CN209581649U - 一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人，其包括前端行走机构、底盘、后端行走机构、前端伺服电机和后端伺服电机；前端行走机构和后端行走机构分别与底盘通过轴承相连接，前端伺服电机和后端伺服电机固定连接在底盘上，用以分别控制前端行走机构和后端行走机构相对于底盘进行定轴转动，前端行走机构和后端行走机构均设置有驱动电机以控制具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的运动。本实用新型提供的履带式机器人具有快速平稳攀爬楼梯功能，且体积较小、结构简单，除能在平地上平稳运行外还能适应不同的楼梯形状，具有极强的越障能力。除此之外，该机器人设置有机械臂，以实现物品抓取，放置的功能。

Description

一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人。

背景技术

楼梯以及阶梯形建筑在生活中随处可见，一些轮式、履带式机器人虽然具有一定的越障能力，但是难以应对坡度较大的楼梯。目前出现的一些具有爬楼功能的机器人，如行星轮式机器人，其行星轮为了适应楼梯形状而使得机器人体积较大、结构复杂，不适宜狭窄的环境的工作，并且其平地行走性能较差。而一些传统的履带式机器人同样存在着体积较大，转向不灵活，行走速度慢等弊端。基于以上，提出了一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人。

上述对背景技术的陈述仅是为了方便对本实用新型技术方案(使用的技术手段、解决的技术问题以及产生的技术效果等方面)的深入理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目是提供一种能够具有快速平稳攀爬楼梯功能且体积较小的履带式机器人。

本实用新型的技术方案：

一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人，包括前端行走机构、底盘、后端行走机构、前端伺服电机和后端伺服电机；所述前端行走机构和所述后端行走机构分别与所述底盘通过轴承相连接，所述前端伺服电机和所述后端伺服电机固定连接在所述底盘上，用以分别控制所述前端行走机构和所述后端行走机构相对于所述底盘进行定轴转动，所述前端行走机构和所述后端行走机构均设置有驱动电机以控制所述具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的运动。

进一步地，所述前端行走机构和所述后端行走机构结构相同，均分别包括第一履带机构、第二履带机构、回转轴和回转轴渐开线直齿轮，其中，所述回转轴的两端分别与所述第一履带机构和所述第二履带机构固定连接，所述回转轴与所述底盘通过轴承相连接，进而使所述前端行走机构和所述后端行走机构与所述底盘相连接，所述回转轴渐开线直齿轮固定连接在所述回转轴上。

进一步地，所述第一履带机构和所述第二履带机构分别包括轮架板、直流驱动电机、主动轮、一个或多个从动轮、履带，其中，所述直流驱动电机连接于所述轮架板的一侧面，所述直流驱动电机的输出转子通过所述轮架板上的开孔伸出；所述主动轮位于所述轮架板另一侧面，所述主动轮通过联轴器与所述驱动电机的输出转子连接；所述从动轮连接于所述轮架板上，其通过所述主动轮带动旋转；所述履带围绕在所述主动轮和所述从动轮上，所述回转轴的两端分别与所述第一履带机构和所述第二履带机构的所述轮架板固定连接，以通过驱动所述回转轴渐开线直齿轮使轮架板绕所述回转轴转动。

进一步地，所述前端伺服电机和所述后端伺服电机的转子输出端均设置有伺服电机渐开线直齿轮，所述伺服电机渐开线直齿轮与所述回转轴渐开线直齿轮啮合。

更进一步地，所述底盘的下侧面上设置有电机架，所述前端伺服电机和所述后端伺服电机固定连接于电机架上。

进一步地，所述具有攀爬楼梯功能的履带式机器人设置有机械臂，所述机械臂设置在所述底盘的上表面，用以抓取和放置物品。

更进一步地，所述机械臂包括固定底座、转动底座、大臂、大臂关节、小臂、小臂关节、抓手和多个舵机，所述固定底座、所述转动底座、所述大臂、所述大臂关节、所述小臂、所述小臂关节、所述抓手之间依次相连接，通过各自对应的舵机分别控制上述各部件之间的相对转动。

