一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法，機(jī)器人包括：機(jī)身、對(duì)稱分布在機(jī)身兩側(cè)的包括支撐腿與轉(zhuǎn)臂的平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿機(jī)構(gòu)、測(cè)距和接近傳感器。上下樓方法中：上樓時(shí)，由支撐腿通過(guò)轉(zhuǎn)臂撐起機(jī)身，平動(dòng)旋轉(zhuǎn)至上一級(jí)臺(tái)階，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臂至支撐腿收回在機(jī)身兩側(cè)；下樓時(shí)，由機(jī)身通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)支撐腿平動(dòng)旋轉(zhuǎn)至下一級(jí)臺(tái)階，將機(jī)身從當(dāng)前臺(tái)階撐起，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臂至機(jī)身回落在下一級(jí)臺(tái)階，且支撐腿收回在機(jī)身兩側(cè)。利用測(cè)距和接近傳感器避免機(jī)器人出現(xiàn)踏空和碰撞情況，確保運(yùn)行可靠。本發(fā)明的機(jī)器人及上下樓方法具有上下樓動(dòng)作簡(jiǎn)潔高效，結(jié)構(gòu)緊湊，便于在樓梯踏步面上來(lái)回清理，也兼顧了平地清掃功能，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。
【專利說(shuō)明】一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、移動(dòng)可靠合理的平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿上下樓機(jī)器人及其上下樓方法，屬于機(jī)器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]各種高樓大廈、階梯教室、會(huì)議廳、體育場(chǎng)看臺(tái)等包括樓梯的建筑越來(lái)越常見(jiàn)，樓道清潔的工作明顯增加，然已走進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ畹那鍧崣C(jī)器人絕大多數(shù)是室內(nèi)平地清潔機(jī)器人，因此有必要研究開(kāi)發(fā)樓梯清潔機(jī)器人。先后提出了各種各樣的爬樓方法，主要包括:輪式、履帶式、腿式、翻滾式。其中履帶式與翻滾式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以在樓梯上完成清掃任務(wù)，只是純粹的爬樓，實(shí)用性有限。輪式爬樓機(jī)器人較多采用行星輪或其它復(fù)合輪式，結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，也很少兼顧樓梯清掃功能，實(shí)用性大打折扣。腿式爬樓機(jī)器人較多采用仿人行走式，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不利于向市場(chǎng)推廣。
[0003]此外有的采用一種當(dāng)前較流行的八輪腳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)樓道清潔機(jī)器人，上下樓平穩(wěn)，可對(duì)樓梯進(jìn)行有限清掃；山東德州學(xué)院提出一種樓道清潔機(jī)器人利用平行四邊形形變的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)上下樓梯功能。基于這些新型爬樓方法的樓道清潔機(jī)器人雖然體積相對(duì)履帶式等結(jié)構(gòu)有所減小，但仍然存在體積與占地面積較大的問(wèn)題，造成機(jī)器人不方便在樓梯踏步上靈活轉(zhuǎn)彎與來(lái)回行走進(jìn)行清掃，也難以做到像當(dāng)前室內(nèi)清潔機(jī)器人可工作于低矮、狹窄的空間。
[0004]如中國(guó)專利CN200910028019.6帶有導(dǎo)臂的履帶式移動(dòng)機(jī)器人的攀爬樓梯控制方法，帶有導(dǎo)臂的履帶式移動(dòng)機(jī)器人的樓梯攀爬方法，其特征在于:步驟1:機(jī)器人駛近樓梯，導(dǎo)臂向下旋轉(zhuǎn)，在與樓梯踏步接觸后機(jī)器人被抬起，并向前攀爬樓梯，當(dāng)機(jī)器人上的超聲、紅外測(cè)距傳感器測(cè)得機(jī)器人與前方物體距離大于樓梯踏步的寬度時(shí)，認(rèn)為機(jī)器人已攀爬至樓梯頂部，停止攀爬。步驟2:導(dǎo)臂向下旋轉(zhuǎn)，直到導(dǎo)臂前端與地面接觸，當(dāng)導(dǎo)臂的旋轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩M大于設(shè)定值時(shí)，導(dǎo)臂停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人繼續(xù)向上攀爬，導(dǎo)臂隨機(jī)器人的攀爬而與地面脫離，轉(zhuǎn)矩M消失，機(jī)器人停止攀爬。步驟3:重復(fù)步驟2，二維姿態(tài)傳感器測(cè)得的車體與水平面夾角Φ隨機(jī)器人攀爬而減小，機(jī)器人繼續(xù)攀爬至所述夾角Φ不再減小時(shí)，停止攀爬，導(dǎo)臂向后旋轉(zhuǎn)，與車體的夾角為45度時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。