一种履带式折叠爬楼机构的制作方法

1.本发明涉及一种履带式折叠爬楼机构，具体地说，涉及一种具有爬楼梯功能，并能于非常狭窄的梯间转角处转弯，从而安全平稳地连续上落多层角度不一的楼梯，而且能够上落斜坡、跨越障碍物、行走于崎岖道路，又同时能灵活行走于平滑路面的行走机构。


背景技术：

2.自从新冠肺炎疫情肆虐，人类开始意识到要尽量减少身体接触，于是纷纷出现不同类形的应用机器人，包括：巡逻、送餐、消毒、货运、载人等各式各样的机器人。但宏观全世界，却没有一种行走机构能够克服所有的地形，即使能行走于不同地形的路面，也无法攀爬楼梯；即使能攀爬楼梯，也无法承受载人的重量；即使能承受载人的重量，也无法达到安全系数；即使能达到安全系数，也无法于非常狭窄的“梯间转角处”转弯，因为全世界有很多旧式楼宇，其梯间的转角处只有80厘米的宽度，这是现有技术所无法触及的领域，例如：
3.本发明人的中国发明专利cn103027803b公开了一种电动轮椅，其包括移动式座椅部分，用作座椅支架的车身部分，设置在座椅下面的座椅调节机构，车底部分，以及履带行走机构，所述履带行走机构包括分别设置在所述车底部分两侧下面的两组履带，每一组所述履带包括前履带和后履带。所述车底部分由前后两个部分组成，该两个部分通过连接装置活动式连接并可相互相对偏转。所述履带行走机构还包括分设在前履带外侧的活动伸延履带，以及分设在后履带外侧的固定上梯履带，固定上梯履带的自由端相对后履带成一定角度。如图1所示，其为“二段式履带设计”，即“1+1”式履带结构，目的是将履带最前方的支撑点尽量延长，令平衡机构之上的重心点与支撑点的距离尽量拉远，从而增加平衡机构之上的承载物的安全性。但其缺点是，这种“1+1”式的履带结构，在平行路段行驶时即使能将前履带收起一定角度，但是其收起程度有限，体积依然较大，不能满足于在仅有80厘米的狭窄梯间中旋转。
4.本发明人的另一中国专利cn107529434b公开了一种履带式移动机构，包括固定地设置的可操作地相互连接和同步地运动以在工作面上移动的第一履带和第二履带，其中所述第一履带和所述第二履带配置成共同形成曲折形且优选为闪电形的接触/作用底面部分或底部轮廓，以适应和紧贴不同的工作面或可在具有不同斜度的楼梯、崎岖路面及全地形地面上任意移动。如图2所示，该履带式移动机构利用两组履带形成闪电型的结构，基本结构仍是“1+1”式履带结构，虽然实现了简易的攀梯原理，但是在平行路段行驶时，由于后履带为三角形，移动机构的折叠受到一定的影响，其能够做到的最小体积依然较大，同样不能满足于在仅有80厘米的狭窄梯间中旋转。
5.综上所述，现有技术中的履带式移动机构在平行路段行驶时的体积较大，不能满足于在老旧楼宇的狭小梯间旋转使用，因此，亟需提供一种履带式折叠爬楼机构，相对于现有技术，折叠后的体积较小。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供一种履带式折叠爬楼机构，采用“1+2”式履带设计，利用3组履带，如链扣般一节扣一节，攀爬楼梯时，能够将重心线与支撑点的距离拉长，提高安全性，平路行驶时能够折叠，将机构体积折叠为最小，满足狭小梯间中旋转。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种履带式折叠爬楼机构，包括前履带伸延机构、中履带连接机构、后履带平衡机构，所述前履带伸延机构的后端与所述中履带连接机构的前端通过主动轴转动连接，所述中履带连接机构的后端与所述后履带平衡机构的前端通过从动轴转动连接；
9.所述前履带伸延机构包括两组前履带行驶组件，所述前履带行驶组件包括第一同步轮、第二同步轮和环绕于第一同步轮和第二同步轮上的前履带，所述第一同步轮设置于所述主动轴上；所述中履带连接机构包括两组中履带行驶组件，所述中履带行驶组件包括主动轮、第三同步轮和环绕于主动轮和第三同步轮上的中履带，所述主动轮设置于所述主动轴上，所述第三同步轮设置于所述从动轴上；所述后履带平衡机构包括两组后履带行驶组件，所述后履带行驶组件包括第四同步轮、第五同步轮和环绕于第四同步轮和第五同步轮上的后履带，所述第四同步轮设置于所述从动轴上；
