仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人，具體涉及一種能夠仿人步態(tài)的爬樓梯機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前已有的爬樓梯機(jī)器人多采用履帶式，葉輪式結(jié)構(gòu)，時間久了會對樓梯本體造 成一定的損害，如瓷塊表面的劃傷，破裂等，如申請?zhí)枮?01010248695. 7的中國專利申請 提供了一種伴隨災(zāi)情機(jī)器人，其采用履帶的行駛方式，這類機(jī)器人大部分時間都是在較為 平整的地面上行駛，比較難以適用于攀爬樓梯，其攀爬樓梯時的效率和平穩(wěn)性都不夠高，容 易出現(xiàn)翻車現(xiàn)象，同時由于其是履帶式的，其會對樓梯本體產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，而且需要較大 的驅(qū)動功率。
[0003] 申請?zhí)枮?01210133863. 7的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N爬樓梯機(jī)械裝置，其包括 前機(jī)身、后機(jī)身、機(jī)身連接部件、四個五星形輪腿、四個直流伺服電機(jī)和輪腿固定部件，該技 術(shù)方案通過控制不同輪腿的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動速度與方向，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，控制方式容易 實現(xiàn)，攀爬樓梯時，五星輪腿每轉(zhuǎn)過一周可以攀爬五個臺階的樓梯，效率比價高，但其結(jié)構(gòu) 較為復(fù)雜，承載力比較低。
[0004] 申請?zhí)枮?01310244311. 8的中國專利申請?zhí)峁┮环N四足爬樓梯機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其 包括上體和與其連接的四個并聯(lián)足部，每個足部包括與上體固接的固定平臺、觸腳和連接 在固定平臺和觸腳之間的三條結(jié)構(gòu)相同的運動支鏈，三條運動支鏈軸對稱均勻布置，每條 運動支鏈包括主動臂和從動臂，主動臂的一端與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置連接，主動臂的另一端與一 空心球形接頭固接，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置固定在固定平臺的下面；與三條運動支鏈的三個空心球 形接頭同心嵌裝形成觸腳，相鄰兩個空心球形接頭之間形成球面副。該技術(shù)方案能夠自動 行走、上下樓梯，可攜帶較大負(fù)重，保證在行動中機(jī)器人上體始終保持水平，但其結(jié)構(gòu)較為 復(fù)雜，而且其的行走機(jī)構(gòu)是由三條運動支鏈組成的，其行走的過程較為復(fù)雜，而且穩(wěn)定性比 較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種能夠仿人步態(tài)的爬樓梯機(jī)器人，以解決現(xiàn)有爬樓梯機(jī)器 人存在的種種缺陷。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案： 仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，包括四只結(jié)構(gòu)相同的腳部、連接部分及控制系統(tǒng)；其中，每一 腳部包括安裝板，前腳掌及后腳掌呈Z字形狀安裝于安裝板的兩側(cè)，驅(qū)動裝置安裝于安裝 板中；沿樓梯的爬升方向，位于前面的兩腳部為前腳，位于后面的兩腳部為后腳，前腳通過 所述連接部分與后腳相連接，形成整體；所述控制系統(tǒng)與所述驅(qū)動裝置電性相接并控制所 述驅(qū)動裝置。
[0007] 本機(jī)器人爬樓梯時，利用前腳上的驅(qū)動裝置輸出的扭矩將后腳翻轉(zhuǎn)到前腳所在樓 梯的上一級樓梯，此時前后腳互換，后腳變?yōu)榍澳_再次輸出扭矩將此時的后腳翻轉(zhuǎn)到其上 一級樓梯；如此循環(huán)，仿照人上樓梯時的步態(tài)來實現(xiàn)爬樓梯的功能。
[0008] 作為本發(fā)明仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人的一種改進(jìn)，所述連接部分包括第一支架、第 二支架及延長桿，所述第一支架、第二支架呈U形狀；其中，所述第一支架與前腳的兩驅(qū)動 裝置相連接，第二支架與后腳的兩驅(qū)動裝置相連接；所述第一支架、第二支架上分布有安裝 孔，所述延長桿上也分布有安裝孔，并通過在安裝孔上安裝螺絲將所述第一支架、第二支架 連接一起，形成整體。這樣通過更改延長桿與支架上的安裝孔安裝位置，即可延長或縮短前 腳和后腳之間的距離以適應(yīng)不同尺寸的樓梯。
[0009] 作為本發(fā)明仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人的另一種改進(jìn)，所述控制系統(tǒng)包括Arduino控 制器和電源模塊，其中，電源模塊為驅(qū)動裝置及Arduino控制器提供電源，Arduino控制器 用以控制驅(qū)動裝置的動作。
[0010] 作為本發(fā)明仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人的再一種改進(jìn)，所述安裝板中開有兩鏤空槽， 驅(qū)動裝置通過螺絲安裝于安裝板一側(cè)面的兩鏤空槽中，前腳掌通過螺絲安裝于安裝板另一 側(cè)面的兩鏤空槽中，通過在安裝板中開有兩鏤空槽，可將驅(qū)動裝置和前腳掌安裝于不同的 高度位置，以適應(yīng)不同高度的樓梯。
