CN106200671A - 一种全方位清洁机器人装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全方位清洁机器人装置及其控制方法，涉及智能家用电器技术领域。本发明提出的全方位清洁机器人装置包括机器人本体；机器人本体的底部安装有行走装置、吸附装置及清洁装置；其中行走装置用于驱动机器人本体在待清洁区域移动；吸附装置用于将机器人本体吸附在待清洁区域的表面；清洁装置用于对待清洁区域进行清洁；机器人本体安装有环境信息采集装置及飞行装置；环境信息采集装置用于采集机器人本体周围环境信息；飞行装置用于驱动机器人本体飞行；机器人本体上还安装有人机交互装置；还包括中央处理单元，所述中央处理单元安装于机器人本体内部，中央处理单元与前述各装置均具有信号连接。
Description
技术领域
本发明涉及智能家用电器技术领域。
背景技术
随着社会的发展及人们生活水平的提高，清洁垃圾成为人们生活中必须面对的一个问题。对于大多数人来说，清洁垃圾是一个工作量大、辛苦且毫无利益的工作，因此大都不愿去做。由此，研发人员研究出了智能扫地机器人，扫地机器人以其操作简单，方便且实用等优点，成为现如今清洁垃圾的重要工具。
然而，目前出现的扫地机器人都只能清洁水平地面的垃圾，对于垂直面、诸如天花板之类的倒立面等，扫地机器人则无法清洁。然而，采用人工清洁的方式，不但会消耗清洁者大量的体力，而且可能会造成清洁得不彻底。另外，像外墙面等采用人工方式不容易清洁的地方，只能雇佣专业清洁工通过专业工具来清理，由此会产生额外的清洁费用。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供不仅能够清洁地面还能清洁天花板等区域的机器人装置及其控制方法。
本发明提出的全方位清洁机器人装置包括机器人本体；
机器人本体的底部安装有行走装置、吸附装置及清洁装置；
其中行走装置用于驱动机器人本体在待清洁区域移动；
吸附装置用于将机器人本体吸附在待清洁区域的表面；
清洁装置用于对待清洁区域进行清洁；
机器人本体安装有环境信息采集装置及飞行装置；
环境信息采集装置用于采集机器人本体周围的环境信息；
飞行装置用于驱动机器人本体飞行；
机器人本体上还安装有人机交互装置；
还包括中央处理单元，所述中央处理单元安装于机器人本体内部，中央处理单元与人机交互装置、行走装置、吸附装置、清洁装置、环境信息采集装置及飞行装置均具有信号连接。
进一步，环境信息采集装置包括距离传感器及激光雷达传感器；距离传感器用于检测机器人本体与待清洁区域表面的距离；激光雷达传感器用于采集机器人本体周围物体与机器人本体的距离。
进一步，所述行走装置包括万向轮和两个前驱动力轮，其中万向轮安装在机器人本体底部前端的中间位置，两个前驱动力轮安装于万向轮的后方，且分居在机器人本体底部的两侧位置，两个前驱动力轮关于万向轮对称。
进一步，所述飞行装置包括可收缩连杆、飞行旋翼、 360°旋转关节及旋翼槽；所述旋翼槽设置于机器人本体的侧面，所述飞行旋翼通过360°旋转关节与可收缩连杆的一端连接，可收缩连杆的另一端固定于旋翼槽中。
进一步，所述吸附装置包括4个非接触式附着垫，4个非接触式附着垫分布于机器人本体底部的四角上。
进一步，所述距离传感器数量为2，2个距离传感器分布于机器人本体底部前端中点及后端中点；激光雷达传感器的数量为1，安装于机器人本体的正前端。
本发明还提供了前述全方位清洁机器人装置的控制方法，包括：
步骤1：人机交互装置接收用户输入的包含待清洁区域的指令；中央处理单元从内部存储器中加载全局地图，并根据全局地图及激光雷达传感器返回的信息确定机器人本体的初始位置；
步骤2：中央处理单元根据机器人本体初始位置及待清洁区域的位置规划出飞行路径，并控制飞行装置将机器人本体带到待清洁区域中；
步骤3：中央处理单元根据待清洁区域的z坐标判断是否为地面：若不是，中央处理单元启动吸附装置，将机器人本体固定于待清洁区域的表面，同时关闭飞行装置；若是，中央处理单元不启动吸附装置，而是直接关闭飞行装置；
步骤4：中央处理单元启动清洁装置，并控制行走装置在待清洁区域移动，直到遍历整个待清洁区域；