10.所述中履带连接机构还包括驱动机构，所述驱动机构驱动所述主动轴旋转。
11.进一步地，所述后履带平衡机构还包括后固定支架和上承托机构，所述后固定支架设置于两组后履带行驶组件之间，所述上承托机构设置于所述后固定支架上方。
12.更进一步地，所述上承托机构包括上承托板、平衡推杆，所述上承托板一端与所述后固定支架转动连接，所述平衡推杆与所述上承托板、所述后固定支架构成三角形；所述平衡推杆的一端与所述上承托板铰接，所述平衡推杆的另一端与所述后固定支架铰接。
13.更进一步地，所述上承托板上设置陀螺仪，所述陀螺仪与所述平衡推杆之间通过有线或无线方式连接。
14.更进一步地，所述上承托板上设置座椅、载货箱、机械臂、监察器中的一种或多种。
15.进一步地，所述后履带行驶组件还包括平行设置的左挡板和右挡板，所述左挡板和所述右挡板之间设置所述第四同步轮和第五同步轮，所述第四同步轮和所述第五同步轮之间设置若干辅助轮。
16.进一步地，所述中履带连接机构还包括中固定支架，所述中固定支架设置在两个中履带行驶组件之间，所述中固定支架与两个中履带行驶组件固定连接，所述中固定支架上设置所述驱动机构。
17.进一步地，所述驱动机构为直角减速电机，所述直角减速电机的输出轴与所述主动轴连接。
18.进一步地，所述中履带连接机构还包括固定轴，所述固定轴设置在两个中履带行驶组件之间，所述固定轴与两个中履带行驶组件固定连接；所述固定轴上铰接模式切换推杆，所述模式切换推杆的后端铰接于所述后固定支架。
19.更进一步地，所述前履带伸延机构还包括前固定支架，所述前固定支架设置在两个前履带行驶组件之间，并于两个前履带行驶组件固定连接；所述前固定支架上铰接伸延履带推杆，所述伸延履带推杆的另一端铰接于所述固定轴。
20.更进一步地，所述伸延履带推杆为电动推杆、液压推杆中的一种。
21.进一步地，所述履带式折叠爬楼机构还包括控制系统，所述控制系统与所述陀螺仪、所述平衡推杆、所述模式切换推杆、所述伸延履带推杆通过有线或无线的方式连接，所述控制系统控制所述履带式折叠爬楼机构的伸展状态。
22.进一步地，所述前履带伸延机构两侧设置全向轮，所述全向轮固定在所述前履带行驶组件上。
23.进一步地，所述从动轴两端设置橡胶轮。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.(1)本发明采用三节履带结构组成“1+2式履带结构”，三节履带结构之间均为转动连接，三节履带之间采用推杆的形式完成伸展或者收缩，攀梯模式下，三节履带可以展开至所需要攀梯的形状，并在后履带结构上设置平衡机构，则可以大幅度拉远重心线与支撑点之间的距离，提高安全性能，载重可达120kg；在平路上行走时，3节履带利用推杆可以收缩成“n”字形，水平占据长度缩小至65厘米，以最小体积于狭窄的空间内自转，能够适用于狭窄的梯间。
26.(2)本发明采用三节履带结构，三节履带结构折叠后形成“n”字形，进而履带之间具有一定的空间，能够平稳的越过障碍物，适应多种地质条件的行走。
附图说明
27.图1a为现有技术专利cn103027803b的结构示意图，d为载重重心线与支撑点之间的距离。
28.图1b为现有技术专利cn103027803b在平路模式时的示意图。
29.图2a为现有技术专利cn107529434b的结构示意图，d为载重重心线与支撑点之间的距离。
30.图2b为现有技术专利cn107529434b在平路模式时的示意图。
31.图3a为本发明平路模式时的立体结构图。
32.图3b为本发明攀梯模式时的立体结构图。
33.图3c为本发明在攀爬楼梯时的侧视图，d为重心线与支撑点之间的距离。
34.图3d为本发明在平路模式时，其自转半径r非常小。
35.图4a为本发明的主视图。
36.图4b为本发明的俯视图。
37.图5a为本发明中所述后履带平衡机构的侧视结构图，并示出所述后履带平衡机构的组件。
38.图5b为本发明中所述后履带平衡机构在攀梯模式下的侧面剖视结构图。
39.图5c为本发明中所述后履带平衡机构在攀梯模式下的俯视图。
40.图6为本发明中所述中履带连接机构的侧视结构图，并示出所述中履带连接机构的组件。
