CN110123539A - 一种新型爬楼梯轮椅机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型爬楼梯轮椅机器人，包括：定位机构、攀爬机构，所述定位机构由两组相互铰接的平行四边形机构以及第一电动推杆组成，所述平行四边形机构有四组相互铰接并呈平行四边形状的杆组成；所述攀爬机构包括：支架、前轮总成和后轮总成，所述支架设置两组，所述后轮总成包括：安装架、第二电动推杆、爬升杆，所述爬升杆与安装架相对可滑动连接。本发明的爬楼梯轮椅机器人，以双平行四边形机构作为定位机构，以电动爬升杆组成攀爬机构。通过两个机构的相互配合，完成楼梯的爬越，可实现“上楼梯时面向楼上，下楼梯面向楼下”的目标，从而使轮椅上下楼梯的方式更加符合日常运动逻辑思维，提高使用者的舒适性。

Description

一种新型爬楼梯轮椅机器人
技术领域
本发明涉及一种攀爬机器人，具体是一种新型爬楼梯轮椅机器人。
背景技术
当今中国人口老龄化程度不断加深。数据显示，2014年中国65岁以上人口数量达到13755万人，占全国比重10.1％。另一方面，残疾人的数量也在大幅增加。如果辅以爬楼梯轮椅等辅助爬楼设备，老年人和残疾人面对楼梯将更加从容。
国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，总体来看可按照爬楼梯功能实现的原理可分为轮组式、履带式、步进支撑式以及其他附加辅助式爬楼梯装置。
轮组式爬楼装置，在平地行走和爬楼梯时其各小轮的运动方式是不同的：平地行走时各小轮绕各自的轴线自转，爬楼梯时各小轮一起绕中心轴公转。但轮组式轮椅有一些缺点。首先，一个轮组中的每一个轮子都必须有自己的传动***，因此轮椅车可能非常笨重。其次，更为致命的是轮组的几何结构不能被调整为台阶几何结构。此外，行星轮机构在上下楼梯时重心起伏较大，对使用者的舒适性有较大影响。
履带型机构的爬楼梯轮椅应用较多，与轮组机构相比，其运动方式更为连续，传动效率比较高。在上下楼梯过程中，轮椅的重心总是沿着与楼梯台阶沿的连线相平行的直线运动，其重心的波动很小，运动平稳。此外，履带结构还有控制简单，能够适应各种尺寸的楼梯、障碍等优点。但一般而言，履带轮椅不适合在楼梯阶沿太光滑及斜度大于30°～35°的环境使用。另外，履带轮椅爬楼梯时容易损坏楼梯边沿，后期的维护成本较高。这一系列问题都制约着履带轮椅的发展。
步进支撑式爬楼梯轮椅是所有形式爬楼梯轮椅中安全性较高，传动机构最复杂，控制最复杂的一种。步进支撑式爬楼梯轮椅的攀爬机构由连杆机构组成。这类型爬楼梯轮椅主要包括腿式***和轮腿混合***两种。
此外，目前市面上的大部分轮腿式轮椅机器人爬楼梯时背朝楼梯，这与人们日常运动逻辑相反，降低了使用者的舒适度，一定程度上影响了乘客的体验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型爬楼梯轮椅机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型爬楼梯轮椅机器人，包括：定位机构、攀爬机构，所述定位机构由两组相互铰接的平行四边形机构以及第一电动推杆组成，所述平行四边形机构有四组相互铰接并呈平行四边形状的杆组成，平行四边形机构连接座椅，所述第一电动推杆尾端分别与两组平行四边形机构铰接，顶端连接到座椅上；
所述攀爬机构包括：支架、前轮总成和后轮总成，所述支架设置两组，分别与平行四边形机构连接，所述前轮总成和后轮总成分别固定于两组支架底部，前轮总成和后轮总成均包括：安装架、第二电动推杆、爬升杆，所述安装架与支架固定连接，所述第二电动推杆两端分别与爬升杆和支架转动连接，所述爬升杆与安装架相对可滑动连接；两组支架底部分别安装有可转动的前轮组和后轮组，所述前轮组上设置转向机构和驱动机构，分别用于控制前轮组转向和驱动前轮组运动。
作为本发明进一步的方案：所述转向机构包括第一舵机和转向连杆，所述转向连杆分别与第一舵机和前轮组连接。
作为本发明进一步的方案：所述驱动机构包括电机和锥齿轮组，电机通过锥齿轮组与前轮组的转轴连接。
