穿过内侧挡板11，内侧挡板11固定在侧板101外壁上。两个挡板上分别设有用以驱动轮9的驱动轴穿过的安装孔。两个驱动轮9之间形成用以放置后支撑足3的空隙，该空隙的宽度与后支撑足3的宽度相同。驱动轮9与直流步进电机204通过联轴器203进行传动。具体地，电机支架202设有用以将联轴器203穿过的穿孔。联轴器203的一端连接直流步进电机204，另一端穿过电机支架202、轴承201后连接穿过内侧挡板11的驱动轮9的驱动轴。在图6中，后支撑足3由不规则曲线凹槽(后足导向槽4)与驱动轮9的限位转轴约束，在二者共同作用下，可使后支撑足3的末端(设置在后足导向槽4中的一端)按照预定的动作运动。具体原理为：该曲线可以看作由两段相切的抛物线组成，曲线的参数通过实验和具体计算获取。在第一段曲线和限位转轴的作用下，圆弧支撑杆的一端沿曲线运动时，另一端垂直向下运动；第二段曲线和限位转轴的作用下，圆弧支撑杆一端曲线运动时，另一端水平运动。

进一步地，本发明的每一个侧板101上的前攀爬足5和后支撑足3的工作空间都处于同一个平面，系统在非工作状态时，两个运动机构收缩于机体两侧(侧板101上)，运动机构在侧板101的前边缘和后边缘无伸出量。在实际使用时，需要确保后支撑足3的弧度向上凸起，并确保当后支撑足3的末端(设置在后足导向槽4中的一端)滑动到后足导向槽4靠近后足驱动装置2的边缘处时，整个后支撑足3的弧形长度高于所在环境中下沉式台阶或是室内楼梯的高度。

进一步地，本发明通过机载单片机实现对于前攀爬足5和后支撑足3的驱动电动机的控制，后支撑足3的驱动电机驱动驱动轮9，通过驱动轮9将动力传递给后支撑足3，由于后支撑足3的一端被限制于曲线型的后足导向槽4内进行移动，其末端运动轨迹可以使得机构主体实现“先垂直顶升、再水平前移”的运动。

进一步地，各类传感器和控制器包括激光测距传感器、激光雷达和单片机。激光雷达安装于半包覆式外壳固定机构1的前部以定位通用扫地机器人8在工作区域内的相对坐标；激光测距传感器安装于半包覆式外壳固定机构1以定位机身和待攀爬楼梯的相对距离；单片机用于收集传感器数据、发出控制指令、与上机位进行通讯。通过单片机能够实现对于前置攀爬足5和后支撑足3的驱动电动机的控制，单个前攀爬足5的连接和驱动都通过直流周转电动机进行直驱，通过单片机实现对于其转动角度和转动速度的控制。

基于上述设计，结合图7～图12，本发明应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构的工作原理如下：

在爬楼梯动作第1步时，通用扫地机器人8运动至适当位置准备进行爬楼梯动作，并带动应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构运动。其距离下一级台阶距离不宜过远，过远的距离会导致后续攀爬支撑机构运动的水平方向平移量不够，不足以将攀爬支撑机构运动主体大部分移动至下一台阶，导致爬楼梯失败。其距离也不宜过近，会导致前攀爬足5没有足够的工作空间来完成既定的动作。故前部空间要预留适中。此距离的测量感知通过机器人的距离传感器测得。

在爬楼梯动作第2步时，前攀爬足5伸出，前攀爬足5末端(第二关节杆52的末端)与下一级台阶相接触。前攀爬足5末端(第二关节杆52的末端)和下一级台阶的接触点作为接下来爬楼梯过程中的前部支点，机器人的后支撑足3准备工作。

在爬楼梯动作第3步时，前攀爬足5继续运动，前攀爬足5末端(第二关节杆52的末端)与下一级台阶的接触点的空间位置不发生移动。同时，后支撑足3开始动作，与原台阶地面相接触，并与前攀爬足5同时工作。二者协同，实现整个机构主体在垂直方向的顶升，至整个机构主体的底盘高度完全超过下一阶楼梯。若传感器检测到单阶楼梯过高，超过设计高度，则无法完成爬楼动作。通用扫地机器人8按照原动作返回。

在爬楼梯动作第4步时，前攀爬足5和后支撑足3继续运动。此时前攀爬足5为整个机构提供给水平方向的移动动力，与此同时，后支撑足3由于受到曲线的后足导向槽4的限制，也为整个机构提供了水平方向的移动动力。二者协同，实现机构主体以及通用扫地机器人8在水平方向的平移，直至前攀爬足5与后支撑足3为机器人提供了水平方向的移动动力。

