CN103989443B - 楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡与规划方法，包括机器人从楼梯到中间平台的过渡、楼梯中间平台的遍历、机器人从中间平台向下一层楼梯的过渡、机器人遇到障碍的处理等方法。其中楼梯中间平台的遍历采取迂回和犁式路径规划相结合的方法。本发明具有规划有规律，简单易实现，可保证清扫覆盖率，便于机器人确定已遍历完中间平台，以及确认往下的楼梯等优点，是保证机器人能够完成楼梯连续性清扫的必不可少的手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人与智能控制领域，是清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡与规划方法。
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，楼梯与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。楼梯清洁机器人不只是针对楼梯的清扫，还应设计合适的路径规划算法以满足楼梯休息平台的清扫，并完成从楼梯到休息平台再到楼梯的过渡。其中，当机器人处于楼梯时，从楼梯向中间平台过渡，需要区别已到达中间平台或仍然是楼梯；到达中间平台后，中间平台的遍历是机器人楼梯中间平台清扫是否完整的重要标志；机器人遍历完中间平台，需要在结束点，判断前方是否是往下的楼梯，完成再向楼梯的过渡。目前此类研究的相关知识产权尚未有成形，本发明有望填补此类空白，因此该研究对于完整实现楼梯的清扫具有重大意义。
人们关于爬楼方法及其相关机构的研究已有较长的历史，先后提出了各种各样的爬楼方法，主要包括：轮式、履带式、腿式、翻滚式。其中履带式与翻滚式结构复杂，难以在楼梯上完成清扫任务，只是纯粹的爬楼，实用性有限。轮式爬楼机器人较多采用行星轮或其它复合轮式，结构庞大复杂，也很少兼顾楼梯清扫功能，实用性大打折扣。腿式爬楼机器人较多采用仿人行走式，机构复杂，成本高，显得大材小用，不利于向市场推广。因此，本发明针对体积相对较小且可在楼梯踏步上来回移动的楼梯清洁机器人，这类机器人可在休息平台上灵活转弯、掉头等，以便实现本发明提出的中间平台过渡与规划方法。
哈尔滨工程大学在2008年推出了一种基于阿基米德螺线三叶轮的楼梯清洁机器人试制机。该楼梯清洁机器人可实现连续爬楼，爬楼动作虽然平稳，但在平地上的转弯、掉头等反而不方便，因此未有该机器人在楼梯中间平台上的相关过渡与规划方法报道。
中国台湾刘超中采用一种当前较流行的八轮脚结构设计楼梯清洁机器人。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，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。因此也就没有该清洁机器人应对楼梯中间平台方面的报道。
中间平台虽然是一种平地，但不同于一般的平地。首先，一般的平地不存在与楼梯的过渡问题，所以自然也就没有与楼梯相关的判别问题；其次，一般的平地路径规划算法，虽然可实现遍历，但遍历结束点具有随机性，这不利于机器人寻找往下的楼梯，即便找到，整个遍历与寻找过程必然耗时，造成能量浪费较大，或者需要给机器人配备高端传感器，成本增大，不利于机器人的推广；再者，如果机器人在中途就发现往下的楼梯，那么是否立即下楼，还是以后再下楼，以后什么时候下楼，等等都是需要解决的问题。因此一般的平地路径规划算法不能直接用于楼梯中间平台的规划，需要为楼梯中间平台的过渡与遍历设计专门的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方便有效实现楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台的过渡；中间平台的遍历过渡；中间平台到下一层楼梯的过渡的方法，保证机器人能够完成一层楼梯清扫的连续性。
