CN114794991B - 一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人与智能控制技术领域，尤其涉及一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法，包括：步骤1、机器人采用与楼梯踢面平行的移动方式在楼梯踏面上移动；步骤2、当机器人前进到楼梯一端时，机器人停止运动；步骤3、机器人采用“S”形位姿调整方式调整机器人与楼梯踢面的距离；步骤4、当机器人的侧面测距传感器检测到机器人与楼梯踢面的距离到达设定要求时，运动停止，此时机器人与楼梯踏面之间保持平行，距离为d；步骤5、机器人的旋臂电机开始运动，旋臂电机通过旋转轴带动机器人两侧的旋臂进行旋转运动。本发明能够实现不转身下楼梯，大大缩短了机器人下楼时间，提高了效率，从而为其推广应用打下了良好基础。

Description

一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法

技术领域

本发明涉及机器人与智能控制技术领域，尤其涉及一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法。

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、会议室、体育场看台等包括楼梯的建筑越来越常见。楼梯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。在过去几十年中，已经提出或开发了各种爬楼或清洁方式。它们大多体积庞大、结构复杂且价格昂贵，阻碍了它们的实际应用。另外，这类机器人侧重点在于如何攀爬上，考虑的主要问题是如何越过各种不同的障碍或地形，对于完成楼梯或地面的清扫等关键问题少有涉及。楼梯清洁机器人一般应该具有在楼梯踏步上来回移动的能力以便完成清扫，也需要防止与上一级台阶的踢面磕碰，或者下楼过程中与台阶边缘的碰到时的有效处理，如转身或后退等。

现有技术中，哈尔滨工程大学已经研发三代爬楼机械。其中第一代采用双叶齿轮型结构初步实现平稳连续爬楼；第二代机器人解决了楼梯行走的障碍；第三代样机的四个轮子轮廓采用阿基米德线三叶轮可以使得机器人爬楼如走平地一样平稳，在楼梯与平地连接时的行走更胜一筹。但该机器人只能进行简单的爬楼动作，而不能在楼梯上转弯，无法实现楼梯全方位的清洁工作。

刘超中设计了一种八轮脚机构的楼梯清洁机器人，其上下楼平稳，可适应不同高度的楼梯，但该机器人体积过于庞大，不方便在楼梯上来回移动，造成机器人只能完成限定条件下的爬楼和小范围清扫动作，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，本申请提供一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法，有望填补此类空白，解决楼梯清洁机器人在楼梯踏步间清扫以及过渡的问题，对于楼梯清洁机器人推向实用化有着重要意义与价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法，能够实现不转身下楼梯，大大缩短了机器人下楼时间，提高了效率，从而为其推广应用打下了良好基础。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法，具体步骤如下：

