CN103950482B - 楼梯清洁机器人在踏步上移动时的防跌落及碰撞处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种楼梯清洁机器人在踏步上移动时的防跌落及碰撞处理方法，机器人车身安装测距传感器、接近传感器和接触式传感器。前方的接近传感器斜向下探测其是否有遮挡及判断机器人行走的前方是否为空，防止机器人从踏步两端跌落；机器人在踏步上转身时，接近传感器用于判断下方是否为空，防止机器人万向轮后轮从当前台阶踏步上踏空，防止机器人跌落；测距传感器保证机器人的一侧与上一级台阶的踢面保持基本平行，相距在安全距离X附近；接触式传感器通过接触板探测机器人前方是否触碰到障碍物，用于判断机器人行走的前方是否碰到墙壁或防护栏，并做出正确处理。本发明可有效解决楼梯清洁机器人跌落及碰撞问题，方法可靠通用性高。

Description

楼梯清洁机器人在踏步上移动时的防跌落及碰撞处理方法

技术领域

本发明涉及一种楼梯清洁机器人在楼梯踏步上移动时的防跌落及碰撞处理方法。属于机器人与智能控制领域。

背景技术

当今世界人口激增，为了有效利用有限的地面空间，人们越来越往高处发展，各种高楼大厦、阶梯教室、会议厅、体育场看台等包括楼梯的建筑越来越常见，楼道清洁的工作明显增加，这方面的市场需求应运而生。另一方面，已走进人们日常生活的清洁机器人绝大多数是室内平地清洁机器人，因此有必要研究开发楼梯清洁机器人。为了清扫楼梯，要求机器人能在楼梯踏步上左右来回移动，由于楼梯踏步较窄，机器人在楼梯踏步上移动时需要防止从踏步上跌落，也需要防止与上一级台阶的踢面磕碰，或者与两端的栏杆、墙壁碰到时进行有效处理，如转身或后退等，目前相关研究的知识产权尚未成形，本发明有望填补此类空白，解决楼梯清洁机器人在踏步上行走时的基本问题，这对于楼梯清洁机器人推向实用化有着重要意义与价值。

日本的TakahisaKakudou等学者推出了一种两侧带有“L”型腿的箱式楼梯清洁机器人，该机器人主要用于室内楼梯和地面，采用自上而下清扫方式，提高清洁效率。机器人平移运动的前端的两侧布置相位灵敏探测器PSD(PositionSensitiveDetector)，方向朝下，通过PSD来区分探测高度和楼梯高度，以此来识别楼梯。机器人的顶部和底部分别有四个球脚轮和两个驱动轮，当机器人需要下楼时，“L”型腿弯曲收回，保证不接触地面，机器人在该级楼梯踏步上完成清扫工作。但其并未给出在楼梯踏步上来回移动进行清扫时的常见问题(如何防止跌落，与墙壁、防护栏或障碍物的碰撞处理，如何在楼梯踏步上转弯等等)的解决方法。另外该机器人在翻转过程中由于惯性原因，机器人有掉落楼梯的风险。

还有一种当前较流行的八轮脚结构楼道清洁机器人，其上下楼平稳，可适应不同高度的楼梯，但由于体积较庞大，不方便在楼梯踏步上来回移动，造成该机器人只能完成限定条件下的爬楼与小范围清扫动作，与实际清洁要求差距较大，未有该机器人实际投入使用的报道。因此，前述在楼梯踏步上移动时的常见问题未能得以解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可有效解决楼梯清洁机器人在踏步上移动时的跌落及碰撞问题的方法。

本发明的技术解决方案是：

一种楼梯清洁机器人在踏步上移动时的防跌落及碰撞处理方法，其特征是：所述机器人包括：两个车身下方的驱动轮，驱动机器人前进、后退和转弯；机器人车身下方前后端分别有一个万向轮前轮和万向轮后轮，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯；有用于控制机器人的单片机，机器人车身两侧分别安装第一、第二测距传感器及第三、第四测距传感器，用于检测机器人在踏步上行走时，车身一侧与上一级台阶踢面之间的距离，使其在一个安全范围内，保证机器人不跌落不碰撞；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器和前端安装第一、第二接触式传感器，机器人车身后端下方安装向下探测的第二、第三接近传感器；