上述方法的機(jī)器人，由于采用履帶式結(jié)構(gòu)，對(duì)于救援中的快速爬樓有效，但龐大的體積對(duì)于樓梯清掃并不適合，具體表現(xiàn)為:1，機(jī)器人無(wú)法完成在樓梯臺(tái)階踏步面上的來(lái)回清掃任務(wù)，造成實(shí)用性能有限，僅僅只能爬樓；2，機(jī)器人的輔助相關(guān)打掃樓梯、抓取物品等操作使得機(jī)構(gòu)龐大，不能工作于狹小的空間，適用性范圍減??；3該機(jī)器人體積龐大，造成成本高，不利于向市場(chǎng)推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法，具有結(jié)構(gòu)緊湊、上下樓簡(jiǎn)潔高效，便于完成樓梯清掃的特點(diǎn)。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人，其創(chuàng)新點(diǎn)在于包括:平行于樓梯踏步平面的機(jī)身、對(duì)稱分布在機(jī)身兩側(cè)的平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿結(jié)構(gòu)、并排設(shè)置于機(jī)身前方水平向前感測(cè)的兩測(cè)距傳感器、并排設(shè)置于機(jī)身后方垂直向下檢測(cè)的兩接近傳感器，所述平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿結(jié)構(gòu)包括初始位置時(shí)水平設(shè)置的支撐腿、與所述支撐腿鉸連的轉(zhuǎn)臂、分別位于該轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度方向上轉(zhuǎn)臂兩端的第一鏈輪和第二鏈輪、連接所述第一鏈輪和所述第二鏈輪的鏈條，所述第二鏈輪位于所述轉(zhuǎn)臂與所述支撐腿鉸接處，且所述第二鏈輪固連在所述支撐腿上，所述第一鏈輪栓接于與所述機(jī)身固連的軸承座上，所述轉(zhuǎn)臂與機(jī)身上設(shè)置的轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)直連；所述機(jī)身下方上設(shè)置有樓梯清掃裝置。
[0007]優(yōu)選地，所述機(jī)身下方設(shè)置有對(duì)稱于機(jī)身左右中間線的起輔助機(jī)身前進(jìn)的兩行進(jìn)輪，所述兩行進(jìn)輪與行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連；機(jī)身下方靠近所述測(cè)距傳感器位置處設(shè)置有輔助支撐的萬(wàn)向輪a ;機(jī)身下方靠近所述接近傳感器位置處設(shè)置有輔助平衡的萬(wàn)向輪b。
[0008]優(yōu)選地，所述機(jī)身上兩行進(jìn)輪與所述萬(wàn)向輪a間設(shè)置有接近傳感器a。
[0009]優(yōu)選地，所述第一鏈輪的分度圓半徑rl和齒數(shù)zl等于第二鏈輪的分度圓半徑r2和齒數(shù)z2，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所述支撐腿與所述轉(zhuǎn)臂間的夾角Θ i始終等于所述轉(zhuǎn)臂與所述機(jī)身間的夾角θ2。
[0010]一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人的上下樓方法，應(yīng)用于一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿上下樓機(jī)器人中，包括以下步驟:
[0011]步驟一，上樓過(guò)程中，初始狀態(tài)時(shí)保證機(jī)身與支撐腿一并回落到臺(tái)階踏步面上，利用兩測(cè)距傳感器分別檢測(cè)與上一級(jí)臺(tái)階踢面的距離Xl和Χ2，控制行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)兩行進(jìn)輪差動(dòng)前進(jìn)，使得Xl等于Χ2，接著控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂向上一級(jí)臺(tái)階踏步面的方向旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)身下方的萬(wàn)向輪a落于上一級(jí)臺(tái)階上，此時(shí)接近傳感器a檢測(cè)到近處有遮擋，暫停轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，接著控制機(jī)身下方的兩行進(jìn)輪前進(jìn)，直至利用兩接近傳感器檢測(cè)受到上一級(jí)臺(tái)階踏步面的遮擋，確保機(jī)身下方的萬(wàn)向輪b處于上一級(jí)臺(tái)階踏步面上；
[0012]步驟二，轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，獲得機(jī)身、轉(zhuǎn)臂和支撐腿處于同一水平位置的瞬間狀態(tài)，保證樓梯清潔機(jī)器人的重心位于萬(wàn)向輪b與行進(jìn)輪之間，接著繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，直至支撐腿與轉(zhuǎn)臂回落到機(jī)身所在的上一級(jí)臺(tái)階踏步面上，完成一個(gè)周期的樓梯爬樓，如此往復(fù)即可完成樓道的爬樓并輔以樓梯清潔；
