同步爬楼机器人的制作方法
【专利摘要】一种同步爬楼机器人，包括托盘部件、第一行走部件、第二行走部件和旋转驱动装置，其中，托盘部件包括能够根据楼梯台阶调节相互距离和高度的第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件，第一行走部件和第二行走部件分别连接于第一支撑件和第三支撑件的下端且结构相同，包括车轴及其两端的左车轮构件和右车轮构件，该两车轮构件结构对称相同并且轮缘的形状曲线为前后相接的阿基米德螺线和圆弧，使轮缘随旋转而改变其与车轴轴线的距离，旋转驱动装置安装于第二支撑件的下端，分别传动连接和驱动第一行走部件和第二行走部件。本发明能够负载重物保持水平稳定地自动爬行楼梯和平地行走。
【专利说明】同步爬楼机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及动态平衡机器人，具体涉及一种同步爬楼梯机器人，属于机器人【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前爬楼梯机器人爬台阶的主要实现方式有腿式、履带式和轮式。其中，腿式爬楼机器人一般是通过仿生学达到爬台阶的目的，其移动方式是“逐步轮换登高”式，但是人或动物在行走或爬台阶过程中有大量的关节和肌肉参与协调，以保证身体的平衡，此外人或动物还可以通过自己的感官判断楼梯的踏步来确定自己的步距和步高参数，然而普通腿式机器人则难以做到对重心的稳定控制这一点；履带式爬楼机器人直接利用履带传动达到爬行的目的，但其缺点是笨重，运动不灵活，从而使其使用受到限制；轮式爬楼机器人直接利用车轮转动达到爬行的目的，移动灵活，控制简单，但是由于车轮为圆形，要在爬行台阶的过程中同步转动，并且像在平整地面上的运动一样达到重心平稳是很困难的。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种同步爬楼机器人，其能够在携带较大负重的情况下实现自动行走、同步上下台阶，并能在行动过程中始终保持水平稳定。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0005]一种同步爬楼机器人，其包括有:
[0006]托盘部件，包括水平的托盘以及垂直连接于该托盘下方的第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件，所述第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件结构相同且沿所述托盘由前向后依次排列，并且该第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件的相互间距离和各自高度能够根据所爬楼梯的台阶尺寸进行调节；
[0007]第一行走部件，连接于所述第一支撑件的下端，包括车轴以及分别连接于该车轴两端的左车轮构件和右车轮构件，该左车轮构件和右车轮构件结构对称相同并且轮缘的形状曲线为前后相接的阿基米德螺线和圆弧，使轮缘随旋转而改变其与所述车轴的轴线的距离；
[0008]第二行走部件，结构与第一行走部件相同，连接于所述第三支撑件的下端；
[0009]旋转驱动装置，安装于所述第二支撑件的下端，分别与所述第一行走部件和第二行走部件传动连接，并且驱动该第一行走部件和第二行走部件旋转。
[0010]作为进一步改进，所述的左车轮构件和右车轮构件各自均包括有一圆盘形的外轮盘和连接于该外轮盘的内侧的三个小轮盘，所述外轮盘连接于所述车轴的两端且沿该外轮盘的径向开有相隔120度的三个通槽，所述三个小轮盘通过锁紧杆连接于该三个通槽上且能够沿该通槽移动位置，以调整该小轮盘与所述车轴轴线的离心距，该小轮盘的轮缘的形状曲线为前后相接的一阿基米德螺线和一圆弧。[0011]作为进一步改进，所述的同步爬楼机器人利用前一小轮盘的前侧棱面爬上楼梯的台阶，紧接着与台阶接触的阿基米德螺线使整个机器人高度平稳上升，接下来与台阶接触的圆弧使所述机器人的高度不再上升，短暂平稳前行一距离，继而后一小轮盘的前侧棱面与又一台阶接触，从而周而复始实现所述同步爬楼机器人爬楼梯的整个过程。
[0012]作为进一步改进，所述的三个小轮盘的离心距调整为最小，以将该三个小轮盘完全缩入所述外轮盘的外圆以内，使只有该外轮盘与地面接触，实现所述同步爬楼机器人在平地上的行走过程。
[0013]作为进一步改进，在所述的外轮盘的轮缘和小轮盘的轮缘上均附有带纹理的橡胶层。
