CN112975995B - 一种服务机器人底盘防跌落阵列装置及防跌落方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种服务机器人底盘防跌落阵列装置及防跌落方法，装置包括信号采集与逻辑处理电路和与其连接的若干个设置在机器人底盘的防跌落传感器阵列。方法包括当设置在服务机器人底盘的防跌落传感器阵列中的三个防跌落传感器先后经过沿前进方向地面颜色、亮度变化的交界时，分别按时序输出组合防跌落传感器信号，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”操作后输出防止误触发的判别跌落信号给机器人控制器用于规划行走路线避免误判别。本发明可以有效解决防跌落传感器因为机器人通过有表面颜色、亮度变化的地面时产生的误触发问题，且增加了机器人软件在真正遇到悬崖时的反应时间，提高了规避悬崖的成功率，大大提升服务机器人底盘的运动性能和用户体验。

Description

一种服务机器人底盘防跌落阵列装置及防跌落方法

技术领域

本发明属于室内服务机器人底盘领域，可广泛应用在公共服务、政务办理、家庭养老等服务场景。

背景技术

目前移动型的服务机器人底盘普遍配有防跌落传感器，用来检测台阶、桌沿等边界，防止机器人在运动中跌落。而实际应用中加了防跌落传感器的机器人仍然偶发会出现意外跌落的现象，并且在运动时还会出现前方没有障碍物但机器人意外回退、转向等现象。主要原因是防跌落传感器是基于红外光反射原理，而太阳光中包含红外光谱成分，太阳光照射到地面产生反射，容易对防跌落传感器测量的数据造成影响。并且红外光对反射面的颜色、光滑程度比较敏感，当机器人底盘在地面上运动时，如果地面(即反射面)颜色、亮度发生突然变化，就容易在变化交界处(例如白天阳光照到地面上，会与地面上阳光照不到的地方形成一条交界线)发生防跌落误触发，导致机器人认为前方有悬崖边界，开始进行运动规避，就会出现意外回退、转向等现象。对于防跌落传感器的这种缺陷，目前的解决办法是增加软件延时滤波，过滤掉突变的传感器数据。但这样就牺牲了正常情况下防跌落传感器检测到悬崖后的机器人反应时间，容易导致机器人检测到悬崖后来不及规避，仍然跌落。

发明内容

本发明主要解决上述两个问题，即机器人在运动过程中会偶发运动异常，如回退、转向等问题，以及遇到悬崖边界停不下来仍然跌落的问题。

一种服务机器人底盘防跌落阵列装置，包括信号采集与逻辑处理电路和与其连接的若干个设置在机器人底盘的防跌落传感器阵列，信号采集与逻辑处理电路还连接机器人控制器，防跌落传感器阵列输出红外距离信号，信号采集与逻辑处理电路对接收的红外距离信号进行逻辑与操作后输出防跌落指令给机器人控制器；用于机器人控制器控制行走路线，使得当服务机器人底盘通过有表面颜色、亮度变化的地面交界时避免产生误判别。

所述若干防跌落传感器阵列均匀设置于前进方向的机器人底盘边沿。

所述防跌落传感器阵列包括三个防跌落传感器，并且三个防跌落传感器的中心连线构成等边三角形。

所述三个防跌落传感器为两两相邻设置在机器人底盘上。

所述防跌落传感器为红外传感器。

所述信号采集与逻辑处理电路包括红外信号采集电路、电压比较电路、“逻辑与”电路，用于对采集的组合防跌落传感器信号依次进行电压比较、逻辑与操作后输出防止误触发的判别跌落信号。

所述有表面颜色、亮度变化的地面交界是指光线照射不同程度的地面交界。

一种服务机器人底盘防跌落方法，包括：当设置在服务机器人底盘的防跌落传感器阵列中的三个防跌落传感器先后经过沿前进方向地面颜色、亮度变化的交界时，分别按时序输出组合防跌落传感器信号，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”操作后输出防止误触发的判别跌落信号给机器人控制器用于规划行走路线。

具体包括：

①当服务机器人底盘沿前进方向向地面颜色、亮度变化交界运动时，运动过程中首先由防跌落传感器阵列1中的防跌落传感器1通过地面颜色、亮度变化交界，此时防跌落传感器1被误触发，输出信号“逻辑1”，防跌落传感器2和防跌落传感器3未被触发，输出信号“逻辑0”，则该三个传感器信号经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

当防跌落传感器1通过地面颜色、亮度变化交界后，红外误触发信号复位，输出“逻辑0”，此时防跌落传感器阵列1的三个传感器均输出信号“逻辑0”，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

