CN112026437B - 一种基于可变径机构的越障自适应巡航机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可变径机构的越障自适应巡航机器人，所述越障自适应巡航机器人至少包括：车身；至少一个滚动体，其用以驱动车身的移动，且其至少包括胎面与辐条，所述胎面被若干辐条分隔为分别与一辐条相对应的若干个胎面区段，所述滚动体上还设置有一第一驱动件与一径向引导件，所述第一驱动件与所述径向引导件相耦合而限定出分别与一辐条相对应的若干动态锁定区域，以此，所述越障自适应巡航机器人可通过自适应调控各动态锁定区域间的相对位置，改变所述滚动体的胎面区段间隔和/或所述车身的高度，完成越障。

Description

一种基于可变径机构的越障自适应巡航机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于可变径机构的越障自适应巡航机器人。

背景技术

工业巡航机器人是当前火热的研究话题，家庭环境相对于工业环境来说更加复杂，且部分家庭呈复式结构，如何使一台家庭巡航机器人如何能实现家庭环境全地形行驶和爬楼越障的功能是一个值得深入研究探讨的问题，其关键部分是如何选择合适的运动机构，以及选择什么形式的运动机构去实现所需要的功能。

在现阶段的研究中，能够实现行驶和爬楼越障功能的机构主要有车轮式，履带式，腿足式，复合式运动机构和变结构式。车轮式结构简单，控制方便，但是遇到障碍和沟壑等特殊路面无法正常工作；履带式机构在研究和应用中相对成熟，但是体积大，结构笨重，能量利用率低；腿足式在近年发展迅速，但是有复杂的机械结构和控制系统，目前有诸多难点需要解决；复合式提高了爬楼越障能力，但是在地形变化突兀时，能力大为消弱，且成本很高；变结构式可以巧妙利用机械结构来实现更强的适应性。滚动体也有部分科研人员进行研究，例如现有技术中《机械设计》2008年05期中由北京航空航天大学的孙刚等人所著的期刊论文《滚动体月球探测车及其越障能力分析》，其提出了一种车轮直径可变的月球探测车，包括车轮、摇臂悬架系统和车体，每个车轮第一驱动件内装配有一套行星齿轮传动机构和两个驱动电机，电机M1驱动车轮向前行驶，而电机M2则用来驱动车轮伸缩和张开，在平坦的路面上，车轮收缩如普通车轮一样行走，此时电机M2不运转，轮系中两边的齿轮均在电机M1驱动下同步运转。当路面比较难于通过或在越障和爬坡时，车轮张开以提高车辆的通过能力，此时，电机M2驱动左侧行星齿轮加速转动。M2转动产生的差速使连接在左侧轮系外壳上的车轮辐杆张开，车轮辐杆的外端分别与车轮轮缘各部分相固定，在辐杆的带动下，轮缘向外张开，车轮直径变化范围为200～390mm。当车轮收缩时，电机M2反向运转。

现有技术中如公开号为CN108349302A的专利文献，提出了一种滚动体，该滚动体由中央第一驱动件和周边带构成，周边带由多个弧形区段形成，弧形区段中的每个弧形区段均联接至所述第一驱动件，其特征在于，所述第一驱动件包括用于可缩回的径向臂的滑动的径向导引装置，所述可缩回的径向臂的远端部固定至所述弧形区段中的一个弧形区段，相反的端部设置有连接构件，其中，活动板与所述第一驱动件同轴并且相对于所述第一驱动件旋转，所述活动板具有弯曲的导引区域，所述连接构件中的每个连接构件与所述臂中的一个臂配合，以对对应的臂的近端部的线性且径向的运动进行控制。

然而，一方面，上述现有技术所提出的滚动体只能贴合于其研究领域所限定的特殊地形，与家庭环境不相配适；另一方面，现已有的家居机器人，其通常为贴地式结构，便于打扫地面卫生，同时导致其难以应付较大的障碍物；此外，现已有的家居机器人，只能应付单层楼的地面卫生打扫，无法满足复式楼房的要求。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术中所存在的以下缺陷：一方面，上述现有技术所提出的滚动体只能贴合于其所研究领域限定的特殊地形，与家庭环境不相配适；另一方面，现已有的家居机器人，其通常为贴地式结构，便于打扫地面卫生，同时导致其难以应付较大的障碍物；此外，现已有的家居机器人，只能应付单层楼的地面卫生打扫，无法满足复式楼房的要求。即使是将可爬楼越障结构与现已有的家居扫地机器人直接相组装结合，在实际使用时，面对不同复式楼房不同楼梯结构，越障困难且无法清扫到楼梯梯面。

针对现有技术之不足，本发明提出了一种基于可变径机构的越障自适应巡航机器人，本发明的目的在于克服现有技术中变结构式爬楼越障巡航机器人在理论上可行但实际制造时存在困难的缺点，来提供一种采用滚动体、可伸长车身以及特殊供电方法的适于家庭环境的巡航机器人，可以适用于复式楼房的地面及楼梯梯面清洁。该基于可变径机构的越障自适应巡航机器人，所述越障自适应巡航机器人至少包括：车身；至少一个滚动体，其用以驱动车身的移动，且其至少包括胎面与辐条，所述胎面被若干辐条分隔为分别与一辐条相对应的若干个胎面区段，所述滚动体上还设置有一第一驱动件与一径向引导件，所述第一驱动件与所述径向引导件相耦合而限定出分别与一辐条相对应的若干动态锁定区域，以此，所述越障自适应巡航机器人可通过自适应调控各动态锁定区域间的相对位置，改变所述滚动体的胎面区段间隔和/或所述车身的高度，完成越障。

