升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法

升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法
【专利摘要】本发明公开了一种升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法，机器人车身前端的上、中、下位置分别装有接近传感器，车身后端安装向下感测的接近传感器；由上、中、下三个位置的接近传感器组合判别前方是否为楼梯；在上楼时，前端下部的接近传感器用于判别机身是否上升到合理高度，后端的接近传感器用于判别机身是否伸出到安全位置；在下楼时，机器人前端上部斜向下的接近传感器用于判别前方是否是向下的楼梯；机器人准备上楼或下楼时，利用前端下部的两个接近传感器或后端下方的两个接近传感器判定机器人处于正对楼梯边缘的姿态。上述一系列判别保证了机器人可靠上下楼，本发明的方法成本低廉易实现。
【专利说明】升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的方法，属于机器人与智能控制领域。
【背景技术】
[0002]当今世界人口激增，为了有效利用有限的地面空间，人们越来越往高处发展，各种高楼大厦、阶梯教室、会议厅、体育场看台等包括楼梯的建筑越来越常见，楼道清洁的工作明显增加，这方面的市场需求应运而生。另一方面，已走进人们日常生活的清洁机器人绝大多数是室内平地清洁机器人，因此有必要研究开发楼梯清洁机器人。其中的上下楼梯判断方法是研究楼梯清洁机器人的重要方面，目前此类研究的相关知识产权尚未有成形，本发明有望填补此类空白，因此该研究具有重大意义。
[0003]关于爬楼机器人的结构主要包括:轮式、履带式、腿式、翻滚式。其中履带式与翻滚式结构复杂，难以设计清洁装置。轮式爬楼机器人较多采用行星轮或其它复合轮式，结构庞大复杂，也很少兼顾楼梯清扫功能，实用性大打折扣。腿式爬楼机器人较多采用仿人行走式，机构复杂，成本高，显得大材小用，不利于向市场推广。
[0004]升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼方式简单，可很好兼顾行走于楼梯时的清扫功能，有望向市场推广。因此研究设计该机器人的上下楼判断方法具有一定的实用价值。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于提供一种方便有效地保证机器人可靠上下楼的升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法。
[0006]本发明的技术解决方案是:
[0007]—种升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法，其特征是:所述的升降伸缩式楼道清洁机器人由车身、升降机构、伸缩机构和清洁机构组成，其中升降和伸缩机构采用齿轮齿条传动方式实现直线运动，保证机器人实现上下楼动作，机器人车身下方前后端分别有一个万向轮前轮和万向轮后轮；机器人车身前端的上、中、下位置分别装有接近传感器，方向分别为斜向上、水平向前和水平向前，其中下部位置为左右各一个接近传感器；另在机器人前端上部安装方向斜向下的接近传感器来进行下楼判断；车身后端安装两个向下感测的接近传感器；
[0008]当机器人车身前端的上部位置接近传感器感测方向无遮挡，而机器人车身前端的中、下位置传感器方向有遮挡时，机器人判定前方为楼梯；机器人车身前端的下部位置接近传感器还用于探测低矮的障碍物；
[0009]若机器人车身前端的上部位置接近传感器的感测方向有遮挡，直接将判断机器人前方为障碍物，这类障碍物较高，机器人无法通过这类障碍物，需要使机器人进行避障；