第一接近传感器在一定范围内，探测其正前方是否有遮挡；对于楼梯踏步两端无防护栏或墙壁的，第一接近传感器用于判断机器人行走的前方是否为空，防止机器人从踏步两端跌落；当机器人在踏步上转身，以及准备下楼时，第二、第三接近传感器用于判断下方是否为空，防止机器人万向轮后轮从当前台阶踏步上踏空，防止机器人跌落；第一、第二接触式传感器通过接触板探测机器人前方是否触碰到障碍物，对于楼梯两端有防护栏或墙壁的，用于判断机器人行走的前方是否碰到墙壁或防护栏。

楼梯踏步宽度为L，机器人长为a，宽为b，机器人一侧与上一台阶的踢面的距离为X，c-b/2<X<L-b，其中机器人后轮与中心点的距离为d，且d+c<L；

对于踏步宽度L较窄的楼梯或制作的机器人宽度b较大，使得X不能满足c-b/2<X<L-b的情况，在机器人不转身时，X可小于c-b/2，使扫刷尽可能覆盖到当前台阶踏步面与上一级台阶踢面的交汇处，但在这种情况下，机器人转身存在前端碰到上一级台阶踢面的可能，当机器人转身时，若接触板触碰到上一级台阶踢面，则将机器人原地转身的控制切换为原方向的转向与后退相结合；利用机器人车身后方的第二、第三接近传感器，若第二、第三接近传感器均探测到下方无遮挡，说明机器人再转向与后退，后轮有踏空的危险，机器人立即停止后退，由于此刻机器人已从机器人机身对角线垂直台阶踢面的姿态逆时针转过一点角度，机器人稍向前方前进，直至第三接近传感器或第二接近传感器探测到有遮挡，或接触板触碰到上一级台阶踢面，再使机器人转身。

通过第一、第二测距传感器或第三、第四测距传感器实时测量机器人车身一侧与踢面踏步的距离；若前方测距传感器测得的距离小于后方测距传感器测得的距离，则控制机器人向外转向前行；若前方测距传感器测得的距离大于后测距传感器测得的距离，则控制机器人向内转向前行；

机器人清扫移动至楼梯台阶踏步的一端时，楼梯两端如有护栏或墙，由机器人前端的第一、第二接触传感器检测是否碰到踏步两端的护栏或者墙壁，控制机器人碰到护栏或者墙壁时转弯、掉头或后退；

对于两端无防护措施的楼梯，机器人清扫移动至楼梯台阶踏步的一端时，进行防跌落处理，利用第一接近传感器斜向下探测，斜向与水平方向的夹角θ范围是：30°<θ<60°；在机器人未接近踏步一端时，传感器探测方向上有遮挡，当传感器检测到其前方无遮挡，表示机器人已接近踏步一端的边缘，机器人行走的前方为空，机器人转身掉头、后退或准备爬楼，防止机器人从踏步两端跌落。

本发明可有效解决楼梯清洁机器人在踏步上移动时的跌落及碰撞问题，保证了机器人在楼梯踏步上移动时的可靠性，方法未限制机器人的具体结构与尺寸，适用于可在楼梯踏步上移动的楼梯清洁机器人，通用性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是机器人的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是机器人踏步行走清扫的俯视示意图。

图5是机器人踏步清扫时的左视示意图。

图6是以X<c-b/2的距离行进时，机器人原地转身前端可能碰到上一级台阶踢面的俯视示意图。

图7是机器人机身对角线垂直台阶踢面的姿态俯视示意图。

图8是通过机器人后方的接近传感器判断后轮是否有踏空的危险的示意图。

图9机器人在踏步上行进时，侧面前方后方与上一级台阶踢面的距离通常不相等的示意

图10机器人未接近踏步一端边缘的主视示意图。

图11是机器人接近踏步一端边缘的三维示意图。

具体实施方式

一种楼梯清洁机器人在踏步上移动时的防跌落及碰撞处理方法，所述机器人1包括：两个车身下方的驱动轮11、12，驱动机器人前进、后退和转弯；机器人车身下方前后端各有一个万向轮前轮13、万向轮后轮14，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯；车身下方还装有主动轮16、17；有用于控制机器人的单片机，机器人车身两侧分别安装第一、第二测距传感器2、3及第三、第四测距传感器4、5，用于检测机器人在踏步上行走时，车身一侧与上一级台阶踢面之间的距离，使其在一个安全范围内，保证机器人不跌落不碰撞；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器6和前端安装第一、第二接触式传感器7、8，机器人车身后端下方安装向下探测的第二、第三接近传感器9、10；图中还有清扫装置15。