本申请所提出的越障自适应巡航机器人，通过控制其轮径的变化，滚动体可呈张开状，能够提高通过性，减少滚动阻力，增加驱动力；滚动体也可呈聚拢状，能够提高平顺性和行驶速度。通过改变轮子等效半径，可以调节车辆离地间隙。本申请所提出的越障自适应巡航机器人，通过调整其前后轮的等效半径，可以对车身姿态进行调整，提高车辆的越障能力和抗侧倾能力，并能为车载的清洁底盘提供稳定的工作平台。本申请所提出的越障自适应巡航机器人，可基于可变径机构完成越障及自适应巡航，该机器人通过控制辐条的伸出和缩回，即可快速实现车轮直径的变化，以此适应突兀的地形变化，通过第二驱动件实现车身的伸长，以此实现爬楼功能，通过弹簧触电与金属环的接触，实现电机供电。结构简单，操作便捷。

根据一种优选实施方式，所述径向引导件可以是成角度地且可转动地耦合在所述第一驱动件上，以使得所述越障自适应巡航机器人可通过改变所述径向引导件与所述第一驱动件之间所形成的相对角度来调控所述动态锁定区域的相对位置。针对车轮半径的调节方式，现有技术中如公开号为CN110843414A的专利文献所提出的变直径轮、以及公开号为CN204249714U的专利文献所提出的车轮直径可变机构，均是通过直型导轨或直型伸缩杆来推出辐条或拉回辐条，此类直型引导结构导致辐条呈直线式来回运动，辐条可伸缩范围小，可调节精度低，并且直型引导结构要求更大的驱动力。对此，本申请所提出的越障自适应巡航机器人，是通过设置动态锁定区域来实现各辐条的伸缩及相对固定，且动态锁定区域呈弧形结构，即受引导的辐条呈弧线式来回运动，不仅充分利用了有限空间，使得辐条的可伸缩范围大大增加，并且本申请的动态锁定区域可以无级调节，极大地增大了辐条运动的可调节精度，越障适应性强。并且弧形机构的动态锁定区域所需的驱动力更小，有利于节省能耗。

根据一种优选实施方式，所述第一驱动件与所述径向引导件上分别设置有彼此间至多部分相贯通的两开口槽，两开口槽间相互贯通的部分为动态锁定区域，以此在所述动态锁定区域的相对位置随所述相对角度的变化而变化，所述动态锁定区域的容积空间不会随之变化而始终适于限制所述辐条的相对运动。所述第一驱动件被配置为具有分别位于每两个相邻胎面区段之间的至少一个凸缘的非规整圆形结构。

针对爬楼过程，现有技术中如公开号为CN110843414A的专利文献所提出的变直径车轮，其公开了如图8所示出的其所提供的变直径车轮翻越障碍的过程示意图，该示意图展示出了现已有的大多数变直径车轮的爬楼过程，然而由于两相邻胎面区段之间的间隙较大，导致在实际爬楼时，可能出现前一胎面区段未抵靠住梯面，而梯面陷在两胎面区段间的间隙中，继续转动轮体，直至下一胎面区段抵靠住梯面。但此时，胎面区段是以其侧部端面而非弧形面抵靠梯面，继续转动轮体，胎面区段与梯面之间的压力增大，支撑起前车身，才能继续滚动至以弧形面抵接梯面。日常在平整路面行进时，轮体滚动，胎面区段的弧形面抵接路面，此时，辐条所受到的作用力接近于其杆体长度方向，辐条的抗压缩变形能力强，使用寿命长。而在爬楼过程中，胎面区段的侧部端面抵接梯面，此时，辐条所受到的作用力垂直于其杆体长度方向，并且是杆体的一侧端点受力，辐条的抵抗弯曲能力较弱，即会导致其使用寿命大大减少。

针对爬楼过程，现有技术中如公开号为CN100355589C的专利文献所提出的可变直径柔性轮、以及公开号为CN201362133Y的专利文献所提出的直径连续可变车轮，其在直径扩缩过程中可保持胎面连续不间断，即为非离散型胎面，不存在两胎面区段间的间隙。其虽然不存在上述胎面区段的侧部端面抵接梯面的问题，但是，其缺陷也在于此：无法避免障碍物/楼梯对车身带来的具有后仰趋势的严重颠簸影响，爬楼驱动力耗能高。

对此，针对上述现已有的无论是离散型可变直径轮还是非离散型可变直径轮，所存在的使用寿命短及爬楼驱动力耗能高的问题，本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，通过设置具有非规整圆形结构的第一驱动件，结合本申请所提出的动态锁定区域，改变了现已有的离散型可变直径轮的爬楼过程，可以大大提高使用寿命，并且借助于梯面来大大降低爬楼驱动力耗能。本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，其第一驱动件的形状可以是如本申请附图1所示出的圆角四边形，第一驱动件的每个凸缘/圆角分别对应一间隙(该间隙即是指两相邻胎面区段之间的间隙)。本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，在爬楼过程中，当出现上述“前一胎面区段未抵靠住梯面，而梯面陷在两胎面区段间的间隙中，继续转动轮体，直至下一胎面区段抵靠住梯面”的情况时，胎面区段同样是以其侧部端面而非弧形面抵靠梯面，但不同的是，此时第一驱动件的凸缘/圆角也同时甚至更提前地抵靠住梯面，即，爬楼过程中，具有两个受力支撑点，一个是胎面区段的侧部端面，另一个是第一驱动件的凸缘/圆角。两个受力支撑点，可以极大地减轻爬楼过程中，机器人向上提升时对胎面区段所造成的压力作用，即可大大提高使用寿命。本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，其第一驱动件的至少包括凸缘/圆角的外轮廓面，为具有一定摩擦系数的摩擦面，进而，在爬楼过程中，第一驱动件的凸缘/圆角与梯面之间的摩擦系数大，其摩擦力能够转化为爬楼驱动力，以此可进一步降低爬楼驱动力耗能。

