专利名称：自动行走并能上下台阶的装置及上下台阶方法 在结构框架上安装轮子的车是司空见惯的，有的加上驱动装置后，在平面和小斜面坡度时可自动行走，但其却不能自动上下台阶。如果需要上下台阶，就要面临很大的困难。现有的资料中，尚未发现有一种装置能够平稳地使自身及被载体以垂直和水平方式交替运动而达到上下台阶的效果，这种装置在平地或小斜面坡度时能自动行走。
本发明所要解决的主要技术问题在于，提供一种新型结构的自动行走并能上下台阶的装置，使其在平地或小斜面坡度时能依靠轮子自动行走，遇到台阶时，依靠支腿的伸缩和结构框架的张收达到自身及被载体以垂直和水平方式交替运动而同时上下台阶的效果。本发明所要解决的另一技术问题在于，提供这种装置自动上下台阶的方法，使此装置的结构的各部分按照程序协调动作，达到较平稳地上下台阶的效果。本发明解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种自动行走并能上下台阶的装置，具有结构框架及安装在框架上的轮子、驱动轮子的电机，动力设备，装在机舱中的电机和传感器的驱动电路、提供能源的蓄电池，其结构框架由主支架、副支架和承载架构成，主支架和副支架各由两付矩形侧支架连接构成，每一付侧支架具有两只立柱、一只侧下横担和一只侧上横担，这些横担的长度都相等；主支架和副支架的几何边界均为长方体，并且分别装有最大伸缩长度都相等的主前支腿、主后支腿、副前支腿和副后支腿，每根支腿都能受控伸长和缩回，伸长和缩回时分别使结构框架升高和降低；构成副支架的两付侧支架之间，再分别用一根副前下横担和副后下横担连接；构成主支架的两付侧支架之间，再分别用一根主前下横担和主后下横担连接，后部还用一根后上横担连接；副支架侧下横担的下沿高于主前下横担的上沿；承载架落装在副支架内，副支架套装在主支架内，副前支腿在主支架框架外，副后支腿在主支架框架内；主支架的内侧与副支架的外侧之间采用水平前后滑动连接；主支架侧上横担与副支架侧上横担处于同一水平高度；主支架和副支架各装有与侧下横担平行的两列水平轨道；承载架的两侧各具有一只侧翼，侧翼在主、副支架的侧上横担上方；承载架装有四列滚动轮，分别落在主支架轨道和副支架轨道上，并具备沿轨道滚动的能力；主支架与副支架之间连接有支架伸缩机构；结构框架内装有承载架移动机构；具有执行控制作用的含有微控制器的电控系统、传感器和控制开关。本发明解决其主要技术问题同时还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的自动行走并能上下台阶的方法，由人工选择上台阶模式或下台阶模式后，电控系统按以下步骤控制装置动作A)上下台阶准备；B)驱动支架伸缩机构伸出，使副支架水平前伸；C)检测判断支架伸缩机构已达最大伸出限度或防撞开关动作或副支架前部已伸过N个台阶；D)延迟ΔT秒；E)停止驱动支架伸缩机构，副支架停止前伸；F)副支架支腿落地；G)承载架移动机构动作，使承载架前移；H)主支架支腿收缩至最短；I)驱动支架伸缩机构收缩，使主支架水平前移；J)主支架支腿落地；K)副支架支腿收缩至最短；L)驱动支架伸缩机构伸出，使副支架水平前伸；M)检测判断支架伸缩机构已达最大伸出限度或防撞开关动作或副支架后部已伸过一个台阶；N)延迟ΔT秒；O)停止驱动支架伸缩机构，副支架停止前伸；P)副支架支腿落地；Q)承载架移动机构动作，使承载架前移；R)主支架支腿收缩至最短；S)驱动支架伸缩机构收缩，使主支架水平前移；T)判断副支架前、后部是否等高？若等高，转向X)步；U)主支架支腿落地；V)副支架支腿收缩至最短；W)调整装置高度，然后转向执行L)步；X)支腿收回；Y)结束动作。