连续撑跃式台阶攀爬机器人及自适应台阶的攀爬方法

摘要

本发明公开了一种连续撑跃式台阶攀爬机器人及自适应台阶的攀爬方法，通过控制撑杆轴转动，带动撑杆翻转至上一阶台阶，撑杆轴继续转动，在台阶面对撑杆的反作用力下，撑杆慢慢竖撑立起来，撑杆轴、动力驱动轮逐渐上升，直至撑杆与台阶面垂直，此时动力驱动轮离地；然后撑杆轴继续转动，撑杆向后倾斜，撑杆轴、动力驱动轮逐渐下降，直至动力驱动轮落地。本发明采用前、后撑杆分别围绕设置于前、后撑杆轴的轴心作圆周运动，通过台阶面对前、后撑杆施加的反作用力，将机器人整体撑跃至相邻的高一级台阶，或撬降至相邻的低一级台阶。与现有技术中的伸缩式爬升机构相比，本发明的连续撑跃式台阶攀爬机器人，爬升过程更加平稳、安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种台阶攀爬机构，具体来说涉及一种连续撑跃式台阶攀爬机 器人及自适应台阶的攀爬方法。

背景技术

2015年9月9日，在全球老龄工作领域有着重要影响的国际性非政府组织 --国际助老会发布了名为《2015全球老龄事业观察指数》的报告。报告说，全 球60岁及以上人口约9.01亿，占世界人口12.3％。到2030年这一比例将达到 16.5％。报告称目前中国是世界上老龄人口最多的国家有2.09亿，另外由于各 种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加。而轮椅是老年人以及残障人士必不 可少的代步工具，普通轮椅只能平地行走，不能上下阶梯。为解决这一问题目 前市场上研究出具有攀爬功能的智能轮椅车，主要为履带式和星轮式，其缺点 是安全稳定性差且上下阶梯必须要他人协助。这也是履带式和星轮式轮椅尽管 发明专利很多，但是真正实施和推广很少的主要原因。因此，也有一些人想到 了设计一种腿足式的全方位水平姿态爬楼机器人及零半径转向、爬楼方法。但 由于其结构复杂、移动速度慢，对不同台阶高度的自适应性差，也未能得到推 广。

比如，名称为“全方位水平姿态爬楼机器人及零半径转向、爬楼方法”，申 请号为“CN201310285367.8”的在先申请，描述了这样的特征“本发明提供了 一种全方位水平姿态爬楼机器人，包括下台面及位于其上方的上台面，在下台 面的下方设有带动其升降的至少两组下台面升降机构，在上台面的下方设有带 动其升降的至少四组上台面升降机构，其特征在于：下台面与上台面在水平方 向上前后错开，在下台面与上台面之间设有支撑转动板，支撑转动板底部设有 直线移动单元，直线移动单元的底部设于下台面上，在上台面上设有转动机构， 转动机构与支撑转动板固定连接。”由上述描述可以看出，整个爬行机构和爬 行方法都很复杂，腿足多、整个传动关系繁琐导致移动速度慢，且对不同楼梯 的自适应性差，安全可靠性得不到保障。因此该发明并不实用。

又比如，中国专利公告号为CN104925162B公开了一种电动爬楼机器人， 包括：爬楼机台，该爬楼机台上纵向设置有两通槽；爬楼机台的下部对称设 置有两油马达，任一油马达的出力轴均与一丝杠相连接，丝杠安装于爬楼机台 上；两个丝杠当中，每个丝杠均贯穿一油缸，油缸内具有与所述丝杠相适配 的内螺纹，油缸与丝杠构成螺纹传动副；所述油缸的顶部与一离合器固定连 接，离合器位于通槽内部，离合器的顶端放置有载人板，油缸通过离合器带动 载人板移动；其中，两个油缸通过活塞杆的伸缩与前后交替运动实现上楼。但 是这种结构在爬楼时，重心不稳，存在安全隐患。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种连续撑跃式台阶攀爬机器人及 自适应台阶的攀爬方法，以解决现有技术中的诸多问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