根据一种优选实施方式，所述车身至少包括前车身、后车身以及两端分别连接在所述前车身与所述后车身上的第二驱动件，所述越障自适应巡航机器人可通过自适应调控所述第二驱动件的伸缩，改变分别位于前后车身上的滚动体之间的轴距，兼具稳定性与转向灵活性。

根据一种优选实施方式，所述越障自适应巡航机器人还包括设于车身端部上的第一双探测设备，所述第一双探测设备可响应于所述车身的重心发生变化而获取其在第一时刻所检测到的第一距离数据与第二距离数据，以及其在第二时刻所检测到的第三距离数据与第四距离数据，并对所述第一至第四距离数据进行处理得出至少关于楼梯类型的第一信息。

针对现有技术中所存在的以下缺陷：一方面，现有技术所提出的滚动体只能贴合于其所研究领域限定的特殊地形，与家庭环境不相配适；另一方面，现已有的家居机器人，其通常为贴地式结构，便于打扫地面卫生，同时导致其难以应付较大的障碍物；此外，现已有的家居机器人，只能应付单层楼的地面卫生打扫，无法满足复式楼房的要求。即使是将可爬楼越障结构与现已有的家居扫地机器人直接相组装结合，在实际使用时，面对不同复式楼房不同楼梯结构，越障困难且无法清扫到楼梯梯面。

对此，本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，可利用至少一个探测设备来获取楼梯类型，即可分辨得到楼梯为镂空状或非镂空状、以及为直梯或旋梯，其中，镂空状楼梯类型无需打扫楼梯的竖梯面，非镂空状的直梯或旋梯均具有竖梯面，通过对楼梯类型的检测，本申请中所提出的越障自适应巡航机器人可确定出其清洁底盘的运作模式，进而在能够满足复式楼房的同时，还能够实现适应于多类型楼梯的清扫。本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，不再局限于特殊地形，能够适配于家庭环境。本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，将可爬楼越障结构与清洁底盘进行了交互式结合，在实际使用时，面对不同复式楼房不同楼梯结构，不仅可以轻松越障且可清扫到楼梯水平梯面和/或竖梯面，清洁能力强。

根据一种优选实施方式，所述越障自适应巡航机器人还包括设于所述车身下方的清洁底盘，所述清洁底盘可响应于所述车身的重心发生变化而由第一清洁姿态以安全避障的方式转换至第二清洁姿态，处于所述第二清洁姿态下的所述清洁底盘可响应于所述第一信息而由第二清洁姿态以主动近障的方式转换至第三清洁姿态，以使得所述清洁底盘可以同时对楼梯上相邻的至少两个梯面进行清洁。

本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，摒弃了现已有的大多数家居机器人的单一贴地式结构，而是将清洁底盘与可爬楼越障结构交互式结合，借助于爬楼越障过程，清洁底盘可以完成至少三种清洁姿态的转换，使得清洁底盘不仅可以应对单楼层的清洁，并且还可适应于不同楼梯类型来转换清洁姿态，进行清洁。

根据一种优选实施方式，所述越障自适应巡航机器人还包括设于车身下方的第二双探测设备，所述第二双探测设备可响应于所述车身的重心发生变化而获取其在第一时间段内所检测到的第一地形变化趋势数据和第二地形变化趋势数据，以及其在第二时间段内所检测到的第三地形变化趋势数据和第四地形变化趋势数据，并对第一至第四地形变化趋势数据进行处理确定地形校正系数，基于所述地形校正系数对预储的与所述第一信息相对应的标准地形模型进行地形校正，可得出至少关于楼梯拐角的第二信息。

本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，通过将清洁底盘交互式结合至可爬楼越障结构上，使得清洁底盘可利用爬楼越障过程，来实现对楼梯信息的实时的进一步采集，不仅可以应对旋梯结构与直梯结构交叉设置的楼梯，并且可以得到楼梯拐角的第二信息。本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，可以利用爬楼越障过程，来确定处于清洁姿态下的清洁底盘与楼梯结构之间的相对空间位置关系。

根据一种优选实施方式，所述清洁底盘中设置有至少一个第三驱动件，所述清洁底盘可根据由所述第二双探测设备对预储的与所述第一信息相对应的标准地形模型和地形校正系数进行处理所确定的第二信息来指示其至少一个所述第三驱动件运作，以使得所述清洁底盘可具有至少分布在彼此不共面的两平面上的且至少覆盖楼梯上相邻的至少两个梯面的动态清洁区域。

本申请中所提出的越障自适应巡航机器人，可通过清洁底盘上的至少一个动态清洁区域，来实现对楼梯中尤其是楼梯竖梯面的清洁，由于清洁区域可动态设置，即可以根据实际清扫的楼梯竖梯面的宽度或是实际清扫的楼梯水平梯面的宽度，来动态调节清洁底盘的至少一个清洁区域，使其能够完成楼梯的清扫。

本发明还提出了一种基于可变径机构的越障自适应巡航方法，所述越障自适应巡航方法至少包括以下步骤：通过自适应调控由第一驱动件与径向引导件相耦合而限定出的分别与一辐条相对应的至少一个动态锁定区域彼此间的相对位置，改变所述滚动体的胎面区段间隔和/或所述车身的高度，完成越障。

根据一种优选实施方式，所述越障自适应巡航方法还包括以下步骤中的一个或几个：响应于所述车身的重心发生变化，获取其在第一时刻所检测到的第一距离数据与第二距离数据，和/或在第二时刻所检测到的第三距离数据与第四距离数据；对第一至第四距离数据进行处理得出至少关于楼梯类型的第一信息；响应于所述车身的重心发生变化而由第一清洁姿态以安全避障的方式转换至第二清洁姿态；在所述第二清洁姿态下，响应于所述第一信息而由第二清洁姿态以主动近障的方式转换至第三清洁姿态；同时对楼梯上相邻的至少两个梯面进行清洁。