本发明解决其技术问题还可以采用以下技术措施来进一步实现对于前述的控制步骤，在A)步骤中，上台阶模式时，主支架支腿伸出至最长，下台阶模式时，主支架支腿先落地，然后再伸长至一个预定的高度ΔH，使得装置的轮子可以离开地面少许距离；在W)步骤中的调整装置高度是指，上台阶模式时，主后支腿伸出至最长，主前支腿伸出的长度使得主支架的侧支架横担基本上保持水平，下台阶模式时，主支架的支腿收缩，达到主后支腿的伸出长度为预定的高度ΔH时停止，主前支腿伸出的长度使得主支架的侧支架横担基本上保持水平；在C)步骤中，N是一个在程序中设定的不小于1的整数，与具体的支腿伸出长度有关，它的确定方法是当轮子的下边缘平面至支腿伸出的最远点平面之间的距离为S1毫米，M是S1除以190的最大整数商时，N等于M减1；在D)和N)步骤中，ΔT秒取决于副支架的伸出速度，靠实验确定。前述主支架和副支架的结构尺寸受支腿伸出长度的约束如下设S1毫米为支腿伸出最大长度后，从轮子的下边缘平面至支腿伸出的最远点平面之间的距离，M为S1除以190的最大整数商，S2毫米为副前支腿最前端至主后支腿最后端之间的距离，则S2小于M乘以240，且S1应不小于380。这样的比例主要是满足我国建筑行业中有关住宅楼梯的设计标准，并考虑了适当的余量，使得本发明的装置可以适应符合该标准条件的住宅楼梯和其它台阶。
前述的主支架轨道分别固定在主前下横担和主后下横担的上部；副支架轨道分别固定在副前下横担和副后下横担的上部；四列滚动轮固定在承载架的底部。
前述的主支架轨道和副支架轨道分别安装在主支架侧上横担和副支架侧上横担的上部；滚动轮分别安装在侧翼的下部，每只侧翼的下方装有两列滚动轮，外侧滚动轮落在主支架轨道上，内侧滚动轮落在副支架轨道上。
前述的传感器是安装在副前下横担下面的前探测器和安装在副后下横担下面的后探测器；控制开关包括系统开关和检测开关；系统开关安装在结构框架上易于使用者操作的部位；检测开关是安装在副前下横担下方的防撞开关、安装在主支架轨道上或其附近的主行程开关和安装在副支架轨道上或其附近的副行程开关；传感器和检测开关的信号输入电控系统，电控系统的输出信号通过驱动电路控制支腿的伸缩、支架伸缩机构动作和承载架移动机构动作。
前述的承载架含有承载平台、机舱和底板；承载架向前移动是依靠承载架移动机构的动作；驱动电路、蓄电池、电控系统安装在机舱中。
前述的水平前后滑动连接可以采用多种形式，其中之一是燕尾槽方式，主支架的两内侧装有燕尾凹槽，副支架的两外侧装有燕尾凸槽；其中之二是连杆机构方式，左、右两副连杆机构的两端分别连接在主支架后部的两内侧和副支架前部的两外侧。
前述的主前支腿、主后支腿、副前支腿和副后支腿各有两只；其中的各支腿既可以是分别独立地工作，也可以利用机械方式分别将两只主前支腿、两只主后支腿、两只副前支腿、两只副后支腿、左侧或者右侧的主前支腿和主后支腿、左侧或者右侧的副前支腿和副后支腿的伸缩部分连接起来，从而可以利用一件传动机构使两只支腿同时伸出或缩回。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明所提供的装置能够自动完成上下台阶的动作，并且采用的是垂直升降和水平移动相结合的运动模式，这对于被承载的物体是一种非常安全而又平稳的运动过程。将承载平台设计成座椅时，对于那些行动困难的人来说，这种装置可以帮助他们安全并且舒适地上下台阶，特别是可以满足按照标准设计的住宅楼房的楼梯尺寸及坡度状况，能使那些住在楼上的老、弱、病、残者无须他人帮助即可自己到户外活动，或者自由地去有台阶的公共场所，可见其实为一新颖、进步、实用的新设计。
本发明的
由以下实施例及其附图详细给出。


图1是本发明的主支架结构外观立体图。
图2是本发明的副支架结构外观立体图。
