一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人及其爬升方法
【专利摘要】本发明属于智能机器人领域，具体的说，涉及一种运用卡爪机构和翻滚的工作方式进行高效楼梯爬升的机器人及其爬升方法。其包括卡爪机构、重力调节机构、翻滚机构、爬升主体、爬升副体、控制机构、电源，所述卡爪机构设置有多组，所述卡爪机构分别固定安装在所述爬升主体和爬升副体的边缘，所述爬升主体与爬升副体之间通过卡爪机构相连接。本发明利用卡爪机构，并且通过爬升主体和爬升副体的相互咬合实现两机械结构的卡紧和分离运动，最终实现了两机械结构的交替工作。
【专利说明】
一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人及其爬升方法
技术领域
[0001]本发明属于智能机器人领域，具体的说，涉及一种运用卡爪机构和翻滚的工作方式进行高效楼梯爬升的机器人及其爬升方法。
【背景技术】
[0002]对于残疾人来说，上下楼梯是一项非常艰难的任务，尤其是当身边没有亲人的帮助时；而对于当前热门的楼道清扫机器人，对于楼梯的清理亦是一项艰难的任务。当前，由于楼梯的高度、宽度不规则，因此对于研制通用的楼梯爬升机器人带来诸多挑战；同时，由于对于爬楼机器人的研究历史较短，尽管专家、工程师等先后提出了各种各样的机构。如行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机构式等，但是这些机构都不能很好的解决楼梯爬升问题，各有各自的弊端和不足。
[0003]专利201210116810.4公布了一种升降伸缩式楼道清洁机器人，运用升降导轨、纵向齿条、第一滑条等机构，通过齿轮的啮合实现下底板的前端运动，并利用设置的水平滚动刷子，水和吸尘器，实现楼道的清洁。机械结构结构合理，工作性能好，但是该机构只是使用水平的楼道垃圾清理，并不适合楼梯的垃圾清理工作。
[0004]专利2010239967.0公布了一种新型的楼梯快捷清洁装置，具体涉及机械设备技术领域。清洁装置本体的下端两侧设置有十字型爬坡轮，清洁装置本体的下端中间设置有圆形清洁辊，圆形清洁辊的上端与传动连接轴连接，其实质为行星轮式结构，实现楼梯的爬升，但是该结构只能适应特定的楼梯，且机器在楼梯爬升时，极易发生打滑情况，工作范围狭窄，效率低。
[0005]专利201520290569.6则公布了一种多脚结构的楼梯清扫的保洁机器人，包括机器人壳体和设置在机器人壳体下表面的运动总成，其中运动总成包括N个行走脚，行走脚包括可伸缩的柱塞套装件和与柱塞套装件连接的脚垫等。行走脚表面设有用于推动行走脚移动的正向气缸、以及用于推动行走脚朝反方向移动的反向气缸。该机器可替代工人完成楼梯的清洗清洁工作但是该机器的行走脚较多，体积庞大，对于狭窄楼梯的爬升和清理非常有限，且由于靠气缸控制行走脚，使得动行走脚的动作时间过长，效率太低。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，提供提供一种由卡爪机构、重力调节机构、翻滚机构、爬升主体、爬升副体、控制机构、驱动机构组成的卡爪翻滚式楼梯爬升机器人。
[0007]通过控制爬升主体和爬升副体的卡紧和分离运动，从而实现爬升主体和爬升副体的交替翻滚，实现了对楼梯安全、高效和低成本爬升任务，解决了当前楼梯爬升存在的结构复杂、效率低下的问题，本发明的技术方案如下:
[0008]—种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人，包括:卡爪机构1、重力调节机构2、翻滚机构3、爬升主体4、爬升副体5、控制机构6、电源7组成，所述卡爪机构I设置有多组，所述卡爪机构I分别固定安装在所述爬升主体4和爬升副体5的边缘，所述爬升主体4与爬升副体5之间通过卡爪机构I相连接，所述重力调节机构2分布于所述爬升主体4和爬升副体5的侧面，所述翻滚机构3固定在所述卡爪机构I上，所述控制机构6和电源7均设置在所述爬升主体4和爬升副体5的内部。