本发明的技术解决方案是：
一种楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡方法，其特征是：机器人车身下方设置有对称于机身左右中间线的两驱动轮；机器人车身下方前后端各有一个万向轮，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯，机器人车身前端下方有清洁装置；机器人车身两侧分别安装两个测距传感器：第一、第二测距传感器与第三、第四测距传感器，用于检测机器人车身两侧与楼梯踢面或墙壁的距离，为机器人在中间平台的行走与遍历提供道路信息依据；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器，机器人车身前端安装第一、第二接触式传感器，第一接近传感器用于检测前方是否为往下的楼梯，接触式传感器用于检测前方是否为墙壁或碰到其他障碍物，为机器人的正确处理提供依据；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，用于感测机器人后方是楼梯还是中间平台；机器人采用下楼方式清扫；
机器人从楼梯到中间平台的过渡：
机器人在当前台阶踏步清扫完转身90°，使得机器人前方正对上一级台阶的踢面，利用第二、第三接近传感器判断机器人后方是中间平台或还是楼梯：若机器人后退一定距离，第二、第三接近传感器都感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面仍然是楼梯踏步面，下方必然仍然是楼梯部分；若机器人后退的距离达d，d＝L/2，第二、第三接近传感器均未感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面已经是楼梯中间平台，机器人应转入中间平台规划控制状态；其中L为踏步的宽度；
机器人在楼梯中间平台的遍历过渡：
机器人到达中间平台后通过中间平台的遍历完成过渡，采用迂回和犁式路径规划相结合的方法实现中间平台的遍历；
所述迂回的路径规划方法为：
机器人从楼梯到达中间平台，有两种着落点，即第一位置、第二位置，第一位置为中间平台上靠近楼梯井并在向上楼梯一侧的部位，第二位置为中间平台上的向上楼梯一侧、靠墙壁的部位，利用机器人右侧的测距传感器向右侧感测与墙的距离，判断在第一位置还是第二位置；机器人在下到中间平台后已后退离开楼梯踢面一定距离，此刻使机器人前行，当接触板触碰到楼梯踢面，机器人恢复到第一位置或第二位置；如果在第一位置，机器人顺时针转身90°，向第二位置进发，是否转过90°，在机器人转身时，由机器人一侧的第一、第二测距传感器感测到楼梯踢面的距离相等保证，然后到达第二位置，机器人还需要顺时针转身90°，并靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证；如果机器人从楼梯下到中间平台是在第二位置，则直接使机器人转身180°，靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证；
然后机器人沿着楼梯踢面边缘和中间平台墙壁按迂回路径规划路线方式完成中间平台区域大小的确定和中间平台各边与角的清扫；机器人利用迂回路径规划清扫中间平台各边与墙角时，需要与中间平台各边保持一个较小的距离X，保证清扫覆盖率；机器人的扫刷半径为R，扫刷安装位置距离车身边缘为D；第一、第二测距传感器的感测距离X满足，X＜R‐D，保证机器人能完全覆盖车身到左边墙壁或楼梯踢面之间的地面，同时机器人依靠一侧的第一、第二传感器保证机器人在行进时，与楼梯踢面或墙壁前后保持相等的距离，使机器人平行于楼梯踢面或墙壁前行；
机器人在按迂回路径规划沿中间平台墙壁和楼梯踢面边缘路线的行进过程中，在各个角落处转弯时，机器人先后退距离d2，然后转弯，转弯半径增大为R，所述R数学关系至少满足：因此R值最低应满足：其中a为机器人长度；所述d2最小应满足：d2＝R-a/2；
