CN210300858U - 一种可上下楼的扫地机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可上下楼的扫地机器人，包括底盘、环境感知机构以及清扫机构，所述环境感知机构信号连接有控制系统，控制系统的一侧电连接有可使底盘保持水平姿态并进行移动的运动机构；运动机构包括位于底盘两端的防滑前轮以及防滑后轮，防滑前轮与防滑后轮的一侧均设置有可带动防滑前轮、防滑后轮正反转的驱动电机，底盘上还设置有可使底盘保持水平姿态的伸缩件，伸缩件的自由端与驱动防滑前轮转动的驱动电机相连接，环境感知机构包括有姿态传感器，控制系统根据姿态传感器对底盘倾斜的检测数据来控制伸缩件运动以将底盘调整至水平状态。本实用新型具有以下有益效果：该扫地机器人清扫范围不再局限于同一层的房间，并且可以清扫楼梯。

Description

一种可上下楼的扫地机器人

技术领域

本实用新型涉及一种清扫设备，特别涉及一种可上下楼的扫地机器人。

背景技术

打扫房间是每个家庭都必须要做的一件事情，让房间保持一个干净整洁的状态才能让我们有一个健康良好的生活环境。以前打扫房间需要人工进行，费时费力，床和沙发下空间狭小更是难以打扫。扫地机器人的出现，让我们从打扫房间的劳累中解放出来，只要设定了时间和需要打扫的房间，扫地机器人便会在规定的时间将房间打扫好，十分的方便。

现如今许多家庭可能居住在复式公寓、别墅或者其他多层的房子中，传统的扫地机器人无法攀爬楼梯，无法对多层的房子进行打扫，如果需要打扫楼上的房间需要将扫地机器人搬到楼上，这无疑给生活带来了不便。拥有多层的房子必然会有楼梯，那楼梯是我们每天必然会经过的地方，会产生积累大量灰尘，想要打扫楼梯也是一件比较麻烦的事情。因此传统的扫地机器人已经无法满足用户的需求，因而有待改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可上下楼的扫地机器人，该扫地机器人清扫范围不再局限于同一层的房间，并且可以清扫楼梯，相较于传统的扫地机器人而言更加灵活地进行扫地工作。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种可上下楼的扫地机器人，包括底盘以及位于底盘上的环境感知机构、清扫机构，所述环境感知机构信号连接有控制系统，所述控制系统的一侧电连接有可使底盘保持水平姿态并进行移动的运动机构；

所述运动机构包括位于底盘两端的防滑前轮以及防滑后轮，所述防滑前轮与防滑后轮的一侧均设置有可带动防滑前轮、防滑后轮正反转的驱动电机，每个所述驱动电机均与控制系统相连接，所述底盘上还设置有可使底盘保持水平姿态的伸缩件，所述伸缩件的自由端穿过底盘与驱动防滑前轮转动的驱动电机相连接，所述环境感知机构包括有位于底盘上的姿态传感器，当所述姿态传感器检测到底盘发生倾斜时，所述控制系统可根据姿态传感器检测数据来控制伸缩件运动以将底盘调整至水平状态。

本实用新型进一步设置为：所述环境感知机构还包括有设置在底盘上的激光雷达以及四组超声波传感器，所述四组超声波传感器由第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器以及第四超声波传感器组成；

所述第一超声波传感器与第二超声波传感器为相互平行设置且均用以检测扫地机器人前方是否存在楼梯，所述第三超声波传感器设置于扫地机器人的前端用以检测前方地面是否有向下的阶梯，所述第四超声波传感器设置于扫地机器人的后端用以检测扫地机器人后方的障碍物。

