爬楼梯机器人的制作方法

本实用新型涉及智能机器人领域，尤其涉及一种具有运输货物功能的爬楼梯机器人。

背景技术：

机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。智能机器人则是一个在感知、思维效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场，可以全面地考察人工智能各个领域的技术，研究它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。一部智能机器人应该具备三方面的能力：感知环境的能力、执行某种任务而对环境施加影响的能力和把感知与行动联系起来的能力。智能机器人与工业机器人的根本区别在于，智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。

目前，在一些没有配备电梯的楼房中，为了解决不同楼层之间货物搬运的问题，经常会使用一些辅助装置来代替人工劳力，爬楼梯机器人就是其中一种。现有技术中，爬楼梯机器人大多采用的是履带式、叶轮式结构，在爬楼梯过程中，其载物台会形成一个倾斜的角度，可能导致所载货物从载物台上滑落，对货物造成损害，对于在场的人员也存在潜在的危险。且无论采用履带式还是叶轮式结构，整体构造都很复杂以及质量较重，使用时间久了，会对楼梯本体造成一定的损害，如瓷块表面的划伤，破裂等，而且都需要较大的驱动功率。

技术实现要素：

为了克服目前爬楼梯机器人在爬楼梯过程，其载物台会形成一定的倾斜角度，货物可能会从载物台上滑落的问题，本实用新型提供一种机身平稳上升、所载货物始终保持水平的爬楼梯机器人。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种爬楼梯机器人，包括壳体、平地行走机构、主运动脚机构、辅助脚机构和控制单元；

所述壳体顶部设置有载物台，所述壳体内设有用于对机器人供电的电源模块；

所述平地行走机构设于所述壳体的底部；

所述主运动脚机构包括可转动地设置在所述壳体两侧的第一主脚和第二主脚、以及安装在所述壳体内部的主驱动装置，所述第一主脚和第二主脚均为类椭圆形，所述主驱动装置与所述第一主脚、第二主脚传动连接，用于驱动所述第一主脚和第二主脚转动；

所述辅助脚机构包括可伸缩地设置在所述壳体尾端的第一辅助脚和第二辅助脚、以及安装在所述壳体内部的辅助驱动装置，所述辅助驱动装置与所述第一辅助脚、第二辅助脚传动连接，用于驱动所述第一辅助脚和第二辅助脚做伸缩运动；

所述第一主脚和第二主脚的长半轴的长度大于或等于所述第一辅助脚和第二辅助脚的最大高度；

所述控制单元与所述平地行走机构、主驱动装置和辅助驱动装置电连接，用于控制所述平地行走机构、主驱动装置和辅助驱动装置的工作状态；

当处于平地行走状态时，所述第一辅助脚和第二辅助脚收缩使得其底部高于所述平地行走机构的底部，同时所述第一主脚和第二主脚保持在水平位置，且此时所述第一主脚和第二主脚的底部不低于所述平地行走机构的底部；

当处于爬楼梯状态时，所述第一辅助脚和第二辅助脚伸长使其底部低于所述平地行走机构的底部，同时驱动所述第一主脚和第二主脚转动。

作为优选方案，所述辅助驱动装置包括第一传动轴、第二传动轴、第一传动齿轮、第二传动齿轮、辅助电机和齿轮座；

所述第一传动轴的一端固定于所述第一辅助脚的一端，所述第二传动轴的一端固定在所述第二辅助脚的一端；所述第一传动轴的另一端和所述第二传动轴的另一端两者中，任择其一与所述辅助脚电机传动连接，另一者固定于所述齿轮座；

所述第一传动齿轮设置在所述第一传动轴上，所述第二传动齿轮设置在所述第二传动轴上。

作为优选方案，所述壳体位于行走方向的前端面上设置有一个或者一个以上的滚珠轮。

作为优选方案，所述平地行走机构包括设于壳体底部的滚轮和用于驱动所述滚轮滚动以进行平地行走的滚动电机。

作为优选方案，在第四种可能实现的方式中，所述平地行走机构还包括设于壳体底部的万向轮，所述万向轮设于所述滚轮位于行走方向上的前后两侧。

作为优选方案，所述第一辅助脚包括第一水平杆和第一转动件，所述第一水平杆的一端为自由端，其另一端与所述第一转动件的一端连接，所述第一转动件的另一端与所述辅助驱动装置连接，所述辅助驱动装置驱动所述第一转动件在竖直面上转动并带动速搜第一水平杆做升降运动；

