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1、(10)申请公布号 CN 103693123 A (43)申请公布日 2014.04.02 CN 103693123 A (21)申请号 201310676502.1 (22)申请日 2013.12.11 B62D 57/024(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 刘承立 朱迪 叶骞 (74)专利代理机构 上海新天专利代理有限公司 31213 代理人 祖志翔 (54) 发明名称 同步爬楼机器人 (57) 摘要 一种同步爬楼机器人， 包括托盘部件、 第一行 走部件、 第二行走部件和旋转驱动装置， 其中， 托 盘部件包。
2、括能够根据楼梯台阶调节相互距离和高 度的第一支撑件、 第二支撑件和第三支撑件， 第一 行走部件和第二行走部件分别连接于第一支撑件 和第三支撑件的下端且结构相同， 包括车轴及其 两端的左车轮构件和右车轮构件， 该两车轮构件 结构对称相同并且轮缘的形状曲线为前后相接的 阿基米德螺线和圆弧， 使轮缘随旋转而改变其与 车轴轴线的距离， 旋转驱动装置安装于第二支撑 件的下端， 分别传动连接和驱动第一行走部件和 第二行走部件。本发明能够负载重物保持水平稳 定地自动爬行楼梯和平地行走。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发。
3、明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103693123 A CN 103693123 A 1/2 页 2 1. 一种同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 所述同步爬楼机器人包括有 ： 托盘部件， 包括水平的托盘以及垂直连接于该托盘下方的第一支撑件、 第二支撑件和 第三支撑件， 所述第一支撑件、 第二支撑件和第三支撑件结构相同且沿所述托盘由前向后 依次排列， 并且该第一支撑件、 第二支撑件和第三支撑件的相互间距离和各自高度能够根 据所爬楼梯的台阶尺寸进行调节 ； 第一行走部件， 连接于所述第一支撑件的下端， 包括车轴以及分别连接于该车轴两端 的左车轮构件和右车。
4、轮构件， 该左车轮构件和右车轮构件结构对称相同并且轮缘的形状曲 线为前后相接的阿基米德螺线和圆弧， 使轮缘随旋转而改变其与所述车轴的轴线的距离 ； 第二行走部件， 结构与第一行走部件相同， 连接于所述第三支撑件的下端 ； 旋转驱动装置， 安装于所述第二支撑件的下端， 分别与所述第一行走部件和第二行走 部件传动连接， 并且驱动该第一行走部件和第二行走部件旋转。 2. 如权利要求 1 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 所述的左车轮构件和右车轮构 件各自均包括有一圆盘形的外轮盘和连接于该外轮盘的内侧的三个小轮盘， 所述外轮盘连 接于所述车轴的两端且沿该外轮盘的径向开有相隔 120 度的三个通槽。
5、， 所述三个小轮盘通 过锁紧杆连接于该三个通槽上且能够沿该通槽移动位置， 以调整该小轮盘与所述车轴轴线 的离心距， 该小轮盘的轮缘的形状曲线为前后相接的一阿基米德螺线和一圆弧。 3. 如权利要求 2 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 所述的同步爬楼机器人利用前 一小轮盘的前侧棱面爬上楼梯的台阶， 紧接着与台阶接触的阿基米德螺线使整个机器人高 度平稳上升， 接下来与台阶接触的圆弧使所述机器人的高度不再上升， 短暂平稳前行一距 离， 继而后一小轮盘的前侧棱面与又一台阶接触， 从而周而复始实现所述同步爬楼机器人 爬楼梯的整个过程。 4. 如权利要求 2 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 。