本实用新型进一步设置为：所述驱动电机的个数为4个且分别对应两个防滑前轮以及两个防滑后轮，每个所述驱动电机的一侧均设置有可实现电机正反转的电机编码器。

本实用新型进一步设置为：所述伸缩件为电动推杆，所述电动推杆的一侧设置有用于对电动推杆的伸缩长度实时控制的电动推杆编码器。

本实用新型进一步设置为：所述底盘的底部设置可为整机进行供电的电池盒，所述电池盒可作为外部电源为运动机构、清扫机构、环境感知系统以及控制系统供电。

本实用新型进一步设置为：所述控制系统包括相互连接的工控机以及单片机，所述工控机的一侧与激光雷达相连接，所述单片机的一侧分别与电动推杆、电动推杆编码器、驱动电机、电机编码器、超声波传感器、姿态传感器电连接。

本实用新型进一步设置为：所述第一超声波传感器距离地面120mm，所述第二超声波传感器距离地面220mm。

本实用新型进一步设置为：每个所述驱动电机的一侧设置有电机支架，所述伸缩件的自由端穿过底盘与位于防滑前轮处的电机支架通过法兰进行连接，位于所述防滑后轮处的电机支架与底盘固定连接。

一种可上下楼的扫地机器人的使用方法，包括以下上楼步骤：

上楼步骤1）：当扫地机器人在运行时经由环境感知机构检测到有楼梯时，先将防滑后轮移动至与台阶的垂直面相接触；

上楼步骤2）：扫地机器人的防滑后轮以及防滑前轮均朝着楼梯方向运动，由于防滑后轮以及防滑前轮均具有良好的摩擦力以及足够的扭矩，使得防滑后轮会沿台阶的垂直面向上攀爬；

上楼步骤3）：位于底盘上的姿态传感器检测到扫地机器人发生倾斜，此时防滑后轮位于防滑前轮的上方，姿态传感器将数据信号传递给控制系统，并在控制系统作用下驱动伸缩件的自由端伸出以将底盘保持水平状态。在此过程中，防滑前轮始终朝着楼梯方向进行转动，以持续提供一个朝向楼梯台阶的力，将防滑后轮始终压紧在楼梯的垂直面上以防止滑落；

上楼步骤4）：当防滑后轮移动至台阶上时，扫地机器人继续朝着楼梯方向移动。此时防滑前轮贴合在台阶的垂直面上，当防滑后轮继续保持朝着楼梯方向进行转动时，可为防滑前轮提供一个朝向台阶垂直面的力，使得防滑前轮压合在台阶垂直面上，此时防滑前轮继续朝着楼梯方向进行转动，使得防滑前轮会沿台阶的垂直面向上攀爬；

上楼步骤5）：位于底盘上的姿态传感器检测到扫地机器人发生倾斜，姿态传感器将数据信号传递给控制系统，并在控制系统作用下驱动伸缩件的自由端缩回以将底盘保持水平状态，最终扫地机器人运行到台阶上。

还包括以下的下楼步骤：

下楼步骤1）：当扫地机器人在运行时经由环境感知机构检测到有向下的台阶时，将防滑前轮缓慢往下运行，此时防滑后轮的转动方向与防滑前轮相反，以便于防滑前轮的轮面贴合在台阶垂直面上；

下楼步骤2）：姿态传感器检测到扫地机器人发生倾斜，此时姿态传感器将数据信号传递给控制系统，并在控制系统作用下驱动伸缩件的自由端伸出以将底盘保持水平状态；

下楼步骤3）：当防滑前轮到达下一台阶时，此时防滑后轮朝着下一台阶的方向进行运动，使得防滑后轮运动至台阶水平面与垂直面的交接处；

下楼步骤4）：当防滑后轮继续朝着下一台阶的方向进行运动，此时防滑前轮与防滑后轮的转动方向相反，以给防滑后轮提供一个压力迫使防滑后轮紧贴在台阶垂直面上。同时，姿态传感器检测到扫地机器人发生倾斜，姿态传感器将数据信号传递给控制系统，并在控制系统作用下驱动伸缩件的自由端缩回以将底盘保持水平状态；