所述第二辅助脚包括第二水平杆和第二转动件，所述第二水平杆的一端为自由端，其另外一端与所述第二转动件的一端连接，所述第一转动件的另一端与所述辅助驱动装置连接，所述辅助驱动装置驱动所述第二转动件在竖直面上转动并带动所述第二水平杆做升降运动；

所述第一水平杆和第二水平杆在上升过程中二者相互远离并在最高位置时贴附于所述壳体底部的两侧边缘，且其底部高于所述平地行走机构的底部，由此形成所述第一辅助脚和第二辅助脚的整体伸缩运动。

作为优选方案，所述壳体底部的两侧边缘分别设有可容纳所述第一水平杆的第一凹槽和可容纳所述第二水平杆的第二凹槽。

作为优选方案，所述控制单元包括主控制模块、驱动模块和距离检测模块，所述驱动模块与所述平地行走机构、主运动脚机构和辅助脚机构电连接，用于控制所述平地行走机构、主运动脚机构和辅助脚机构的运动状态；

所述距离检测模块设于所述壳体位于行走方向的前端面上，用于检测机器人与楼梯之间的距离。

作为优选方案，所述控制单元还包括与所述主控制模块电连接的避障模块，所述避障模块设于壳体的底部，用于检测障碍物，并将障碍物信号发送至主控制模块，所述主控制模块控制机器人逃开障碍物。

作为优选方案，所述控制单元还包括与所述主控制模块电连接的陀螺仪传感器与倾角传感器，所述陀螺仪传感器与倾角传感器设于壳体内。

本实用新型实施例所提供的爬楼梯机器人，与现有技术相比，其有益效果是：

(1)在功能方面，壳体顶部设有载物台，可放置所需运输的货物，实现了机器人搬运工的作用，特别适用于快递公司和家庭日常使用的场合货物的搬运，减轻人工搬运的苦劳，在搬运过程中，本实用新型装置能始终保持货物的水平以及机身的平稳，有效避免了货物在楼梯搬运中滑落。

(2)在结构方面，平地行走中，由平地行走机构支撑并保持机身的平稳，同时也可以带动机器人向前运动或者拐弯运动；在爬楼梯机器人攀爬楼梯的过程中，当第一主脚和第二主脚开始做旋转运动时，第一辅助脚和第二辅助脚也开始做伸展运动，在第一主脚、第二主脚、第一辅助脚和第二辅助脚接触地面后，平地行走机构离开地面，从而由第一主脚、第二主脚、第一辅助脚和第二辅助脚支撑起整个机器人并保持机身的平稳，并且由第一主脚和第二主脚与地面的摩擦力作用带动机器人做向前运动。由此保证无论在爬楼梯过程中还是在平地行走过程中，其载物台都处于水平的状态，整体结构简单且牢固，承载能力较强。

(3)进一步的，在复杂的路况上也有很好的适应性，利用避障模块可以自主的避开障碍物，自行规划最佳路径。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型爬楼梯机器人爬楼梯状态下结构示意图。