连续撑跃式台阶攀爬机器人，其特征在于，包括支撑架体和设置在支撑架 体上的支撑平台；

所述支撑架体包括前、后支撑联动组件，前、后支撑联动组件的下方分别 连接有前、后动力驱动轮；所述前、后支撑联动组件均包括撑杆轴、至少两个 分别设置在撑杆轴两端的撑杆；且撑杆长度大于相对应的动力驱动轮的直径；

所述前、后支撑联动组件之间通过同步驱动机构连接；所述同步驱动机构 包括两组分别用以驱动两个撑杆轴转动的动力减速电机、两组分别设置在两个 撑杆轴上的位角同步编码传感器、以及多轴同步控制驱动电路；两组位角同步 编码传感器均与多轴同步控制驱动电路连接，多轴同步控制驱动电路分别连接 并控制两组动力减速电机。

优选的，所述前、后支撑联动组件分别与前、后悬侧梁的一端连接，前、 后悬侧梁的另一端铰接在一起；前、后支撑联动组件之间还设置有变距电推杆， 前、后悬侧梁与变距电推杆形成三角架体，通过变距电推杆的伸缩运动改变前、 后动力驱动轮的轮距，来适应楼梯梯步步距。

优选的，两个后动力驱动轮设置在后主轴上，后主轴通过轴承连接后撑杆 轴上；两个前动力驱动轮设置在前转向侧架横梁上，前转向侧架横梁通过轴承 连接前撑杆轴上。进一步，所述前转向侧架横梁上设置有脚踏板。

进一步，所述前、后支撑联动组件上分别设置有用以检测车轮与台阶纵面 距离的超声距离探测器，且两个所述超声距离探测器分别设置在前转向侧架横 梁、后主轴上。

更进一步，所述支撑平台与前转向侧架横梁之间设置有平台平衡连杆，通 过平台平衡连杆带动支撑平台与前转向侧架横梁同步运动；前转向侧架横梁与 后主轴之间依次通过前平衡连杆、后平衡连杆连接，通过前平衡连杆和后平衡 连杆带动前转向侧架横梁与后主轴同步运动。

优选的，所述支撑平台通过导向件可以前后移动的设置在所述支撑架体上， 且支撑平台与驱动其前后移动的水平移动电推杆连接。

优选的，所述支撑平台与支撑架体之间还设置有用以调节支撑平台角度的 水平调节电推杆；所述水平调节电推杆上设置有倾角传感器。

优选的，所述支撑平台为轮椅座。

优选的，所述撑杆的前端为圆弧过渡形状。

连续撑跃式台阶攀爬机器人自适应台阶的攀爬方法，其特征在于，控制前、 后撑杆轴同步转动，带动撑杆翻转至上一阶台阶，撑杆轴继续转动，在台阶面 对撑杆的反作用力下，撑杆慢慢竖撑立起来，撑杆轴、动力驱动轮逐渐上升， 直至撑杆与台阶面垂直，此时动力驱动轮离地；然后撑杆轴继续转动，撑杆向 后倾斜，撑杆轴、动力驱动轮逐渐下降，直至动力驱动轮落地。

使用时，控制连续撑跃式台阶攀爬机器人后退，通过超声距离探测器定位 至合适位置，停止后退；后撑杆轴转动，带动后撑杆翻转至上一阶台阶，后撑 杆轴继续转动，在台阶面对后撑杆的反作用力下，后撑杆慢慢竖撑立起来，后 撑杆轴、后动力驱动轮逐渐上升，直至后撑杆与台阶面垂直，此时后动力驱动 轮离地；然后后撑杆轴继续转动，后撑杆向后倾斜，后撑杆轴、后动力驱动轮 逐渐下降，直至后动力驱动轮落地；同理，这个过程中，在同步驱动机构的控 制下，前撑杆轴与后撑杆轴同步转动，前撑杆翻转至上一阶台阶，前撑杆轴继 续转动，在台阶面对前撑杆的反作用力下，前撑杆慢慢竖立撑起来，前撑杆轴、 前动力驱动轮逐渐上升，直至前撑杆与台阶面垂直，此时前动力驱动轮离地； 然后前撑杆轴继续转动，前撑杆向后倾斜，前撑杆轴、前动力驱动轮逐渐下降， 直至前动力驱动轮落地；完成一级台阶的攀爬。

