可攀爬任意旋角台阶和任意台阶面的机器人及其攀爬方法

摘要

本发明提供了一种可攀爬任意旋角台阶和任意台阶面的机器人及其攀爬方法。所述的机器人，包括外四腿支撑结构和内四腿支撑结构，其特征在于，所述的位于第一支撑板的前部的两个外腿的前侧分别设有第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，位于第二支撑板前部的两个内腿的前侧分别设有第三激光测距传感器和第四激光测距传感器，所述的四个外腿和四个内腿的下端设有底座，所述的底座的下侧设有碰撞传感器。本发明利用激光测距传感器，结合本发明设计的控制方法，提出了一种巧妙的旋转爬楼路径规划，从而实现了任意旋转角度台阶、任意样式台阶(每一阶台阶旋转角度不同)的攀爬。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可攀爬任意旋转角度台阶、任意台阶面的机器人及攀爬方法， 属于爬楼机器人领域。

背景技术

随着人们生活质量和审美水平的提高，旋转楼梯随处可见，比如别墅、食堂、 购物中心、体育馆等。可是，往楼上搬运东西或者老年人残疾人上楼给人们带来 了很多困扰；另一种情况，黄山、华山此类的高山景点的石台阶每一阶不是完全 平行，地面也不平整，只能靠挑山工往山上挑运货物。而现阶段的搬运设备或爬 楼机器人多为星轮式和履带式，受其轮子或履带的束缚只适用于直楼梯，人形机 器人能爬旋转楼梯，可是不适合搬运。因此，设计一种可攀爬任意旋转角度台阶、 路况不平也能保持水平姿态的机器人很必要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种可爬楼任意旋转角度台 阶、任意台阶面的机器人及攀爬方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种可攀爬任意旋角台阶和任意台阶面的 机器人，包括外四腿支撑结构和内四腿支撑结构，所述的外四腿支撑结构包括第 一支撑板和固定于第一支撑板下侧的四个可伸缩的外腿，所述的四个外腿中，两 个位于第一支撑板的前部，另外两个位于第一支撑板的后部，所述的内四腿支撑 结构包括第二支撑板和固定于第二支撑板下侧的四个可伸缩的内腿，所述的四个 内腿中，两个位于第二支撑板的前部，另外两个位于第二支撑板的后部，所述的 第一支撑板和第二支撑板之间可相对旋转和相对位移，其特征在于，所述的位 于第一支撑板的前部的两个外腿的前侧分别设有第一激光测距传感器和第二激 光测距传感器，位于第二支撑板前部的两个内腿的前侧分别设有第三激光测距传 感器和第四激光测距传感器，所述的四个外腿和四个内腿的下端设有底座，所述 的底座的下侧设有碰撞传感器。

优选地，所述的外四腿支撑结构的上侧设有控制柜，控制柜上侧设有载物台。

优选地，所述的外四腿支撑结构的上侧设有配重块。

本发明还提供了上述的可攀爬任意旋角台阶和任意台阶面的机器人的攀爬 方法，其特征在于，包括：

第一步：将外四腿支撑结构的四个外腿皆伸长一定长度H₁，H₁＝h+b，h为 一个台阶的高度，单位为cm，b为设定值，b的取值范围为0～3cm，此时，内 四腿支撑结构的四个内腿悬空；

第二步：第三激光测距传感器和第四激光测距传感器分别检测位于第二支撑 板前部的两个内腿到前方台阶的距离L1和L2，若L1与L2中至少一个大于等于 设定值a，则停止攀爬，若L1与L2皆小于设定值a且L1与L2相等，则进入第 三步，若L1与L2皆小于设定值a且L1与L2不相等，设L1小于L2，第二支撑 板相对于第一支撑板向使L1增大的方向旋转，当旋转至L1与L2相等时，停止 旋转；

第三步：第二支撑板相对于第一支撑板向前移动，此时，第三激光测距传感 器和第四激光测距传感器实时测试位于第二支撑板前部的两个内腿到前方台阶 的距离L1和L2，当L1和L2等于指定距离M时，停止相对移动；