[0010]机器人车身前端的中部位置接近传感器可用于探测与楼梯台阶高度相当，但仅为凸起的障碍物；[0011]当机器人车身前端的上、中、下位置三个接近传感器感测方向都没有遮挡物时，机器人判断前方无障碍物；
[0012]上楼过程:
[0013]机器人判断前方为楼梯后，准备向上爬楼，机器人车身由升降机构驱动开始上升，此刻机器人车身前端的下部位置接近传感器外前方有遮挡；机器人车身前端的下部位置接近传感器前方刚刚无遮挡时，控制机器人继续上升一小段距离1，I为机器人车身前端的下部位置接近传感器与地面的距离，由此保证机器人的驱动轮达到楼梯的高度，避免车身向前伸出碰撞到上一阶楼梯踏步边缘，然后使车身伸出；
[0014]机器人车身由伸缩机构驱动开始伸出，后端的两个接近传感器探测到无遮挡；当机器人车身伸出到车身后端的两个接近传感器探测到有遮挡，表明机器人后万向轮已落到了楼梯踏步上，而后通过升降机构收起支撑架，再通过伸缩将支撑架部分往前收回到初始状态；
[0015]下楼过程:
[0016]机器人准备下楼时，如果从休息平台下楼，由于涉及从平地行走到下楼的状态切换，机器人需要判断前方是否是往下的楼梯；对于机器人当前已经处在楼梯踏步时的情况，由于本身处于整体下楼过程中，因此不需要这种判断，踏步清扫完，则继续下楼的过程；前方是否是往下的楼梯，使用接近传感器进行判断；利用在机器人前端上部安装的方向斜向下的接近传感器来进行下楼判断，方向斜向下的接近传感器探测方向与水平方向夹角为Θ，如机器人方向斜向下的接近传感器探测斜下方有遮挡，说明机器人未到达楼梯附近；如方向斜向下的接近传感器探测斜下方无遮挡，说明机器人已到达楼梯附近，准备下楼；角度30。< Θ <60° ；
[0017]机器人准备下楼时，当机器人判断前方为往下的楼梯后，转身180°将后方面对楼梯，此刻车身后端的两个接近传感器向下探测到有遮挡，机器人未到达休息平台与楼梯的交汇边缘；而后机器人后退，利用车身后端的两个接近传感器，当车身后端的两个接近传感器探测到下方无遮挡，说明机器人已后退走到休息平台与楼梯的交汇边缘，机器人停止后退，机器人执行下楼动作。
[0018]机器人准备上楼或下楼时，先调整姿态，正对楼梯台阶的踏步边缘或休息平台与楼梯的交汇边缘。
[0019]准备上楼时，依靠机器人车身前端的下部位置接近传感器；若机器人车身前端的下部位置接近传感器中左边一个接近传感器先检测到前方有遮挡，则使机器人逆时针转向，当机器人车身前端的下部位置两个接近传感器都探测到有遮挡，判定机器人处于正对上一级台阶踏步边缘的姿态；若机器人车身前端的下部位置两个接近传感器中的右边接近传感器先探测到前方有遮挡，则使机器人顺时针转向，当机器人车身前端的下部位置两个接近传感器都探测到有遮挡，判定机器人处于正对上一级台阶踏步边缘的姿态；
[0020]准备下楼时，依靠机器人后端向下方感测的接近传感器，若其中右边的传感器先探测到下方无遮挡，则使机器人逆时针转向，当机器人后端两个接近传感器都探测到下方无遮挡，判定机器人正对当前台阶踏步边缘的姿态或休息平台与楼梯的交汇边缘的姿态；若其中左边的传感器先探测到下方无遮挡，则使机器人顺时针转向，当机器人后端两个接近传感器都探测到下方无遮挡，判定机器人正对当前台阶踏步边缘或休息平台与楼梯的交汇边缘的姿态。
[0021]本发明可以方便有效地保证机器人可靠上下楼，易操作。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0023]图1是上楼判断传感器分布示意图。
[0024]图2-图6是机器人判断楼梯示意图。
[0025]图7是机器人上楼过程示意图。
[0026]图8_图10是机器人车身上升过程不意图。