图3是本发明的副支架套装在主支架内的结构立体图。
图4是本发明的底部装有槽形轨道的主支架结构外观立体图。
图5是本发明的底部装有槽形轨道的副支架结构外观立体图。
图6是底部装有轨道槽的副支架套装在主支架内的结构立体图。
图7是底部装有滚动轮的承载架的三视图。
图8是侧翼下装有滚动轮的承载架的三视图。
图9是底部装有滚动轮的本发明的正视图和侧视图。
图10是上部装有滚动轮的本发明的正视图和侧视图。
图11是上部装有槽形轨道的本发明的无承载架俯视图。
图12是底部装有槽形轨道的本发明的无承载架无上横担俯视图。
图13是液压系统图。
图14是电气系统原理图。
图15是上台阶过程流程图。
图16是下台阶过程流程图。
图17是左侧主、副支架用一种连杆机构实现水平前后滑动连接的右视示意图。
图18是右侧主、副支架用一种连杆机构实现水平前后滑动连接的右视示意图。
图中1.电机 2.电机托架3.垫块4.轮轴 6.支架伸缩机构7.承载架移动机构8.轮子 9.辅助横担10.主支架11.主前下横担 12.主后下横担13.主前支腿 14.主后支腿 15.燕尾凹槽16.槽形主支架轨道17.主支架侧下横担 18.主支架侧上横担19.后上横担20.副支架21.副前下横担 22.副后下横担23.副前支腿 24.副后支腿 25.燕尾凸槽26.槽形副支架轨道27.副支架侧下横担 28.副支架侧上横担30.承载架31.滚动轮 32.机舱33.承载平台 34.底板 35.轮支架39.侧翼40.液压系统 45.液压泵 46.过滤器47.油箱 48.直动型溢流阀 49.单向阀403.高压力继电器 404.低压力继电器 411.主腿三位四通阀412.主腿液压锁 4111.主前腿开关阀 4112.主后腿开关阀421.副腿三位四通阀 422.副腿液压锁431.支架伸缩阀 441.承载架移动阀
50.电控系统 51.微控制器521.前探测器 522.后探测器 53.防撞开关541.主行程开关542.副行程开关55.驱动电路551.电机驱动电路 552.控制驱动电路 56.蓄电池57.A/D转换电路581.电源开关 582.模式开关
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的自动行走并能上下台阶的装置及上下台阶方法其
、结构、特征及其功效，详细说明如后。
在实施例中，将可伸缩的支腿与立柱合二为一，形成由分别独立的副前支腿23、副后支腿24、副支架侧下横担27和副支架侧上横担28构成的副支架20的侧支架，由分别独立的主前支腿13、主后支腿14、主支架侧下横担17和主支架侧上横担18构成的主支架10的侧支架。选用槽形轨道与承载架滚动轮配合。各支腿的最大伸出长度平面至轮子8的下边缘平面之间的距离是575毫米。为使看图便利，将其中属于副支架的部分用斜向条纹填充，属于承载架的部分用网状条纹填充。
请参阅图1、图2、图3所示，副支架20套装在主支架10内的安装关系由图中明确表示副前支腿23在主支架10框架外，副后支腿24在主支架10框架内，主前下横担11低于副支架侧下横担27，在同一平面上，副后支腿24的移动空间在主支架10内，自主前下横担11至主后下横担12之间。各支腿均选用同样规格的双作用单活塞杆液压缸，保证它们的伸缩功能。
请参阅图4、图5、图6所示，为保持下部槽形轨道的水平，在主前下横担11上要装有垫块3，副前下横担21、副后下横担22和主后下横担12处于同一水平高度，左右外侧安装两列槽形副支架轨道26，内侧安装两列槽形主支架轨道16，副后下横担22被压在槽形主支架轨道16下面。主支架侧下横担17、主支架侧上横担18、副支架侧下横担27和副支架侧上横担28的长度都相等。请参阅图9所示，将液压缸的伸出长度减去轮子8的底沿至支腿的最下端的距离，差值S1为575毫米，S1除以190的最大整数商是3，240的3倍是720毫米，选取这些横担的长度所构成的从副前支腿23的前端至主后支腿14的后端之间的最小距离S2为710毫米。
