CN108784520A - 带内嵌尘盒的吸尘机器人以及建立栅格地图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带内嵌尘盒的吸尘机器人，包括机体、风机装置、尘盒。该尘盒具有入口部和出口部，该入口部连接至吸尘管，该出口部连接至吸风口，入口部和出口部之间设有滤网。尘盒安装在空腔内后，立柱顶起密封板，有利于灰尘杂物吸入尘盒内。尘盒取出后，密封板在重力作用下覆盖在入口部上，避免灰尘洒出。本发明还公开了该吸尘机器人建立栅格地图的方法。

Description

带内嵌尘盒的吸尘机器人以及建立栅格地图的方法

技术领域

本发明涉及一种吸尘机器人，属于智能家居设备。本发明还涉及该吸尘机器人的读图方法，尤其是指将工作地图栅格化的方法。

背景技术

吸尘器的尘盒安装在风机与吸尘口之间，尘盒的侧边设置开口，用于连通吸尘口。风机工作后在吸尘口内产生负压，灰尘从地面吸入吸尘口，收集的灰尘杂物暂存在尘盒中。为有利于灰尘进入尘盒，开口部位应较低且无阻碍。在拆装尘盒的过程中，尘盒内的杂物可能从开口处洒出。201110349620.2、200810086827.3等的吸尘装置公开了尘盒的封闭结构，可作为本申请的参考。

发明内容

本发明提出了一种带内嵌尘盒的吸尘机器人，尘盒拆卸后自动封闭开口，避免灰尘杂物洒出。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种带内嵌尘盒的吸尘机器人，包括机体、风机装置、尘盒，该机体包括相互扣接的上盖体和下盖体，该下盖体具有一吸尘管，所述风机装置固定在下盖体上，该风机装置具有一吸风口，上盖体与下盖体组成一空腔，所述尘盒安装在该空腔内，该尘盒具有入口部和出口部，该入口部连接至所述吸尘管，该出口部连接至所述吸风口，所述入口部和出口部之间设有滤网，其特征在于，吸尘管具有一垂直延伸的立柱，该立柱伸入所述入口部，所述入口部的上方可转动地设置一密封板，该密封板压在所述入口部上，当所述立柱伸入所述入口部时，该立柱的上端顶起密封板，其中，所述尘盒在入口部的上方设置转轴，在入口部的下方设置凸起，所述密封板在对应于该凸起的位置设置一缺口。

在本发明的这种吸尘机器人中，所述上盖体具有一盖板，该盖板压在所述尘盒上。

在本发明的这种吸尘机器人中，所述尘盒的上方具有一把手。

在本发明的这种吸尘机器人中，所述吸风口上设有隔离网。

在本发明的这种吸尘机器人中，该吸尘机器人还包括电池安装室。

在本发明的这种吸尘机器人中，所述风机装置包括电机、轴流风扇、风机罩，所述电机固定在风机罩的上方，轴流风扇位于所述风机罩内，该电机的输出轴连接至所述轴流风扇。

在本发明的这种吸尘机器人中，下盖体的外侧设置行走传感器C1、C2、C3、C4、C5，相邻行走传感器夹角均为45°，并且C3布置在下盖体前进的正前方，C1与C5分别位于驱动轮轴线上。

一种吸尘机器人建立栅格地图的方法，其特征在于，包括以下步骤，系统预设、建立最大工作区域、内循环遍历以及建立工作栅格网络。

实施本发明的这种吸尘机器人，具有以下有益效果：尘盒安装在空腔内后，立柱顶起密封板，有利于灰尘杂物吸入尘盒内。尘盒取出后，密封板在重力作用下覆盖在入口部上，避免灰尘洒出。

