一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统及方法，包括一个前进单元组和一个垂直运动单元组，一个转向机构，以及重心和高度调节机构，在前进单元组上设有由动力滚筒带动的行进轮；在垂直运动单元组上设有由套筒连接的丝杠与动力滚筒，固定焊接架上放置有用来固定电缸的位置的固定垫片；在转向机构上设有支撑架和旋转气缸连接座，旋转气缸连接座分别连接提供动力和转向的旋转气缸和固定焊接架；在重心调节器上设有连接在直线滑轨上的重心调节块；在高度调节器上设有升降架连接件，分别连接升降架底座和活塞式电缸，以及承载重物的载物。通过各部分的配合实现机器人的爬楼过程，达到上楼困难的人和物的简单，方便、快捷化。

A mechanical system and method of omnidirectional horizontal climbing robot

【技术实现步骤摘要】
一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统及方法
本专利技术涉及爬楼机器人机械系统，特别是一种采用全方位水平姿态方式，由直线行走单元、竖直向升降单元、及转向机构所组成的三自由度移动机器人，通过三个部分的配合实现机器人的爬楼过程，实现了上楼困难的人和物的简单，方便、快捷化，使其可以服务人类、解决人类上下楼梯及上下搬运重物难题。
技术介绍
为了满足居住需要，高楼耸立，高楼内部各种物流的不断完善，老年人，残疾者的上下楼、重物的搬运，危险物品的运送使得人们开始去寻找人力以外的资源设备来完成楼梯对人们的困惑。目前市场上的爬楼机器人造价成本高、结构复杂、稳定性差。经调查研究发现，当前很多爬楼机器人爬楼过程中出现颠簸，不平稳，导致很难运用到实际生活中，来帮助人们完成一些爬楼工作。目前现有的爬楼机器人有以下几类：1)履带式爬楼机器人该类机器人和挖掘机或推土机工作运动过程相类似，爬楼工作原理简单，技术也相对完善成熟，通过履带来进行传动，可爬楼梯的最大倾斜角度为35°。2)行星轮式爬楼机器人该类机器人每一个行星轮和固定行星轮的支架架可以绕行星轮架主轴进行旋转运动，同时每一个星轮也可以绕轴自转，爬楼过程中，各星行轮和行星轮架一同绕星轮架主轴转动，完成攀爬台阶的工作，但其缺点是行星轮本体结构体积增加会导致整个爬楼机器人重量增加，影响其载物或者其他工作的实现；其行星轮式爬楼机器人结构较为复杂，需要人为进行对其辅助控制，稳定性较差。3)Mecanum轮式机器人该类机器人是一种能够实现前后运动、侧向平移以及绕中心旋转等运动的全方位移动机器人。该机器人运动灵活,控制简单,但车轮机构复杂,成本要求高，对不平路面的适应能力较差。因此，需要提供一种经济、稳定可靠、安全性高、运动能力强的全方位水平姿态爬楼机器人。
技术实现思路
本专利技术提供一种新型全方位水平姿态爬楼机器人以及爬楼方法，包括直线行走单元、竖直升降单元、及转向机构所组成的三自由度移动机器人，通过三个部分的配合实现机器人的爬楼过程，达到上楼困难的人和物的简单，方便、快捷化。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，包括前进单元组、垂直运动单元组、固定焊接架、转向机构、重心调节机构和高度调节机构，其中：前进单元组，由控制器控制的动力滚筒带动的行进轮；垂直运动单元组，由套筒连接动力滚筒和丝杠，丝杠连接固定电缸至固定焊接架上；转向机构，包括连接在固定焊接架上的转向的旋转气缸和支撑架；重心调节机构，连接在固定焊接架上直线滑轨和重心调节块；高度调节机构，连接在固定焊接架顶部的升降架连接件、活塞式电缸和承载重物的载物台；通过控制器控制前进单元组行进，控制器控制靠近楼梯的垂直运动单元组固定电缸升降，控制行进轮升起与楼梯等高，通过重心调节机构移动改变重心，随后将其余行进轮依次升起与楼梯等高；通过控制器控制旋转气缸进行角度旋转；通过控制器控制剪叉式升降架的高度调节。对于上述技术方案，本专利技术还有进一步优选的方案：优选的，所述前进单元组的动力滚筒带动的行进轮至少有三组，各组行进轮为一对，由连接轴连接。优选的，所述固定焊接架为双层框架结构，旋转气缸连接于框架底部，升降架连接件连接于框架顶部，直线滑轨横跨于框架中部连接在框架两端。优选的，所述垂直运动单元组中，套筒滚动连接在每个动力滚筒内侧的连接轴上；固定电缸上部通过固定垫片固定在固定焊接架上。