作为本发明进一步的方案：所述前轮组和后轮组上均设置丝杠机构，所示丝杠机构包括第二舵机、丝杠、滑块和滑轨，所述滑轨固定设置于安装架下方，所述滑块滑动设置在滑轨上，所述丝杠安装在安装架底部并与第二舵机连接，丝杠贯穿于滑块中的螺纹孔，滑块底部安装前轮组或后轮组。
作为本发明进一步的方案：所述爬升杆相对支架倾斜35°角。
作为本发明进一步的方案：所述后轮总成中爬升杆的底端两侧各设置一橡胶套，前轮总成中爬升杆上固定设置有撑杆，撑杆底部两侧各设置一橡胶套。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的爬楼梯轮椅机器人，设计爬楼梯轮椅的机构运动原理，以双平行四边形机构作为定位机构，以电动爬升杆组成攀爬机构。通过两个机构的相互配合，完成楼梯的爬越，可实现“上楼梯时面向楼上，下楼梯面向楼下”的目标，从而使轮椅上下楼梯的方式更加符合日常运动逻辑思维，提高使用者的舒适性。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明中丝杠机构的示意图。
图3为图1中A处的放大结构图。
图4为本发明中前轮总成的结构图。
图5为本发明中前后定位推杆的PID控制***原理图。
图6为本发明中前后爬升推杆的PID控制***原理图。
图7为本发明中驱动机构的驱动PID控制***原理图。
图8为本发明上台阶过程的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。
请参阅图1～4，本发明实施例中，一种新型爬楼梯轮椅机器人，包括：定位机构、攀爬机构，所述定位机构由两组相互铰接的平行四边形机构21以及第一电动推杆22组成，所述平行四边形机构21有四组相互铰接并呈平行四边形状的杆组成，平行四边形机构21连接座椅1，所述第一电动推杆21尾端分别与两组平行四边形机构21铰接，顶端连接到座椅1上，通过第一电动推杆21分别驱动两组平行四边形机构21运动，在驱动过程中，利用平行四杆机构的特性，可保持座椅1始终保持水平，另一方面可改变轮椅姿态，实现轮子在一定范围内的相对运动。
所述攀爬机构包括：支架4、前轮总成和后轮总成，所述支架4设置两组，分别与平行四边形机构21连接，所述前轮总成和后轮总成分别固定于两组支架4底部，前轮总成和后轮总成均包括：安装架31、第二电动推杆32、爬升杆33，所述安装架31与支架4固定连接，所述第二电动推杆32两端分别与爬升杆33和支架4转动连接，所述爬升杆33与安装架31相对可滑动连接，且爬升杆33相对支架4倾斜35°角，此外，位于后侧的爬升杆33的底端两侧各设置一橡胶套331，位于前侧的爬升杆33上固定设置有撑杆332，撑杆332底部两侧各设置一橡胶套331；两组支架4底部分别安装有可转动的前轮组54和后轮组35，所述前轮组54上设置转向机构和驱动机构，所述转向机构包括第一舵机52和转向连杆55，所述转向连杆55分别与第一舵机52和前轮组54连接，通过第一舵机52驱动前轮组52实现转向，所述驱动机构包括电机53和锥齿轮组51，电机53通过锥齿轮组51与前轮组54的转轴连接，用以驱动前轮组54转动。
为了使车轮在爬升过程中不与台阶发生接干涉，所述前轮组54和后轮组35上均设置丝杠机构34，所示丝杠机构34包括第二舵机341、丝杠342、滑块343和滑轨344，所述滑轨344固定设置于安装架31下方，所述滑块343滑动设置在滑轨344上，所述丝杠342安装在安装架31底部并与第二舵机341连接，丝杠342贯穿于滑块343中的螺纹孔，滑块343底部安装前轮组54或后轮组35。
如图5所示为第一电动推杆21的PID控制***原理图，对于前后定位机构的电动推杆，模型简化为给推杆头和推杆底座施加一对相互作用力，PID输入为推杆的伸长量误差，输出为推力的大小。由于***的稳态必须要有一定大小的作用力去维持，为防止轮椅在开机启动阶段抖动剧烈和超调，在PID输出信号处叠加一个力的初值F0，使得PID更快达到稳态。
如图6为第二电动推杆33的PID控制***原理图，爬升杆33的电动推杆控制，被控量和执行机构与第一电动推杆21一样，由于攀爬阶段和非攀爬阶段推杆的受力截然不同，属于两套不一样的***，因此对攀爬阶段和非攀爬阶段分别进行参数整定，两个阶段转换时重新初始化积分项。
