CN115092279A - 一种移动机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动机器人，包括：底板；支撑平台，通过支腿支撑在底板上；两前轮组件，分别设置在支撑平台的左右两侧，每个前轮组件包括设置在底板上的驱动电机和前轮，驱动电机的输出轴与前轮传动连接以带动前轮旋转，两个前轮组件的前轮的旋转轴线左右延伸且共线；后轮，通过连接组件连接在支撑平台上；所述前轮包括第一安装板、三个轮片、第二安装板，每个轮片呈一端较宽、一端较窄的镰刀状，所述轮片位于第一安装板与第二安装板之间，每个轮片的较宽的一端可旋转地设置在第一安装板和第二安装板上，三个轮片与第一安装板或者第二安装板的连接处位于第一圆周上，所述第一圆周的圆心位于前轮的旋转轴线上，沿着前轮的旋转方向，三个轮片的较窄的一端朝向相同。该移动机器人能够实现自动爬楼梯等功能。

Description

一种移动机器人及方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种移动机器人及方法。

背景技术

针对楼梯移动的越障机器人，国内主要发展方向一般分为轮式机器人、履带机器人、腿式机器人和升降式机器人。轮式机器人通常在平坦地面上具有极强的稳定性，因此这类机器人研究最多，而在楼梯应用上最经典的是瑞士联邦理工学院设计开发的机器人小虾Shrimp六轮机器人，其相比于传统的四轮机器人移动平台有着更强的越障能力，但机器人运动过程冲击大且平稳性差。

履带式机器人移动平台，具有极高的稳定性与越障能力，对楼体结构台阶尺寸适应性强，但相对的行动笨重，重量大，体积大。

腿式机器人是以动物腿的行走方式发展而来的，特点是通过多腿运动来调整姿态与重心，能够适应复杂的越障环境。最著名的是波士顿动力旗下的机器人Spot。但相对的结构和控制都比较复杂。国内也有针对楼梯移动机器人经过深入研究，但仍存在着体积大、结构复杂、性价比低等问题而无法推广。

升降式机器人是以导轨式升降结构作为基本框架，特点是结构紧凑、动作平稳、爬梯效率高。与前面所提到的越障机器人不同，升降式机器人作为移动平台具有设备水平姿态稳定的特点，是高度特化楼梯结构工作的机器人，但活动连贯性依升降机构影响，驱动电机多，机器人尺寸需要与楼梯尺寸匹配设计才能攀爬，轮子较小，对非楼梯复杂环境适应性差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种移动机器人及方法，通过对车轮和连接车轮的连接组件进行改进，能够实现自动爬楼梯等功能。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种移动机器人，包括：

底板；

支撑平台，通过支腿支撑在底板上；

两前轮组件，分别设置在支撑平台的左右两侧，每个前轮组件包括设置在底板上的驱动电机和前轮，驱动电机的输出轴与前轮传动连接以带动前轮旋转，两个前轮组件的前轮的旋转轴线左右延伸且共线；

后轮，通过连接组件连接在支撑平台上；其特征在于，

所述前轮包括第一安装板、三个轮片、第二安装板，每个轮片呈一端较宽、一端较窄的镰刀状，所述轮片位于第一安装板与第二安装板之间，每个轮片的较宽的一端可旋转地设置在第一安装板和第二安装板上，三个轮片与第一安装板或者第二安装板的连接处位于第一圆周上，所述第一圆周的圆心位于前轮的旋转轴线上，沿着前轮的旋转方向，三个轮片的较窄的一端朝向相同。

优选地，第一安装板和第二安装板均具有三个分支，三个分支等角度的设置且长度相同，第一安装板和第二安装板的三个分支一一对应，所述第一安装板和第二安装板的中心位于所述前轮的旋转轴线上，所述驱动电机的输出轴与所述第一安装板传动连接，且每个轮片分别可旋转地设置在对应的分支上。