下楼步骤5）：防滑后轮继续朝着下一台阶的方向进行运动，直至防滑后轮接触下一台阶的水平面，此时完成下楼动作。

本实用新型进一步设置为：所述上楼步骤1）：当扫地机器人往前行进时，由第一超声波传感器以及第二超声波传感器检测到楼梯时，扫地机器人将进行原地转动以将防滑后轮移动至与台阶的垂直面相接触。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型可以使得扫地机器人清扫范围不在局限于同一层的房间，并且可以清扫楼梯，相较于传统的扫地机器人的本实用新型使扫地机器人更加灵活地进行扫地工作。解决了多层住户日常扫地的的问题，并且能够清扫楼梯，将我们从家庭的劳动中解放出来，提高我们的生活质量。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1另一方向上的结构示意图；

图3为本实用新型控制系统的连接框图；

图4为上楼步骤1）状态下的结构示意图；

图5为上楼步骤3）状态下的结构示意图；

图6为上楼步骤4）第一状态下的结构示意图；

图7为上楼步骤4）第二状态下的结构示意图；

图8为上楼步骤4）第三状态下的结构示意图；

图9为上楼步骤5）第一状态下的结构示意图；

图10为上楼步骤5）第二状态下的结构示意图；

图11为上楼步骤5）第三状态下的结构示意图；

图12为下楼步骤1）第一状态下的结构示意图；

图13为下楼步骤1）第二状态下的结构示意图；

图14为下楼步骤2）第一状态下的结构示意图；

图15为下楼步骤2）第二状态下的结构示意图；

图16为下楼步骤3）第一状态下的结构示意图；

图17为下楼步骤3）第二状态下的结构示意图；

图18为下楼步骤4）状态下的结构示意图；

图19为下楼步骤5）状态下的结构示意图。

附图标记：1、底盘；2、环境感知机构；3、清扫机构；4、控制系统；5、运动机构；6、防滑前轮；7、防滑后轮；8、驱动电机；9、伸缩件；10、姿态传感器；11、激光雷达；12、第一超声波传感器；13、第二超声波传感器；14、第三超声波传感器；15、第四超声波传感器；16、清扫件；17、吸尘件；18、清扫电机；19、固定板；20、清扫头；21、毛刷；22、电机编码器；23、电机支架；24、法兰；25、推杆支架；26、电动推杆编码器；27、电池盒；28、工控机；29、单片机。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

如图1-图3所示，一种可上下楼的扫地机器人，包括底盘1以及位于底盘1上的环境感知机构2、清扫机构3，环境感知机构2信号连接有控制系统4，控制系统4的一侧电连接有可使底盘1保持水平姿态并进行移动的运动机构5。

运动机构5包括位于底盘1两端的防滑前轮6以及防滑后轮7，防滑前轮6与防滑后轮7的一侧均设置有可带动防滑前轮6、防滑后轮7正反转的驱动电机8，每个驱动电机8均与控制系统4相连接。底盘1上还设置有可使底盘1保持水平姿态的伸缩件9，伸缩件9的自由端穿过底盘1与驱动防滑前轮6转动的驱动电机8相连接。环境感知机构2包括有位于底盘1上的姿态传感器10，当姿态传感器10检测到底盘1发生倾斜时，控制系统4可根据姿态传感器10检测数据来控制伸缩件9运动以将底盘1调整至水平状态。

进一步的，环境感知机构2还包括有设置在底盘1上的激光雷达11以及四组超声波传感器，四组超声波传感器由第一超声波传感器12、第二超声波传感器13、第三超声波传感器14以及第四超声波传感器15组成。第一超声波传感器12与第二超声波传感器13为相互平行设置，且均设置于扫地机器人的前端用以检测扫地机器人前方是否存在楼梯（该前端的释义为：与防滑前轮6处于同一端，是属于扫地机器人行进过程中的前方）。其中，第一超声波传感器12距离地面120mm，第二超声波传感器13距离地面220mm。

