一种爬楼梯装置及系统的制作方法

本发明涉及运输机械领域，特指一种可爬楼梯的装置及系统。

背景技术：

长期以来，存在着老年人和行动不方便人士上下楼梯困难的问题，特别是我国各个城市目前存在大量未配套电梯的多层住宅楼，而且相当数量的老年人还只能继续住在其中的高层上；另外，即使配备升降直梯的高层住宅在遇到停电和电梯故障的时候，高层居住的这些人士更是难以出行。

该问题早已引起社会和政府的广泛关注，如多地政府提出为老旧小区的加装电梯项目提供优惠政策，各界人士也想办法、提方案，如提出楼梯改造、设计爬楼车及爬楼轮椅等办法，在大家的努力下设计出了多种爬楼梯装置。

然而目前所提出的方案在执行时都存在普及困难的问题。如投入使用的多种爬楼车及爬楼轮椅需要旁边有人辅助，如乘坐者自己操作则存在因楼梯窄小、转弯及换层较多而造成操作不便的问题，还有因楼梯陡、滑、与行人相互影响、动力不足、操作失误等情况极易引起安全事故。所以依据目前大多数爬楼梯装置采用的技术，在没有可靠的防跌落安全措施下，由老年人手动操作或驾驶爬楼车及爬楼轮椅上下多层楼梯的方式非常不安全，由此也使老年人和行动不方便人士上下楼梯困难的问题依旧没有得到根本地改变。

因此，本领域的技术人员一直努力致力于开发出一种运行平稳而安全可靠、操作简便、体形精巧且速度有保证的自动爬楼梯装置。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺少安全措施、爬楼操作繁琐的问题，本发明提供一种安全可靠、操作简便、体形精巧且速度有保证的爬楼梯装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种爬楼梯装置，包括设于爬楼梯装置本体上的主控模块、行进驱动机构、机器视觉识别系统、储能供能单元，主控模块分别连接机器视觉识别系统、行进驱动机构，储能供能单元为主控模块、机器视觉识别系统、行进驱动机构提供动力，其中：

所述行进驱动机构包括地面行进机构、攀爬机构，所述地面行进机构、攀爬机构连于爬楼装置本体；

所述攀爬机构包括机械臂部件和电控磁力吸盘，所述机械臂部件一端活动连于爬楼梯装置本体另一端连于所述电控磁力吸盘；

所述地面行进机构在主控模块的操控下带动所述爬楼梯装置本体在地面上行进，所述攀爬机构在主控模块的操控下带动所述爬楼梯装置实现攀爬楼梯功能；

所述机械臂部件在主控模块的操控下带动电控磁力吸盘与铁质板吸附，所述铁质板固定于楼梯表面或楼梯旁的墙面上，并且可以被磁铁磁化；

所述机器视觉识别系统用以采集楼梯台阶或行进路线周边环境物体的图像信息或光线反射信息并且将信息传送至主控模块，主控模块结合内部数据通过算法得到爬楼梯装置与楼梯台阶的距离、方位参数。

优选地，所述电控磁力吸盘为电磁吸盘或电控永磁吸盘中一种或两种。

优选地，所述爬楼梯装置还包括传感器模组，所述传感器模组包括行程开关、接近开关，所述行程开关、接近开关主体连于所述电控磁力吸盘。

优选地，所述爬楼梯装置还包括设于本体上的楼梯路径数据库模块，所述楼梯路径数据库模块连于主控模块，用于存储爬楼梯装置工作区域内楼梯台阶的外形数据、台阶序号、行进路线周边固定标志物体的外部特征信息。

优选地，所述爬楼梯装置还包括设置于爬楼梯装置本体上与主控模块相连的无线通信模块，所述主控模块可以通过所述无线通信模块以无线方式与爬楼梯装置外部终端通信，所述外部终端可以将外部设备采集到的数据或通过外部设备存储、计算得到的数据通过无线通讯模块传送至主控模块。