优选地，三个轮片的旋转为同步旋转，以使轮片的较窄的一端在第一位置和第二位置之间移动，当所述轮片在第一位置时，三个轮片的外缘组成了一个完整的圆，该完整的圆的圆心位于所述前轮的旋转轴线上；当轮片在第二位置时，所述轮片的较窄的一端打开一定的角度，并且轮片能够停留在第一位置与第二位置之间的任意位置；每个所述轮片的外缘的直径等于所述完整的圆的直径，所述轮片的内缘配置为在轮片处于第一位置时向内弯曲，所述轮片的较宽的移动与较窄的一端的相对位置配置为当轮片处于第一位置时，沿着前轮在机器人前进时的旋转方向，较窄的一端位于较宽的一端的后方。

优选地，在所述轮片的较宽的一端的外缘面设置有多个第一齿，多个第一齿位于第二圆周上并且第二圆周的圆心位于对应的轮片相对于第一安装板的旋转轴线上；在所述第一安装板与第二安装板之间可旋转地设置有齿轮，所述齿轮的旋转轴线与所述前轮的旋转轴线共线，所述齿轮同时与三个轮片上的第一齿啮合，在所述第二安装板上设置有舵机，所述舵机的输出端与所述齿轮传动连接。

优选地，所述连接组件包括第一连杆和第二连杆，所述第二连杆的前端通过连接板安装在底板上，所述连接板设置在底板的下表面的前端，所述第二连杆的前端与所述连接板铰接，所述后轮设置在所述第一连杆的后端；在所述第一连杆的前端设置有第一U型件，所述第一U型件的开口背离所述第一连杆，在所述第二连杆的后端设置有第二U型件，所述第二U型件的开口背离所述第二连杆，所述第一U型件的U型能够插入到所述第二U型件内，所述第一U型件与所述第二U型件采用旋转销连接。

优选地，所述连接组件还包括限位座，所述限位座设置在第一连杆与第二连杆的连接处且能够相对第二连杆在一定范围内滑动，所述限位座的横截面呈U型，所述限位座的U型的开口朝下，所述限位座的长度方向平行于所述第二连杆的长度方向，所述第一连杆和第二连杆能够插入到所述限位座的U型内，在所述第二连杆的左右两侧均设置有滑槽，所述滑槽沿着所述第二连杆的长度方向延伸且其两端与外界连通，所述滑槽的靠近第二U型件的一端被第二U型件封堵，在所述限位座的对应两滑槽的位置处设置有两滑销，两所述滑销伸入到对应的滑槽中并相对滑槽能够滑动。

优选地，所述机器人还包括电动缸，所述电动缸的缸体的一端铰接在所述支撑平台的下表面，所述电动缸的伸缩杆的自由端铰接在限位座上，通过电动缸的伸缩杆的伸缩能够带动第二连杆的后端上下摆动，当电动缸带动第一连杆的后端上下摆动时，限位座相对第二连杆在一定位移内来回滑动；所述电动缸的最大行程、第二连杆的长度以及限位座的长度配置为限位座在相对第二连杆来回滑动时，第一连杆的前端始终位于限位座内。