图2为本实用新型爬楼梯机器人平地行走状态下结构示意图。

图3为本实用新型爬楼梯机器人辅助脚机构示意图。

图4为本实用新型爬楼梯机器人的局部剖视示意图。

图5为本实用新型爬楼梯机器人辅助脚机构收缩状态下后视示意图。

图6为本实用新型爬楼梯机器人辅助脚机构伸展状态下后视示意图。

图7为本实用新型爬楼梯机器人辅助脚机构做伸缩运动过程中后视示意图。

图8为本实用新型爬楼梯机器人优选实施例的控制原理图。

图9为本实用新型爬楼梯机器人爬楼状态示意图一。

图10为本实用新型爬楼梯机器人爬楼状态示意图二。

图11为本实用新型爬楼梯机器人爬楼状态示意图三。

图12为本实用新型爬楼梯机器人爬楼状态示意图四。

图中：1.壳体，2.第一主脚，3.第二主脚，4.第一辅助脚，401.第一转动件， 402.第一水平杆，5.第二辅助脚，501.第二转动件，502.第二水平杆，6.平地行走机构，601.滚轮，602.万向轮，7.滚珠，8.第一传动轴，9.第二传动轴，10.第一传动齿轮，11.第二传动齿轮，12.齿轮座，13.主电机，14.辅助电机，15.滚轮电机，16.距离检测模块，17.避障模块，18.主控制模块，19.电源模块，20.驱动模块，21.陀螺仪传感器与倾角传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用与描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参见图1至图12所示，本实用新型优选实施例提供了一种爬楼梯机器人，包括：壳体1、平地行走机构6、主运动脚机构、辅助脚机构和控制单元(图中未示出)。其中主脚运动机构包括第一主脚2、第二主脚3和主驱动装置，辅助脚机构包括第一辅助脚4和第二辅助脚5。壳体1的顶部设有载物台，可用于放置所需运输的货物，第一主脚2和第二主脚3的形状均为类椭圆形，分别可旋转地设置在壳体1的两侧面上，在主驱动装置的驱动下，第一主脚2和第二主脚3可绕类椭圆形所在平面的长轴和短轴的交点为中心做360°旋转运动。主驱动装置包括两个主电机13，分别与第一主脚2和第二主脚3传动连接，主电机 13转动下带动第一主脚2和第二主脚3做旋转运动。

参考图5至图7，第一辅助脚4和第二辅助脚5可伸缩地设置在壳体1相对与行走方向上的尾端面上，在图5所示，在辅助驱动装置的驱动下，第一辅助脚4和第二辅助脚5两者分开，做靠近壳体底部的收缩运动，收缩运动完成时，其两者在竖直平面上形成的夹角α最大，同样，如图6所示，在辅助驱动装置的驱动下，第一辅助脚4和第二辅助脚5两者也可以合拢，做远离壳体底部的伸展运动，最终其两者在竖直平面上形成的夹角为0°，此时第一辅助脚4和第一辅助脚5也形成了最大的高度。图7所示的是，第一辅助脚4和第二辅助脚5 正处于收缩运动或者伸展运动中，综合图5至图7所示，在辅助驱动装置的驱动下，其第一辅助脚4和第二辅助脚5做远离壳体1底部或者靠近壳体1底部的伸缩运动。第一辅助脚4和第二辅助脚5既不影响向前运动，又能起到辅助第一主脚2和第二主脚3支撑起机器人的作用。

参考图5。当处于平地行走状态时，即第一辅助脚4和第二辅助脚5收缩运动完成时，其第一辅助脚4和第二辅助脚5的底部相对于地面高于平地行走机构6的底部，由平地行走机构6接触地面支撑起机器人，并且可以完成向前行走运动或者拐弯运动，与此同时，第一主脚4和第二主脚5的底部同样相对于地面高于平地行走机构6的底部，不能妨碍平地行走机构6运动。

参考图6及图7，当爬楼梯机器人处于爬楼梯状态时，第一主脚2和第二主脚3开始绕中心做旋转运动，第一辅助脚4和第二辅助脚5也开始做伸展运动，平地行走机6远离地面，由第一主脚2、第二主脚3、第一辅助脚4和第二辅助脚5接触地面，即第此时第一主脚2、第二主脚3、第一辅助脚4和第二辅助脚 5的底部相对于地面平地行走机构6底部，从而由第一主脚2、第二主脚3、第一辅助脚4和第二辅助脚5四个点共同支撑起爬楼梯机器人。当到达一定高度后，主要由第一主脚2和第二主脚3接触地面，与地面的摩擦带动爬楼梯机器人前进，如图6所示，在爬楼梯机器人上升到最高点时，第一主脚2和第二主脚3长度方向为垂直方向，第一辅助脚4和第二辅助脚5也达到最大高度，第一主脚2和第二主脚3的长半轴的长度大于或等于第一辅助脚4和第一辅助脚5 的最大高度，这是为了避免机器人机身向前倾斜，影响下一步的运动。

参考图3，辅助驱动装置包括第一传动轴8、第二传动轴9、第一传动齿轮 10、第二传动齿轮11、辅助电机14和齿轮座12。第一传动轴8作为主动轴，第二传动轴9为从动轴，第一传动轴8的一端固定在第一辅助脚4的一端，另一端与辅助电机14传动连接；第二传动轴9的一端固定于所述第二辅助脚5的一端，另一端固定在齿轮座12的一端上；齿轮座的另一端通过螺母螺栓固定安装在壳体上，便于拆卸；第一传动齿轮10设置在第一传动轴8上，第二传动齿轮11设置在第二传动轴9上，在辅助电机14的驱动下，主动轴转动，带动第一辅助脚4和第一传动齿轮10转动，第一传动齿轮10和第二传动齿轮11进行啮合传动从而通过从动轴带动第二辅助脚5转动，使得第一辅助脚4和第二辅助脚5可做伸缩运动。