步骤5：中央处理单元再次根据全局地图及激光雷达传感器返回的信息确定机器人本体的终点位置，规划机器人本体从所述终点到所述初始位置的飞行路径，若检测到吸附装置开启则先关闭吸附装置再控制飞行装置将机器人本体带回初始位置。
进一步，所述步骤3中，中央处理单元接收距离传感器返回的距离数据，当中央处理单元检测到待清洁区域不是地面时，且当距离数据小于设定值时启动吸附装置。
进一步，步骤2及步骤5中，中央处理单元监测激光雷达传感器返回的信息，当发现规划的路径中出现障碍物时，中央处理单元规划避障路径，并控制飞行装置按照避障路径飞行。
进一步，步骤4中，中央处理单元监测激光雷达传感器返回的信息，当发现清洁路径中出现障碍物时，中央处理单元规划避障路径，并控制行走装置按照避障路径移动。
综上，本发明技术方案能够实现天花板、墙面、家具的清理，填补了现有技术的缺陷。本发明能根据地图、初始位置及目标位置规划出飞行路径，然后机器人自动飞行到目标区域，自动化程度更高，无需人为移动机器人，更加节省人力，用户体验更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的全方位清洁机器人底部结构示意图。
图2为本发明全方位清洁机器人的模块分配图。
图3为本发明全方位清洁机器人的实现流程图。
图4为本发明应用实施例中机器人装置清理天花板的示意图。
图中标记：1为机器人底部方形平面；2为清洁装置；3为飞行装置；4为机器人本体；11为万向轮；12为距离传感器；13为非接触式附着垫；14前驱动力轮，15为激光雷达传感器；21为清洁工具；22为清水容器；23为垃圾回收容器；31为可收缩连杆；32为飞行旋翼；33为360°旋转关节；34为旋翼槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，很显然，下文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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
图1为本发明实施例的全方位清洁机器人本体底部结构示意图。本实施例中，机器人本体4为椭球体，机器人本体的底部为方形平面1。机器人本体底部装有万向轮11和两个前驱动力轮14作为机器人本体的行走装置，万向轮11安装在机器人本体底部1的最前端的中间位置，两个前驱动力轮14分居在机器人本体底部1的两侧位置，两个前驱动力轮14关于万向轮11对称。
在机器人本体底部1还安装有超音速伯努利机器人手爪13，作为吸附装置，超音速伯努利机器人手爪13均匀的安装在机器人底部1的四个角上。
同时，在机器人本体底部1的前、后端的中间位置分别设有一个距离传感器12，用于检测机器人本体与待清洁区域表面的距离，而位于机器人本体底部前端的距离传感器在万向轮11的后方。机器人本体4的正前端安装有激光雷达传感器15，激光雷达传感器用于探测机器人周围的物体。
机器人清洁装置2安装在机器人本体底部1。清洁装置2中的吸尘孔、滴水板、洗地刷等（图中未一一标出）清洁工具21安装在前端距离传感器的后方。清洁装置2还包括清水容器22和垃圾回收容器23，依次位于清洁工具21的后方。
机器人本体4的四周安装有飞行装置3，具体包括前后左右四个飞行装置，每个飞行装置包括可收缩连杆31，飞行旋翼32、 360°旋转关节33、旋翼槽34。旋翼槽34设置于机器人本体的侧面，可伸缩连杆31的一端固定于槽34内，另一端通过360°旋转开关33与飞行旋翼32连接。飞行装置工作时，中央处理单元控制收缩连杆31伸出，同时控制飞行旋翼32旋转，飞行时，飞行旋翼32通过旋转关节调整飞行旋翼方位，从而控制机器人的飞行方向。飞行装置不工作时，中央处理单元关闭飞行旋翼同时收缩连杆31缩回，将飞行旋翼32收纳到旋翼槽34中。
人机交互装置，本实施例中为显示器，安装于机器人本体4的顶端，人机交互装置主要用于接收用户输入的指令，以及显示机器人的工作状态或信息。
本实施例中的中央处理单元安装于在机器人本体4内部，中央处理单元包含存储器以及路径规划软件模块。存储器中存储有全局地图。
参见图3，本发明一个控制方法包括以下步骤：