所述犁式路径规划方法为：
机器人完成迂回路径规划后按照犁式路径规划方法进行中间平台的遍历；机器人一侧与墙壁的距离X2为一个车身宽度b，扫刷宽度宽于车身，机器人开始的姿态为前方面对右侧墙壁，首先进行顺时针转身，利用车身一侧的第一、第二测距传感器测得的距离相等，保证转身90°；接着往楼梯对面的墙壁方向前行一个车身宽至A点，而后顺时针转身90°往左侧墙壁方向前行，继续利用车身一侧的第一、第二测距传感器测得与楼梯对面的墙壁的距离相等，保证车身沿平行于楼梯对面的墙壁前行，此刻记录初始距离值Y；直到接近左侧墙壁至B点，机器人利用碰撞传感器碰到左侧墙壁后，通过车轮反转延时后退一定距离，使机器人一侧与墙壁的距离X2为一个车身宽度，机器人逆时针转身90°，利用车身另一侧的第三、第四测距传感器，类似办法保证转身90°，同时使机器人侧面距左侧墙壁为X2；而后机器人前行一个车身宽度至C点后机器人逆时针转身90°，接着机器人从C点沿平行于楼梯对面墙壁的直线方向向接近右侧墙壁的D点前行，此过程机器人车身一侧与楼梯对面墙壁的距离为Y‐b，其由车身另一侧的第三、第三测距传感器保证，机器人利用碰撞传感器碰到右侧墙壁后，通过车轮反转延时后退一定距离，机器人逆时针转身90°，与右侧墙壁的距离也为X2；然后重复前述过程，每来或回一次，使机器人车身一侧与楼梯对面墙壁的距离与前一次比减小一个车身宽b；
当机器人检测车身一侧与楼梯对面墙壁的距离大于车身宽度时，说明机器人未接近所述墙壁，机器人继续前行清扫；当检测车身一侧与楼梯对面墙壁的距离小于车身宽度时，说明机器人已接近楼梯对面墙壁，机器人沿平行于所述墙壁的路线前行后，犁式路径规划即将结束；
不同宽度的中间平台，犁式路径规划结束的终点位置不同，为楼梯对面墙壁与左侧墙壁的角落位置Z1及楼梯对面墙壁与右侧墙壁的角落位置Z2，但该两个位置并不能作为中间平台的最终结束位置，需要过渡到左侧墙壁与楼梯踏面的角落，即ZE点，才可以进行下楼动作；如果犁式路径规划的终点在Z1位置，说明在最后一次直线清扫过程中是通过机器人车身左侧的第一、第二测距传感器感测的，依此控制机器人顺时针90°后直行到达ZE位置处；如果犁式路径规划的终点在Z2位置，说明在最后一次直线清扫过程中是通过机器人车身右侧第三、第四测距传感器感测的，依此控制机器人顺时针转180°后直行到达Z1位置，然后再顺时针转90°到达ZE位置处；
机器人从中间平台向下一层楼梯的过渡
当机器人到达ZE点位置附近，继续前行，若车身前端上方的接近传感器1感测方向没有遮挡，表明机器人到达了中间平台与下一层楼梯的交汇边缘，前方为往下的楼梯，而后机器人利用测距传感器转身180度，并结合利用车身后方的第二、第三接近传感器，向下探测到都无遮挡，此时机器人正对着下一层楼梯边缘，机器人可执行下楼动作，下楼动作是以后退的形式进行，然后重复进行楼梯清扫工作；至此，机器人完成了从楼梯到中间平台再到楼梯的过渡；
机器人在清扫过程中，如遇到人或者其它活动障碍，则利用碰撞传感器感测，感测到碰撞，让机器人暂停，在不发生再次碰撞时，机器人继续前行。
当机器人按设定要求平行于楼梯踢面或墙壁前行时，并不能总是平行于楼梯踢面或墙壁，有时会产生前方侧面与楼梯踢面或墙壁的距离和后方侧面与楼梯踢面或墙壁的距离不等的情形，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楼梯踢面或墙壁的距离；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，即远离楼梯踢面或墙壁的方向，转向前行；若前方测距传感器测得的距离大于后方测距传感器测得的距离，则控制机器人向内，即靠近楼梯踢面或墙壁的方向，转向前行。
本发明能方便有效实现楼梯清洁机器人对实现从楼梯到中间平台的过渡；中间平台的遍历；中间平台到下一层楼梯的过渡，保证机器人能够完成单层楼梯的连续性清扫过程。