优选地，所述机器视觉识别系统还包括设置于爬楼梯装置本体上的乘载机构，所述乘载机构作为所述爬楼梯装置承载人或货物的设施。

优选地，一种爬楼梯系统，包括以上所述爬楼梯装置的任一项技术。

优选地，所述爬楼梯系统还包括agv导航模块，所述agv导航模块包括设于爬楼梯装置本体的导航数据处理单元及路径探测模块、设于各楼层的路径标识，所述导航数据处理单元、路径探测模块连于所述主控模块。

优选地，所述爬楼梯系统还包括用户调度终端，所述用户调度终端用于远程呼唤爬楼梯装置到达指定区域，并且还用于实时无线接收并显示爬楼梯装置的所在位置。

优选地，所述爬楼梯系统还包括设置于爬楼梯装置本体的人机界面模组，所述人机界面模组作为使用者与爬楼梯系统交互信息及输入目的地的终端。

本发明的突出优点在于：

(1)结构简单，体形精巧，与现有技术相比非常适应我国目前多层住宅普遍存在的楼道窄、转弯多状况。

(2)安全可靠，通过采用攀爬过程中电控磁力吸盘与预置铁质板时刻相连的方法，解决了同类产品的运行安全隐患问题。

(3)施工方便，如采用楼梯立面预置铁质板的方法，对原建筑的结构、功能、设施、产权以及其他住户生活不造成影响。

(4)造价低廉，主要部件为电子元件，未来量产可大幅度降低成本；改变一车一人模式，可以实现同楼梯通道各楼层住户共享，减少资源浪费。

(5)操作简便，可全程自动，实现“一键式”到达，解决了同类产品需要频繁操作的问题。

(6)快速平稳，攀爬楼梯时，采用楼梯路径数据库与视觉识别相结合方式，快速精准的识别保障了执行机构的高速平稳运行。

附图说明

图1是本发明第一实施例的爬楼梯装置及系统应用立体示意图。

图2是本发明第一实施例的爬楼梯装置的外形结构立体示意图。

图3是本发明第一实施例的爬楼梯装置的底部外形结构立体示意图。

图4是本发明第一实施例的爬楼梯装置及系统的功能框图。

图5是本发明第一实施例的爬楼梯系统用户调度终端的外形结构立体示意图。

图6是本发明第一实施例的爬楼梯系统用户调度终端的功能框图。

图7是本发明第一实施例的爬楼梯系统人机界面模组的外形结构立体示意图。

图8是本发明第一实施例的爬楼梯系统人机界面模组的功能框图。

图9是本发明第二实施例的爬楼梯装置的外形结构立体示意图。

图10是本发明第二实施例的爬楼梯装置的功能框图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

以下，将结合附图进一步详细说明本发明优选的实施例，实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

<第一实施例>

参考图1、图2、图3和图4，本发明第一实施例的爬楼梯装置及系统包括：爬楼梯装置本体100、安装在所述爬楼梯装置本体100上的乘载机构200、行进驱动机构400、主控模块500、机器视觉识别系统600、传感器模组700、储能供能单元800，固定安装于楼梯表面上的铁质板91、固定安装于楼梯平层的铁质板92，主控模块500上分别连接有机器视觉识别系统600、传感器模组700、行进驱动机构400，储能供能单元800为整个爬楼梯装置提供动力。

行进驱动机构400包括地面行进机构45、攀爬机构41，攀爬机构41包括机械臂机构411与412和升降推杆组413与414。

行进驱动机构有两种工作模式：模式一，地面行进机构45在主控模块500的操控下在地面上带动整个所述爬楼梯装置行进；模式二，攀爬机构41在主控模块500的操控下带动所述爬楼梯装置攀爬楼梯。

所述机器视觉识别系统600作用为采集楼梯或行进路线周边固定物体的图像信息并将特征数据传送至主控模块500，固定物体包括所述铁质板、楼梯台阶、设于墙面的标识，所述机器视觉识别系统600与激光雷达配合还可以获得特征点相对于爬楼梯装置的坐标位置参数；

