本发明涉及爬楼机，尤其涉及一种自适应爬楼的载人爬楼机及仿生攀爬步态控制方法。
背景技术：
1、目前，供行动不便者使用的爬楼设备主要分为履带式、星轮式等。履带式爬楼机依靠履带与台阶的连续接触实现爬楼，运动相对平稳，但存在明显缺陷：其一，履带展开时与地面摩擦阻力极大，无法在平地上顺畅推行，每次遇到楼梯转角或平台都必须手动收起履带，切换为轮式模式，操作极其繁琐，搬运效率低下；其二，履带结构笨重，转弯半径大，在楼梯半层平台等狭窄空间通过性差；其三，履带在爬楼过程中会对楼梯边缘造成持续的刮擦磨损。
2、星轮式爬楼机通过多个小轮组成的轮组翻转实现爬楼，结构相对轻便。但其爬楼过程本质上是轮组周期性的撞击与跌落，导致设备重心起伏剧烈，乘坐者会感受到明显的颠簸与不适，存在安全隐患，舒适性差。同时，其平地行驶的稳定性与灵活性也常受结构限制。
3、无论是履带式还是星轮式，现有技术的共性问题是：爬楼动作与平地移动模式割裂，需要频繁人工干预切换；运动过程不够平稳，无法有效控制重心的连续、线性迁移；缺乏对环境（如台阶尺寸、平台位置）的自适应感知与闭环调整能力，智能化程度低。这些缺陷严重影响了设备的用户体验、安全性和使用效率，限制了其在日常生活中的普及应用。
4、因此，亟需一种能够自动、平稳、安全地适应楼梯与平地等多种场景，且无需用户频繁操作干预的新型爬楼装置。
技术实现思路
1、本发明针对上述不足，提出了一种自适应爬楼的载人爬楼机及仿生攀爬步态控制方法，以仿生步态实现平稳连续的攀爬与全场景自适应移动，最终为用户提供无需干预的高安全性与高舒适性乘坐体验。
2、本发明提供如下技术方案：一种自适应爬楼的载人爬楼机，包括座椅和驱动机构，驱动机构包括：
3、自适应爬楼组件，其设置于座椅后端的两侧，包括可受控进行步进式翻转的轮盘组以及周向分布、可独立驱动的多个第一滚轮，用于在爬楼状态时，通过轮盘组的翻转将不同的第一滚轮交替切换为与台阶平面接触的攀爬驱动状态或支撑承重状态，在攀爬驱动状态中，第一滚轮同时转动以消除位姿误差；
4、动态姿态稳定组件，其包括至少两组可独立升降的前部支承单元以及一组可独立升降的后部转向支承单元，前部支承单元对称设置于座椅前端两侧，后部转向支承单元设置于座椅后端的对称轴处；动态姿态稳定组件用于在平地移动状态、爬楼状态及状态切换时，与自适应爬楼组件协同动作，提供动态且稳定的多点支撑；
5、闭环测控模组，其集成有用于感知爬楼机与环境关键界面相对位置信息的传感系统，所述传感系统包括用于非接触式测距的位移传感单元以及用于检测前部支承单元与台阶立面接触状态的接触传感单元；
6、其中，自适应爬楼组件、动态姿态稳定组件受控于闭环测控模组的反馈信息，三者协同工作，使得爬楼机能够在闭环测控模组的控制下，自动执行一种仿生攀爬步态控制策略，该策略包括：
7、主动轮位姿协同控制阶段：在轮架每完成一次间歇旋转、使一组第一滚轮切换至攀爬驱动状态，在该状态下根据位移传感单元的反馈，同步控制该第一滚轮的转动与轮盘组的微动，以消除因间歇旋转产生的位姿误差，使该第一滚轮精确滚动至台阶平面预设的攀爬范围内；
8、重心动态迁移阶段：在第一滚轮精确抵接的同时，控制动态姿态稳定组件中的至少两个前部支承单元执行异步伸缩，使得爬楼机的支撑构型在至少四个分散的支撑点之间平稳切换，实现重心跨越台阶的连续、平稳迁移；至少四个分散的支撑点包括一组处于支撑承重状态的第一滚轮和至少两个前部支承单元；