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是楼梯清洁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机器人在楼梯上清洁完，顺时针转身90°的正对楼梯踢面姿态图。
图5、图6是机器人后端下方的接近传感器判断当前是否已到中间平台的示意图。
图7是室内平行双跑楼梯标准中间平台示意图。
图8是测距传感器保证机器人一侧平行于楼梯踢面或墙壁的示意图。
图9是机器人靠楼梯踢面或墙壁应足够近，保证扫刷覆盖到它们之间的地面的示意图。
图10是机器人在行进时，侧面前方后方与楼梯踢面或墙壁的距离不相等及应对办法示意图。
图11、图12是机器人在角落处转弯遇到的困难与解决办法示意图。
图13是机器人后退结合S形转向，使侧面与楼梯踢面的距离X增大的示意图。
图14是犁式路径规划示意图。
图15是犁式路径规划结束点与中间平台最终结束点E示意图。
图16是机器人在中间平台终点处判断前方是否为往下的楼梯的示意图。
图17是机器人利用后端左右两侧的接近传感器使机器人正对楼梯边缘的俯视示意图。
具体实施方式
一种楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡方法，机器人车身1下方设置有对称于机身左右中间线的两驱动轮2、3；机器人车身下方前后端各有一个万向轮4、5，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯，机器人车身前端下方有清洁装置6；机器人车身两侧分别安装两个测距传感器：第一、第二测距传感器7、8与第三、第四测距传感器9、10，用于检测机器人车身两侧与楼梯踢面或墙壁的距离，为机器人在中间平台的行走与遍历提供道路信息依据；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器11，机器人车身前端安装第一、第二接触式传感器12、13，第一接近传感器用于检测前方是否为往下的楼梯，接触式传感器用于检测前方是否为墙壁或碰到其他障碍物，为机器人的正确处理提供依据；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14、15，用于感测机器人后方是楼梯还是中间平台；
机器人从楼梯到中间平台的过渡
为使机器人顺利从楼梯过渡到中间平台，机器人在当前台阶踏步从图4所示的右边行进至左边清扫完(也有可能是从左至右清扫完，那便是逆时针转身)，顺时针转身90°，使得机器人前方正对上一级台阶的踢面，如图4，需要判断机器人后方是中间平台或还是楼梯(机器人是以后退的方式下楼的)。设计了接近第二、第三传感器14、15判别，若机器人后退一定距离，第二、第三传感器14、15都感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面仍然是楼梯踏步面，下方必然仍然是楼梯部分，如图5；若机器人后退的距离达d(d＝L/2)，如图6，第二、第三传感器14、15均未感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面已经是楼梯中间平台，机器人应转入中间平台规划控制状态。其中L为踏步的宽度。
具体实施时，根据国家标准，楼梯的舒适踏步宽度L在280mm到300mm之间，因此，d＝140mm至150mm，为了一定裕度，取d＝150mm。由于没有传感器往前感测距离，依靠车轮的后退延时实现，该值不必很精确，即可保证感测的可靠性。实际的情况，虽然存在超出国家标准的宽踏步楼梯，但这类楼梯一般属于室外楼梯，这类楼梯一般没有象室内楼梯的标准规则的中间平台，有的室外楼梯或台阶虽然可能有中间平台，但形状差异很大，且不规则，本发明不考虑应对。所以本发明适用于在国家标准范围内，或者比国家标准的舒适踏步宽度宽一点(最多宽出L/2)的室内楼梯，这类楼梯有着比较规则且标准的中间平台，如图7。
