專利名稱：清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)電一體化領(lǐng)域的機(jī)器人組成部件，尤其涉及一種清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，能夠使機(jī)器人以任意姿態(tài)全方位移動(dòng)。
背景技術(shù)：
清潔機(jī)器人主要用于室內(nèi)，不需要人工操作而自主執(zhí)行清潔工作，很多時(shí)候是在無(wú)人看護(hù)情況下，完成對(duì)家居環(huán)境的清潔任務(wù)。因此該機(jī)器人需要能夠避開(kāi)房間的任何物體，且能夠最大限度地對(duì)房間的地面進(jìn)行清掃。目前，已有諸多的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)發(fā)出清潔機(jī)器人樣機(jī)，并有少量產(chǎn)品問(wèn)世。縱觀這些已有的清潔機(jī)器人，行走機(jī)構(gòu)都是采用兩輪驅(qū)動(dòng)再加上一個(gè)輔助萬(wàn)向輪構(gòu)成機(jī)器人驅(qū)動(dòng)底盤，通過(guò)獨(dú)立控制兩輪的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎等，如美國(guó)iRobot公司生產(chǎn)的名字為“Roomba”的清潔機(jī)器人，其行走機(jī)構(gòu)就是采用的兩輪驅(qū)動(dòng)，萬(wàn)向輪隨動(dòng)的方式，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，由傳感器系統(tǒng)獲得障礙物信息，控制器調(diào)用避障算法，控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的移動(dòng)配合來(lái)避開(kāi)障礙物，由于它無(wú)法實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)完整的遍歷算法比較困難。還有如三星廣州電子株式會(huì)社提出的用于機(jī)器人清潔器的驅(qū)動(dòng)裝置，采用的也是兩輪驅(qū)動(dòng)，第三輪隨動(dòng)的方式，驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)有減震單元，能夠防止因?yàn)殚T檻或障礙物導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)輪失轉(zhuǎn)故障，但是由于不能方便地實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，因此對(duì)提高機(jī)器人清潔器的清潔效率沒(méi)有實(shí)質(zhì)幫助。已有的清潔機(jī)器人傳感器系統(tǒng)大致可以分為兩種一種是由大量的碰撞傳感器、超聲波傳感器和紅外傳感器等組合而成，為機(jī)器人提供局部無(wú)碰撞導(dǎo)航。該傳感器系統(tǒng)應(yīng)用于“兩輪驅(qū)動(dòng)—萬(wàn)向輪隨動(dòng)”的清潔機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，由于“兩輪驅(qū)動(dòng)——萬(wàn)向輪隨動(dòng)”的行走機(jī)構(gòu)在避障時(shí)需要執(zhí)行停止、轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭或者調(diào)整行進(jìn)方向等動(dòng)作，這使得避障算法異常復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算才能確定避障路線；另外，由于是兩輪驅(qū)動(dòng)，行走機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意環(huán)境狀態(tài)下的全方位移動(dòng)，因此往往機(jī)器人無(wú)法很好的執(zhí)行預(yù)先設(shè)計(jì)好的完全覆蓋路徑規(guī)劃，并且機(jī)器人會(huì)經(jīng)常與障礙物發(fā)生碰撞。
另一種是通過(guò)CCD視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)等建立環(huán)境地圖，為機(jī)器人提供全局導(dǎo)航和定位信息。這種傳感器系統(tǒng)盡管能夠建立全局環(huán)境地圖，能夠預(yù)先獲得工作環(huán)境的障礙物狀況，但是數(shù)據(jù)處理量巨大，算法復(fù)雜，特征提取和深度信息恢復(fù)困難，因此應(yīng)用起來(lái)局限性太大。另外，復(fù)雜的算法需要配置相應(yīng)運(yùn)算能力的控制器，這類控制器以及傳感器本身往往價(jià)格昂貴，這也是現(xiàn)有的部分清潔機(jī)器人產(chǎn)品價(jià)格高達(dá)數(shù)千美元的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，旨在解決已有機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)存在的上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)以任意姿態(tài)朝任意方向的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的算法達(dá)到對(duì)工作環(huán)境的遍歷。