请参阅图7、图8所示，承载架30包括有滚动轮31、机舱32、承载平台33、底板34和侧翼39。机舱32是一个框架，其上面有承载平台33覆盖，下面有底板34，四面不遮挡，滚动轮31的轮支架35固定在底板34的下面(对于上部装滚动轮的情况，滚动轮31的轮支架35固定在侧翼39的下面)，承载架移动机构7选用液压缸，缸套顶端与固定在承载架最前端的挡块连接，缸套固定在底板34下面、杆端不做固定。承载架移动机构7的长度与主支架侧下横担17的长度相同。机舱32内固定有电控系统50、驱动电路55、蓄电池56和液压系统40。液压系统40为实施例的动力设备，包括液压泵、液压控制阀、油箱等驱动液压缸动作的设备。
请参阅图9、图10、图11和图12所示，(为使看图便利，在图中略去液压系统40)主、副支架装配完成后，承载架放落在槽形轨道上，即构成完整的本发明的装置。其中燕尾凹槽15水平安装在主前支腿13和主后支腿14之间，燕尾凸槽25水平安装在副前支腿23和副后支腿24之间。在副前下横担21的下面安装前探测器521，在副后下横担22的下面安装后探测器522，前探测器521和后探测器522均选用物位探测器，用于在上下台阶时，前、后支腿的伸出长度能确保整个装置的倾斜角度不大于5度。在两只副前支腿23的下部分别装有防撞开关53，在一根槽形主支架轨道16的后部装主行程开关541，在一根槽形副支架轨道26的前部装副行程开关542。后部的两只轮子8之间连接有轮轴4，而前部的两只轮子8分别装在万向轴上。驱动轮子8的电机1安装在电机托架2上，电机托架2位于轮轴4的上方、两端固定在两只主支架侧下横担17上。支架伸缩机构6位于电机托架2上方，选用两端固定在挡块上的双作用单活塞杆液压缸，一端挡块连接在副前下横担21上，另一端挡块连接在主后下横担12上。为使承载架移动机构7能推动承载架30前移，在两只主后支腿14之间加装有辅助横担9，辅助横担9与承载架移动机构7处于同一水平高度。
本实施例选用液压系统作为上下台阶的动力设备。请参阅图13所示，液压泵45通过单向阀49向各液压缸供油。电控系统50控制主腿三位四通阀411、副腿三位四通阀421、支架伸缩阀431和承载架移动阀441的通断。在液压控制阀关闭时，主腿液压锁412和副腿液压锁422保证主支腿和副支腿的伸出锁紧在原有位置。主前腿开关阀4111和主后腿开关阀4112是为防止因油路阻力不均而造成支腿伸出不协调，在物位探测器52的信号反馈作用下，由电控系统50控制其通断，以保证在上下台阶时，装置的倾斜度不大于5度。高压力继电器403和低压力继电器404的电接点接入电控系统，分别通过检测油路的高、低压力，确定支腿伸出的协调程度。由于系统故障造成油压过高时，直动型溢流阀48用于避免损坏液压系统器件。
请参阅图14所示的本实用新型装置的电气原理图。驱动电路55在实施例中具体为两块电路板电机驱动电路551和控制驱动电路552。电源开关581处于中间位置时，装置断电，此开关投向电机驱动电路551时，装置为平面及小斜面坡度行走状态，蓄电池56通过电机驱动电路551使驱动轮子的电机1工作，当此开关投向电控系统50时，装置进入上下台阶状态。在上下台阶状态时，模式开关582处于中间位置时，控制系统待机，模式开关582两端的接点分别代表上台阶模式和下台阶模式。