进一步地，所述具有攀爬楼梯功能的履带式机器人设置有传感器模块、处理模块和运动控制模块，所述传感器模块、所述处理模块和所述运动控制模块设置在底盘上，其中，所述传感器模块和所述运动控制模块分别与所述处理模块连接，所述传感器模块用于测算距离和/或物品体积，所述处理模块接收所述传感器模块的信号，信号经处理后输出至所述运动控制模块，通过所述运动控制模块控制前端行走机构和所述后端行走机构的运动，以及控制所述机械臂的转动，以及抓取和放置物品。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人通过所述前端行走机构、后端行走机构、底盘之间由两台伺服电机分别控制所述前端行走机构、后端行走机构相对于所述底盘的定轴转动，同时在四台直流驱动电机的驱动下分别控制履带的转动以实现攀爬楼梯的动作，从而达到所述履带式机器人攀爬楼梯的功能。该履带式机器人是能够具有快速平稳攀爬楼梯功能且体积较小的履带式机构，除能在平地上平稳运行外还能适应不同的楼梯形状，具有极强的越障能力。并且该履带式机器人的结构简单、体积较小、能够实现快速平稳的攀爬楼梯的功能。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的整体结构示意图。

图2为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构的结构示意图。

图3为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构与底盘之间配合的结构示意图。

图4为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的机械臂的结构示意图。

图5为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在攀爬楼梯时所需主要结构的示意图。

图6为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构在接触第一阶台阶时的示意图。

图7为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构及底盘向上抬起时的示意图。

图8为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构爬上第一阶台阶时的示意图。

图9为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构在接触第二阶台阶时的示意图。

图10为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的后端行走机构抬起接触第一阶台阶时的示意图。

图11为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的后端行走机构爬上第一阶台阶时的示意图。

图12为本实用新型实施例中的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构开始攀爬第三阶楼梯时的示意图。

图中：1前端行走机构；2底盘；3后端行走机构；4机械臂；5前端伺服电机；6后端伺服电机；7第一履带机构；8第二履带机构；9回转轴；10回转轴渐开线直齿轮；11轮架板；12直流驱动电机；13主动轮；14从动轮；15履带；16L形电机架；17伺服电机渐开线直齿轮；18固定底座；19转动底座；20大臂；21大臂关节；22小臂；23小臂关节；24抓手；25小臂关节摆动舵机；26抓手轴向转动舵机；27小臂摆动舵机；28小臂轴向转动舵机；29转动底座转动舵机；30大臂摆动舵机。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本实用新型的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本实用新型的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。

需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”、“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”、“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定。

请参见图1，在本说明书中，定义图1的上方为具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的上方或上侧(上侧面)，图1的下方为具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的下方或下侧(下侧面)。在本说明书中，定义具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在攀爬楼梯时的前进方向为具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端，其对侧端为具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的后端。

如图1至图3所示，在本实用新型的一个实施方案中，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人包括前端行走机构1、底盘2、后端行走机构3、前端伺服电机5、后端伺服电机6。在一个具体的实施方案中，前端行走机构1与后端行走机构3分别设置在底盘2的前端和后端，并且，前端行走机构1和后端行走机构3可以相对于底盘2进行定轴转动。其中，前端伺服电机5和后端伺服电机6分别固定在底盘2下侧面上的前端和后端，分别用于控制前端行走机构1和后端行走机构3的定轴转动，前端行走机构1和后端行走机构3设置有驱动电机以控制所述具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前进或后退的运动。在一个优选的实施方案中，驱动电机为直流驱动电机。

请参见图2，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构1与后端行走机构2的结构相同，在本说明书中仅对前端行走机构1的结构进行描述。如图2所示，前端行走机构1包括第一履带机构7、第二履带机构8、回转轴9和回转轴渐开线直齿轮10。第一履带机构7和第二履带机构8的结构相同，在本说明书中仅描述第一履带机构7的结构。如图2所示，第一履带机构7包括轮架板11、直流驱动电机12、主动轮13、一个或多个从动轮14、履带15。其中，回转轴9两端分别与第一履带机构7和第二履带机构8固定连接，回转轴9用于将前端行走机构1与底盘通过轴承相连接，回转轴渐开线直齿轮10固定连接在回转轴9上。