6、所述的三个小轮盘的离心距调 整为最小， 以将该三个小轮盘完全缩入所述外轮盘的外圆以内， 使只有该外轮盘与地面接 触， 实现所述同步爬楼机器人在平地上的行走过程。 5. 如权利要求 2 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 在所述的外轮盘的轮缘和小轮 盘的轮缘上均附有带纹理的橡胶层。 6. 如权利要求 1 或 2 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 所述的阿基米德螺线的极 点与所述车轴的轴线重合， 所述的圆弧的圆心与所述车轴的轴线重合。 7. 如权利要求 1 或 2 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 所述的托盘部件还包括导 槽， 该导槽沿前后方向固定于所述托盘下部， 所述第一支撑件、。
7、 第二支撑件和第三支撑件连 接于该导槽内且能够前后移动位置。 8. 如权利要求 7 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 所述的第一支撑件、 第二支撑件 和第三支撑件各自均包括有上支撑和下支撑， 该下支撑伸入所述上支撑的空腔并在其中滑 移， 该上支撑下部的凸轮卡套能够卡固所述下支撑， 以调节整个支撑件的高度。 9. 如权利要求 1 或 2 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 所述的第一行走部件和第 二行走部件的车轴分别固定有同步带轮 ； 所述的旋转驱动装置包括驱动电机、 第一同步带、 第二同步带和与该驱动电机连接的驱动轮， 该驱动轮通过第一同步带和第二同步带分别与 所述车轴上的同步带轮连。
8、接。 10. 如权利要求 1 或 2 所述的同步爬楼机器人， 其特征在于 ： 所述的第一支撑件与第三 权 利 要 求 书 CN 103693123 A 2 2/2 页 3 支撑件的高度差为所爬楼梯的两个台阶高度， 并且第一支撑件短于第三支撑件 ； 所述第一 支撑件与第三支撑件的距离为所爬楼梯的两个台阶宽度。 权 利 要 求 书 CN 103693123 A 3 1/5 页 4 同步爬楼机器人 技术领域 0001 本发明涉及动态平衡机器人， 具体涉及一种同步爬楼梯机器人， 属于机器人技术 领域。 背景技术 0002 目前爬楼梯机器人爬台阶的主要实现方式有腿式、 履带式和轮式。 其中， 腿式爬楼 。
9、机器人一般是通过仿生学达到爬台阶的目的， 其移动方式是 “逐步轮换登高” 式， 但是人或 动物在行走或爬台阶过程中有大量的关节和肌肉参与协调， 以保证身体的平衡， 此外人或 动物还可以通过自己的感官判断楼梯的踏步来确定自己的步距和步高参数， 然而普通腿式 机器人则难以做到对重心的稳定控制这一点 ； 履带式爬楼机器人直接利用履带传动达到爬 行的目的， 但其缺点是笨重， 运动不灵活， 从而使其使用受到限制 ； 轮式爬楼机器人直接利 用车轮转动达到爬行的目的， 移动灵活， 控制简单， 但是由于车轮为圆形， 要在爬行台阶的 过程中同步转动， 并且像在平整地面上的运动一样达到重心平稳是很困难的。 发明内。
10、容 0003 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足， 提供一种同步爬楼机器人， 其能够在携带较大负重的情况下实现自动行走、 同步上下台阶， 并能在行动过程中始终保 持水平稳定。 0004 本发明是通过以下技术方案实现的 ： 0005 一种同步爬楼机器人， 其包括有 ： 0006 托盘部件， 包括水平的托盘以及垂直连接于该托盘下方的第一支撑件、 第二支撑 件和第三支撑件， 所述第一支撑件、 第二支撑件和第三支撑件结构相同且沿所述托盘由前 向后依次排列， 并且该第一支撑件、 第二支撑件和第三支撑件的相互间距离和各自高度能 够根据所爬楼梯的台阶尺寸进行调节 ； 0007 第一行走部件， 连接。
11、于所述第一支撑件的下端， 包括车轴以及分别连接于该车轴 两端的左车轮构件和右车轮构件， 该左车轮构件和右车轮构件结构对称相同并且轮缘的形 状曲线为前后相接的阿基米德螺线和圆弧， 使轮缘随旋转而改变其与所述车轴的轴线的距 离 ； 0008 第二行走部件， 结构与第一行走部件相同， 连接于所述第三支撑件的下端 ； 0009 旋转驱动装置， 安装于所述第二支撑件的下端， 分别与所述第一行走部件和第二 行走部件传动连接， 并且驱动该第一行走部件和第二行走部件旋转。 0010 作为进一步改进， 所述的左车轮构件和右车轮构件各自均包括有一圆盘形的外轮 盘和连接于该外轮盘的内侧的三个小轮盘， 所述外轮盘连接。
