TWI462718B - Climb ladder robot - Google Patents

Description

爬梯機器人

本發明係有關於一種「爬梯機器人」，尤指一種家用而可進行爬階梯與下階梯動作的機器人。

在這工商業發達的社會，大家都忙著為生活打拼，回到家時已疲累不已，絕不想做室內清潔工作，因此，清潔機器人乃順勢而生。依照IFR World Robotic的分類，清潔機器人可分為產業型與家用型兩大類，在產業型方面例如地板清潔(吸塵與洗地)、風管空調系統清潔、除草、大樓窗戶清洗、水箱清潔等。迄今，應用最成功的仍屬地板清潔型機器人。而家用型的地板清潔機器人(吸塵器)近年來則快速竄起，成為市場主流產品，目前市面上的清掃機器人如美國「Roomba」、瑞典「Trilobite」及國內的「TRV-10趴趴走機器人吸塵器」等，則同樣以扁平的外形及具備有真空吸塵或清潔毛刷的架構，以各種感測器為導航方式來執行隨性型、之字型或螺旋型等清掃路徑，完成居家環境的清潔工作。但目前這類打掃型機器人雖能自動移動並且清掃，但是那只有在平面上的移動，遇到樓梯之處，還是無法清理。若是不清除樓梯之處，當走過樓梯時，腳上又沾到灰塵，到時，地板也會佈滿灰塵，整個清潔工作又白花力氣，並沒有達到清潔效果。但要清理樓梯之處，除了一般人吃不消外，對於有過敏症狀之人，為了打掃樓梯上的灰塵，而噴嚏打個不停，進而影響健康和生活品質。尤其，年長者和身心障礙者，清掃樓梯時危險性更高，若一不小心即會摔下樓梯，造成身體損傷。

本發明人有鑑於此，即本著創作之精神，乃思及創作之意念，經由多次試驗及多年經驗，以改進上述習知之缺失，進而提出本發明，以上述之困難。

本發明之主要目的，乃在提供一種可進行爬階梯動作及下階梯動作的爬梯機器人。

為達上述目的，本發明係提出一種爬梯機器人，係包括一基座；一固持單元，係固定在該基座上；一控制單元，係設置在該基座上，且位於該固持單元中；一伸縮單元，係可垂直移動地貫穿該基座，且鄰近該固持單元而設置；一線性致動單元，係以一第一水平連接架及一第二水平連接架與該伸縮單元連接，且該線性致動單元係與該控制單元電性連接；一中央動力輪，係設置在該基座下方偏後側處，並與該控制單元電性連接，該中央動力輪係用以帶動該基座左右移動；至少四驅動輪，係與該伸縮單元連接，並與該控制單元電性連接，該至少四驅動輪係用以帶動該基座前後移動；至少二滑座，係大致地設置在該基座下方的前側；以及一感測單元，係用以偵測該基座前側之樓梯高度、左右側之障礙物距離及下方與地面之距離。

其中，爬梯機器人在貼合樓梯或是階梯的垂直壁面時，感測單元係偵測樓梯或是階梯的壁面及高度，並將訊號傳遞至控制單元，由於每棟建築物樓梯或是階梯的高度不一，故可藉由調整件將吸塵單元調整至樓梯或是階梯的水平壁面位置，此時控制單元即驅動中央動力輪，使爬梯機器人朝左右方向移動，並藉由感測單元的二水平感測器及二垂直感測器對樓梯或是階梯的左右側之牆壁或是懸空處進行偵測，以避免撞擊牆壁或是掉落樓梯(階梯)。

在一段時間之後，即進行爬梯動作。

此時，由於感測單元偵測每一樓梯或是階梯的高度，因此控制單元即驅動線性致動單元之線性致動器，將伸縮單元之各伸縮桿伸長至適當高度，再藉由控制單元驅動各驅動輪往前推進，即前側的二驅動輪抵觸到樓梯或是階梯的垂直壁面，再藉由滑座進行支撐，再由控制單元控制縮回前側的二伸縮桿，在前側的二伸縮桿縮回至定位後，再以控制單元驅動各驅動輪往前移動，直至右前感測器偵測到下一階梯，然後後側的二驅動輪抵觸樓梯或是階梯的垂直壁面，藉由控制單元控制線性致動單元的線性致動器，將後側的的二伸縮桿縮回至定位，此時再以控制單元驅動各驅動輪往前移動，再繼續進行下一階梯的爬梯動作，並重複前述步驟。