在一个具体的实施方案中，回转轴渐开线直齿轮10与回转轴9通过过盈配合固定连接，轮架板11与回转轴9的一端通过螺栓实现固定连接，以达到通过驱动回转轴渐开线直齿轮10而实现两侧轮架板11绕回转轴9的转动的功能。

在一个具体的实施方案中，直流驱动电机12和主动轮13设置在轮架板11的两侧面，直流驱动电机12与轮架板11的一侧面通过螺栓进行连接，并使得直流驱动电机12的输出转子通过轮架板11上的开孔伸出；主动轮13位于轮架板11的另一侧面，并通过联轴器与直流驱动电机12的输出转子连接。从动轮14可以设置一个或多个，在本实施例中设置有两个。从动轮14连接于轮架板11上连接有主动轮13的侧面，具体地，从动轮14上伸出的轴通过轴承与轮架板11上的开孔配合连接，并在从动轮14上伸出的轴的轴端用螺母实现轴的端部固定。履带15围绕在主动轮13和从动轮14之上，履带15上的凹槽与主动轮13上的凸起相配合，以实现通过主动轮驱动履带转动的目的。

本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端行走机构1和底盘2之间的安装方式、与后端行走机构3和底盘2之间的安装方式相同，在本说明书中仅对前端行走机构1与底盘2的安装方式进行描述。请参见图1和图3，在底盘2下侧面上设置有电机架。在本实施例中具体为L形电机架16，该L形电机架16通过螺栓与底盘2下侧面的相应开孔的配合，从而与底盘2进行连接。前端伺服电机5通过螺丝固定在该L形电机架16上。前端伺服电机5设置有伺服电机渐开线直齿轮17，伺服电机渐开线直齿轮17与前端伺服电机5的转子输出端通过过盈配合进行紧固连接，控制伺服电机渐开线直齿轮17与回转轴渐开线直齿轮10的实际中心距等于安装中心距，从而实现二者的正确啮合。前端行走机构1中的回转轴9通过轴承穿过底盘2上的前端两侧开孔，并与所述底盘2上的开孔配合，以实现前端行走机构1绕回转轴9进行相对于底盘2相对转动的功能。

在一个具体的实施方案中，前端行走机构1设置有驱动电机的一端位于具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端，前端行走机构1设置有从动轮的一端位于具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的后端。相应地，后端行走机构设置有驱动电机的一端位于具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的后端，后端行走机构设置从动轮的一端位于具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的前端。通过上述结构以实现通过底盘2上安装的前端伺服电机5和后端伺服电机6来分别控制前端行走机构1与后端行走机构3绕回转轴相对于底盘2相对转动的功能。

请参见图4，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人还设置有机械臂4，机械臂4设置在底盘2的上表面，该机械臂4可以进行物品的抓取、放置的功能。

在一个具体的实施方案中，机械臂4的包括固定底座18、转动底座19、大臂20、大臂关节21、小臂22、小臂关节23、抓手24和多个舵机，所述固定底座、所述转动底座、所述大臂、所述大臂关节、所述小臂、所述小臂关节、所述抓手之间依次相连接，通过各自对应的所述舵机分别控制上述各个部件之间的相对转动。

在一个更具体的实施方案中，机械臂4的包括固定底座18、转动底座19、大臂20、大臂关节21、小臂22、小臂关节23、抓手24、小臂关节摆动舵机25、抓手轴向转动舵机26、小臂摆动舵机27、小臂轴向转动舵机28、转动底座转动舵机29和大臂摆动舵机30。其中，固定底座18通过螺栓固定在底盘2上的相应开孔位置，转动底座19通过轴承连接在固定底座18上，大臂20的一端通过轴承连接在转动底座19上，大臂关节21连接在大臂20的另一端上，小臂22的一端穿过大臂关节21，并通过轴承连接在大臂关节21上，小臂关节23连接在小臂22的另一端，抓手24连接在小臂关节23上。