优选地，在所述底板的下表面的后端设置有向下延伸的延伸臂，在所述延伸臂的下端设置有限位杆，当所述电动缸收缩到一定程度时，所述第一连杆的上表面抵靠在所述限位杆。

本发明还提供了一种移动机器人爬楼梯的方法，采用上述移动机器人，具体包括如下步骤：

步骤一：移动机器人移动到楼梯的位置处，并调整到正对楼梯；

步骤二：移动机器人根据台阶的高度和宽度将轮片沿着打开的方向旋转一定的角度；

步骤三：移动机器人向前移动，三个轮片交替地支撑在台阶上；

步骤四：在后轮进入台阶之前，电动缸逐渐伸出，使支撑平台始终保持水平；

步骤五：在后轮进入台阶之后，电动缸保持固定，第二连杆的下表面支撑在台阶上；

步骤六：在前轮爬完楼梯之后，电动缸逐渐缩回，直到后轮离开楼梯。

本发明还提供了一种移动机器人爬坡的方法，采用上述移动机器人，具体包括如下步骤：

步骤一：移动机器人移动到坡底；

步骤二：在前轮上坡后且后轮进入坡之前，电动缸逐渐缩回，使第一连杆的上表面抵靠在限位杆上，使支撑平台始终保持水平；

步骤三：在前轮完成爬坡后且后轮离开坡之前，电动缸逐渐伸出，直到第一连杆和第二连杆位于同一直线上且支撑平台保持水平。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

该移动机器人能够实现爬楼梯或者爬坡；车轮采用多个轮片组成，轮片能够组成一个圆形，能够在正常道路上形式，轮片也能够同步地打开一个角度，在爬楼梯时，轮片交替地支撑在台阶上，能够实现爬楼梯；第一连杆和第二连杆采用电动缸进行驱动，在爬楼梯时，通过驱动第二连杆，使第二连杆支撑在台阶上，保证支撑平台保持水平；本发明还具有限位杆，当电动缸收缩到一定程度，第一连杆抵靠在限位杆上，第一连杆不再抵靠在滑座上，但由于限位杆的作用，后轮仍旧能够起到支撑的作用。

附图说明

图1-4是根据本发明的移动机器人的结构图；

图5-7是前轮组件的结构图；

图8-9是连接组件的结构图；

图10是A处的放大图；

图11是爬楼梯时的状态图；

图12是爬坡时的状态图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

如图1-12所示，一种移动机器人，包括底板1、通过支腿3支撑在底板1上的支撑平台2、设置在支撑平台2的左右两侧的两前轮组件4、通过连接组件6连接在支撑平台2上的后轮5。

每个前轮组件4包括设置在底板1上的驱动电机41和前轮，驱动电机51的输出轴与前轮传动连接以带动前轮旋转，两个前轮组件4的前轮的旋转轴线左右延伸且共线。

所述前轮包括第一安装板43、三个轮片42、第二安装板47，每个轮片42呈镰刀状，第一安装板43和第二安装板47均具有三个分支，三个分支等角度的设置且长度相同，第一安装板43和第二安装板47的三个分支一一对应，所述第一安装板43和第二安装板47的中心位于所述前轮的旋转轴线上。所述驱动电机41的输出轴与所述第一安装板43传动连接。

所述轮片42位于第一安装板43与第二安装板47之间且每个轮片42分别可旋转地设置在对应的分支上，三个轮片42的一端与对应分支的连接点位于同一圆周上，并且该圆周的圆心位于所述前轮的旋转轴线上。三个轮片42的旋转为同步旋转，以使轮片42的另一端在第一位置和第二位置之间移动。当所述轮片42在第一位置时，三个轮片42的外缘组成了一个完整的圆，该完整的圆的圆心位于所述前轮的旋转轴线上，使得在正常情况下能够作为一个完整的车轮旋转，当轮片42在第二位置时，所述轮片42的所述另一端打开一定的角度，使得轮片42在爬楼梯时，轮片42的所述另一端能够支撑在台阶上，通过三个轮片42的所述另一端交替地支撑在不同的台阶上，能够实现爬楼梯的功能。并且轮片42能够停留在第一位置与第二位置之间的任意位置，以适用不同尺寸的台阶或者障碍物。

每个所述轮片42的外缘的直径等于所述完整的圆的直径，所述轮片42的内缘配置为在轮片42处于第一位置时向内弯曲。所述轮片42的所述一端与所述另一端的相对位置配置为当轮片42处于第一位置时，沿着前轮在机器人前进时的旋转方向，所述另一端位于所述一端的后方，这样能够保证在轮片42爬障碍物时所述轮片42的外缘面能够抵靠在障碍物。

