CN1947637A

CN1947637A - 清洁机器人行走机构

Info

Publication number: CN1947637A
Application number: CN 200610124892
Authority: CN
Inventors: 熊蔡华; 王磊; 钱思; 熊有伦
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2007-04-18

Abstract

清洁机器人行走机构，属于机器人组成部件，旨在解决已有机器人行走机构的问题，实现任意方向的运动，通过简单算法达到工作环境的遍历。本发明在机械本体上安装驱动装置和传感器系统，(1)驱动装置由机械本体上等间距分布的三个驱动单元组成，每个驱动单元包括驱动电机、电机固定座、连接轴和移动轮；(2)传感器系统中红外传感器组安装在机械本体前后边缘，每组红外传感器组包括弧线形固定支架上的10－15对红外感应传感器；(3)传感器系统中超声波传感器组由机械本体左右两侧的超声波传感器构成。本发明通过三个轮子的驱动组合，依据传感器系统的信息，实现清洁机器人全方位运动，达到遍历目的，设计简单，成本低廉，大大提高清洁效果。

Description

清洁机器人行走机构

技术领域

本发明属于机电一体化领域的机器人组成部件，尤其涉及一种清洁机器人行走机构，能够使机器人以任意姿态全方位移动。

背景技术

清洁机器人主要用于室内，不需要人工操作而自主执行清洁工作，很多时候是在无人看护情况下，完成对家居环境的清洁任务。因此该机器人需要能够避开房间的任何物体，且能够最大限度地对房间的地面进行清扫。目前，已有诸多的研究机构和企业开发出清洁机器人样机，并有少量产品问世。纵观这些已有的清洁机器人，行走机构都是采用两轮驱动再加上一个辅助万向轮构成机器人驱动底盘，通过独立控制两轮的速度来实现前进、后退及转弯等，如美国iRobot公司生产的名字为“Roomba”的清洁机器人，其行走机构就是采用的两轮驱动，万向轮随动的方式，当遇到障碍物时，由传感器系统获得障碍物信息，控制器调用避障算法，控制两个驱动轮的移动配合来避开障碍物，由于它无法实现全方位移动，机器人要实现完整的遍历算法比较困难。还有如三星广州电子株式会社提出的用于机器人清洁器的驱动装置，采用的也是两轮驱动，第三轮随动的方式，驱动装置设计有减震单元，能够防止因为门槛或障碍物导致的驱动轮失转故障，但是由于不能方便地实现全方位移动，因此对提高机器人清洁器的清洁效率没有实质帮助。已有的清洁机器人传感器系统大致可以分为两种：

一种是由大量的碰撞传感器、超声波传感器和红外传感器等组合而成，为机器人提供局部无碰撞导航。该传感器系统应用于“两轮驱动—万向轮随动”的清洁机器人系统时，由于“两轮驱动——万向轮随动”的行走机构在避障时需要执行停止、转弯、调头或者调整行进方向等动作，这使得避障算法异常复杂，需要经过大量的计算才能确定避障路线；另外，由于是两轮驱动，行走机构无法实现任意环境状态下的全方位移动，因此往往机器人无法很好的执行预先设计好的完全覆盖路径规划，并且机器人会经常与障碍物发生碰撞。

另一种是通过CCD视觉传感器、激光雷达等建立环境地图，为机器人提供全局导航和定位信息。这种传感器系统尽管能够建立全局环境地图，能够预先获得工作环境的障碍物状况，但是数据处理量巨大，算法复杂，特征提取和深度信息恢复困难，因此应用起来局限性太大。另外，复杂的算法需要配置相应运算能力的控制器，这类控制器以及传感器本身往往价格昂贵，这也是现有的部分清洁机器人产品价格高达数千美元的原因。

发明内容

本发明提供一种机器人行走机构，旨在解决已有机器人行走机构存在的上述问题，实现以任意姿态朝任意方向的运动，通过简单的算法达到对工作环境的遍历。

本发明的一种清洁机器人行走机构，包括机械本体、驱动装置和传感器系统，机械本体为圆盘形，用来安装驱动装置和传感器系统，传感器系统由红外传感器组、超声波传感器组及信号处理电路组成，其特征在于：(1)驱动装置由在机械本体上等间距分布的三个驱动单元组成，每个驱动单元包括驱动电机、电机固定座、连接轴和移动轮；驱动电机通过电机固定座安装在机械本体上，移动轮通过连接轴与电机轴相连；(2)所述红外传感器组包括两组红外传感器组，每组红外传感器组由等间距安装在固定支架上的10-15对红外感应传感器构成，固定支架为弧线形，安装在机械本体的前后边缘；(3)所述超声波传感器组由分别安装在两个固定座上的两对超声波传感器构成，每对超声波传感器均由接受感应头和发射感应头组成，两个固定座对称安装在机械本体左右两侧；(4)所述信号处理电路包括红外传感器信号处理电路和超声波传感器信号处理电路，安装在机械本体上端面。