附图说明

图1为本发明的吸尘机器人的示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为图1的局部爆炸图；

图4为图1的尘盒的示意图；

图5为图4的剖视图；

图6为本发明的驱动轮总成的示意图；

图7为图6的剖视图；

图8为图7的放大图；

图9为图3的局部视图，主要展示了挡板的结构；

图10为图3的另一局部视图，主要展示了清扫部件的示意图；

图11为本发明的建立吸尘机器人栅格地图的示意图；

图12为本发明的吸尘机器人系统预设示意图；

图13为本发明的吸尘机器人处于工作区域的示意图；

图14为本发明的吸尘机器人遍历工作区域的轨迹示意图；

图15为本发明的栅格化工作区域的示意图；

图16为本发明的吸尘机器人两次轨迹图，主要展示了根据上次轨迹建立下次轨迹；

图17为本发明的吸尘机器人绕行障碍物的示意图；

图18为本发明的吸尘机器人贴近墙壁寻找初始点的示意图；

图19为本发明的吸尘机器人的右转弯绕行一种障碍物示意图；

图20为本发明的吸尘机器人的右转弯绕行另一种障碍物示意图；

图21为本发明的吸尘机器人的右转弯绕行又一种障碍物示意图；

图22为本发明的吸尘机器人的左转弯绕行一种障碍物示意图；

图23为本发明的吸尘机器人的左转弯绕行另一种障碍物示意图；

图24为本发明的吸尘机器人的左转弯绕行又一种障碍物示意图。

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。

如图1至10所示的本发明的吸尘机器人，包括机体100、风机装置200、尘盒300、缓冲装置400以及至少两组的驱动轮总成500、清洁装置600。该机体100包括相互扣接的上盖体110和下盖体120，上盖体110与下盖体120组成一空腔130，该下盖体120设有导向轮129。清洁装置600包括清洁电机610、毛刷620以及减速器630，所述清洁电机610固定在下盖体120内，该清洁电机610经所述减速器630连接至毛刷620，该毛刷620从所述下盖体120伸出。

驱动轮总成500包括驱动臂510、驱动轮520、驱动源530、减速部件540以及外罩体550。下盖体120具有安装槽121，该安装槽121上固定一环形支座122，该外罩体550固定在下盖体120上并位于安装槽121的上方。驱动臂510的一端经一铰接轴511连接在外罩体550内，驱动源530固定在驱动臂510上，该驱动源530经减速部件540连接至驱动轮520，驱动臂510与该外罩体550相反的一侧设有部件安装室，减速部件540位于该部件安装室内。下盖体120经一螺纹部122连接至一螺杆123，该螺杆123的端部伸入外罩体550内。螺杆123的上方设有一顶针124，顶针124伸出限位部125，该限位部125抵靠在顶针124的一侧。限位部125限制顶针124向外侧偏移，顶针124的端部为弧形面。螺杆123转动时，顶针124仅上下移动，避免弹簧表面磨损。铰接轴511上设有一扭簧512，该扭簧512的一端压在驱动臂510上，另一端压在顶针124上，扭簧512经驱动臂510带动驱动轮520从安装槽121内伸出。转动螺杆123可带动顶针124上下移动，调节扭簧512施加在驱动臂510的作用力，从而改变下盖体120的离地高度。螺杆123经顶针124传递作用力。环形支座122具有一限位凸起126，该限位凸起126限制所述驱动臂510向下转动的最大角度。下盖体120限制顶针的横向偏移，从而保证顶针始终垂直向下移动，避免顶针转动或横移造成扭簧作用力产生预期之外的变化。驱动臂510上还设置护罩513，该护罩513至少部分的包覆所述驱动轮520。所述驱动臂510具有一延伸壁514，所述外罩体550具有一传感器551，所述延伸臂514转动时作用在传感器551上，用于检测驱动臂510的转角。