进一步，在所述轮片42的所述一端的外缘面设置有多个第一齿44，多个第一齿44位于同一圆周上并且该圆周的圆心位于对应的轮片42相对于对应的分支的旋转轴线上。在所述第一安装板43与第二安装板47之间可旋转地设置有齿轮45，所述齿轮45的旋转轴线与所述前轮的旋转轴线共线，所述齿轮45同时与三个轮片42上的第一齿44，通过齿轮45能够同时带动三个轮片42同步的旋转。优选地，在所述第二安装板47上设置有舵机46，所述舵机46的输出端与所述齿轮45传动连接，通过舵机46能够带动所述齿轮45的旋转。

在实际使用时，例如在爬楼梯时，为了保证两个前轮能够同步，需要首先将两个前轮上的轮片42旋转成一一对齐，然后再打开轮片42，保证所述轮片42的所述另一端能够同步地支撑在台阶或者障碍物上。两个前轮组件4的驱动电机独立控制。

所述连接组件6包括第一连杆61和第二连杆62，所述第二连杆62的前端通过连接板621安装在底板1上，所述连接板621设置在底板1的下表面的前端，所述第二连杆62的前端与所述连接板621铰接。所述第二连杆62的后端与所述第一连杆61的前端铰接，所述后轮5设置在所述第一连杆61的后端。具体地，在所述第一连杆61的前端设置有第一U型件67，所述第一U型件67的开口背离所述第一连杆61，在所述第二连杆62的后端设置有第二U型件68，所述第二U型件68的开口背离所述第二连杆62，所述第一U型件67的U型能够插入到所述第二U型件68内，所述第一U型件67与所述第二U型件68采用旋转销610连接。

进一步，所述连接组件6还包括限位座65，所述限位座65设置在第一连杆61与第二连杆62的连接处。所述限位座65的横截面呈U型，所述U型的开口朝下，所述限位座65的长度方向平行于所述第二连杆62的长度方向，所述第一连杆61和第二连杆62能够插入到所述限位座65的U型内。在所述第二连杆62的左右两侧均设置有滑槽64，所述滑槽64沿着所述第二连杆62的长度方向延伸且其两端与外界连通，所述滑槽64的靠近第二U型件68的一端被第二U型件68封堵。在所述限位座65的对应两滑槽64的位置处设置有两滑销66，两所述滑销66伸入到对应的滑槽64中并相对滑槽64能够滑动，由于第二连杆62与限位座65的的其它三个侧壁都是面接触，这样第二连杆62与限位座65仅能沿着第二连杆62的延伸方向相对滑动。

所述机器人还包括电动缸27，所述电动缸27的缸体的一端铰接在所述支撑平台2的下表面，所述电动缸27的伸缩杆的自由端铰接在限位座65上，通过电动缸27的伸缩杆的伸缩能够带动第二连杆62的后端上下摆动，当电动缸27带动第一连杆61的后端上下摆动时，限位座65相对第二连杆62在一定位移内来回滑动。所述电动缸27的最大行程、第二连杆62的长度以及限位座65的长度配置为限位座65在相对第二连杆62来回滑动时，第一连杆61的前端始终位于限位座65内，以保证第一连杆61的后端相对第二连杆62向上摆动的最大位置为第一连杆61与第二连杆62处于同一直线上，当第一连杆61与第二连杆62处于同一直线上后，第一连杆61不能再继续相对第二连杆62向上摆动，这样能够保证后轮5能够起到支撑的作用。在爬楼梯时，楼梯的倾斜角度是固定的，可以将第一连杆61和第二连杆62的下表面作为支撑，支撑在台阶的棱角上，能够保证顺利地爬台阶，此时后轮5不再起到支撑的作用。可以在第一连杆61和第二连杆62的下侧设置多个滚轮，减小第一连杆61和第二连杆62与台阶之间的摩擦。