[0014]作为进一步改进，所述的阿基米德螺线的极点与所述车轴的轴线重合，所述的圆弧的圆心与所述车轴的轴线重合。
[0015]作为进一步改进，所述的托盘部件还包括导槽，该导槽沿前后方向固定于所述托盘下部，所述第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件连接于该导槽内且能够前后移动位置。
[0016]作为进一步改进，所述的第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件各自均包括有上支撑和下支撑，该下支撑伸入所述上支撑的空腔并在其中滑移，该上支撑下部的凸轮卡套能够卡固所述下支撑，以调节整个支撑件的高度。
[0017]作为进一步改进，所述的第一行走部件和第二行走部件的车轴分别固定有同步带轮；所述的旋转驱动装置包括驱动电机、第一同步带、第二同步带和与该驱动电机连接的驱动轮，该驱动轮通过第一同步带和第二同步带分别与所述车轴上的同步带轮连接。
[0018]作为进一步改进，所述的第一支撑件与第三支撑件的高度差为所爬楼梯的两个台阶高度，并且第一支撑件短于第三支撑件；所述第一支撑件与第三支撑件的距离为所爬楼梯的两个台阶宽度。
[0019]与现有的爬楼机器人相比较，本发明所述的同步爬楼机器人具有的优点和积极效果是:四个行走轮同步实现爬楼梯台阶的运动，同时保证了托盘的水平稳定，并且对托盘上所放货物的重心位置要求不高，具有不易发生倾倒，稳定性好的优点；各支撑件的间距和高度以及小轮盘的离心距均可快速调节，从而适应不同台阶高度和台阶宽度的楼梯；通过缩小小轮盘的离心距以及调整前后支撑件高度一致，即可实现平地上的快速行走。
[0020]综上所述，本发明能够在携带较大负重的情况下，保持水平稳定地自动行走和上下台阶，具有结构简单、稳定性好、制造容易的特点，适用于负载重物爬行楼梯和平地行走。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的结构示意图。
[0022]图2为本发明爬楼梯过程的状态示意图。
[0023]图3为本发明行走部件和支撑件的结构示意图。
[0024]图4为图3中C的局部放大图。
[0025]图5为本发明车轮构件的结构示意图。
[0026]图6为图4的后视图。
[0027]图7为本发明外轮盘和锁紧杆的结构示意图。
[0028]图8为本发明小轮盘的形状示意图。[0029]图中:1为第二行走部件，2为第三支撑件，3为左车轮构件，4为第二支撑件，5为导槽，6为托盘,7为第一支撑件，8为第一行走部件,9为驱动电机,10为第一同步带，11为驱动轮，12为第二同步带，13为右车轮构件,16为外轮盘,161为通槽,17为下支撑,18为凸轮卡套，19为上支撑，20为小轮盘，201为安装孔，202为前侧棱面，203为侧边棱，21为车轴，22为同步带轮，23为锁紧杆，231为轴销，A为阿基米德螺线，B为圆弧，O为车轴的轴线。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等效变化和改进，这些都应属于本发明的保护范围。
[0031]请参阅图1，图示同步爬楼机器人包括有托盘部件、第一行走部件8、第二行走部件I和旋转驱动装置。
[0032]所述托盘部件包括托盘6、导槽5、第一支撑件7、第二支撑件4和第三支撑件2。
[0033]所述托盘6为水平的平板件，能承受较大负重。所述导槽5沿前后方向固定于所述托盘6的下部。所述第一支撑件7、第二支撑件4和第三支撑件2沿所述托盘6由前向后依次排列于该托盘6的下方，它们垂直地连接于所述导槽5内并且能够沿该导槽5前后移动位置，从而根据所爬楼梯的台阶宽度尺寸进行调节相互间的距离。
[0034]所述第一支撑件7、第二支撑件4和第三支撑件2的结构相同，请同时参阅图3和图4，它们各自均包括有管状的上支撑19和下支撑17，该下支撑17伸入所述上支撑19的空腔并在其中滑移，该上支撑19下部的凸轮卡套18能够卡紧固定所述下支撑17，从而能够根据所爬楼梯的台阶高度调节各个支撑件的高度。
[0035]本实施例中，所述的第一支撑件7与第三支撑件2的高度差为所爬楼梯的两个台阶高度，并且第一支撑件7短于第三支撑件2 ;所述第一支撑件7与第三支撑件2的距离为所爬楼梯的两个台阶宽度。
[0036]请参阅图1，所述第一行走部件8连接于所述第一支撑件7的下端，所述第二行走部件I连接于所述第三支撑件2的下端。
