一种平动旋转腿式楼梯清洁机器人及上下楼方法技术

本发明专利技术公开了一种平动旋转腿式楼梯清洁机器人及上下楼方法，机器人包括：机身、对称分布在机身两侧的包括支撑腿与转臂的平动旋转腿机构、测距和接近传感器。上下楼方法中：上楼时，由支撑腿通过转臂撑起机身，平动旋转至上一级台阶，继续旋转转臂至支撑腿收回在机身两侧；下楼时，由机身通过旋转转臂带动支撑腿平动旋转至下一级台阶，将机身从当前台阶撑起，继续旋转转臂至机身回落在下一级台阶，且支撑腿收回在机身两侧。利用测距和接近传感器避免机器人出现踏空和碰撞情况，确保运行可靠。本发明专利技术的机器人及上下楼方法具有上下楼动作简洁高效，结构紧凑，便于在楼梯踏步面上来回清理，也兼顾了平地清扫功能，扩展了其应用范围。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，机器人包括：机身、对称分布在机身两侧的包括支撑腿与转臂的平动旋转腿机构、测距和接近传感器。上下楼方法中：上楼时，由支撑腿通过转臂撑起机身，平动旋转至上一级台阶，继续旋转转臂至支撑腿收回在机身两侧；下楼时，由机身通过旋转转臂带动支撑腿平动旋转至下一级台阶，将机身从当前台阶撑起，继续旋转转臂至机身回落在下一级台阶，且支撑腿收回在机身两侧。利用测距和接近传感器避免机器人出现踏空和碰撞情况，确保运行可靠。本专利技术的机器人及上下楼方法具有上下楼动作简洁高效，结构紧凑，便于在楼梯踏步面上来回清理，也兼顾了平地清扫功能，扩展了其应用范围。【专利说明】
本专利技术涉及，尤其涉及一种结构简单紧凑、移动可靠合理的平动旋转腿上下楼机器人及其上下楼方法，属于机器人领域。
技术介绍
各种高楼大厦、阶梯教室、会议厅、体育场看台等包括楼梯的建筑越来越常见，楼道清洁的工作明显增加，然已走进人们日常生活的清洁机器人绝大多数是室内平地清洁机器人，因此有必要研究开发楼梯清洁机器人。先后提出了各种各样的爬楼方法，主要包括:轮式、履带式、腿式、翻滚式。其中履带式与翻滚式结构复杂，难以在楼梯上完成清扫任务，只是纯粹的爬楼，实用性有限。轮式爬楼机器人较多采用行星轮或其它复合轮式，结构庞大复杂，也很少兼顾楼梯清扫功能，实用性大打折扣。腿式爬楼机器人较多采用仿人行走式，机构复杂，成本高，不利于向市场推广。此外有的采用一种当前较流行的八轮脚结构设计楼道清洁机器人，上下楼平稳，可对楼梯进行有限清扫；山东德州学院提出一种楼道清洁机器人利用平行四边形形变的特点实现上下楼梯功能。基于这些新型爬楼方法的楼道清洁机器人虽然体积相对履带式等结构有所减小，但仍然存在体积与占地面积较大的问题，造成机器人不方便在楼梯踏步上灵活转弯与来回行走进行清扫，也难以做到像当前室内清洁机器人可工作于低矮、狭窄的空间。如中国专利CN200910028019.6带有导臂的履带式移动机器人的攀爬楼梯控制方法，带有导臂的履带式移动机器人的楼梯攀爬方法，其特征在于:步骤1:机器人驶近楼梯，导臂向下旋转，在与楼梯踏步接触后机器人被抬起，并向前攀爬楼梯，当机器人上的超声、红外测距传感器测得机器人与前方物体距离大于楼梯踏步的宽度时，认为机器人已攀爬至楼梯顶部，停止攀爬。步骤2:导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，当导臂的旋转轴上产生转矩M大于设定值时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而与地面脱离，转矩M消失，机器人停止攀爬。步骤3:重复步骤2，二维姿态传感器测得的车体与水平面夹角Φ随机器人攀爬而减小，机器人继续攀爬至所述夹角Φ不再减小时，停止攀爬，导臂向后旋转，与车体的夹角为45度时停止转动。上述方法的机器人，由于采用履带式结构，对于救援中的快速爬楼有效，但庞大的体积对于楼梯清扫并不适合，具体表现为:1，机器人无法完成在楼梯台阶踏步面上的来回清扫任务，造成实用性能有限，仅仅只能爬楼；2，机器人的辅助相关打扫楼梯、抓取物品等操作使得机构庞大，不能工作于狭小的空间，适用性范围减小；3该机器人体积庞大，造成成本高，不利于向市场推广。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是提供一种平动旋转腿楼梯清洁机器人及上下楼方法，具有结构紧凑、上下楼简洁高效，便于完成楼梯清扫的特点。