进一步，在所述底板1的下表面的后端设置有向下延伸的延伸臂9，在所述延伸臂9的下端设置有限位杆8，当所述电动缸27收缩到一定程度时，所述第一连杆61的上表面抵靠在所述限位杆8，这样尽管第一连杆61的上表面能够抵靠在限位座65，但是通过抵靠在限位杆8上，同样能够保证后轮5能够起到支撑的作用。此种情况适用于上坡的道路上。

所述机器人还包括控制器，所述驱动电机41、舵机46、电动缸7与控制器电连接，通过控制器实现对驱动电机41、舵机46以及电动缸7的控制。

所述机器人还包括与控制器电连接的红外测温模块，通过红外测温模块能够无接触地检测周围人的体温。

所述机器人还包括与控制器电连接的雨滴传感器、烟雾传感器、温湿度模块，用于检测机器人周围的环境。

所述机器人还包括控制器电连接的姿态传感器，用于检测支撑平台2的姿态，通过获取的姿态数据，控制器控制电动缸7的伸缩，进而调整支撑平台2的姿态以保证支撑平台2保持水平或者需要的姿态。

所述机器人还包括与控制器电连接的超声传感器，通过超声传感器能够检测预定的方向是否有人或者障碍物。

所述机器人还包括与控制器电连接的语音模块，通过语音模块能够播放需要的声音。优选地，当机器人通过超声传感器检测到前方有人时，通过语音模块发出警报或者预定的声音。

所述机器人还包括与控制器电连接的摄像头和无线网络模块以及遥控器，操作人员能够通过遥控器、无线网络模块远程控制机器人的移动以及姿态的调整，并且通过无线网络控制摄像头，能够观察机器人的周边情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种移动机器人，包括：

底板；

支撑平台，通过支腿支撑在底板上；

两前轮组件，分别设置在支撑平台的左右两侧，每个前轮组件包括设置在底板上的驱动电机和前轮，驱动电机的输出轴与前轮传动连接以带动前轮旋转，两个前轮组件的前轮的旋转轴线左右延伸且共线；

后轮，通过连接组件连接在支撑平台上；其特征在于，

所述前轮包括第一安装板、三个轮片、第二安装板，每个轮片呈一端较宽、一端较窄的镰刀状，所述轮片位于第一安装板与第二安装板之间，每个轮片的较宽的一端可旋转地设置在第一安装板和第二安装板上，三个轮片与第一安装板或者第二安装板的连接处位于第一圆周上，所述第一圆周的圆心位于前轮的旋转轴线上，沿着前轮的旋转方向，三个轮片的较窄的一端朝向相同。

2.根据权利要求1所述的一种移动机器人，其特征在于，第一安装板和第二安装板均具有三个分支，三个分支等角度的设置且长度相同，第一安装板和第二安装板的三个分支一一对应，所述第一安装板和第二安装板的中心位于所述前轮的旋转轴线上，所述驱动电机的输出轴与所述第一安装板传动连接，且每个轮片分别可旋转地设置在对应的分支上。

3.根据权利要求1所述的一种移动机器人，其特征在于，三个轮片的旋转为同步旋转，以使轮片的较窄的一端在第一位置和第二位置之间移动，当所述轮片在第一位置时，三个轮片的外缘组成了一个完整的圆，该完整的圆的圆心位于所述前轮的旋转轴线上；当轮片在第二位置时，所述轮片的较窄的一端打开一定的角度，并且轮片能够停留在第一位置与第二位置之间的任意位置；每个所述轮片的外缘的直径等于所述完整的圆的直径，所述轮片的内缘配置为在轮片处于第一位置时向内弯曲，所述轮片的较宽的移动与较窄的一端的相对位置配置为当轮片处于第一位置时，沿着前轮在机器人前进时的旋转方向，较窄的一端位于较宽的一端的后方。