[0009]所述卡爪机构I包括:卡爪横轴11、卡爪轴承12、卡爪主体13、卡爪副体19、卡爪主齿轮14、卡爪副齿轮18、卡爪触碰传感器15、卡爪驱动步进电机16、横轴轴承17、卡爪驱动步进电机齿轮110。
[0010]通过卡爪机构I和卡爪横轴11、卡爪轴承12之间的卡紧和分离作用，实现爬升主体5和爬升副体6两个机构之间的卡紧和分离。所述卡爪横轴11共有8根，分为两组，分别固定在爬升主体4的横向四条边界线上，同时也设置于爬升副体5的横向四条边界上，每个卡爪横轴11上两端设置有两个横轴轴承17，横轴轴承17内圈和卡爪横轴11连接，外圈裸露，供卡爪主体13和卡爪副体19夹持使用。每个卡爪横轴11上两端还设置有两个卡爪轴承12，卡爪轴承12的内圈和卡爪横轴11连接，外圈和卡爪本体13的末端连接，并且卡爪主体13、卡爪副体19的末端和卡爪轴承12外圈连接的部位设置有卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15，卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15通过齿轮啮合连接，卡爪主齿轮14的转动可以直接带动卡爪副齿轮15的转动，由于卡爪主齿轮14和卡爪副齿轮15是齿轮机械啮合在一起，其中一个的转动会带动另一个的相对转动，因此卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15要么相向运动，要么相离运动；因此卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15的转动也间接带动了卡爪主体13和卡爪副体19的卡紧和分离运动。
[0011 ] 卡爪主体13和卡爪副体19之间的内侧安装有卡爪触碰传感器15，用于检测卡爪主体13和卡主副体19之间有无物体碰撞。
[0012]卡爪驱动步进电机16安装在爬升主体4内侧，其转轴设置有和卡爪主齿轮14配套的卡爪驱动步进电机齿轮110，并且通过齿轮啮合，卡爪驱动步进电机16的转动可以带动卡爪驱动步进电机齿轮110的转动，进而带动卡爪主齿轮14的转动，最后带动卡爪副体19的转动，效果为:卡爪主体13和卡爪副体19之间的卡紧和分离。需要说明的是:为了减小由于卡爪机构I在进行卡紧时对卡爪横轴11的摩擦力，卡爪主体13和卡爪副体19卡紧时，实质为卡紧的为对方的卡爪横轴11上的横轴轴承17，而不是单纯的卡爪横轴11。
[0013]所述重力调节机构2包括:滚珠丝杠滑台21、重力块22;所述滚珠丝杠滑台21为普通的滑台，结构不再赘述，设置在爬升主体4和爬升副体5内部的纵向方向上。重力块22的作用为调节爬升主体4和爬升副体5的重心位置，重力块22设置在滚珠丝杠滑台21的滑块上。重力调节机构同样分别安装在爬升主体4和爬升副体5的内部，作用为:实时调节爬升主体4和爬升副体5的重心位置，当时爬升主体4或爬升副体5运动时，始终保证翻滚的某一个爬升体的重心尽量靠近爬升主体4和爬升副体5两爬升体的重心位置处，增加机器人运动中稳定性。
[0014]所述翻滚机构3包括:翻滚步进电机齿轮、翻滚主齿轮32、翻滚副齿轮33、翻滚步进电机34。
[0015]所述翻滚主齿轮32直接固定在爬升主体4的卡爪横轴11，翻滚副齿轮33。