本发明采用前、后撑杆分别围绕设置于前、后撑杆轴的轴心作圆周运动， 通过台阶面对前、后撑杆施加的反作用力，将机器人整体撑跃至相邻的高一级 台阶，或撬降至相邻的低一级台阶。与现有技术中的伸缩式爬升机构相比，本 发明的连续撑跃式台阶攀爬机器人，爬升过程更加平稳、安全。

本发明在支撑平台与支撑架体之间设置的水平调节电推杆可以有效的保证 支撑平台在爬升过程中基本保持水平状态，以实现支撑平台上的人或物的平稳 运输。

由于连续撑跃式台阶攀爬机器人的前后长度相对较长，本发明采用支撑平 台与水平移动电推杆连接，带动支撑平台前后移动，更加方便使用者的乘坐。

本发明前、后悬侧梁与变距电推杆形成三角架体，通过变距电推杆的伸缩 运动改变前、后动力驱动轮的轮距，可以适应不同的楼梯梯步步距。

本发明采用同步驱动机构来保证前、后撑杆之间始终保持旋向、旋角同步 一致，确保了连续撑跃式台阶攀爬机器人前后同步起降的安全平稳姿态。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚 地了解。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为支撑架体的示意图。

图3为本发明的另一方向示意图。

图4为本发明的示意图。

图5为本发明爬升台阶时的状态示意图。

图6为本发明爬升台阶时的状态示意图。

图7为本发明爬升台阶时的状态示意图。

图8为本发明爬升台阶时的状态示意图。

图9为本发明爬升台阶时的状态示意图。

图10为本发明爬升台阶时的状态示意图。

图11为旋转转向装置的结构示意图。

图12为旋转转向装置的状态示意图。

图13为连续撑跃式台阶攀爬机器人零半径旋转的状态示意图。

图14为同步驱动机构的原理示意图。

各附图中的标号表示如下：

1轮椅座、2支撑架体、3控制器、4水平调节电推杆、5变距电推杆、6 平台平衡连杆、7前平衡连杆、8后平衡连杆、9前动力驱动轮、10后动力驱动 轮、11前撑杆、12后撑杆、13、圆弧过渡结构、14圆弧过渡结构、15多轴同 步控制驱动电路、16水平移动电推杆、17脚踏板、18前动力减速电机、19后 动力减速电机、20前撑杆位角编码器、21后撑杆位角编码器、22前悬侧梁、 23后悬侧梁、24前撑杆轴、25后撑杆轴、26前超声距离探测器、27后超声距 离探测器、28前转向侧架横梁、29后主轴、30转向羊角、31步进电机、32正 旋丝杆、33反旋丝杆、34内螺纹套杆。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合具体实施例进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，术语“左端、右端、前端、后端、左侧、右侧、向内、 向外”等仅仅是为了方便描述和限定，而不能理解为对本发明的限制。

参见图1-4，本发明公开了一种连续撑跃式台阶攀爬机器人，包括支撑架 体2和设置在支撑架体上的支撑平台；支撑平台可以用于放置物品，也可以用 以坐人。本实施例以坐人为例，支撑平台为一轮椅座1。

轮椅座1包括坐垫、靠背和扶手，轮椅座1通过导轨或者滑块可以前后移 动的设置在支撑架体2上，且轮椅座1与驱动其前后移动的水平移动电推杆16 连接。当使用者需要坐在上面时，可以通过调节水平移动电推杆16，带动轮椅 座1向前移动，方便使用者坐下。