所述的清洁机器人行走机构，其进一步特征在于：(1)所述驱动电机为直流伺服电机；移动轮由两个全方位轮组成，两个全方位轮的相邻的两个子轮的中心与相应母轮的轴心的连线在空间呈15°-30°角，以保证移动轮在行走过程中始终以最大外轮廓圆与地面接触；端盖通过螺纹孔锁紧在所述连接轴的端部，防止移动轮在行走过程中轴向移动；(2)所述固定支架弧线对应的圆心角为120°-150°；所述固定座与机械本体圆盘中心的距离稍小于固定支架圆弧与机械本体圆盘中心的距离。

所述的清洁机器人行走机构，所述三个驱动单元可以机械本体圆盘中心为基点，分布于同一圆周上，相互间的角度为120°。

本发明采用由电机、全方位轮及相关组件构成三驱动轮底盘系统，每个移动轮既可由对应的电机来驱动，也可以作为随动轮沿轴向随动；本发明的超声波传感器探测角为30°，可以检测到以传感器本体为中心60度范围的障碍物，由弧形分布红外传感器组和超声波传感器组构成的传感器系统的探测范围能够覆盖清洁机器人周边360度的范围，在两者的探测范围结合的地方检测物体有一定的冗余，以保证一定的可靠性。当清洁机器人工作时，所述弧形红外传感器组和超声波传感器组不断探测机器人周边360°度范围内的障碍物，检测信号通过信号处理电路处理后送给机器人控制器加以判断处理，以此作为行走机构执行避障算法的依据。本发明通过三个轮子的驱动组合，依据传感器系统的信息，能够实现机器人周边360度障碍物检测，实现机器人全方位运动，达到遍历目的，设计简单，成本低廉，大大提高清洁机器人的清洁效果。

附图说明

图1为本发明的一个实施例底视图；

图2为图1中驱动单元在机械本体上的位置示意图；

图3为单个驱动单元示意图；

图4为驱动单元中的驱动轮示意图；

图5为本发明传感器系统在机械本体上的位置示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的行走机构包括机械本体1和驱动装置；机械本体1为圆盘形，用来安装行走机构和传感器系统，也是清洁机器人其它功能部件的载体，例如吸尘系统，包括：两个起尘毛刷1-1和1-3，电池组1-2，扫尘刷1-4，吸尘风机1-5和集尘盒1-6。驱动装置由三个驱动单元2-1、2-2和2-3组成。

如图2所示，三个驱动单元2-1、2-2和2-3需要以机械本体1圆盘中心为基点，分布于同一圆周2-4上，圆周半径根据清洁机器人设计要求，合理确定。每个驱动单元的移动轮轴线和驱动电机的电机轴轴线重合，称之为驱动单元中心线，驱动单元2-1的驱动单元中心线2-1-1，驱动单元2-2的驱动单元中心线2-2-1，驱动单元2-3的驱动单元中心线2-3-1，三个驱动单元的中心线在机械本体圆盘平面上的投影交于圆盘中心点，中心线间的夹角为120度。

如图3所示，每个驱动单元包括驱动电机3、电机固定座4、连接轴5、端盖6和移动轮7；驱动电机3为直流伺服电机，安装在电机固定座4上，电机固定座通过螺钉安装在机械本体1上，以此将驱动电机3锁紧；移动轮7通过键与连接轴5相连，连接轴5的一端通过止动螺钉与电机轴相连，端盖6通过螺纹孔锁紧在连接轴5的端部，防止移动轮7在行走过程中轴向移动。

如图4所示，移动轮7由两个全方位轮(TRANSWHEEL)7-1组成，该全方位轮有8个子轮，圆周分布在母轮的外圆周上。两个全方位轮的相邻的两个子轮7-2的中心与相应母轮7-1的轴心的连线7-3和7-4在空间呈15°-30°角，以保证移动轮在行走过程中始终以最大外轮廓圆与地面接触。对于驱动单元部件的设计，可以在保证实现相同功能的前提下，采取不同的方式。比如，全方位轮也可以采用16子轮的；也可为驱动单元加装防护罩，以保护驱动单元免受损害。

如图5所示，本发明的传感器系统包括弧形分布前红外传感器组8-1、后红外传感器组8-2，左超声波传感器组9-1、右超声波传感器组9-2以及相应的信号处理电路15。

前红外传感器组8-1和后红外传感器组8-2分别由13对红外感应传感器10及相应前固定支架11-1、后固定支架11-2构成，分别为弧形分布，前固定支架11-1、后固定支架11-2为弧线形，安装在机械本体1的前后边缘附近，弧线对应的圆心角12为130°，每组13对型号为JY043W的红外感应传感器等间距安装在固定支架上。左超声波传感器组9-1和右超声波传感器组9-2分别由型号为T/R-40的超声波传感器13及其左固定座14-1和右固定座14-2构成，两个固定座对称安装在机械本体左右两侧，型号为T/R-40的超声波传感器13由一个接收感应头和一个发射感应头组成，安装在固定座上。信号处理电路15为一块普通电路板，包括红外传感器信号处理电路和超声波传感器信号处理电路两部分，安装在机械本体1上端面，靠近前红外传感器组8-1。