当服务机器人底盘继续向前运动，防跌落传感器2和防跌落传感器3被误触发，均输出信号“逻辑1”，但防跌落传感器1信号未被误触发，输出信号“逻辑0”，则三个信号经过“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

服务机器人底盘继续向前运动，当防跌落传感器阵列1的3个防跌落传感器全部通过地面颜色、亮度变化交界后，防跌落传感器阵列1的3个防跌落传感器信号均复位，输出“逻辑0”，经过“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；使防跌落阵列1在服务机器人底盘通过地面颜色、亮度变化交界的整个过程中，都不会被误触发，保证机器人的行走轨迹正常；

②当服务机器人底盘经过真实地面落差边界后，防跌落传感器阵列1的三个防跌落传感器会陆续被触发输出“逻辑1”，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后则输出“逻辑1“信号给机器人控制器；此时中断触发跌落信号有效，触发机器人控制器外部中断，机器人控制器做出相应的停止、后退、转弯的规避动作；

其中，“逻辑0”表示前方地面平坦适宜行走，“逻辑1”为跌落信号表示前方地面有落差。

本发明的有益效果是：

本发明在成本增加较小的情况下通过这种防跌落阵列及硬件滤波的方式可以有效解决防跌落传感器因为机器人通过有表面颜色、亮度变化的地面时产生的误触发问题，且增加了机器人软件在真正遇到悬崖时的反应时间，提高了规避悬崖的成功率，大大提升了服务机器人底盘的运动性能和用户体验。

附图说明

图1为本发明的一种服务机器人底盘防跌落阵列结构示意图；

图2为信号采集与逻辑处理电路；

图3为防跌落阵列局部放大图；

图4为全局示意图；

其中：1为防跌落传感器，2为防跌落传感器，3为防跌落传感器，4为服务机器人底盘，5为防跌落传感器阵列，6为防跌落传感器阵列，7为防跌落传感器阵列，8为底盘运动轮，9为地面，10为地面颜色、亮度变化交界，11为信号采集与逻辑处理电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种服务机器人底盘防跌落阵列装置及防跌落方法，将目前常规设计方法中的一个检测点布置一个防跌落传感器改为一个检测点布置三个防跌落传感器，并且这三个传感器以60°夹角紧凑排布组成的防跌落传感器阵列，即用三个传感器组成的阵列取代原来一个传感器。由于防跌落传感器机械尺寸较小，且三个防跌落传感器排布紧凑，从机器人底盘运动角度来说，可近似理解为还是一个传感器。

这样当服务机器人底盘通过有表面颜色、亮度变化明显的地面(即反射面)时，由于三个防跌落传感器位置有微小的差异，在通过变化交界时，三个传感器会陆续通过地面变化交界处。例如机器人底盘在向变化交界处运动时，当先一个或两个防跌落传感器会先通过变化交界，并在通过时被误触发，通过后又会恢复为未被触发状态，而这时后通过变化交界的防跌落传感器在通过变化交界处时才会被误触发，由于三个防跌落传感器呈60度夹角排布，可以保证机器人底盘不论从任何方向通过变化交界时都不会有三个传感器同时被触发的情况，且由于排布紧凑，因阵列布局带来的延时非常小，可以忽略不计。

利用三个传感器通过变化交界时被误触发的时序上的微小差别，在硬件上进行滤波，即将三个防跌落传感器的信号进行“逻辑与”操作，过滤掉阵列中因一个或两个防跌落传感器被误触发导致的信号错误，将三个传感器信号过滤后以一个信号的形式通过外部中断方式输出给机器人控制器，用于软件实时处理。“逻辑与”操作的好处是对软件来说防跌落传感器仍然只是一个，误触发的问题已经通过硬件滤波解决，软件处理上不需增加额外的负担，并且不需做软件滤波，增加了机器人控制器的响应时间。由于防跌落传感器的单只价格相对低廉，所以在成本增加较小的情况下通过这种传感器阵列硬件滤波的方式可以有效解决防跌落传感器因为机器人通过有表面颜色、亮度变化的地面时产生的误触发问题，且增加了机器人软件在真正遇到悬崖时的反应时间，提高了规避悬崖的成功率，大大提升了服务机器人底盘的运动性能和用户体验。