步骤1、机器人采用与楼梯踢面平行的移动方式在楼梯踏面上移动；

步骤2、当机器人前进到楼梯一端(护栏或墙壁)时，机器人停止运动；

步骤3、机器人采用“S”形位姿调整方式调整机器人与楼梯踢面的距离；

步骤4、当机器人的侧面测距传感器检测到机器人与楼梯踢面的距离到达设定要求时，运动停止，此时机器人与楼梯踏面之间保持平行，机器人靠近踢面的一侧与踢面的距离为d；

步骤5、机器人的旋臂电机开始运动，旋臂电机通过旋转轴带动机器人两侧的旋臂进行旋转运动，在此过程中，机器人的支撑脚也随之旋转(在旋转过程中与车体始终保持平行)；

步骤6、机器人的支撑脚落在下一级台阶后，旋臂带动机器人车体运动，当机器人车体落在下一级台阶时，支撑脚缩回机器人车体两侧，整个下楼过程完成；

步骤7、机器人到达新一级台阶工作时，首先需要调整机器人与楼梯踢面距离，尽可能的贴近踢面，使得机器人扫刷可以扫到楼梯踏步面或休息平台与踢面的交汇处；

步骤8、机器人不转身，在新一级台阶采用与踢面平行的移动方式进行清扫。

优选地，在步骤3中，“S”形位姿调整方式的具体步骤如下：

步骤3.1、首先确定机器人的旋转半径为R＝278mm，此时机器人主动轮的左右轮均向左侧转动，且该转动速度之间存在速度差；

步骤3.2、结合速度瞬心法确定机器人的差速大小；

步骤3.3、机器人在运动过程中，机器人与右侧墙壁的距离d₂在增大，且机器人车身与楼梯踢面不再保持平行，重新确定反向调整；

步骤3.4、经过运动分析得出机器人后退距离，即机器人与右侧墙壁的距离d₂/2时，调整两个主动轮的转速，当机器人中心向左侧偏移d₂/2时，调换主动轮的左右轮转速，使得机器人进行一个反向圆弧运动；

步骤3.5、机器人在反向圆弧运动时，根据运动规律，当两个测距传感器测得的数据与d＝85mm接近时，机器人与楼梯踢面保持平行，此时机器人位姿调整结束，开始下楼运动。

优选地，在步骤3.5中，

若测得的距离d<85mm，且d＜L₃+γ，机器人需按S形调整位姿，可执行下楼动作；

若测得的d>85mm，但d＜L₃+γ，说明楼梯踏步面够宽，机器人准备下楼前，其不够接近踏步边缘，机器人需要按S形调整位姿，可执行下楼动作；

若测得的d>85mm，且d＞L₃+γ，若楼梯踏步宽度在国家标准以内，机器人不需要按S形调整位姿，可直接下楼；

其中，L₃为支撑脚落地时车体旋转中心与上一级台阶踢面距离，γ是个很小的与机器人结构有关的固定参数值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够实现不转身下楼梯，大大缩短了机器人下楼时间，提高了效率，从而为其推广应用打下了良好基础。

附图说明

图1为本发明楼梯清洁机器人的整体结构示意图；(a)机器人传感器、主动轮、万向轮、清扫装置结构分布图；(b)机器人旋臂与主动轮结构分布图；

图2为本发明楼梯清洁机器人踏步清扫结束侧视图；

图3为本发明楼梯清洁机器人过渡示意图；

图4为本发明楼梯清洁机器人下楼过程示意图；

图5为本发明楼梯清洁机器人位姿调整下楼示意图；

图6为本发明楼梯清洁机器人S形后退示意图；

图7为本发明楼梯清洁机器人下楼过程分析示意图；(a)机器人安全落地示意图；(b)机器人落地时车轮悬空示意图；

图8为本发明楼梯清洁机器人旋臂与楼梯边缘接触分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明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，基于本发明中的实施例，本领域普通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。

一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法，参照图1，该楼梯清洁机器人在机器人车身底部关于中轴线对称设有两个主动轮，在机器人车身底部前、后端各设有一个前轮和后轮，做万向轮使用，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯；在机器人车身底部边缘安装四个由电机驱动的清扫边刷。在机器人车身一侧安装有两个测距传感器，用于检测机器人车身与墙壁的距离，为机器人在踏步移动以及下楼位姿调整提供信息依据。在机器人车身底部安装有向下探测的两个接近传感器，接近传感器可在一定范围内，探测其正前方是否存在遮挡，接近传感器主要用于检测机器人清扫过程中一侧是否为空，防止机器人在行走过程中跌落。

其中，连续楼梯的清扫工作是单级楼梯清洁的整合，而机器人能否安全下楼则是机器人连续运作的重要保证。这里机器人在楼梯踏面上采用的是一种与楼梯踢面平行的移动方式，该方式可以一定程度上保证机器人在踏步上的防碰撞问题。当机器人完成一级台阶踏面清洁时，需要准备下楼，如图2所示。

该机器人的下楼方式采用的是圆周平动式上下楼原理(即：平动旋转腿式上下楼方法)，仅需一个电机驱动两侧旋臂即可使机器人完成下楼动作。为实现机器人下楼不转身，设计了驱动旋臂的旋转轴与主动轮方向一致(即主动轮轮轴与旋转轴垂直)，如图1所示。如此，机器人在旋臂带动下到达下一级台阶后，不必转身，而可以直接在主动轮驱动下，使机器人在楼梯踏步上来回移动，即采用类似螃蟹横着爬行的方式，如图3所示。该机器人不转身的优点是大大缩短了机器人下楼时间(因为不转身)，提高了效率，从而为其推广应用打下了良好基础。