风机装置200包括电机221、轴流风扇222、风机罩223，所述电机221固定在风机罩223的上方，轴流风扇222位于所述风机罩223内，该电机221的输出轴连接至所述轴流风扇222。风机装置200固定在下盖体120上，下盖体120具有一吸尘管127。该风机装置200具有一吸风口210，吸风口210上设有隔离网211。尘盒300安装在空腔130内，上盖体110具有一盖板111，该盖板111压在所述尘盒300上。尘盒300具有入口部310和出口部320。入口部310大致位于尘盒300中部，以利于存储灰尘杂物。入口部310连接至吸尘管127，该出口部320连接至所述吸风口，入口部310和出口部320之间设有滤网330。吸尘管127具有一垂直延伸的立柱128，该立柱128伸入入口部310。入口部310的上方可转动地设置一密封板311，该密封板311压在入口部310上。当所述立柱128伸入所述入口部310时，该立柱128的上端顶起密封板311。尘盒300在入口部310的上方设置转轴312，在入口部310的下方设置凸起313，密封板311在对应于该凸起313的位置设置一缺口314。该缺口314刚好可覆盖在凸起313上。尘盒300安装在空腔130内后，立柱128顶起密封板311，有利于灰尘杂物吸入尘盒300内。尘盒300的上方具有一把手340，尘盒300取出后，密封板311在重力作用下覆盖在入口部310上，避免灰尘洒出。

缓冲装置400包括挡板410、横梁420、摆臂430。摆臂430经一转轴431铰接在横梁420上，一弹簧432套在转轴431上，该弹簧432的一端固定在摆臂430上，另一端连接至横梁420，该摆臂430具有受压部434和作用部433，该受压部434顶在挡板410内侧，该作用部433伸入传感器421。机器人受到挤压时，挡板410沿受力的反方向移动。多个摆臂430转动，传感器根据位移长度调整机器人姿态和速度。横梁420的中部设有弹簧片422，该弹簧片422的端部可滑动地套在所述横梁420内。弹簧片422引导挡板410往复移动，提高传感器421的响应精度。

参照图11至24，本发明还公开了一种建立该吸尘机器人栅格地图的方法，包括系统预设、建立最大工作区域、内循环遍历、建立工作栅格网络，同时在最大工作区域、内循环遍历的行走过程中嵌入避障方法。该方法可在安装预定数量的传感器的基础上嵌入现有的吸尘机器人硬件系统。硬件系统可以包括微处理器单元，传感器单元，驱动执行单元。传感器单元主要是指安装在吸尘机器人前侧四周的五个超声波传感器以及碰撞传感器和霍尔传感器。驱动执行单元包括步进电机控制模块和左右侧步进电机。微处理器单元包括主控、显示和通讯模块等。具体结构可参照《基于ARM控制器的吸尘机器人的研究》(江西理工大学硕士学位论文，王忠锋)等所述。

系统预设是指设定机器人的空间尺寸并在吸尘机器人的指定位置布置传感器。其大致包括以下步骤。step11：在清扫区域的一侧设定至少两个的绝对参考点O1，O2。绝对参考点设置于墙壁的一侧，两个绝对参考点可确定吸尘机器人的当前绝对位置。工作地图建立后，任意地点开机的吸尘机器人均可确定其所处工作地图的位置信息。step12：在车体外侧设置行走传感器C1、C2、C3、C4、C5，相邻行走传感器夹角均为45°并且C3布置在吸尘器前进的正前方，C1与C5分别位于驱动轮轴线上，各传感器与实体的距离与车体半径之和定义为s1、s2、s3、s4、s5。吸尘机器人根据各传感器的位置确定车体与墙壁以及其他障碍物的距离。该距离与车体半径之和表示车体几何圆形与障碍物的距离(s1、s2、s3、s4、s5)。传感器例如是《超声电机驱动的自主吸尘机器人研制》(南京航空航天大学，王宏建)、《基于超声波测距技术的自主式移动机器人导航系统研究》(武汉理工大学，胡劲草)等所采用的超声波测距传感器。step13：定义吸尘器直径B，吸尘器车轮距离D，C1侧车轮转速ω₁，C2侧车轮转速ω₂。车轮额定转速ω_p。通常，吸尘机器人的驱动电机采用角速度编码，定义角速度更有利于衡量车体状态。