高压力继电器403、低压力继电器404、主行程开关541、副行程开关542以及两个互为备份的防撞开关53一端连接电源地，另一端向微控制器51提供输入的开关信号，前探测器521和后探测器522通过A/D转换电路57向微控制器51提供输入的数字信号。微控制器51相应的输出信号通过控制驱动电路552控制液压泵45的启停、主腿三位四通阀411、副腿三位四通阀421、支架伸缩阀431、承载架移动阀441、主前腿开关阀4111和主后腿开关阀4112的动作，其中，阀411、阀421和阀431各有两个电磁线圈。蓄电池56也是微控制器51、前探测器521、后探测器522、A/D转换电路57和控制驱动电路552的工作电源。电源开关581和模式开关582安装在便于操作的位置——例如，安装在承载架侧翼39的上表面。
请参阅图15所示，以下结合图14和图13具体说明本发明的上台阶方法。当电源开关581投入电控系统一侧时，微控制器51加电待机，同时启动液压泵45。当微控制器51检测到模式开关582给出上台阶信号为低电平时，发出控制信号驱动主腿三位四通阀411动作，接通油路使四只主支腿液压缸无负载伸出并落地，然后继续伸出至极限，使装置达到最大高度(步骤601)。
由于液压缸不能继续伸出而液压泵未停止工作，使油路压力继续升高，导致高压力继电器403动作。当微控制器51检测到此路信号为低电平时，关闭主腿三位四通阀411，驱动支架伸缩阀431，接通油路使支架伸缩液压缸伸出，推动副支架前伸(步骤602)。
微控制器51开始读取前探测器521的数据，当数据发生两次(575除以190的最大整数商为3，N＝3-1)跃变后，经过预先设定的延迟时间 秒，微控制器51关闭支架伸缩阀431，使副支架停止前伸。接下来，微控制器51驱动副腿三位四通阀421，接通油路使副支腿液压缸无负载伸出并落地。如果前探测器521的数据未发生两次跃变而防撞开关53已经动作，或者由于支架伸缩液压缸达到极限长度导致油路压力增高，引起低压力继电器404动作，都将使微控制器51执行停止副支架前伸的操作，并使副支腿落地(步骤603∽606)。其中，延迟时间 秒，是给主支架支腿落在同一台阶上留出足够的位置。
一旦副支腿继续伸出时，由于带有负载，必然导致油路压力升高，使低压力继电器404动作。微控制器51检测到此路信号为低电平时，关闭副腿三位四通阀421，停止副支腿液压缸伸出，然后驱动承载架移动阀441，接通油路使承载架移动液压缸伸出，推动承载架前移。当承载架移动到副支架上的确定位置时，副行程开关542动作。微控制器51检测到此路信号为低电平时，停止驱动承载架移动阀441的线圈，在阀内弹簧的作用下，承载架移动阀441回归原始位置，使承载架移动液压缸连通回油管路(步骤607)。
微控制器51随后驱动主腿三位四通阀411，使主支腿液压缸收缩。收缩至极限后，凭借高压力继电器403动作，微控制器51收到该路低电平信号，关闭主腿三位四通阀411，驱动支架伸缩阀431，使支架伸缩液压缸收缩，拉动主支架向前，同时将承载架移动液压缸的杆端带动缩回(步骤608∽609)。
主支架前移至承载架的确定位置时，主行程开关541由于接触滚动轮而动作，微控制器51收到该路低电平信号，关闭支架伸缩阀431，驱动主腿三位四通阀411，使主支腿液压缸无负载伸出。主支腿落地时，前、后主支腿的伸出长度已经不一致。液压缸继续伸出的趋势导致低压力继电器404动作，微控制器51收到该路低电平信号，关闭主腿三位四通阀411，驱动副腿三位四通阀421，使副支腿液压缸收缩(步骤610∽611)。