由于现有的楼梯台阶的阶高标准范围为150-175mm，因而第一超声波传感器12离地高度120mm可测得是否存在第一格台阶，而第二超声波传感器13离地高度220mm可测得是否存在第二格台阶。需特别说明的是：超声波传感器的原理是碰到物体后反射形成反射回波，若距离不同则所接收到的反射回波时间不同。若第一超声波传感器12与第二超声波传感器13所接收到的反射回波时间相同，则可判断前方存在障碍物，若所接收到的反射回波时间不同，则可判断前方存在阶梯。

进一步的，第三超声波传感器14设置于扫地机器人的前端用以检测前方地面是否有向下的阶梯。第三超声波传感器14的检测朝向为垂直向下设置。第四超声波传感器15设置于扫地机器人的后端用以检测扫地机器人后方的障碍物检测（该后端即为与防滑后轮7处于同一端），第四超声波传感器15的检测朝向为向后。需说明的是：在本实施例中所提及的前后位置关系，应为扫地机器人于防滑前轮6侧的为前，于防滑后轮7侧的为后。

进一步的，清扫机构3包括清扫件16以及吸尘件17，清扫件16包括清扫电机18以及用以固定清扫电机18的固定板19，固定板19的一侧与底盘1固定连接，清扫电机18的输出轴穿过固定板19固定连接有清扫头20，清扫头20的一侧设置有可对地面或楼梯进行清扫的毛刷21。在本实施例中，清扫件16的个数优选为2个且于底盘1中心面相对称，但清扫件16的个数应不仅仅局限于两个。

进一步的，吸尘件17包括有吸尘外罩（附图未标出），吸尘外罩内置有风扇以及驱动风扇进行转动的吸尘电机，吸尘外罩的入口端对准地面或梯面。当吸尘电机启动时，带动风扇高速运转以在吸尘外罩内形成负压，进而通过其入口端将地面或梯面的粉尘吸入。

进一步的，驱动电机8的个数为4个且分别对应两个防滑前轮6以及两个防滑后轮7。每个驱动电机8的一侧均设置有可实现电机正反转的电机编码器22。通过对每个轮子单独设置一个驱动电机8，使得可根据使用需要对轮子进行单独控制，有助于扫地机器人完成上楼、下楼动作。

进一步的，每个驱动电机8的一侧设置有电机支架23，伸缩件9的自由端穿过底盘1与位于防滑前轮6处的电机支架23通过法兰24进行连接。位于防滑后轮7处的电机支架23与底盘1固定连接。

进一步的，伸缩件9在本实施例中优选为电动推杆，底盘1的一侧设置有用以固定电动推杆的推杆支架25，推杆支架25的一端与底盘1固定连接。电动推杆的一侧设置有用于对电动推杆的伸缩长度实时控制的电动推杆编码器26。

进一步的，底盘1的底部设置可为整机进行供电的电池盒27。该电池盒27可作为外部电源为运动机构5、清扫机构3、环境感知系统以及控制系统4供电。

进一步的，控制系统4包括相互连接的上位机以及下位机，在本实施例中上位机采用工控机28，运行Ubuntu16.04系统，且安装有ROS Kinetic版本；下位机采用STM32单片机29，型号为F103ZET6，用于控制运动机构5和清扫机构3。工控机28的一侧与激光雷达11相连接，激光雷达11采用RPLIDAR 型号为A2，单片机29的一侧分别电连接有电动推杆、电动推杆编码器26、清扫电机18、吸尘电机、驱动电机8、电机编码器22、超声波传感器、姿态传感器10，其中姿态传感器10型号为MPU6050。

进一步的，本实用新型所述的扫地机器人的长度为210mm，宽度不超过180mm。由于楼梯的台阶面宽度标准范围为250-300mm，本申请所述的扫地机器人的长度小于楼梯台阶面宽度标准范围，使得本实用新型所述的扫地机器人在楼梯台阶面上有较好的活动空间，以及更好的在多台阶楼梯上进行上下楼操作。