第一接近传感器在一定范围内，探测其正前方是否有遮挡；对于楼梯踏步两端无防护栏或墙壁的，第一接近传感器用于判断机器人行走的前方是否为空，防止机器人从踏步两端跌落；当机器人在踏步上转身，以及准备下楼时，第二、第三接近传感器用于判断下方是否为空，防止机器人万向轮后轮从当前台阶踏步上踏空，防止机器人跌落；第一、第二接触式传感器通过接触板探测机器人前方是否触碰到障碍物，对于楼梯两端有防护栏或墙壁的，用于判断机器人行走的前方是否碰到墙壁或防护栏，并做出正确处理。

机器人在踏步上清扫时，需要保证机器人避免从当前台阶踏步上跌落，也不能碰撞到上一级台阶的踢面，因此要求机器人一侧与上一级台阶的踢面有一个安全的距离X，在图4中，实验楼梯踏步宽度为L，机器人长为a，宽为b，机器人一侧与上一台阶的踢面的距离为X。测距传感器用于实时测量机器人车身侧面与上一级台阶的踢面的距离X。X>L-b时，右轮有从当前楼梯踏步边缘掉落的可能，所以机器人在踏步上行走时，X要小于L-b。为避免机器人与踏步踢面相碰，并不是简单的X>0，而是考虑机器人在踏步上来回行走时，使机器人能在踏步上安全转身。在图4中，X<c-b/2时，机器人以两轮中心作为旋转点原地转弯，机器人左侧会碰撞到上一级台阶的踢面，为保证机器人能安全转身不碰撞上一台阶的踢面，X应大于c-b/2，其中因此c-b/2<X<L-b。具体实施时，根据国家标准楼梯，舒适的踏步宽度L在280mm到300mm之间，设计的机器人a＝280mm，b＝206mm，c＝174mm，因此，机器人在楼梯上安全行走和转弯的安全距离取71<x<74mm(取L＝280mm)。

实际为防止机器人靠近当前台阶踏步边缘而存在更多跌落的风险，应使X的值尽量靠近c-b/2，这样也可在机器人清扫楼梯时，使扫刷覆盖到当前台阶踏步面与上一级台阶踢面的交汇处，如图5。

对于踏步宽度L较窄(如低于国家标准的280mm)的楼梯或制作的机器人宽度b较大时，会使L-b<c-b/2，从而X无法满足c-b/2<X<L-b。从图4可知，在机器人不转身时，X可以小于c-b/2，这样处理的另一优点是可以使扫刷尽可能覆盖到当前台阶踏步面与上一级台阶踢面的交汇处，如图5。但在这种情况下，机器人转身存在前端碰到上一级台阶踢面的可能，如图6。若接触板触碰到上一级台阶踢面，则将机器人原地转身的控制切换为原方向的转向与后退相结合(图中为逆时针转向与后退，若前轮在图示的左侧，也可顺时针转向与后退)。

机器人在踏步上原地转身或原方向转向与后退相结合时，必须至少能越过如图7的姿态，即机器人机身对角线垂直台阶踢面的姿态。在这种姿态下，机器人若不再后退，仅执行原地转身，万向轮后轮也有从踏步边缘掉落的可能。因此设计的机器人后轮与中心点的距离为d，应满足d+c<L，如图7。但设计的d必须预先确定，不便根据实际的楼梯踏步宽L再动态调整，因此这里选取舒适楼梯踏步宽度最小值，即L＝280mm，根据本发明机器人的尺寸，加上一定裕度，设计的d＝90mm，满足d+c<L。

实际运行时，机器人图7所示的姿态不易为传感器获得，机器人在越过该姿态后，会继续转向并结合后退，因此将出现图8的状况(对于楼梯踏步宽度小于280mm标准值的楼梯更可能出现)。此时利用机器人车身后方的第二、第三接近传感器，若第二、第三接近传感器均探测到下方无遮挡，说明机器人再转向与后退，后轮有踏空的危险，机器人立即停止后退，如图8。由于此刻机器人已从图7的姿态逆时针转过一点角度，机器人可稍向前方前进，直至第三接近传感器或第二接近传感器(若起初是前轮在图示的左边，以顺时针转身，则呈现为与图6、图7、图8相对称的姿态，需使用第二接近传感器)探测到有遮挡，或接触板触碰到上一级台阶踢面，再使机器人转身。对于踏步宽度不过窄，即大于260mm(国家标淮规定楼梯踏步宽度至少是260mm)的楼梯，本发明相关的机器人可以保证成功转身；对于楼梯踏步宽度过窄的楼梯，如L<260mm，本发明相关的机器人不一定能成功，因此本发明不考虑应对此类踏步宽度过窄的楼梯。

