仿人步态爬楼梯机器人.pdf

本发明公开了仿人步态爬楼梯机器人，属于机器人领域，包括四只结构相同的脚部、连接部分及控制系统；其中，每一脚部包括安装板，前脚掌及后脚掌呈Z字形状安装于安装板的两侧，驱动装置安装于安装板中；沿楼梯的爬升方向，位于前面的两脚部为前脚，位于后面的两脚部为后脚，前脚通过所述连接部分与后脚相连接；所述控制系统与所述驱动装置电性相接并控制所述驱动装置。本发明的仿人步态爬楼梯机器人的结构和连接方式是在仿照人体脚结构的基础上，结合楼梯自身的形状所设计出来的，其行走的状态与人上楼梯的状态基本相似，不会对楼梯本身造成破坏，具有较高的稳定性。

1.  仿人步态爬楼梯机器人，其特征在于，包括四只结构相同的脚部、连接部分及控制系统；其中，每一脚部包括安装板，前脚掌及后脚掌呈Z字形状安装于安装板的两侧，驱动装置安装于安装板中；沿楼梯的爬升方向，位于前面的两脚部为前脚，位于后面的两脚部为后脚，前脚通过所述连接部分与后脚相连接；所述控制系统与所述驱动装置电性相接并控制所述驱动装置。

2.  如权利要求1所述的仿人步态爬楼梯机器人，其特征在于，所述连接部分包括第一支架、第二支架及延长杆；其中，所述第一支架与前脚的两驱动装置相连接，第二支架与后脚的两驱动装置相连接；所述第一支架、第二支架上分布有安装孔，所述延长杆上也分布有安装孔，并通过在安装孔上安装螺丝将所述第一支架、第二支架连接一起。

3.  如权利要求1所述的仿人步态爬楼梯机器人，其特征在于，所述控制系统包括Arduino控制器和电源模块，其中，电源模块为驱动装置及Arduino控制器提供电源，Arduino控制器用于控制驱动装置。

4.  如权利要求1所述的仿人步态爬楼梯机器人，其特征在于，所述安装板中开有两镂空槽，驱动装置通过螺丝安装于安装板一侧面的两镂空槽中，前脚掌通过螺丝安装于安装板另一侧面的两镂空槽中。

5.  如权利要求1或4所述的仿人步态爬楼梯机器人，其特征在于，所述前脚掌呈凸字形，所述后脚掌呈凹字形。

6.  如权利要求1至4任一所述的仿人步态爬楼梯机器人，其特征在于，所述驱动装置为舵机。

7.  如权利要求1所述仿人步态爬楼梯机器人，其特征在于，所述后脚掌的长度由下式求得：

   得出：                      
   其中：c为后脚掌的长度；L为后脚翻转过程中，当其与前脚处于水平位置时其电机轴和前脚电机轴之间的距离；M为脚的质量。

