仿人步态爬楼梯机器人制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
仿人步态爬楼梯机器人
本专利技术涉及机器人，具体涉及一种能够仿人步态的爬楼梯机器人。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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，本专利技术与现有技术相比，具有如下的有益效果：本专利技术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。通过应用本专利技术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为本专利技术仿人步态爬楼梯机器人的结构示意图；图2为本专利技术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。下面将结合本专利技术中的说明书附图，对专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，为本专利技术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，避免当后脚落地本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；所述后脚掌的长度由下式求得：2Mg(L-c)＜2Mgc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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新力，
申请(专利权)人：佛山轻子精密测控技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44