[0013]步驟三，下樓過(guò)程中，初始狀態(tài)時(shí)保證機(jī)身與支撐腿一并回落到踏步平面上，控制行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)兩行進(jìn)輪差動(dòng)前進(jìn)，使得兩接近傳感器靠近機(jī)身所在臺(tái)階踏步面和機(jī)身所在臺(tái)階的踢面交匯的邊緣，兩測(cè)距傳感器位于機(jī)身所在臺(tái)階踏步面上方，此時(shí)保證機(jī)身接近傳感器在前，測(cè)距傳感器在后的方式，使機(jī)器人向下一級(jí)臺(tái)階踏步面進(jìn)發(fā)，若兩接近傳感器檢測(cè)到近處無(wú)遮擋，則行進(jìn)輪停止前進(jìn)，接著控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂向下一級(jí)臺(tái)階踏步面方向旋轉(zhuǎn)；
[0014]步驟四，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，獲得機(jī)身、轉(zhuǎn)臂和支撐腿處于同一水平位置的瞬間狀態(tài)，保證下樓機(jī)器人的重心位于萬(wàn)向輪b與行進(jìn)輪之間，接著繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，使得支撐腿回落到下一級(jí)臺(tái)階踏步面上，此時(shí)控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)身離開(kāi)機(jī)身所在臺(tái)階踏步面，直至機(jī)身、轉(zhuǎn)臂、支撐腿均回落到下一級(jí)臺(tái)階踏步面上。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟一中，Xl和X2的取值范圍在0.3倍的機(jī)身長(zhǎng)與0.5倍的機(jī)身長(zhǎng)間。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:通過(guò)采用機(jī)身上的轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂，利用轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)撐地的支撐腿轉(zhuǎn)動(dòng)，由于同步鏈輪的存在，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)身始終保持水平狀態(tài)，支撐腿繞著機(jī)身做整周的平動(dòng)旋轉(zhuǎn)。機(jī)身下方的萬(wàn)向輪行進(jìn)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)上樓路線的調(diào)整，也可起到平衡支點(diǎn)的作用；通過(guò)測(cè)距傳感器和接近傳感器確保機(jī)器人不存在踏空的情況，便于機(jī)器人在準(zhǔn)備上下樓時(shí)調(diào)整機(jī)身姿態(tài)，使機(jī)器人正對(duì)樓梯，實(shí)現(xiàn)高效可靠的爬樓。采用上述緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保運(yùn)行靈活。
[0017]本發(fā)明的機(jī)器人及其上下樓方法，可使清掃裝置類似平地清潔機(jī)器人布置于機(jī)身下方，帶來(lái)結(jié)構(gòu)緊湊，便于樓梯踏步面及邊角的清理，也兼顧了平地清掃功能，大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，有利于向市場(chǎng)推廣。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0019]圖1是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不意的主視圖。
[0020]圖2是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不意的左視圖。
[0021]圖3是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不意的俯視圖。
[0022]圖4是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人機(jī)身和支撐腿始終保持平行的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人支撐腿相對(duì)于機(jī)身做整周平動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖6是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人機(jī)身?yè)纹鸲浑S重力不倒下的力平衡原理圖。
[0025]圖7是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人動(dòng)力扭矩使機(jī)身不下轉(zhuǎn)的平衡原理圖。
[0026]圖8是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人爬樓過(guò)程中支撐腿與上一級(jí)臺(tái)階面距離過(guò)大、正常和過(guò)小時(shí)的示意圖。
[0027]圖9是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人上樓或下樓瞬間的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖10是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人上樓或下樓瞬間的左視結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]圖11是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人上樓支撐腿收起離開(kāi)地面瞬間的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖12是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人的支撐腿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)處于最遠(yuǎn)離機(jī)身時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖13是本發(fā)明一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人及上下樓方法中機(jī)器人上下樓梯的動(dòng)作示意圖。
