基于机器人万向轮的卡住检测装置、芯片及移动机器人的制作方法

本实用新型属于智能家用电器领域，特别涉及一种基于机器人万向轮的卡住检测装置、芯片及移动机器人。

背景技术：

轮式机器人一般采用两个驱动轮加平衡万向轮(一个或者两个)组成。机器人通过控制两个轮子正反转和速度，可以执行各种行为路线策略。装设万向轮的机器人行走比较灵活，但是需要通过配合传感器的检测才避免机器人进入到“困境”中不能解脱，例如卡在棍子上、跌落台阶、卡在低矮的家具墙角等等。对于机器人跌落，目前可以通过应用距离传感器检测高度距离来检测跌落区域，进而控制机器人不进入危险的跌落区域。对于机器人的顶部会卡住在家具底部的情形，中国实用新型申请文件CN207055443U的处理方式是在机器人表面的碰撞检测部分增加可上下位移的保险杆，当保险杆受到障碍物向下的压力而往下移时，保险杠通过下压转轴推杆的右端而抬起转轴推杆的左端触发电控开关，以检测到机器人的顶部被障碍物卡住，然而这种装置上需要多种组件的设置组合，其结构相对比较复杂。

技术实现要素：

本实用新型提供一种基于机器人万向轮的卡住检测装置。

一种基于机器人万向轮的卡住检测装置，所述卡住检测装置包括控制器1和压力检测结构2，压力检测结构2设置在万向轮3所在支柱与机身的连接处，并与控制器1连接，用于通过采集机器人顶部表面受到向下的压力信号以便控制器1检测机器人的被卡状态；控制器1，用于检测到所述压力信号转换对应的电信号为预设电平信号时，确定机器人被卡住。

进一步地，所述预设电平信号是一个预设时间内持续稳定的电平信号，且其转换对应的重量数值为机器人本体4自重的预设倍数；其中，所述预设倍数为大于或等于2的数值。

进一步地，控制器1，还用于检测到所述压力信号转换对应的电信号为脉冲式响应信号时，确定机器人没有被卡；其中，所述预设时间的时间长度比所述脉冲式响应信号的任一脉冲波形的脉宽都要长。

进一步地，当压力检测结构2为弹簧51与按键限位开关52的压力检测组合结构时，弹簧51设置在万向轮3所在支柱的顶部，按键限位开关52的另一端与弹簧51连接，控制器1与按键限位开关52的一端连接，用于根据弹簧51的形变量转换的电信号来检测机器人的被卡状态；其中所述形变量是弹簧51受到机器人顶部表面向下压力压缩产生的。

进一步地，当压力检测结构2为压力传感器6，用于采集所述压力信号。

一种芯片，该芯片用于存储程序，该程序用于控制所述卡住检测装置采集机器人顶部表面受到向下的压力信号，然后判断所述压力信号转换过来的电信号是否为所述预设电平信号，是则确定机器人被卡住。

一种移动机器人，该移动机器人包括机器人本体4、配置有支柱的万向轮3以及所述卡住检测装置，所述卡住检测装置内置所述芯片。

与现有技术相比，本实用新型技术方案采用在万向轮的支柱上增加弹簧51和按键式限位开关52的压力检测组合结构2或压力传感器6的方式，检测机器人被卡住的状态，整体结构简单；本实用新型技术方案提供的所述卡住检测装置获取的卡住检测信号与机器自重建立相关关系，同时通过对压力信号过滤处理以提高检测准确度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于机器人万向轮的卡住检测装置的控制逻辑结构框图；

图2为本实用新型实施例一提供的基于机器人万向轮的卡住检测装置的立体剖切示意图；

图3为本实用新型实施例二提供的基于机器人万向轮的卡住检测装置的立体剖切示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细描述。应当理解，下面所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对实用新型的限制。

本实用新型实施例提供一种基于机器人万向轮的卡住检测装置，图1为所述卡住检测装置的控制逻辑结构框图，其中，所述卡住检测装置包括控制器1和压力检测结构2，压力检测结构2设置在万向轮3所在支柱与机身的连接处，并与控制器1连接。压力检测结构2用于通过采集机器人顶部表面受到向下的压力信号，并传输至控制器1来检测机器人的被卡状态。当压力检测结构2将所述压力信号转换为预设电平信号时，确定机器人被卡住；其中，所述预设电平信号是一个预设时间内持续稳定的电平信号且其对应的重量数值为机器人本体自重的预设倍数。优选地，所述预设倍数设置为大于或等于2的数值，使得所述压力信号与机器自重建立相关关系，由于机器人正常运行时压力检测结构2采集的压力为机器人自重，所以，当机器人顶部表面受到障碍物向下的压力时，压力检测结构2采集到的机器人顶部表面受到向下的压力大于机器人自重，故所述预设倍数设置为大于或等于2的数值，即压力检测结构2采集到的所述压力信号对应于机器人自重的所述预设倍数。

