升降伸縮式樓道清潔機器人上下樓梯的方便有效判別方法
【專利說明】
[0001] 本申請是【申請號】201410192412. X、申請日：2014. 5.8、名稱："升降伸縮式樓道清 潔機器人上下樓梯的判別方法"的分案申請。
技術領域
[0002] 本發明涉及一種升降伸縮式樓道清潔機器人上下樓梯的方法，屬于機器人與智能 控制領域。
【背景技術】
[0003] 當今世界人口激增，為了有效利用有限的地面空間，人們越來越往高處發展，各種 高樓大廈、階梯教室、會議廳、體育場看臺等包括樓梯的建筑越來越常見，樓道清潔的工作 明顯增加，這方面的市場需求應運而生。另一方面，已走進人們日常生活的清潔機器人絕大 多數是室內平地清潔機器人，因此有必要研究開發樓梯清潔機器人。其中的上下樓梯判斷 方法是研究樓梯清潔機器人的重要方面，目前此類研究的相關知識產權尚未有成形，本發 明有望填補此類空白，因此該研究具有重大意義。
[0004] 關于爬樓機器人的結構主要包括：輪式、履帶式、腿式、翻滾式。其中履帶式與翻 滾式結構復雜，難以設計清潔裝置。輪式爬樓機器人較多采用行星輪或其它復合輪式，結構 龐大復雜，也很少兼顧樓梯清掃功能，實用性大打折扣。腿式爬樓機器人較多采用仿人行走 式，機構復雜，成本高，顯得大材小用，不利于向市場推廣。
[0005] 升降伸縮式樓道清潔機器人上下樓方式簡單，可很好兼顧行走于樓梯時的清掃功 能，有望向市場推廣。因此研究設計該機器人的上下樓判斷方法具有一定的實用價值。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種方便有效地保證機器人可靠上下樓的升降伸縮式樓 道清潔機器人上下樓梯的判別方法。
[0007] 本發明的技術解決方案是：
[0008] -種升降伸縮式樓道清潔機器人上下樓梯的判別方法，其特征是：所述的升降伸 縮式樓道清潔機器人由車身、升降機構、伸縮機構和清潔機構組成，其中升降和伸縮機構采 用齒輪齒條傳動方式實現直線運動，保證機器人實現上下樓動作，機器人車身下方前后端 分別有一個萬向輪前輪和萬向輪后輪；機器人車身前端的上、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接近傳感器；另 在機器人前端上部安裝方向斜向下的接近傳感器來進行下樓判斷；車身后端安裝兩個向下 感測的接近傳感器；
[0009] 當機器人車身前端的上部位置接近傳感器感測方向無遮擋，而機器人車身前端的 中、下位置傳感器方向有遮擋時，機器人判定前方為樓梯；機器人車身前端的下部位置接近 傳感器還用于探測低矮的障礙物；
[0010] 若機器人車身前端的上部位置接近傳感器的感測方向有遮擋，直接將判斷機器人 前方為障礙物，這類障礙物較高，機器人無法通過這類障礙物，需要使機器人進行避障； [0011] 機器人車身前端的中部位置接近傳感器可用于探測與樓梯臺階高度相當，但僅為 凸起的障礙物；
[0012] 當機器人車身前端的上、中、下位置三個接近傳感器感測方向都沒有遮擋物時，機 器人判斷前方無障礙物；
[0013] 上樓過程：
[0014] 機器人判斷前方為樓梯后，準備向上爬樓，機器人車身由升降機構驅動開始上升， 此刻機器人車身前端的下部位置接近傳感器外前方有遮擋；機器人車身前端的下部位置接 近傳感器前方剛剛無遮擋時，控制機器人繼續上升一小段距離y，y為機器人車身前端的下 部位置接近傳感器與地面的距離，由此保證機器人的驅動輪達到樓梯的高度，避免車身向 前伸出碰撞到上一階樓梯踏步邊緣，然后使車身伸出；
[0015] 機器人車身由伸縮機構驅動開始伸出，后端的兩個接近傳感器探測到無遮擋；當 機器人車身伸出到車身后端的兩個接近傳感器探測到有遮擋，表明機器人后萬向輪已落到 了樓梯踏步上，而后通過升降機構收起支撐架，再通過伸縮將支撐架部分往前收回到初始 狀態；
[0016] 下樓過程：
[0017] 機器人準備下樓時，如果從休息平臺下樓，由于涉及從平地行走到下樓的狀態切 換，機器人需要判斷前方是否是往下的樓梯；對于機器人當前已經處在樓梯踏步時的情況， 由于本身處于整體下樓過程中，因此不需要這種判斷，踏步清掃完，則繼續下樓的過程；前 方是否是往下的樓梯，使用接近傳感器進行判斷；利用在機器人前端上部安裝的方向斜向 下的接近傳感器來進行下樓判斷，方向斜向下的接近傳感器探測方向與水平方向夾角為 Θ，如機器人方向斜向下的接近傳感器探測斜下方有遮擋，說明機器人未到達樓梯附近；如 方向斜向下的接近傳感器探測斜下方無遮擋，說明機器人已到達樓梯附近，準備下樓；角度 30。<θ〈60。；
[0018] 機器人準備下樓時，當機器人判斷前方為往下的樓梯后，轉身180°將后方面對樓 梯，此刻車身后端的兩個接近傳感器向下探測到有遮擋，機器人未到達休息平臺與樓梯的 交匯邊緣；而后機器人后退，利用車身后端的兩個接近傳感器，當車身后端的兩個接近傳感 器探測到下方無遮擋，說明機器人已后退走到休息平臺與樓梯的交匯邊緣，機器人停止后 退，機器人執行下樓動作。