附图说明

图1是本发明提供的基于可变径机构的越障自适应巡航机器人的简化整体结构示意图；

图2是本发明提供的第一驱动件的简化正视结构及整体结构示意图；

图3是本发明提供的径向引导件的简化正视结构及整体结构示意图；

图4是本发明提供的第一驱动件与径向引导件的简化组装形态示意图；

图5是本发明提供的辐条与胎面区段的简化整体结构示意图；

图6是本发明提供的基于可变径机构的越障自适应巡航机器人的简化侧视结构示意图；

图7是本发明提供的清洁底盘的简化俯视结构示意图；

图8是现有技术所提出的变直径车轮翻越障碍的过程示意图；

图9是本发明中所提出的旋梯类型的简化整体结构示意图。

附图标记列表

1：第一驱动件 2：第一开口槽 3：胎面区段

4：清洁底盘 5：第二开口槽 6：滚动体

7：动态锁定区域 8：辐条 9：后车身

10：前车身 11：径向引导件 12：小齿轮

13：限位杆 14：清洁部 15：第三驱动件

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了基于可变径机构的越障自适应巡航机器人的简化整体结构示意图。本申请所提出的越障自适应巡航机器人可以主要包括至少一个滚动体机构6和可伸长车身机构两部分。该滚动体机构6采用的是组合式滚动体6，可通过电动机来实现轮径的伸缩和张开。该可伸长车身机构采用的是分离式车身，可通过第二驱动件来实现车身的伸长或缩短。并且在该机器人运作过程中利用滚动体机构6和可伸长车身机构两部分间的相对运动，可实现机器人的自发电，保证稳定的电能供应。

为便于理解，如下对滚动体机构6进行说明：

该滚动体机构6的主体部分可为呈正方形设计的第一驱动件1。该滚动体机构6还包括沿该第一驱动件1侧面连续布置的至少一个辐条8。如图2所示，该第一驱动件1的四个侧面均设计有第一开口槽2用作滑轨。第一开口槽2可供辐条8在其中运动，即，辐条8可以沿第一开口槽2，相对第一驱动件1的中心部位前后移动。

该滚动体机构6还包括双齿轮组。该双齿轮组设置在第一驱动件1上。该双齿轮组可包括径向引导件11和小齿轮12。第一驱动件1的内部可设有小型齿轮电动机。该小型齿轮电动机可供双齿轮组控制辐条8运动。即，小型齿轮电动机设置在第一驱动件1的内部，用以控制小齿轮12的运动。小齿轮12与径向引导件11相互啮合构成双齿轮组，可满足对轮径可变的功能需求。

如图3所示，该径向引导件11上设置有第二开口槽5，可与第一开口槽2相互配合使用。该第二开口槽5的形状可以呈类似弧形结构。该第二开口槽5可与第一开口槽2相互作用，进而限制辐条8在第一驱动件1上的相对位置。

如图5所示，该辐条8的一端上可设置有限位杆13。第一开口槽2在第一驱动件1的外端面上呈开放状。在第一开口槽2的长度延伸方向上，辐条8可滑接至第一开口槽2内，且使得该限位杆13的一端贯穿出第一开口槽2的开放端而置于该第一驱动件1的外端面的外部。

如图4及图6所示，第一开口槽2与第二开口槽5之间部分重合，该重合区域与该限位杆13的横截面相匹配。该重合区域限定出该限位杆13在第一驱动件1上的相对位置。该限位杆13上贯穿出第一开口槽2的一端，连续贯穿该径向引导件11上的一第二开口槽5。

在驱动小型齿轮电动机转动时，小齿轮12可带动径向引导件11相对第一驱动件1转动。径向引导件11的转动，使得其与第一开口槽2之间的重合区域的位置发生变化，该重合区域逐渐地朝向靠近或远离第一驱动件1中心的位置移动。限位杆13被迫带着辐条8一起朝向靠近或远离第一驱动件1中心的位置移动。

该辐条8上接触地面的部分可呈圆弧状设计。

该第一驱动件1上靠近车身的一端面上可设置有至少一个金属环。该金属环可利用滚动体机构6和可伸长车身机构两部分间的相对运动，从而实现机器人的自发电。在车身上与第一驱动件1相对应的位置，设置有至少一个触点。该触点是通过压缩弹簧固定在该车身上。在压缩弹簧的弹性作用下，可使得该触点顶端始终与金属环保持接触状态。在触点的另一端，连接有设置在车身内部的接线柱。该接线柱可与供电电缆或信号线连接。在驱动第一驱动件1相对该车身转动时，触点与金属环之间相对产生相对摩擦运动，为用电设备提供电能。

触点可与设于车身内部的单片机相连接。轮子的驱动依靠第一驱动件1电动机给予动力，同时连接单片机进行独立控制。在有转向需求时，可通过差速原理进行转向操作。

如下对可伸长车身机构进行说明：

该可伸长车身机构可划分为前车身10和后车身9。前车身10和后车身9的主体结构可为彼此相对固定的上车板和下车板。上车板与下车板之间可以是通过六角螺柱进行螺丝-螺帽连接。相对固定的上、下车板之间保留有间隔。

前、后车身之间可通过第二驱动件实现整体车身的伸长和缩短。该前、后车身之间可通过第二驱动件和连接杆相连接。该第二驱动件可分为内管和外套管。该内管可与前车身10固接。

前、后车身之间可通过第二驱动件实现整体车身的伸长和缩短。第二驱动件的两端部分别连接至前电机底座和后电机底座。第二驱动件的一端通过后电机底座固接在后车身9的内部。第二驱动件的一端可通过螺丝固定在后电机底座上。第二驱动件的另一端可通过前电机底座固接在前车身10的内部。第二驱动件的另一端可通过销连接固定在前电机底座上。