参照图1-8，该楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法，具体步骤如下：

步骤1、机器人采用与楼梯踢面平行的移动方式在楼梯踏面上移动；

步骤2、当机器人前进到楼梯一端(护栏或墙壁)时，机器人停止运动；

步骤3、机器人采用“S”形位姿调整方式调整机器人与楼梯踢面的距离；

步骤4、当机器人的侧面测距传感器检测到机器人与楼梯踢面的距离到达设定要求时，运动停止，此时机器人与楼梯踏面之间保持平行，机器人靠近踢面的一侧与踢面的距离为d；

步骤5、机器人的旋臂电机开始运动，旋臂电机通过旋转轴带动机器人两侧的旋臂进行旋转运动，在此过程中，机器人的支撑脚也随之旋转(在旋转过程中与车体始终保持平行)；

步骤6、机器人的支撑脚落在下一级台阶后，旋臂带动机器人车体运动，当机器人车体落在下一级台阶时，支撑脚缩回机器人车体两侧，整个下楼过程完成；

步骤7、机器人到达新一级台阶工作时，首先需要调整机器人与楼梯踢面距离，尽可能的贴近踢面，使得机器人扫刷可以扫到楼梯踏步面或休息平台与踢面的交汇处；

步骤8、机器人不转身，在新一级台阶采用与踢面平行的移动方式进行清扫。

其中，参照图4，楼梯清洁机器人驱动旋转的是旋臂，两个对称的支撑脚和旋臂分布在机器人两侧以支撑车体实现上下楼运动。当机器人完成单级楼梯清洁时，旋臂电机通过旋转轴控制两个旋臂进行圆周运动。

当机器人的旋臂绕主体旋转，同时带动支撑脚旋转；当支撑脚落在较低的楼梯上时，主体通过旋臂从较高的楼梯上移开；当支撑脚缩回主体的一侧时，整个下楼过程完成。

机器人旋臂在旋转过程中，旋臂与楼梯边缘会出现提前接触现象，此时支撑脚会出现悬空。由于本发明的不转身下楼要求，主动轮设计的与踢面边缘线相平行(即主动轮轮轴与踢面边缘线相垂直)。若此时旋臂继续运动，则机器人可能会被横向拖动，对楼梯和机器人造成损伤，因此机器人在下楼前需要调整好位姿，才能保证机器人的旋臂与楼梯边缘有足够的间隙，机器人才能更好的完成下楼动作，如图5所示。

当机器人到达楼梯末端时，调整机器人侧面与上一级楼梯踢面的距离d才能保证机器人顺利下楼，如图6(a)虚线所示，机器人在楼梯踏面上是平行于踢面的移动方式，普通的车轮无法直接进行垂直踢面的运动，则机器人要到达图中虚线位置，只能进行圆弧运动；而楼梯是个狭小的空间，这就要求机器人在圆弧运动的同时增大与楼梯踢面和墙面的距离。机器人采用边后退边S形转向的方式移动，即机器人在后退增大与右侧墙壁距离的同时弧形运动增大与上一级台阶踢面的距离，其运动路径形成一个类似“S”的轨迹，如图6(c)所示，这样可以有效保证机器人圆弧运动时与踢面不发生碰撞。而机器人的后撤距离以及与踢面距离需要通过下楼过程进行计算。具体办法如下：增大转身半径，O点在图6(b)位置，由此可以得到数学关系式：因此可以得到R值应该满足：/>关于该转弯半径R的实现，左右轮以一定差速同向转动，结合速度瞬心法确定差速大小。为使得机器人调整位姿时不与墙壁发生碰撞，则后退的距离d₂应该满足：d₂≥R-a/2。根据实际情况可知，机器人与上一级台阶踢面的距离d＝85mm(需要由下面的运动过程分析获得)，设计的机器人尺寸长度a为400mm，由此得：R＝278mm，d₂≥78mm。