step14：C1为车体参考点O3，C5为车体参考点O4，系统预设安全距离d。O3与O4用于记录车体内外侧的位置。d大于约为50mm。该距离可防止车体的任意位置碰撞障碍物。step15和step16用于贴近墙壁寻找初始点。step15：吸尘机器人沿当前方向直线行走至s1、s2、s3、s4、s5任意一项等于d。避障完成后，以此时O3的位置为原点建立坐标系(xoy)，x为车体行进方向。step16：探测该原点与O1，O2参考点的距离(a，b)并存储。本发明不限制吸尘机器人坐标定位的方法，可采用车轮脉冲定位法，如《吸尘机器人非结构环境下自主路径规划方法的研究》(浙江大学硕士学位论文，冯申坤)所述。吸尘机器人控制距离边缘的距离，贴边行走，根据墙体变化微调行走方向。为避免障碍物的非正常变换引起的测量误差(偶然误差)，本发明可采用软件消抖滤波，此种方式主要是在程序的编写过程中利用时间延时检测，当检测到满足要求的超声波信号后延时30至50ms后再次检测，如果误差范围内的数据仍被检测到，则认为该数据信号是正确可信的。同时系统可采用卡尔曼滤波降低测量方式上的误差(系统误差)。卡尔曼滤波方式以为本领域技术人员所熟知，在此不做赘述，其具体结构原理可参照《智能清扫机器人设计及其路径规划的研究》(哈尔滨工业大学，张超)所述。

建立最大工作区域是指沿室内外侧壁行走一圈，记录房间最大坐标位置，为后续遍历工作区域提供外部参照。该步骤亦可称之为沿边走，现有技术已经公开了可行的实现算法，例如《智能清扫机器人设计及其路径规划的研究》(哈尔滨工业大学，张超)、《吸尘机器人非结构环境下自主路径规划方法的研究》(浙江大学硕士学位论文，冯申坤)等所述。step21：以且s1＝d行走、避障，记录O3轨迹(x，y)和O4轨迹(x′，y′)。step22：若(x，y)＝(0，0)，根据O3轨迹线生成最大工作区域y＝F(x)，根据O4轨迹线生成虚拟边界线y′＝g_i(x′)，t＝0。虚拟边界线为下一次O3的预期轨迹。

工作区间的内循环遍历有多种，现有技术主要集中在区域分割、梳妆遍历以及螺旋遍历三种方法上。梳妆遍历是现有技术最常见的一种，系统运算简单，但是如果工作区域中部存在障碍物，系统为覆盖障碍物后方的工作区域会产生很多重复路径。区域分割可解决工作区间存在障碍物时的路径规划，该方法参照《吸尘机器人全覆盖路径规划研究》(重庆大学硕士学位论文，张月)。对于有长斜面的墙壁和障碍物，区域分割效率较低。《基于ARM控制器的吸尘机器人的研究》(江西理工大学硕士学位论文，王忠锋)在选择路径规划时采用的折线逼近行走的方式可绕行斜向障碍物，也作为本申请的参考。螺旋遍历可应对斜向墙壁，但是内部循环时脱离墙体后如何选择参照时现有技术尚未解决的。

内循环遍历是指在最大工作区域内螺旋遍历整个工作区域，无法进入的空间被记录成障碍物，以此确定可以行走的全部区域。现有技术中，内循环遍历多采用折返往复的行走方式，该方式容易产生盲区。本申请采用螺旋遍历的方式，减少盲区的存在。step31：t＝t+1，根据y′＝g_t-1(x′)建立第t次O3预设路线(x_t，y_t，θ_t)，x_t，y_t为坐标值，θ_t为转角，y_t＝g_t-1(x_t)，θ_t＝g_t-1′(x_t)，g_t-1′为g_t-1在x_t处的导数。限定吸尘机器人状态的坐标除了标定点的坐标外还可以包括方向坐标。为使车体运动平滑，本申请通过预设路线的导数确定行走方向。step32：标定O3起始点(x_min，y_min)，该起始点一般为预设路线上最靠近上次轨迹终点的位置。吸尘机器人沿预设路线行走、避障，记录O3轨迹线(x，y)和O4轨迹(x′，y′)。在实际行走过程中，由于障碍物的存在，O3轨迹线(x，y)与预设路线(x_t，y_t，θ_t)不完全一致。step33：若当前轨迹(x，y)＝(x_t，y_t)，表明吸尘机器人已经绕过障碍物，再次沿预设路线行驶。step34：若(x，y)＝(x_min，y_min)，表示吸尘机器人已经返回至本次行走路线的初始点。系统根据O3轨迹生成第t次轨迹线y＝f_t(x)，根据O4轨迹生成第t次虚拟边界线y′＝g_t(x′)。step35：若此次轨迹线与任意前次存储的轨迹线重合，表明吸尘机器人已经进入循环路线，遍历完成。否则返回至step31，再次内循环遍历。在吸尘机器人的运转中心存在极小不规则的障碍物时，该内循环遍历的效率较低。但是考虑到室内环境多为规则的空间，障碍物刚好处于吸尘机器人内循环中心的可能性又较低，本申请的这种内循环遍历的方法具有可行性。