41.图7为本发明中所述前履带伸延机构的侧视结构图，并示出所述前履带连接机构的组件。
42.图8为本发明中所述中履带连接机构和所述前履带伸延机构在攀梯模式时的侧面剖视图。
43.图9为本发明中所述中履带连接机构和所述前履带伸延机构在攀梯模式时的俯视结构图。
44.图10a为本发明在非常狭窄的梯间转角处，准备攀上楼梯时的侧面剖视图。
45.图10b为本发明在切换至攀梯模式中途的侧面剖视图。
46.图10c为本发明在完成攀梯模式切换，攀上楼梯时的侧面剖视图。
47.图11a为本发明以“虫形”攀爬楼梯时的示意图。
48.图11b为本发明以“一字形”攀爬楼梯时的示意图。
49.图12a为本发明到达梯顶时的示意图。
50.图12b为本发明在梯顶上，完成切换至平路模式时的示意图。
51.图13为本发明附加上防翻杆、橡胶轮和全向轮的侧视图。
52.图14为本发明在附加橡胶轮和全向轮后行走于崎岖路面和越障时的示意图。
53.图15为本发明在附加橡胶轮和全向轮后攀爬楼梯时的示意图。
54.附图标记说明：
55.1-后履带平衡机构，101-陀螺仪，102-上承托板，103-平衡推杆，104-第五同步轮，105-第四同步轮，106-后履带，107-后固定支架；
56.2-中履带连接机构，201-主动轴，202-从动轴，203-中履带，204-驱动机构，205-模式切换推杆，206-固定轴，207-主动轮，208-第三同步轮，209-中固定支架；
57.3-前履带伸延机构，301-第一同步轮，302-第二同步轮，303-前履带，304-伸延履带推杆，305-前固定支架；
58.4-墙壁，5-支撑点，6-全向轮，7-橡胶轮，8-防翻装置。
具体实施方式
59.下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
60.如图3a和3b以及图4a和4b所示，本发明提供一种履带式折叠爬楼机构，包括前履带伸延机构3、中履带连接机构2、后履带平衡机构1，所述前履带伸延机构3的后端与所述中履带连接机构2的前端通过主动轴201转动连接，所述中履带连接机构2的后端与所述后履带平衡机构1的前端通过从动轴202转动连接；
61.所述前履带伸延机构1包括两组前履带行驶组件，所述前履带行驶组件包括第一同步轮301、第二同步轮302和环绕于第一同步轮301和第二同步轮302上的前履带303，所述第一同步轮301设置于所述主动轴201上；所述中履带连接机构2包括两组中履带行驶组件，所述中履带行驶组件包括主动轮207、第三同步轮208和环绕于主动轮207和第三同步轮208上的中履带203，所述主动轮207设置于所述主动轴201上，所述第三同步轮208设置于所述从动轴202上；所述后履带平衡机构1包括两组后履带行驶组件，所述后履带行驶组件包括第四同步轮105、第五同步轮104和环绕于第四同步轮105和第五同步轮104上的后履带106，
所述第四同步轮105设置于所述从动轴202上；
62.所述中履带连接机构2还包括驱动机构204，所述驱动机构204驱动所述主动轴201旋转。
63.本实施例中，两组中履带行驶组件位于两组后履带行驶组件内侧，两侧后履带行驶组件与两组前履带行驶组件位于同一行驶轨迹上。本实施例在攀爬楼梯时，将前履带行驶组件、中履带行驶组件和后履带行驶组件伸展开，完成攀爬动作，当本实施例在平路行驶时，如图3d所示，本发明可以折叠，将行走方向的占据长度缩小至65厘米，以r为半径进行旋转，即可在梯间宽度仅有80厘米的狭窄梯间转向。
64.本发明的另一个实施例中，如图5a、5b和5c所示，所述后履带平衡机构1还包括后固定支架107和上承托机构，所述后固定支架107设置于两组后履带行驶组件之间，使左右两侧的后履带行驶组件保持在同一水平上，所述上承托机构设置于所述后固定支架107上。
65.所述上承托机构包括上承托板102、平衡推杆103，所述上承托板102一端与所述后固定支架107转动连接，所述平衡推杆103与所述上承托板102、所述后固定支架107构成三角形；所述平衡推杆103的一端与所述上承托板102铰接，所述平衡推杆103的另一端与所述后固定支架107铰接，平衡推杆103可以为电动推杆或者液压推杆，也可以为其他能够实现伸缩运动的设备。
