升降伸縮式樓道清潔機(jī)器人上下樓梯的方便有效判別方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)是【申請(qǐng)?zhí)枴?01410192412. X、申請(qǐng)日：2014. 5.8、名稱(chēng)："升降伸縮式樓道清 潔機(jī)器人上下樓梯的判別方法"的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種升降伸縮式樓道清潔機(jī)器人上下樓梯的方法，屬于機(jī)器人與智能 控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003] 當(dāng)今世界人口激增，為了有效利用有限的地面空間，人們?cè)絹?lái)越往高處發(fā)展，各種 高樓大廈、階梯教室、會(huì)議廳、體育場(chǎng)看臺(tái)等包括樓梯的建筑越來(lái)越常見(jiàn)，樓道清潔的工作 明顯增加，這方面的市場(chǎng)需求應(yīng)運(yùn)而生。另一方面，已走進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ畹那鍧崣C(jī)器人絕大 多數(shù)是室內(nèi)平地清潔機(jī)器人，因此有必要研究開(kāi)發(fā)樓梯清潔機(jī)器人。其中的上下樓梯判斷 方法是研究樓梯清潔機(jī)器人的重要方面，目前此類(lèi)研究的相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)尚未有成形，本發(fā) 明有望填補(bǔ)此類(lèi)空白，因此該研究具有重大意義。
[0004] 關(guān)于爬樓機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括：輪式、履帶式、腿式、翻滾式。其中履帶式與翻 滾式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以設(shè)計(jì)清潔裝置。輪式爬樓機(jī)器人較多采用行星輪或其它復(fù)合輪式，結(jié)構(gòu) 龐大復(fù)雜，也很少兼顧樓梯清掃功能，實(shí)用性大打折扣。腿式爬樓機(jī)器人較多采用仿人行走 式，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高，顯得大材小用，不利于向市場(chǎng)推廣。
[0005] 升降伸縮式樓道清潔機(jī)器人上下樓方式簡(jiǎn)單，可很好兼顧行走于樓梯時(shí)的清掃功 能，有望向市場(chǎng)推廣。因此研究設(shè)計(jì)該機(jī)器人的上下樓判斷方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種方便有效地保證機(jī)器人可靠上下樓的升降伸縮式樓 道清潔機(jī)器人上下樓梯的判別方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0008] -種升降伸縮式樓道清潔機(jī)器人上下樓梯的判別方法，其特征是：所述的升降伸 縮式樓道清潔機(jī)器人由車(chē)身、升降機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)組成，其中升降和伸縮機(jī)構(gòu)采 用齒輪齒條傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上下樓動(dòng)作，機(jī)器人車(chē)身下方前后端 分別有一個(gè)萬(wàn)向輪前輪和萬(wàn)向輪后輪；機(jī)器人車(chē)身前端的上、中、下位置分別裝有接近傳感 器，方向分別為斜向上、水平向前和水平向前，其中下部位置為左右各一個(gè)接近傳感器；另 在機(jī)器人前端上部安裝方向斜向下的接近傳感器來(lái)進(jìn)行下樓判斷；車(chē)身后端安裝兩個(gè)向下 感測(cè)的接近傳感器；