楼梯中间平台的遍历
机器人到达中间平台后通过中间平台的遍历完成过渡。采用迂回和犁式路径规划相结合的方法实现中间平台的遍历。其中迂回的路径规划方法可使机器人首先清扫中间平台的各边与角落，确定中间平台的区域，使机器人在限定的范围内移动；犁式路径规划方法可使机器人以最短路线覆盖中间平台，保证遍历整个中间平台，同时也方便机器人寻找往下的楼梯，所以综合两种方法来完成中间平台的遍历。
机器人从楼梯到达中间平台，有两种着落点，即第一位置、第二位置，第一位置为靠近楼梯井16(两梯段之间的空隙)并在向上楼梯一侧的部位(图7中的位置P1)，第二位置为中间平台上的向上楼梯一侧、靠墙壁部位(图7中的位置P2)。因此需要首先确定是在第一位置P1还是第二位置P2，可利用右侧的测距传感器向右侧感测与墙的距离(如图7到右侧墙壁的水平虚线)，若距离较大，判断在位置P1；若距离很小，判断在位置P2。具体实施时，两者距离差别很大，不必是精确的阈值，即可保证区别的可靠性。机器人在下到中间平台后已后退离开楼梯踢面一定距离d，如图6。此刻使机器人前行，当接触板触碰到楼梯踢面，机器人恢复到位置P1或位置P2。如果在位置P1，机器人顺时针转身90°，向位置P2进发。是否转过90°，可在机器人转身时，由机器人一侧的两个第一、第二测距传感器感测到楼梯踢面的距离相等保证，图8中，机器人由虚线位置转90°至实线所示位置；然后到达位置P2，机器人还需要顺时针转身90°，靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证，如图8。如果机器人从楼梯下到中间平台是在位置P2，则直接使机器人转身180°，同样靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证。
当机器人处于位置P2并处于图8所示的姿态时，便按如图7所示的P2‐P3‐P4‐P5‐P2的迂回路径规划路线方式完成中间平台区域大小的确定和中间平台各边与角的清扫。机器人利用迂回路径规划清扫中间平台各边与墙角时，需要与中间平台各边保持一个较小的距离X，保证清扫覆盖率。机器人靠墙壁或楼梯踢面行走如图9所示，图中扫刷半径为R，安装位置距离车身边缘为D。机器人从图7中的位置P1清扫到位置P2，按照图9中行走的方向，第一、第二测距传感器的感测距离设计为X，X＜R‐D，可保证机器人能完全覆盖车身到左边墙壁或楼梯踢面之间的地面。同时机器人依靠一侧的第一、第二测距传感器保证机器人在行进时，与楼梯踢面或墙壁前后保持相等的距离，使机器人平行于楼梯踢面或墙壁前行。
实际实施时，机器人在行进时并不能总是平行于楼梯踢面或墙壁，有时会产生前方侧面与楼梯踢面或墙壁的距离和后方侧面与楼梯踢面或墙壁的距离不等的情形，如图10。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、第三测距传感器实时测量机器人车身一侧与楼梯踢面或墙壁的距离；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(即远离楼梯踢面或墙壁的方向)转向前行，如图10；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(即靠近楼梯踢面或墙壁的方向)转向前行(此情与图10所示相对称)。以上实现机器人在行进时一侧与楼梯踢面或墙壁趋向平行，相距在设定的距离X附近。