参考图2、图3，第一实施例中所述机械臂机构411与机械臂机构412包括旋转电机423、424，并且各有一只电动推杆425，升降推杆组413与414各有2只电动推杆426，主控模块500通过控制储能供能单元800向旋转电机423与424、电动推杆425、426提供电能及改变供电电路极性方向来操控机械臂机构、升降推杆组的动作。

参考图2，第一实施例中攀爬机构41共包括2组电控磁力吸盘：电控磁力吸盘421与电控磁力吸盘422。机械臂机构411与机械臂机构412一端连于爬楼梯装置本体上，另一端通过旋转电机423、424分别与电控磁力吸盘421、422相连。所述主控模块500控制储能供能单元800为电控磁力吸盘421与电控磁力吸盘422供电。

参考图2、图3、图4，第一实施例中所述地面行进机构45为行进小车，所述地面行进机构45设置于爬楼梯装置本体100下方，由一个可转向驱动轮451与2个从动轮452组成，用于在主控模块操控下在地面上行进；

参考图2、图4，机器视觉识别系统600包括安装于爬楼梯装置本体100上的工业相机61和激光雷达62及视觉数据处理模块63，工业相机61与视觉数据处理模块63相连，视觉数据处理模块63、激光雷达62与主控模块500相连。

在第一实施例中，所述电控磁力吸盘为电控永磁吸盘，即在向电控永磁吸盘通电后内部磁场抵消，吸附面磁场极小至吸附力可忽略，断电后吸附面磁场随即恢复最大状态。第一实施例中优选的电控永磁吸盘的单只规格为：外形尺寸180*120*70mm(高*宽*厚),电源24vdc,最大吸力2160kg，采用永磁体的电控永磁吸盘可以长久吸附在铁质板上时不消耗电力。

参考图2、图4，传感器模组700包括行程开关72、接近开关73，所述行程开关72、接近开关73主体安装于所述电控磁力吸盘上的安装孔内，检测端方向朝向所述电控磁力吸盘吸附面，所述接近开关73作用为确认所述电控磁力吸盘是否已经对正在所述铁质板上，所述行程开关72的作用为确认所述电控磁力吸盘是否与所述铁质板紧密吸附。

参考图4，爬楼梯装置还包括设于本体上的楼梯路径数据库模块1300，所述楼梯路径数据库模块1300连于主控模块500，其作用为按路径顺序存储爬楼梯装置工作区域内固定物体的外形特征，包括各楼梯台阶的外形尺寸、台阶序号、所述铁质板91、铁质板92、标识物外部特征及位置信息。

参考图1、图2、图3和图4，爬楼梯装置还包括agv导航模块1000，所述agv导航模块1000包括：设于爬楼梯装置本体的导航数据处理单元101及磁感应传感器102、设于各楼层的磁钉103，导航数据处理单元101、磁感应传感器102连于所述主控模块500。

参考图1、图4、图5、图6，爬楼梯装置还包括用户调度终端1100，所述用户调度终端包括安装于各楼层的盒体111、设于盒体表面上的按键112、固定安装于盒体内的无线收发模块113、数据处理模块114、显示模块115，用户调度终端1100由电池提供电力；爬楼梯装置本体上设置有无线通信模块11，无线通信模块11与所述无线收发模块113间进行数据传送，无线收发模块113、显示模块115、按键112连于数据处理模块114；按键112用于用户召唤爬楼梯装置至所在楼层，显示模块115用于为操作者显示爬楼梯装置所在位置。

参考图1、图2、图4和图7、图8，爬楼梯装置还包括设于爬楼梯装置本体上的人机界面模组1200，所述人机界面模组1200包括：壳体121、设于壳体表面上的按键组122及急停开关123、固定安装于壳体内的数据处理模块124及显示模块125，按键组122、急停开关123、显示模块125连于数据处理模块124，人机界面模组1200由储能供能单元800供电。人机界面模组1200用于操作者输入目的地代码或实施急停、报警等简单操作以及维护修理人员维护、设置参数使用。