从弧形分布红外传感器组和超声波传感器组在机械本体上的安装位置可以看出，传感器呈圆周分布，构成的传感器系统的探测范围能够覆盖清洁机器人周边360°的范围。避障算法中，系统将根据检测到障碍物的一个或几个传感器在机械本体圆周上分布的位置来确定障碍物方位信息，一旦检测到障碍物，控制器根据障碍物与机器人的相对方位，调用相应的避障策略。

本发明行走机构的控制信号由系统控制器输出，控制器为每一个驱动单元提供3个控制信号，分别为正向、反向和调速控制信号。根据具体避障策略，通过三个驱动单元的动作配合实现行走机构的前进、后退、左转、右转等动作，其中前进、后退的距离，左转、右转的角度由控制器控制。在机器人执行避障和路径规划算法时，由三个驱动单元动作的协同组合，实现柔性避障和精确路径覆盖。

在局部范围的遍历中，采用本发明的机器人行走采用矩形扫描算法，该算法的核心是设计三个驱动单元驱动电机的行走协作，使机器人在局部范围遇到障碍物时，可以无条件按照预先计划的任何方向和轨迹行走，不需要单步的停止、转向或倒退等电机动作。以满足避障的精确性和可靠性。其工作过程为，机器人通过三个驱动轮的组合沿着前方行走，当位于机器人前方的弧线形红外传感器检测到有障碍物时，经信号处理电路将信息传给控制器，控制器控制机器人沿左或者右侧横移一段距离，控制器此时控制机器人朝后方行进。在此过程中，机器人控制器控制行走机构按照避障算法预定好的方向移动，不需要做出单步的停止、左转或右转动、调头等动作来调整前进方向，避免了因为单步的停止、左转或右转动、调头等动作带来的误差影响局部范围遍历的精确性。再者，当位于机器人后方的弧线形红外传感器检测到有障碍物时，机器人沿着上次横移的方向继续移动一段距离，然后朝前方行进，直到再次碰到障碍物，如此反复进行。在横移过程中，侧面传感器也检测到障碍物的时候，说明一次局部遍历完成。辅助以一定的算法，将复杂空间划分成若干个局部子空间，即可实现机器人对复杂环境的遍历。

另外，当清洁环境障碍物比较复杂时，对于一般两轮驱动的清洁机器人来说，可能会因为进入三面都有障碍物的狭小空间而无法顺利走出该空间。本发明将能够很好的解决这一问题。三驱动轮行走机构的优点在于能够实现机器人的全方位移动，因此当机器人处于三面都有障碍物的狭小空间时，根据传感器系统的检测信息，能够很方便找到没有障碍物的一方，并以此方向为前进方向，走出该空间。

Claims

1.一种清洁机器人行走机构，包括机械本体、驱动装置和传感器系统，机械本体为圆盘形，用来安装驱动装置和传感器系统，传感器系统由红外传感器组、超声波传感器组及信号处理电路组成，其特征在于：(1)驱动装置由在机械本体上等间距分布的三个驱动单元组成，每个驱动单元包括驱动电机、电机固定座、连接轴和移动轮；驱动电机通过电机固定座安装在机械本体上，移动轮通过连接轴与电机轴相连；(2)所述红外传感器组包括两组红外传感器组，每组红外传感器组由等间距安装在固定支架上的10-15对红外感应传感器构成，固定支架为弧线形，安装在机械本体的前后边缘；(3)所述超声波传感器组由分别安装在两个固定座上的两对超声波传感器构成，每对超声波传感器均由接受感应头和发射感应头组成，两个固定座对称安装在机械本体左右两侧；(4)所述信号处理电路包括红外传感器信号处理电路和超声波传感器信号处理电路，安装在机械本体上端面。

2.如权利要求1所述的清洁机器人行走机构，其特征在于：(1)所述驱动电机为直流伺服电机；移动轮由两个全方位轮组成，两个全方位轮的相邻的两个子轮的中心与相应母轮的轴心的连线在空间呈15°-30°角，以保证移动轮在行走过程中始终以最大外轮廓圆与地面接触；端盖通过螺纹孔锁紧在所述连接轴的端部，防止移动轮在行走过程中轴向移动；(2)所述固定支架弧线对应的圆心角为120°-150°；所述固定座与机械本体圆盘中心的距离稍小于固定支架圆弧与机械本体圆盘中心的距离。

3.如权利要求1或2所述的清洁机器人行走机构，其特征在于，所述三个驱动单元以机械本体圆盘中心为基点，分布于同一圆周上，相互间的角度为120°。