如图1-4所示，一种服务机器人底盘防跌落阵列装置及方法，实现如下：

由防跌落传感器1、防跌落传感器2、防跌落传感器3呈60度夹角紧密排布组成一个防跌落传感器阵列。在服务机器人底盘边沿部分放置有防跌落传感器阵列1、防跌落传感器阵列2、防跌落传感器阵列3。三个防跌落传感器阵列均匀分布于服务机器人底盘的前半部分。

信号采集与逻辑处理电路11的结构包括：红外信号采集电路、电压比较电路、“逻辑与”电路。红外信号采集电路采集红外光二极管上产生的电压，再经过电压比较电路比较，产生逻辑电平信号，并将防跌落阵列中的三个传感器逻辑电平接入到“逻辑与”芯片中进行与操作，然后输出给机器人控制器。

当服务机器人底盘沿前进方向向地面颜色、亮度变化交界运动时，运动过程中首先由防跌落传感器阵列1中的防跌落传感器1通过地面颜色、亮度变化交界，此时防跌落传感器1被误触发，硬件上此传感器信号为“逻辑1”，防跌落传感器2和防跌落传感器3未被触发，硬件上这两个传感器信号为“逻辑0”，则此三个传感器信号硬件“逻辑与”后输出给机器人控制器的防跌落信号仍为“逻辑0”，机器人控制器过滤掉误触发；当防跌落传感器1通过地面颜色、亮度变化交界后，信号恢复正常，此时三个传感器信号硬件上均为“逻辑0”，经过“逻辑与”后输出给机器人控制器的防跌落信号仍为“逻辑0”；当服务机器人底盘继续向前运动，防跌落传感器2和防跌落传感器3被误触发，这两个传感器信号硬件上为“逻辑1”，但由于防跌落传感器1信号未被误触发，硬件上为“逻辑0”，所以三个信号经过“逻辑与”后输出给机器人控制器的防跌落信号仍为“逻辑0”；服务机器人底盘继续向前运动，当3个防跌落传感器即整个防跌落阵列1都通过地面颜色、亮度变化交界后，防跌落传感器阵列1的3个防跌落传感器信号均恢复正常，所以三个信号经过“逻辑与”后输出给机器人控制器的防跌落信号仍为“逻辑0”。这样可以使防跌落阵列1在服务机器人底盘通过地面颜色、亮度变化交界的整个过程中，都不会被误触发，保证机器人的正常运动。

上述情况是假定防跌落传感器阵列1的三个防跌落传感器会被误触发，如果防跌落阵列1中的三个防跌落传感器有未被误触发的情况时，则未被误触发的传感器信号为“逻辑0”，阵列中三个防跌落传感器信号经过“逻辑与”后输出给机器人控制器的防跌落信号仍为“逻辑0”，所以增加防跌落传感器阵列后机器人底盘的正常运动不会受影响。

同理，当服务机器人底盘的其它两个防跌落传感器阵列通过地面颜色、亮度变化交界时，经过上述硬件滤波方法仍可保证输出给机器人控制器的防跌落信号是不会被误触发的。

当服务机器人底盘前进到悬崖边缘时，按照前进方向防跌落传感器阵列1的三个防跌落传感器会陆续被触发，当全部被触发后，三个防跌落传感器信号经过逻辑处理电路进行“逻辑与”后输出“逻辑1”信号给机器人控制器。此时中断触发信号有效，触发机器人控制器外部中断，锁存输出给机器人控制器的经过逻辑处理电路处理的防跌落传感器阵列信号。机器人软件程序判断锁存的各传感器阵列信号哪个被触发，并做相应的停止、后退、转弯等规避动作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种服务机器人底盘防跌落阵列装置，其特征在于，包括信号采集与逻辑处理电路和与其连接的若干个设置在机器人底盘的防跌落传感器阵列，信号采集与逻辑处理电路还连接机器人控制器，防跌落传感器阵列输出红外距离信号，信号采集与逻辑处理电路对接收的红外距离信号进行逻辑与操作后输出防跌落指令给机器人控制器；用于机器人控制器控制行走路线，使得当服务机器人底盘通过有表面颜色、亮度变化的地面交界时避免产生误判别，其中，①当服务机器人底盘沿前进方向向地面颜色、亮度变化交界运动时，运动过程中首先由防跌落传感器阵列1中的防跌落传感器1通过地面颜色、亮度变化交界，此时防跌落传感器1被误触发，输出信号“逻辑1”，防跌落传感器2和防跌落传感器3未被触发，输出信号“逻辑0”，则该三个传感器信号经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

当防跌落传感器1通过地面颜色、亮度变化交界后，红外误触发信号复位，输出“逻辑0”，此时防跌落传感器阵列1的三个传感器均输出信号“逻辑0”，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