参见图4，抓手轴向转动舵机26的机体部分固定在小臂关节23上，抓手轴向转动舵机26的舵机转子固定在抓手24上，用以控制抓手24的转动。小臂关节摆动舵机25的机体部分固定在小臂22上，小臂关节摆动舵机25的舵机转子固定在所述小臂关节23上，用以控制小臂关节23的摆动。小臂摆动舵机27的机体部分固定在大臂20上，小臂摆动舵机27的舵机转子固定在大臂关节21上，用以控制小臂22相对于大臂20的摆动。小臂轴向转动舵机28的机体部分固定在大臂关节21上，小臂轴向转动舵机28的舵机转子固定在小臂22上，用以控制小臂22的轴向转动。转动底座转动舵机29的机体部分固定在转动底座19上，转动底座转动舵机29的舵机转子固定在固定底座18上，以控制机械臂4的整体转动。转动底座转动舵机29的机体部分固定在转动底座19上，转动底座转动舵机29的舵机转子固定在大臂20上，以控制大臂20的摆动。

以下描述具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的攀爬楼梯动作的过程。本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人还包括传感器模块、处理模块和运动控制模块。传感器模块、处理模块和运动控制模块设置在底盘上，其中，传感器模块和运动控制模块分别与处理模块连接，传感器模块用以测算台阶高度和距离台阶的距离、机器人距离带抓取物品的距离、以及物品的体积，处理模块接收传感器模块的信号，信号经处理后输出至运动控制模块，通过运动控制模块控制前端行走机构和后端行走机构的运动，以实现攀爬楼梯，并且可以控制机械臂的转动及抓取。

请参见图6，在实施攀爬楼梯动作的过程中，传感器模块首先会测算并判断楼梯高度是否在可以攀爬的范围内，当楼梯可以攀爬时，机器人继续前进，当传感器模块探测到前端行走机构前端行驶到靠近阶台阶时，前端行走机构首先在前端伺服电机的控制下向上抬起。同时整体在四台直流驱动电机的驱动下继续前进，直到所述前端行走机构的履带部分接触到第一阶台阶的上沿后，执行下一动作。

请参见图7，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在实施攀爬楼梯动作的过程中，在前端行走机构继续向前运动，同时后端行走机构向前运动的同时，由后端伺服电机控制的后端行走机构根据传感器模块的探测到的数据逐步实现底盘的向上转动，在保证前端行走机构始终与台阶接触的同时逐步将底盘抬起至图示位置。

请参见图8，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在实施攀爬楼梯动作的过程中，前端行走机构以及后端行走机构在直流驱动电机的驱动下继续向前运动，同时前端行走机构在前端伺服电机的控制下调整至与水平位置。然后执行下一步动作。

请参见图9，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在实施攀爬楼梯动作的过程中，前端行走机构以及后端行走机构继续向前运动，同时在传感器模块检测到前端行走机构靠近第二阶台阶时，前端行走机构在前端伺服电机的控制下再次向上抬起，使得前端行走机构的履带部分接触到第二阶台阶的上沿。然后执行下一步动作。

请参见图10，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在实施攀爬楼梯动作的过程中，前端行走机构以及后端行走机构继续向前运动，当传感器模块检测到后端行走机构靠近第一阶台阶时由后端伺服电机控制的后端行走机构向下转动，同时前端行走机构和后端行走机构继续前进以使得后端行走机构接触到第一阶台阶的上沿，同时前端伺服电机控制的前端行走机构逐渐调整至水平，以增大与第二阶台阶的接触面积。然后执行下一步动作。

请参见图11，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在实施攀爬楼梯动作的过程中，前端行走机构以及后端行走机构在四台直流驱动电机的作用下继续向前运动，同时后端行走机构在后端伺服电机的控制下逐渐调整至水平，完成一阶台阶的爬行动作。