步骤1：人机交互装置接收用户输入的包含待清洁区域的指令；中央处理单元从内部存储器中加载全局地图，并根据全局地图及激光雷达传感器返回的信息确定机器人本体的初始位置。全局地图是通过激光雷达传感器采集一定空间内周围物体的信息，然后由中央处理单元构造得到后存储在存储器中的。
步骤2：中央处理单元根据机器人本体初始位置及待清洁区域的位置规划出飞行路径，并控制飞行装置将机器人本体带到待清洁区域中。具体的，中央处理单元采用Astar算法在全局地图中规划出机器人本体从当初始位置到目标位置的最优路径。规划过程中不考虑地图上运动的障碍物，即采用静态路径规划算法，所谓静态路径规划算法是指外界环境不变，计算最短路径。常用的静态路径规划算法主要有Dijkstra算法和Astar算法两种。Astar算法是一种智能找最短路径算法, 与 Dijkstra算法相比，Astar算法访问的节点比较少，因此可以缩短搜索时间，因此本实施例采用Astar算法规划最优路径。
机器人本体在飞行或者清洁过程中，通过激光雷达传感器实时扫描周围的环境信息，并构建出局部地图。
当规划路线上出现了障碍物时，则中央处理单元规划出最优避障路径。即，采用VFF（虚拟力场移动避障）算法，在离开障碍物之后的原路径上找到合适的点，作为逃离点，在当前点与逃离点之间规划一段最优路径，最终使得机器人本体避开障碍物，然后再按照原路径运行。VFF算法是由密歇根大学的Borenstein和Koren提出的一种典型的应用于未知环境中的移动机器人实时避障算法，该算法简易、直观、实时性避障效果明显，因此本实施例采用VFF算法进行避障。反之，当机器人本体的运行线路上没有出现障碍物时，机器人本体则按原规划路径运行。
步骤3：中央处理单元根据待清洁区域的z坐标判断待清洁区域是否为地面，若不是则启动吸附装置，将机器人本体固定于待清洁区域的表面，同时关闭飞行装置，若是则无需启动吸附装置，而是直接关闭飞行装置即可。在一个优选实施例中，所述步骤3中，中央处理单元接收距离传感器返回的距离数据，当中央处理单元判断待清洁区域不是地面且当距离数据小于设定值时启动吸附装置，以便将机器人固定于天花板或墙体上。本发明中，使用三维坐标来描述全局地图中的点，地面所在平面为xoy面，垂直于地面朝上的方向为z轴，地面上的点z坐标为0，非地面上的点的z坐标不为0。
步骤4：中央处理单元启动清洁装置，并控制行走装置在待清洁区域移动，直到遍历整个待清洁区域。机器人本体在飞行或者清洁过程中，通过激光雷达传感器实时扫描周围的环境信息，当清洁路径上出现障碍物时，中央处理单元按照步骤2中的避障方式规划出避障路径，使机器人绕开障碍物。
步骤5：中央处理单元再次根据全局地图及激光雷达传感器返回的信息确定机器人本体的终点位置，规划机器人本体从所述终点到所述初始位置的飞行路径，当检测到吸附装置开启时则先关闭吸附装置再控制飞行装置将机器人本体带回初始位置。本步骤中的飞行路径规划及避障路径规划原理与步骤2一样，在此不再赘述。
图4为本发明一个实施例具体工作时过程的示意图，全方位清洁机器人的具体工作过程如下：
1）启动并初始化机器人4，消费者通过显示器向机器人发送清洁天花板的命令。
2）机器人4根据全局地图确定清洁起点即初始路径的终点（图中天花板左下角）。在当前点与目标点之间，规划出最优路径（图中初始路径）。
3）启动飞行装置3，具体表现为伸展收缩连杆31，展开飞行旋翼32。通过控制飞行旋翼32使机器人本体4按照已规划的路径平稳飞行，当接近清洁目标点时，开启四个非接触式附着垫13，使机器人本体4“固定”到天花板上，同时关闭飞行旋翼32。
4）开启清洁装置2，并按照吸尘、洗地、拖地的顺序清洁天花板。同时，开启行走装置1，使机器人本体4按照图中a->b->c->d->e的路线运动，最终达到待清洁区域的终点，从而完成清洁天花板工作。
5）确定出当前状态下机器人本体4在全局地图中的位置，并在当前点与初始位置间规划出最优路径，即图中返回路径。开启飞行旋翼32，同时关闭非接触式附着垫13，使机器人4按照返回路径平稳飞行到初始位置，从而完成整个清洁工作。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种全方位清洁机器人装置，其特征在于，包括机器人本体；
