一種微小型自主上下樓梯機器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于偵查和搜救的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以底盤向上抬升、向前推送的方式爬樓梯的微小型自主上下樓梯機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]微小型地面移動機器人由于其能在復(fù)雜、狹窄、危險的區(qū)域工作，被廣泛應(yīng)用于偵查、搜救、反恐等領(lǐng)域。目前，微小型地面移動機器人的主要工作模式是操作者將機器人放置或投至目標(biāo)附近，通過遙控的工作方式執(zhí)行任務(wù)。便攜性和越障性能是微小型地面移動機器人的重要指標(biāo)，因此在此類機器人設(shè)計過程中，對機器人體積、重量及機構(gòu)設(shè)計提出了嚴(yán)格要求。
[0003]目前，微小型地面移動機器人一般具有便于攜帶的特點，其中一些微小型地面移動機器人具有一定的越障性能，但均不能攀越樓梯等大尺寸、連續(xù)障礙。在城市環(huán)境中，樓梯是一種常見的障礙，通常情況下目標(biāo)所在樓層是不確定，因此需要微小型地面移動機器人具備上下樓梯功能，從而進行多樓層執(zhí)行任務(wù)。小型機器人為了實現(xiàn)爬樓梯功能通常動作較復(fù)雜，采用手動遙控的方式執(zhí)行爬樓梯動作效率較低，因此需機器人能夠以自主方式上下樓梯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種微小型自主上下樓梯機器人，能夠以自主方式實現(xiàn)上下樓梯功能；該機器人在現(xiàn)有小型履帶式機器人底盤基礎(chǔ)上，增加爬樓梯支架組件，借助爬樓梯支架組件實現(xiàn)機器人底盤向上抬升、向前推送至臺階平面、支架收回等動作，這種結(jié)構(gòu)及動作方案使小型履帶機器人具備上下樓梯功能；
[0005]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種微小型自主上下樓梯機器人，包括:履帶式移動底盤、爬樓梯支架組件和控制組件；
[0007]所述履帶式移動底盤實現(xiàn)機器人在平地上的行駛；
[0008]所述爬樓梯支架組件實現(xiàn)履帶式移動底盤的上升和下降及履帶式移動底盤相對于爬樓梯支架組件的水平移動；
[0009]所述控制組件實現(xiàn)對履帶式移動底盤和爬樓梯支架組件的運動控制及對履帶式移動底盤和爬樓梯支架組件相對于臺階的位置檢測。
[0010]進一步的，所述履帶式移動底盤包括:上蓋板、下殼體、履帶輪、輪軸、履帶、行駛電機、行駛齒輪及底座；
[0011]所述下殼體為一端開放的柱形殼體；
[0012]所述輪軸的末端固定有齒輪；
[0013]四個履帶輪分別通過輪軸對稱安裝在下殼體的兩側(cè)；兩個履帶分別安裝在同側(cè)的兩個履帶輪上；兩個行駛電機分別通過底座固定在下殼體的內(nèi)底面，行駛齒輪分別固定在行駛電機的輸出軸上，且行駛齒輪分別與兩個輪軸末端的齒輪嚙合，所述兩個輪軸分別位于下殼體的兩側(cè)；行駛電機通過行駛齒輪及輪軸帶動履帶輪轉(zhuǎn)動，從而帶動履帶運動，實現(xiàn)機器人的平地移動；上蓋板固定在下殼體的開放端。
[0014]進一步的，所述爬樓梯支架組件包括:升降桿、橫梁、縱梁、聯(lián)接桿、滾珠絲杠、絲杠螺母、推送電機、螺母座、聯(lián)接塊、升降電機、升降齒輪及齒條；
[0015]兩根升降桿通過聯(lián)接桿固定連接為龍門架，齒條分別固定在升降桿上，橫梁的兩端分別與兩根升降桿活動連接，升降電機固定在橫梁上，升降齒輪分別固定在升降電機的輸出軸上，并與升降桿上的齒條嚙合，實現(xiàn)橫梁沿升降桿的上下移動；縱梁固定在橫梁上，且縱梁與橫梁及升降桿均垂直；
[0016]螺母座通過聯(lián)接塊固定在小型履帶式移動底盤的上蓋板上，絲杠螺母安裝在螺母座上，滾珠絲杠與絲杠螺母螺紋配合后，滾珠絲杠安裝在縱梁上，且滾珠絲杠的軸向與縱梁的長度方向一致，推送電機固定在縱梁的端面，推送電機的輸出軸與滾珠絲杠固定連接。
[0017]進一步的，所述爬樓梯支架組件還包括:彈簧片及卡榫；所述升降桿上開有與卡榫相配合的凹槽；卡榫固定在彈簧片的一端，彈簧片的另一端固定在橫梁的端部，橫梁通過卡榫與升降桿凹槽的配合進行限位。
[0018]進一步的，所述控制組件包括:攝像頭、紅外測距傳感器、電源、電路板、數(shù)據(jù)傳輸模塊、視頻模塊及天線；
[0019]攝像頭安裝在下殼體靠近前進方向的側(cè)面，紅外測距傳感器分別安裝在下殼體靠近前進方向的側(cè)面和下殼體的外底面；天線安裝在下殼體遠離前進方向的側(cè)面；電源、電路板、數(shù)據(jù)傳輸模塊及視頻模塊均固定在下殼體上。