[0027]图11-图12是机器人车身伸出上到上一级台阶踏步面示意图。 [0028]图13、图14是前方是否是往下的楼梯判断示意图.[0029]图15-图20是机器人下楼过程示意图。
[0030]图21是机器人准备上楼或下楼时的一般姿态俯视示意图。
[0031]图22是机器人准备上楼或下楼时的正对楼梯姿态俯视示意图。
【具体实施方式】
[0032]一种升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法，升降伸缩式楼道清洁机器人由车身10、升降机构8、伸缩机构11和清洁机构9组成，其中升降和伸缩机构采用齿轮齿条传动方式直线运动，保证机器人实现上下楼动作，机器人车身下方前后端分别有一个万向轮前轮6和万向轮后轮7 ;车身下方还装有主动轮12、13 ;机器人车身前端的上、中、下位置分别装有接近传感器3、2、1，方向分别为斜向上、水平向前和水平向前，其中下部位置为左右各一个接近传感器I ;另在机器人前端上部安装方向斜向下的接近传感器5来进行下楼判断；车身后端安装两个向下感测的接近传感器4 ;接近传感器用于检测楼梯信息，为上下楼动作给出相关的判断依据，使机器人可靠上下楼。
[0033]接近传感器无返回信号时，说明机器人前方为空，当有返回信号时，说明传感器探测的前方有遮挡。本发明依据此原理采用传感器组合的方式来判断前方的路况是空地、楼梯还是障碍物。接近传感器1、2、3的安装位置如图1。
[0034]接近传感器3、2、1固定在机器人前端车身上、中和下三个位置，方向分别为斜向上、水平向前和水平向前，在图1中，传感器3感测方向用虚线表示，感测方向与水平方向的仰角为ct。
[0035]图2至图6中，传感器黑色标记，表示感测方向有遮挡；白色表示无遮挡。当传感器3感测方向无遮挡，而I和2两个传感器方向有遮挡时，机器人判定前方为楼梯。如图2所示。
[0036]传感器I用于探测低矮的障碍物，如图3。因此若不采用传感器2，无法区别低矮障碍物与楼梯，如图2、图3，而低矮障碍物在生活中较常见，如一团纸，一个砖块，一个盒子，因此本发明设计了传感器2进行简单区分。
[0037]若传感器3的感测方向有遮挡，直接将判断机器人前方为障碍物，如图4所示，而不必考虑传感器I和2的状态，3为黑色，表示有遮挡。这类障碍物虽然较高，机器人仍可能无法通过这类障碍物，需要使机器人进行避障。[0038]传感器2可用于探测与楼梯台阶高度相当，但仅为凸起的障碍物，如图5。
[0039]当1、2和3三个传感器感测方向都没有遮挡物时，机器人判断前方无障碍物，如图6所示。
[0040]表1给出机器人楼梯判断传感器状态表，逻辑“O”表示传感器感测方向有遮挡物，逻辑“ I ”表示传感器感测方向无遮挡物。
[0041]表1:楼梯判断法则
[0042]
【权利要求】
1.一种升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法，其特征是:所述的升降伸缩式楼道清洁机器人由车身、升降机构、伸缩机构和清洁机构组成，其中升降和伸缩机构采用齿轮齿条传动方式实现直线运动，保证机器人实现上下楼动作，机器人车身下方前后端分别有一个万向轮前轮和万向轮后轮；机器人车身前端的上、中、下位置分别装有接近传感器，方向分别为斜向上、水平向前和水平向前，其中下部位置为左右各一个接近传感器；另在机器人前端上部安装方向斜向下的接近传感器来进行下楼判断；车身后端安装两个向下感测的接近传感器； 当机器人车身前端的上部位置接近传感器感测方向无遮挡，而机器人车身前端的中、下位置传感器方向有遮挡时，机器人判定前方为楼梯；机器人车身前端的下部位置接近传感器还用于探测低矮的障碍物； 若机器人车身前端的上部位置接近传感器的感测方向有遮挡，直接将判断机器人前方为障碍物，这类障碍物较高，机器人无法通过这类障碍物，需要使机器人进行避障； 