9、其中，后部转向支承单元主要在执行从楼梯平台至平地移动的构型转换过程中爬楼机在楼层地面转弯时下降并承重。
10、与现有技术相比，本发明的优点在于：
11、通过三大核心模块的深度功能集成与闭环协同控制，实现了爬楼机从机械执行到智能决策的全流程革新，最终达成安全、平稳且完全自适应的全场景移动能力。
12、首先自适应爬楼组件对称布置于座椅后端，其翻转驱动模块在闭环测控模组的指令下，精确驱动轮盘组绕水平轴进行步进式翻转，从而将周向均布的第一滚轮周期性地切换至工作位置。当一组第一滚轮被切换至攀爬驱动状态时，滚动驱动模块在闭环测控下对其进行转动速度和方向的实时微调，确保该滚轮能精确地滚动至台阶平面的预设攀爬范围内，从而有效消除了因机械间歇翻转所产生的定位误差。这种翻转与滚动的受控协同，构成了连续、准确的仿生攀爬核心。
13、其次，动态姿态稳定组件以前部支承单元的独立异步伸缩为执行手段，与自适应爬楼组件中始终处于承重状态的第一滚轮动态组合，在爬楼的每一刻都构建并维持着一个由至少四个分散触点形成的稳固支撑多边形，确保了设备重心在跨越台阶时能够像平移般实现连续且线性的迁移，彻底避免了因支撑点突变或减少而导致的车身倾覆风险与乘坐者颠簸不适。
14、再者，闭环测控模组通过分布式传感器网络对关键运动参数进行监测与反馈，不仅实现了对第一滚轮位姿与支承单元伸缩量的闭环控制，消除了步进翻转固有的机械误差，更重要的是，它作为协同调度器，将爬楼动作与姿态稳定的时序深度绑定，使两大执行模块的动作严格同步、互为支撑。此外，后部转向支承单元被智能地设定为仅在平台过渡与地面转向等关键场景介入承重与导向，优化了系统能耗分布，并使得场景切换与复杂地形机动更为流畅自然。
15、最终，上述所有创新点并非简单叠加，而是在闭环智能的统筹下深度融合、协同增效。它们共同赋予了爬楼机一种高度拟人化的运动智能：能够自主感知环境、决策步态、稳定姿态，并平滑衔接楼梯攀爬、平地行进、场景过渡与转向等各种工况，最终为用户提供一种无感的、全自动的高安全性与高舒适性搭乘体验。
16、作为一种改进，自适应爬楼组件包括翻转驱动模块与滚动驱动模块，翻转驱动模块与轮盘组传动连接，用于受控驱动该轮盘组进行步进翻转，滚动驱动模块与各第一滚轮分别驱动连接，用于受控驱动各第一滚轮转动，并能在主动轮位姿协同控制阶段对处于攀爬驱动状态的第一滚轮进行转动速度和方向的微调，将宏观的攀爬动作分解为精确可控的两个子动作即轮盘组的步进式翻转与第一滚轮的独立驱动及动态调速，从而在机械执行层面为上层的高精度控制策略提供了可靠基础；翻转驱动模块专门负责轮盘组的整体步进翻转，其受控特性确保了每个第一滚轮能够被准时、准确地定位至预设的攀爬驱动或支撑承重位置，为仿生步态奠定了周期性的动作框架；而滚动驱动模块则为每个第一滚轮提供了独立的驱动能力，这不仅使得所有滚轮在平地移动时能协调运转，更重要的是，其具备的在位姿协同控制阶段对特定滚轮进行转动速度和方向微调的能力，构成了系统实现误差补偿的关键执行手段；二者协同，当翻转机构完成一个滚轮的宏观定位后，滚动机构可立即对该滚轮施加精细的驱动控制，通过速度的微小调节来动态补偿因机械间隙或惯性导致的微观位置偏差。粗定位即翻转和精调节即滚动调速的二级驱动模式，使得第一滚轮在与台阶立面接触的瞬间，不仅能实现物理接触，更能通过主动的力与运动调节，达到一种动态的、精确的软着陆与力锁合状态，极大地提升了攀爬着力点的定位精度与接触稳定性，从执行末端保障了位姿协同控制的有效性，并将因冲击和滑动造成的能量损耗与部件磨损降至最低，最终实现了高效、平稳且低损耗的精准攀爬动作。
