一种高层建筑全方位自适应爬楼梯运输机器人

本发明涉及机械自动化机器人，具体地说是一种高层建筑全方位自适应爬楼梯运输机器人。

背景技术：

近几年来，随着城市化进程的不断加快，高层建筑雨后春笋般地不断涌现。目前，高层建筑约有34.7万幢。高层建筑存在诸多火灾隐患，如防火设计考虑不周、施工质量欠缺、安全管理不善、用火用电用气不慎等导致火灾频发。在城市中的高层建筑发生火灾时，消防员不仅需要进行火场侦查、灭火等，还需要进入建筑内部进行救援作业。传统的消防车无法进入楼层侦查，在楼层内部复杂危险的环境下，建筑物倒塌、有毒气体、可燃物的二次爆炸等情况，都会对消防救援人员的安全造成威胁，严重威胁城市公共安全。为此，研制可实现在火灾内部高层建筑之间实现运输功能的爬楼机器人，能有效地做好侦查救援工作，对人民的生命安全具有重大意义。

技术实现要素：

针对各类高层建筑楼梯间复杂环境运输使用的急迫需求，提高运输效率，本发明的目的在于提供一种高层建筑全方位自适应爬楼梯运输机器人。该机器人具有轮—履—腿复合运动形式，能够在复杂的楼梯环境内全方位自适应行走，通过携带载物模块可以实现楼梯环境内的高效运输。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括车体、前摆臂机构、后摆臂机构、载物模块、前摆臂驱动机构、后摆臂驱动机构、左前麦轮驱动机构、右前轮履复合驱动机构、左后轮履复合驱动机构、右后麦轮驱动机构及驱动履带，其中载物模块安装于所述车体的顶部，该车体前端的左右两侧对称设有相互连动的前摆臂机构，所述车体后端的左右两侧对称设有相互连动的后摆臂机构，所述前摆臂机构与后摆臂机构的结构相同，均包括摆臂大带轮、摆臂履带、摆臂小带轮及摆臂杆，该摆臂大带轮的一侧通过所述摆臂履带与摆臂小带轮连接，所述摆臂小带轮转动安装于摆臂杆的一端，同侧所述前摆臂机构中的摆臂大带轮的另一侧与同侧所述后摆臂机构中的摆臂大带轮的另一侧通过驱动履带相连；左侧或右侧前摆臂机构中的摆臂杆与安装在车体内的前摆臂驱动机构的输出端相连，呈对角线布置的所述后摆臂机构中的摆臂杆与安装在车体内的后摆臂驱动机构的输出端相连；两侧所述前摆臂机构中的摆臂杆之间以及两侧所述后摆臂机构中的摆臂杆之间均通过同步杆连接，两侧所述前摆臂机构通过前摆臂驱动机构同步转动，两侧所述后摆臂机构通过后摆臂驱动机构同步转动；所述左前麦轮驱动机构与右后麦轮驱动机构结构相同，呈对角线的形式分别安装在所述车体的左前方与右后方，所述右前轮履复合驱动机构与左后轮履复合驱动机构结构相同，呈对角线的形式分别安装在所述车体的右前方与左后方，所述左前麦轮驱动机构、右前轮履复合驱动机构、左后轮履复合驱动机构、右后麦轮驱动机构分别与同位置的摆臂杆的另一端相连。

其中：所述前摆臂驱动机构与后摆臂驱动机构结构相同，均包括摆臂电机、摆臂电机延长轴、主动齿轮、从动齿轮、摆臂转轴及支撑座，该摆臂电机安装在所述车体内，所述摆臂电机的摆臂电机延长轴与主动齿轮连接；所述摆臂转轴一端与固定在车体内的支撑座转动连接，且该端端部连接有与所述主动齿轮啮合传动的从动齿轮，所述摆臂转轴的另一端由所述摆臂大带轮内部穿过，与所述摆臂杆相连，所述摆臂转轴与摆臂大带轮的内部为转动连接。

所述左前麦轮驱动机构包括左前尾部底座、左前腔体后盖、左前电机腔体、左前驱动电机、左前主动带轮、左前同步带、左前从动带轮及左旋麦克纳姆轮，该左前尾部底座固定于车体内部，通过左前腔体后盖与左前电机腔体相连接；所述左前驱动电机固定于左前电机腔体内，该左前电机腔体与左侧所述前摆臂机构中的摆臂大带轮的内部转动连接；所述左前主动带轮与左前驱动电机的输出轴相连接，并通过左前同步带与左前从动带轮相连，该左前从动带轮通过法兰轴与左旋麦克纳姆轮相连，所述左前从动带轮和左旋麦克纳姆轮之间的法兰轴与左侧所述前摆臂机构中摆臂杆的另一端转动连接。