爬梯機器人要進行下樓梯或是階梯的動作時，即由後下感測器對下一階梯的進行偵測，並將訊號傳遞至控制單元，以控制後側的二伸縮桿伸長至下一階梯的階面，且控制四驅動輪往後移動，直至右前感測器偵測到下一階梯，並將訊號傳遞至控制單元，以控制前側二伸縮桿伸長至下一階梯的階面，在前感測器偵測到適當距離時，即傳遞訊號至控制單元，以控制各伸縮桿縮回原長度，達到下階梯的動作。

以下茲配合圖式，詳細說明本發明之最佳實施例如後：請同時參考圖1及圖2，圖1係表示本發明的立體圖，圖2係表示本發明的電路方塊圖。

本發明的爬梯機器人1係包括一基座2、一固持單元3、一控制單元4、一伸縮單元5、一線性致動單元6、一中央動力輪71、四驅動輪72、二滑座73以及一感測單元8，其中中央動力輪71、驅動輪72、滑座73的數量係可以所欲之用途做增減，本發明係以一個中央動力輪、四個驅動輪以及二個滑座進行說明，但並不以此為限；且各中央動力輪與各驅動輪係均連接習知的一馬達M進行驅動，故其詳細作動與結構不再在此贅述。

基座2係大致呈矩形，但並不以此為限。

固持單元3係固定在基座2上，且固持單元3具有四固定架31，四固定架31係分別固設在矩形基座2的四個角落處。

控制單元4係設置在基座2上，且位於固持單元3的四個固定架31中；控制單元4是由單晶片(89S51)去發出訊號，進而控制並驅動不同電路，以完成動作要求，控制單元4係至少包括：一單晶片微處理器41、一電源電路42、一線性致動器控制電路43、一前後馬達驅動電路441、一中間馬達驅動電路442以及一感測器電路45，其中前後馬達驅動電路441係控制四驅動輪72，而中間馬達驅動電路442係控制中央動力輪71。

單晶片微處理器41可說是本發明爬梯機器人1的心臟及頭腦，目前市面上的單晶片微控制器種類繁多，一般分為複雜指令集(Complex Instruction Set Computer：CISC)與精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer：RISC)兩大類，其中的差異就在前者所具有的功能比較強大，因此在處理工作上也較多，而後者則是因內部線路結構較為簡單，相對執行指令的速度也會比前者來的快，但因為可使用的指令減少，所以在寫程式時會比較複雜，同樣一件工作使用的行數與指令就會比較多。在此，本發明基於需求，係選取為89C51單晶片，作為控制整體動作之核心，但並不以此為限。

電源電路42係利用穩壓電路，把12V電壓之供電電池421轉換成5V電壓，即將電壓供給其他所需要電路使用；而在集成電路(IC)選擇上面，可選擇比較便宜又穩定的LM317，但並不以此為限。

線性致動器控制電路43係掌管了整個爬梯升降動作，意即與線性致動單元6電性連接並加以控制，線性致動器控制電路43可使用繼電器、二極體和電阻，再利用單晶片的訊號即可使電路觸發，利用LM317之穩壓集成電路(IC)，經由電阻值之設定，可獲得定值之輸出電流，且可保護短路、過電流和過熱。

前後馬達驅動電路441及中間馬達驅動電路442係使用ST的VNH3SP30晶片，精簡小型的尺寸，包括電流上升(pull-up)、電流限制(current limiting)以及場效電晶體(FET)電池反向保護等功能；另，使用單晶片來控制ON/OFF，這樣就可以達到馬達控制的目的，而使用ST的VNH3SP30晶片所設計的馬達驅動電路，其特色尺寸精小，共使用二組電路分別控制左右輪之轉速與轉向，達到差速修正的目的。

感測器電路45係電性連接感測單元8，由於樓梯兩側有無牆壁之狀態不同，以及前後側必須判斷是否懸空，且左右兩側必須判別是否有牆壁阻擋，因此感測單元8係包括一前感測器81、一後感測器82、一左感測器83、一右感測器84、一右前感測器85、一左後感測器86以及一後下感測器87，前感測器81係設置在基座2之前側，用以偵測前方壁面之高度，後感測器82係設置在基座2之後側，用以偵測後方距離，左感測器83及右感測器84係分別設置在基座2之左右兩側，用以偵測左右兩側的壁面距離，右前感測器85及左後感測器86係分別設置在鄰近右前驅動輪72與鄰近左後驅動輪72處，以分別於爬階梯及下階梯時進行對階面距離的偵測；透過感測器的偵測，讓本發明爬梯機器人1能順利進行爬階梯、下階梯以及左右移動且避免掉落樓梯。