[0020]進一步的，所述攝像頭和紅外測距傳感器組成外部信息采集系統(tǒng)；外部信息采集系統(tǒng)用來采集履帶式移動底盤運動時環(huán)境信息；攝像頭用來采集履帶式移動底盤運動前方的視頻信息；紅外測距傳感器用于上下樓梯過程中，對履帶式移動底盤的檢測對正、判斷是否到達臺階邊緣以及臺階高度的測量；其中，安裝于下殼體側(cè)面的紅外測距傳感器用于測量履帶式移動底盤距臺階豎直面的距離信息，安裝于下殼體外底面的紅外測距傳感器用于測量履帶式移動底盤距臺階水平面的距離信息。
[0021]進一步的，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊和視頻模塊組成無線通信系統(tǒng)；所述電路板上設(shè)有由數(shù)據(jù)處理模塊、任務(wù)決策模塊及運動控制模塊組成的控制系統(tǒng)；所述天線用于將無線通信系統(tǒng)的信息傳遞給遙控終端。
[0022]進一步的，所述行駛電機、推送電機及升降電機均為帶編碼器的直流伺服電機，兩個以上編碼器組成內(nèi)部信息采集系統(tǒng)；行駛電機、推送電機及升降電機組成執(zhí)行機構(gòu)；行駛電機用于履帶式移動底盤的平地行駛，升降電機用于履帶式移動底盤和爬樓梯支架組件的升降，推送電機用于將履帶式移動底盤和爬樓梯支架組件向前或向后推送。
[0023]工作原理:當(dāng)機器人在平地運動過程中，攝像頭對環(huán)境信息進行采集，攝像頭采集的視頻信息通過無線通信系統(tǒng)傳輸至遙控終端，操作者根據(jù)采集的信息對機器人發(fā)送操作指令；操作指令通過無線傳輸系統(tǒng)傳達至控制系統(tǒng)，進而控制執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)機器人運動；
[0024]當(dāng)機器人進行局部自主上下樓梯時，紅外測距傳感器將采集到的距離信息傳至控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊，將處理后的距離信息傳送到任務(wù)決策模塊，根據(jù)所測距離信息判斷履帶式移動底盤與臺階的相對位置并生成運動指令，發(fā)送至運動控制模塊，進而控制執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)機器人運動；同時，執(zhí)行機構(gòu)的編碼器采集的轉(zhuǎn)速信息實時傳輸反饋至控制系統(tǒng)；進而控制執(zhí)行機構(gòu)的運動；
[0025]機器人上樓梯時，自主爬樓梯模式下，機器人借助安裝于下殼體側(cè)面的紅外測距傳感器測量距臺階豎直面的距離，趨近并對正臺階；而后升降電機工作，通過升降齒輪及齒條帶動橫梁沿升降桿向上移動，橫梁通過縱梁及聯(lián)接塊帶動履帶式移動底盤向上抬升，該過程中安裝于下殼體側(cè)面的紅外測距傳感器不斷探測距臺階豎直面的距離，當(dāng)測得的距離至突然大于某指定限度時，可判斷出履帶式移動底盤上升至臺階高度，之后底盤繼續(xù)上升，上升高度為履帶式移動底盤厚度的一半，此時，履帶式移動底盤的底面恰好與臺階水平面位于同一水平面上；升降電機停止旋轉(zhuǎn)；推送電機工作，通過滾珠絲杠及絲杠螺母帶動螺母座、聯(lián)接塊及履帶式移動底盤沿縱梁向前移動，該過程中行駛電機帶動履帶輪緩慢旋轉(zhuǎn)，使履帶速度與履帶式移動底盤向前推送速度相等，以保證履帶接地段在臺階面上不發(fā)生相對滑動，直到履帶式移動底盤被推送至縱梁前端，推送電機及行駛電機停止，此時機器人中心移至高一級臺階平面上；升降電機反向轉(zhuǎn)動，將通過升降齒輪及齒條將升降桿提升，直到卡榫與升降桿凹槽的配合，對橫梁進行限位；推動電機反方向旋轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠及絲杠螺母帶動縱梁向前移動，將爬樓支架收回至初始狀，至此爬第級臺階結(jié)束；若攀爬第級臺階，則重復(fù)以上過程。
[0026]機器人下樓梯過程與上樓梯相反；機器人向后行駛，通過安裝于下殼體外底面的紅外測距傳感器探測臺階邊緣并執(zhí)行對正動作，同時記錄履帶式移動底盤距下一級臺階平面的垂直距離；推送電機通過滾珠絲杠及絲杠螺母帶動縱梁向后移動，將爬樓梯支架組件推送至最遠端；升降電機工作，通過升降齒輪及齒條將升降桿下放至低一級臺階平面，下放距離與履帶式移動底盤距下一級臺階平面的垂直距離相等；推送電機反方向旋轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠及絲杠螺母帶動履帶式移動底盤向后移動，與此同時行駛電機工作，通過行駛