本發(fā)明涉及機(jī)器人爬樓、機(jī)器人避障問題、齒輪傳動(dòng)以及齒形帶傳動(dòng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

機(jī)器人的避障問題主要是討論機(jī)器人在一定的平面場(chǎng)景中活動(dòng)，機(jī)器人的行走路徑是有直線段和圓弧段組成的條件下，如何從起始點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)過程中避開障礙物的問題?，F(xiàn)有的四輪小車大都無法正面越過障礙物，只能依靠避開障礙物繼續(xù)前進(jìn)，因此會(huì)出現(xiàn)在一些特殊環(huán)境下無法使用的情況。在特定的場(chǎng)景下，本發(fā)明克服這種技術(shù)缺陷，當(dāng)障礙物適量大時(shí)，本機(jī)器人可以從正面越過障礙物，通過最短路徑達(dá)到最短時(shí)間使機(jī)器人的效率大大地得到提升。此外，對(duì)于爬樓機(jī)器人，我們要解決的問題有重心的穩(wěn)定性、機(jī)器人的運(yùn)行速度以及靈活性、對(duì)樓梯的損害和能耗等幾方面。此類機(jī)器人的突破點(diǎn)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，有輪式、履帶式、腿式等運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明智能爬樓機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)使用輪式，本設(shè)計(jì)通過輪組交替變換的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬樓功能，系統(tǒng)應(yīng)用無線遠(yuǎn)程控制模式，采用pwm調(diào)速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行進(jìn)控制，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)爬樓和越障的功能。

在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常要將貨物搬上樓梯，傳統(tǒng)的方式基本是靠人力搬運(yùn)完成的，有時(shí)由于重物太重或由于人手不足而無法完成搬運(yùn)，本研究完成了這個(gè)難題。本機(jī)器人的研究，擴(kuò)展了機(jī)器人作業(yè)空間，在人不能到達(dá)或者不便到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，具有重要的意義。本機(jī)器人還可以還可以作業(yè)于工業(yè)中的一些險(xiǎn)難作業(yè)，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意思。樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，也是最難跨越的障礙之一，爬樓梯機(jī)器人的研究是解決當(dāng)前全自動(dòng)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中正常工作的重要環(huán)節(jié)之一。爬樓機(jī)器人可應(yīng)用于危險(xiǎn)環(huán)境探查、偵查、救災(zāi)、導(dǎo)盲、助殘、搬運(yùn)、清掃、維修、安裝等作業(yè)，其實(shí)際意思重大。

附圖說明

圖一：本發(fā)明的前車輪驅(qū)動(dòng)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器與小車輪的中心齒輪連接，然后通過齒輪傳動(dòng)使得與其相鄰嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使得小車完成前進(jìn)、后退等運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。

圖二：本發(fā)明的后車輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)原理同前車輪相同，但是后車輪上有齒形帶，保障小車在爬樓過程中重心的穩(wěn)定性。小車上樓過程中，前輪跨越樓梯后，后輪還在下面的臺(tái)階上，后輪通過齒輪傳動(dòng)以及齒形帶的傳動(dòng)，后輪在齒形帶上向上運(yùn)動(dòng)，從而保障了重心的穩(wěn)定性。小車下樓過程與上樓過程相反。

圖三：本發(fā)明的杠桿連接，小車的兩個(gè)前車輪和兩個(gè)后車輪的兩個(gè)車輪組之間通過杠桿連接，保證同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖四：本發(fā)明的紅外檢測(cè)裝置，小車的頂部，感知小車四周的環(huán)境。

圖五:本發(fā)明的裝配裝置總圖。

具體實(shí)施方式

小車由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向，可實(shí)現(xiàn)原地零半徑轉(zhuǎn)向。小車的整體結(jié)構(gòu)由兩部分組成，包括位于小車中間部位的兩個(gè)輪組驅(qū)動(dòng)的主車架以及輪組機(jī)構(gòu)。主車架由一根車軸以及輔助支撐部分組成。小車的控制部分固定于主車軸四周的支撐機(jī)構(gòu)上，移動(dòng)時(shí)和主軸一起旋轉(zhuǎn)。輪組結(jié)構(gòu)由兩個(gè)雙層的“y”型鋁制支架構(gòu)成，三個(gè)等長的輪輻互成120度夾角，如圖一所示。主軸和用于越障的步進(jìn)電機(jī)分別位于固定于輪輻的交點(diǎn)的內(nèi)外側(cè)。車輪的傳動(dòng)部位位于各輪輻的端點(diǎn)處，配合輪組的翻轉(zhuǎn)與步進(jìn)電機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)小車的水平運(yùn)動(dòng)以及爬樓動(dòng)作。

圖一為小車前輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪1與步進(jìn)電機(jī)相連接，然后通過齒輪傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)傳遞給與其相嚙合的齒輪2、齒輪3以及齒輪4，然后齒輪2、3、4再次通過齒輪傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)分別傳遞給與其相嚙合的齒輪5、6、7，最后齒輪5、6、7將運(yùn)動(dòng)分布傳遞給于其相連接的輪子8、9、10。

圖二為小車后輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，1的機(jī)械結(jié)構(gòu)與前車輪相似，2為齒形帶，3為步進(jìn)電機(jī)。

小車在水平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，以向前運(yùn)動(dòng)為例，步進(jìn)電機(jī)輸出力矩驅(qū)動(dòng)齒輪1正向旋轉(zhuǎn)，通過齒輪傳動(dòng)，使得與其相嚙合的齒輪2、3、4反向旋轉(zhuǎn)，再次通過齒輪傳動(dòng)，使齒輪5、6、7正向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)在地上的輪子8、9，最后使得小車向前運(yùn)動(dòng)。在水平面上向后運(yùn)動(dòng)與此相反。

當(dāng)小車要翻越樓梯時(shí)，剛開始前車輪上的8、9輪子著地，遇到障礙物時(shí)，輪子8抵著障礙物，輸出扭矩增大，前后車輪正向旋轉(zhuǎn)，以前車輪為例，前車輪上的輪子9向前運(yùn)動(dòng)，越過障礙物到達(dá)上一層臺(tái)階，此時(shí)，通過后車輪在齒形帶上向上運(yùn)動(dòng)，保證了小車的重心的穩(wěn)定性，使得小車越過樓梯。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明為一種四驅(qū)爬樓梯移動(dòng)機(jī)器人，包括伺服電機(jī)、輪組、齒輪、齒形帶、機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、紅外裝置。伺服電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與齒輪軸相連，每個(gè)輪組上的齒輪相互嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)前輪與兩個(gè)后輪之間通過杠桿連接，后輪可在齒形帶上運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪組轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、越障、爬樓等功能。當(dāng)機(jī)器人在爬樓的過程中，前半部分到達(dá)上層臺(tái)階，前輪越過樓梯后，自身的重力上升，后半部分平臺(tái)則通過齒形帶的傳動(dòng)保持自身的重力，不至于失穩(wěn)，最后越過樓梯，實(shí)現(xiàn)了爬樓的功能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高，實(shí)用性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：寧萌;徐斌;曹俊;王越峰;劉一帆;張秋菊;周景文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.24
技術(shù)公布日：2017.09.15