12、于所述车轴的两端且沿该外轮 盘的径向开有相隔 120 度的三个通槽， 所述三个小轮盘通过锁紧杆连接于该三个通槽上且 能够沿该通槽移动位置， 以调整该小轮盘与所述车轴轴线的离心距， 该小轮盘的轮缘的形 状曲线为前后相接的一阿基米德螺线和一圆弧。 说 明 书 CN 103693123 A 4 2/5 页 5 0011 作为进一步改进， 所述的同步爬楼机器人利用前一小轮盘的前侧棱面爬上楼梯的 台阶， 紧接着与台阶接触的阿基米德螺线使整个机器人高度平稳上升， 接下来与台阶接触 的圆弧使所述机器人的高度不再上升， 短暂平稳前行一距离， 继而后一小轮盘的前侧棱面 与又一台阶接触， 从而周而复始实现所述同步。
13、爬楼机器人爬楼梯的整个过程。 0012 作为进一步改进， 所述的三个小轮盘的离心距调整为最小， 以将该三个小轮盘完 全缩入所述外轮盘的外圆以内， 使只有该外轮盘与地面接触， 实现所述同步爬楼机器人在 平地上的行走过程。 0013 作为进一步改进， 在所述的外轮盘的轮缘和小轮盘的轮缘上均附有带纹理的橡胶 层。 0014 作为进一步改进， 所述的阿基米德螺线的极点与所述车轴的轴线重合， 所述的圆 弧的圆心与所述车轴的轴线重合。 0015 作为进一步改进， 所述的托盘部件还包括导槽， 该导槽沿前后方向固定于所述托 盘下部， 所述第一支撑件、 第二支撑件和第三支撑件连接于该导槽内且能够前后移动位置。 。
14、0016 作为进一步改进， 所述的第一支撑件、 第二支撑件和第三支撑件各自均包括有上 支撑和下支撑， 该下支撑伸入所述上支撑的空腔并在其中滑移， 该上支撑下部的凸轮卡套 能够卡固所述下支撑， 以调节整个支撑件的高度。 0017 作为进一步改进， 所述的第一行走部件和第二行走部件的车轴分别固定有同步带 轮 ； 所述的旋转驱动装置包括驱动电机、 第一同步带、 第二同步带和与该驱动电机连接的驱 动轮， 该驱动轮通过第一同步带和第二同步带分别与所述车轴上的同步带轮连接。 0018 作为进一步改进， 所述的第一支撑件与第三支撑件的高度差为所爬楼梯的两个台 阶高度， 并且第一支撑件短于第三支撑件 ； 所述。
15、第一支撑件与第三支撑件的距离为所爬楼 梯的两个台阶宽度。 0019 与现有的爬楼机器人相比较， 本发明所述的同步爬楼机器人具有的优点和积极效 果是 ： 四个行走轮同步实现爬楼梯台阶的运动， 同时保证了托盘的水平稳定， 并且对托盘上 所放货物的重心位置要求不高， 具有不易发生倾倒， 稳定性好的优点 ； 各支撑件的间距和高 度以及小轮盘的离心距均可快速调节， 从而适应不同台阶高度和台阶宽度的楼梯 ； 通过缩 小小轮盘的离心距以及调整前后支撑件高度一致， 即可实现平地上的快速行走。 0020 综上所述， 本发明能够在携带较大负重的情况下， 保持水平稳定地自动行走和上 下台阶， 具有结构简单、 稳定性。
16、好、 制造容易的特点， 适用于负载重物爬行楼梯和平地行走。 附图说明 0021 图 1 为本发明的结构示意图。 0022 图 2 为本发明爬楼梯过程的状态示意图。 0023 图 3 为本发明行走部件和支撑件的结构示意图。 0024 图 4 为图 3 中 C 的局部放大图。 0025 图 5 为本发明车轮构件的结构示意图。 0026 图 6 为图 4 的后视图。 0027 图 7 为本发明外轮盘和锁紧杆的结构示意图。 0028 图 8 为本发明小轮盘的形状示意图。 说 明 书 CN 103693123 A 5 3/5 页 6 0029 图中 ： 1 为第二行走部件， 2 为第三支撑件， 3 为左。
17、车轮构件， 4 为第二支撑件， 5 为 导槽， 6 为托盘， 7 为第一支撑件， 8 为第一行走部件， 9 为驱动电机， 10 为第一同步带， 11 为 驱动轮， 12 为第二同步带， 13 为右车轮构件， 16 为外轮盘， 161 为通槽， 17 为下支撑， 18 为凸 轮卡套， 19 为上支撑， 20 为小轮盘， 201 为安装孔， 202 为前侧棱面， 203 为侧边棱， 21 为车 轴， 22 为同步带轮， 23 为锁紧杆， 231 为轴销， A 为阿基米德螺线， B 为圆弧， O 为车轴的轴线。 具体实施方式 0030 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。 本实施例以本发明的技术。