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为:一种平动旋转腿式楼梯清洁机器人，其创新点在于包括:平行于楼梯踏步平面的机身、对称分布在机身两侧的平动旋转腿结构、并排设置于机身前方水平向前感测的两测距传感器、并排设置于机身后方垂直向下检测的两接近传感器，所述平动旋转腿结构包括初始位置时水平设置的支撑腿、与所述支撑腿铰连的转臂、分别位于该转臂长度方向上转臂两端的第一链轮和第二链轮、连接所述第一链轮和所述第二链轮的链条，所述第二链轮位于所述转臂与所述支撑腿铰接处，且所述第二链轮固连在所述支撑腿上，所述第一链轮栓接于与所述机身固连的轴承座上，所述转臂与机身上设置的转臂驱动电机直连；所述机身下方上设置有楼梯清扫装置。优选地，所述机身下方设置有对称于机身左右中间线的起辅助机身前进的两行进轮，所述两行进轮与行进驱动电机相连；机身下方靠近所述测距传感器位置处设置有辅助支撑的万向轮a ;机身下方靠近所述接近传感器位置处设置有辅助平衡的万向轮b。优选地，所述机身上两行进轮与所述万向轮a间设置有接近传感器a。优选地，所述第一链轮的分度圆半径rl和齿数zl等于第二链轮的分度圆半径r2和齿数z2，运动过程中所述支撑腿与所述转臂间的夹角Θ i始终等于所述转臂与所述机身间的夹角θ2。一种平动旋转腿式楼梯清洁机器人的上下楼方法，应用于一种平动旋转腿上下楼机器人中，包括以下步骤:步骤一，上楼过程中，初始状态时保证机身与支撑腿一并回落到台阶踏步面上，利用两测距传感器分别检测与上一级台阶踢面的距离Xl和Χ2，控制行进驱动电机带动两行进轮差动前进，使得Xl等于Χ2，接着控制转臂驱动电机带动转臂向上一级台阶踏步面的方向旋转，使得机身下方的万向轮a落于上一级台阶上，此时接近传感器a检测到近处有遮挡，暂停转臂旋转，接着控制机身下方的两行进轮前进，直至利用两接近传感器检测受到上一级台阶踏步面的遮挡，确保机身下方的万向轮b处于上一级台阶踏步面上；步骤二，转臂驱动电机继续驱动转臂旋转，获得机身、转臂和支撑腿处于同一水平位置的瞬间状态，保证楼梯清洁机器人的重心位于万向轮b与行进轮之间，接着继续驱动转臂旋转，直至支撑腿与转臂回落到机身所在的上一级台阶踏步面上，完成一个周期的楼梯爬楼，如此往复即可完成楼道的爬楼并辅以楼梯清洁；步骤三，下楼过程中，初始状态时保证机身与支撑腿一并回落到踏步平面上，控制行进驱动电机带动两行进轮差动前进，使得两接近传感器靠近机身所在台阶踏步面和机身所在台阶的踢面交汇的边缘，两测距传感器位于机身所在台阶踏步面上方，此时保证机身接近传感器在前，测距传感器在后的方式，使机器人向下一级台阶踏步面进发，若两接近传感器检测到近处无遮挡，则行进轮停止前进，接着控制转臂驱动电机带动转臂向下一级台阶踏步面方向旋转；步骤四，继续驱动转臂旋转，获得机身、转臂和支撑腿处于同一水平位置的瞬间状态，保证下楼机器人的重心位于万向轮b与行进轮之间，接着继续驱动转臂旋转，使得支撑腿回落到下一级台阶踏步面上，此时控制转臂驱动电机继续驱动转臂旋转，使得机身离开机身所在台阶踏步面，直至机身、转臂、支撑腿均回落到下一级台阶踏步面上。优选地，所述步骤一中，Xl和X2的取值范围在0.3倍的机身长与0.5倍的机身长间。本专利技术的优点在于:通过采用机身上的转臂驱动电机带动转臂，利用转臂带动撑地的支撑腿转动，由于同步链轮的存在，运动过程中机身始终保持水平状态，支撑腿绕着机身做整周的平动旋转。机身下方的万向轮行进过程中可实现上楼路线的调整，也可起到平衡支点的作用；通过测距传感器和接近传感器确保机器人不存在踏空的情况，便于机器人在准备上下楼时调整机身姿态，使机器人正对楼梯，实现高效可靠的爬楼。采用上述紧凑的结构设计，确保运行灵活。本专利技术的机器人及其上下楼方法，可使清扫装置类似平地清洁机器人布置于机身下方，带来结构紧凑，便于楼梯踏步面及边角的清理，也兼顾了平地清扫功能，大大扩展本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平动旋转腿式楼梯清洁机器人，其特征在于包括：平行于楼梯踏步平面的机身、对称分布在机身两侧的平动旋转腿结构、并排设置于机身前方水平向前感测的两测距传感器、并排设置于机身后方垂直向下检测的两接近传感器，所述平动旋转腿结构包括初始位置时水平设置的支撑腿、与所述支撑腿铰连的转臂、分别位于该转臂长度方向上转臂两端的第一链轮和第二链轮、连接所述第一链轮和所述第二链轮的链条，所述第二链轮位于所述转臂与所述支撑腿铰接处，且所述第二链轮固连在所述支撑腿上，所述第一链轮栓接于与所述机身固连的轴承座上，所述转臂与机身上设置的转臂驱动电机直连；所述机身下方上设置有楼梯清扫装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，王汉成，胡金飞，孙小刚，凌俊，曹鑫，杨元，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32