本發(fā)明的一種清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，包括機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器系統(tǒng)，機(jī)械本體為圓盤形，用來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)由紅外傳感器組、超聲波傳感器組及信號(hào)處理電路組成，其特征在于(1)驅(qū)動(dòng)裝置由在機(jī)械本體上等間距分布的三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)固定座、連接軸和移動(dòng)輪；驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定座安裝在機(jī)械本體上，移動(dòng)輪通過(guò)連接軸與電機(jī)軸相連；(2)所述紅外傳感器組包括兩組紅外傳感器組，每組紅外傳感器組由等間距安裝在固定支架上的10-15對(duì)紅外感應(yīng)傳感器構(gòu)成，固定支架為弧線形，安裝在機(jī)械本體的前后邊緣；(3)所述超聲波傳感器組由分別安裝在兩個(gè)固定座上的兩對(duì)超聲波傳感器構(gòu)成，每對(duì)超聲波傳感器均由接受感應(yīng)頭和發(fā)射感應(yīng)頭組成，兩個(gè)固定座對(duì)稱安裝在機(jī)械本體左右兩側(cè)；(4)所述信號(hào)處理電路包括紅外傳感器信號(hào)處理電路和超聲波傳感器信號(hào)處理電路，安裝在機(jī)械本體上端面。
所述的清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，其進(jìn)一步特征在于(1)所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流伺服電機(jī)；移動(dòng)輪由兩個(gè)全方位輪組成，兩個(gè)全方位輪的相鄰的兩個(gè)子輪的中心與相應(yīng)母輪的軸心的連線在空間呈15°-30°角，以保證移動(dòng)輪在行走過(guò)程中始終以最大外輪廓圓與地面接觸；端蓋通過(guò)螺紋孔鎖緊在所述連接軸的端部，防止移動(dòng)輪在行走過(guò)程中軸向移動(dòng)；(2)所述固定支架弧線對(duì)應(yīng)的圓心角為120°-150°；所述固定座與機(jī)械本體圓盤中心的距離稍小于固定支架圓弧與機(jī)械本體圓盤中心的距離。
所述的清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，所述三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元可以機(jī)械本體圓盤中心為基點(diǎn)，分布于同一圓周上，相互間的角度為120°。
本發(fā)明采用由電機(jī)、全方位輪及相關(guān)組件構(gòu)成三驅(qū)動(dòng)輪底盤系統(tǒng)，每個(gè)移動(dòng)輪既可由對(duì)應(yīng)的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，也可以作為隨動(dòng)輪沿軸向隨動(dòng)；本發(fā)明的超聲波傳感器探測(cè)角為30°，可以檢測(cè)到以傳感器本體為中心60度范圍的障礙物，由弧形分布紅外傳感器組和超聲波傳感器組構(gòu)成的傳感器系統(tǒng)的探測(cè)范圍能夠覆蓋清潔機(jī)器人周邊360度的范圍，在兩者的探測(cè)范圍結(jié)合的地方檢測(cè)物體有一定的冗余，以保證一定的可靠性。當(dāng)清潔機(jī)器人工作時(shí)，所述弧形紅外傳感器組和超聲波傳感器組不斷探測(cè)機(jī)器人周邊360°度范圍內(nèi)的障礙物，檢測(cè)信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理電路處理后送給機(jī)器人控制器加以判斷處理，以此作為行走機(jī)構(gòu)執(zhí)行避障算法的依據(jù)。本發(fā)明通過(guò)三個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)組合，依據(jù)傳感器系統(tǒng)的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人周邊360度障礙物檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位運(yùn)動(dòng)，達(dá)到遍歷目的，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉，大大提高清潔機(jī)器人的清潔效果。


圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例底視圖；圖2為圖1中驅(qū)動(dòng)單元在機(jī)械本體上的位置示意圖；圖3為單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元示意圖；圖4為驅(qū)動(dòng)單元中的驅(qū)動(dòng)輪示意圖；圖5為本發(fā)明傳感器系統(tǒng)在機(jī)械本體上的位置示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的行走機(jī)構(gòu)包括機(jī)械本體1和驅(qū)動(dòng)裝置；機(jī)械本體1為圓盤形，用來(lái)安裝行走機(jī)構(gòu)和傳感器系統(tǒng)，也是清潔機(jī)器人其它功能部件的載體，例如吸塵系統(tǒng)，包括兩個(gè)起塵毛刷1-1和1-3，電池組1-2，掃塵刷1-4，吸塵風(fēng)機(jī)1-5和集塵盒1-6。驅(qū)動(dòng)裝置由三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元2-1、2-2和2-3組成。
如圖2所示，三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元2-1、2-2和2-3需要以機(jī)械本體1圓盤中心為基點(diǎn)，分布于同一圓周2-4上，圓周半徑根據(jù)清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，合理確定。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的移動(dòng)輪軸線和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)軸軸線重合，稱之為驅(qū)動(dòng)單元中心線，驅(qū)動(dòng)單元2-1的驅(qū)動(dòng)單元中心線2-1-1，驅(qū)動(dòng)單元2-2的驅(qū)動(dòng)單元中心線2-2-1，驅(qū)動(dòng)單元2-3的驅(qū)動(dòng)單元中心線2-3-1，三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的中心線在機(jī)械本體圓盤平面上的投影交于圓盤中心點(diǎn)，中心線間的夾角為120度。
如圖3所示，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)3、電機(jī)固定座4、連接軸5、端蓋6和移動(dòng)輪7；驅(qū)動(dòng)電機(jī)3為直流伺服電機(jī)，安裝在電機(jī)固定座4上，電機(jī)固定座通過(guò)螺釘安裝在機(jī)械本體1上，以此將驅(qū)動(dòng)電機(jī)3鎖緊；移動(dòng)輪7通過(guò)鍵與連接軸5相連，連接軸5的一端通過(guò)止動(dòng)螺釘與電機(jī)軸相連，端蓋6通過(guò)螺紋孔鎖緊在連接軸5的端部，防止移動(dòng)輪7在行走過(guò)程中軸向移動(dòng)。
如圖4所示，移動(dòng)輪7由兩個(gè)全方位輪(TRANSWHEEL)7-1組成，該全方位輪有8個(gè)子輪，圓周分布在母輪的外圓周上。兩個(gè)全方位輪的相鄰的兩個(gè)子輪7-2的中心與相應(yīng)母輪7-1的軸心的連線7-3和7-4在空間呈15°-30°角，以保證移動(dòng)輪在行走過(guò)程中始終以最大外輪廓圓與地面接觸。對(duì)于驅(qū)動(dòng)單元部件的設(shè)計(jì)，可以在保證實(shí)現(xiàn)相同功能的前提下，采取不同的方式。比如，全方位輪也可以采用16子輪的；也可為驅(qū)動(dòng)單元加裝防護(hù)罩，以保護(hù)驅(qū)動(dòng)單元免受損害。
如圖5所示，本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)包括弧形分布前紅外傳感器組8-1、后紅外傳感器組8-2，左超聲波傳感器組9-1、右超聲波傳感器組9-2以及相應(yīng)的信號(hào)處理電路15。
前紅外傳感器組8-1和后紅外傳感器組8-2分別由13對(duì)紅外感應(yīng)傳感器10及相應(yīng)前固定支架11-1、后固定支架11-2構(gòu)成，分別為弧形分布，前固定支架11-1、后固定支架11-2為弧線形，安裝在機(jī)械本體1的前后邊緣附近，弧線對(duì)應(yīng)的圓心角12為130°，每組13對(duì)型號(hào)為JY043W的紅外感應(yīng)傳感器等間距安裝在固定支架上。左超聲波傳感器組9-1和右超聲波傳感器組9-2分別由型號(hào)為T/R-40的超聲波傳感器13及其左固定座14-1和右固定座14-2構(gòu)成，兩個(gè)固定座對(duì)稱安裝在機(jī)械本體左右兩側(cè)，型號(hào)為T/R-40的超聲波傳感器13由一個(gè)接收感應(yīng)頭和一個(gè)發(fā)射感應(yīng)頭組成，安裝在固定座上。信號(hào)處理電路15為一塊普通電路板，包括紅外傳感器信號(hào)處理電路和超聲波傳感器信號(hào)處理電路兩部分，安裝在機(jī)械本體1上端面，靠近前紅外傳感器組8-1。