[0037]所述第一行走部件8的结构与所述第二行走部件I相同，请参阅图3，它们各自均包括有车轴21、左车轮构件3和右车轮构件13 ;所述车轴21中部连接于所述下支撑17的U型槽内并且固定有同步带轮22 ;所述左车轮构件3和右车轮构件13分别连接于该车轴21的两端，并且其轮缘的形状曲线为前后相接的阿基米德螺线A和圆弧B，使轮缘随旋转而改变其与所述车轴21的轴线O的距离，见图7。
[0038]所述左车轮构件3和右车轮构件13的结构对称相同，它们各自均包括有一外轮盘16、三个锁紧杆23和三个小轮盘20，请结合参阅图5、图6和图7。所述外轮盘16为圆盘形且位于外侧，其连接于所述车轴21的两端，该外轮盘16上沿径向开有相隔120度的三个通槽161 ;所述三个锁紧杆23分别设置于该三个通槽161中并能够沿该通槽161滑移，其设有轴销231 ;请参阅图8，所述小轮盘20为扇形构件，其包括有顶部的安装孔201、前部的前侧棱面202、侧面的侧边棱203和外部的轮缘，该轮缘的形状曲线为前后相接的一阿基米德螺线A和一圆弧B。所述的阿基米德螺线A的极点与所述车轴的轴线O重合，所述的圆弧B的圆心与所述车轴的轴线O重合；所述小轮盘20的安装孔201套入所述锁紧杆23的轴销231，见图7，从而三个小轮盘20通过锁紧杆23连接于所述三个通槽161上，并且位于所述外轮盘16的内侧，安装时，该小轮盘20的侧边棱203的方向与所述相应的通槽161平行，然后锁紧三个锁紧杆23，从而三个小轮盘20沿径向固定,形成一内轮盘,该三个小轮盘20的轮缘形成了该内轮盘的轮缘；松开三个锁紧杆23，所述三个小轮盘20能够沿该通槽161移动位置，见图6，以调整该小轮盘20与所述车轴轴线O的离心距，从而扩大或缩小内轮盘的尺寸，以进一步地适应不同踏步参数的台阶。
[0039]在所述的外轮盘16的轮缘和小轮盘20的轮缘上均附有带纹理的高摩擦系数的橡胶层，以保证机器人在爬台阶过程中不发生打滑。
[0040]请参阅图1，所述旋转驱动装置安装于所述第二支撑件4的下端，分别与所述第一行走部件8和第二行走部件I传动连接，并且驱动该第一行走部件8和第二行走部件I旋转。
[0041]所述的旋转驱动装置包括驱动电机9、第一同步带10、第二同步带12和与该驱动电机9连接的驱动轮11，该驱动轮11通过第一同步带10和第二同步带11分别与所述第一行走部件8和第二行走部件I的车轴21上的同步带轮22连接；通过所述凸轮卡套18能够快速调整第二支撑件4的高度，以调节第一同步带10和第二同步带12的松紧。
[0042]所述的同步爬楼机器人爬台阶可分为三个阶段:第一阶段，利用前一小轮盘20的前侧棱面202爬上楼梯的台阶；第二阶段，紧接着与台阶接触的阿基米德螺线A对应的轮缘曲面使整个机器人高度平稳上升，由于阿基米德螺线A的极点与所述车轴的轴线O重合，且极径线性增加，这样保证了整个机器人在爬阶过程中高度平稳上升，不至于产生过大的阶跃导致机器人失稳；第三阶段，接下来与台阶接触的圆弧B对应的轮缘曲面使所述机器人的高度不再上升，由于圆弧B的圆心也与所述车轴的轴线O重合，因此，机器人在台阶上只短暂平稳前行一距离，车轮构件整体在滚动一段距离后，继而后一小轮盘20的前侧棱面202与又一台阶接触，从而周而复始实现所述同步爬楼机器人爬楼梯的整个过程。
[0043]为了使机器人能够在平整地面上运行，可以将所述的三个小轮盘20的离心距调整为最小，以将该三个小轮盘20完全缩入所述外轮盘16的外圆以内，使只有该外轮盘16与地面接触，从而实现所述同步爬楼机器人在平地上的行走过程。
[0044]本实施例的工作过程为:
[0045]请参阅图2，爬台阶前，调节托盘6下方的导槽5与第一支撑件7和第三支撑件2的固定螺栓，根据楼梯的台阶宽度调整第一支撑件7与第三支撑件2的前后相对位置，使得第一支撑件7与第三支撑件2的前后安装距离为所爬楼梯的两个台阶宽度，从而保证第一行走部件8和第二行走部件I实现同步爬阶，并且左车轮构件3和右车轮构件13与台阶间不发生干涉；打开第一支撑件7、第三支撑件2和第二支撑件4的凸轮卡套18，根据台阶高度调整上支撑19和下支撑17的相对固定位置，使得所述的第一支撑件7与第三支撑件2的安装高度差为所爬楼梯的两个台阶高度，且第一支撑件7短于第三支撑件2，从而保证爬楼梯时的同步性并使得托盘6始终保持水平；打开车轮构件上的锁紧杆23，根据楼梯的台阶尺寸调整三个小轮盘20的离心距(打开锁紧杆23将小轮盘20沿外轮盘16的径向移动)，使得左车轮构件3和右车轮构件13在爬台阶过程中与台阶不发生干涉，以上调整完毕即可实现爬楼梯。如果在平整地面上行走，为保证托盘6水平，只需调整第一支撑件7与第三支撑件2高度至相同，并将三个小轮盘20的离心距调至最小，即可利用外轮盘16平稳快速行走。