前、后车身之间可利用U型伸长管配合定位，以避免在前后车身9相对运动的过程中可能出现欠约束和过约束的问题。U型伸长管可用以支撑线路、走线及束线。U型伸长管的两端分别架设在前、后车身上。

U型伸长管可通过设置在各车板上的至少一个固定零件而可滑动地设置在车身上。固定零件的两端通过螺丝-螺帽配合固定在车板上。在位于后车身9上的固定零件的一端所对应的车板上，设置有一凸状连接挡块。借助于该凸状连接挡块，可保证当第二驱动件缩短时，U型伸长管仅占用前车板内空间。有效保证前后车身9之间的相对运动的稳定。

在前后车身9的下侧端面上分别设置有一第一驱动件1电动机。该第一驱动件1电动机的输出端连接至位于车身旁侧的至少一个第一驱动件1。其用以驱动第一驱动件1相对车身转动。

当遇正常路面，辐条8缩回，第二驱动件处于零伸长状态。当遇突兀地形，弹簧触点向轮内电机供电，驱使小齿轮12转动，通过齿轮传动，小齿轮12带动径向引导件11一起转动。使得辐条8部分伸出，此时第二驱动件处于半伸长状态。当遇楼梯时，辐条8可伸出，处于完全伸长状态。通过多种不同状态，可选择合理搭配，以完成不同环境状态下的功能需求。

实施例2

本实施例提出了一种基于可变径机构的越障自适应巡航机器人。本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

该越障自适应巡航机器人可以主要包括至少一个滚动体机构6、可伸长车身机构以及清洁底盘4三部分。

如图7所示，该清洁底盘4上可划分为至少两个动态清洁区域。本申请所提及的动态清洁区域可以是指整个清洁底盘4所能够覆盖到的地面区域的面积是可以调控的，清洁区域动态地变化以适应具有清洁需求的不同位置。具有清洁需求的不同位置主要是指地面与楼梯梯面。该清洁底盘4可以是以悬挂的方式固定在车身底部，可调控其相对车身来回转动或来回移动。

该清洁底盘4可以主要包括多个清洁部14。多个清洁部14并排设置，可构成清洁底盘4上长条式的清洁区域。多个清洁部14彼此间相互耦合。多个清洁部14彼此间相对转动连接。

多个清洁部14间可以是通过至少一个第三驱动件15相对彼此固定。此处相对彼此固定，即，多个清洁部14不能相对彼此转动。为便于理解，以下以该清洁底盘4设置有两个第三驱动件15为例进行说明：在位于该清洁底盘4相对的两端处的两清洁部14上，分别设置有一第三驱动件15。第三驱动件15至少包括固定端与可伸缩的自由端。多个清洁部14上均对应地设置有用以第三驱动件15贯穿的空腔。

两第三驱动件15的自由端彼此相对。即，两第三驱动件15的自由端可朝向靠近彼此的方向伸长或反向缩短。当两个第三驱动件15的自由端伸长，均延伸至同一清洁部14的空腔中时，该清洁底盘4中所有的清洁部14之间相对固定，该清洁底盘4仅对应有一个清洁区域，此时清洁底盘4为第一清洁姿态。当两个第三驱动件15的自由端回缩，使得两者自由端分别位于彼此相邻的两清洁部14内时，该清洁底盘4被划分为两个清洁区域，此外清洁底盘4为第二清洁姿态。两个清洁区域间成角度地彼此耦合。并且，按照指示两侧第三驱动件15的相对运动，可使得两个清洁区域的相对面积动态地变化。

该清洁底盘4上还可包括至少一个第四驱动件。两第四驱动件的一端分别连接至该清洁底盘4上不同的两清洁部14上。两清洁部14可以是非相邻位置关系。两第四驱动件可以是与两个动态清洁区域相对应。通过指示两第四驱动件的伸缩运作，可以使两个动态清洁区域之间相对转动。即，通过第三驱动件15与第四驱动件之间的相互配合，可动态划分清洁底盘4的清洁区域和/或动态调控至少两个动态清洁区域之间的相对位置关系。

该清洁底盘4上可设置有至少一个双探测设备。双探测设备可以是现已有的用以勘测地形数据的探测设备，例如视觉同步定位与建图传感器和激光同步定位与建图传感器。双探测设备可以包括超声波测距传感器、毫米波雷达测距传感器、激光雷达测距传感器、固态雷达测距传感器、RGBD摄像头测距传感器、双目摄像头测距传感器、单目摄像头测距传感器、TOF飞行时间测距传感器、三角测距传感器、结构光测距传感器中的一个或几个的组合。在本申请中优选地双探测设备可以是视觉同步定位与建图传感器和激光同步定位与建图传感器的组合设备。视觉同步定位与建图传感器可以优选为双目摄像头测距传感器。激光同步定位与建图传感器的组合设备可以优选为激光雷达传感器。

该双探测设备可包括第一双探测设备与第二双探测设备。第一双探测设备可设置在前车身10的端部上。第一双探测设备可用以处理得到关于楼梯类型的第一信息。第一信息可包括楼梯类型、楼梯竖梯面的高度数据等信息。在机器人欲对楼梯进行清洁时，前车身10上布置的前滚动体6/前车轮的轮径逐渐增大，此时车身倾斜，重心发生变化。在监测到车身整体的重心发生变化时，此时为第一时刻，第一双探测设备中两个探测设备分别检测到第一距离数据与第二距离数据。基于第一距离数据与第二距离数据生成与之相对应的探测距离变化趋势双曲线图，并在计算得到探测距离变化趋势双曲线图中出现陡变的情况下，确定第二时刻，此时第一双探测设备检测得到第三距离数据与第四距离数据。若计算得到该陡变的斜率为负数，则可得出为镂空状的楼梯竖梯面信息。若计算得到该陡变的斜率为正数，且判断得出探测距离变化趋势双曲线图中双曲线的陡变斜率之间的差值满足预设阈值，即，双曲线的陡变斜率差别不大，则可得出为非镂空状的直梯信息。若计算得到该陡变的斜率为正数，且判断得出探测距离变化趋势双曲线图中双曲线的陡变斜率之间的差值超出预设阈值，即，双曲线的陡变斜率具有明显差别，则可得出为非镂空状的旋梯信息。