8.  如权利要求1所述仿人步态爬楼梯机器人，其特征在于，所述前脚掌的长度由下式求得：
        
得出：                         
   其中：c’为前脚掌的长度；L’为前脚、后脚电机轴之间的水平距离；M为脚的质量。

仿人步态爬楼梯机器人
技术领域
本发明涉及机器人，具体涉及一种能够仿人步态的爬楼梯机器人。
背景技术
目前已有的爬楼梯机器人多采用履带式，叶轮式结构，时间久了会对楼梯本体造成一定的损害，如瓷块表面的划伤，破裂等，如申请号为201010248695.7的中国专利申请提供了一种伴随灾情机器人，其采用履带的行驶方式，这类机器人大部分时间都是在较为平整的地面上行驶，比较难以适用于攀爬楼梯，其攀爬楼梯时的效率和平稳性都不够高，容易出现翻车现象，同时由于其是履带式的，其会对楼梯本体产生严重的破坏，而且需要较大的驱动功率。
申请号为201210133863.7的中国专利申请提供了一种爬楼梯机械装置，其包括前机身、后机身、机身连接部件、四个五星形轮腿、四个直流伺服电机和轮腿固定部件，该技术方案通过控制不同轮腿的驱动电机转动速度与方向，可以实现原地转向，控制方式容易实现，攀爬楼梯时，五星轮腿每转过一周可以攀爬五个台阶的楼梯，效率比价高，但其结构较为复杂，承载力比较低。
申请号为201310244311.8的中国专利申请提供一种四足爬楼梯机器人机构，其包括上体和与其连接的四个并联足部，每个足部包括与上体固接的固定平台、触脚和连接在固定平台和触脚之间的三条结构相同的运动支链，三条运动支链轴对称均匀布置，每条运动支链包括主动臂和从动臂，主动臂的一端与旋转驱动装置连接，主动臂的另一端与一空心球形接头固接，旋转驱动装置固定在固定平台的下面；与三条运动支链的三个空心球形接头同心嵌装形成触脚，相邻两个空心球形接头之间形成球面副。该技术方案能够自动行走、上下楼梯，可携带较大负重，保证在行动中机器人上体始终保持水平，但其结构较为复杂，而且其的行走机构是由三条运动支链组成的，其行走的过程较为复杂，而且稳定性比较低。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够仿人步态的爬楼梯机器人，以解决现有爬楼梯机器人存在的种种缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案:
仿人步态爬楼梯机器人，包括四只结构相同的脚部、连接部分及控制系统；其中，每一脚部包括安装板，前脚掌及后脚掌呈Z字形状安装于安装板的两侧，驱动装置安装于安装板中；沿楼梯的爬升方向，位于前面的两脚部为前脚，位于后面的两脚部为后脚，前脚通过所述连接部分与后脚相连接，形成整体；所述控制系统与所述驱动装置电性相接并控制所述驱动装置。
    本机器人爬楼梯时，利用前脚上的驱动装置输出的扭矩将后脚翻转到前脚所在楼梯的上一级楼梯，此时前后脚互换，后脚变为前脚再次输出扭矩将此时的后脚翻转到其上一级楼梯；如此循环，仿照人上楼梯时的步态来实现爬楼梯的功能。
 作为本发明仿人步态爬楼梯机器人的一种改进，所述连接部分包括第一支架、第二支架及延长杆，所述第一支架、第二支架呈U形状；其中，所述第一支架与前脚的两驱动装置相连接，第二支架与后脚的两驱动装置相连接；所述第一支架、第二支架上分布有安装孔，所述延长杆上也分布有安装孔，并通过在安装孔上安装螺丝将所述第一支架、第二支架连接一起，形成整体。这样通过更改延长杆与支架上的安装孔安装位置，即可延长或缩短前脚和后脚之间的距离以适应不同尺寸的楼梯。
作为本发明仿人步态爬楼梯机器人的另一种改进，所述控制系统包括Arduino控制器和电源模块，其中，电源模块为驱动装置及Arduino控制器提供电源，Arduino控制器用以控制驱动装置的动作。
    作为本发明仿人步态爬楼梯机器人的再一种改进，所述安装板中开有两镂空槽，驱动装置通过螺丝安装于安装板一侧面的两镂空槽中，前脚掌通过螺丝安装于安装板另一侧面的两镂空槽中，通过在安装板中开有两镂空槽，可将驱动装置和前脚掌安装于不同的高度位置，以适应不同高度的楼梯。
   作为本发明仿人步态爬楼梯机器人的进一步改进，所述前脚掌呈凸字形，起到在运动过程中平衡力矩防止机器人向前倾覆的作用；所述后脚掌呈凹字形，起到在运动过程中平衡力矩防止机器人向后倾覆的作用；前脚掌及后脚掌之间的距离即为楼梯的高度；通过巧妙设计前脚掌及后脚掌特殊的形状，不但能够保证机器人在运动的过程中，前脚掌和后脚掌在同一的楼梯面上，而且能够避免当后脚落地时，后脚的后脚掌会压住前脚的前脚掌的情况出现，巧妙地实现了后脚输出力矩将前脚旋转离开地面这一动作，同时保证本机器人的抗倾覆力矩的力臂长度，减轻机器人本体重量。
作为本发明仿人步态爬楼梯机器人的进一步改进，所述驱动装置为舵机。
    为了防止本机器人在运动的过程中不会发生后倾的情况出现，所述后脚掌的长度由下式求得：

   得出：                      
   其中：c为后脚掌的长度；L为后脚翻转过程中，当其与前脚处于水平位置时其电机轴和前脚电机轴之间的距离；M为脚的质量。
为了防止本机器人在运动的过程中不会发生前倾的情况出现，所述前脚掌的长度由下式求得：
        