第四步：将内四腿支撑结构的四个内腿伸长，此过程中，第一支撑板和第二 支撑板保持水平状态，当四个内腿上的碰撞传感器皆碰到地面时，内腿继续伸长 一定长度H₂，H₂＝h，外四腿支撑结构的四个外腿收缩并悬空；

第五步：第一激光测距传感器和第二激光测距传感器分别检测位于第一支撑 板的前部的两个外腿到前方台阶的距离L3和L4，此时若L3和L4中至少一个大 于等于设定值a，则停止攀爬，若L3和L4皆小于设定值a且L3和L4相等，则 进入第六步，若L3和L4皆小于设定值a且L3和L4不相等，设L3小于L4，第 一支撑板相对于第二支撑板向使L3增大的方向旋转，当旋转至L3和L4相等时， 停止旋转；

第六步：第一支撑板相对于第二支撑板向前移动，此时，第一激光测距传感 器和第二激光测距传感器实时测试位于第一支撑板的前部的两个外腿到前方台 阶的距离L3和L4，当L3和L4等于指定距离M时，停止相对移动；

第七步：将外四腿支撑结构的四个外腿伸长，第一支撑板和第二支撑板保持 水平状态，当四个外腿上的碰撞传感器皆碰到地面时，外腿继续伸长一定长度 H₃，H₃＝h，内四腿支撑结构的四个内腿收缩并悬空，返回第二步。

优选地，所述的指定距离M小于台阶的最小深度。

优选地，所述的设定值a大于台阶的最大深度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本机器人利用其旋转和前移结构、激光测距传感器，结合本发明设计的控制 方法，提出了一种巧妙的旋转爬楼路径规划，从而实现了任意旋转角度台阶、任 意样式台阶(每一阶台阶旋转角度不同)的攀爬，稳定，高效，适用范围广；而 且利用其特有的升降方法、碰撞传感器(简易应用可采用行程开关)模仿人脚触 觉的理念，结合本发明设计的控制方法，实现了攀爬不平整台阶而始终保持水平 姿。旋转爬楼过程中，由于机器人脚掌上的碰撞传感器碰到地面后使得腿伸长停 止，所以机器人踩到不平整的地面也能保持水平姿态。

附图说明

图1为本发明提供的可攀爬任意旋转角度台阶、任意台阶面机器人的轴测图；

图2A-2G为可攀爬任意旋转角度台阶、任意台阶面机器人爬台阶面不平整 旋转楼梯过程示意图(轴测图)；

图3A-3G为可攀爬任意旋转角度台阶、任意台阶面机器人爬台阶面不平整 旋转楼梯过程示意图(俯视图)(与图2A-2G对应)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说 明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容 之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于 本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明中所述的地面包括地面和台阶面。

实施例

如图1所示，本发明的可攀爬任意旋角台阶和任意台阶面的机器人，包括外 四腿支撑结构4和内四腿支撑结构3，所述的外四腿支撑结构4包括第一支撑板 和固定于第一支撑板下侧的四个可伸缩的外腿，所述的四个外腿中，两个位于第 一支撑板的前部，另外两个位于第一支撑板的后部，所述的内四腿支撑结构3包 括第二支撑板和固定于第二支撑板下侧的四个可伸缩的内腿，所述的四个内腿中， 两个位于第二支撑板的前部，另外两个位于第二支撑板的后部。

所述的第一支撑板位于第二支撑板的上侧，所述的第一支撑板和第二支撑板 之间可相对旋转和相对位移，所述的第一支撑板和第二支撑板之间的相对旋转和 相对位移可通过设于第一支撑板和第二支撑板之间的转接板实现，第一支撑板与 转接板通过转向轴连接并可通过转向轴实现相对旋转，转接板与第二支撑板通过 丝杠连接并可通过丝杠实现相对位移。