[0016]翻滚步进电机34的转轴设置有和翻滚主齿轮32啮合的翻滚步进电机齿轮，翻滚主齿轮32安装在爬升主体4所在的卡爪横轴11上，翻滚副齿轮33安装在爬升副体5所在的卡爪横轴11上，同时当爬升主体4所在的卡爪机构I和爬升副体5所在卡爪机构I相互卡紧时，翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33也正好卡紧。翻滚步进电机34转动，带动翻滚步进电机齿轮转动，由于翻滚步进电机齿轮和翻滚主齿轮32啮合，进而带动翻滚主齿轮32的转动，并且由于翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33的啮合，最终带动翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33的相向或相离运动。
[0017]所述爬升主体4包括:爬升主体支架41。爬升主体支架41为方形支架结构，爬升主体4的横向四条边界线上设置有突出的支撑结构，用于安装固定4根卡爪横轴11。
[0018]所述爬升副体5包括:爬升副体支架51。同样的，爬升副体支架51也为方形支架结构，爬升副体5的横向四条边界线上设置有突出的支撑结构，用于安装固定4根卡爪横轴11。
[0019]所述控制机构6包括:控制器61、翻滚步进电机驱动器62、卡爪步进电机驱动器63和滑台步进电机驱动器64。控制器负责楼梯爬升机器人的所有的控制指令的发送和信息的融合，翻滚步进电机驱动器62用于驱动翻滚步进电机34，卡爪步进电机驱动器63用于驱动卡爪驱动步进电机16，滑台步进电机驱动器64用于驱动重力调节机构2中的滚珠丝杠滑台
21ο
[0020]所述电源7包括:锂电池71。作用是:为楼梯爬升机器人提供所有的电源动力。
[0021]本发明的有益效果是:
[0022]本发明巧妙利用了卡爪机械结构和翻滚工作方式，通过设置了爬升主体、爬升副体实现两个机械结构的翻滚工作，与人的上下台阶动作相似，效率很高。
[0023]本发明利用卡爪机构，并且通过爬升主体和爬升副体的相互咬合实现两机械结构的卡紧和分离运动，最终实现了两机械结构的交替工作。
[0024]本发明利用重力调节机构，在机器人工作过程中实时调节爬升主体和爬升副体的重心位置，增加了机器人在爬升过程中的稳定性。
【附图说明】
[0025]附图1为本发明的整体结构示意图。
[0026]附图2为本发明的立体结构示意图。
[0027]附图3为本发明的左视结构示意图。
[0028]附图4为本发明的仰视结构示意图。
[0029]附图5为本发明的局部结构示意图。
[0030]附图6为本发明的局部结构示意图。
【具体实施方式】
[0031 ]以下结合附图对本发明做进一步详细的说明:
[0032]实施例1
[0033]如图1所示，一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人，包括:卡爪机构1、重力调节机构2、翻滚机构3、爬升主体4、爬升副体5、控制机构6、电源7组成，所述卡爪机构I设置有多组，所述卡爪机构I分别固定安装在所述爬升主体4和爬升副体5的边缘，所述爬升主体4与爬升副体5之间通过卡爪机构I相连接，所述重力调节机构2分布于所述爬升主体4和爬升副体5的侧面，所述翻滚机构3固定在所述卡爪机构I上，所述控制机构6和电源7均设置在所述爬升主体4和爬升副体5的内部。
[0034]如图1-6所示，所述卡爪机构I包括:卡爪横轴11、卡爪轴承12、卡爪主体13、卡爪副体19、卡爪主齿轮14、卡爪副齿轮18、卡爪触碰传感器15、卡爪驱动步进电机16、横轴轴承17、卡爪驱动步进电机齿轮110;