18、方案为前 提， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程。 应当指出的是， 对本领域的普通技术人员来 说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干等效变化和改进， 这些都应属于本发明 的保护范围。 0031 请参阅图 1， 图示同步爬楼机器人包括有托盘部件、 第一行走部件 8、 第二行走部 件 1 和旋转驱动装置。 0032 所述托盘部件包括托盘 6、 导槽 5、 第一支撑件 7、 第二支撑件 4 和第三支撑件 2。 0033 所述托盘 6 为水平的平板件， 能承受较大负重。所述导槽 5 沿前后方向固定于所 述托盘 6 的下部。所述第一支撑件 7、 第二支撑件 4 和第三支撑件 2 沿所述托。
19、盘 6 由前向后 依次排列于该托盘 6 的下方， 它们垂直地连接于所述导槽 5 内并且能够沿该导槽 5 前后移 动位置， 从而根据所爬楼梯的台阶宽度尺寸进行调节相互间的距离。 0034 所述第一支撑件 7、 第二支撑件 4 和第三支撑件 2 的结构相同， 请同时参阅图 3 和 图 4， 它们各自均包括有管状的上支撑 19 和下支撑 17， 该下支撑 17 伸入所述上支撑 19 的 空腔并在其中滑移， 该上支撑19下部的凸轮卡套18能够卡紧固定所述下支撑17， 从而能够 根据所爬楼梯的台阶高度调节各个支撑件的高度。 0035 本实施例中， 所述的第一支撑件 7 与第三支撑件 2 的高度差为所爬楼。
20、梯的两个台 阶高度， 并且第一支撑件 7 短于第三支撑件 2 ； 所述第一支撑件 7 与第三支撑件 2 的距离为 所爬楼梯的两个台阶宽度。 0036 请参阅图 1， 所述第一行走部件 8 连接于所述第一支撑件 7 的下端， 所述第二行走 部件 1 连接于所述第三支撑件 2 的下端。 0037 所述第一行走部件 8 的结构与所述第二行走部件 1 相同， 请参阅图 3， 它们各自均 包括有车轴21、 左车轮构件3和右车轮构件13 ； 所述车轴21中部连接于所述下支撑17的U 型槽内并且固定有同步带轮 22 ； 所述左车轮构件 3 和右车轮构件 13 分别连接于该车轴 21 的两端， 并且其轮缘的形。
21、状曲线为前后相接的阿基米德螺线 A 和圆弧 B， 使轮缘随旋转而改 变其与所述车轴 21 的轴线 O 的距离， 见图 7。 0038 所述左车轮构件3和右车轮构件13的结构对称相同， 它们各自均包括有一外轮盘 16、 三个锁紧杆 23 和三个小轮盘 20， 请结合参阅图 5、 图 6 和图 7。所述外轮盘 16 为圆盘形 且位于外侧， 其连接于所述车轴 21 的两端， 该外轮盘 16 上沿径向开有相隔 120 度的三个通 槽 161 ； 所述三个锁紧杆 23 分别设置于该三个通槽 161 中并能够沿该通槽 161 滑移， 其设 有轴销 231 ； 请参阅图 8， 所述小轮盘 20 为扇形构件，。
22、 其包括有顶部的安装孔 201、 前部的前 侧棱面 202、 侧面的侧边棱 203 和外部的轮缘， 该轮缘的形状曲线为前后相接的一阿基米德 螺线 A 和一圆弧 B。所述的阿基米德螺线 A 的极点与所述车轴的轴线 O 重合， 所述的圆弧 B 说 明 书 CN 103693123 A 6 4/5 页 7 的圆心与所述车轴的轴线 O 重合 ； 所述小轮盘 20 的安装孔 201 套入所述锁紧杆 23 的轴销 231， 见图 7， 从而三个小轮盘 20 通过锁紧杆 23 连接于所述三个通槽 161 上， 并且位于所述 外轮盘 16 的内侧， 安装时， 该小轮盘 20 的侧边棱 203 的方向与所述相应。
23、的通槽 161 平行， 然后锁紧三个锁紧杆 23， 从而三个小轮盘 20 沿径向固定， 形成一内轮盘， 该三个小轮盘 20 的轮缘形成了该内轮盘的轮缘 ； 松开三个锁紧杆 23， 所述三个小轮盘 20 能够沿该通槽 161 移动位置， 见图 6， 以调整该小轮盘 20 与所述车轴轴线 O 的离心距， 从而扩大或缩小内轮盘 的尺寸， 以进一步地适应不同踏步参数的台阶。 0039 在所述的外轮盘16的轮缘和小轮盘20的轮缘上均附有带纹理的高摩擦系数的橡 胶层， 以保证机器人在爬台阶过程中不发生打滑。 0040 请参阅图 1， 所述旋转驱动装置安装于所述第二支撑件 4 的下端， 分别与所述第一 行走。