66.上承托板102上能够设置座椅、载货箱、机械臂、监察器或者其他附加设备，因此上承托板102是载重部件，如图3c所示，本实施例在攀爬楼梯时，图中右侧的竖向虚线为重心线，图中左侧的竖向虚线为支撑点所在的竖向线，则d为重心线与支撑点之间的水平距离，本实施例可以将距离d大幅度拉长，提高本发明的安全性能。
67.所述上承托板102上设置陀螺仪101，所述陀螺仪101与所述平衡推杆103之间通过有线或无线方式连接。陀螺仪101可以为电子式或者机械式结构，当陀螺仪101感应到上承托板102倾斜后，陀螺仪101发送指令至控制系统，控制系统控制平衡推杆103伸长或缩短；当上承托板102向前倾斜时，平衡推杆103伸长，当上承托板102向后倾斜时，平衡推杆103缩短，最终使得上承托板102保持平稳，进一步提高载物的安全性。
68.具体地，所述后履带行驶组件包括平行设置的左挡板和右挡板，所述左挡板和所述右挡板之间设置从动轴202和若干短轴，所述第四同步轮105通过轴承固定在从动轴202上，从动轴202从左挡板或者右挡板的一侧伸出连接至中履带行驶组件；第五同步轮104通过轴承固定在短轴上，所述第四同步轮105和所述第五同步轮104之间设置若干辅助轮，具体地是在接触地面一侧设置三个半径稍小的辅助轮，在另一侧设置两个半径稍大的辅助轮，防止履带内陷减少行走动力。
69.如图6、8、9所示，所述中履带连接机构2还包括中固定支架209，使左右两侧的中履带行驶组件保持在同一水平上，所述中固定支架209设置在两个中履带行驶组件之间，所述中固定支架209与两个中履带行驶组件固定连接，所述中固定支架209上设置两个所述驱动机构204。所述驱动机构204为直角减速电机，一侧的所述直角减速电机的输出轴与相应一侧的所述主动轴201连接。直角减速电机驱动主动轴201转动，主动轴201的转动带动主动轮207和第一同步轮301转动，主动轮207的动力通过中履带203驱动第三同步轮208转动，同时第一同步轮301的动力通过前履带303驱动第二同步轮302转动；第三同步轮208的转动带动从动轴202转动，而从动轴202的转动驱动第四同步轮105转动，第四同步轮105的转动通过
后履带106驱动第五同步轮104转动；进而实现了驱动机构204产生的动力，同时带动前履带303、中履带203、后履带106同时转动，驱动整个爬楼机构行驶。
70.中履带行驶组件还包括平行设置的左挡板和右挡板，左挡板和右挡板之间设置主动轴201和从动轴202，主动轴201和从动轴202之间设置若干短轴，短轴上设置若干辅助轮。所述中履带连接机构2还包括固定轴206，所述固定轴206设置在两个中履带行驶组件之间，所述固定轴206与两个中履带行驶组件固定连接；所述固定轴206上铰接模式切换推杆205，所述模式切换推杆205的后端铰接于所述后固定支架107。模式切换推杆205可以为电动推杆或者液压推杆，也可以为其他能够实现伸缩运动的设备，当需要在平路上行驶时，模式切换推杆205缩短，使得中固定支架209和后固定支架107的距离拉近，从而使得爬楼机构的整体缩短；当需要攀爬楼梯时，模式切换推杆205伸长，使得中固定支架209与后固定支架107的距离拉远，从而使得爬楼机构的整体拉长。
71.如图7-9所示，所述前履带伸延机构3还包括前固定支架305，负责左右两侧的前履带行驶组件保持在同一水平；所述前固定支架305设置在两个前履带行驶组件之间，并与两个前履带行驶组件固定连接；所述前固定支架305上铰接伸延履带推杆304，所述伸延履带推杆304的另一端铰接于所述固定轴206。所述伸延履带推杆304为电动推杆或者液压推杆，也可以为其他能够实现伸缩运动的设备；当需要在平路上行驶时，伸延履带推杆304缩短，使得中固定支架209与前固定支架305的距离拉近，从而令爬楼机构的整体缩短；当需要攀爬楼梯时，伸延履带推杆304伸长，使得中固定支架209与前固定支架305的距离拉远，从而令爬楼机构的整体拉长。