机器人在沿P2‐P3‐P4‐P5‐P2路线的行进过程中，为使机器人尽量将中间平台的边与角落清扫干净，机器人靠边的距离比较小，使得机器人在各个角落处转弯时，易发生车身碰到墙壁的情况，造成转身的困难，如图11。此刻如果进行原地转身，左右驱动轮等速，转向相反，使得机器人转身的旋转中心O点就在自身的中心，转弯半径太小，后端易碰到楼梯踢面。解决的办法：增大转身旋转半径，O点在如图12位置，数学关系至少满足：因此R值最低应满足：关于该转弯半径R的实现，左右轮均向前转动(即不再是一个向前，一个向后的两个反方向转动)，但有一定差速，结合速度瞬心法确定差速大小。为了使在该旋转半径下，机器人车身前端不碰墙壁，机器人需要从图11的位置往后退，后退距离d2最小应满足：d2＝R-a/2，如图12。具体实施时，X取的比较小仅30mm，而设计的机器人尺寸长度a为280mm，由此得：R＝342mm,d2＝200mm。实际实施时，机器人后退采取边后退边进行S形转向的方式，如图13，使机器人一侧与楼梯踢面的距离X增大，可减小机器人转身后端碰到楼梯踢面的可能，也可使后退距离d2缩小，有利于机器人在拐角处的转弯。对于机器人在墙与墙之间拐角处的转弯也是类似实现。
待机器人完成迂回路径规划后回到位置P2，按照图14所示的犁式路径规划方法完成中间平台的遍历。该方法的机器人一侧与墙壁的距离X2为一个车身宽度，具体设计的机器人车宽b＝220mm。由于扫刷宽度宽于车身，因此该X2值可以保证机器人本次行走区域与之前迂回路径规划方法行走的附近区域有一定重叠，从而保证清扫覆盖率。在位置P2时，机器人开始的姿态为前方面对右侧墙壁，首先进行顺时针转身，利用车身一侧的两个测距传感器测得的距离相等，保证转身90°；接着往楼梯对面的墙壁方向前行一个车身宽至A点，而后顺时针转身90°往左侧墙壁方向前行，继续利用车身一侧的第一、第二测距传感器测得与楼梯对面的墙壁的距离相等，保证车身沿平行于楼梯对面的墙壁前行，此刻记录初始距离值Y；直到接近左侧墙壁至图中的B点，机器人利用碰撞传感器碰到左侧墙壁后，后退一定距离(采用车轮反转延时实现)，机器人逆时针转身90°，利用车身另一侧第三、第四测距传感器，类似办法保证转身90°，同时使机器人侧面距左侧墙壁为X2。而后机器人前行至C点，前行距离为一个车身宽度后机器人逆时针转身90°，接着机器人从C点沿平行于楼梯对面墙壁的直线方向向D点前行，此过程机器人车身一侧与楼梯对面墙壁的距离为Y‐b，其由车身另一侧第三、第四测距传感器保证。机器人利用碰撞传感器的类似办法行走至D点，机器人转身，与右侧墙壁的距离也为X2，然后重复前述类似过程。每来或回一次，使机器人车身一侧与楼梯对面墙壁的距离与前一次比减小一个车身宽b。
当机器人检测车身一侧与楼梯对面墙壁的距离大于车身宽度时，说明机器人未接近所述墙壁，机器人继续前行清扫；当检测车身一侧与楼梯对面墙壁的距离小于车身宽度时，说明机器人已接近楼梯对面墙壁，机器人沿平行于所述墙壁的路线前行后，犁式路径规划即将结束。不同宽度的中间平台，犁式路径规划结束的终点位置不同，有如图15所示的Z1和Z2两个位置。但该两个位置并不能作为中间平台的最终结束位置，需要过渡到如图15的ZE点，才可以进行下楼动作。如果犁式路径规划的终点在Z1位置，说明在最后一次直线清扫过程中是通过机器人车身左侧的第一、第二测距传感器感测的，依此控制机器人顺时针90°后直行到达ZE位置处。如果犁式路径规划的终点在Z2位置，说明在最后一次直线清扫过程中是通过机器人车身右侧第三、第四测距传感器感测的，依此控制机器人顺时针转180°后直行到达Z1位置，然后再顺时针转90°到达ZE位置处。
机器人从中间平台向下一层楼梯的过渡
当机器人到达ZE点位置附近，继续前行，若车身前端上方的第一接近传感器感测方向没有遮挡，表明机器人到达了中间平台与下一层楼梯的交汇边缘，前方为往下的楼梯，如图16。而后机器人转身180度(角度确定的道理类似前面转身90°利用测距传感器)，并结合利用车身后方的第二、第三接近传感器，向下探测到都无遮挡，如图17。此时机器人正对着下一层楼梯边缘，机器人可执行下楼动作(下楼动作是以后退的形式进行)，然后重复进行楼梯清扫工作。至此，机器人完成了从楼梯到中间平台再到楼梯的过渡，按照此方法可实现一层楼梯的连续清扫。
机器人遇到活动障碍的处理