该机器人可基于由该第一双探测设备所确定的第一信息来指示至少包括前车身10的可伸长车身机构进行爬楼。在机器人来到楼梯脚处时，通过前车轮进行扩径且后车轮缩径的方式，使得车身整体倾斜，利用第一双探测设备所获得的探测距离变化趋势双曲线图，可以确定第一级楼梯上与地面相接的楼梯竖梯面的高度。基于第一级楼梯的竖梯面高度，指示机器人的前车身10调整至与之相适配的轮径，并向前转动一个角度，机器人的前车身10搭放在第一级楼梯的水平梯面上，并同时伸长车身以使得机器人的后车身9的位置相对固定。此时，伸长车身后前车身10与后车身9之间的间隔空间增大，允许清洁底盘4伸出并对梯面进行清洁。利用伸长车身后前车身10与后车身9之间的间隔空间，至少基于确定的第一级楼梯的竖梯面高度，指示清洁底盘4对第一级楼梯和与之相接的部分地面进行清洁。

由于第一级楼梯接着地面，此时无需检测计算水平梯面的宽度。基于第一信息即可调取机器人中与之相对应的标准地形模型，例如直梯标准地形模型或旋梯标准地形模型。因此，在机器人的前车身10搭放至第一级楼梯的水平梯面后，可基于调取到的标准地形模型，确定车身底部的清洁底盘4与第一级楼梯底部的楼梯拐角之间的相对位置信息，基于此，指示清洁底盘4转换至第三清洁姿态，以使得该清洁底盘4可以同时对第一楼梯的竖梯面和与之相邻的部分地面进行清洁。清洁后，清洁底盘4由第三清洁姿态又转换回第一清洁姿态，以便于机器人继续向上爬楼。

该机器人保持前轮的相对固定，指示其后车轮转动并同时缩短车身。继而，保持后车轮的相对固定，指示其前车轮转动并同时伸长车身。此时，前车轮位于第二级楼梯的水平梯面上，后车轮位于地面上且抵靠着第一级楼梯的竖梯面上。此时，伸长车身后前车身10与后车身9之间的间隔空间增大，允许清洁底盘4伸出并对梯面进行清洁。利用伸长车身后前车身10与后车身9之间的间隔空间，至少基于确定的第二级楼梯的竖梯面高度，指示清洁底盘4对第二级楼梯的竖梯面与第一级楼梯的水平梯面进行清洁。

不同于上第一级楼梯，在机器人的前车轮上第二级楼梯的过程中，位于车身下方的第二双探测设备工作。该机器人可基于由该第一双探测设备所确定的第一信息来指示前车身10继续爬楼，基于第一信息可确定机器人在继续爬楼时其行驶方向的转移角，以保持机器人在上楼过程中其处于楼梯的中心线位置。第二双探测设备可获取到其在第一时间段内所检测到的第一地形变化趋势数据和第二地形变化趋势数据。第二双探测设备可获取到其在第二时间段内所检测到的第三地形变化趋势数据和第四地形变化趋势数据。此处所提及的第一时间段指的是自该车身的重心发生变化开始后的一段时间。第二双探测设备基于其两个探测设备，可生成与之相对应的地形变化趋势双曲线图。第二时间段即指的是自地形变化趋势双曲线图中开始出现陡变时开始后的一段时间。

该地形变化趋势双曲线图的扫描区域可从第一级楼梯与地面之间的内拐角开始，延伸至第一级楼梯的外拐角，(前车身10带动第二双探测设备继续向上爬至第二级楼梯，在此期间)继而从外拐角处向内延伸至一二级楼梯之间的内拐角。即，通过第二双探测设备可扫描计算得出第一级楼梯的水平梯面的宽度数据。基于此可将其确定为地形校正系数。将标准地形模型地形校正系数代入标准地形模型进行地形校正，使得标准地形模型中的各项参数与现实楼梯之间相匹配。基于进行地形校正后的标准地形模型，可确定车身底部的清洁底盘4与一二级之间的内拐角之间的相对位置信息，基于此，指示清洁底盘4转换至第三清洁姿态，以使得该清洁底盘4可以同时对第二楼梯的竖梯面与第一楼梯的水平梯面进行清洁。清洁后，清洁底盘4由第三清洁姿态又转换回第一清洁姿态，以便于机器人继续向上爬楼。

针对清洁底盘4上至少一个清洁姿态之间的转换进行说明：该清洁底盘4可响应于该车身的重心发生变化而由第一清洁姿态以安全避障的方式转换至第二清洁姿态，处于该第二清洁姿态下的该清洁底盘4可响应于该第一信息而由第二清洁姿态以主动近障的方式转换至第三清洁姿态，以使得该清洁底盘4可以同时对楼梯上相邻的至少两个梯面进行清洁。第一清洁姿态用以对单层楼的地面进行清洁。第二清洁姿态用以第一第三清洁姿态之间的过渡阶段。以长条状清洁底盘4为例，在对单层楼的地面进行清洁时，清洁底盘4的长度方向与车身的长度方向相垂直，以此在机器人前进的过程中，可以最大效率地进行打扫，此时为第一清洁姿态。在对楼梯进行清洁时，转动清洁底盘4，使其长度方向与车身的长度方向相平行，此时为第二清洁姿态，为适于对具有拐角的楼梯梯面进行横向来回清洁，将清洁底盘4划分为彼此成角度的两个清洁区域，此时为第三清洁姿态。优选地，该清扫底盘的底部设置有至少两套不同直径的旋转刷。基于不同宽度的楼梯竖梯面或不同高度的楼梯水平梯面可确定不同直径的旋转刷。