72.所述前履带行驶组件包括平行设置的左挡板和右挡板，所述左挡板和所述右挡板之间设置主动轴201和若干短轴，所述第一同步轮301通过轴承固定在主动轴201上，主动轴201从左挡板或者右挡板的一侧伸出连接至中履带行驶组件；第二同步轮302通过轴承固定在短轴上，所述第一同步轮301和所述第二同步轮302之间设置若干辅助轮，具体地是在接触地面一侧设置三个半径稍小的辅助轮，在另一侧设置两个半径稍大的辅助轮，防止履带内陷减少行走动力。
73.本发明的另一个实施例中，所述履带式折叠爬楼机构还包括控制系统(图中未示出)，所述控制系统与所述陀螺仪101、所述平衡推杆103、所述模式切换推杆205、所述伸延履带推杆304通过有线或无线的方式连接，所述控制系统控制平衡推杆103、模式切换推杆205、伸延履带推杆304的动作，进而控制所述履带式折叠爬楼机构的伸展状态。
74.本发明的行驶过程为：
75.1.初始状态：如图10a所示，在攀爬楼梯之前，即在梯间转角处，本发明采用平路模式，此时，模式切换推杆205和伸延履带推杆304都处于收缩状态，使得整个爬楼机构缩至最小，呈向后倾斜的n字形，能够在80厘米的空间内旋转。在接近楼梯时，后履带106贴近梯级。之后，如图10b所示，本发明切换为攀梯模式后，模式切换推杆205和伸延履带推杆304同时伸长，爬楼机构开始伸长；同时启动驱动机构204，开始攀爬楼梯。当攀上楼梯后，整个机构会随着梯级而倾斜，陀螺仪101感应到上承托板102倾斜后，控制系统控制平衡推杆103伸长或缩短，使上承托板102保持水平。如图10c所示，本发明完成了攀梯模式的切换，开始攀爬楼梯。
76.2.攀爬楼梯：攀爬楼梯时，本发明可以利用模式切换推杆205和伸延履带推杆304
的伸长长度，改变本发明攀梯时的形态，以适应不同的梯级，使得攀爬能力更具弹性，大大增加本发明的安全性和实用性。如图11a所示为本发明采用“虫形”攀爬楼梯，即在攀爬过程中，模式切换推杆205和伸延履带推杆304不断伸长或缩短，使得整个爬楼机构在伸长或缩短之间循环切换，实现爬楼过程。如图11b所示为本发明采用“一字形”攀爬楼梯，即在攀爬过程中，模式切换推杆205一直处于伸长状态，使得中履带行驶组件与前履带行驶组件处于一条直线上，伸延履带推杆304可以根据梯级形状调整伸缩状态，实现爬楼过程。
77.3.到达梯顶：如图12a所示，本发明到达梯顶后，开始切换至平路模式，无需待整个爬楼机构完全攀上梯顶后再开始切换模式，因此能在80厘米的梯间进行模式切换。模式切换时，模式切换推杆205和伸延履带推杆304同时缩短，同时，陀螺仪101感应上承托板102的倾斜信息，控制系统根据陀螺仪101感应的信息控制平衡推杆103的伸缩长度，使上承托板102保持水平。图12b为本发明完全切换至平路模式之后的侧视图。
78.为了能够自动控制本发明的伸缩状态，在上承托板102上设置摄像机，能够拍摄前方画面，控制系统根据摄像机拍摄的前方画面即使调整爬楼机构为平路模式或者攀爬模式。
79.本发明的另一个实施例中，为了使本发明在平滑路面上行驶更加灵活自如，如图13所示，所述前履带伸延机构3两侧设置全向轮6，所述全向轮6设置在第二同步轮302的外侧。所述第四同步轮105的外侧设置橡胶轮7。
80.为了进一步增加本发明载重的稳定性，可以在后固定支架107上设置防翻装置8，防翻装置8包括电机、防翻杆和滚轮，电机设置在后固定支架107上，电机驱动防翻杆旋转，防翻杆倾斜设置，防翻杆靠近地面的一端设置滚轮；当攀爬楼梯时，电机驱动防翻杆旋转，防翻杆在与从动轴202垂直的平面上旋转，直至不影响后履带行驶组件的行驶；当平路行驶时，电机驱动防翻杆回转至倾斜状态，利用滚轮为爬楼机构提供一个支撑点，以防载重物偏离上承托板时导致的翻倒。
81.如图14所示，本发明遇到崎岖路面或越过障碍物时，前履带303和中履带203之间形成一个容纳空间，可以容纳障碍物，并结合陀螺仪101使上承托板102保持水平，进而顺利穿过障碍物。图15为本发明在附加橡胶轮7和全向轮6后攀爬楼梯时的示意图，由于增加了全向轮6和橡胶轮7，对攀梯能力会有一定的影响，但在实际测试中发现，只要梯级具有足够的摩擦度，本发明同样能够安全的攀爬楼梯。
82.以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。