[0032]圖中:1-機(jī)身、2-測(cè)距傳感器、3-接近傳感器、4-支撐腿、5-轉(zhuǎn)臂、6_第一鏈輪、
7-第二鏈輪、8-鏈條、9-轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、10-行進(jìn)輪、11 -萬(wàn)向輪a、12-萬(wàn)向輪b、13-樓梯清掃裝置、15-接近傳感器a、16-行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本發(fā)明的一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿上下樓機(jī)器人包括機(jī)身1、平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿結(jié)構(gòu)、安裝于機(jī)身前方的測(cè)距傳感器2、安裝于機(jī)身后方的接近傳感器3，如圖1、圖2和圖3所示。上述的測(cè)距傳感器2對(duì)稱于機(jī)身1左右中間線各分布有一個(gè)，上述3對(duì)稱于機(jī)身1左右中間線各分布有一個(gè)。為了實(shí)現(xiàn)爬樓過(guò)程的樓道清洗，機(jī)身1下方上設(shè)置有樓梯清掃裝置13。上述的平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿結(jié)構(gòu)包括初始位置時(shí)水平設(shè)置的支撐腿4、與支撐腿4鉸連的轉(zhuǎn)臂5、分別位于該轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度方向上轉(zhuǎn)臂兩端的第一鏈輪6和第二鏈輪7、連接第一鏈輪6和第二鏈輪7的鏈條8，第二鏈輪7位于轉(zhuǎn)臂5與支撐腿4鉸接處，且所述第二鏈輪7固連在支撐腿4上，第一鏈輪6栓接于與機(jī)身1固連的軸承座上，轉(zhuǎn)臂5與機(jī)身上設(shè)置的轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)9直接相連。機(jī)身1下方上設(shè)置有樓梯清掃裝置13，如圖1所示。
[0034]為了保證支撐腿4可相對(duì)于機(jī)身1進(jìn)行整周旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布在機(jī)身兩側(cè)。另外機(jī)身1下方還設(shè)置有對(duì)稱于機(jī)身1左右中間線的起輔助機(jī)身前進(jìn)的兩行進(jìn)輪10，且兩行進(jìn)輪10與行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)16相連。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，機(jī)身1上設(shè)置有供機(jī)身1上樓過(guò)程中著落在上一級(jí)臺(tái)階的瞬間起輔助支撐作用的萬(wàn)向輪all，萬(wàn)向輪all位于機(jī)身1下方前側(cè)靠近距離檢測(cè)傳感器2位置處；機(jī)身1上還設(shè)置有供機(jī)身上樓或下樓過(guò)程中支撐腿4、轉(zhuǎn)臂5和機(jī)身1處于同一水平線時(shí)起輔助平衡作用的萬(wàn)向輪bl2，萬(wàn)向輪bl2位于機(jī)身1下方后側(cè)靠近接近傳感器3。
[0035]上樓過(guò)程中為了判斷前輪有無(wú)擱在上一級(jí)臺(tái)階面上繼而完成后續(xù)的轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，或者判斷轉(zhuǎn)臂是否回落到當(dāng)前臺(tái)階踏步面時(shí)，即收回在機(jī)身兩側(cè)，在機(jī)身上兩行進(jìn)輪10與萬(wàn)向輪all之間設(shè)置有接近傳感器al5，通過(guò)接近傳感器al5檢測(cè)近處有無(wú)遮擋加以實(shí)現(xiàn)。
[0036]為了保證支撐腿4相對(duì)機(jī)身1平動(dòng)旋轉(zhuǎn)，第一鏈輪6的分度圓半徑rl和齒數(shù)zl等于第二鏈輪7的分度圓半徑r2和齒數(shù)z2，確保運(yùn)動(dòng)過(guò)程中支撐腿4與轉(zhuǎn)臂5間的夾角Θ !始終等于轉(zhuǎn)臂5與機(jī)身1間的夾角Θ 2。如圖4所示，圖中ABCD為機(jī)器人的機(jī)身，0102為轉(zhuǎn)臂，H1JK為支撐腿。機(jī)身1可繞轉(zhuǎn)臂5的01旋轉(zhuǎn)；支撐腿4與安裝在02處的第二鏈輪7固連，使得支撐腿4可繞轉(zhuǎn)臂5的02旋轉(zhuǎn)；第一鏈輪6與第二鏈輪7通過(guò)鏈條8傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)。具體動(dòng)作如下，視轉(zhuǎn)臂為靜止，當(dāng)轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)9帶動(dòng)機(jī)身1轉(zhuǎn)過(guò)Q1，機(jī)身1轉(zhuǎn)到虛線所示的位置，此時(shí)第一鏈輪6通過(guò)鏈條8帶動(dòng)第二鏈輪7以及支撐腿4轉(zhuǎn)過(guò)θ2，支撐腿4轉(zhuǎn)到虛線位置，此時(shí)由于第一鏈輪6與第二鏈輪7相同分度圓半徑與齒數(shù)，從而保證9工始終等于θ2，因此，可使支撐腿4相對(duì)于機(jī)身1的運(yùn)動(dòng)始終是平行的。