应当理解的是，本申请所提出的越障自适应巡航机器人(或可称越障自适应巡航系统)可以利用各种方式/模块来实现。例如，在一些实施例中，本申请所提出的越障自适应巡航系统可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。其中，硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分则可以存储在存储器中，由适当的指令执行越障自适应巡航系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域技术人员可以理解本申请所提出的越障自适应巡航机器人和/或越障自适应巡航方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在微处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本申请的越障自适应巡航系统不仅可以有诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用例如由各种类型的微处理器所执行的软件实现，还可以由上述硬件电路和软件的结合(例如，固件)来实现。

应当理解的是，本申请对于越障自适应巡航系统的描述，仅为描述方便，并不能把本申请限制在所举实施例范围之内。可以理解，对于本领域的技术人员来说，在了解该系统的原理后，可能在不背离这一原理的情况下，对各个模块/结构/设备进行任意组合，或者构成子系统与其他模块连接。例如，在一些实施例中，本申请中所披露的所述第一双探测设备可响应于所述车身的重心发生变化而获取其在第一时刻所检测到的第一距离数据与第二距离数据，以及其在第二时刻所检测到的第三距离数据与第四距离数据，并对所述第一至第四距离数据进行处理得出至少关于楼梯类型的第一信息，该指令所包括的各步骤可以是由越障自适应巡航系统中的不同模块来实现，也可以是一个模块实现上述的两个或两个以上模块的功能。又例如，越障自适应巡航系统还可以包括通信模块，用来与其他部件通信。各个模块/结构/设备可以共用一个存储模块，各个模块/结构/设备也可以分别具有各自的存储模块。诸如此类的变形，均在本申请的保护范围之内。同时，应当理解的是，本申请中涉及如“本实施例”和/或“在一些实施例中”等意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

在一些实施例中，越障自适应巡航系统或越障自适应巡航系统中的各个模块/结构/设备，分别可以包括一个处理设备。处理设备可以处理与越障自适应巡航/清扫内容相关的信息和/或数据以执行本申请中描述的一个或多个功能。在一些实施例中，处理设备可以包括一个或多个处理引擎(例如，单晶片微处理器或多晶片微处理器)。如下仅仅作为示例，处理设备可以包括一个或多个硬件微处理器，例如中央微处理器(CPU)、专用集成电路(ASIC)、专用指令集微处理器(ASIP)、图像处理单元(GPU)、物理运算处理单元(PPU)、数字信号微处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑装置(PLD)、控制器、微控制器单元、精简指令集电脑(RISC)、微处理器等或上述举例的任意组合。

在一些实施例中，网络是用以促进信息和/或数据的交换。在一些实施例中，本申请所提出的越障自适应巡航系统或越障自适应巡航系统中的各个模块/结构/设备，可以通过网络向其他智能设备和/云服务器发送信息和/或数据。在一些实施例中，网络可以是有线网络或无线网络中的任意一种，或其组合。仅仅作为示例，网络可以包括电缆网络、有线网络、光纤网络、远端通信网络、内联网、互联网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线局域网(WLAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、公共开关电话网络(PSTN)、蓝牙网络、ZigBee网络、近场通信(NFC)网络等或上述举例的任意组合。在一些实施例中，网络可以包括一个或多个网络交换点。例如，网络可以包括有线或无线网络交换点，如基站和/或互联网交换点1、2、3、……，通过交换点，该越障自适应巡航系统的一个或多个部件可以连接到网络以交换数据和/或信息。

在一些实施例中，本申请所提出的越障自适应巡航系统或越障自适应巡航系统中的各个模块/结构/设备，可以分别可设置有数据库，数据库可以用于储存数据和/或指令。在一些实施例中，数据库可以储存供越障自适应巡航系统或越障自适应巡航系统中的各个模块/结构/设备中的一个或几个执行或使用的数据和/或指令，服务器可以通过执行或使用所述数据和/或指令以实现本申请描述的示例性方法。在一些实施例中，数据库可以包括大容量存储器、可以移动存储器、挥发性读写存储器、只读存储器(ROM)等或上述举例的任意组合。示例性的大容量存储器可以包括磁盘、光盘、固态磁盘等。示例性的可以移动存储器可以包括快闪驱动器、软盘、光盘、存储卡、压缩盘、磁带等。示例性的挥发性只读存储器可以包括随机存储器(RAM)。示例性的随机存储器可以包括动态随机存储器(DRAM)、双倍速率同步动态随机存储器(DDRSDRAM)、静态随机存储器(SRAM)、闸流体随机存储器(T-RAM)和零电容随机存储器(Z-RAM)等。示例性的只读存储器可以包括掩蔽型只读存储器(MROM)、可编程只读存储器(PROM)、可清除可编程只读存储器(PEROM)、电子可抹除可编程只读存储器(EEPROM)、压缩磁盘只读存储器(CD-ROM)和数位通用磁盘只读存储器等。

本领域技术人员应当理解的是，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

本领域技术人员应当理解的是，本申请所提及的计算机存储介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等，或合适的组合形式。计算机存储介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机存储介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、RF、或类似介质，或任何上述介质的组合。

本领域技术人员应当理解的是，本说明书各部分操作所需的计算机程序编码可以用任意一种或多种程序语言编写，包括面向对象编程语言如Java、Scala、Smalltalk、Eiffel、JADE、Emerald、C++、C#、VB.NET、Python等，常规程序化编程语言如C语言、VisualBasic、Fortran2003、Perl、COBOL2002、PHP、ABAP，动态编程语言如Python、Ruby和Groovy，或其他编程语言等。该程序编码可以完全在用户计算机上运行、或作为独立的软件包在用户计算机上运行、或部分在用户计算机上运行部分在远程计算机运行、或完全在远程计算机或处理设备上运行。在后种情况下，远程计算机可以通过任何网络形式与用户计算机连接，比如局域网(LAN)或广域网(WAN)，或连接至外部计算机(例如通过因特网)，或在云计算环境中，或作为服务使用如软件即服务(SaaS)。