支撑架体2包括前、后支撑联动组件，前、后支撑联动组件分别与前、后 悬侧梁(22、23)的一端连接，前、后悬侧梁(22、23)的另一端铰接在一起； 前、后支撑联动组件之间还设置有变距电推杆5，前、后悬侧梁(22、23)与 变距电推杆5形成三角架体，通过变距电推杆5的伸缩运动改变前、后动力驱 动轮的轮距，来适应楼梯梯步步距。

前支撑联动组件包括前撑杆轴24、两个分别设置在前撑杆轴24两端的前 撑杆11；后支撑联动组件包括后撑杆轴25、两个分别设置在后撑杆轴25两端 的后撑杆12。前、后支撑联动组件之间通过同步驱动机构连接；参见图14，同 步驱动机构包括两组分别用以驱动两个撑杆轴转动的前、后动力减速电机(18、 19)、两组分别设置在两个撑杆轴上的位角同步编码传感器(20、21)、以及多 轴同步控制驱动电路15；两组位角同步编码传感器(20、21)均与多轴同步控 制驱动电路15连接，多轴同步控制驱动电路15分别连接并控制两组动力减速 电机(18、19)。前、后撑杆(11、12)在前、后动力减速电机(18、19)的驱 动下，围绕撑杆轴(24、25)做圆周运动，同时通过撑杆轴上的位角同步编码 传感器(20、21)给出的位角编码信息，分别传送至多轴同步控制驱动电路15， 经多轴同步控制驱动电路15处理后，经过A路驱动反馈给后动力减速电机19， 作出相应的转速调整，经过B路驱动反馈给前动力减速电机18，作出相应的转 速调整，达到前、后撑杆位角同步的目的。前、后撑杆(11、12)的前端均为 圆弧过渡结构(13、14)。

两个后动力驱动轮10设置在后主轴29上，后主轴29通过轴承连接后撑杆 轴25上；两个前动力驱动轮9设置在前转向侧架横梁28上，前转向侧架横梁 28通过轴承连接前撑杆轴24上。后动力驱动轮10、前动力驱动轮9分别通过 独立的电机控制。且前撑杆11长度大于前动力驱动轮9的直径；后撑杆12长 度大于后动力驱动轮10的直径。

在前转向侧架横梁28上设置有前超声距离探测器26，在后主轴29上设置 有后超声距离探测器27。前超声距离探测器26、后超声距离探测器27用以检 测动力驱动轮与台阶垂直梯面的间距。另外，需要指出的是，支撑平台(轮椅 座1)与前转向侧架横梁28之间设置有平台平衡连杆6，通过平台平衡连杆6 带动支撑平台与前转向侧架横梁28同步运动；前转向侧架横梁28与后主轴29 之间依次通过前平衡连杆7、后平衡连杆8连接，通过前平衡连杆7和后平衡 连杆8带动前转向侧架横梁28与后主轴29同步运动。在座椅姿态调整过程中， 平台平衡连杆6、前平衡连杆7、后平衡连杆8通过联动作用，将前转向侧架横 梁28下的前超声距离探测器26调整至与台阶垂直梯面垂直，将位于轮椅后主 轴上的后超声距离探测器27调整至与台阶垂直梯面垂直。

参见图11和图12，需要指出的是，两个前动力驱动轮9分别通过转向羊 角30与前转向侧架横梁28的两端连接，两个后动力驱动轮10分别通过转向羊 角30与后主轴29的两端连接。

在两个前动力驱动轮之间、两个后动力驱动轮之间均设置有旋转转向装置； 旋转转向装置包括一步进电机31，在步进电机的两侧分别设置有与步进电机输 出轴连接的正旋丝杆32和反旋丝杆33，正旋丝杆和反旋丝杆上的内螺纹套杆 34分别与两个动力驱动轮连接，用以带动两个动力驱动轮相向或者反向转动。

参见图13，通过一个步进电机带动两个前动力驱动轮相向转动，形成内八 字形状；通过另一个步进电机带动两个后动力驱动轮反向转动，形成外八字形 状；在这种状态下，连续撑跃式台阶攀爬机器人可以以四个动力驱动轮的中心 位置为中心点进行零半径旋转。