机器人在清扫过程中，如遇到人或者其它活动障碍，可利用碰撞传感器感测，感测到碰撞，让机器人暂停，在不发生再次碰撞时，机器人继续前行。
由于楼梯的多样性与复杂性，本发明只考虑应用在最常见的室内平行双跑楼梯场合；本发明不包括应对拥有门的楼层休息平台，主要应对不包括门的处于本层与上一层或本层与下一层之间的中间休息平台(简称“中间平台”)，中间平台不应有静止放置的障碍物，形状比较规则如图7。
本发明方法以楼梯为右旋(若人自下往上上楼，每到休息平台总是左转弯再往上，下楼总是右转弯)设计为例，如楼梯为左旋(若人自下往上上楼，每到休息平台总是右转弯再往上，下楼总是左转弯)方式，则判断的传感器，使用的路径等采用与本申请左右对称方式处理。
本发明具有规划有规律，简单易实现，便于机器人确定已遍历完中间平台，以及确认往下的楼梯等优点。
Claims (1)
1.一种楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡方法，其特征是：机器人车身下方设置有对称于机身左右中间线的两驱动轮；机器人车身下方前后端各有一个万向轮，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯，机器人车身前端下方有清洁装置；机器人车身两侧分别安装两个测距传感器：第一、第二测距传感器与第三、第四测距传感器，用于检测机器人车身两侧与楼梯踢面或墙壁的距离，为机器人在中间平台的行走与遍历提供道路信息依据；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器，机器人车身前端安装第一、第二接触式传感器，第一接近传感器用于检测前方是否为往下的楼梯，接触式传感器用于检测前方是否为墙壁或碰到其他障碍物，为机器人的正确处理提供依据；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，用于感测机器人后方是楼梯还是中间平台；机器人采用下楼方式清扫；
机器人从楼梯到中间平台的过渡：
机器人在当前台阶踏步清扫完转身90°，使得机器人前方正对上一级台阶的踢面，利用第二、第三接近传感器判断机器人后方是中间平台或还是楼梯：若机器人后退一定距离，第二、第三接近传感器都感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面仍然是楼梯踏步面，下方必然仍然是楼梯部分；若机器人后退的距离达d，d＝L/2，第二、第三接近传感器均未感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面已经是楼梯中间平台，机器人应转入中间平台规划控制状态；其中L为踏步的宽度；
机器人在楼梯中间平台的遍历过渡：
机器人到达中间平台后通过中间平台的遍历完成过渡，采用迂回和犁式路径规划相结合的方法实现中间平台的遍历；
所述迂回的路径规划方法为：
机器人从楼梯到达中间平台，有两种着落点，即第一位置、第二位置，第一位置为中间平台上靠近楼梯井并在向上楼梯一侧的部位，第二位置为中间平台上的向上楼梯一侧、靠墙壁的部位，利用机器人右侧的测距传感器向右侧感测与墙的距离，判断在第一位置还是第二位置；机器人在下到中间平台后已后退离开楼梯踢面一定距离，此刻使机器人前行，当接触板触碰到楼梯踢面，机器人恢复到第一位置或第二位置；如果在第一位置，机器人顺时针转身90°，向第二位置进发，在机器人转身时，由机器人一侧的第一、第二测距传感器感测到楼梯踢面的距离相等，保证其是否转过90°，然后到达第二位置，机器人还需要顺时针转身90°，并靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证；如果机器人从楼梯下到中间平台是在第二位置，则直接使机器人转身180°，靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证；