17、作为一种改进，轮盘组包括相对设置的第一轮架与第二轮架以及连接第一轮架与第二轮架的连接轴，多个第一滚轮通过各自的第一转轴支承于第一轮架与第二轮架之间，所限定的轮盘组结构提供了至关重要的刚性基础与精确的运动导向。相对设置的第一轮架与第二轮架，通过中间的连接轴构成一个刚性的空间框架，确保了所有第一滚轮的安装基准面在承受复杂爬楼载荷时始终保持稳定与平行，有效抵抗了扭转与弯曲变形，从而保障了步进翻转动作的几何精度与可重复性；多个第一滚轮通过各自独立的第一转轴支承于两个轮架之间，不仅实现了滚轮的周向均匀分布，为连续的步进动作提供了充足的相位储备，更重要的是，它为每个滚轮建立了确定的旋转轴线。该确定的、由坚固框架支撑的轴线，是滚动驱动模块能够对每个滚轮实施独立、精确驱动与调速的前提，也是位移传感单元能够准确测量轮-阶相对位置关系的机械基准。
18、作为一种改进，滚动驱动模块包括第二电机、由第二电机驱动的环形驱动件、连接环形驱动件与各第一转轴的分布式传动链组件以及与环形驱动件同轴设置的限位圆环，分布式传动链组件包括沿轮盘组周向阵列分布的多个传动齿轮组、套设于第一转轴上的第一传动齿轮、传动链，传动齿轮组与第一传动齿轮交错设置并通过传动链传动连接，环形驱动件与各传动齿轮组传动连接，构成一个将第二电机的单一动力分配至各第一滚轮的传动网络，限位圆环与环形驱动件的内侧抵接以进行轴向限位抵接，通过单侧中心驱动、环形分配、多路输出、径向约束的独特机械布局，实现了一种高同步性、高稳定性且便于精准调控的动力分配与传动解决方案，由第二电机驱动的环形驱动件充当了中央动力源与分配器，其旋转运动通过沿周向阵列分布的多个传动齿轮组构成的分布式传动链组件，被同步传递至每一个第一转轴。这种一源多支的传动网络设计，不仅机械结构紧凑，更重要的是在根源上保证了所有第一滚轮驱动动作的底层同步性，为爬楼机在平地行进时提供了协调一致的基础驱动力；各传动齿轮组与对应第一转轴上的第一传动齿轮交错设置并传动连接，构成了可靠的动力传递路径，确保扭矩有效输送，与环形驱动件同轴设置的限位圆环，通过其内侧壁与环形驱动件外周持续的限位抵接，为环形驱动件提供了稳定的轴向约束，有效抑制了环形驱动件在动力传递与负载变化过程中可能产生的轴向窜动或偏摆，提高传动的稳定性；传动网络的稳定与精准，是滚动驱动模块能够在上层控制指令下，对处于攀爬驱动状态的第一滚轮进行精细转速微调以实现位姿误差补偿的物理基础。
19、作为一种改进，翻转驱动模块包括第一电机、固定于爬楼机机架上的安装基座，轮盘组通过旋转支承件与该安装基座可转动地连接，第一电机固设于安装基座上并通过齿轮副与轮盘组连接以驱动其翻转，固定于机架上的安装基座为整个翻转机构提供了不可移动的刚性锚点，将驱动过程中产生的反作用力与力矩直接导入主体框架，有效避免了因支撑结构变形导致的翻转轴线漂移或动作迟滞，确保了翻转运动的几何基准长期稳定，轮盘组通过专用的旋转支承件如轴承与安装基座实现可转动连接，以极低的摩擦阻力支承了轮盘组的重量与工作载荷，使得翻转动作轻快、顺畅，大幅降低了驱动能耗，并为实现精确的步进角度控制与微动调节提供了必要的机械条件，第一电机直接固设于安装基座上，并通过齿轮副与轮盘组连接，这种刚性连接与齿轮啮合的传动方式，保证了电机输出扭矩能够高效、无延迟地转化为轮盘组的翻转扭矩，同时齿轮副本身具有一定的减速增扭与精确分度特性，使得电机能够以优化的转速和扭矩驱动轮盘组完成既快速又平稳的步进翻转与精细微动，整个机构构成了一个从机架到轮盘组的力流封闭链，为上层控制系统输出稳定、可靠且响应灵敏的翻转动作，是确保整个仿生攀爬步态得以精确、重复执行的关键机械保障。