[0035]所述卡爪机构I设置有多组，通过卡爪机构I和卡爪横轴11、卡爪轴承12之间的卡紧和分离作用，实现爬升主体5和爬升副体6两个机构之间的卡紧和分离。所述卡爪横轴11共有8根，分为两组，分别固定在爬升主体4的横向四条边界线上，同时也设置于爬升副体5的横向四条边界上，每个卡爪横轴11上两端设置有两个横轴轴承17，横轴轴承17内圈和卡爪横轴11连接，外圈裸露，供卡爪主体13和卡爪副体19夹持使用。每个卡爪横轴11上两端还设置有两个卡爪轴承12，卡爪轴承12的内圈和卡爪横轴11连接，外圈和卡爪本体13的末端连接，并且卡爪主体13、卡爪副体19的末端和卡爪轴承12外圈连接的部位设置有卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15，卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15通过齿轮啮合连接，卡爪主齿轮14的转动可以直接带动卡爪副齿轮15的转动，由于卡爪主齿轮14和卡爪副齿轮15是齿轮机械啮合在一起，其中一个的转动会带动另一个的相对转动，因此卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15要么相向运动，要么相离运动；因此卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15的转动也间接带动了卡爪主体13和卡爪副体19的卡紧和分离运动。
[0036]卡爪主体13和卡爪副体19之间的内侧安装有卡爪触碰传感器15，用于检测卡爪主体13和卡主副体19之间有无物体碰撞。
[0037]卡爪驱动步进电机16安装在爬升主体4内侧，其转轴设置有和卡爪主齿轮14配套的卡爪驱动步进电机齿轮110，并且通过齿轮啮合，卡爪驱动步进电机16的转动可以带动卡爪驱动步进电机齿轮110的转动，进而带动卡爪主齿轮14的转动，最后带动卡爪副体19的转动，效果为:卡爪主体13和卡爪副体19之间的卡紧和分离。需要说明的是:为了减小由于卡爪机构I在进行卡紧时对卡爪横轴11的摩擦力，卡爪主体13和卡爪副体19卡紧时，实质为卡紧的为对方的卡爪横轴11上的横轴轴承17，而不是单纯的卡爪横轴11。
[0038]如图1-5所示，所述重力调节机构2包括:滚珠丝杠滑台21、重力块22;所述滚珠丝杠滑台21为普通的滑台，结构不再赘述，设置在爬升主体4和爬升副体5内部的纵向方向上。重力块22的作用为调节爬升主体4和爬升副体5的重心位置，重力块22设置在滚珠丝杠滑台21的滑块上。重力调节机构同样分别安装在爬升主体4和爬升副体5的内部，作用为:实时调节爬升主体4和爬升副体5的重心位置，当时爬升主体4或爬升副体5运动时，始终保证翻滚的某一个爬升体的重心尽量靠近爬升主体4和爬升副体5两爬升体的重心位置处，增加机器人运动中稳走性O
[0039]如图1-6所示，所述翻滚机构3包括:翻滚步进电机齿轮、翻滚主齿轮32、翻滚副齿轮33、翻滚步进电机34、
[0040]翻滚步进电机34的转轴设置有和翻滚主齿轮32啮合的翻滚步进电机齿轮，翻滚主齿轮32安装在爬升主体4所在的卡爪横轴11上，翻滚副齿轮33安装在爬升副体5所在的卡爪横轴11上，同时当爬升主体4所在的卡爪机构I和爬升副体5所在卡爪机构I相互卡紧时，翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33也正好卡紧。翻滚步进电机34转动，带动翻滚步进电机齿轮转动，由于翻滚步进电机齿轮和翻滚主齿轮32啮合，进而带动翻滚主齿轮32的转动，并且由于翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33的啮合，最终带动翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33的相向或相离运动。
[0041]所述爬升主体4包括:爬升主体支架41。爬升主体支架41为方形支架结构，爬升主体4的横向四条边界线上设置有突出的支撑结构，用于安装固定4根卡爪横轴11。
[0042]所述爬升副体5包括:爬升副体支架51。同样的，爬升副体支架51也为方形支架结构，爬升副体5的横向四条边界线上设置有突出的支撑结构，用于安装固定4根卡爪横轴11。