[0009] 當(dāng)機(jī)器人車(chē)身前端的上部位置接近傳感器感測(cè)方向無(wú)遮擋，而機(jī)器人車(chē)身前端的 中、下位置傳感器方向有遮擋時(shí)，機(jī)器人判定前方為樓梯；機(jī)器人車(chē)身前端的下部位置接近 傳感器還用于探測(cè)低矮的障礙物；
[0010] 若機(jī)器人車(chē)身前端的上部位置接近傳感器的感測(cè)方向有遮擋，直接將判斷機(jī)器人 前方為障礙物，這類(lèi)障礙物較高，機(jī)器人無(wú)法通過(guò)這類(lèi)障礙物，需要使機(jī)器人進(jìn)行避障； [0011] 機(jī)器人車(chē)身前端的中部位置接近傳感器可用于探測(cè)與樓梯臺(tái)階高度相當(dāng)，但僅為 凸起的障礙物；
[0012] 當(dāng)機(jī)器人車(chē)身前端的上、中、下位置三個(gè)接近傳感器感測(cè)方向都沒(méi)有遮擋物時(shí)，機(jī) 器人判斷前方無(wú)障礙物；
[0013] 上樓過(guò)程：
[0014] 機(jī)器人判斷前方為樓梯后，準(zhǔn)備向上爬樓，機(jī)器人車(chē)身由升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開(kāi)始上升， 此刻機(jī)器人車(chē)身前端的下部位置接近傳感器外前方有遮擋；機(jī)器人車(chē)身前端的下部位置接 近傳感器前方剛剛無(wú)遮擋時(shí)，控制機(jī)器人繼續(xù)上升一小段距離y，y為機(jī)器人車(chē)身前端的下 部位置接近傳感器與地面的距離，由此保證機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪達(dá)到樓梯的高度，避免車(chē)身向 前伸出碰撞到上一階樓梯踏步邊緣，然后使車(chē)身伸出；
[0015] 機(jī)器人車(chē)身由伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開(kāi)始伸出，后端的兩個(gè)接近傳感器探測(cè)到無(wú)遮擋；當(dāng) 機(jī)器人車(chē)身伸出到車(chē)身后端的兩個(gè)接近傳感器探測(cè)到有遮擋，表明機(jī)器人后萬(wàn)向輪已落到 了樓梯踏步上，而后通過(guò)升降機(jī)構(gòu)收起支撐架，再通過(guò)伸縮將支撐架部分往前收回到初始 狀態(tài)；
[0016] 下樓過(guò)程：
[0017] 機(jī)器人準(zhǔn)備下樓時(shí)，如果從休息平臺(tái)下樓，由于涉及從平地行走到下樓的狀態(tài)切 換，機(jī)器人需要判斷前方是否是往下的樓梯；對(duì)于機(jī)器人當(dāng)前已經(jīng)處在樓梯踏步時(shí)的情況， 由于本身處于整體下樓過(guò)程中，因此不需要這種判斷，踏步清掃完，則繼續(xù)下樓的過(guò)程；前 方是否是往下的樓梯，使用接近傳感器進(jìn)行判斷；利用在機(jī)器人前端上部安裝的方向斜向 下的接近傳感器來(lái)進(jìn)行下樓判斷，方向斜向下的接近傳感器探測(cè)方向與水平方向夾角為 Θ，如機(jī)器人方向斜向下的接近傳感器探測(cè)斜下方有遮擋，說(shuō)明機(jī)器人未到達(dá)樓梯附近；如 方向斜向下的接近傳感器探測(cè)斜下方無(wú)遮擋，說(shuō)明機(jī)器人已到達(dá)樓梯附近，準(zhǔn)備下樓；角度 30。<θ〈60。；