20、作为一种改进，座椅通过与安装基座可拆卸连接的支撑框架进行安装；第二电机固定设置于支撑框架上，座椅通过一个独立的支撑框架与安装基座实现可拆卸连接，将承载用户的座椅模块与执行复杂运动的驱动模块进行了物理与功能上的解耦，它不仅使得座椅可以根据需要快速安装、更换或维护，更重要的是，支撑框架作为一个坚固的过渡结构，将用户载荷平稳地传递至下方的安装基座及整个机架，避免了驱动机构直接承受复杂的人体载荷冲击，保护了精密传动部件；第二电机作为滚动驱动模块的动力核心，其工作时产生的反作用扭矩与振动可通过最短的路径被刚性优良的支撑框架吸收和扩散，有效抑制了振动向座椅传递，提升了乘坐舒适性；同时，这一布局使得电机的输出轴能够以更直接、更短的距离与下方的环形驱动件等传动部件对接，简化了传动链，提高了动力传递效率与可靠性。
21、作为一种改进，前部支承单元包括沿座椅的左右方向间隔布置的第一支承组件与第二支承组件，第一支承组件更远离座椅的纵向中心面，第一支承组件与第二支承组件均包括可独立伸缩的支腿以及设置于该支腿底端的承重轮，支腿由各自的驱动装置驱动进行升降，左右间隔布置的第一支承组件与第二支承组件，在座椅前端两侧形成了一个横向跨度显著的支撑面，提升了爬楼机在侧向维度上的稳定性，有效抵抗爬楼或转向时产生的侧倾力矩，增强了防侧翻能力；其中第一支承组件更远离纵向中心面的设定，进一步优化了支撑多边形的几何形状，使整体支撑更加稳固；每个支承组件均包含由独立驱动装置控制的可伸缩支腿及承重轮。这种彻底的独立驱动设计赋予了每个支腿根据实时地形与负载需求进行毫秒级高度调节的能力。在爬楼过程中，它们可以执行精确的异步伸缩，实现支撑点的平滑交替与接力；在遇到不平整地面时，又能独立适应以维持座椅水平。支腿底端的承重轮则将伸缩运动转化为滚动接触，减少了移动阻力。
22、作为一种改进，后部转向支承单元包括设置于座椅后端纵向对称轴上的可升降转向支腿、设于转向支腿底端的全向轮，设置于座椅后端纵向对称轴上的可升降转向支腿，确保了其所提供的支撑力直接作用于整车的中心线上，使得无论是提供辅助支撑还是施加转向力矩，都能以最高效、最稳定的方式进行，有效避免了因偏载导致的力矩不平衡；支腿底端设置的全向轮，则赋予了该支点在触地时具备360度自由转向的能力，这是实现灵活、小半径原地转向的关键机械基础；该单元的核心技术效果在于其按需介入的智能工作模式，在爬楼阶段，它通常抬升离地，不参与支撑，从而确保自适应爬楼组件与动态姿态稳定组件的前部支点能够形成专注、高效的攀爬姿态，避免了尾部拖曳带来的干涉与能量损耗，而在楼层地面需要进行转弯机动时，该单元受控下降，其全向轮随即触地承重，通过全向轮的导向与驱动轮的差速配合，实现了在狭窄空间内灵活、精准的转向操控，体现了功能分配上的高度优化，使得爬楼机在不同场景下总能自动构成最优的支撑与运动构型，最终实现了全场景运动模式间无缝、稳定、灵活的过渡与切换。