實(shí)際的上下樓動(dòng)作時(shí)，是機(jī)身1不動(dòng)，而轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臂5,即第一鏈輪6并未旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的是轉(zhuǎn)臂5,但這并不改變第一鏈輪6與轉(zhuǎn)臂5的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，因此上述原理在轉(zhuǎn)臂5旋轉(zhuǎn)時(shí)，仍然得以實(shí)現(xiàn)，即9工始終等于θ2，支撐腿4與機(jī)身1保持平行關(guān)系。
[0037]如圖5所示，支撐腿4相對(duì)于機(jī)身1從al至a2，至a3，……，由于支撐腿4并未發(fā)生相對(duì)于自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)學(xué)上稱為“平動(dòng)”，但支撐腿4相對(duì)于機(jī)身1的運(yùn)動(dòng)軌跡卻是旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)圓，如圖中的點(diǎn)劃線圓軌跡，因此在上下樓的過(guò)程中，支撐腿相對(duì)機(jī)身做“平動(dòng)旋轉(zhuǎn)”。支撐腿4可相對(duì)機(jī)身1的01點(diǎn)作順時(shí)針旋轉(zhuǎn),也可作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。為了完成完整的上樓或下樓，支撐腿需要進(jìn)行整周旋轉(zhuǎn)。
[0038]如圖6所示，在機(jī)身I被撐起與轉(zhuǎn)臂5成α角時(shí)，機(jī)身I與轉(zhuǎn)臂5不會(huì)繞O2點(diǎn)倒下。因?yàn)槿绻瓜?，必須打破這個(gè)平行的約束，而從圖4可知機(jī)身I與支撐腿4在鏈輪的約束下，只能保持平行，故機(jī)身I將在空中保持與支撐腿4平行。力的平衡解釋為:將機(jī)身ABCD、鏈輪1、與轉(zhuǎn)臂看成一個(gè)整體，即圖6的實(shí)線所畫(huà)部分。這部分在機(jī)身與轉(zhuǎn)臂的合成重力Gl作用下有倒下的趨勢(shì)，如果沒(méi)有約束，將立即倒下。但在第一鏈輪6與第二鏈輪7之間由鏈條8約束，由于第二鏈輪7固連在樓梯踏步面的支撐腿4上，第二鏈輪7不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，可提供拉緊力F1，與重力Gl相平衡，使機(jī)身I不倒下，此刻鏈條的ef段受拉緊力，e’f’松弛。
[0039]結(jié)合圖6和圖7，在拉力Fl以及機(jī)身重力的作用下將使機(jī)身I有向轉(zhuǎn)臂5轉(zhuǎn)動(dòng)而下轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。在本發(fā)明的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)中，為了使機(jī)身I撐起，需要給轉(zhuǎn)臂5施加扭力，使轉(zhuǎn)臂5相對(duì)機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)。為便于分析，將轉(zhuǎn)臂5視為靜止，以圖7中實(shí)線所畫(huà)的機(jī)身I與第一鏈輪6為受力分析對(duì)象，相當(dāng)于給機(jī)身I施加圖5所示的逆時(shí)針扭矩Ts。該扭矩需克服機(jī)身I重力G2以及拉力Fl產(chǎn)生的力矩，拉力Fl也因重力引起，所以扭矩TS最終相當(dāng)于要克服總重力。事實(shí)上，如果不產(chǎn)生源動(dòng)力Ts，使機(jī)身?yè)纹?，就不?huì)產(chǎn)生F1。機(jī)身?yè)纹鸷?，若撤掉TsJlJ機(jī)身會(huì)立即降下來(lái)，降下來(lái)的過(guò)程中仍然保持與支撐腿平行。因此該方法的上下樓過(guò)程中源動(dòng)力Ts必須始終存在，其由轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)9通電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂時(shí)產(chǎn)生。在斷電時(shí)，若轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)9到轉(zhuǎn)臂5的傳動(dòng)部分不能自鎖，機(jī)身也會(huì)下來(lái)，但因TS并非為0，所以機(jī)身將逐漸下來(lái)。若能自鎖，或者扭矩Ts足夠，機(jī)身將在斷電時(shí)保持在如圖6的空中姿態(tài)。
[0040]如圖8a I所示，在上樓過(guò)程中，若支撐腿4前端與上一級(jí)樓梯踢面的距離X太大，則在機(jī)身I撐起后，在轉(zhuǎn)臂5接近豎直時(shí)，會(huì)有向前傾倒，萬(wàn)向輪all不著落在上一級(jí)臺(tái)階踏步面的危險(xiǎn)，造成上樓不成功。因此，距離X必須限制最大值，保證如圖8b的情況，使機(jī)身的萬(wàn)向輪all能著落在上一級(jí)臺(tái)階的踏步面上。如圖Sc所示，若支撐腿4前端與上一級(jí)樓梯踢面的距離X太短，則在機(jī)身I剛開(kāi)始撐起后，機(jī)身前端會(huì)有與上一級(jí)樓梯踢面相磕碰的可能，該情況雖不致使上樓不成功，但在發(fā)生磕碰后，由于轉(zhuǎn)臂的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使磕碰力加大，造成機(jī)身前端磨損，或者支撐腿4與樓梯踏步面產(chǎn)生滑動(dòng)摩損，應(yīng)盡量避免。