[0018] 機(jī)器人準(zhǔn)備下樓時(shí)，當(dāng)機(jī)器人判斷前方為往下的樓梯后，轉(zhuǎn)身180°將后方面對(duì)樓 梯，此刻車(chē)身后端的兩個(gè)接近傳感器向下探測(cè)到有遮擋，機(jī)器人未到達(dá)休息平臺(tái)與樓梯的 交匯邊緣；而后機(jī)器人后退，利用車(chē)身后端的兩個(gè)接近傳感器，當(dāng)車(chē)身后端的兩個(gè)接近傳感 器探測(cè)到下方無(wú)遮擋，說(shuō)明機(jī)器人已后退走到休息平臺(tái)與樓梯的交匯邊緣，機(jī)器人停止后 退，機(jī)器人執(zhí)行下樓動(dòng)作。
[0019] 機(jī)器人準(zhǔn)備上樓或下樓時(shí)，先調(diào)整姿態(tài)，正對(duì)樓梯臺(tái)階的踏步邊緣或休息平臺(tái)與 樓梯的交匯邊緣。
[0020] 準(zhǔn)備上樓時(shí)，依靠機(jī)器人車(chē)身前端的下部位置接近傳感器；若機(jī)器人車(chē)身前端的 下部位置接近傳感器中左邊一個(gè)接近傳感器先檢測(cè)到前方有遮擋，則使機(jī)器人逆時(shí)針轉(zhuǎn) 向，當(dāng)機(jī)器人車(chē)身前端的下部位置兩個(gè)接近傳感器都探測(cè)到有遮擋，判定機(jī)器人處于正對(duì) 上一級(jí)臺(tái)階踏步邊緣的姿態(tài)；若機(jī)器人車(chē)身前端的下部位置兩個(gè)接近傳感器中的右邊接近 傳感器先探測(cè)到前方有遮擋，則使機(jī)器人順時(shí)針轉(zhuǎn)向，當(dāng)機(jī)器人車(chē)身前端的下部位置兩個(gè) 接近傳感器都探測(cè)到有遮擋，判定機(jī)器人處于正對(duì)上一級(jí)臺(tái)階踏步邊緣的姿態(tài)；
[0021] 準(zhǔn)備下樓時(shí)，依靠機(jī)器人后端向下方感測(cè)的接近傳感器，若其中右邊的傳感器先 探測(cè)到下方無(wú)遮擋，則使機(jī)器人逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，當(dāng)機(jī)器人后端兩個(gè)接近傳感器都探測(cè)到下方 無(wú)遮擋，判定機(jī)器人正對(duì)當(dāng)前臺(tái)階踏步邊緣的姿態(tài)或休息平臺(tái)與樓梯的交匯邊緣的姿態(tài)； 若其中左邊的傳感器先探測(cè)到下方無(wú)遮擋，則使機(jī)器人順時(shí)針轉(zhuǎn)向，當(dāng)機(jī)器人后端兩個(gè)接 近傳感器都探測(cè)到下方無(wú)遮擋，判定機(jī)器人正對(duì)當(dāng)前臺(tái)階踏步邊緣或休息平臺(tái)與樓梯的交 匯邊緣的姿態(tài)。
[0022] 本發(fā)明可以方便有效地保證機(jī)器人可靠上下樓，易操作。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024] 圖1是上樓判斷傳感器分布示意圖。
[0025] 圖2-圖6是機(jī)器人判斷樓梯示意圖。
[0026] 圖7是機(jī)器人上樓過(guò)程示意圖。
[0027] 圖8-圖10是機(jī)器人車(chē)身上升過(guò)程示意圖。
[0028] 圖11-圖12是機(jī)器人車(chē)身伸出上到上一級(jí)臺(tái)階踏步面示意圖。
[0029] 圖13、圖14是前方是否是往下的樓梯判斷示意圖.