移動單元伸縮單元5係可垂直移動地貫穿基座2，且鄰近固持單元3而設置，而移動單元伸縮單元5係由四移動桿伸縮桿51所構成，係分別鄰近固持單元3的四固定架31設置，較佳者，四伸縮桿51之架設所形成之矩形係小於四固定架31之架設所形成之矩形，且四伸縮桿51所形成之矩形位在四固定架31之矩形內。

線性致動單元6係以一第一水平連接架61及一第二水平連接架62分別與移動單元伸縮單元5之前側二伸縮桿51及後側二伸縮桿51連接，且線性致動單元6係與控制單元4電性連接，線性致動單元6係包括二線性致動器63。

中央動力輪71係設置在基座2下方偏後側處，並與控制單元4電性連接，而中央動力輪71係用以帶動基座2朝左右方向移動；四驅動輪72係分別與伸縮單元5的四伸縮桿51之底端連接，並與控制單元4電性連接，而四驅動輪72係用以帶動基座2朝前後方向移動；滑座73大致地設置在基座2下方的前側；其相對應的作動將於後詳述。

請再參考圖3，係表示本發明結合吸塵單元的立體圖。前側的二伸縮桿51更分別可調整地連接有一第一垂直連接架511及一第二垂直連接架512，第一垂直連接架511與第二垂直連接架512之軸向方向設置有溝槽結構，係分別以一連接臂513與罩體93連接，而各垂直連接架511、512與連接臂513之連接方式，係以連接臂513可移動地嵌入各垂直連接架511、512的溝槽結構，再以螺栓B穿過連接臂513而抵靠鎖固在各垂直連接架511、512上。

而吸塵單元9係固定在第一水平連接架61及第二水平連接架62上，且與控制單元4電性連接，吸塵單元9係包括二吸塵器91、二伸縮管92、一罩體93以及至少二清潔體94，二吸塵器91係分別固定在第一水平連接架61及第二水平連接架62之左右兩側，並與控制單元4電性連接，各伸縮管92之一端係連通各吸塵器91，各伸縮管92之另一端係分別連通罩體93的左右兩側，本發明的至少二清潔體94係為二清潔體，每一清潔體94係由一組電動毛刷所構成，而清潔體電動毛刷的數量並不以此為限，各清潔體94分別設置在罩體93內部之左右兩側，並以習知的馬達M與控制單元4電性連接，而受控制單元4之控制以進行旋轉(轉動)之清潔作業。

在吸塵單元9方面，係可藉由調整各垂直連接架511、512與連1接臂513之相對高度，將罩體93調至適當高度，以進行清掃樓梯階面之灰塵。為了能順利清理樓梯階面，先將吸塵器91的電動毛刷(即罩體93)調整至樓梯階面大小，再由吸塵器91內的清潔體94(電動毛刷)之轉動並配合吸塵器91之吸塵作用，把灰塵吸入集塵盒(圖未示)裡，達到清理的目的。

請同時參考圖4至圖10，係表示本發明結合吸塵單元時，執行爬階梯動作的動作示意圖。本發明之爬梯機器人1在貼合樓梯或是階梯的垂直壁面V時(如圖4所示)，前感測器81係偵測樓梯之壁面高度，並將訊號傳遞至控制單元4，由於每棟建築物樓梯或是階梯的高度不一，故可藉由調整各垂直連接架511、512與連接臂513之相對高度，將吸塵單元9調整至樓梯或是階梯的水平壁面H位置，此時控制單元4即驅動中央動力輪71，使爬梯機器人1朝左右方向移動，並藉由感測單元8的左感測器83及右感測器84對樓梯或是階梯的左右側之牆壁或是懸空處進行偵測，以避免撞擊牆壁或是掉落樓梯(階梯)，且控制單元4啟動吸塵單元9的吸塵器91以及清潔體94(如圖3所示)，進行橫向吸塵與清潔作業。