然后机器人沿着楼梯踢面边缘和中间平台墙壁按迂回路径规划路线方式完成中间平台区域大小的确定和中间平台各边与角的清扫；机器人利用迂回路径规划清扫中间平台各边与墙角时，需要与中间平台各边保持一个较小的距离X，保证清扫覆盖率；机器人的扫刷半径为R，扫刷安装位置距离车身边缘为D；第一、第二测距传感器的感测距离X满足，X＜R‐D，保证机器人能完全覆盖车身到左边墙壁或楼梯踢面之间的地面，同时机器人依靠一侧的第一、第二传感器保证机器人在行进时，与楼梯踢面或墙壁前后保持相等的距离，使机器人平行于楼梯踢面或墙壁前行；
机器人在按迂回路径规划沿中间平台墙壁和楼梯踢面边缘路线的行进过程中，在各个角落处转弯时，机器人先后退距离d2，然后转弯，转弯半径增大为R，所述R数学关系至少满足：因此R值最低应满足：其中a为机器人长度；所述d2最小应满足：d2＝R-a/2；
所述犁式路径规划方法为：
机器人完成迂回路径规划后按照犁式路径规划方法进行中间平台的遍历；机器人一侧与墙壁的距离X2为一个车身宽度b，扫刷宽度宽于车身，机器人开始的姿态为前方面对右侧墙壁，首先进行顺时针转身，利用车身一侧的第一、第二测距传感器测得的距离相等，保证转身90°；接着往楼梯对面的墙壁方向前行一个车身宽至A点，而后顺时针转身90°往左侧墙壁方向前行，继续利用车身一侧的第一、第二测距传感器测得与楼梯对面的墙壁的距离相等，保证车身沿平行于楼梯对面的墙壁前行，此刻记录初始距离值Y；直到接近左侧墙壁至B点，机器人利用碰撞传感器碰到左侧墙壁后，通过车轮反转延时后退一定距离，使机器人一侧与墙壁的距离X2为一个车身宽度，机器人逆时针转身90°，利用车身另一侧的第三、第四测距传感器测得的距离相等的办法保证转身90°，同时使机器人侧面距左侧墙壁为X2；而后机器人前行一个车身宽度至C点后机器人逆时针转身90°，接着机器人从C点沿平行于楼梯对面墙壁的直线方向向接近右侧墙壁的D点前行，此过程机器人车身一侧与楼梯对面墙壁的距离为Y‐b，其由车身另一侧的第三、第四测距传感器保证，机器人利用碰撞传感器碰到右侧墙壁后，通过车轮反转延时后退一定距离，机器人逆时针转身90°，与右侧墙壁的距离也为X2；然后重复前述过程，每来或回一次，使机器人车身一侧与楼梯对面墙壁的距离与前一次比减小一个车身宽b；
当机器人检测车身一侧与楼梯对面墙壁的距离大于车身宽度时，说明机器人未接近所述墙壁，机器人继续前行清扫；当检测车身一侧与楼梯对面墙壁的距离小于车身宽度时，说明机器人已接近楼梯对面墙壁，机器人沿平行于所述墙壁的路线前行后，犁式路径规划即将结束；
不同宽度的中间平台，犁式路径规划结束的终点位置不同，为楼梯对面墙壁与左侧墙壁的角落位置Z1及楼梯对面墙壁与右侧墙壁的角落位置Z2，但该两个位置并不能作为中间平台的最终结束位置，需要过渡到左侧墙壁与楼梯踏面的角落，即ZE点，才可以进行下楼动作；如果犁式路径规划的终点在Z1位置，说明在最后一次直线清扫过程中是通过机器人车身左侧的第一、第二测距传感器感测的，依此控制机器人顺时针90°后直行到达ZE位置处；如果犁式路径规划的终点在Z2位置，说明在最后一次直线清扫过程中是通过机器人车身右侧第三、第四测距传感器感测的，依此控制机器人顺时针转180°后直行到达Z1位置，然后再顺时针转90°到达ZE位置处；
机器人从中间平台向下一层楼梯的过渡
当机器人到达ZE点位置附近，继续前行，若车身前端上方的第一接近传感器感测方向没有遮挡，表明机器人到达了中间平台与下一层楼梯的交汇边缘，前方为往下的楼梯，而后机器人利用测距传感器转身180度，并结合利用车身后方的第二、第三接近传感器，向下探测到都无遮挡，此时机器人正对着下一层楼梯边缘，机器人可执行下楼动作，下楼动作是以后退的形式进行，然后重复进行楼梯清扫工作；至此，机器人完成了从楼梯到中间平台再到楼梯的过渡。
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