根据第一实施例的爬楼梯装置及系统的运行方法，包括如下步骤：

步骤一.当需要使用爬楼梯装置上下楼梯时，使用者按下其所在楼层的用户调度终端1100上的按键112；

步骤二.数据处理模块114接收到按键112所发信号，根据其内部存储的各爬楼装置的状态与位置信息进行匹配计算，然后呼叫匹配的爬楼装置并将楼层号编码通过无线收发模块113以无线方式发送出去；

步骤三.无线通信模块11接收到该楼层号编码并传递给主控模块500，如此时爬楼梯装置处于待机状态，则主控模块500结合agv导航模块1000及楼梯路径数据库模块1300提供的数据获得到达使用者指示楼层的航向信息；

步骤四.如爬楼装置在平地状态，所述行进驱动机构400在主控模块500的操控下在地面上带动整个爬楼梯装置根据agv导航模块1000导引航向行进，如超声波测距传感器71感知到前方有障碍物则主控模块500操控行进驱动机构400停止运行；

步骤五.当运行到楼梯前位置，agv导航模块1000中的磁感应传感器102感知到地下埋置的磁钉103所在位置，若该磁钉位置为楼梯前的特征点，则主控模块指示行进驱动机构进入上下楼模式；导航数据处理单元101根据磁感应传感器102与磁钉103偏移情况计算出新航向信息，并将航向信息传递给主控模块500，主控模块500操控地面行进机构45按航向信息调整位置以消除路径偏差；

主控模块500根据agv导航模块1000提供的此地磁钉103编号调取楼梯路径数据库模块1300中该位置标志物对应的坐标信息，根据此坐标信息主控模块操控地面行进机构45使工业相机61镜头朝向铁质板91方向，机器视觉识别系统600开启，工业相机61获得铁质板91与周围楼梯的影像信息，激光雷达62测得的与特征点距离数据，主控模块500根据计算得出目标特征点相对于爬楼装置的坐标数据，主控模块500根据该坐标数据操控升降推杆组431、432和地面行进机构45进行伸缩与移动动作，使电控磁力吸盘421、422正对铁质板91并且保持在机械臂机构的行程范围内；

步骤六.主控模块500操控机械臂机构411、412带动电控磁力吸盘421、422移动到铁质板91上并贴紧，行程开关72在铁质板91的推挤下置位，接近开关73感知到铁质板91的存在后置位，主控模块得到每个吸盘上的2个开关置位信号后判断吸盘与铁质板91已经准确对齐并贴紧，主控模块500操控储能供能单元800切断电控磁力吸盘电源，使电控磁力吸盘对外恢复输出强磁场并吸附于铁质板91表面上；

步骤七.当电控磁力吸盘421、422与铁质板91牢固吸附后，主控模块500先操控升降推杆组431、432收缩上移至台阶上方，然后操控机械臂机构411、412收缩，从而使爬楼装置到达上一层楼梯上，完成一层台阶的攀爬动作；

步骤八.根据上述方法，爬楼装置连续攀爬楼梯，主控模块500将已攀爬过的台阶数量及爬楼梯装置所在楼层序号通过无线方式发送至用户调度终端1100，供显示模块115显示，此外主控模块500还将攀爬楼梯台阶数量与楼梯路径数据库模块1300记录的数量比较，当数量相等时主控模块500判断为到达平层；攀爬最后一级台阶前主控模块500操控旋转电机423、424带动电磁吸盘421、422旋转90度，然后通过使机械臂机构411与412伸长将电控磁力吸盘与水平安装于平层的铁质板92相对并吸附，随后通过收缩升降推杆组、机械臂机构动作带动爬楼梯装置到达平层；