從弧形分布紅外傳感器組和超聲波傳感器組在機(jī)械本體上的安裝位置可以看出，傳感器呈圓周分布，構(gòu)成的傳感器系統(tǒng)的探測(cè)范圍能夠覆蓋清潔機(jī)器人周邊360°的范圍。避障算法中，系統(tǒng)將根據(jù)檢測(cè)到障礙物的一個(gè)或幾個(gè)傳感器在機(jī)械本體圓周上分布的位置來(lái)確定障礙物方位信息，一旦檢測(cè)到障礙物，控制器根據(jù)障礙物與機(jī)器人的相對(duì)方位，調(diào)用相應(yīng)的避障策略。
本發(fā)明行走機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)由系統(tǒng)控制器輸出，控制器為每一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元提供3個(gè)控制信號(hào)，分別為正向、反向和調(diào)速控制信號(hào)。根據(jù)具體避障策略，通過(guò)三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)作配合實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，其中前進(jìn)、后退的距離，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的角度由控制器控制。在機(jī)器人執(zhí)行避障和路徑規(guī)劃算法時(shí)，由三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)幼鞯膮f(xié)同組合，實(shí)現(xiàn)柔性避障和精確路徑覆蓋。
在局部范圍的遍歷中，采用本發(fā)明的機(jī)器人行走采用矩形掃描算法，該算法的核心是設(shè)計(jì)三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)的行走協(xié)作，使機(jī)器人在局部范圍遇到障礙物時(shí)，可以無(wú)條件按照預(yù)先計(jì)劃的任何方向和軌跡行走，不需要單步的停止、轉(zhuǎn)向或倒退等電機(jī)動(dòng)作。以滿足避障的精確性和可靠性。其工作過(guò)程為，機(jī)器人通過(guò)三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的組合沿著前方行走，當(dāng)位于機(jī)器人前方的弧線形紅外傳感器檢測(cè)到有障礙物時(shí)，經(jīng)信號(hào)處理電路將信息傳給控制器，控制器控制機(jī)器人沿左或者右側(cè)橫移一段距離，控制器此時(shí)控制機(jī)器人朝后方行進(jìn)。在此過(guò)程中，機(jī)器人控制器控制行走機(jī)構(gòu)按照避障算法預(yù)定好的方向移動(dòng)，不需要做出單步的停止、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)頭等動(dòng)作來(lái)調(diào)整前進(jìn)方向，避免了因?yàn)閱尾降耐Ｖ?、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)頭等動(dòng)作帶來(lái)的誤差影響局部范圍遍歷的精確性。再者，當(dāng)位于機(jī)器人后方的弧線形紅外傳感器檢測(cè)到有障礙物時(shí)，機(jī)器人沿著上次橫移的方向繼續(xù)移動(dòng)一段距離，然后朝前方行進(jìn)，直到再次碰到障礙物，如此反復(fù)進(jìn)行。在橫移過(guò)程中，側(cè)面?zhèn)鞲衅饕矙z測(cè)到障礙物的時(shí)候，說(shuō)明一次局部遍歷完成。輔助以一定的算法，將復(fù)雜空間劃分成若干個(gè)局部子空間，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的遍歷。
另外，當(dāng)清潔環(huán)境障礙物比較復(fù)雜時(shí)，對(duì)于一般兩輪驅(qū)動(dòng)的清潔機(jī)器人來(lái)說(shuō)，可能會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入三面都有障礙物的狹小空間而無(wú)法順利走出該空間。本發(fā)明將能夠很好的解決這一問(wèn)題。三驅(qū)動(dòng)輪行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的全方位移動(dòng)，因此當(dāng)機(jī)器人處于三面都有障礙物的狹小空間時(shí)，根據(jù)傳感器系統(tǒng)的檢測(cè)信息，能夠很方便找到?jīng)]有障礙物的一方，并以此方向?yàn)榍斑M(jìn)方向，走出該空間。