现有技术中，吸尘机器人的地图构件多采用栅格法，栅格法可降低系统数据量并易于维护和路径规划。栅格法的前提是工作区间的读取，现有技术多采用沿边行走，本申请亦是如此。沿边行走获取最大工作环境是内循环遍历的前提。《基于超声波传感器的智能吸尘机器人导航系统的研究》(浙江大学硕士学位论文，王火亮)公开了这种地图读取的方式。《家庭清扫机器人路径覆盖系统的设计与实现》(哈尔滨工业大学硕士学位论文，周亚楠)在循环遍历的同时进行栅格赋值，没有注意遍历路线的修正。同时，在循环遍历的过程中不可避免的存在路径重叠，该文献没有注意消除重复计算的部分。《基于三维重构的吸尘机器人的定位导航》(吉林大学硕士学位论文，张树明)公开了基于摄像数据读取的栅格化方法。该方法根据路线经过预定栅格与否确定栅格的内容。这种路线定义为车体中心的轨迹路线。在实际地图中，即使车体中路的轨迹路线经过的栅格，栅格本身也不一定全部可进入。将不可进入的栅格定义为工作栅格会引起机器人工作混乱。该文献也公开了吸尘机器人的定位技术，可作为本申请的参考。

建立工作栅格网络是指在吸尘机器人遍历工作区域后，将工作区域划分成栅格网络的方法。step41：定义矩形区域(H_width，H_1en)并将矩形区域划分为多个栅格(i，j)，H_width为y＝F(x)中最大x值，H_len为最大y值，i＝x/B，j＝y/B。相对于绝对参考点O1，O2对栅格(i，j)的坐标作出定义，无论吸尘机器人何时开机运行，只要测量其相对于参考点O1，O2的位置，即可确定这个栅格地图的位置，从而避免吸尘机器人时刻记录自身位置。step42：定义CellValue[i][j]，y＝F(x)或y＝f_t(x)中只有一组或零组轨迹经过的栅格(i，j)时，CellValue[i][j]＝0，否则CellValue[i][j]＝1，存储栅格地图。同时两组轨迹经过栅格(i，j)时表示吸尘机器人遍历工作地图是进入该栅格，该栅格整体处于可进入状态。只有一组轨迹进入栅格或者没有轨迹进入栅格，表示栅格整体处于不可进入状态。虽然，该存储判断方式会将部分小区域(小于吸尘机器人尺寸)认定为不可进入栅格，但是相对于整个待清扫空间而言，放弃部分空间并提高存储效率和路径规划效率是值得的。

现有的吸尘机器人避障方法主要包括精确避障和模糊避障。《移动机器人路径规划》(东北电力大学硕士学位论文，孟祥甫)公开了模糊避障的方法，其采用为模糊逻辑算法，系统计算量较大，不适用于低成本的吸尘机器人。而《基壬神经网络的自主吸尘机器人混合感知系统设计及避障规划》(浙江大学硕士学位论文，徐勇)公开了基于神经网络的吸尘机器人智能避障算法，该算法不够完善，难以在实际吸尘机器人中运用。《基于未知环境下的机器人遍历算法》(昆明理工大学硕士学位论文，王宇)公开了吸尘机器人的多重避障方法，但是如该案所述，其避障方法多适用于直角障碍，绕行斜角障碍或墙壁的障碍会产生较多的不可进入空间(遗漏栅格)。