实施例一：图2是本实用新型实施例一提供的一种基于机器人万向轮的卡住检测装置。压力检测结构2 为弹簧51与按键限位开关52的压力检测组合结构5。如图2所示，机器人可以是一种移动扫地机器人，包括机器人本体4、配置有支柱的万向轮3、设置在机器人本体内部的控制器1，以及弹簧51与按键限位开关52 的压力检测组合结构5，压力检测组合结构5与控制器1连接，压力检测组合结构5设置在万向轮3所在支柱的顶部。具体地，弹簧51设置在万向轮3所在支柱与机身的连接处，按键限位开关52的一端与控制器1连接，按键限位开关52的另一端与弹簧51连接，按键限位开关52根据弹簧51在机器人顶部表面受到的向下压力所产生的形变量，触发控制器1来检测机器人的被卡状态。当机器人正常运行时，压力检测组合结构5承受的主要是机器人本体4自身的重量；当机器人从锲形障碍物的底部的大开口处移动进入时，机器人的顶部表面与位于其上端的物体接触，机器人受到锲形障碍物的底部向下的压力越来越大，则弹簧51的压缩形变量越来越大，机器人本体4被压得越来越低，当弹簧51的压缩形变量所产生的弹力为机器人本体4自重的预设倍数时，触发按键限位开关52，使得压力检测组合结构5向控制器1发送所述压力信号转换过来的电信号。当控制器1检测到所述压力信号转换为所述预设电平信号时，确定机器人被卡住。

其中，所述预设电平信号是一个预设时间内持续稳定的电平信号且其对应的重量数值为机器人本体4 自重的预设倍数。优选地，所述预设倍数为大于或等于2的数值，使得所述压力信号与机器自重建立相关关系，从而提高检测准确度。

优选地，机器人不被所述楔形障碍物的底部卡住时，可能在跌破不平的地面上运动。具体地，由于万向轮3在跌破不平的地面上震动，所以，压力检测组合结构5会采集到所述压力信号的变化。特别地，当万向轮3由平坦的地面进入凹凸不平的地面时，弹簧51会发生相应的伸缩形变，使得按键限位开关52触发所述压力信号转换得到的电信号会出现峰值或谷值，然后万向轮3由凹凸不平的地面进入平坦的地面，使得按键限位开关52触发所述压力信号转换得到的电信号也会出现峰值或谷值，所以，在跌破不平的地面上控制器1采集的所述压力信号转换对应的电信号不是持续的稳定电平，而是脉冲式响应信号，此时，所述压力信号是基于弹簧51形变产生的。当所述卡住检测装置检测到所述压力信号转换对应的电信号为脉冲式响应信号，控制器1通过内置滤波器将所述脉冲式响应信号作过滤处理。其中，所述预设时间的时间长度比所述脉冲式响应信号的任一脉冲波形的脉宽都要长。

实施例二：图3是本实用新型实施例二提供的一种基于机器人万向轮的卡住检测装置。压力检测结构2 为压力传感器6。如图2所示，机器人可以是一种移动扫地机器人，包括机器人本体4、配置有支柱的万向轮3、设置在机器人本体内部的控制器1和压力传感器6，压力传感器6与控制器1连接，压力传感器6设置在万向轮3所在支柱与机身的连接处。当机器人正常运行时，压力传感器6承受的主要是机器人本体4自身的重量；当机器人从锲形障碍物的底部的大开口处移动进入时，机器人的顶部表面与位于其上端的物体接触，机器人受到锲形障碍物的底部向下的压力越来越大，压力传感器6采集机器人顶部表面受到向下的压力信号，并将其转换为电信号传输至控制器1来检测机器人的被卡状态。具体地，当控制器1检测到所述压力信号转换为所述预设电平信号时，则确定机器人被卡住。其中，所述预设电平信号是一个预设时间内持续稳定的电平信号且其对应的重量数值为机器人本体4自重的预设倍数。优选地，所述预设倍数为大于或等于2 的数值。

优选地，压力传感器6采用压电陶瓷材料或其他类型的压力传感器，它们受外力作用后通过产生的电荷而形成电信号，可以将所述压力信号转换为电信号。

优选地，机器人不被所述楔形障碍物的底部卡住时，可能在跌破不平的地面上运动。由于万向轮3在跌破不平的地面上震动，所以压力传感器6会采集到所述压力信号的变化，特别地，当万向轮3由平坦的地面进入凹凸不平的地面时，所述压力信号对应的电信号会出现峰值或谷值，然后万向轮3由凹凸不平的地面进入平坦的地面，所述压力信号对应的电信号也会出现峰值或谷值。万向轮3在自转过程中也可能在凹凸不平的地面与平坦的地面之间切换接触，并产生相应的作用力被万向轮3的支柱顶部的所述卡住检测装置所采集，所以在跌破不平的地面上采集的所述压力信号所转换对应的电信号不是持续的稳定电平，而是脉冲式响应信号。当所述卡住检测装置检测到所述压力信号转换对应的电信号为所述脉冲式响应信号，控制器1通过内置滤波器将所述冲式响应信号作过滤处理。其中，所述预设时间的时间长度比所述脉冲式响应信号的任一脉冲波形的脉宽都要长。