權(quán)利要求
1.一種清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，包括機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器系統(tǒng)，機(jī)械本體為圓盤形，用來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)由紅外傳感器組、超聲波傳感器組及信號(hào)處理電路組成，其特征在于(1)驅(qū)動(dòng)裝置由在機(jī)械本體上等間距分布的三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)固定座、連接軸和移動(dòng)輪；驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定座安裝在機(jī)械本體上，移動(dòng)輪通過(guò)連接軸與電機(jī)軸相連；(2)所述紅外傳感器組包括兩組紅外傳感器組，每組紅外傳感器組由等間距安裝在固定支架上的10-15對(duì)紅外感應(yīng)傳感器構(gòu)成，固定支架為弧線形，安裝在機(jī)械本體的前后邊緣；(3)所述超聲波傳感器組由分別安裝在兩個(gè)固定座上的兩對(duì)超聲波傳感器構(gòu)成，每對(duì)超聲波傳感器均由接受感應(yīng)頭和發(fā)射感應(yīng)頭組成，兩個(gè)固定座對(duì)稱安裝在機(jī)械本體左右兩側(cè)；(4)所述信號(hào)處理電路包括紅外傳感器信號(hào)處理電路和超聲波傳感器信號(hào)處理電路，安裝在機(jī)械本體上端面。
2.如權(quán)利要求1所述的清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，其特征在于(1)所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流伺服電機(jī)；移動(dòng)輪由兩個(gè)全方位輪組成，兩個(gè)全方位輪的相鄰的兩個(gè)子輪的中心與相應(yīng)母輪的軸心的連線在空間呈15°-30°角，以保證移動(dòng)輪在行走過(guò)程中始終以最大外輪廓圓與地面接觸；端蓋通過(guò)螺紋孔鎖緊在所述連接軸的端部，防止移動(dòng)輪在行走過(guò)程中軸向移動(dòng)；(2)所述固定支架弧線對(duì)應(yīng)的圓心角為120°-150°；所述固定座與機(jī)械本體圓盤中心的距離稍小于固定支架圓弧與機(jī)械本體圓盤中心的距離。
3.如權(quán)利要求1或2所述的清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元以機(jī)械本體圓盤中心為基點(diǎn)，分布于同一圓周上，相互間的角度為120°。
全文摘要
清潔機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)器人組成部件，旨在解決已有機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)任意方向的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)簡(jiǎn)單算法達(dá)到工作環(huán)境的遍歷。本發(fā)明在機(jī)械本體上安裝驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器系統(tǒng)，(1)驅(qū)動(dòng)裝置由機(jī)械本體上等間距分布的三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)固定座、連接軸和移動(dòng)輪；(2)傳感器系統(tǒng)中紅外傳感器組安裝在機(jī)械本體前后邊緣，每組紅外傳感器組包括弧線形固定支架上的10－15對(duì)紅外感應(yīng)傳感器；(3)傳感器系統(tǒng)中超聲波傳感器組由機(jī)械本體左右兩側(cè)的超聲波傳感器構(gòu)成。本發(fā)明通過(guò)三個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)組合，依據(jù)傳感器系統(tǒng)的信息，實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人全方位運(yùn)動(dòng)，達(dá)到遍歷目的，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉，大大提高清潔效果。
文檔編號(hào)B60B19/00GK1947637SQ20061012489
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者熊蔡華, 王磊, 錢思, 熊有倫 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)