本发明的避障方法可用于避开规则形状的固定障碍物，尤其适用于规避带斜角的墙壁或柜体。这种避障方法包括以下步骤：step01：沿轨迹行走，测量s2、s3、s4、s5值，根据测量结果进入step02或step03。测量结果表面吸尘机器人面对不同状态的障碍物。若s2、s3、s4、s5均大于d并且参照图11。吸尘机器人进入增大的工作区域，吸尘器执行并沿前障碍物向外翻转。若s2、s3、s4、s5均大于d并且参照图8至9，右侧发现斜向实体。吸尘器转弯并沿新的路线直行。若s2、s3、s4、s5任意一项小于等于d，参照图10，前方或左侧发现斜向实体，前方不可进入，原地大角度旋转并沿新的路线返回。

本发明利用车轮转速差实现不同角度的转弯，吸尘机器人的运动状态参照《室内吸尘机器人的全区域路径规划及避障研究》(江南大学，曾岑)所述。具体而言，step02：若s2、s3、s4、s5均大于d，根据s2的值进入step04、step05或step06。step03：若s2、s3、s4、s5任意一项小于等于d，发现不可进入边界，原地旋转至s1＝d后根据s2的值进入step04、step05或step06。step04：若s2小于发现实体边界，执行第一转弯模式，直至返回step01。step05：若s2大于发现工作区域，执行第二转弯模式，直至返回step01。step06：若返回step01。在本发明中，吸尘机器人的转动方式分为三种：右侧出现工作区域的右转弯，右侧出现实体障碍物的左转弯以及正前方或左侧出现障碍物的原地旋转。原地旋转是指大致绕吸尘机器人的旋转中心的转动，ω₁＝ω_p，ω₂＝-ω_p。为提高吸尘机器人的行走区域，尽可能降低无法遍历的区域，必须使得吸尘机器人靠边行走，可行方法之一就是限制右转弯和左转弯的转弯半径。右转弯采用第一转弯模式：

左转弯采用第二转弯模式：

ω₁＝ω_p；

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带内嵌尘盒的吸尘机器人，包括机体、风机装置、尘盒，该机体包括相互扣接的上盖体和下盖体，该下盖体具有一吸尘管，所述风机装置固定在下盖体上，该风机装置具有一吸风口，上盖体与下盖体组成一空腔，所述尘盒安装在该空腔内，该尘盒具有入口部和出口部，该入口部连接至所述吸尘管，该出口部连接至所述吸风口，所述入口部和出口部之间设有滤网，其特征在于，吸尘管具有一垂直延伸的立柱，该立柱伸入所述入口部，所述入口部的上方可转动地设置一密封板，该密封板压在所述入口部上，当所述立柱伸入所述入口部时，该立柱的上端顶起密封板，其中，所述尘盒在入口部的上方设置转轴，在入口部的下方设置凸起，所述密封板在对应于该凸起的位置设置一缺口。

2.根据权利要求1所述的带内嵌尘盒的吸尘机器人，其特征在于，所述上盖体具有一盖板，该盖板压在所述尘盒上。

3.根据权利要求1所述的带内嵌尘盒的吸尘机器人，其特征在于，所述尘盒的上方具有一把手。

4.根据权利要求1所述的带内嵌尘盒的吸尘机器人，其特征在于，所述吸风口上设有隔离网。

5.根据权利要求1所述的带内嵌尘盒的吸尘机器人，其特征在于，该吸尘机器人还包括电池安装室。

6.根据权利要求1所述的带内嵌尘盒的吸尘机器人，其特征在于，所述风机装置包括电机、轴流风扇、风机罩，所述电机固定在风机罩的上方，轴流风扇位于所述风机罩内，该电机的输出轴连接至所述轴流风扇。

7.根据权利要求1所述的带内嵌尘盒的吸尘机器人，其特征在于，下盖体的外侧设置行走传感器C1、C2、C3、C4、C5，相邻行走传感器夹角均为45°，并且C3布置在下盖体前进的正前方，C1与C5分别位于驱动轮轴线上。

8.一种权利要求7所述的吸尘机器人建立栅格地图的方法，其特征在于，包括以下步骤，系统预设、建立最大工作区域、内循环遍历以及建立工作栅格网络。