[0030] 圖15-圖20是機(jī)器人下樓過(guò)程示意圖。
[0031] 圖21是機(jī)器人準(zhǔn)備上樓或下樓時(shí)的一般姿態(tài)俯視示意圖。
[0032] 圖22是機(jī)器人準(zhǔn)備上樓或下樓時(shí)的正對(duì)樓梯姿態(tài)俯視示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] -種升降伸縮式樓道清潔機(jī)器人上下樓梯的判別方法，升降伸縮式樓道清潔機(jī)器 人由車(chē)身10、升降機(jī)構(gòu)8、伸縮機(jī)構(gòu)11和清潔機(jī)構(gòu)9組成，其中升降和伸縮機(jī)構(gòu)采用齒輪齒 條傳動(dòng)方式直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上下樓動(dòng)作，機(jī)器人車(chē)身下方前后端分別有一個(gè)萬(wàn) 向輪前輪6和萬(wàn)向輪后輪7 ;車(chē)身下方還裝有主動(dòng)輪12、13 ;機(jī)器人車(chē)身前端的上、中、下位 置分別裝有接近傳感器3、2、1，方向分別為斜向上、水平向前和水平向前，其中下部位置為 左右各一個(gè)接近傳感器1 ;另在機(jī)器人前端上部安裝方向斜向下的接近傳感器5來(lái)進(jìn)行下 樓判斷；車(chē)身后端安裝兩個(gè)向下感測(cè)的接近傳感器4 ;接近傳感器用于檢測(cè)樓梯信息，為上 下樓動(dòng)作給出相關(guān)的判斷依據(jù)，使機(jī)器人可靠上下樓。
[0034] 接近傳感器無(wú)返回信號(hào)時(shí)，說(shuō)明機(jī)器人前方為空，當(dāng)有返回信號(hào)時(shí)，說(shuō)明傳感器探 測(cè)的前方有遮擋。本發(fā)明依據(jù)此原理采用傳感器組合的方式來(lái)判斷前方的路況是空地、樓 梯還是障礙物。接近傳感器1、2、3的安裝位置如圖1。
[0035] 接近傳感器3、2、1固定在機(jī)器人前端車(chē)身上、中和下三個(gè)位置，方向分別為斜向 上、水平向前和水平向前，在圖1中，傳感器3感測(cè)方向用虛線(xiàn)表示，感測(cè)方向與水平方向的 仰角為α。
[0036] 圖2至圖6中，傳感器黑色標(biāo)記，表示感測(cè)方向有遮擋；白色表示無(wú)遮擋。當(dāng)傳感 器3感測(cè)方向無(wú)遮擋，而1和2兩個(gè)傳感器方向有遮擋時(shí)，機(jī)器人判定前方為樓梯。如圖2 所示。
[0037] 傳感器1用于探測(cè)低矮的障礙物，如圖3。因此若不采用傳感器2,無(wú)法區(qū)別低矮障 礙物與樓梯，如圖2、圖3,而低矮障礙物在生活中較常見(jiàn)，如一團(tuán)紙，一個(gè)磚塊，一個(gè)盒子， 因此本發(fā)明設(shè)計(jì)了傳感器2進(jìn)行簡(jiǎn)單區(qū)分。
[0038] 若傳感器3的感測(cè)方向有遮擋，直接將判斷機(jī)器人前方為障礙物，如圖4所示，而 不必考慮傳感器1和2的狀態(tài)，3為黑色，表示有遮擋。這類(lèi)障礙物雖然較高，機(jī)器人仍可能 無(wú)法通過(guò)這類(lèi)障礙物，需要使機(jī)器人進(jìn)行避障。
[0039] 傳感器2可用于探測(cè)與樓梯臺(tái)階高度相當(dāng)，但僅為凸起的障礙物，如圖5。
[0040] 當(dāng)1、2和3三個(gè)傳感器感測(cè)方向都沒(méi)有遮擋物時(shí)，機(jī)器人判斷前方無(wú)障礙物，如圖 6所示。
[0041] 表1給出機(jī)器人樓梯判斷傳感器狀態(tài)表，邏輯"0"表示傳感器感測(cè)方向有遮擋物， 邏輯" 1 "表示傳感器感測(cè)方向無(wú)遮擋物。
[0042] 表1 :樓梯判斷法則
[0044] 在具體實(shí)施時(shí)，根據(jù)國(guó)家頒布的《建筑樓梯設(shè)計(jì)規(guī)范》，樓梯踏步寬度不應(yīng)小于 0· 26m，踏步高度不應(yīng)大于0· 175m，較為舒適的樓梯踏步寬度為0· 28m，踏步高度為0· 16m， 兩級(jí)樓梯臺(tái)階的邊緣連線(xiàn)與水平方向成約30°夾角，如圖1，因此使傳感器3的仰角α = 30°，傳感器3固定的高度至少160mm ;傳感器1固定在機(jī)器人下方，距離地面40mm，向前探 測(cè)低矮的障礙物，如圖3 ;傳