实际由于机器人在楼梯踏步面上行进时并不能总是平行于上一级台阶踢面，易产生前方侧面与上一级台阶踢面的距离和后方侧面与上一级台阶踢面的距离不等的情形，如图9。本发明在机器人两侧各安装前后两个测距传感器，通过第一、第二测距传感器或第三、第四测距传感器实时测量机器人车身一侧与踢面踏步的距离；若前方测距传感器测得的距离小于后方测距传感器测得的距离，则控制机器人稍向外(即远离上一级台阶踢面的方向)转向前行，如图9；若前方测距传感器测得的距离大于后测距传感器测得的距离，则控制机器人稍向内(即靠近上一级台阶踢面的方向)转向前行(此情与图9所示相对称)。以上实现机器人在踏步上移动过程中一侧与上一级台阶的踢面保持基本平行，相距在安全距离X附近。

机器人清扫移动至楼梯台阶踏步的一端时，楼梯两端如有护栏或墙，需要检测是否碰到踏步两端的护栏或者墙壁，机器人前端的第一、第二接触传感器，使机器人碰到护栏或者墙壁时转弯、掉头或后退；接触式传感器采用左右各一个，其上安装碰撞板，不仅可以在踏步上检测是否碰墙壁，也可用于检测是否碰到上一级台阶的踢面，以及楼梯中的障碍物。如果碰到，机器人进行转弯、掉头或后退处理，以防损坏机器人。

对于两端无防护措施的楼梯，机器人清扫移动至楼梯台阶踏步的一端时，需要防跌落，利用第一接近传感器斜向下探测，斜向与水平方向的夹角θ范围是：30°<θ<60°。在机器人未接近踏步一端时，传感器探测方向上有遮挡，如图10。当传感器检测到其前方无遮挡，表示机器人已接近踏步一端的边缘，如图11，机器人行走的前方为空，机器人转身掉头、后退或准备爬楼，防止机器人从踏步两端跌落。

Claims (1)

1.一种楼梯清洁机器人在踏步上移动时的防跌落及碰撞处理方法，其特征是：所述机器人包括：两个车身下方的驱动轮，驱动机器人前进、后退和转弯；机器人车身下方前后端分别有一个万向轮前轮和万向轮后轮，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯；有用于控制机器人的单片机，机器人车身两侧分别安装第一、第二测距传感器及第三、第四测距传感器，用于检测机器人在踏步上行走时，车身一侧与上一级台阶踢面之间的距离，使其在一个安全范围内，保证机器人不跌落不碰撞；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器和前端安装第一、第二接触式传感器，机器人车身后端下方安装向下探测的第二、第三接近传感器；

第一接近传感器在一定范围内，探测其正前方是否有遮挡；对于楼梯踏步两端无防护栏或墙壁的，第一接近传感器用于判断机器人行走的前方是否为空，防止机器人从踏步两端跌落；当机器人在踏步上转身，以及准备下楼时，第二、第三接近传感器用于判断下方是否为空，防止机器人万向轮后轮从当前台阶踏步上踏空，防止机器人跌落；第一、第二接触式传感器通过接触板探测机器人前方是否触碰到障碍物，对于楼梯两端有防护栏或墙壁的，用于判断机器人行走的前方是否碰到墙壁或防护栏；

楼梯踏步宽度为L，机器人长为a，宽为b，机器人一侧与上一台阶的踢面的距离为X，c-b/2<X<L-b，其中机器人后轮与中心点的距离为d，且d+c<L；

对于踏步宽度L较窄的楼梯或制作的机器人宽度b较大，使得X不能满足c-b/2<X<L-b的情况，在机器人不转身时，X可小于c-b/2，当机器人转身时，若接触板触碰到上一级台阶踢面，则将机器人原地转身的控制切换为原方向的转向与后退相结合；利用机器人车身后方的第二、第三接近传感器，若第二、第三接近传感器均探测到下方无遮挡，机器人立即停止后退，由于此刻机器人已从机器人机身对角线垂直台阶踢面的姿态逆时针或顺时针转过一点角度，机器人稍向前方前进，直至第三接近传感器或第二接近传感器探测到有遮挡，或接触板触碰到上一级台阶踢面，再使机器人转身。