而作为另一等同实施例中，第二传动轴9也可以为主动轴，第一传动轴8 为从动轴。第一传动轴8的一端固定在第一辅助脚4的一端，另一端与固定在齿轮座12的一端上；第二传动轴9的一端固定于所述第二辅助脚5的一端，另一端与辅助电机14传动连接；齿轮座的另一端通过螺母螺栓固定安装在壳体上，便于拆卸；第一传动齿轮10设置在第一传动轴8上，第二传动齿轮11设置在第二传动轴9上，在辅助电机14的驱动下，主动轴转动，带动第二辅助脚5和第二传动齿轮11转动，第二传动齿轮11和第一传动齿轮10进行啮合传动从而通过从动轴带动第一辅助脚4转动，使得第一辅助脚4和第二辅助脚5做伸缩运动。

本实施例中，参考图1及图2，壳体1在行走方向前端的平面上还设置有三个滚珠轮8，可通过螺纹、螺栓、卡接等方式实现与平面的可拆式连接。在爬楼梯过程中，利用滚珠8轮贴着阶梯的垂直面运动，可达到辅助爬楼梯机器人顺利上升的目的，避免了壳体前端面与阶梯垂直面直接产生摩擦，损害壳体。

参考图2及图4，平地行走机构6包括设于壳体1底部的滚轮601和用于驱动所述滚轮滚动进行平地行走的滚动电机15。如图所示，滚轮601数量为2个，分别设置与壳体1底部左右两侧，其底部低于壳体1的底部，用于在水平面上行走，通过控制两个滚轮601转速，也可实现机器人的拐弯，同时，在壳体1 底部的前后位置还设置有万向轮602，其底部和滚轮601平齐，在平地行走和静止状态下，由滚轮601和万向轮602共同支撑起爬楼梯机器人，并保持平衡。另外，万向轮602也可辅助滚轮601在平地行走和拐弯，使其动作更加流畅。

参考图3，第一辅助脚4包括第一水平杆402和第一转动件401，第一水平杆402的一端作为自由端，其另一端与第一转动件401的一端通过可旋转的轴连接，在第一辅助脚4做伸缩运动时，第一水平杆402可以在地面上做滚动运动，减少第一辅助脚4与地面的摩擦造成的损害，第一转动件401的另一端与辅助驱动装置连接，在辅助驱动装置驱动下，第一转动件401可以在竖直面上转动并带动第一水平杆402做升降运动；同样的，第二辅助脚5包括第二水平杆502和第二转动件501，第二水平杆502的一端作为自由端，其另一端与第二转动件501的一端通过可旋转的轴连接，在第二辅助脚5做伸缩运动时，第二水平杆502可以在地面上做滚动运动，减少第一辅助脚5与地面的摩擦造成的损害，第二转动件501的另一端与辅助驱动装置连接，在辅助驱动装置驱动下，第二转动件501可以在竖直面上转动并带动第二水平杆502做升降运动。

参考图3及图5，第一辅助脚4和第二辅助脚5在整体收缩运动时，第一水平杆402和第二水平杆502在上升过程中二者相互远离并在最高位置时贴附于壳体1底部的两侧边缘，为了不影响平地行走机构运动，其底部必须高于平地行走机构6的底部；在壳体1底部的两侧边缘分别设有第一凹槽和第二凹槽，在第一辅助脚4和第二辅助脚5完成收缩运动时，第一水平杆402和第二水平杆502放置分别放置于第一凹槽和第二凹槽内，使其结构更加优化，整体上看起来更加美观。

参考图3及图6，第一辅助脚4和第二辅助脚5做整体伸展运动时，第一水平杆402和第二水平杆502在下降过程中相互靠近，此状态是由第一主脚2、第二主脚3、第一辅助脚4和第二辅助脚5共同支撑起整个机器人，所以第一水平杆402和第二水平杆502在最低位置时，其底部低于平地行走机构6的底部，既第一水平杆402和第二水平杆502在最低位置时，由其底部接触地面，平地行走机构6的底部远离地面。