具体的，“S”形位姿调整方式具体步骤如下：

步骤3.1：首先确定机器人的旋转半径为R＝278mm，此时机器人主动轮的左右轮均向左侧转动(即不再是反方向转动)，但该转动速度之间存在一定的速度差；

步骤3.2：结合速度瞬心法确定机器人的差速大小；

步骤3.3：机器人在运动过程中，机器人与右侧墙壁的距离d₂在增大，且机器人车身与楼梯踢面不再保持平行，而位姿调整的核心是机器人与踢面的平行距离，故需要确定反向调整(即机器人主动轮转向不变的情况下，主动轮的左右轮转速调换)；

步骤3.4：经过运动分析得出机器人后退距离，即机器人与右侧墙壁的距离d₂/2时，调整两主动轮(即车轮)转速，机器人运动调节更方便。故当机器人中心向左侧偏移d₂/2时，调换主动轮的左右轮转速，使得机器人进行一个反向圆弧运动；

步骤3.5：机器人在反向圆弧运动时，根据运动规律，当两个测距传感器测得的数据与d＝85mm接近时，机器人与楼梯踢面应该保持平行，此时机器人位姿调整结束，可以开始下楼运动。

上述分析可知机器人的运动轨迹是两个连接的圆弧，形成一段“S”形轨迹，故称作“S”形位姿调整方式，其调整方式是楼梯下楼过程中的一个局部微调过程。

当机器人从一级台阶降落到下一级台阶，首先需要保证机器人落地时车体能够安全落在台阶踏面上，不至出现机器人车轮悬空而导致车体失衡，如图7(b)所示：

L₀:楼梯踏面宽度；

L₁：支撑脚落地时车体旋转中心与驱动轮左侧轮面距离；

L₂：支撑脚落地时车体旋转中心与驱动轮右侧轮面距离；

L₃：支撑脚落地时车体旋转中心与上一级台阶踢面距离；

L₄：支撑脚落地时车体旋转中心与落地级台阶踢面距离(L₀＝L₃+L₄)；

c：单个车轮宽度。

当L₄≥L₂时，机器人靠近楼梯边缘一侧的车轮可以完全落在台阶踏面上，则机器人可以安全下楼；若L₄＜L₂，则机器人右侧车轮会出现部分悬空或完全悬空，进而导致机器人跌落。

机器人的旋臂在旋转运动时，支撑脚始终保持与车体的平行，机器人安全下楼运动前提是旋臂与楼梯边缘不提前发生碰撞，若x₁≥d₁，则说明机器人支撑脚落地时，旋臂与楼梯边缘保持了一定距离，机器人可以顺利完成下楼运动，即支撑脚落地时，旋臂与楼梯台阶边缘存在间隙；若旋臂与台阶边缘提前接触，即x₁＜d₁，则说明机器人在小臂与下一级台阶踏面接触前，旋臂与楼梯边缘就发生碰撞，车体会被横向拖动，造成机器人车轮与楼梯损伤，需采用“S”形位姿调整方式调整机器人姿态。

参照图8，本发明机器人结构的各参数的关系，如下所示：

L₅：一级楼梯高度；

L₆：机器人旋臂旋转中心与楼梯踏面距离；

L₇：支撑脚落地时车体旋转中心与楼梯踏面距离；

l：机器人旋臂两旋转轴中心距离

r：支撑脚落地时车体旋转中心与楼梯踏面距离

x₁：用于确定机器人旋臂与楼梯边缘是否接触的动态量；

d₁：支撑脚落地时机器人旋臂旋转中心与楼梯踢面水平距离；

α：支撑脚落地时旋臂与踢面的夹角。

d₁＝L₄-L₂-x

L₄＝L₀-L₃

从上式可以得到机器人的旋臂落地姿态条件：

L₃≥L₀-L₂-x-x₁

将机器人安全落地姿态与旋臂落地姿态条件连立方程可得：

根据上述计算式与国家标准规定楼梯踏步标准，可以得到：

实际应用时，直接根据x₁是否大于d₁调整机器人的位姿有困难，理论上要求d＝L₃+γ，其中γ是个很小的与机器人结构有关的固定参数值。因此调整机器人的位姿，将根据实际与理论上要求的d＝L₃+γ与d＝85mm比较进行。具体的按如下实施：