优选的，所述转向机构的旋转气缸通过连接在固定焊接架底部的旋转气缸连接座连接，支撑架连接在旋转气缸下方，支撑架为框形架。优选的，所述高度调节机构包括设于升降架连接件上下方的载物台和升降架底座；载物台和升降架底座上分别设有滑槽；升降架连接件为剪刀叉形结构，在剪刀叉的一端设有贯穿滑槽的连杆，剪刀叉的另一端分别固定在载物台和升降架底座上。优选的，所述贯穿升降架底座上滑槽的连杆上连接有活塞式电缸，活塞式电缸的活塞杆连接在连杆上，活塞式电缸的活塞缸连接在升降架底座端部。优选的，所述控制器安装在固定焊接架上，动力滚筒上安装有与控制器连接的传感器。本专利技术还给出了一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统的爬楼方法，包括以下步骤：1)直线行走时，前进单元中的三组动力滚筒带动行进轮行走；2)爬楼运动时，控制器根据传感器感应位置信号，控制最靠近楼梯的一组电动缸带动丝杠连接动力滚筒向上升起，第一组行进轮升起至与第一级楼梯等高，其余两组动力滚筒前进，使第一组行进轮与第一级楼梯接触，同时重心调节块移动改变重心保持稳定；前进到一定距离后，第二组电动缸驱动，使第二组行进轮上升到与第一级楼梯等高，同时其余两组动力滚筒前进，使第二组行进轮与第一级楼梯接触，同时重心调节块再次移动；再次前进一定距离，使第三组行进轮上升到与第一级楼梯等高，同时其余两组动力滚筒提供前进动力，使第三组行进轮成功稳定地与第一级楼梯接触，同时重心调节块再次移动，依次循环重复，爬楼运动完成；3)进行转向运动时，机器人机械系统整体位于水平面上，三组升降机构丝杠同时进行上升，至支撑架完全与地面接触，三组升降机构处于悬空状态，稳定后，控制器根据传感器感应位置信号控制旋转气缸进行角度旋转，转向完成后，升降机构丝杠同步下降，至完全接触到地面停止；4)高度调节时，在控制器控制活塞式电缸活塞杆往复运动，带动推杆左右移动，同时带动推杆上的连接剪杆相对绕连杆转动，完成高度调节。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：本专利技术采用升降技术和转向技术，该方案经济、稳定可靠、安全性高、运动能力强，且可以降低颠簸程度，更加方便快捷。本专利技术的特点在于：1)本专利技术可以根据不同楼梯或台阶的不同高度，通过高度调节机构自行调节高度。2)本专利技术不仅可以用于解决人类上下楼梯搬运重物，也可以用于帮助老人及一些行动不便的人们更方便的上下楼梯。3)本专利技术可以通过直线行走单元、竖直向升降单元、及转向机构三个部分的配合实现机器人的稳定爬楼过程，整个过程保持水平姿态，达到增加舒适感的目的。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1为本专利技术爬楼机械系统结构示意图；图2为本专利技术爬楼机械系统右视图；图3为本专利技术爬楼机械系统仰视图；图4为本专利技术转向机构示意图；图5为本专利技术爬楼过程示意图。图中：1-固定焊接架；2-升降架底座；3-推杆；4-连接剪杆；5-长横杆；6-活塞杆；7-载物台；8-活塞式电缸；9-短横杆；10-螺钉；11-直线滑轨；12-电动缸；13-丝杠；14-行进轮；15-动力滚筒；16-连接套筒；17-重心调节块；18-固定垫片；19-旋转气缸；20-旋转气缸连接座；21-支撑架；22-螺钉；23-连杆。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，其特征在于，包括前进单元组、垂直运动单元组、固定焊接架(1)、转向机构、重心调节机构和高度调节机构，其中：/n前进单元组，由控制器控制的动力滚筒(15)带动的行进轮(14)；/n垂直运动单元组，由套筒(16)连接动力滚筒(15)和丝杠(13)，丝杠连接固定电缸(12)至固定焊接架(1)上；/n转向机构，包括连接在固定焊接架(1)上的转向的旋转气缸(19)和支撑架(21)；/n重心调节机构，连接在固定焊接架(1)上直线滑轨(11)和重心调节块(17)；/n高度调节机构，连接在固定焊接架(1)顶部的升降架连接件(4)、活塞式电缸(6)和承载重物的载物台(7)；/n通过控制器控制前进单元组行进，控制器控制靠近楼梯的垂直运动单元组固定电缸(12)升降，控制行进轮(14)升起与楼梯等高，通过重心调节机构移动改变重心，随后将其余行进轮(14)依次升起与楼梯等高；/n通过控制器控制旋转气缸(19)进行角度旋转；/n通过控制器控制剪叉式升降架的高度调节。/n

