易操作升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法.pdf

本发明公开了一种易操作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。

1.  一种易操作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y，y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；
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；
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。

易操作升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法
本申请是申请号：201410192412.X、申请日：2014.5.8、名称：“升降伸缩式楼道清洁机器人上下楼梯的判别方法”的分案申请。
技术领域
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
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。
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。
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
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。
本发明的技术解决方案是：
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；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y，y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；
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°<θ<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。
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。
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。
本发明可以方便有效地保证机器人可靠上下楼，易操作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是上楼判断传感器分布示意图。
图2-图6是机器人判断楼梯示意图。
图7是机器人上楼过程示意图。
图8-图10是机器人车身上升过程示意图。
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。
图13、图14是前方是否是往下的楼梯判断示意图.
图15-图20是机器人下楼过程示意图。
图21是机器人准备上楼或下楼时的一般姿态俯视示意图。
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
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1；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。
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。
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α。
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1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。
传感器1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。
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1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。
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。
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。
表1给出机器人楼梯判断传感器状态表，逻辑“0”表示传感器感测方向有遮挡物，逻辑“1”表示传感器感测方向无遮挡物。
表1：楼梯判断法则

在具体实施时，根据国家颁布的《建筑楼梯设计规范》，楼梯踏步宽度不应小于0.26m，踏步高度不应大于0.175m，较为舒适的楼梯踏步宽度为0.28m，踏步高度为0.16m，两级楼梯台阶的边缘连线与水平方向成约30°夹角，如图1，因此使传感器3的仰角α＝30°，传感器3固定的高度至少160mm；传感器1固定在机器人下方，距离地面40mm，向前探测低矮的障碍物，如图3；传感器2固定在机器人的前方中部，距离地面高度100mm，与传感器1组合判断楼梯，可判断的楼梯踢面高度范围100mm以上。对于楼梯踢面高度过矮小 于100mm的，可下调传感器2使之与需判别楼梯的高度相当。
关于上楼过程：
升降伸缩式楼道清洁机器人采用升降与伸缩的组合方式上下楼，如图7所示，机器人在判断楼梯后，升降机构先将机器人车身升起，直到上升到楼梯踏步踢面的高度；伸缩机构将机器人车身伸出并将车身送到上一级台阶踏步面上；而升降机构将机器人支撑架收回；支撑架收回后伸缩机构将支撑架收回到机器人车身两侧。至此，机器人完成上楼动作。
在上楼的过程中，升降机构使机器人车身上升，如果没有上升到使机器人车身底轮高于上一级台阶的高度，是不能进行下一步的伸出运动的。因此，需要传感器判断是否达到了有关高度。当伸缩机构将机器人车身送到踏步上，若车身伸出不足，导致机器人后轮未落到上一级台阶踏步面上，升降机构是不能将支撑架收起的。因为此刻重心已很靠近机器人后方，若没有机器人后轮的支撑，而收起支撑架将导致机器人向后倾翻。因此，伸缩机构是否伸出到位也需要传感器来判断。升起与伸出判断使用的接近传感器，其分布如图8所示的传感器1和4。
机器人判断前方为楼梯后，进行上楼动作。机器人在上升过程中，利用传感器1判断机器人车身是否上升到楼梯高度，如图8为机器人到达楼梯边缘准备爬楼，机器人车身由升降机构驱动开始上升，此刻传感器1前方有遮挡。传感器1前方刚刚无遮挡时，如图9，控制机器人继续上升一小段距离y，y为传感器1与地面的距离，具体取 40mm，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，如图10所示，然后可使车身伸出。
机器人车身伸出后，利用传感器4判断机器人车身是否伸出充分，即万向轮后轮是否落到上一级台阶踏步面上。传感器4安装在机器人下底板后部，方向朝下，在万向轮后轮的后方，传感器4有两个，分布于万向轮后轮的两侧。机器人车身由伸缩机构驱动开始伸出，传感器4探测到无遮挡，如图11。当机器人车身伸出到传感器4探测到有遮挡，表明机器人后万向轮已落到了楼梯踏步上，如图12。而后可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，如图7的最上面的状态。
关于下楼过程：
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。在机器人前端两侧安装接近传感器5来进行下楼判断，方向斜向下，与水平方向夹角为θ，如图所示，图13为机器人接近传感器5探测斜下方无遮挡，说明机器人未到达楼梯附近，图14为机器人接近传感器5探测斜下方有遮挡，说明机器人已到达楼梯附近，准备下楼。
具体实施时，按照国家规定的楼梯设计标准，往下的俯角为30°，故角度30°<θ<60°。
机器人的下楼过程是图7所示过程的逆过程，因此当机器人判断前方为往下的楼梯后，需转身180°将后方面对楼梯，如图15，此刻传感器4向下探测到有遮挡，机器人还到达楼梯踢面边缘；而后机器人后退，利用传感器4，当传感器4探测到下方无遮挡，说明机器人已走到楼梯踢面边缘，如图16，机器人停止后退；而后利用伸缩机构，将支撑架部分向楼梯方向伸出，如图17；接着将支撑架往下降，直至撑到下一阶楼梯踏步面，如图18所示；最后就是机器人车身收回并复位，如图19、20所示。
机器人准备上下楼时，必须先调整姿态，正对楼梯台阶的踏步边缘。准备上楼时，依靠机器人前端向前方感测的左右两个接近传感器1。如图21，若左边接近传感器1先检测到前方有遮挡，则使机器人逆时针转向，使两个接近传感器1都探测到有遮挡；若右边接近传感器1先探测到前方有遮挡，则使机器人顺时针转向，使两个接近传感器1都探测到前方有遮挡。上述两种情况均判定机器人处于如图22的正对(即垂直)上一级台阶踏步边缘的姿态，然后方可执行上楼动作。接近传感器1探测前方是否有遮挡的距离可事先调整为X。
准备下楼时，依靠机器人后端向下方感测的两个接近传感器4，如图15-图22。如图21，若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，使两个接近传感器4都探测到下方无遮挡；若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，使两个接近传感器4都探测到前方无遮挡。上述两种情况均判定机器人处于如图22的正对(即垂直)当前台阶踏步边缘或休息平台与楼梯的交汇 边缘的姿态，然后方可执行下楼动作。