23、作为一种改进，位移传感单元包括至少一个轮距传感器、至少一个前支腿高度传感器和至少一个后支腿高度传感器，轮距传感器设置于自适应爬楼组件上，用于测量第一滚轮与台阶立面的距离，前支腿高度传感器设置于前部支承单元的支腿上，用于测量该支腿的触地高度；后支腿高度传感器设置于后部转向支承单元的支腿上，用于测量该支腿的触地高度，接触传感单元包括至少一个设置于承重轮上的行程开关，用于检测各支承单元与台阶立面接触状态，位移传感单元中的各类高度与距离传感器，负责提供连续的、量化的位置信息；轮距传感器直接监测攀爬驱动轮与台阶立面的实时间隙，是判断接触状态、触发位姿微调与确认攀爬准备的核心依据；前、后支腿高度传感器则精确测量各自伸缩机构的绝对伸出长度，从而间接且准确地反映其触地高度，行程开关用于检测各支承单元与台阶立面接触状态，这些数据是控制支撑点高度、实现平稳承重与执行异步伸缩的直接控制变量，它们共同构成了对设备自身运动状态与相对水平面位置的精确数字表征。
24、作为一种改进，仿生攀爬步态控制策略还包括平地移动模式，在平地移动模式下，闭环测控模组控制自适应爬楼组件驱动第一滚轮转动以提供行进动力，并控制动态姿态稳定组件中的各支承单元收缩，使爬楼机由一组第一滚轮与设置于座椅前端两侧的至少一对前轮共同支撑并移动，在该模式下，系统控制逻辑发生了根本性转换。闭环测控模组协调自适应爬楼组件与动态姿态稳定组件，使二者从爬楼时的强耦合协同转变为平地时的高效专一化分工，自适应爬楼组件的第一滚轮从执行间歇式攀爬动作，转变为提供连续、稳定的行进驱动力，充分利用了其原有的驱动能力，无需引入额外的专用平地驱动系统，简化了结构并提高了部件利用率；与此同时，动态姿态稳定组件的所有支承单元受控收缩、完全离地，从而消除了支承单元在平地移动时与地面产生的滚动摩擦或滑动摩擦，显著降低了行进阻力，从而直接提升了能源效率与续航能力；同时，这也避免了支承单元的承重轮在无需工作的状态下发生不必要的磨损，延长了关键运动部件的使用寿命。
25、一种仿生攀爬步态控制方法，方法通过如上述的一种自适应爬楼的载人爬楼机执行，以下闭环自适应控制过程：
26、攀爬驱动轮定位与校准过程：控制自适应爬楼组件的轮盘组进行步进翻转，将第一滚轮切换至攀爬驱动状态，基于闭环测控模组的反馈，通过协同调节该第一滚轮的转动与轮盘组的微动，使该第一滚轮滚动至台阶平面预设的攀爬范围内；
27、支撑构型动态切换与重心迁移过程：当与当前台阶平面接触的一支承单元移动至与下一级台阶立面接触时，控制动态姿态稳定组件执行支撑点交替操作，即令与当前台阶平面接触的一支承单元收缩离地，并令与下一级台阶平面接触的另一支承单元伸展触地，从而在维持至少四点支撑的前提下，实现爬楼机重心的平稳上移或下移；
28、机体步进抬升与状态复位过程：驱动处于精确抵接状态的第一滚轮转动，以带动爬楼机整体沿台阶立面上升或下降一个阶高；随后，控制轮盘组步进翻转，使当前作为攀爬驱动轮的第一滚轮转换至与台阶平面接触的支撑承重状态，并预备下一第一滚轮进入攀爬驱动状态；
29、其中，攀爬驱动轮定位与校准过程、支撑构型动态切换与重心迁移过程及机体步进抬升与状态复位过程循环执行，以实现连续、平稳的自动化爬楼；