若测得的d<85mm但d＞L₃+γ，说明楼梯踏步面偏窄，对于楼梯踏步宽度不在国家标准范围内的过窄楼梯，如L₀<260mm，本发明相关的机器人不一定能成功，因此本发明不考虑应对此类踏步宽度过窄的楼梯。若楼梯踏步宽度在国家标准以内，机器人虽可能磕碰楼梯踏步边缘或横向拖动主动轮(即车轮)，但不按S形调整位姿而直接下楼；

若测得的d<85mm，且d＜L₃+γ，机器人需按S形调整位姿，方可执行下楼动作；

若测得的d>85mm但d＜L₃+γ，说明楼梯踏步面够宽，机器人准备下楼前，其不够接近踏步边缘，机器人需要按S形调整位姿，方可执行下楼动作；

若测得的d>85mm且d＞L₃+γ，若楼梯踏步宽度在国家标准以内，机器人不需要按S形调整位姿，可直接下楼。

另外，需要说明的是，对于踏步宽度不过窄，即大于260mm的楼梯，本发明相关的机器人可以保证成功下楼；对于楼梯踏步宽度过窄的楼梯，如L<260mm，本发明相关的机器人不一定能成功，因此本发明不考虑应对此类踏步宽度过窄的楼梯。

本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种楼梯清洁机器人的不转身下楼梯控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、机器人采用与楼梯踢面平行的移动方式在楼梯踏面上移动；

步骤2、当机器人前进到楼梯一端时，机器人停止运动；

步骤3、机器人采用“S”形位姿调整方式调整机器人与楼梯踢面的距离；

步骤4、当机器人的侧面测距传感器检测到机器人与楼梯踢面的距离到达设定要求时，运动停止，此时机器人与楼梯踏面之间保持平行，机器人靠近踢面的一侧与踢面的距离为d；

步骤5、机器人的旋臂电机开始运动，旋臂电机通过旋转轴带动机器人两侧的旋臂进行旋转运动，在此过程中，机器人的支撑脚也随之旋转；

步骤6、机器人的支撑脚落在下一级台阶后，旋臂带动机器人车体运动，当机器人车体落在下一级台阶时，支撑脚缩回机器人车体两侧，整个下楼过程完成；

步骤7、机器人到达新一级台阶工作时，首先需要调整机器人与楼梯踢面距离，使其贴近踢面，使得机器人扫刷扫到楼梯踏步面或休息平台与踢面的交汇处；

步骤8、机器人不转身，在新一级台阶采用与踢面平行的移动方式进行清扫；

在步骤3中，“S”形位姿调整方式的具体步骤如下：

步骤3.1、首先确定机器人的旋转半径为R＝278mm，此时机器人主动轮的左右轮均向左侧转动，且该转动速度之间存在速度差；

步骤3.2、结合速度瞬心法确定机器人的差速大小；

步骤3.3、机器人在运动过程中，机器人与右侧墙壁的距离d₂在增大，且机器人车身与楼梯踢面不再保持平行，重新确定反向调整；

步骤3.4、经过运动分析得出机器人后退距离，即机器人与右侧墙壁的距离大于d₂/2时，调整两个主动轮的转速，当机器人中心向左侧偏移d₂/2时，调换主动轮的左右轮转速，使得机器人进行一个反向圆弧运动；

步骤3.5、机器人在反向圆弧运动时，根据运动规律，当两个测距传感器测得的数据与d＝85mm接近时，机器人与楼梯踢面保持平行，此时机器人位姿调整结束，开始下楼运动；

在步骤3.5中，

若测得的距离d<85mm，且d＜L₃+γ，机器人需按S形调整位姿，可执行下楼动作；

若测得的距离d>85mm，但d＜L₃+γ，说明楼梯踏步面够宽，机器人准备下楼前，其不够接近踏步边缘，机器人需要按S形调整位姿，可执行下楼动作；

若测得的距离d>85mm，且d＞L₃+γ，若楼梯踏步宽度在国家标准以内，机器人不需要按S形调整位姿，可直接下楼；

其中，L₃为支撑脚落地时车体旋转中心与上一级台阶踢面距离，其中γ是固定参数值。