[0043]所述控制机构6包括:控制器61、翻滚步进电机驱动器62、卡爪步进电机驱动器63、滑台步进电机驱动器64。控制机构6固定安装在爬升主体4上；卡爪步进电机驱动器63同时也固定安装在爬升副体5上。
[0044]控制器负责楼梯爬升机器人的所有的控制指令的发送和信息的融合，翻滚步进电机驱动器62用于驱动翻滚步进电机34，卡爪步进电机驱动器63用于驱动卡爪驱动步进电机16。
[0045]所述电源7包括:锂电池71。锂电池71固定安装在爬升主体4上，同时也固定安装在爬升副体5上。锂电池71的作用是:为楼梯爬升机器人提供所有的电源动力。
[0046]本发明不仅提出了一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人的机械机构，还提出了相应的工作方法。
[0047]步骤1:控制器61控制卡爪步进电机驱动器63驱动卡爪驱动步进电机16正向运动；由于卡爪机构I设置有多组，通过卡爪机构I和卡爪横轴U、卡爪轴承12之间的卡紧和分离作用，实现爬升主体5和爬升副体6两个机构之间的卡紧和分离。并且卡爪横轴11共有8根，分为两组，分别固定在爬升主体4的横向四条边界线上，同时也设置于爬升副体5的横向四条边界上，通过
【发明内容】
中所述的，由于卡爪轴承12外圈连接的部位设置有卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15，卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15通过齿轮啮合连接，卡爪驱动步进电机16的运动，可以带动卡爪主齿轮14的转动可以直接带动卡爪副齿轮15的转动，由于卡爪主齿轮14和卡爪副齿轮15是齿轮机械啮合在一起，其中一个的转动会带动另一个的相对转动，因此卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15实现了相向运动；因此卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15的转动也间接带动了卡爪主体13和卡爪副体19的卡紧。即:爬升主体5中其中一条卡爪横轴上的卡爪主体13和卡爪副体19夹持住爬升副体6中其中一条卡爪横轴上的横轴轴承17。
[0048]步骤2:相应的，爬升副体6中其中一条卡爪横轴上的卡爪主体13和卡爪副体19也夹持住爬升主体5中其中一条卡爪横轴上的横轴轴承17。效果为，爬升主体5和爬升副体6实现了靠近和卡紧。
[0049]步骤3:经过步骤2中的爬升主体5和爬升副体6靠近和卡紧，由于卡爪主体13和卡爪副体19之间的内侧安装有卡爪触碰传感器15，可以检测到卡爪主体13和卡主副体19之间有无物体碰撞，若有碰撞，则控制器61控制卡爪步进电机驱动器63停止卡爪驱动步进电机16的运动，否则继续驱动卡爪驱动步进电机16运动，使得卡爪主体13和卡爪副体19之间角度继续缩小，最终卡紧。
[0050]步骤4:经过步骤3中的爬升主体5和爬升副体6最终靠近和卡紧，此时由于翻滚步进电机34的转轴设置有和翻滚主齿轮32啮合的翻滚步进电机齿轮，翻滚主齿轮32安装在爬升主体4所在的卡爪横轴11上，翻滚副齿轮33安装在爬升副体5所在的卡爪横轴11上，同时当爬升主体4所在的卡爪机构I和爬升副体5所在卡爪机构I相互卡紧时，翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33也正好卡紧。即:此时的状态为翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33卡紧，可以进行机械齿轮啮合动作。