机器人车身前端的中部位置接近传感器可用于探测与楼梯台阶高度相当，但仅为凸起的障碍物； 当机器人车身前端的上、中、下位置三个接近传感器感测方向都没有遮挡物时，机器人判断前方无障碍物； 上楼过程: 机器人判断前方为楼梯后，准备向上爬楼，机器人车身由升降机构驱动开始上升，此刻机器人车身前端的下部位置接近传感器外前方有遮挡；当机器人车身前端的下部位置接近传感器前方刚刚无遮挡时，控制机器人继续上升一小段距离1，I为机器人车身前端的下部位置接近传感器与地面的距离，由此保证机器人的驱动轮达到楼梯的高度，避免车身向前伸出碰撞到上一阶楼梯踏步边缘，然后使车身伸出； 机器人车身由伸缩机构驱动开始伸出，后端的两个接近传感器探测到无遮挡；当机器人车身伸出到车身后端的两个接近传感器探测到有遮挡，表明机器人后万向轮已落到了楼梯踏步上，而后通过升降机构收起支撑架，再通过伸缩将支撑架部分往前收回到初始状态，完成上楼动作； 下楼过程: 机器人准备下楼时，如果从休息平台下楼，由于涉及从平地行走到下楼的状态切换，机器人需要判断前方是否是往下的楼梯；对于机器人当前已经处在楼梯踏步时的情况，由于本身处于整体下楼过程中，因此不需要这种判断，踏步清扫完，则继续下楼的过程；前方是否是往下的楼梯，使用接近传感器进行判断；利用在机器人前端上部安装的方向斜向下的接近传感器来进行下楼判断，方向斜向下的接近传感器探测方向与水平方向夹角为Θ，如机器人方向斜向下的接近传感器探测斜下方有遮挡，说明机器人未到达楼梯附近；如方向斜向下的接近传感器探测斜下方无遮挡，说明机器人已到达楼梯附近，准备下楼；角度30°<5<60° ； 机器人准备下楼时， 当机器人判断前方为往下的楼梯后，转身180°将后方面对楼梯，此刻车身后端的 两个接近传感器向下探测到有遮挡，机器人未到达休息平台与楼梯的交汇边缘；而后机器人后退，利用车身后端的两个接近传感器，当车身后端的两个接近传感器探测到下方无遮挡，说明机器人已后退走到休息平台与楼梯的交汇边缘，机器人停止后退，机器人执行下楼动作。
2.根据权利要求1所述的升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法，其特征是:机器人准备上楼或下楼时，先调整姿态，正对楼梯台阶的踏步边缘或休息平台与楼梯的交汇边缘。
3.根据权利要求2所述的升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法，其特征是:准备上楼时，依靠机器人车身前端的下部位置接近传感器；若机器人车身前端的下部位置接近传感器中左边一个接近传感器先检测到前方有遮挡，则使机器人逆时针转向，当机器人车身前端的下部位置两个接近传感器都探测到有遮挡，判定机器人处于正对上一级台阶踏步边缘的姿态；若机器人车身前端的下部位置两个接近传感器中的右边接近传感器先探测到前方有遮挡，则使机器人顺时针转向，当机器人车身前端的下部位置两个接近传感器都探测到有遮挡，判定机器人处于正对上一级台阶踏步边缘的姿态； 准备下楼时，依靠机器人后端向下方感测的接近传感器，若其中右边的传感器先探测到下方无遮挡，则使机器人逆时针转向，当机器人后端两个接近传感器都探测到下方无遮挡，判定机器人正对当前台阶踏步边缘的姿态或休息平台与楼梯的交汇边缘的姿态；若其中左边的传感器先探测到下方无遮挡，则使机器人顺时针转向，当机器人后端两个接近传感器都探测到下方无遮挡，判定机器人正对当前台阶踏步边缘或休息平台与楼梯的交汇边缘的姿态。
【文档编号】B62D57/024GK103963865SQ201410192412
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】张磊, 姚兴田, 马永林, 周旭, 唐文学, 左骏秋, 杨元 申请人:南通大学