所述的位于第一支撑板的前部的两个外腿的前侧分别设有第一激光测距传 感器7和第二激光测距传感器9，位于第二支撑板前部的两个内腿的前侧分别设 有第三激光测距传感器10和第四激光测距传感器11，所述的四个外腿和四个内 腿的下端设有底座5，所述的底座5的下侧设有碰撞传感器6，所述的底座5具 有类似脚掌的作用。所述的外四腿支撑结构4的上侧设有控制柜2，控制柜2上 侧设有载物台1。所述的外四腿支撑结构4的上侧设有配重块8。控制柜2用于 控制第一支撑板与第二支撑板之间的相对旋转和位移以及四个内腿和四个外腿 的伸长和收缩。

上述的可攀爬任意旋角台阶和任意台阶面的机器人的攀爬方法为：

第一步：将外四腿支撑结构4的四个外腿皆伸长一定长度H₁，H₁＝h+b，h 为一个台阶的高度，单位为cm，b为设定值，b的取值范围为0～3cm，本实施 例中b取1cm，此时，内四腿支撑结构3的四个内腿悬空，如图2A和3A所示；

第二步：第三激光测距传感器10和第四激光测距传感器11分别检测位于第 二支撑板前部的两个内腿到前方台阶的距离L1和L2，若L1与L2中至少一个大 于等于设定值a，a大于台阶的最大深度，本实施例取2米，此时认为机器人已 爬到最顶端，停止攀爬，若L1与L2皆小于设定值a且L1与L2相等，则进入第 三步，若L1与L2皆小于设定值a且L1与L2不相等，设L1小于L2，第二支撑 板相对于第一支撑板向使L1增大的方向旋转，当旋转至L1与L2相等时，停止 旋转，如图2B和3B所示；

第三步：第二支撑板相对于第一支撑板向前移动，此时，第三激光测距传感 器10和第四激光测距传感器11实时测试位于第二支撑板前部的两个内腿到前方 台阶的距离L1和L2，当L1和L2等于指定距离M时，M大于0，小于台阶的最 小深度，本实施例中M取值为2cm，停止相对移动，如图2C和3C所示；

第四步：将内四腿支撑结构3的四个内腿伸长，此过程中，第一支撑板和第 二支撑板保持水平状态，当四个内腿上的碰撞传感器6皆碰到地面时，内腿继续 伸长一定长度H₂，H₂＝h，外四腿支撑结构4的四个外腿收缩并悬空，如图2D和 3D所示；

第五步：第一激光测距传感器7和第二激光测距传感器9分别检测位于第一 支撑板的前部的两个外腿到前方台阶的距离L3和L4，此时若L3和L4中至少一 个大于等于设定值a，a大于台阶的最大深度，本实施例取2米，此时认为机器 人己爬到最顶端，停止攀爬，若L3和L4皆小于设定值a且L3和L4相等，则进 入第六步，若L3和L4皆小于设定值a且L3和L4不相等，设L3小于L4，第一 支撑板相对于第二支撑板向使L3增大的方向旋转，当旋转至L3和L4相等时， 停止旋转，如图2E和3E所示；

第六步：第一支撑板相对于第二支撑板向前移动，此时，第一激光测距传感 器7和第二激光测距传感器9实时测试位于第一支撑板的前部的两个外腿到前 方台阶的距离L3和L4，当L3和L4等于指定距离M时，M大于0，小于台阶的 最小深度，本实施例中M取值为2cm，停止相对移动，如图2F和3F所示；

第七步：将外四腿支撑结构4的四个外腿伸长，第一支撑板和第二支撑板保 持水平状态，当四个外腿上的碰撞传感器6皆碰到地面时，此时，位于第一支撑 板的后部的两个外腿分别踩到不同两个台阶，外腿继续伸长一定长度H₃，H₃＝h， 内四腿支撑结构3的四个内腿收缩并悬空，如图2G和3G所示，返回第二步，实 现旋转爬楼。

本发明还提供了一种攀爬不平整台阶而始终保持水平姿态的方法，旋转爬楼 过程中，由于机器人底座5上的碰撞传感器6碰到地面后使得腿伸长停止，所以 机器人踩到不平整的地面也能保持水平姿态。