[0051]步骤5:在进行下一步动作前，控制器61控制滑台步进电机驱动器64驱动滚珠丝杠滑台21，进而带动重力块22运动，由于滚珠丝杠滑台21设置在爬升主体4和爬升副体5内部的纵向方向上。重力块22的作用为调节爬升主体4和爬升副体5的重心位置，重力块22设置在滚珠丝杠滑台21的滑块上。重力调节机构同样分别安装在爬升主体4和爬升副体5的内部，当爬升副体5向爬升主体4上方爬升时，控制器61控制爬升主体4上的滑台步进电机驱动器64驱动滚珠丝杠滑台21，进而带动重力块22向正方向运动，此时爬升主体4上的重心前移；同时控制器61控制爬升副体5上的滑台步进电机驱动器64驱动滚珠丝杠滑台21，进而带动重力块22向正方向运动，此时爬升副体5上的重心也前移。效果为:实时调节爬升主体4和爬升副体5的重心位置，当时爬升副体5向爬升主体4运动时，尽量保证机器人的整体重心处于爬升主体4的位置而不是爬升副体5的位置，从而增加机器人运动中稳定性。
[0052]步骤6:控制器61控制翻滚步进电机驱动器62驱动翻滚步进电机34正向转动，进而带动翻滚步进电机齿轮转动，由于翻滚步进电机齿轮和翻滚主齿轮32啮合，进而带动翻滚主齿轮32的转动，并且由于翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33的啮合，最终带动翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33的相向运动。由于经历了步骤5中的重力调节，此时的重心处于爬升主体4上，因此在齿轮啮合带动作用下，爬升主体4带动爬升副体5转动，S卩:爬升副体5向爬升主体4翻转。
[0053]步骤7:爬升副体5向爬升主体4翻转后，最终的效果为:爬升副体5处于爬升主体4的正上方，卡爪机构I设置有多组，即:新结合的卡紧部位重新重复步骤1、步骤2和步骤3。旧结合的部位的分离流程为:控制器61控制卡爪步进电机驱动器63驱动卡爪驱动步进电机16反向运动;通过
【发明内容】
中所述的，由于卡爪轴承12外圈连接的部位设置有卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15，卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15通过齿轮啮合连接，卡爪驱动步进电机16的运动，可以带动卡爪主齿轮14的转动可以直接带动卡爪副齿轮15的转动，由于卡爪主齿轮14和卡爪副齿轮15是齿轮机械啮合在一起，其中一个的转动会带动另一个的相对转动，因此卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15实现了相离运动；因此卡爪主齿轮14和卡主副齿轮15的转动也间接带动了卡爪主体13和卡爪副体19的分离。即:爬升主体5中其中一条卡爪横轴上的卡爪主体13和卡爪副体19由原来的夹持状态变为舒张状态，使得爬升主体5上的卡爪横轴11和爬升副体6上的卡爪横轴11分离。
[0054]步骤8:重复步骤1-7，可以实现连续的爬升副体5向爬升主体4翻转，进而实现机器人的连续翻越楼梯爬升。
[0055]步骤9:相反的，对于机器人下楼过程，与上述步骤1-7的方式基本相同，只是对于上述步骤5中的重力调节机构不同，即:相反的，当爬升主体4向爬升副体5上方爬升时，控制器61控制爬升主体4上的滑台步进电机驱动器64驱动滚珠丝杠滑台21，进而带动重力块22向反方向运动，此时爬升主体4上的重心后移；同时控制器61控制爬升副体5上的滑台步进电机驱动器64驱动滚珠丝杠滑台21，进而带动重力块22向反方向运动，此时爬升副体5上的重心也后移。效果为:实时调节爬升主体4和爬升副体5的重心位置，当时爬升主体4向爬升副体5运动时，尽量保证机器人的整体重心处于爬升副体5的位置而不是爬升主体4的位置，从而增加机器人运动中稳定性。