如图7为前轮组54驱动机构的PID控制***原理图，PID控制***的输入为速度偏差，输出为前轮组54转矩。为减少轮子速度超调，采用积分分离PID控制算法。为避免轮子堵转等意外情况的发生，对积分项进行限幅。此外，受轮子电机最大转矩的限制，转矩的输出也要作限幅处理。在进行转矩输出前，还应判断前轮组54当前状态是否与地面接触，若轮子悬空，转矩输出为零。
本发明的上台阶的过程如图8所示，开始时，轮椅前进，当轮子靠近障碍物时，轮椅停止运动；
前轮组54侧的爬升杆33向下运动，与地面接触，轮椅的重量转移到爬升杆33上；
车轮在爬升杆33的驱动下往右上方移动，同时丝杆342驱动滑块343带动前轮组54往后移动以避免与台阶发生干涉，最后前轮组54以方向向上的合成运动爬上台阶；
当前轮组54的高度足够时，丝杆342驱动车轮向前移动到初始位置，爬升杆33收缩，前轮组54与第一级台阶接触，轮椅的重量再一次转移到轮子上，至此完成第一级台阶的爬升，可见，在整个攀爬过程中，轮椅与地面的接触点始终保持4个，这样有利于***始终处于稳定状态。
下楼梯过程与上述过程类似，下楼梯过程为后轮组35朝前进方向，当后轮组35靠近台阶的边缘时，爬升杆33展开，爬升,33与地面接触，丝杆342驱动后轮组35向前运动以避免与台阶干涉，然后爬升杆33收缩，当车轮与地面接触时，车轮恢复到原来的状态。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种新型爬楼梯轮椅机器人，包括：定位机构、攀爬机构，其特征在于：所述定位机构由两组相互铰接的平行四边形机构(21)以及第一电动推杆(22)组成，所述平行四边形机构(21)有四组相互铰接并呈平行四边形状的杆组成，平行四边形机构(21)连接座椅(1)，所述第一电动推杆(21)尾端分别与两组平行四边形机构(21)铰接，顶端连接到座椅(1)上；
所述攀爬机构包括：支架(4)、前轮总成和后轮总成，所述支架(4)设置两组，分别与平行四边形机构(21)连接，所述前轮总成和后轮总成分别固定于两组支架(4)底部，前轮总成和后轮总成均包括：安装架(31)、第二电动推杆(32)、爬升杆(33)，所述安装架(31)与支架(4)固定连接，所述第二电动推杆(32)两端分别与爬升杆(33)和支架(4)转动连接，所述爬升杆(33)与安装架(31)相对可滑动连接；两组支架(4)底部分别安装有可转动的前轮组(54)和后轮组(35)，所述前轮组(54)上设置转向机构和驱动机构，分别用于控制前轮组(54)转向和驱动前轮组(54)运动。
2.根据权利要求1所述的一种新型爬楼梯轮椅机器人，其特征在于：所述转向机构包括第一舵机(52)和转向连杆(55)，所述转向连杆(55)分别与第一舵机(52)和前轮组(54)连接。
3.根据权利要求1所述的一种新型爬楼梯轮椅机器人，其特征在于：所述驱动机构包括电机(53)和锥齿轮组(51)，电机(53)通过锥齿轮组(51)与前轮组(54)的转轴连接。
4.根据权利要求1所述的一种新型爬楼梯轮椅机器人，其特征在于：所述前轮组(54)和后轮组(35)上均设置丝杠机构(34)，所示丝杠机构(34)包括第二舵机(341)、丝杠(342)、滑块(343)和滑轨(344)，所述滑轨(344)固定设置于安装架(31)下方，所述滑块(343)滑动设置在滑轨(344)上，所述丝杠(342)安装在安装架(31)底部并与第二舵机(341)连接，丝杠(342)贯穿于滑块(343)中的螺纹孔，滑块(343)底部安装前轮组(54)或后轮组(35)。
5.根据权利要求1所述的一种新型爬楼梯轮椅机器人，其特征在于：所述爬升杆(33)相对支架(4)倾斜35°角。
6.根据权利要求1所述的一种新型爬楼梯轮椅机器人，其特征在于：所述后轮总成中爬升杆(33)的底端两侧各设置一橡胶套(331)，前轮总成中爬升杆(33)上固定设置有撑杆(332)，撑杆(332)底部两侧各设置一橡胶套(331)。
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