4.根据权利要求3所述的一种移动机器人，其特征在于，在所述轮片的较宽的一端的外缘面设置有多个第一齿，多个第一齿位于第二圆周上并且第二圆周的圆心位于对应的轮片相对于第一安装板的旋转轴线上；在所述第一安装板与第二安装板之间可旋转地设置有齿轮，所述齿轮的旋转轴线与所述前轮的旋转轴线共线，所述齿轮同时与三个轮片上的第一齿啮合，在所述第二安装板上设置有舵机，所述舵机的输出端与所述齿轮传动连接。

5.根据权利要求4所述的一种移动机器人，其特征在于，所述连接组件包括第一连杆和第二连杆，所述第二连杆的前端通过连接板安装在底板上，所述连接板设置在底板的下表面的前端，所述第二连杆的前端与所述连接板铰接，所述后轮设置在所述第一连杆的后端；在所述第一连杆的前端设置有第一U型件，所述第一U型件的开口背离所述第一连杆，在所述第二连杆的后端设置有第二U型件，所述第二U型件的开口背离所述第二连杆，所述第一U型件的U型能够插入到所述第二U型件内，所述第一U型件与所述第二U型件采用旋转销连接。

6.根据权利要求5所述的一种移动机器人，其特征在于，所述连接组件还包括限位座，所述限位座设置在第一连杆与第二连杆的连接处且能够相对第二连杆在一定范围内滑动，所述限位座的横截面呈U型，所述限位座的U型的开口朝下，所述限位座的长度方向平行于所述第二连杆的长度方向，所述第一连杆和第二连杆能够插入到所述限位座的U型内，在所述第二连杆的左右两侧均设置有滑槽，所述滑槽沿着所述第二连杆的长度方向延伸且其两端与外界连通，所述滑槽的靠近第二U型件的一端被第二U型件封堵，在所述限位座的对应两滑槽的位置处设置有两滑销，两所述滑销伸入到对应的滑槽中并相对滑槽能够滑动。

7.根据权利要求6所述的一种移动机器人，其特征在于，还包括电动缸，所述电动缸的缸体的一端铰接在所述支撑平台的下表面，所述电动缸的伸缩杆的自由端铰接在限位座上，通过电动缸的伸缩杆的伸缩能够带动第二连杆的后端上下摆动，当电动缸带动第一连杆的后端上下摆动时，限位座相对第二连杆在一定位移内来回滑动；所述电动缸的最大行程、第二连杆的长度以及限位座的长度配置为限位座在相对第二连杆来回滑动时，第一连杆的前端始终位于限位座内。

8.根据权利要求7所述的一种移动机器人，其特征在于，在所述底板的下表面的后端设置有向下延伸的延伸臂，在所述延伸臂的下端设置有限位杆，当所述电动缸收缩到一定程度时，所述第一连杆的上表面抵靠在所述限位杆。

9.一种移动机器人爬楼梯的方法，采用权利要求7所述的移动机器人，具体包括如下步骤：

步骤一：移动机器人移动到楼梯的位置处，并调整到正对楼梯；

步骤二：移动机器人根据台阶的高度和宽度将轮片沿着打开的方向旋转一定的角度；

步骤三：移动机器人向前移动，三个轮片交替地支撑在台阶上；

步骤四：在后轮进入台阶之前，电动缸逐渐伸出，使支撑平台始终保持水平；

步骤五：在后轮进入台阶之后，电动缸保持固定，第二连杆的下表面支撑在台阶上；

步骤六：在前轮爬完楼梯之后，电动缸逐渐缩回，直到后轮离开楼梯。

10.一种移动机器人爬坡的方法，采用权利要求8所述的移动机器人，具体包括如下步骤：

步骤一：移动机器人移动到坡底；

步骤二：在前轮上坡后且后轮进入坡之前，电动缸逐渐缩回，使第一连杆的上表面抵靠在限位杆上，使支撑平台始终保持水平；

步骤三：在前轮完成爬坡后且后轮离开坡之前，电动缸逐渐伸出，直到第一连杆和第二连杆位于同一直线上且支撑平台保持水平。

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