[0056]另外，对于翻滚机构3的动作也正好相反，如步骤6中所述的，即:控制器61控制翻滚步进电机驱动器62驱动翻滚步进电机34反向转动，进而带动翻滚步进电机齿轮转动，由于翻滚步进电机齿轮和翻滚主齿轮32啮合，进而带动翻滚主齿轮32的转动，并且由于翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33的啮合，最终带动翻滚主齿轮32和翻滚副齿轮33的相离运动。由于经历了步骤5中的重力调节，此时的重心处于爬升副体5上，因此在齿轮啮合带动作用下，爬升副体5带动爬升主体4转动，S卩:爬升主体4向爬升副体5翻转。重复上述步骤，可以实现连续的爬升主体4向爬升副体5翻转，进而实现机器人的连续翻越楼梯下降。即:步骤1-9为完整的机器人实现楼梯爬升和下降的步骤和方法。
[0057]上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本
【发明内容】
的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人，其特征为:包括卡爪机构、重力调节机构、翻滚机构、爬升主体、爬升副体、控制机构、电源，所述卡爪机构设置有多组，所述卡爪机构分别固定安装在所述爬升主体和爬升副体的边缘，所述爬升主体与爬升副体之间通过卡爪机构相连接，所述重力调节机构分布于所述爬升主体和爬升副体的侧面，所述翻滚机构固定在所述卡爪机构上，所述控制机构和电源均设置在所述爬升主体和爬升副体的内部。2.如权利要求1所述的一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人，其特征在于:所述卡爪机构包括卡爪横轴、卡爪轴承、卡爪主体、卡爪副体、卡爪主齿轮、卡爪副齿轮、卡爪触碰传感器、卡爪驱动步进电机、横轴轴承、卡爪驱动步进电机齿轮，所述卡爪横轴共有根，分为两组，分别固定在爬升主体的横向四条边界线上，同时也设置于爬升副体的横向四条边界上。3.如权利要求1所述的一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人，其特征在于:所述重力调节机构包括滚珠丝杠滑台、重力块。4.如权利要求1所述的一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人，其特征在于:所述翻滚机构包括翻滚步进电机齿轮、翻滚主齿轮、翻滚副齿轮、翻滚步进电机。5.如权利要求2所述的一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人，其特征在于:通过卡爪机构和卡爪横轴、卡爪轴承之间的卡紧和分离作用，实现爬升主体和爬升副体两个机构之间的卡紧和分离;每个卡爪横轴上两端设置有两个横轴轴承，横轴轴承内圈和卡爪横轴连接，外圈裸露，供卡爪主体和卡爪副体夹持使用;每个卡爪横轴上两端还设置有两个卡爪轴承，卡爪轴承的内圈和卡爪横轴连接，外圈和卡爪本体的末端连接，并且卡爪主体、卡爪副体的末端和卡爪轴承外圈连接的部位设置有卡爪主齿轮和卡主副齿轮，卡爪主齿轮和卡主副齿轮通过齿轮啮合连接，卡爪主齿轮的转动可以直接带动卡爪副齿轮的转动，卡爪主体和卡爪副体之间的内侧安装有卡爪触碰传感器，用于检测卡爪主体和卡主副体之间有无物体碰撞，卡爪驱动步进电机安装在爬升主体内侧，其转轴设置有和卡爪主齿轮配套的卡爪驱动步进电机齿轮，并且通过齿轮啮合，卡爪驱动步进电机的转动可以带动卡爪驱动步进电机齿轮的转动，进而带动卡爪主齿轮的转动，最后带动卡爪副体的转动。6.