步骤九.主控模块根据agv导航模块1000的航向信息进行判断，如未到达目的地，爬楼梯装置连续执行步骤四至步骤九直至到达使用者所指示楼层；

步骤十.使用者踏上或仅将需搬运物放置在乘载机构200上，通过在人机界面模组1200上的按键组122输入目的地代码，主控模块得到编码后进行路径计算，然后从步骤四开始执行；

步骤十一.爬楼梯装置在平层与楼梯间交替运行直至到达人机界面模组1200指示的地点。

综合以上第一实施例的说明介绍得知，爬楼梯装置与外部设施已经有序结合起来，各部分各自独立设置且相互配合，分工明确，共同实现爬楼功能，因此已构成一套完整的爬楼梯系统。

在第一实施例中，行进驱动机构400的攀爬楼梯功能由2个机械臂机构带动2个电控磁力吸盘与升降推杆组交替动作来实现。

<第二实施例>

参考图9、图10，在本申请第二实施例中包括连于主控模块500的行进驱动机构300，行进驱动机构300包括设置于爬楼梯装置本体下方的橡胶履带车36，一端连于爬楼梯装置本体上的机械臂机构311与机械臂机构312，设置于爬楼梯装置本体两侧的爬升臂37，其中：橡胶履带车36既有在地面行走功能，还有与爬升臂37组合完成爬楼梯的功能。

参考图9，机械臂机构311或312各包括3个关节323，通过3个关节转动角度变化相互配合完成机械臂机构相对于爬楼梯装置本体位置的前伸、后缩、上升、下降动作，关节的动力装置为由减速机、马达、制动器组合而成的关节模组。

参考图9、图10，电控磁力吸盘321与电控磁力吸盘322分别连接于机械臂机构311与机械臂机构312上，主控模块500控制储能供能单元800向电控磁力吸盘321与电控磁力吸盘322供电；

电控磁力吸盘在第二实施例为电磁吸盘方式，即在向电磁盘通电后电场转换为强磁场，断电后磁场随即基本消失。本实施例中采用的电磁吸盘单只规格为：外形尺寸120*120*30mm(高*宽*厚),电源24vdc,功率18w,最大吸力220kg。

第二实施例中行进驱动机构300具体行进方法为：地面行驶时，主控模块500操控橡胶履带车36行进；上或下楼梯时，主控模块500操控爬升臂37、橡胶履带车36同时运行、相互配合的方式来完成上下楼梯动作。

爬楼梯装置每上或下一层台阶前，由一台机械臂机构先带动一只吸盘完成吸附一块铁质板动作，然后待爬升臂37、橡胶履带车36启动后，主控模块500通过操控这台机械臂的3个制动器使3个关节处于自由随动状态，并且跟随爬楼梯装置运动，另一台机械臂则带动另一只吸盘伸向下一台阶的铁质板；

参考图10，agv导航模块1000还包括三轴加速度传感器104，三轴加速度传感器104设置在爬楼梯装置本体上并且与主控模块500相连，当主控模块500根据从三轴加速度传感器104获得的信号运算得出爬楼梯装置的倾斜角度或倾斜加速度大于预设阈值，则主控模块500进入失稳处理模式；

在失稳处理模式下，主控模块500操控正处于吸附状态电磁吸盘所连机械臂机构的3个关节的制动器锁紧，即用硬连接方式使爬楼梯装置企稳，。

当主控模块500通过加速度传感器104、机器视觉识别系统600、传感器模组700检测后判断爬楼梯装置企稳并可以继续行进后，主控模块500通过操控爬升臂37、橡胶履带车36的位置和机械臂机构的各个关节模组角度来调整爬楼梯装置的姿态，各参数达到正常后，主控模块退出失稳处理模式并继续完成上或下楼动作。

在第二实施例中行进驱动机构300的攀爬楼梯功能由橡胶履带车36与爬升臂37配合实施，机械臂机构与电控磁力吸盘作为爬楼梯装置运行时的安全设施。

本第二实施例未描述的其他部分可相应参考其他实施例，本第二实施例不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求书为准。