机器人本体的底部安装有行走装置、吸附装置及清洁装置；
其中行走装置用于驱动机器人本体在待清洁区域移动；
吸附装置用于将机器人本体吸附在待清洁区域的表面；
清洁装置用于对待清洁区域进行清洁；
机器人本体安装有环境信息采集装置及飞行装置；
环境信息采集装置用于采集机器人本体周围的环境信息；
飞行装置用于驱动机器人本体飞行；
机器人本体上还安装有人机交互装置；
还包括中央处理单元，所述中央处理单元安装于机器人本体内部，中央处理单元与人机交互装置、行走装置、吸附装置、清洁装置、环境信息采集装置及飞行装置均具有信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种全方位清洁机器人装置，其特征在于，环境信息采集装置包括距离传感器及激光雷达传感器；距离传感器用于检测机器人本体与待清洁区域表面的距离；激光雷达传感器用于采集机器人本体周围物体与机器人本体的距离。
3.根据权利要求1所述的一种全方位清洁机器人装置，其特征在于，所述行走装置包括万向轮和两个前驱动力轮，其中万向轮安装在机器人本体底部前端的中间位置，两个前驱动力轮安装于万向轮的后方，且分居在机器人本体底部的两侧位置，两个前驱动力轮关于万向轮对称。
4.根据权利要求1所述的一种全方位清洁机器人装置，其特征在于，所述飞行装置包括可收缩连杆、飞行旋翼、旋转关节及旋翼槽；
所述旋翼槽设置于机器人本体的侧面，所述飞行旋翼通过旋转关节与可收缩连杆的一端连接，可收缩连杆的另一端固定于旋翼槽中。
5.根据权利要求1所述的一种全方位清洁机器人装置，其特征在于，所述吸附装置包括4个非接触式附着垫，4个非接触式附着垫分布于机器人本体底部的四角上。
6.根据权利要求2所述的一种全方位清洁机器人装置，其特征在于，所述距离传感器数量为2，2个距离传感器分布于机器人本体底部前端中点及后端中点；激光雷达传感器的数量为1，安装于机器人本体的正前端。
7.一种权利要求1~6中任意一项所述的全方位清洁机器人装置的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：人机交互装置接收用户输入的包含待清洁区域的指令；中央处理单元从内部存储器中加载全局地图，并根据全局地图及激光雷达传感器返回的信息确定机器人本体的初始位置；
步骤2：中央处理单元根据机器人本体初始位置及待清洁区域的位置规划出飞行路径，并控制飞行装置将机器人本体带到待清洁区域中；
步骤3：中央处理单元根据待清洁区域的z坐标判断是否为地面：若不是，中央处理单元启动吸附装置，将机器人本体固定于待清洁区域的表面，同时关闭飞行装置；若是，中央处理单元不启动吸附装置，而是直接关闭飞行装置；
步骤4：中央处理单元启动清洁装置，并控制行走装置在待清洁区域移动，直到遍历整个待清洁区域；
步骤5：中央处理单元再次根据全局地图及激光雷达传感器返回的信息确定机器人本体的终点位置，规划机器人本体从所述终点到所述初始位置的飞行路径，若检测到吸附装置开启则先关闭吸附装置再控制飞行装置将机器人本体带回初始位置。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，中央处理单元接收距离传感器返回的距离数据，当中央处理单元检测到待清洁区域不是地面时，且当距离数据小于设定值时启动吸附装置。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤2及步骤5中，中央处理单元监测激光雷达传感器返回的信息，当发现规划的路径中出现障碍物时，中央处理单元规划避障路径，并控制飞行装置按照避障路径飞行。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤4中，中央处理单元监测激光雷达传感器返回的信息，当发现清洁路径中出现障碍物时，中央处理单元规划避障路径，并控制行走装置按照避障路径移动。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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