请参见图12，本实用新型提供的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在实施攀爬楼梯动作的过程中，前端行走机构以及后端行走机构继续向前运动，同时在传感器模块检测到前端行走机构前端靠近第三阶台阶时，前端行走机构在前端伺服电机的控制下向上抬起，使得前端行走机构的履带部分接触到第三阶台阶的上沿。继续重复图7至图11的动作，直至完成全部台阶的攀爬。

综上所述：通过前端行走机构、底盘、后端行走机构的动作配合在控制与检测系统的配合下以实现机器人攀爬楼梯的功能。机械臂能够实现物品的抓取、放置功能。

以上所述的本实用新型的各技术特征可以进行任意的组合，为了是描述简洁，未对上述各技术特征所有的可能组合进行全部描述，但是，只要与上述各技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是在本说明书的记载范围之内。

以上所述的本实用新型的各技术特征，其描述较为具体详细，在不脱离本实用新型构思的前提下，做出的若干改进与变形都属于本实用新型专利的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应当以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人，其特征在于，所述的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人包括前端行走机构、底盘、后端行走机构、前端伺服电机和后端伺服电机；所述前端行走机构和所述后端行走机构分别与所述底盘通过轴承相连接，所述前端伺服电机和所述后端伺服电机固定连接在所述底盘上，用以分别控制所述前端行走机构和所述后端行走机构相对于所述底盘进行定轴转动，所述前端行走机构和所述后端行走机构均设置有驱动电机以控制所述具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的运动；

所述前端行走机构和所述后端行走机构结构相同，均分别包括第一履带机构、第二履带机构、回转轴和回转轴渐开线直齿轮，其中，所述回转轴的两端分别与所述第一履带机构和所述第二履带机构固定连接，所述回转轴与所述底盘通过轴承相连接，进而使所述前端行走机构和所述后端行走机构与所述底盘相连接，所述回转轴渐开线直齿轮固定连接在所述回转轴上；

所述第一履带机构和所述第二履带机构分别包括轮架板、直流驱动电机、主动轮、一个或多个从动轮、履带，其中，所述直流驱动电机连接于所述轮架板的一侧面，所述直流驱动电机的输出转子通过所述轮架板上的开孔伸出；所述主动轮位于所述轮架板另一侧面，所述主动轮通过联轴器与所述驱动电机的输出转子连接；所述从动轮连接于所述轮架板上，其通过所述主动轮带动旋转；所述履带围绕在所述主动轮和所述从动轮上，所述回转轴的两端分别与所述第一履带机构和所述第二履带机构的所述轮架板固定连接，以通过驱动所述回转轴渐开线直齿轮使轮架板绕所述回转轴转动；

所述前端伺服电机和所述后端伺服电机的转子输出端均设置有伺服电机渐开线直齿轮，所述伺服电机渐开线直齿轮与所述回转轴渐开线直齿轮啮合；

所述具有攀爬楼梯功能的履带式机器人设置有机械臂，所述机械臂设置在所述底盘的上表面，用以抓取和放置物品；

所述具有攀爬楼梯功能的履带式机器人设置有传感器模块、处理模块和运动控制模块，所述传感器模块、所述处理模块和所述运动控制模块设置在底盘上，其中，所述传感器模块和所述运动控制模块分别与所述处理模块连接，所述传感器模块用于测算距离和/或物品体积，所述处理模块接收所述传感器模块的信号，信号经处理后输出至所述运动控制模块，通过所述运动控制模块控制前端行走机构和所述后端行走机构的运动，以及控制所述机械臂的转动，以及抓取和放置物品。

2.根据权利要求1所述的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人，其特征在于，所述底盘的下侧面上设置有电机架，所述前端伺服电机和所述后端伺服电机固定连接于电机架上。

3.根据权利要求1或2所述的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人，其特征在于，所述机械臂包括固定底座、转动底座、大臂、大臂关节、小臂、小臂关节、抓手和多个舵机，所述固定底座、所述转动底座、所述大臂、所述大臂关节、所述小臂、所述小臂关节、所述抓手之间依次相连接，通过各自对应的舵机分别控制上述各部件之间的相对转动。