如权利要求3所述的一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人，其特征在于:所述重力调节机构包括滚珠丝杠滑台、重力块;设置在爬升主体和爬升副体内部的纵向方向上，重力块的作用为调节爬升主体和爬升副体的重心位置，重力块设置在滚珠丝杠滑台的滑块上，重力调节机构同样分别安装在爬升主体和爬升副体的内部。7.如权利要求4所述的一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人其特征在于:所述翻滚机构包括翻滚步进电机齿轮、翻滚主齿轮、翻滚副齿轮、翻滚步进电机，翻滚步进电机的转轴设置有和翻滚主齿轮啮合的翻滚步进电机齿轮，翻滚主齿轮安装在爬升主体所在的卡爪横轴上，翻滚副齿轮安装在爬升副体所在的卡爪横轴上。8.一种卡爪翻滚式楼梯爬升机器人的楼梯爬升方法，其特征在于: 步骤1:控制器控制卡爪步进电机驱动器驱动卡爪驱动步进电机正向运动；实现爬升主体和爬升副体两个机构之间的卡紧和分离，因此卡爪主齿轮和卡主副齿轮实现了相向运动，卡爪主齿轮和卡主副齿轮的转动也间接带动了卡爪主体和卡爪副体的卡紧； 步骤2:相应的，爬升副体中其中一条卡爪横轴上的卡爪主体和卡爪副体也夹持住爬升主体中其中一条卡爪横轴上的横轴轴承； 步骤3:经过步骤2中的爬升主体和爬升副体靠近和卡紧，由于卡爪主体和卡爪副体之间的内侧安装有卡爪触碰传感器，可以检测到卡爪主体和卡主副体之间有无物体碰撞，若有碰撞，则控制器控制卡爪步进电机驱动器停止卡爪驱动步进电机的运动，否则继续驱动卡爪驱动步进电机运动，使得卡爪主体和卡爪副体之间角度继续缩小，最终卡紧； 步骤4:经过步骤3中的爬升主体和爬升副体最终靠近和卡紧，此时由于翻滚步进电机的转轴设置有和翻滚主齿轮啮合的翻滚步进电机齿轮，同时当爬升主体所在的卡爪机构和爬升副体所在卡爪机构相互卡紧时，翻滚主齿轮和翻滚副齿轮也正好卡紧，即:此时的状态为翻滚主齿轮和翻滚副齿轮卡紧，可以进行机械齿轮啮合动作； 步骤5:在进行下一步动作前，控制器控制滑台步进电机驱动器驱动滚珠丝杠滑台，进而带动重力块运动，实现重心位置的移动，从而增加机器人运动中稳定性； 步骤6:控制器控制翻滚步进电机驱动器驱动翻滚步进电机正向转动，最终带动翻滚主齿轮和翻滚副齿轮的相向运动，由于经历了步骤5中的重力调节，此时的重心处于爬升主体上，因此在齿轮啮合带动作用下，爬升主体带动爬升副体转动，即:爬升副体向爬升主体翻转； 步骤7:爬升副体向爬升主体翻转后，最终的效果为:爬升副体处于爬升主体的正上方，卡爪机构设置有多组，即:新结合的卡紧部位重新重复步骤1、步骤2和步骤3;旧结合的部位的分离流程为:控制器控制卡爪步进电机驱动器驱动卡爪驱动步进电机反向运动;通过
【发明内容】
中所述的，卡爪主齿轮和卡主副齿轮实现了相离运动；因此卡爪主齿轮和卡主副齿轮的转动也间接带动了卡爪主体和卡爪副体的分离，即:爬升主体中其中一条卡爪横轴上的卡爪主体和卡爪副体由原来的夹持状态变为舒张状态，使得爬升主体上的卡爪横轴和爬升副体上的卡爪横轴分离； 步骤8:重复步骤1-7，可以实现连续的爬升副体向爬升主体翻转，进而实现机器人的连续翻越楼梯爬升； 步骤9:相反的，对于机器人下楼过程，与上述步骤的方式基本相同，只是对于上述步骤5中的重力调节机构不同，S卩:相反的，实现重心位置的前移，从而增加机器人运动中稳定性； 步骤10:另外，对于翻滚机构的动作也正好相反，如步骤6中所述的，在齿轮啮合带动作用下，爬升副体带动爬升主体转动，即:爬升主体向爬升副体翻转;重复上述步骤，可以实现连续的爬升主体向爬升副体翻转，进而实现机器人的连续翻越楼梯下降，即:步骤1-9为完整的机器人实现楼梯爬升和下降的步骤和方法。
【文档编号】B62D57/024GK105905180SQ201610173579
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】鲍明松, 郭亭亭
【申请人】山东国兴智能科技有限公司