[0019] 機器人準備上樓或下樓時，先調整姿態，正對樓梯臺階的踏步邊緣或休息平臺與 樓梯的交匯邊緣。
[0020] 準備上樓時，依靠機器人車身前端的下部位置接近傳感器；若機器人車身前端的 下部位置接近傳感器中左邊一個接近傳感器先檢測到前方有遮擋，則使機器人逆時針轉 向，當機器人車身前端的下部位置兩個接近傳感器都探測到有遮擋，判定機器人處于正對 上一級臺階踏步邊緣的姿態；若機器人車身前端的下部位置兩個接近傳感器中的右邊接近 傳感器先探測到前方有遮擋，則使機器人順時針轉向，當機器人車身前端的下部位置兩個 接近傳感器都探測到有遮擋，判定機器人處于正對上一級臺階踏步邊緣的姿態；
[0021] 準備下樓時，依靠機器人后端向下方感測的接近傳感器，若其中右邊的傳感器先 探測到下方無遮擋，則使機器人逆時針轉向，當機器人后端兩個接近傳感器都探測到下方 無遮擋，判定機器人正對當前臺階踏步邊緣的姿態或休息平臺與樓梯的交匯邊緣的姿態； 若其中左邊的傳感器先探測到下方無遮擋，則使機器人順時針轉向，當機器人后端兩個接 近傳感器都探測到下方無遮擋，判定機器人正對當前臺階踏步邊緣或休息平臺與樓梯的交 匯邊緣的姿態。
[0022] 本發明可以方便有效地保證機器人可靠上下樓，易操作。
【附圖說明】
[0023] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0024] 圖1是上樓判斷傳感器分布示意圖。
[0025] 圖2-圖6是機器人判斷樓梯示意圖。
[0026] 圖7是機器人上樓過程示意圖。
[0027] 圖8-圖10是機器人車身上升過程示意圖。
[0028] 圖11-圖12是機器人車身伸出上到上一級臺階踏步面示意圖。
[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是機器人下樓過程示意圖。
[0031] 圖21是機器人準備上樓或下樓時的一般姿態俯視示意圖。
[0032] 圖22是機器人準備上樓或下樓時的正對樓梯姿態俯視示意圖。
【具體實施方式】
[0033] -種升降伸縮式樓道清潔機器人上下樓梯的判別方法，升降伸縮式樓道清潔機器 人由車身10、升降機構8、伸縮機構11和清潔機構9組成，其中升降和伸縮機構采用齒輪齒 條傳動方式直線運動，保證機器人實現上下樓動作，機器人車身下方前后端分別有一個萬 向輪前輪6和萬向輪后輪7 ;車身下方還裝有主動輪12、13 ;機器人車身前端的上、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 左右各一個接近傳感器1 ;另在機器人前端上部安裝方向斜向下的接近傳感器5來進行下 樓判斷；車身后端安裝兩個向下感測的接近傳感器4 ;接近傳感器用于檢測樓梯信息，為上 下樓動作給出相關的判斷依據，使機器人可靠上下樓。
[0034] 接近傳感器無返回信號時，說明機器人前方為空，當有返回信號時，說明傳感器探 測的前方有遮擋。本發明依據此原理采用傳感器組合的方式來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固定在機器人前端車身上、中和下三個位置，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感測方向用虛線表示，感測方向與水平方向的 仰角為α。
[0036] 圖2至圖6中，傳感器黑色標記，表示感測方向有遮擋；白色表示無遮擋。當傳感 器3感測方向無遮擋，而1和2兩個傳感器方向有遮擋時，機器人判定前方為樓梯。如圖2 所示。
[0037] 傳感器1用于探測低矮的障礙物，如圖3。因此若不采用傳感器2,無法區別低矮障 礙物與樓梯，如圖2、圖3,而低矮障礙物在生活中較常見，如一團紙，一個磚塊，一個盒子， 因此本發明設計了傳感器2進行簡單區分。
[0038] 若傳感器3的感測方向有遮擋，直接將判斷機器人前方為障礙物，如圖4所示，而 不必考慮傳感器1和2的狀態，3為黑色，表示有遮擋。這類障礙物雖然較高，機器人仍可能 無法通過這類障礙物，需要使機器人進行避障。
[0039] 傳感器2可用于探測與樓梯臺階高度相當，但僅為凸起的障礙物，如圖5。
[0040] 當1、2和3三個傳感器感測方向都沒有遮擋物時，機器人判斷前方無障礙物，如圖 6所示。
[0041] 表1給出機器人樓梯判斷傳感器狀態表，邏輯"0"表示傳感器感測方向有遮擋物， 邏輯" 1 "表示傳感器感測方向無遮擋物。
[0042] 表1 :樓梯判斷法則
[0044] 在具體實施時，根據國家頒布的《建筑樓梯設計規范》，樓梯踏步寬度不應小于 0· 26m，踏步高度不應大于0· 175m，較為舒適的樓梯踏步寬度為0· 28m，踏步高度為0· 16m， 兩級樓梯臺階的邊緣連線與水平方向成約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固定在機器人下方，距離地面40mm，向前探 測低矮的障礙物，如圖3 ;傳