一种四驱爬楼梯移动机器人的制作方法

本发明涉及机器人爬楼、机器人避障问题、齿轮传动以及齿形带传动、机械结构的分析技术领域。

背景技术：

机器人的避障问题主要是讨论机器人在一定的平面场景中活动，机器人的行走路径是有直线段和圆弧段组成的条件下，如何从起始点到达目标点过程中避开障碍物的问题。现有的四轮小车大都无法正面越过障碍物，只能依靠避开障碍物继续前进，因此会出现在一些特殊环境下无法使用的情况。在特定的场景下，本发明克服这种技术缺陷，当障碍物适量大时，本机器人可以从正面越过障碍物，通过最短路径达到最短时间使机器人的效率大大地得到提升。此外，对于爬楼机器人，我们要解决的问题有重心的稳定性、机器人的运行速度以及灵活性、对楼梯的损害和能耗等几方面。此类机器人的突破点在于机械结构的分析，有轮式、履带式、腿式等运动机械结构。

技术实现要素：

本发明智能爬楼机器人，运动机械结构使用轮式，本设计通过轮组交替变换的方式实现机器人的爬楼功能，系统应用无线远程控制模式，采用pwm调速实现机器人的行进控制，通过步进电机驱动实现爬楼和越障的功能。

在日常生活和生产中经常要将货物搬上楼梯，传统的方式基本是靠人力搬运完成的，有时由于重物太重或由于人手不足而无法完成搬运，本研究完成了这个难题。本机器人的研究，扩展了机器人作业空间，在人不能到达或者不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。本机器人还可以还可以作业于工业中的一些险难作业，不仅可以提高产品的质量和产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意思。楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是最难跨越的障碍之一，爬楼梯机器人的研究是解决当前全自动机器人在非结构环境中正常工作的重要环节之一。爬楼机器人可应用于危险环境探查、侦查、救灾、导盲、助残、搬运、清扫、维修、安装等作业，其实际意思重大。

附图说明

图一：本发明的前车轮驱动，通过步进电机驱动，电机的输出轴通过联轴器与小车轮的中心齿轮连接，然后通过齿轮传动使得与其相邻啮合的齿轮转动，最终使得小车完成前进、后退等运动动作。

图二：本发明的后车轮驱动，驱动原理同前车轮相同，但是后车轮上有齿形带，保障小车在爬楼过程中重心的稳定性。小车上楼过程中，前轮跨越楼梯后，后轮还在下面的台阶上，后轮通过齿轮传动以及齿形带的传动，后轮在齿形带上向上运动，从而保障了重心的稳定性。小车下楼过程与上楼过程相反。

图三：本发明的杠杆连接，小车的两个前车轮和两个后车轮的两个车轮组之间通过杠杆连接，保证同步转动。

图四：本发明的红外检测装置，小车的顶部，感知小车四周的环境。

图五:本发明的装配装置总图。

具体实施方式

小车由电机带动转向，可实现原地零半径转向。小车的整体结构由两部分组成，包括位于小车中间部位的两个轮组驱动的主车架以及轮组机构。主车架由一根车轴以及辅助支撑部分组成。小车的控制部分固定于主车轴四周的支撑机构上，移动时和主轴一起旋转。轮组结构由两个双层的“y”型铝制支架构成，三个等长的轮辐互成120度夹角，如图一所示。主轴和用于越障的步进电机分别位于固定于轮辐的交点的内外侧。车轮的传动部位位于各轮辐的端点处，配合轮组的翻转与步进电机的配合实现小车的水平运动以及爬楼动作。

图一为小车前轮的电机驱动，齿轮1与步进电机相连接，然后通过齿轮传动将运动传递给与其相啮合的齿轮2、齿轮3以及齿轮4，然后齿轮2、3、4再次通过齿轮传动将运动分别传递给与其相啮合的齿轮5、6、7，最后齿轮5、6、7将运动分布传递给于其相连接的轮子8、9、10。

图二为小车后轮的电机驱动，1的机械结构与前车轮相似，2为齿形带，3为步进电机。

小车在水平面上运动时，以向前运动为例，步进电机输出力矩驱动齿轮1正向旋转，通过齿轮传动，使得与其相啮合的齿轮2、3、4反向旋转，再次通过齿轮传动，使齿轮5、6、7正向旋转，带动在地上的轮子8、9，最后使得小车向前运动。在水平面上向后运动与此相反。

当小车要翻越楼梯时，刚开始前车轮上的8、9轮子着地，遇到障碍物时，轮子8抵着障碍物，输出扭矩增大，前后车轮正向旋转，以前车轮为例，前车轮上的轮子9向前运动，越过障碍物到达上一层台阶，此时，通过后车轮在齿形带上向上运动，保证了小车的重心的稳定性，使得小车越过楼梯。

技术特征：

技术总结
本发明为一种四驱爬楼梯移动机器人，包括伺服电机、轮组、齿轮、齿形带、机械本体、控制系统、红外装置。伺服电机输出轴通过联轴器与齿轮轴相连，每个轮组上的齿轮相互啮合传递运动，两个前轮与两个后轮之间通过杠杆连接，后轮可在齿形带上运动。伺服电机驱动轮组转动以实现前进、后退、越障、爬楼等功能。当机器人在爬楼的过程中，前半部分到达上层台阶，前轮越过楼梯后，自身的重力上升，后半部分平台则通过齿形带的传动保持自身的重力，不至于失稳，最后越过楼梯，实现了爬楼的功能。本发明结构简单，性价比高，实用性强，运动速度快等优点。

技术研发人员：宁萌;徐斌;曹俊;王越峰;刘一帆;张秋菊;周景文
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：2017.04.24
技术公布日：2017.09.15