副支腿液压缸收缩至极限后，低压力继电器404动作。微控制器51收到该路低电平信号，关闭副腿三位四通阀421，驱动支架伸缩阀431，使副支架前伸，此时微控制器51开始读取后探测器522的数据，当数据发生一次跃变后，经过预先设定的延迟时间 秒，微控制器51关闭支架伸缩阀431，使副支架停止前伸。如果前探测器521的数据未发生跃变而防撞开关53已经动作，或者由于支架伸缩液压缸达到极限长度导致油路压力增高，引起低压力继电器404动作，都将使微控制器51执行停止副支架前伸的操作(步骤612∽615)。
根据前面步骤(606∽609)的详述，在微控制器51的程序控制下，本发明的装置进一步完成副支腿落地、承载架前移、主支腿收缩、主支架前移这几步动作(步骤616∽619)。
微控制器51此时读取前探测器521和后探测器522的数据，并且比较它们的大小，若两者之差在容许的误差范围内，说明装置已经到达平地，执行步骤624；否则执行如下动作主支腿落地、副支腿收缩。而后，主支腿带负载伸出，微控制器51读取后探测器522的数据，当该数据表明主后支腿已伸出至极限时，关闭主腿三位四通阀411，再转去执行步骤612(步骤620∽623)。
当装置已经到达平地，微控制器51发出控制信号，收回伸出的支腿，完成全部上台阶过程(步骤624∽625)。
在主支腿带负载上升时，微控制器51不断地读取前探测器521和后探测器522的数据，发现主前支腿和主后支腿的伸出长度不协调并且超过允许误差时，控制主前腿开关阀4111或主后腿开关阀4112，进行相应的调整，保证装置在上升过程中的水平程度。
请参阅图16所示，以下结合图15具体说明本发明的下台阶方法。当微控制器51检测到模式开关582给出下台阶信号为低电平时，发出控制信号驱动主腿三位四通阀411动作，接通油路使四只主支腿液压缸无负载伸出并落地，然后带负载继续伸出，微控制器51不断地读取前探测器521和后探测器522的数据，当装置的轮子稍微离开地面，达到在程序中预先给定的最低限定高度值(以下简称为低限)时，关闭主腿三位四通阀411(步骤701)。
后续的步骤(702∽725)与上述的图15的步骤((602∽625)实现过程基本相同，其中的差别在于步骤723与步骤623。在上述的图15的步骤623中，主支腿带负载上升；在步骤723中变为主支腿带负载下降(主支腿液压缸收缩)，当主后支腿下降达到低限时，即停止。
请参阅图17和图18所示，用常见的一种连杆机构代替前述的燕尾槽方式形成主支架与副支架之间的水平前后滑动连接，为保持上下文及其它各图的意义连贯，图中将实现连接的立柱用支腿代替。连杆机构的后部下端和前部下端分别固定在主后支腿14和副前支腿23上，连杆能围绕固定轴转动。连杆机构的后部上端和前部上端分别可在主后支腿14和副前支腿23上的槽内上下滑动，并经过与支腿的紧固连接，保证在径向力的作用下不致从槽中脱出。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，特别是主、副支腿的结构形式，主支架与副支架之间的水平前后滑动连接，以及支架伸缩机构和承载架移动机构，都可以通过各种方式实现。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。


一种自动行走并能上下台阶的装置，包括由主支架(10)、副支架(20)和承载架(30)构成的结构框架及轮子、电机、动力设备、驱动电路、蓄电池；承载架落装在副支架内，副支架套装在主支架内；主支架和副支架的几何边界均为长方体；主支架的内侧与副支架的外侧之间采用水平前后滑动连接；主支架和副支架各有四根受控伸缩长度都相等的支腿且各装有两列水平轨道；承载架装有四列滚动轮(31)，分别落在轨道上并能沿轨道运动；主、副支架之间连接有支架伸缩机构(6)；结构框架内装有承载架移动机构(7)；具有含有微控制器的电控系统(50)、传感器和控制开关；同时还包括在微控制器的控制下，装置实现上下台阶的操作步骤。