[0041]對(duì)支撐腿4前端與上一級(jí)樓梯踢面的距離X的要求，應(yīng)滿足Xmin < X < Xmax，其中Xmx與Xmin由機(jī)器人具體設(shè)計(jì)的尺寸決定。關(guān)于Xmax,由于支撐腿設(shè)計(jì)得輕，相對(duì)機(jī)身重量小，所以主要考慮機(jī)身重量G2。當(dāng)X大于機(jī)身長(zhǎng)度L的一半后，G2已處于支撐腿的支點(diǎn)外偵牝開(kāi)始有前傾的可能。如果把支撐腿與轉(zhuǎn)臂重量考慮進(jìn)來(lái)，X值顯然可以放得更大，考慮一定裕度，取Xmax = 0.5L。關(guān)于XMIN，如圖6所示，機(jī)身前端旋轉(zhuǎn)半徑La實(shí)際就是轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度，
根據(jù)該圖示意的幾何關(guān)系.Xmin=La-√L2a-H2，其中H為標(biāo)準(zhǔn)樓梯踢面高度。設(shè)計(jì)時(shí)取
La >3.2H (在滿足此前提下，La應(yīng)該盡量小，以減小機(jī)器人尺寸)，可保證機(jī)身?yè)纹鸷蟾哂谏?br> 一級(jí)樓梯踏步面，所以Xmin ^=0.255La。一般La略小于機(jī)身長(zhǎng)度L，為了一定裕度，可取Xmin=0.3L。所以最終選擇X的范圍在0.3L < X < 0.5L間。機(jī)身長(zhǎng)度通常是不變的，但不同樓梯高度有一定差別，在標(biāo)準(zhǔn)高度下，該X的范圍安全，可保證上下樓。若樓梯踢面偏高，可能會(huì)發(fā)生磕碰，但仍能上樓。
[0042]如圖9、圖10所示，該機(jī)器人準(zhǔn)備上下樓時(shí)，初始狀態(tài)時(shí)保證機(jī)身與支撐腿一并回落到臺(tái)階踏步面上，機(jī)器人必須先調(diào)整姿態(tài)，使得機(jī)器人機(jī)身正對(duì)樓梯臺(tái)階踏步踢面。準(zhǔn)備上樓時(shí)，利用兩測(cè)距傳感器2分別檢測(cè)與上一級(jí)臺(tái)階踢面的距離Xl和X2，控制行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)16帶動(dòng)兩行進(jìn)輪10差動(dòng)前進(jìn)，調(diào)整使得Xl等于X2。準(zhǔn)備下樓時(shí)，使得機(jī)器人機(jī)身正對(duì)樓梯臺(tái)階踏步邊緣，即兩接近傳感器靠近機(jī)身所在臺(tái)階踏步面和機(jī)身所在臺(tái)階的踢面交匯的邊緣，兩測(cè)距傳感器位于機(jī)身所在臺(tái)階踏步面上方，即保證機(jī)身接近傳感器在前，測(cè)距傳感器在后的方式，使機(jī)器人向下一級(jí)臺(tái)階踏步面進(jìn)發(fā)，利用兩接近傳感器3檢測(cè)到近處無(wú)遮擋，控制行進(jìn)輪暫時(shí)停止前進(jìn)，即可準(zhǔn)備進(jìn)行轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。
[0043]上樓或下樓途中都必須保證后輪不能從當(dāng)前踏步上跌落。機(jī)器人準(zhǔn)備下樓時(shí)，利用接近傳感器3向下感測(cè)控制，同時(shí)可控制機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)，正對(duì)踏步邊緣。具體是:控制行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)16帶動(dòng)兩行進(jìn)輪10差動(dòng)前進(jìn)，使左右兩個(gè)接近傳感器3向下感測(cè)從有遮擋到無(wú)遮擋，說(shuō)明萬(wàn)向輪bl2已接近踏步邊緣，并且正對(duì)踏步邊緣，如圖9與圖10，機(jī)器人停止前進(jìn)。然后開(kāi)始旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臂5，直至支撐腿4撐在下一級(jí)臺(tái)階上。機(jī)器人在上樓動(dòng)作開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)臂5旋轉(zhuǎn)使機(jī)身I剛著落在上一級(jí)臺(tái)階的一刻，需控制轉(zhuǎn)臂I旋轉(zhuǎn)暫停，使支撐腿4暫不離開(kāi)當(dāng)前樓梯踏步面，由圖11中的接近傳感器al5發(fā)現(xiàn)機(jī)身I下部離臺(tái)階踏步面足夠近時(shí)給控制器信號(hào)，控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂5暫停。當(dāng)機(jī)身I著落在上一級(jí)臺(tái)階時(shí)，若萬(wàn)向輪bl2未著落到上一級(jí)臺(tái)階踏步面，可不斷驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪10使機(jī)器人往前拖行，直到傳感器3檢測(cè)到有遮擋，表明萬(wàn)向輪bl2已著落在上一級(jí)臺(tái)階踏步面，可再旋轉(zhuǎn)支撐腿4，使支撐腿4抬起離開(kāi)當(dāng)前樓梯踏步面。
[0044]具體的該清潔機(jī)器人上下樓動(dòng)作包含下列步驟:如圖13a?圖13e所示，