此外，应当理解的是，除非权利要求中明确说明，本说明书中所述序列的顺序、数字字母用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的处理设备或移动设备上安装所描述的系统。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (6)

1.一种基于可变径机构的越障自适应巡航机器人，所述越障自适应巡航机器人至少包括：

车身；

至少一个滚动体机构（6），其用以驱动车身的移动，且其至少包括胎面与辐条（8），所述胎面被若干辐条（8）分隔为分别与一辐条（8）相对应的若干个胎面区段（3），

其特征是，

所述滚动体机构（6）上还设置有一第一驱动件（1）与一径向引导件（11），

所述第一驱动件（1）与所述径向引导件（11）相耦合而限定出分别与一辐条（8）相对应的若干动态锁定区域（7），以此，所述越障自适应巡航机器人可通过自适应调控各动态锁定区域（7）间的相对位置，改变所述滚动体机构（6）的胎面区段（3）间隔和/或所述车身的高度，完成越障；

所述径向引导件（11）可以是成角度地且可转动地耦合在所述第一驱动件（1）上，以使得所述越障自适应巡航机器人可通过改变所述径向引导件（11）与所述第一驱动件（1）之间所形成的相对角度来调控所述动态锁定区域（7）的相对位置；

所述第一驱动件被配置为具有分别位于每两个相邻胎面区段之间的至少一个凸缘的非规整圆形结构；

所述车身至少包括前车身（10）、后车身（9）以及两端分别连接在所述前车身（10）与所述后车身（9）上的第二驱动件，所述越障自适应巡航机器人可通过自适应调控所述第二驱动件的伸缩，改变分别位于前后车身（9）上的滚动体机构（6）之间的轴距，兼具稳定性与转向灵活性；

所述越障自适应巡航机器人还包括设于车身端部上的第一双探测设备，所述第一双探测设备可响应于所述车身的重心发生变化而获取其在第一时刻所检测到的第一距离数据与第二距离数据，以及其在第二时刻所检测到的第三距离数据与第四距离数据，并对所述第一至第四距离数据进行处理得出至少关于楼梯类型的第一信息。

2.根据权利要求1所述的越障自适应巡航机器人，其特征是，所述第一驱动件（1）与所述径向引导件（11）上分别设置有彼此间至多部分相贯通的两开口槽，两开口槽间相互贯通的部分为动态锁定区域（7），以此在所述动态锁定区域（7）的相对位置随所述相对角度的变化而变化，所述动态锁定区域（7）的容积空间不会随之变化而始终适于限制所述辐条（8）的相对运动。

3.根据权利要求2所述的越障自适应巡航机器人，其特征是，所述越障自适应巡航机器人还包括设于所述车身下方的清洁底盘（4），所述清洁底盘（4）可响应于所述车身的重心发生变化而由第一清洁姿态以安全避障的方式转换至第二清洁姿态，处于所述第二清洁姿态下的所述清洁底盘（4）可响应于所述第一信息而由第二清洁姿态以主动近障的方式转换至第三清洁姿态，以使得所述清洁底盘（4）可以同时对楼梯上相邻的至少两个梯面进行清洁。

4.根据权利要求3所述的越障自适应巡航机器人，其特征是，所述越障自适应巡航机器人还包括设于车身下方的第二双探测设备，所述第二双探测设备可响应于所述车身的重心发生变化而获取其在第一时间段内所检测到的第一地形变化趋势数据和第二地形变化趋势数据，以及其在第二时间段内所检测到的第三地形变化趋势数据和第四地形变化趋势数据，并对第一至第四地形变化趋势数据进行处理确定地形校正系数，基于所述地形校正系数对预储的与所述第一信息相对应的标准地形模型进行地形校正，可得出至少关于楼梯拐角的第二信息。

5.根据权利要求4所述的越障自适应巡航机器人，其特征是，所述清洁底盘（4）中设置有至少一个第三驱动件（15），所述清洁底盘（4）可根据由所述第二双探测设备对预储的与所述第一信息相对应的标准地形模型和地形校正系数进行处理所确定的第二信息来指示其至少一个所述第三驱动件（15）运作，以使得所述清洁底盘（4）可具有至少分布在彼此不共面的两平面上的且至少覆盖楼梯上相邻的至少两个梯面的动态清洁区域。

6.一种使用权利要求1至5之一所述的越障自适应巡航机器人进行基于可变径机构的越障自适应巡航方法，其特征是，所述越障自适应巡航方法至少包括以下步骤：

通过自适应调控由第一驱动件（1）与径向引导件（11）相耦合而限定出的分别与一辐条（8）相对应的至少一个动态锁定区域（7）彼此间的相对位置，改变所述滚动体机构（6）的胎面区段（3）间隔和/或所述车身的高度，完成越障；

所述第一驱动件被配置为具有分别位于每两个相邻胎面区段之间的至少一个凸缘的非规整圆形结构；所述越障自适应巡航方法还包括以下步骤：

响应于所述车身的重心发生变化，获取其在第一时刻所检测到的第一距离数据与第二距离数据，和/或在第二时刻所检测到的第三距离数据与第四距离数据；

对第一至第四距离数据进行处理得出至少关于楼梯类型的第一信息；

响应于所述车身的重心发生变化而由第一清洁姿态以安全避障的方式转换至第二清洁姿态；

在所述第二清洁姿态下，响应于所述第一信息而由第二清洁姿态以主动近障的方式转换至第三清洁姿态；

同时对楼梯上相邻的至少两个梯面进行清洁。

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