得出：                         
   其中：c’为前脚掌的长度；L’为前脚、后脚电机轴之间的水平距离；M为脚的质量。
     同时以上后脚掌的长度及前脚掌的长度，要满足本机器人在运动的过程中，两者之间不会发生干涉的现象出现。
由上述可知，本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：
本发明的仿人步态爬楼梯机器人的结构和连接方式是在仿照人体脚结构的基础上，结合楼梯自身的形状所设计出来的，通过将机器人的脚设计成贴合楼梯的Z字型结构，并通过特殊设计前脚掌、后脚掌长度，保证了机器人既没有向后倒又没有向前倾的危险，同时利用前、后脚掌来增加抗倾覆力臂的长度，解决了机器人上楼梯过程中因重心离地而导致的机器人倾覆问题，而且巧妙地设计了前、后脚掌的形状，避免当后脚落地时，后脚的后脚掌会压住前脚的前脚掌的情况出现，实现了后脚输出力矩将前脚旋转离开地面这一动作。通过应用本发明的仿人步态爬楼梯机器人，减少了机器人对楼梯本体的破坏，而且具有较高的稳定性。
附图说明
图1为本发明仿人步态爬楼梯机器人的结构示意图；
图2为本发明仿人步态爬楼梯机器人单只脚结构示意图；
图3为后脚掌长度的计算简图；
图4为前脚掌长度的计算简图；
   图中：1脚，2舵机，3控制系统，4安装孔，5第一支架，5’第二支架，6延长杆，10安装板，11镂空槽，12前脚掌，13后脚掌。
具体实施方式
 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
 对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明较佳实施例的仿人步态爬楼梯机器人的结构示意图，其包括四只结构相同的脚部1、连接部分及控制系统3，其中，沿楼梯的爬升方向，位于前面的两脚部为前脚，位于后面的两脚部为后脚，如图2所示，每一脚部1包括安装板10，安装板10中开有两镂空槽11，前脚掌12通过螺丝垂直安装于安装板10的两镂空槽11中，后脚掌13位于安装板10的底端，与安装板10呈L字形状，前脚掌12、安装板10、后脚掌13三者之间呈垂直的Z字形状，以贴合楼梯的形状，当面对不同高度的楼梯时，可以调整前脚掌12与后脚掌13之间的距离，以适应不同高度的楼梯，同时，为了保证机器人在运动的过程中，前脚的后脚掌13和后脚的前脚掌12落在同一的楼梯面上，避免当后脚落地时，后脚的后脚掌13会压住前脚的前脚掌12的情况出现，特意将前脚掌12设计为呈凸字形，后脚掌13呈凹字形，这样前脚掌12和后脚掌13落在同一的楼梯面时，可错开在一起，巧妙地解决上述问题。
同时驱动装置即舵机2通过螺丝安装于安装板10另一侧面上的两镂空槽11中，舵机2的控制线连接到控制系统3中。
再如图1所示，所述连接部分包括第一支架5、第二支架5’及两延长杆6，该第一、第二支架呈U字形状；其中，该第一支架5与前脚的两舵机2主轴相连接，第二支架5’与后脚的两舵机2主轴相连接；所述第一支架5、第二支架5’上分布有安装孔4，所述延长杆6上也分布有安装孔4，并通过在安装孔4上安装螺丝将所述第一支架5、第二支架5’连接一起，形成整体，这样通过更改延长杆6与第一、第二支架上的安装孔4的安装位置，即可延长或缩短前脚和后脚之间的距离以适应不同尺寸的楼梯。
其中，控制系统3在设置于第一支架5、第二支架5’上，控制系统3包括电源模块及Arduino控制器，电源模块将220V市电转换为稳定的5V输出，用以给四个舵机2及Arduino控制器3提供电源，Arduino控制器用以控制舵机2的动作。
    对应于人体爬楼梯的过程—抬脚、跨步、放脚，本机器人上楼梯的过程也分为三个过程。
    当机器人处于初始状态，即后脚在下一级楼梯而前脚在前一级楼梯时，启动机器人，机器人开始运动。前脚上的舵机2输出力矩，使得后脚绕前脚，以前、后脚的连接部分为半径旋转，旋转到前后脚在同一垂直位置时停止。在后脚离地的过程中，机器的重心是在整个机构的偏后方的,机器人有向后倾覆的趋势，要使机器人不后倾，则当后倾力矩最大时,机器人不后倾,而对应于爬楼梯过程，当后脚被前脚驱动将要翻上上一级楼梯的过程中，后脚与前脚水平时，为向后倾的最大力矩。如图3所示，设此时后脚翻转过程中，当其与前脚处于水平位置时其电机轴和前脚电机轴之间的距离为L，每只脚部1的重量为M，后脚掌13的长度为c，据绕支点向后倾的力矩应小于绕支点向前倾的力矩可以得出下式：

得出：                         
    因此后脚掌13的长度必须满足此条件才能使得机器人不倾倒；但该距离也不能太长，因为太长会导致后脚运动时与前脚发生干涉。
上述为机器人爬楼梯的第一步—抬脚。
    当前脚旋转到与后脚同一垂直位置时，此时如果继续旋转，则会因为后脚没有调好姿态而与楼梯碰撞，所以这一步要调整后脚的姿态。即后脚舵机2输出力矩使得后脚绕支架旋转到一定姿态以满足平稳落地要求。此为机器人爬楼梯的第二步。
当后脚调整好姿态后，前脚再次输出力矩使得后脚落地。此过程中由于机器人有向前倾覆的趋势，因此设置了具有一定长度的前脚掌12来增大机器人向后倾的力矩来使整体平衡，计算方法基本如上述后脚掌长度的方法，如图4所示，设前、后脚电机轴之间的水平距离为L’，每只脚的重量为M，前脚掌12的长度为c’，据绕支点向前倾的力矩应小于绕支点向后倾的力矩可以得出下式：

得出：                       
同样，该长度也应满足前、后脚在运动的过程中不会发生干涉。
    当后脚落地后，机器人又回到了初始状态。此时前后脚互换，前脚由于位置在后成为了后脚，后脚由于位置在前成为了前脚，并开始了下一个爬楼梯的循环。