所述右后麦轮驱动机构包括右后尾部底座、右后腔体后盖、右后电机腔体、右后驱动电机、右后主动带轮、右后同步带、右后从动带轮及左旋麦克纳姆轮，该右后尾部底座固定于车体内部，通过右后腔体后盖与右后电机腔体相连接；所述右后驱动电机固定于右后电机腔体内，该右后电机腔体与右侧所述后摆臂机构中的摆臂大带轮的内部转动连接；所述右后主动带轮与右后驱动电机的输出轴相连接，并通过右后同步带与右后从动带轮相连，该右后从动带轮通过法兰轴与左旋麦克纳姆轮相连，所述右后从动带轮和左旋麦克纳姆轮之间的法兰轴与右侧所述后摆臂机构中摆臂杆的另一端转动连接。

所述右前轮履复合驱动机构包括右前尾部底座、右前电机腔体、右前驱动电机、右前电机转接件、右前主动带轮、右前同步带、右前从动带轮及右旋麦克纳姆轮，该右前尾部底座固定于车体内部，并与右前电机腔体相连接；所述右前驱动电机固定于右前电机腔体内，该右前电机腔体与右侧所述前摆臂机构中的摆臂大带轮的内部转动连接，该右侧所述前摆臂机构中的摆臂大带轮上连接有右前电机转接件；所述右前驱动电机的输出轴与右前电机转接件及右前主动带轮相连接，所述右前主动带轮通过右前同步带与右前从动带轮相连，该右前从动带轮通过法兰轴与右旋麦克纳姆轮相连，所述右前从动带轮和右旋麦克纳姆轮之间的法兰轴与右侧所述前摆臂机构中摆臂杆的另一端转动连接。

所述左后轮履复合驱动机构包括左后尾部底座、左后电机腔体、左后驱动电机、左后电机转接件、左后主动带轮、左后同步带、左后从动带轮及右旋麦克纳姆轮，该左后尾部底座固定于车体内部，并与左后电机腔体相连接；所述左后驱动电机固定于左后电机腔体内，该左后电机腔体与左侧所述后摆臂机构中的摆臂大带轮的内部转动连接，该左侧所述后摆臂机构中的摆臂大带轮上连接有左后电机转接件；所述左后驱动电机的输出轴与左后电机转接件及左后主动带轮相连接，所述左后主动带轮通过左后同步带与左后从动带轮相连，该左后从动带轮通过法兰轴与右旋麦克纳姆轮相连，所述左后从动带轮和右旋麦克纳姆轮之间的法兰轴与左侧所述后摆臂机构中摆臂杆的另一端转动连接。

所述载物模块包括载物箱体及固定组件，该载物箱体固定于所述车体的顶部，在所述载物箱体的内表面沿周向设有多组固定物品的固定组件，每组固定组件均包括固定板、支撑弹簧及锁紧板，所述固定板固接于载物箱体的内表面上，所述支撑弹簧的一端与固定板相连，另一端连接有所述锁紧板。

所述锁紧板呈倒置的“l”形，该“l”形的竖边与所述支撑弹簧的另一端相连，所述“l”形的横边朝向载物箱体内部。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明兼具了履带机器人的爬坡能力、麦克纳姆轮机器人的全方位移动能力和腿式机器人的越障能力，增强了机器人的高层建筑楼梯环境运动能力。

2.本发明中的右前轮履复合驱动机构和左后轮履复合驱动机构，采用少电机驱动，实现实现一个电机同时驱动履带和轮同步转动的功能，精简了驱动的结构，使机器人结构更加紧凑。

3.本发明搭载载物模块，该载物模块具有形状尺寸自适应固定机构，可以实现不同形状尺寸物品的平稳固定，防止运输过程中的物品掉落。

4.本发明采用模块化设计，结构简单轻便，运动灵活，适应性广泛，易于安装，操控精准。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的内部组成结构示意图；