在一段時間或是吸塵與清潔作業完成之後，即進行爬梯動作，以對下一階梯進行吸塵與清潔作業。

此時，由於前感測器81偵測每一樓梯或是階梯的高度，因此控制單元4即驅動線性致動單元6之線性致動器63(如圖3所示)，將伸縮單元5之各伸縮桿51伸長至適當高度(如圖5所示)，再藉由控制單元4驅動各驅動輪72往前推進，即前側的二驅動輪72抵觸到樓梯或是階梯的垂直壁面V，再藉由滑座73進行支撐(如圖6所示)，再由控制單元4控制縮回前側的二伸縮桿51(如圖7所示)，在前側的二伸縮桿51縮回至定位後，再以控制單元4驅動各驅動輪72往前移動，直至右前感測器85偵測到下一階梯，然後後側的二驅動輪72抵觸樓梯或是階梯的垂直壁面V(如圖8所示)，藉由控制單元4控制線性致動單元6的線性致動器63，將後側的的二伸縮桿51縮回至定位(如圖9所示)，此時再以控制單元4驅動各驅動輪72往前移動(如圖10所示)，再繼續進行下一階梯的吸塵與爬梯動作，即在每一階梯重複上述步驟。

請再同時參考圖11至圖17，係表示本發明結合吸塵單元時，執行下階梯動作的動作示意圖。相反地，若是本發明的爬梯機器人1要進行下樓梯或是階梯的動作時，即由後下感測器87對下一階梯的進行偵測(如圖11所示)，並將訊號傳遞至控制單元4，以控制後側的二伸縮桿51伸長至下一階梯的階面(如圖12及圖13所示)，且控制四驅動輪72往後移動，直至右前感測器85偵測到下一階梯，並將訊號傳遞至控制單元4，以控制前側二伸縮桿51伸長至下一階梯的階面(如圖14及圖15所示)，在前感測器81偵測到適當距離時，即傳遞訊號至控制單元4，以控制各伸縮桿51縮回原長度，並使罩體93貼附在階面上，可進而繼續進行橫向清潔動作。

在爬樓梯動作上，為了讓本發明的爬梯機器人1可以在有高度的樓梯或是階梯往上移動，其本身具有上下伸縮裝置(線性致動單元6及伸縮單元5)。

一般而言，吸塵器的馬達高速運轉時，在內部產生負壓，將灰塵、細小垃圾等物質經伸縮管92，到達集塵區(圖未示)，達成吸取灰塵的目的。吸塵器91的馬力數越大，吸力當然就越強。目前，皆採用直流電源，電壓皆在12-24V之間。為了能順利清理樓梯階面，先將吸塵單元9的罩體93調整至樓梯或是階梯階面的大小；執行動作時，清潔體94(電動毛刷)往內旋轉，再加上清潔體94(電動毛刷)的左右移動，皆有利於收集灰塵，達到清掃的目的。

本發明的爬梯機器人1為自動方式進行爬階梯與下階梯動作，而在結合吸塵單元9之後，使用者可依家中樓梯的寬度自行調整罩體93大小(即電動毛刷之相對位置)，當本發明的爬梯機器人1感測靠近樓梯或是階梯垂直壁面V時，藉由中央動力輪71及驅動輪72的驅動而在階梯進行左右移動，讓吸塵單元9得以左右進行樓梯或是階梯清理。

故藉由上述結構，本發明的爬梯機器人1係可達到自動進行爬階梯或是下階梯動作的功效。

綜上所述，本發明確實達到產業上利用性與進步性，且本發明未見之於任何刊物，亦具新穎性，當符合專利法第二十一條及二十二條之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請　鈞局授予合法專利權，至為感禱。

唯以上所述者，僅為本發明之一可行實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍；即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．爬梯機器人