【技术特征摘要】
1.一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，其特征在于，包括前进单元组、垂直运动单元组、固定焊接架(1)、转向机构、重心调节机构和高度调节机构，其中：
前进单元组，由控制器控制的动力滚筒(15)带动的行进轮(14)；
垂直运动单元组，由套筒(16)连接动力滚筒(15)和丝杠(13)，丝杠连接固定电缸(12)至固定焊接架(1)上；
转向机构，包括连接在固定焊接架(1)上的转向的旋转气缸(19)和支撑架(21)；
重心调节机构，连接在固定焊接架(1)上直线滑轨(11)和重心调节块(17)；
高度调节机构，连接在固定焊接架(1)顶部的升降架连接件(4)、活塞式电缸(6)和承载重物的载物台(7)；
通过控制器控制前进单元组行进，控制器控制靠近楼梯的垂直运动单元组固定电缸(12)升降，控制行进轮(14)升起与楼梯等高，通过重心调节机构移动改变重心，随后将其余行进轮(14)依次升起与楼梯等高；
通过控制器控制旋转气缸(19)进行角度旋转；
通过控制器控制剪叉式升降架的高度调节。


2.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，其特征在于，所述前进单元组的动力滚筒(15)带动的行进轮(14)至少有三组，各组行进轮(14)为一对，由连接轴连接。


3.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，其特征在于，所述固定焊接架(1)为双层框架结构，旋转气缸(19)连接于框架底部，升降架连接件(4)连接于框架顶部，直线滑轨(11)横跨于框架中部连接在框架两端。


4.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，其特征在于，所述垂直运动单元组中，套筒(16)滚动连接在每个动力滚筒(15)内侧的连接轴上；固定电缸(12)上部通过固定垫片(18)固定在固定焊接架(1)上。


5.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，其特征在于，所述转向机构的旋转气缸(19)通过连接在固定焊接架(1)底部的旋转气缸连接座(21)连接，支撑架(21)连接在旋转气缸(19)下方，支撑架(21)为框形架。


6.根据权利要求1所述的一种全方位水平姿态爬楼机器人机械系统，其特征在于，所述高度调节机构包括设于升降架连接件(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴神丽，符美兵，任锦飞，刘凌，梁小明，姚梓萌，
申请(专利权)人：西安文理学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61