当服务机器人底盘继续向前运动，防跌落传感器2和防跌落传感器3被误触发，均输出信号“逻辑1”，但防跌落传感器1信号未被误触发，输出信号“逻辑0”，则三个信号经过“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

服务机器人底盘继续向前运动，当防跌落传感器阵列1的3个防跌落传感器全部通过地面颜色、亮度变化交界后，防跌落传感器阵列1的3个防跌落传感器信号均复位，输出“逻辑0”，经过“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；使防跌落阵列1在服务机器人底盘通过地面颜色、亮度变化交界的整个过程中，都不会被误触发，保证机器人的行走轨迹正常；

②当服务机器人底盘经过真实地面落差边界后，防跌落传感器阵列1的三个防跌落传感器会陆续被触发输出“逻辑1”，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后则输出“逻辑1“信号给机器人控制器；此时中断触发跌落信号有效，触发机器人控制器外部中断，机器人控制器做出相应的停止、后退、转弯的规避动作；

其中，“逻辑0”表示前方地面平坦适宜行走，“逻辑1”为跌落信号表示前方地面有落差。

2.根据权利要求1所述的一种服务机器人底盘防跌落阵列装置，其特征在于,所述若干防跌落传感器阵列均匀设置于前进方向的机器人底盘边沿。

3.根据权利要求1所述的一种服务机器人底盘防跌落阵列装置，其特征在于,所述防跌落传感器阵列包括三个防跌落传感器，并且三个防跌落传感器的中心连线构成等边三角形。

4.根据权利要求3所述的一种服务机器人底盘防跌落阵列装置，其特征在于,所述三个防跌落传感器为两两相邻设置在机器人底盘上。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种服务机器人底盘防跌落阵列装置，其特征在于，所述防跌落传感器为红外传感器。

6.根据权利要求1所述的一种服务机器人底盘防跌落阵列装置，其特征在于，所述信号采集与逻辑处理电路包括红外信号采集电路、电压比较电路、“逻辑与”电路，用于对采集的组合防跌落传感器信号依次进行电压比较、逻辑与操作后输出防止误触发的判别跌落信号。

7.根据权利要求1所述的一种服务机器人底盘防跌落阵列装置，其特征在于，所述有表面颜色、亮度变化的地面交界是指光线照射不同程度的地面交界。

8.一种服务机器人底盘防跌落方法，其特征在于，包括：当设置在服务机器人底盘的防跌落传感器阵列中的三个防跌落传感器先后经过沿前进方向地面颜色、亮度变化的交界时，分别按时序输出组合防跌落传感器信号，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”操作后输出防止误触发的判别跌落信号给机器人控制器用于规划行走路线；

①当服务机器人底盘沿前进方向向地面颜色、亮度变化交界运动时，运动过程中首先由防跌落传感器阵列1中的防跌落传感器1通过地面颜色、亮度变化交界，此时防跌落传感器1被误触发，输出信号“逻辑1”，防跌落传感器2和防跌落传感器3未被触发，输出信号“逻辑0”，则该三个传感器信号经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

当防跌落传感器1通过地面颜色、亮度变化交界后，红外误触发信号复位，输出“逻辑0”，此时防跌落传感器阵列1的三个传感器均输出信号“逻辑0”，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

当服务机器人底盘继续向前运动，防跌落传感器2和防跌落传感器3被误触发，均输出信号“逻辑1”，但防跌落传感器1信号未被误触发，输出信号“逻辑0”，则三个信号经过“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；

服务机器人底盘继续向前运动，当防跌落传感器阵列1的3个防跌落传感器全部通过地面颜色、亮度变化交界后，防跌落传感器阵列1的3个防跌落传感器信号均复位，输出“逻辑0”，经过“逻辑与”后输出“逻辑0”给机器人控制器；使防跌落阵列1在服务机器人底盘通过地面颜色、亮度变化交界的整个过程中，都不会被误触发，保证机器人的行走轨迹正常；

②当服务机器人底盘经过真实地面落差边界后，防跌落传感器阵列1的三个防跌落传感器会陆续被触发输出“逻辑1”，经过信号采集与逻辑处理电路的“逻辑与”后则输出“逻辑1“信号给机器人控制器；此时中断触发跌落信号有效，触发机器人控制器外部中断，机器人控制器做出相应的停止、后退、转弯的规避动作；

其中，“逻辑0”表示前方地面平坦适宜行走，“逻辑1”为跌落信号表示前方地面有落差。

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