图3为本发明前摆臂机构及前摆臂驱动机构的结构示意图；

图4为本发明左前麦轮驱动机构及右前轮履复合驱动机构的结构示意图；

图5为本发明载物模块的结构示意图；

图6为本发明履带型运动模式的结构示意图；

图7为本发明全向轮型运动模式的结构示意图；

图8为本发明腿型运动模式的结构示意图；

其中：1为车体，2为前摆臂机构，201为摆臂大带轮，202为摆臂履带，203为摆臂小带轮，204为摆臂杆，205为同步杆，3为后摆臂机构，4为载物模块，401为载物箱体，402为前固定板，403为前支撑弹簧，404为前锁紧板，405为后锁紧板，406为后支撑弹簧，407为后固定板，408为右固定板，409为右支撑弹簧，410为右锁紧板，411为左锁紧板，412为左支撑弹簧，413为左固定板，5为前摆臂驱动机构，501为摆臂电机，502为摆臂电机固定座，503为摆臂电机延长轴，504为主动齿轮，505为从动齿轮，506为齿轮转接件，507为摆臂转轴，508为支撑座，6为后摆臂驱动机构，7为左前麦轮驱动机构，701为左前尾部底座，702为左前腔体后盖，703为左前电机腔体，704为左前驱动电机，705为左前主动带轮，706为左前同步带，707为左前从动带轮，708为左旋麦克纳姆轮，8为右前轮履复合驱动机构，801为右前尾部底座，802为右前电机腔体，803为右前驱动电机，804为右前电机转接件，805为右前主动带轮，806为右前同步带，807为右前从动带轮，808为右旋麦克纳姆轮，9为左后轮履复合驱动机构，10为右后麦轮驱动机构，11为驱动履带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明包括车体1、前摆臂机构2、后摆臂机构3、载物模块4、前摆臂驱动机构5、后摆臂驱动机构6、左前麦轮驱动机构7、右前轮履复合驱动机构8、左后轮履复合驱动机构9、右后麦轮驱动机构10及驱动履带11，其中载物模块4安装在车体1的顶部，车体1前端的左右两侧对称设有相互连动的前摆臂机构2，两侧的前摆臂机构2通过安装在车体1内的前摆臂驱动机构5同步转动；车体1后端的左右两侧对称设有后摆臂机构3，两侧的后摆臂机构3通过安装在车体1内的后摆臂驱动机构6同步转动；左前麦轮驱动机构7和右后麦轮驱动机构10结构相同，呈对角线的形式分别安装在车体1的左前方与右后方，右前轮履复合驱动机构8和左后轮履复合驱动机构9结构相同，呈对角线的形式分别安装在车体1的右前方与左后方；两条驱动履带11对称安装在车体1的左右两侧。机器人通过前摆臂机构2和后摆臂机构3的转动可以实现履带型、全向轮型和腿型三种运动模式的转换。

如图1～3所示，本实施例的前摆臂机构2与后摆臂机构3结构相同，以前摆臂机构2为例，本实施例的前摆臂机构2包括摆臂大带轮201、摆臂履带202、摆臂小带轮203及摆臂杆204，摆臂大带轮201的一侧通过摆臂履带202与摆臂小带轮203连接，摆臂小带轮203通过法兰轴及轴承转动安装于摆臂杆204的一端，同侧前摆臂机构2中的摆臂大带轮201的另一侧与同侧后摆臂机构3中的摆臂大带轮201的另一侧通过驱动履带11相连；左侧或右侧(本实施例为左侧)前摆臂机构2中的摆臂杆204的中部与安装在车体1内的前摆臂驱动机构5的输出端相连，相应的另一侧则通过前摆臂驱动机构5的驱动随动，呈对角线布置的右侧后摆臂机构3中的摆臂杆204的中部与安装在车体1内的后摆臂驱动机构6的输出端相连；两侧前摆臂机构2中的摆臂杆204之间以及两侧后摆臂机构3中的摆臂杆204之间均通过同步杆205连接，这样即可实现两侧前摆臂机构2通过前摆臂驱动机构5同步转动，两侧后摆臂机构3通过后摆臂驱动机构6同步转动。左前麦轮驱动机构7、右前轮履复合驱动机构8、左后轮履复合驱动机构9、右后麦轮驱动机构10分别与同位置的摆臂杆204的另一端相连。右侧前摆臂机构2中的摆臂杆204以及呈对角线布置的左侧后摆臂机构3中的摆臂杆204的中部分别与同侧的电机转接件804连接。