[0046]以上对本发明的具体实施例进行了描述，其中提到的车轮构件以及其为满足运动平稳性要求而采取的几何构型和整个机器人的实现技术方案需要得到保护。需要说明的是，本发明要求的保护范围不仅限于上述实施例，也应包括其他对此发明显而易见的变换和替代方案。
【权利要求】
1.一种同步爬楼机器人，其特征在于:所述同步爬楼机器人包括有: 托盘部件，包括水平的托盘以及垂直连接于该托盘下方的第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件，所述第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件结构相同且沿所述托盘由前向后依次排列，并且该第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件的相互间距离和各自高度能够根据所爬楼梯的台阶尺寸进行调节； 第一行走部件，连接于所述第一支撑件的下端，包括车轴以及分别连接于该车轴两端的左车轮构件和右车轮构件，该左车轮构件和右车轮构件结构对称相同并且轮缘的形状曲线为前后相接的阿基米德螺线和圆弧，使轮缘随旋转而改变其与所述车轴的轴线的距离； 第二行走部件，结构与第一行走部件相同，连接于所述第三支撑件的下端； 旋转驱动装置，安装于所述第二支撑件的下端，分别与所述第一行走部件和第二行走部件传动连接，并且驱动该第一行走部件和第二行走部件旋转。
2.如权利要求1所述的同步爬楼机器人，其特征在于:所述的左车轮构件和右车轮构件各自均包括有一圆盘形的外轮盘和连接于该外轮盘的内侧的三个小轮盘，所述外轮盘连接于所述车轴的两端且沿该外轮盘的径向开有相隔120度的三个通槽，所述三个小轮盘通过锁紧杆连接于该三个通槽上且能够沿该通槽移动位置，以调整该小轮盘与所述车轴轴线的离心距，该小轮盘的轮缘的形状曲线为前后相接的一阿基米德螺线和一圆弧。
3.如权利要求2所述的同步爬楼机器人，其特征在于:所述的同步爬楼机器人利用前一小轮盘的前侧棱面爬上楼梯的台阶， 紧接着与台阶接触的阿基米德螺线使整个机器人高度平稳上升，接下来与台阶接触的圆弧使所述机器人的高度不再上升，短暂平稳前行一距离，继而后一小轮盘的前侧棱面与又一台阶接触，从而周而复始实现所述同步爬楼机器人爬楼梯的整个过程。
4.如权利要求2所述的同步爬楼机器人，其特征在于:所述的三个小轮盘的离心距调整为最小，以将该三个小轮盘完全缩入所述外轮盘的外圆以内，使只有该外轮盘与地面接触，实现所述同步爬楼机器人在平地上的行走过程。
5.如权利要求2所述的同步爬楼机器人，其特征在于:在所述的外轮盘的轮缘和小轮盘的轮缘上均附有带纹理的橡胶层。
6.如权利要求1或2所述的同步爬楼机器人，其特征在于:所述的阿基米德螺线的极点与所述车轴的轴线重合，所述的圆弧的圆心与所述车轴的轴线重合。
7.如权利要求1或2所述的同步爬楼机器人，其特征在于:所述的托盘部件还包括导槽，该导槽沿前后方向固定于所述托盘下部，所述第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件连接于该导槽内且能够前后移动位置。
8.如权利要求7所述的同步爬楼机器人，其特征在于:所述的第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件各自均包括有上支撑和下支撑，该下支撑伸入所述上支撑的空腔并在其中滑移，该上支撑下部的凸轮卡套能够卡固所述下支撑，以调节整个支撑件的高度。
9.如权利要求1或2所述的同步爬楼机器人，其特征在于:所述的第一行走部件和第二行走部件的车轴分别固定有同步带轮；所述的旋转驱动装置包括驱动电机、第一同步带、第二同步带和与该驱动电机连接的驱动轮，该驱动轮通过第一同步带和第二同步带分别与所述车轴上的同步带轮连接。
10.如权利要求1或2所述的同步爬楼机器人，其特征在于:所述的第一支撑件与第三.支撑件的高度差为所爬楼梯的两个台阶高度，并且第一支撑件短于第三支撑件；所述第一支撑件与第三支撑件的距离为所爬楼梯的两个台阶宽度。
【文档编号】B62D57/024GK103693123SQ201310676502
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】刘承立, 朱迪, 叶骞 申请人:上海交通大学