图8是本实用新型的控制单元原理图，如图所示，在本实施例中，本实用新型的爬楼梯机器人的控制单元包括电源模块19、主控制模块18、驱动模块20、距离检测模块16、避障模块17、陀螺仪传感器与倾角传感器21，电源模块19 与主控制模块18电连接，其中主控制模块18接受来着于距离检测模块16、避障模块17、陀螺仪与倾角传感器21的信号并处理信号，根据处理结果给驱动模块20发送相应的控制指令。距离检测模块16设置在壳体1位于行走方向的前端面上，用于检测机器人与楼梯之间的距离，发送距离信号给主控制模块18，主控制模块18做出是否做进行攀爬楼梯的决定，当检测到需要进行攀爬楼梯动作时，主控制模块18发动信号给驱动模块20，使其机器人做出相应的动作。驱动模块20与平地行走机构6中的滚轮电机15、主运动脚机构的主电机13和辅助脚机构的辅助电机14电连接，用于控制所述平地行走机构、主运动脚机构和辅助脚机构的运动状态。

陀螺仪传感器与倾角传感器21是常用的测量角速度和加速度的工具，对加速度和角速度进行二重积分，即可解出机器人移动的距离以及转过的角度，求得移动机器人的位坐标，二者一般都是互补使用，陀螺仪传感器与倾角传感器 21的信号用来调整重心的位置，以使所述爬楼梯机器人在不同状态下保持平衡。设置在壳体1底部的避障模块17，可以是超声波模块，用于检测行走前方是否障碍物，将其信号发送到主控制模块18中处理，做出绕过障碍物的决定。整个控制系统以电源模块19作为供电能源，该电源模块19可以是包括蓄电池，另外，也可以使用无线供电代替电源模块19，利用无线供电技术为机器人提供动力能源。

本实施中，结合图9到图12，爬楼梯机器人攀爬一节阶梯过程主要分为四部分：

(1)机器人开始准备阶段。

如图9所示，当爬楼梯机器人行走到阶梯时，距离检测模块16检测与阶梯的垂直面到达一定距离时，主控制模块18发出信号，第一主脚2和第二主脚3 在主驱动装置的驱动下，开始准备做绕中心的旋转运动，与此同时，第一辅助脚4和第二辅助脚5也在辅助驱动装置的驱动下，也准备做出伸展运动。

(2)机器人上升阶段。

如图10所示，第一主脚2、第二主脚3、第一辅助脚4和第二辅助脚5开始接触地面，平地行走机构6远离地面，由第一主脚2、第二主脚3、第一辅助脚4和第二辅助脚5支撑起整个机器人，当第一主脚2、第二主脚3旋转到一定角度时，机器人在第一主脚2、第二主脚3与地面的摩擦力带动有向前做运动的趋势，壳体1前端的滚珠轮7碰到阶梯的垂直面，滚珠轮7与阶梯垂直面做滚动运动，辅助机器人整体上升。

(3)机器人上升到最高点阶段。

如图11所示，当机器人到达最高点时，第一主脚2和第二主脚3长度方向为垂直方向，第一辅助脚4和第二辅助脚5也到达最大高度，平地行走机构6 的底部高于下一节阶梯的水平面，此时，也在第一主脚2和第二主脚3的带动下，机器人整体做向前运动。

(4)机器人复原到开始状态阶段。

如图12所示，机器人整体继续做向前运动，位于壳体1底部前端的万向轮 602首先接触到下一节阶梯的水平面，接着平地行走机构6中滚轮601也接触到一个节阶梯的水平面，在滚轮电机的驱动下，带动机器人整体向前运动。此时，第一主脚2、第二主脚3、第一辅助脚4和第二辅助脚5开始离开地面，第一主脚2、第二主脚3慢慢旋转成水平位置，第一辅助脚4和第二辅助脚5也进行收缩运动，最后第一水平杆401和第二水平杆501放置于壳体底部两侧边缘对应的凹槽中，与开始准备阶段状态相同，完成一个周期的运动。

综合上述四个阶段的运动，爬楼梯机器人通过循环这四个阶段的运动，这样完成一节又一节阶梯的攀爬，达到机器人爬楼梯的最终目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。