本实施例的前摆臂驱动机构5与后摆臂驱动机构6结构相同，以前摆臂驱动机构5为例，本实施例的前摆臂驱动机构5包括摆臂电机501、摆臂电机固定座502、摆臂电机延长轴503、主动齿轮504、从动齿轮505、齿轮转接件506、摆臂转轴507及支撑座508，摆臂电机501通过摆臂电机固定座502安装在车体1内，摆臂电机501的摆臂电机延长轴503与主动齿轮504通过法兰连接，从动齿轮505与齿轮转接件506通过法兰连接，摆臂转轴507一端通过轴承与支撑座508连接，另一端由摆臂大带轮201内部穿过、并与摆臂杆204的中部相连，摆臂转轴507通过轴承与摆臂大带轮201内部转动连接，支撑座508固定在车体1内。摆臂电机501通过摆臂电机延长轴503带动主动齿轮504转动，主动齿轮504与从动齿轮505啮合传动，通过齿轮转接件506带动摆臂转轴507转动，进而带动左前侧的摆臂杆204转动，左前侧与右前侧的两根摆臂杆204通过同步杆205连接实现同步转动，驱动左右两侧前摆臂机构2的整体转动。

如图1～4所示，左前麦轮驱动机构7与右后麦轮驱动机构10结构相同，对角线交叉安装于车体1的左前方和右后方；本实施例的左前麦轮驱动机构7包括左前尾部底座701、左前腔体后盖702、左前电机腔体703、左前驱动电机704、左前主动带轮705、左前同步带706、左前从动带轮707及左旋麦克纳姆轮708，左前尾部底座701固定于车体1内部，通过左前腔体后盖702与左前电机腔体703相连接，左前驱动电机704通过法兰固定于左前电机腔体703内，左前电机腔体703的外壳通过轴承与左侧前摆臂机构2中的摆臂转轴507的内部转动连接，左前主动带轮705与左前驱动电机704输出轴相连接，通过左前同步带706与左前从动带轮707相连，左前从动带轮707通过法兰轴与左旋麦克纳姆轮708相连，左前从动带轮707和左旋麦克纳姆轮708之间的法兰轴通过轴承与左前侧的摆臂杆204的另一端转动连接。

本实施例的右后麦轮驱动机构10包括右后尾部底座、右后腔体后盖、右后电机腔体、右后驱动电机、右后主动带轮、右后同步带、右后从动带轮及左旋麦克纳姆轮，右后尾部底座固定于车体1内部，通过右后腔体后盖与右后电机腔体相连接，右后驱动电机通过法兰固定于右后电机腔体内，右后电机腔体的外壳通过轴承与右侧后摆臂机构3中的摆臂转轴507的内部转动连接，右后主动带轮与右后驱动电机输出轴相连接，通过右后同步带与右后从动带轮相连，右后从动带轮通过法兰轴与左旋麦克纳姆轮相连，右后从动带轮和左旋麦克纳姆轮之间的法兰轴通过轴承与右后侧的摆臂杆204的另一端转动连接。

右前轮履复合驱动机构8与左后轮履复合驱动机构9结构相同，对角线交叉安装于车体1的右前方和左后方；本实施例的右前轮履复合驱动机构8包括右前尾部底座801、右前电机腔体802、右前驱动电机803、右前电机转接件804、右前主动带轮805、右前同步带806、右前从动带轮807及右旋麦克纳姆轮808，右前尾部底座801固定于车体1内部，并与右前电机腔体802相连接，右前驱动电机803通过法兰固定于右前电机腔体802内，右前电机腔体802的外壳通过轴承与右侧前摆臂机构2中的摆臂大带轮201的内部转动连接，右前电机转接件804通过法兰与右侧前摆臂机构2中的摆臂大带轮201相连，右前驱动电机803的输出轴与右前电机转接件804及右前主动带轮805相连接，右前主动带轮805通过右前同步带806与右前从动带轮807相连，右前从动带轮807通过法兰轴与右旋麦克纳姆轮808相连，右前从动带轮807和右旋麦克纳姆轮808之间的法兰轴通过轴承与右侧前摆臂机构2中摆臂杆204的另一端转动连接。

本实施例的左后轮履复合驱动机构9包括左后尾部底座、左后电机腔体、左后驱动电机、左后电机转接件、左后主动带轮、左后同步带、左后从动带轮及右旋麦克纳姆轮，左后尾部底座固定于车体1内部，并与左后电机腔体相连接，左后驱动电机通过法兰固定于左后电机腔体内，左后电机腔体的外壳通过轴承与左侧后摆臂机构3中的摆臂大带轮201的内部转动连接，左后电机转接件通过法兰与左侧后摆臂机构3中的摆臂大带轮201相连，左后驱动电机的输出轴与左后电机转接件及左后主动带轮相连接，左后主动带轮通过左后同步带与左后从动带轮相连，左后从动带轮通过法兰轴与右旋麦克纳姆轮相连，左后从动带轮和右旋麦克纳姆轮之间的法兰轴通过轴承与左侧后摆臂机构3中摆臂杆204的另一端转动连接。