[0011] 作為本發(fā)明仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn)，所述前腳掌呈凸字形，起到在 運動過程中平衡力矩防止機(jī)器人向前傾覆的作用；所述后腳掌呈凹字形，起到在運動過程 中平衡力矩防止機(jī)器人向后傾覆的作用；前腳掌及后腳掌之間的距離即為樓梯的高度；通 過巧妙設(shè)計前腳掌及后腳掌特殊的形狀，不但能夠保證機(jī)器人在運動的過程中，前腳掌和 后腳掌在同一的樓梯面上，而且能夠避免當(dāng)后腳落地時，后腳的后腳掌會壓住前腳的前腳 掌的情況出現(xiàn)，巧妙地實現(xiàn)了后腳輸出力矩將前腳旋轉(zhuǎn)離開地面這一動作，同時保證本機(jī) 器人的抗傾覆力矩的力臂長度，減輕機(jī)器人本體重量。
[0012] 作為本發(fā)明仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn)，所述驅(qū)動裝置為舵機(jī)。
[0013] 為了防止本機(jī)器人在運動的過程中不會發(fā)生后傾的情況出現(xiàn)，所述后腳掌的長度 由下式求得：
【主權(quán)項】
1. 仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，其特征在于，包括四只結(jié)構(gòu)相同的腳部、連接部分及控制系 統(tǒng)；其中，每一腳部包括安裝板，前腳掌及后腳掌呈Z字形狀安裝于安裝板的兩側(cè)，驅(qū)動裝 置安裝于安裝板中；沿樓梯的爬升方向，位于前面的兩腳部為前腳，位于后面的兩腳部為后 腳，前腳通過所述連接部分與后腳相連接；所述控制系統(tǒng)與所述驅(qū)動裝置電性相接并控制 所述驅(qū)動裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，其特征在于，所述連接部分包括第一 支架、第二支架及延長桿；其中，所述第一支架與前腳的兩驅(qū)動裝置相連接，第二支架與后 腳的兩驅(qū)動裝置相連接；所述第一支架、第二支架上分布有安裝孔，所述延長桿上也分布有 安裝孔，并通過在安裝孔上安裝螺絲將所述第一支架、第二支架連接一起。
3. 如權(quán)利要求1所述的仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括 Arduino控制器和電源模塊，其中，電源模塊為驅(qū)動裝置及Arduino控制器提供電源， Arduino控制器用于控制驅(qū)動裝置。
4. 如權(quán)利要求1所述的仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，其特征在于，所述安裝板中開有兩鏤 空槽，驅(qū)動裝置通過螺絲安裝于安裝板一側(cè)面的兩鏤空槽中，前腳掌通過螺絲安裝于安裝 板另一側(cè)面的兩鏤空槽中。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，其特征在于，所述前腳掌呈凸字 形，所述后腳掌呈凹字形。
6. 如權(quán)利要求1至4任一所述的仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，其特征在于，所述驅(qū)動裝置為 舵機(jī)。
7. 如權(quán)利要求1所述仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，其特征在于，所述后腳掌的長度由下式 求得：
得出：
其中：c為后腳掌的長度；L為后腳翻轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)其與前腳處于水平位置時其電機(jī)軸 和前腳電機(jī)軸之間的距離；M為腳的質(zhì)量。
8. 如權(quán)利要求1所述仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，其特征在于，所述前腳掌的長度由下式 求得：
其中：c'為前腳掌的長度；L'為前腳、后腳電機(jī)軸之間的水平距離；M為腳的質(zhì)量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人，屬于機(jī)器人領(lǐng)域，包括四只結(jié)構(gòu)相同的腳部、連接部分及控制系統(tǒng)；其中，每一腳部包括安裝板，前腳掌及后腳掌呈Z字形狀安裝于安裝板的兩側(cè)，驅(qū)動裝置安裝于安裝板中；沿樓梯的爬升方向，位于前面的兩腳部為前腳，位于后面的兩腳部為后腳，前腳通過所述連接部分與后腳相連接；所述控制系統(tǒng)與所述驅(qū)動裝置電性相接并控制所述驅(qū)動裝置。本發(fā)明的仿人步態(tài)爬樓梯機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和連接方式是在仿照人體腳結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合樓梯自身的形狀所設(shè)計出來的，其行走的狀態(tài)與人上樓梯的狀態(tài)基本相似，不會對樓梯本身造成破壞，具有較高的穩(wěn)定性。
【IPC分類】B62D57-032
【公開號】CN104760630
【申請?zhí)枴緾N201510211004
【發(fā)明人】王新力
【申請人】佛山輕子精密測控技術(shù)有限公司
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月29日