[0045]步驟一，上樓過(guò)程中，初始狀態(tài)時(shí)保證機(jī)身I與支撐腿4 一并回落到臺(tái)階踏步面上，保證機(jī)身測(cè)距傳感器在前，接近傳感器在后的方式，使機(jī)器人準(zhǔn)備向上一級(jí)臺(tái)階踏步面進(jìn)發(fā)，利用兩測(cè)距傳感器2分別向前檢測(cè)與上一級(jí)臺(tái)階踢面的距離Xl和X2，控制行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)16帶動(dòng)兩行進(jìn)輪10差動(dòng)前進(jìn)，使得Xl等于X2，接著控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)9帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂5向上一級(jí)臺(tái)階踏步面的方向旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)身I下方的萬(wàn)向輪alO落于上一級(jí)臺(tái)階上，此時(shí)接近傳感器al5檢測(cè)到近處有遮擋，暫停轉(zhuǎn)臂5旋轉(zhuǎn)，接著控制機(jī)身I下方的兩行進(jìn)輪10前進(jìn)，直至利用兩接近傳感器3檢測(cè)受到上一級(jí)臺(tái)階踏步面的遮擋，確保機(jī)身下方的萬(wàn)向輪bl2處于上一級(jí)臺(tái)階踏步面上。
[0046]步驟二，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂5旋轉(zhuǎn)，獲得機(jī)身1、轉(zhuǎn)臂5和支撐腿4處于同一水平位置的瞬間狀態(tài)，設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行適當(dāng)配重，保證機(jī)器人的重心位于萬(wàn)向輪bl2與萬(wàn)向輪all之間，如圖12，可保證機(jī)器人不會(huì)往后傾翻；接著繼續(xù)驅(qū)動(dòng)第一鏈輪6旋轉(zhuǎn)，直至支撐腿4與轉(zhuǎn)臂5回落到機(jī)身I所在的上一級(jí)臺(tái)階踏步面上，完成一個(gè)周期的樓梯爬樓，如此往復(fù)即可完成樓道的爬樓并輔以樓梯清潔。
[0047]步驟三，下樓過(guò)程中，初始狀態(tài)時(shí)保證機(jī)身I與支撐腿4 一并回落到踏步平面上，使得機(jī)器人機(jī)身正對(duì)樓梯臺(tái)階踏步邊緣，即兩接近傳感器靠近機(jī)身所在臺(tái)階踏步面和機(jī)身所在臺(tái)階的踢面交匯的邊緣，兩測(cè)距傳感器位于機(jī)身所在臺(tái)階踏步面上方，此時(shí)保證機(jī)身接近傳感器在前，測(cè)距傳感器在后的方式，使機(jī)器人向下一級(jí)臺(tái)階踏步面進(jìn)發(fā)，利用兩接近傳感器3檢測(cè)到近處無(wú)遮擋，行進(jìn)輪停止前進(jìn)，接著控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)9帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂向下一級(jí)臺(tái)階踏步面方向旋轉(zhuǎn)。
[0048]步驟四，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)第一鏈輪6旋轉(zhuǎn)，獲得機(jī)身1、轉(zhuǎn)臂5和支撐腿4處于同一水平位置的瞬間狀態(tài)，設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行適當(dāng)配重，保證機(jī)器人的重心位于萬(wàn)向輪bl2與萬(wàn)向輪all之間，如圖12，可保證機(jī)器人不會(huì)往后傾翻。接著繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂5旋轉(zhuǎn)，使得支撐腿4回落到下一級(jí)臺(tái)階踏步面上，此時(shí)，控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)使得機(jī)身I離開(kāi)機(jī)身所在臺(tái)階踏步面，直至機(jī)身1、轉(zhuǎn)臂5、支撐腿4均回落到下一級(jí)臺(tái)階踏步面上。
[0049]對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人，其特征在于包括:平行于樓梯踏步平面的機(jī)身、對(duì)稱分布在機(jī)身兩側(cè)的平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿結(jié)構(gòu)、并排設(shè)置于機(jī)身前方水平向前感測(cè)的兩測(cè)距傳感器、并排設(shè)置于機(jī)身后方垂直向下檢測(cè)的兩接近傳感器，所述平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿結(jié)構(gòu)包括初始位置時(shí)水平設(shè)置的支撐腿、與所述支撐腿鉸連的轉(zhuǎn)臂、分別位于該轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度方向上轉(zhuǎn)臂兩端的第一鏈輪和第二鏈輪、連接所述第一鏈輪和所述第二鏈輪的鏈條，所述第二鏈輪位于所述轉(zhuǎn)臂與所述支撐腿鉸接處，且所述第二鏈輪固連在所述支撐腿上，所述第一鏈輪栓接于與所述機(jī)身固連的軸承座上，所述轉(zhuǎn)臂與機(jī)身上設(shè)置的轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)直連；所述機(jī)身下方上設(shè)置有樓梯清掃裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)身下方設(shè)置有對(duì)稱于機(jī)身左右中間線的起輔助機(jī)身前進(jìn)的兩行進(jìn)輪，所述兩行進(jìn)輪與行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連；機(jī)身下方靠近所述測(cè)距傳感器位置處設(shè)置有輔助支撐的萬(wàn)向輪a ;機(jī)身下方靠近所述接近傳感器位置處設(shè)置有輔助平衡的萬(wàn)向輪b。