30、通过将复杂的爬楼行为分解为三个在逻辑上紧密咬合、循环迭代的闭环控制过程，实现了一种高度拟人化、自适应且极度平稳的自动化攀爬能力。攀爬驱动轮定位与校准过程专注于解决攀爬动作的初始精度问题，它并非简单地将滚轮撞向台阶，而是通过步进翻转实现宏观定位后，立即依据实时传感器反馈，协同调节滚轮转动与轮盘组微动，以此动态补偿机械间隙与定位误差，使得滚轮能够以精确的力和姿态轻柔而坚定地抵接在预设着力点上，为后续的攀爬驱动奠定了无冲击、高附着的精准起点，从根本上避免了打滑、磕碰及能量损耗；支撑构型动态切换与重心迁移过程则智慧地管理了爬楼过程中最关键的稳定性难题。其创新在于将支撑点的切换时机与车身相对台阶的几何位置即前支腿接触下一级立面智能绑定，从而在最佳力学时刻执行交替操作，通过在收缩一个当前支撑点的同时伸展另一个新的支撑点，该方法始终将机身的支撑状态维持在至少四点接触的稳固构型之中，这使得沉重的机身及其载荷的重心得以像被平稳托举一样，实现跨越台阶的连续、线性迁移，彻底消除了重心突然下落或跃升带来的颠簸感与倾覆风险；机体步进抬升与状态复位过程则高效地完成了实质性的高度变化并为下一次动作做好准备；在获得精准抵接与稳定支撑的前提下，驱动滚轮转动，从而以台阶立面为反作用力面，平稳地将整个机身提升或下降一个台阶高度；随后的状态复位则通过轮盘组的再次翻转，巧妙地将刚刚完成驱动的攀爬驱动轮转换为承重轮以提供稳定支撑，同时预备好下一个待命的驱动轮，使整个系统恢复到可发起下一次攀爬循环的初始姿态。这三个过程在闭环测控模组的调度下循环运行，形成了一套完整的仿生步态发生器。该方法不仅模仿了人类爬楼时手足交替、重心渐进的核心生物力学原理，更通过闭环感知与控制超越了生物体的本能，实现了对每一步的力度、时机与精度的最优化控制，最终达成了一种平稳、连续、安全且全自动的爬楼体验。
31、作为一种改进，在完成阶梯攀爬或下降循环后，当爬楼机位于与楼层地面平齐的末级台阶时，执行平台至平地的支撑构型转换过程，该过程包括依序执行的以下控制阶段：
32、台阶平面稳定与载荷预备阶段：控制处于支撑承重状态的至少一个第一滚轮在末级台阶平面上滚动定位；同时，控制动态姿态稳定组件中的一个前部支承单元下降，使其承重轮接触台阶平面以分担载荷，形成稳定的临时支撑构型；
33、机身平移与支撑多边形扩展阶段：驱动第一滚轮转动，使爬楼机向楼层地面平移；平移完成进行转向的过程中，控制至少两个第一滚轮的差速转动同时后部转向支承单元下降，使其全向轮接触楼层地面，从而将机身的支撑范围从台阶平面扩展至楼层地面，实现在楼层地面上的转向运动；
34、平地行驶构型恢复阶段：调节各支承单元的高度，使座椅前端的前轮与楼层地面接触；随后，控制动态姿态稳定组件的各支承单元收缩离地，并将主驱动与支撑功能移交至前轮及与之协同的至少一组第一滚轮，恢复至平地行驶构型，过程起始于台阶平面稳定与载荷预备阶段，系统并非在抵达边缘后立即尝试跨越，而是主动在末级台阶上构建一个由第一滚轮与新增前部支腿共同承重的增强型临时支撑构型，显著提升了起始状态的稳定裕度，为后续平移提供了坚实的力学基础，在核心的机身平移与支撑多边形扩展阶段，系统将支撑基底动态拓展与初始转向动作发起进行融合执行，通过在后部全向轮接触新地面的同时，协同控制驱动轮的差速转动，设备在身体平移出台阶的过程中，就同步将支撑面扩展至楼层地面并启动转向，不仅确保了平移全过程中支撑的连续性与安全性，杜绝了重心悬空风险，更极大地优化了运动效率，使得脱离台阶、建立新支撑和启动转向三个动作流畅衔接，缩短了整体过渡时间。最后的平地行驶构型恢复阶段，则系统性地将设备从攀爬与过渡专用形态配置回阻力最小、操控性最优的高效平地移动形态，整个流程由闭环系统自主有序执行，实现了从楼梯终点到具备平地完整机动能力的无缝、平稳、快速转换，用户无需干预即可获得安全连贯的乘坐体验。