2．．．基座

3．．．固持單元

31．．．固定架

4．．．控制單元

41．．．單晶片微處理器

42．．．電源電路

421．．．電池

43．．．線性致動器控制電路

441．．．前後馬達驅動電路

442．．．中間馬達驅動電路

45．．．感測器電路

5．．．伸縮單元

51．．．伸縮桿

511．．．第一垂直連接架

512．．．第二垂直連接架

513．．．連接臂

6．．．線性致動單元

61．．．第一水平連接架

62．．．第二水平連接架

63．．．線性致動器

71．．．中央動力輪

72．．．驅動輪

73．．．滑座

8．．．感測單元

81．．．前感測器

82．．．後感測器

83．．．左感測器

84．．．右感測器

85．．．右前感測器

86．．．左後感測器

87．．．後下感測器

9．．．吸塵單元

91．．．吸塵器

92．．．伸縮管

93．．．罩體

94．．．清潔體

B．．．螺栓

H．．．水平壁面

M．．．馬達

V．．．垂直壁面

圖1　係表示本發明的立體圖。

圖2　係表示本發明的電路方塊圖。

圖3　係表示本發明結合吸塵單元的立體圖。

圖4-10　係表示本發明執行爬階梯動作的動作示意圖。

圖11-17　係表示本發明執行下階梯動作的動作示意圖。

1．．．爬梯機器人

2．．．基座

3．．．固持單元

31．．．固定架

4．．．控制單元

5．．．伸縮單元

51．．．伸縮桿

6．．．線性致動單元

61．．．第一水平連接架

62．．．第二水平連接架

63．．．線性致動器

71．．．中央動力輪

72．．．驅動輪

73．．．滑座

8．．．感測單元

81．．．前感測器

82．．．後感測器

83．．．左感測器

84．．．右感測器

85．．．右前感測器

86．．．左後感測器

87．．．後下感測器

M．．．馬達

Claims (6)

1. 一種爬梯機器人，係包括：一基座，大致呈矩形；一固持單元，具有四固定架，該四固定架係分別固設在該基座的四個角落處；一控制單元，係設置在該基座上，且位於該固持單元中；一伸縮單元，係可垂直伸縮地貫穿該基座，且鄰近該固持單元而設置，係由四伸縮桿所構成，係分別鄰近該四固定架設置，而該四伸縮桿之架設所形成之矩形係小於該四固定架之架設所形成之矩形，且該四伸縮桿所形成之矩形位在該四固定架之矩形內；一線性致動單元，係以一第一水平連接架及一第二水平連接架與該伸縮單元連接，且該線性致動單元係與該控制單元電性連接；一中央動力輪，係設置在該基座下方偏後側處，並與該控制單元電性連接，該中央動力輪係用以帶動該基座左右移動；至少四驅動輪，係與該伸縮單元連接，並與該控制單元電性連接，該至少四驅動輪係用以帶動該基座前後移動；至少二滑座，係大致地設置在該基座下方的前側；以及一感測單元，係用以偵測該基座前側之樓梯高度、左右側之障礙物距離及下方與地面之距離，係 包括一前感測器、一後感測器、一左感測器、一右感測器、一右前感測器、一左後感測器及一後下感測器，該前感測器係設置在該基座的前側，用以偵測前方壁面之高度及距離，該後感測器係設置在該基座之後側，用以偵測後方距離，該左感測器及該右感測器係分別設置在該基座之左右兩側，用以偵測左右兩側的壁面距離，該右前感測器及該左後感測器係分別設置在鄰近右前側的該驅動輪與鄰近左後側的該驅動輪處，以分別於爬階梯及下階梯時進行對階面距離的偵測。
2. 如申請專利範圍第1項所述之爬梯機器人，更包括一吸塵單元，係固定在該第一水平連接架及該第二水平連接架上，且與該控制單元電性連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之爬梯機器人，其中該線性致動單元係包括二線性致動器，該第一水平連接架及該第二水平連接架係分別連接位於前側的二伸縮桿以及位於後側的二伸縮桿。
4. 如申請專利範圍第1項所述之爬梯機器人，其中前側的該二伸縮桿分別可調整地連接有一第一垂直連接架及一第二垂直連接架，該第一垂直連接架與該第二垂直連接架之軸向方向設置有溝槽結構，前側的該二伸縮桿係分別以一連接臂與該吸塵單元的一罩體連接，而各該垂直連接架與該連接臂係以該連接臂可移動地嵌入各該垂直連接架的溝槽結構進行連接，再以至少一螺栓穿過該連接臂而抵靠鎖固在 各該垂直連接架上。
5. 如申請專利範圍第2項所述之爬梯機器人，其中該吸塵單元包括二吸塵器、二伸縮管、一罩體以及至少二清潔體，該二吸塵器係分別固定在該第一水平連接架與該第二水平連接架之左右兩側，各該伸縮管之一端係連通各該吸塵器，各該伸縮管之另一端係分別連通該罩體的左右兩側，該至少二清潔體係分別設置在該罩體內部之左右兩側，並與該控制單元電性連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之爬梯機器人，其中該控制單元至少包括一單晶片微處理器、一電源電路、一線性致動器控制電路、一前後馬達驅動電路、一中間馬達驅動電路以及一感測器電路。