载物模块4包括载物箱体401及固定组件，该载物箱体401固定于车体1的顶部，在载物箱体401的内表面沿周向设有多组固定物品的固定组件，每组固定组件均包括固定板、支撑弹簧及锁紧板，固定板固接于载物箱体401的内表面上，支撑弹簧的一端与固定板相连，另一端连接有锁紧板。本实施例的锁紧板呈倒置的“l”形，该“l”形的竖边与支撑弹簧的另一端相连，“l”形的横边朝向载物箱体401内部。如图5所示，本实施例的载物箱体401呈方形，方形四个侧板的内表面均设有固定组件，即载物模块4包括载物箱体401、前固定板402、前支撑弹簧403、前锁紧板404、后锁紧板405、后支撑弹簧406、后固定板407、右固定板408、右支撑弹簧409、右锁紧板410、左锁紧板411、左支撑弹簧412及左固定板413，载物箱体401固定于车体1顶部，前固定板402、后固定板407、右固定板408、左固定板413分别固定于载物箱体401的前后右左四个侧板的内表面，前固定板402与前锁紧板404之间通过四个前支撑弹簧403连接，可以实现前锁紧板404任意方向的转动；后锁紧板405与后固定板407之间通过四个后支撑弹簧406连接，可以实现后锁紧板405任意方向的转动，右固定板408与右锁紧板410之间通过四个右支撑弹簧409连接，可以实现右锁紧板410任意方向的转动，左锁紧板411与左固定板413之间通过四个左支撑弹簧412连接，可以实现左锁紧板411任意方向的转动，通过前锁紧板404、后锁紧板405、左锁紧板411和右锁紧板410的配合可以实现对任意形状尺寸物品的自适应固定。

本发明的工作原理为：

左前麦轮驱动机构7的工作过程为：左前驱动电机704转动带动左前主动带轮705旋转，通过左前同步带706和左前从动带轮707驱动左旋麦克纳姆轮708转动；左侧前摆臂机构2中的摆臂大带轮201通过轴承安装在前摆臂驱动机构5中摆臂转轴507的外壁，实现空转随动；右后麦轮驱动机构10的工作原理与左前麦轮驱动机构7工作原理相同，不再赘述。

右前轮履复合驱动机构8的工作过程为：右前驱动电机803旋转带动右前电机转接件804和右前主动带轮805同步转动，右前电机转接件804通过右侧前摆臂机构2中的摆臂大带轮201带动右侧前摆臂机械2中的摆臂履带202和右侧驱动履带11同步转动，右侧的驱动履带11转动带动右侧后摆臂机构3中的摆臂大带轮201旋转，右侧后摆臂机构3中的摆臂大带轮201通过轴承安装在后摆臂驱动机构6中摆臂转轴507的外壁，实现空转随动，进而驱动右侧后摆臂机构3中的摆臂履带202转动；右前主动带轮805通过右前同步带806和右前从动带轮807带动右旋麦克纳姆轮808转动，实现一个电机同时驱动履带和轮同步转动的功能。左后轮履复合驱动机构9工作原理与右前轮履复合驱动机构8工作原理相同，不再赘述。

如图6～8所示，为本发明在楼梯环境内运动时三种运动模式的结构示意图，具体工作过程为：

当机器人遇到台阶时，前摆臂驱动机构5和后摆臂驱动机构6动作，驱动前摆臂机构2和后摆臂机构3运动，使机器人转换为如图6所示的履带型运动模式，攀爬台阶。

当机器人运动到台阶之间的转换平台时，由于空间狭小，机器人转弯困难，这时前摆臂机构2正转，同时后摆臂机构3反转，放下麦克纳姆轮，使机器人转换为如图7所示全向轮型运动模式，可以实现机器人横向运动。

当机器人在楼梯环境内遇到较高障碍物时，通过前摆臂机构2正转同时后摆臂机构3反转运动可以抬高机器人车体，使机器人转换为如图8所示腿型运动模式，跨过障碍物。

本发明具有模块化体积小、运动灵活、适应性广泛、操控精准、结构紧凑等优点，可以应用于高层建筑楼梯环境的物资运输，不受狭小空间限制全方位行走，自适应攀爬楼梯。