本实用新型实施例提供一种基于前述卡住检测装置的卡住检测方法，包括如下步骤：

所述卡住检测装置中的压力检测结构2通过采集机器人顶部表面受到向下的压力信号来检测机器人的被卡状态。具体地，当压力检测结构2为压力传感器6，机器人从锲形障碍物的底部的大开口处移动进入时，机器人受到锲形障碍物的底部向下的压力越来越大。此时压力传感器6采集机器人顶部表面受到向下的压力信号，并将其转换为对应的电信号交由控制器1来检测机器人的被卡状态。优选地，压力传感器6是压电陶瓷传感器，可以将所述压力信号转换为电信号。当压力检测结构2为弹簧51与按键限位开关52的压力检测组合结构5时，同样地，机器人从锲形障碍物的底部的大开口处移动进入时，弹簧51的压缩形变量越来越大，机器人本体4被压得越来越低，同时，按键限位开关52根据弹簧51在机器人顶部表面受到的向下压力而产生的形变量，触发控制器1来检测机器人的被卡状态。

判断所述压力信号转换过来的电信号是否为所述预设电平信号。具体地，当压力传感器6所采集的所述压力信号对应的重量数值为机器人本体自重的所述预设倍数时，控制器1根据压力传感器6实时采集的所述压力信号所转换的电信号来确定机器人被卡；或者，当弹簧51的压缩形变量所产生的弹力为机器人本体 4自重的预设倍数时触发按键限位开关52，使得压力检测组合结构5向控制器1发送所述弹力转换过来的检测电信号，控制器1则确定机器人被卡住。其中，所述预设电平信号是一个预设时间内持续稳定的电平信号且其转换对应的重量数值为机器人本体自重的所述预设倍数。

优选地，所述预设倍数为大于或等于2的数值。由于机器人正常运行时压力检测结构2承受的主要是机器人本体4自身的重量，所以当机器人被锲形障碍物的底部卡住时，压力检测结构2承受的机器人顶部表面受到向下的压力大于或等于机器人本体4自身的重量的2倍，即对应的所述压力信号与机器自重建立相关关系，从而提高检测准确度。

优选地，所述卡住检测方法还包括，判断所述压力信号转换对应的电信号为脉冲式响应信号，当所述卡住检测装置传检测到不持续的所述压力信号，有可能是脉冲式响应信号，这会对检测机器人的卡住状态造成影响。具体地，机器人在锲形障碍物的底部移动过程中，如果保持在跌破不平的地面运动，则由于其支柱顶部的压力检测装置的弹性属性结合地面的作用力，所以万向轮3在弹性作用力的物理因素会一直在震动。此时，所述卡住检测装置在跌破不平的地面上采集的所述压力信号不是持续的稳定电平，而是脉冲式响应信号。当所述卡住检测装置检测到所述压力信号转换对应的电信号是所述脉冲式响应信号，则确定机器人保持在跌破不平的地面运动，控制器1通过内置窗函数将所述压力信号作过滤处理。需要说明的是，所述预设时间的时间长度比所述脉冲式响应信号的任一脉冲波形的脉宽都要长。

优选地，当所述压力信号转换对应的电信号为所述脉冲式响应信号时，所述控制器通过内置滤波器将所述电信号作过滤处理。其中，所述内置滤波器的设计主要基于常规信号处理使用的窗函数，有选择地消除所述脉冲式响应信号中由于万向轮3在跌破不平地面上震动造成的电平干扰信号。

需要说明的是，万向轮3一般有两种类型：一种是黑白轮adc采样，一种是物理键触发信号采样。本实施例以物理键触发信号采样来进行说明：假设万向轮在楔形障碍物的底部行走过程中，每自身转动一圈，所述卡住检测装置采集到这一圈内的所述压力信号，就往所述卡住检测装置触发一次物理键的信号，通过压力传感器6或压力检测组合结构5发出一个信号，控制器1则检测到该信号，则完成机器人卡住状态的检测操作。

一种芯片，该芯片用于存储前述卡住检测方法所对应的程序算法，且该芯片内置于所述卡住检测装置的控制器1中。该芯片用于控制所述卡住检测装置检测处理压力检测结构2所采集的压力信号，进而来判断机器人的被卡状态。具体地，该芯片用于控制所述卡住检测装置采集机器人顶部表面受到向下的压力信号，然后判断所述压力信号转换过来的电信号是否为所述预设电平信号，是则确定机器人被卡住。

一种移动机器人，该移动机器人包括机器人本体4、配置有支柱的万向轮3和所述卡住检测装置，所述卡住检测装置内置所述芯片，用来控制所述移动机器人执行前述卡住检测方法，该移动机器人在万向轮3 上经过简单的改造即可通过采集机器人顶部表面受到向下的压力信号，进而检测机器人的被卡状态。

以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。