3.如權(quán)利要求1和2所述的一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)身上兩行進(jìn)輪與所述萬(wàn)向輪a間設(shè)置有接近傳感器a。
4.如權(quán)利要求1所述的一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人，其特征在于:所述第一鏈輪的分度圓半徑rl和齒數(shù)zl等于第二鏈輪的分度圓半徑r2和齒數(shù)z2，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所述支撐腿與所述轉(zhuǎn)臂間的夾角Q1始終等于所述轉(zhuǎn)臂與所述機(jī)身間的夾角θ2。
5.一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人的上下樓方法，應(yīng)用權(quán)利要求1和2所述的一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿上下樓機(jī)器人，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，上樓過(guò)程中，初始狀態(tài)時(shí)保證機(jī)身與支撐腿一并回落到臺(tái)階踏步面上，利用兩測(cè)距傳感器分別檢測(cè)與上一級(jí)臺(tái)階踢面的距離Xl和Χ2，控制行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)兩行進(jìn)輪差動(dòng)前進(jìn)，使得Xl等于Χ2，接著控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂向上一級(jí)臺(tái)階踏步面的方向旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)身下方的萬(wàn)向輪a落于上一級(jí)臺(tái)階上，此時(shí)接近傳感器a檢測(cè)到近處有遮擋，暫停轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，接著控制機(jī)身下方的兩行進(jìn)輪前進(jìn)，直至利用兩接近傳感器檢測(cè)受到上一級(jí)臺(tái)階踏步面的遮擋，確保機(jī)身下方的萬(wàn)向輪b處于上一級(jí)臺(tái)階踏步面上； 步驟二，轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，獲得機(jī)身、轉(zhuǎn)臂和支撐腿處于同一水平位置的瞬間狀態(tài)，保證樓梯清潔機(jī)器人的重心位于萬(wàn)向輪b與行進(jìn)輪之間，接著繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，直至支撐腿與轉(zhuǎn)臂回落到機(jī)身所在的上一級(jí)臺(tái)階踏步面上，完成一個(gè)周期的樓梯爬樓，如此往復(fù)即可完成樓道的爬樓并輔以樓梯清潔； 步驟三，下樓過(guò)程中，初始狀態(tài)時(shí)保證機(jī)身與支撐腿一并回落到踏步平面上，控制行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)兩行進(jìn)輪差動(dòng)前進(jìn)，使得兩接近傳感器靠近機(jī)身所在臺(tái)階踏步面和機(jī)身所在臺(tái)階的踢面交匯的邊緣，兩測(cè)距傳感器位于機(jī)身所在臺(tái)階踏步面上方，此時(shí)保證機(jī)身接近傳感器在前，測(cè)距傳感器在后的方式，使機(jī)器人向下一級(jí)臺(tái)階踏步面進(jìn)發(fā)，若兩接近傳感器檢測(cè)到近處無(wú)遮擋，則行進(jìn)輪停止前進(jìn)，接著控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂向下一級(jí)臺(tái)階踏步面方向旋轉(zhuǎn)； 步驟四，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，獲得機(jī)身、轉(zhuǎn)臂和支撐腿處于同一水平位置的瞬間狀態(tài)，保證下樓機(jī)器人的重心位于萬(wàn)向輪b與行進(jìn)輪之間，接著繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，使得支撐腿回落到下一級(jí)臺(tái)階踏步面上，此時(shí)控制轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)身離開(kāi)機(jī)身所在臺(tái)階踏步面，直至機(jī)身、轉(zhuǎn)臂、支撐腿均回落到下一級(jí)臺(tái)階踏步面上。
6 .如權(quán)利要求5所述的一種平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人的上下樓方法，其特征在于:所述步驟一中，Xl和X2的取值范圍在0.3倍的機(jī)身長(zhǎng)與0.5倍的機(jī)身長(zhǎng)間。
【文檔編號(hào)】B62D57/024GK103895728SQ201410146501
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】張磊, 王漢成, 胡金飛, 孫小剛, 凌俊, 曹鑫, 楊元 申請(qǐng)人:南通大學(xué)