前转向侧架横梁28上设置有脚踏板17。

轮椅座1与支撑架体之间还设置有用以调节支撑平台角度的水平调节电推 杆4；通过水平调节电推杆4可以调节轮椅座1的倾斜角度。在水平调节电推 杆4上设置有倾角传感器，实现自动调控，即在爬升过程中，支撑架体2与轮 椅座1之间的角度在不断变化，倾角传感器将该信息传输给控制装置，控制装 置控制水平调节电推杆4做伸缩运动，以保证轮椅座1始终保持水平状态。

本发明的控制器3安装在轮椅座1的右扶手上，以方便使用者操作。

本发明的使用过程如下：

第一、二阶台阶的爬升：预先通过调节变距电推杆5来改变前、后动力驱 动轮(9、10)的轮距，来适应台阶面的宽度。控制连续撑跃式台阶攀爬机器人 后退，位于后主轴29上的后超声距离探测器27开始自动检测，至合适距离时， 通过控制系统控制连续撑跃式台阶攀爬机器人停下，连续撑跃式台阶攀爬机器 人处于爬楼准备状态。后撑杆轴25转动，带动后撑杆12翻转至上一阶台阶， 后撑杆轴25继续转动，在台阶面对后撑杆12的反作用力下，后撑杆12慢慢竖 立撑起来，后撑杆轴25、后动力驱动轮10逐渐上升，直至后撑杆12与台阶面 垂直，此时后动力驱动轮10离地；然后后撑杆轴25继续转动，后撑杆12向后 倾斜，后撑杆轴25、后动力驱动轮10逐渐下降，直至后动力驱动轮10落地， 后动力驱动轮10完成第一阶台阶的爬升。然后，采用相同的原理，后动力驱动 轮10带动连续撑跃式台阶攀爬机器人后退，通过后超声距离探测器27的定位， 再进行爬升，后动力驱动轮10完成第二阶台阶的爬升。此时，连续撑跃式台阶 攀爬机器人的前动力驱动轮10靠近第一阶台阶并准备爬升第一阶台阶。

参见图5-10，中间台阶的爬升：控制连续撑跃式台阶攀爬机器人后退，位 于后主轴29上的后超声距离探测器27开始自动检测，至合适距离时，通过控 制系统控制连续撑跃式台阶攀爬机器人停下，连续撑跃式台阶攀爬机器人处于 爬楼准备状态。后撑杆轴25转动，带动后撑杆12翻转至上一阶台阶，后撑杆 轴25继续转动，在台阶面对后撑杆12的反作用力下，后撑杆12慢慢竖立撑起 来，后撑杆轴25、后动力驱动轮10逐渐上升，直至后撑杆12与台阶面垂直， 此时后动力驱动轮10离地；然后后撑杆轴25继续转动，后撑杆12向后倾斜， 后撑杆轴25、后动力驱动轮10逐渐下降，直至后动力驱动轮10落地，后动力 驱动轮10完成一阶台阶的爬升。同理，在这个过程中，同步地，前撑杆轴24 与后撑杆轴25同步转动，前撑杆11翻转至上一阶台阶，前撑杆轴24继续转动， 在台阶面对前撑杆11的反作用力下，前撑杆11慢慢竖立撑起来，前撑杆轴24、 前动力驱动轮9逐渐上升，直至前撑杆11与台阶面垂直，此时前动力驱动轮9 离地；然后前撑杆轴24继续转动，前撑杆11向后倾斜，前撑杆轴24、前动力 驱动轮9逐渐下降，直至前动力驱动轮9落地；完成一阶台阶的攀爬。

在前动力驱动轮9经过最后两时台阶时，后撑杆轴25、后撑杆12不再运 动，采用相同的原理，前撑杆轴24、前撑杆11带动前动力驱动轮9完成爬升。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有 各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明 要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。