24、部件 8 和第二行走部件 1 传动连接， 并且驱动该第一行走部件 8 和第二行走部件 1 旋 转。 0041 所述的旋转驱动装置包括驱动电机 9、 第一同步带 10、 第二同步带 12 和与该驱动 电机9连接的驱动轮11， 该驱动轮11通过第一同步带10和第二同步带11分别与所述第一 行走部件 8 和第二行走部件 1 的车轴 21 上的同步带轮 22 连接 ； 通过所述凸轮卡套 18 能够 快速调整第二支撑件 4 的高度， 以调节第一同步带 10 和第二同步带 12 的松紧。 0042 所述的同步爬楼机器人爬台阶可分为三个阶段 ： 第一阶段， 利用前一小轮盘 20 的 前侧棱面 202 爬上楼。
25、梯的台阶 ； 第二阶段， 紧接着与台阶接触的阿基米德螺线 A 对应的轮 缘曲面使整个机器人高度平稳上升， 由于阿基米德螺线A的极点与所述车轴的轴线O重合， 且极径线性增加， 这样保证了整个机器人在爬阶过程中高度平稳上升， 不至于产生过大的 阶跃导致机器人失稳 ； 第三阶段， 接下来与台阶接触的圆弧 B 对应的轮缘曲面使所述机器 人的高度不再上升， 由于圆弧 B 的圆心也与所述车轴的轴线 O 重合， 因此， 机器人在台阶上 只短暂平稳前行一距离， 车轮构件整体在滚动一段距离后， 继而后一小轮盘 20 的前侧棱面 202 与又一台阶接触， 从而周而复始实现所述同步爬楼机器人爬楼梯的整个过程。 00。
26、43 为了使机器人能够在平整地面上运行， 可以将所述的三个小轮盘 20 的离心距调 整为最小， 以将该三个小轮盘 20 完全缩入所述外轮盘 16 的外圆以内， 使只有该外轮盘 16 与地面接触， 从而实现所述同步爬楼机器人在平地上的行走过程。 0044 本实施例的工作过程为 ： 0045 请参阅图 2， 爬台阶前， 调节托盘 6 下方的导槽 5 与第一支撑件 7 和第三支撑件 2 的固定螺栓， 根据楼梯的台阶宽度调整第一支撑件7与第三支撑件2的前后相对位置， 使得 第一支撑件 7 与第三支撑件 2 的前后安装距离为所爬楼梯的两个台阶宽度， 从而保证第一 行走部件 8 和第二行走部件 1 实现同。
27、步爬阶， 并且左车轮构件 3 和右车轮构件 13 与台阶间 不发生干涉 ； 打开第一支撑件 7、 第三支撑件 2 和第二支撑件 4 的凸轮卡套 18， 根据台阶高 度调整上支撑19和下支撑17的相对固定位置， 使得所述的第一支撑件7与第三支撑件2的 安装高度差为所爬楼梯的两个台阶高度， 且第一支撑件 7 短于第三支撑件 2， 从而保证爬楼 梯时的同步性并使得托盘 6 始终保持水平 ； 打开车轮构件上的锁紧杆 23， 根据楼梯的台阶 尺寸调整三个小轮盘 20 的离心距 （打开锁紧杆 23 将小轮盘 20 沿外轮盘 16 的径向移动） ， 使得左车轮构件3和右车轮构件13在爬台阶过程中与台阶不发生。
28、干涉， 以上调整完毕即可 实现爬楼梯。如果在平整地面上行走， 为保证托盘 6 水平， 只需调整第一支撑件 7 与第三支 说 明 书 CN 103693123 A 7 5/5 页 8 撑件 2 高度至相同， 并将三个小轮盘 20 的离心距调至最小， 即可利用外轮盘 16 平稳快速行 走。 0046 以上对本发明的具体实施例进行了描述， 其中提到的车轮构件以及其为满足运动 平稳性要求而采取的几何构型和整个机器人的实现技术方案需要得到保护。需要说明的 是， 本发明要求的保护范围不仅限于上述实施例， 也应包括其他对此发明显而易见的变换 和替代方案。 说 明 书 CN 103693123 A 8 1/5 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103693123 A 9 2/5 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103693123 A 10 3/5 页 11 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103693123 A 11 4/5 页 12 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103693123 A 12 5/5 页 13 图 8 说 明 书 附 图 CN 103693123 A 13 。