一种可上下楼的扫地机器人使用方法：包括以下上楼步骤：

上楼步骤1）：当扫地机器人在运行时经由环境感知机构2检测到有楼梯时，先将防滑后轮7移动至与台阶的垂直面相接触（如图4所示）；

上楼步骤2）：扫地机器人的防滑后轮7以及防滑前轮6均朝着楼梯方向运动，由于防滑后轮7以及防滑前轮6均具有良好的摩擦力以及足够的扭矩，使得防滑后轮7会沿台阶的垂直面向上攀爬；

上楼步骤3）：位于底盘1上的姿态传感器10检测到扫地机器人发生倾斜，此时防滑后轮7位于防滑前轮6的上方，姿态传感器10将数据信号传递给控制系统4，并在控制系统4作用下驱动伸缩件9的自由端伸出以将底盘1保持水平状态。在此过程中，防滑前轮6始终朝着楼梯方向进行转动，以持续提供一个朝向楼梯台阶的力，将防滑后轮7始终压紧在楼梯的垂直面上以防止滑落（如图5所示）；

上楼步骤4）：当防滑后轮7移动至台阶上时，扫地机器人继续朝着楼梯方向移动。此时防滑前轮6贴合在台阶的垂直面上，当防滑后轮7继续保持朝着楼梯方向进行转动时，可为防滑前轮6提供一个朝向台阶垂直面的力，使得防滑前轮6压合在台阶垂直面上，此时防滑前轮6继续朝着楼梯方向进行转动，使得防滑前轮6会沿台阶的垂直面向上攀爬（如图6-图8所示）；

上楼步骤5）：位于底盘1上的姿态传感器10检测到扫地机器人发生倾斜，姿态传感器10将数据信号传递给控制系统4，并在控制系统4作用下驱动伸缩件9的自由端缩回以将底盘1保持水平状态，最终扫地机器人运行到台阶上（如图9-图11所示）。

还包括以下的下楼步骤：

下楼步骤1）：当扫地机器人在运行时经由环境感知机构2检测到有向下的台阶时，将防滑前轮6缓慢往下运行，此时防滑后轮7的转动方向与防滑前轮6相反，以便于防滑前轮6的轮面贴合在台阶垂直面上（如图12和图13所示）；

下楼步骤2）：姿态传感器10检测到扫地机器人发生倾斜，此时姿态传感器10将数据信号传递给控制系统4，并在控制系统4作用下驱动伸缩件9的自由端伸出以将底盘1保持水平状态（如图14和图15所示）；

下楼步骤3）：当防滑前轮6到达下一台阶时，此时防滑后轮7朝着下一台阶的方向进行运动，使得防滑后轮7运动至台阶水平面与垂直面的交接处（如图16和图17所示）；

下楼步骤4）：当防滑后轮7继续朝着下一台阶的方向进行运动，此时防滑前轮6与防滑后轮7的转动方向相反，以给防滑后轮7提供一个压力迫使防滑后轮7紧贴在台阶垂直面上。同时，姿态传感器10检测到扫地机器人发生倾斜，姿态传感器10将数据信号传递给控制系统4，并在控制系统4作用下驱动伸缩件9的自由端缩回以将底盘1保持水平状态（如图18所示）；

下楼步骤5）：防滑后轮7继续朝着下一台阶的方向进行运动，直至防滑后轮7接触下一台阶的水平面，此时完成下楼动作（如图19所示）。

在上楼步骤中，防滑前轮6以及防滑后轮7均朝着上楼方向进行转动。而在下楼步骤中，当防滑前轮6与防滑后轮7不处于同一台阶时，两者之间的转动方向是为相反设置的，以供其中一个可与台阶垂直面呈紧密贴合状态。

进一步的，针对上楼步骤1）的优化如下：当扫地机器人往前行进时，由第一超声波传感器12以及第二超声波传感器13检测到楼梯时，扫地机器人将进行原地转动以将防滑后轮7移动至与台阶的垂直面相接触；上述原地转动为“双流传动”原理，此为现有技术。由于本实用新型对每个轮子均采用独立的驱动电机8进行驱动，在位于扫地机器人左侧的轮子进行正转，右侧的轮子进行反转以实现扫地机器人原地转动。原地转动由于不会产生或大或小的转弯半径，所以很好的适应各种狭窄的环境，使得本实用新型所述的扫地机器人在转向时更具有机动性。