在爬楼梯动作第5步时，前攀爬足5继续运动，通用扫地机器人8进行机体姿态微调，使得机构主体大部分稳定落于第二级台阶。机器人前攀爬足和后支撑足继续运动并回收到原有位置。

在爬楼梯动作第6步时，通用扫地机器人8的平面运动部件工作，通用扫地机器人8向前继续移动，直至机构所有部分都运动至台阶边缘以内，至此，该设计的爬楼梯动作完成。

本发明提供的应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构通过可灵活拆卸的紧固装置和通用扫地机器人平台相结合。可以兼容一定尺寸范围内的多种形制的扫地机器人。扫地机器人在进行平面清扫时，该攀爬支撑机构处于停机状态，不进行工作。当扫地机器人通过传感器侦测到前方有可攀爬的台阶时，行进至爬楼梯的适当位置，准备进行爬楼作业。爬楼作业时，除攀爬支撑机构之外的扫地机器人本身活动部件不进行动作，仅爬楼梯机构进行动作。

本发明所提出的应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构通过前攀爬足和后支撑足实现楼梯攀爬，利用单片机控制、通过电动机驱动，使用机器人机载电源供电，机构占用的空间小、工作效率较高。本发明通过对机械设计机构的创新。在扫地机器人的应用场景之下主要需要完成两个主要的运动，一是竖直方向机器人的顶升，二是水平方向机器人的前移。本发明提出，使用前攀爬足对下一级台阶面进行力的作用，使用后支撑足对本级台阶进行力的作用，从而实现机器人的顶升。顶升至既定高度之后需要平移至下级台阶面上方，为了实现运动的换向，需要通过单片机控制前攀爬足的转动速度和转动角度。后支撑足运动的换向通过曲线导轨实现，曲线导轨前半段的曲线变化可以导致后支撑足末端主要垂直方向的运动，曲线导轨后半段的曲线变化可以导致后支撑足主要水平方向的运动。将二者综合，可以实现该机构先竖直顶升再水平前移的运动。该应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构的设计充分融合了机械足机构和升降机机构的优点，利用了机身侧向空间，通过曲线导轨的形式一次性实现了机器人垂直方向的顶升和水平方向的移动。在不改变扫地机器人原功能的前提下实现了楼梯攀爬功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种应用于扫地机器人的侧壁曲线导轨攀爬支撑机构，其特征在于，包括半包覆式外壳固定机构(1)，设于半包覆式外壳固定机构(1)底部的通用扫地机器人(8)，设于半包覆式外壳固定机构(1)两侧的前攀爬足(5)、后支撑足(3)，用以驱动前攀爬足(5)、后支撑足(3)的驱动装置，以及与驱动装置连接的控制系统；所述前攀爬足(5)为两段式连杆机构，两段式连杆机构通过驱动装置的驱动在其运动平面内进行360°周转运动，所述控制系统控制前攀爬足(5)、后支撑足(3)协同动作实现通用扫地机器人(8)的攀爬动作；

所述半包覆式外壳固定机构(1)上设有用以限制后支撑足(3)移动范围的后足导向槽(4)；

所述驱动装置包括用以驱动前攀爬足(5)的前足动力装置(6)和用以驱动后支撑足(3)的后足驱动装置(2)；

所述后支撑足(3)为圆弧状支撑杆，所述半包覆式外壳固定机构(1)的两侧设有用以带动后支撑足(3)沿后足导向槽(4)移动的驱动轮(9)，所述驱动轮(9)连接后足驱动装置(2)；

所述前足动力装置(6)设有两个，一个前足动力装置(6)设于所述半包覆式外壳固定机构(1)上，另一个前足动力装置(6)设于两段式连杆机构的连接处；

所述前攀爬足(5)包括通过周转副相互铰接的第一关节杆(51)和第二关节杆(52)，第一关节杆(51)的另一端与半包覆式外壳固定机构(1)通过周转副铰接，并安装有前足动力装置(6)，第二关节杆(52)与第一关节杆(51)的连接处安装有另一个前足动力装置(6)；

所述前足动力装置(6)采用直流周转电动机；

所述后足驱动装置(2)包括电机支架(202)，设于电机支架(202)上的直流步进电机(204)，以及与直流步进电机(204)连接的联轴器(203)，所述电机支架(202)通过轴承(201)安装在半包覆式外壳固定机构(1)两侧，所述联轴器(203)的另一端连接驱动轮(9)的驱动轴；

所述控制系统包括设于半包覆式外壳固定机构(1)上的单片机，所述单片机与前足动力装置(6)、后足驱动装置(2)分别连接；

机构还包括用以检测机构与待攀爬楼梯的相对距离的激光测距传感器，以及用以定位通用扫地机器人(8)在工作区域内的相对坐标的激光雷达，所述激光测距传感器和所述激光雷达分别与单片机连接。