Claims (8)

1.一种可上下楼的扫地机器人，其特征是：包括底盘(1)以及位于底盘(1)上的环境感知机构(2)、清扫机构(3)，所述环境感知机构(2)信号连接有控制系统(4)，所述控制系统(4)的一侧电连接有可使底盘(1)保持水平姿态并进行移动的运动机构(5)；

所述运动机构(5)包括位于底盘(1)两端的防滑前轮(6)以及防滑后轮(7)，所述防滑前轮(6)与防滑后轮(7)的一侧均设置有可带动防滑前轮(6)、防滑后轮(7)正反转的驱动电机(8)，每个所述驱动电机(8)均与控制系统(4)相连接，所述底盘(1)上还设置有可使底盘(1)保持水平姿态的伸缩件(9)，所述伸缩件(9)的自由端与驱动防滑前轮(6)转动的驱动电机(8)相连接，所述环境感知机构(2)包括有姿态传感器(10)，当所述姿态传感器(10)检测到底盘(1)发生倾斜时，所述控制系统(4)可根据姿态传感器(10)检测数据来控制伸缩件(9)运动以将底盘(1)调整至水平状态。

2.根据权利要求1所述的一种可上下楼的扫地机器人，其特征是：所述环境感知机构(2)还包括有设置在底盘(1)上的激光雷达(11)以及四组超声波传感器，所述四组超声波传感器由第一超声波传感器(12)、第二超声波传感器(13)、第三超声波传感器(14)以及第四超声波传感器(15)组成；

所述第一超声波传感器(12)与第二超声波传感器(13)为相互平行设置且均用以检测扫地机器人前方是否存在楼梯，所述第三超声波传感器(14)设置于扫地机器人的前端用以检测前方地面是否有向下的阶梯，所述第四超声波传感器(15)设置于扫地机器人的后端用以检测扫地机器人后方的障碍物。

3.根据权利要求2所述的一种可上下楼的扫地机器人，其特征是：所述驱动电机(8)的个数为4个且分别对应两个防滑前轮(6)以及两个防滑后轮(7)，每个所述驱动电机(8)的一侧均设置有可实现电机正反转的电机编码器(22)。

4.根据权利要求3所述的一种可上下楼的扫地机器人，其特征是：所述伸缩件(9)为电动推杆，所述电动推杆的一侧设置有用于对电动推杆的伸缩长度实时控制的电动推杆编码器(26)。

5.根据权利要求4所述的一种可上下楼的扫地机器人，其特征是：所述控制系统(4)包括相互连接的工控机(28)以及单片机(29)，所述工控机(28)的一侧与激光雷达(11)相连接，所述单片机(29)的一侧分别与电动推杆、电动推杆编码器(26)、驱动电机(8)、电机编码器(22)、超声波传感器、姿态传感器(10)电连接。

6.根据权利要求5所述的一种可上下楼的扫地机器人，其特征是： 所述底盘(1)的底部设置可为整机进行供电的电池盒(27)，所述电池盒(27)可作为外部电源为运动机构(5)、清扫机构(3)、环境感知系统以及控制系统(4)供电。

7.根据权利要求2所述的一种可上下楼的扫地机器人，其特征是：所述第一超声波传感器(12)距离地面120mm，所述第二超声波传感器(13)距离地面220mm。

8.根据权利要求4所述的一种可上下楼的扫地机器人，其特征是：每个所述驱动电机(8)的一侧设置有电机支架(23)，所述伸缩件(9)的自由端穿过底盘(1)与位于防滑前轮(6)处的电机支架(23)通过法兰(24)进行连接，位于所述防滑后轮(7)处的电机支架(23)与底盘(1)固定连接。

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