易操作升降伸縮式樓道清潔機(jī)器人上下樓梯的判別方法本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枺?01410192412.X、申請(qǐng)日：2014.5.8、名稱：“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)：
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)絹碓酵咛幇l(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越常見，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)此類空白，因此該研究具有重大意義。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。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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一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)器人車身下方前后端分別有一個(gè)萬向輪前輪和萬向輪后輪；機(jī)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(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進(jìn)行下樓判斷；車身后端安裝兩個(gè)向下感測(cè)的接近傳感器；當(dāng)機(jī)器人車身前端的上部位置接近傳感器感測(cè)方向無遮擋，而機(jī)器人車身前端的中、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；若機(jī)器人車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，這類障礙物較高，機(jī)器人無法通過這類障礙物，需要使機(jī)器人進(jìn)行避障；機(jī)器人車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；當(dāng)機(jī)器人車身前端的上、中、下位置三個(gè)接近傳感器感測(cè)方向都沒有遮擋物時(shí)，機(jī)器人判斷前方無障礙物；上樓過程：機(jī)器人判斷前方為樓梯后，準(zhǔn)備向上爬樓，機(jī)器人車身由升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開始上升，此刻機(jī)器人車身前端的下部位置接近傳感器外前方有遮擋；機(jī)器人車身前端的下部位置接近傳感器前方剛剛無遮擋時(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，避免車身向前伸出碰撞到上一階樓梯踏步邊緣，然后使車身伸出；機(jī)器人車身由伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開始伸出，后端的兩個(gè)接近傳感器探測(cè)到無遮擋；當(dāng)機(jī)器人車身伸出到車身后端的兩個(gè)接近傳感器探測(cè)到有遮擋，表明機(jī)器人后萬向輪已落到了樓梯踏步上，而后通過升降機(jī)構(gòu)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(tài)；下樓過程：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程中，因此不需要這種判斷，踏步清掃完，則繼續(xù)下樓的過程；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)斜下方無遮擋，說明機(jī)器人已到達(dá)樓梯附近，準(zhǔn)備下樓；角度30°<θ<60°；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，利用車身后端的兩個(gè)接近傳感器，當(dāng)車身后端的兩個(gè)接近傳感器探測(cè)到下方無遮擋，說明機(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。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。準(zhǔn)備上樓時(shí)，依靠機(jī)器人車身前端的下部位置接近傳感器；若機(jī)器人車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)；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)。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。附圖說明下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是上樓判斷傳感器分布示意圖。圖2-圖6是機(jī)器人判斷樓梯示意圖。圖7是機(jī)器人上樓過程示意圖。圖8-圖10是機(jī)器人車身上升過程示意圖。圖11-圖12是機(jī)器人車身伸出上到上一級(jí)臺(tái)階踏步面示意圖。圖13、圖14是前方是否是往下的樓梯判斷示意圖。圖15-圖20是機(jī)器人下樓過程示意圖。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。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)施方式一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)器人車身下方前后端分別有一個(gè)萬向輪前輪6和萬向輪后輪7；車身下方還裝有主動(dòng)輪12、13；機(jī)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(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來進(jìn)行下樓判斷；車身后端安裝兩個(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。接近傳感器無返回信號(hào)時(shí)，說明機(jī)器人前方為空，當(dāng)有返回信號(hào)時(shí)，說明傳感器探測(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。接近傳感器3、2、1固定在機(jī)器人前端車身上、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)方向用虛線表示，感測(cè)方向與水平方向的仰角為α。圖2至圖6中，傳感器黑色標(biāo)記，表示感測(cè)方向有遮擋；白色表示無遮擋。當(dāng)傳感器3感測(cè)方向無遮擋，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。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，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。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。這類障礙物雖然較高，機(jī)器人仍可能無法通過這類障礙物，需要使機(jī)器人進(jìn)行避障。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。當(dāng)1、2和3三個(gè)傳感器感測(cè)方向都沒有遮擋物時(shí)，機(jī)器人判斷前方無障礙物，如圖6所示。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)方向無遮擋物。表1：樓梯判斷法則在具體實(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；傳感器2固定在機(jī)器人的前方中部，距離地面高度100mm，與傳感器1組合判斷樓梯，可判斷的樓梯踢面高度范圍100mm以上。對(duì)于樓梯踢面高度過矮小于100mm的，可下調(diào)傳感器2使之與需判別樓梯的高度相當(dāng)。關(guān)于上樓過程：升降伸縮式樓道清潔機(jī)器人采用升降與伸縮的組合方式上下樓，如圖7所示，機(jī)器人在判斷樓梯后，升降機(jī)構(gòu)先將機(jī)器人車身升起，直到上升到樓梯踏步踢面的高度；伸縮機(jī)構(gòu)將機(jī)器人車身伸出并將車身送到上一級(jí)臺(tái)階踏步面上；而升降機(jī)構(gòu)將機(jī)器人支撐架收回；支撐架收回后伸縮機(jī)構(gòu)將支撐架收回到機(jī)器人車身兩側(cè)。至此，機(jī)器人完成上樓動(dòng)作。在上樓的過程中，升降機(jī)構(gòu)使機(jī)器人車身上升，如果沒有上升到使機(jī)器人車身底輪高于上一級(jí)臺(tái)階的高度，是不能進(jìn)行下一步的伸出運(yùn)動(dòng)的。因此，需要傳感器判斷是否達(dá)到了有關(guān)高度。當(dāng)伸縮機(jī)構(gòu)將機(jī)器人車身送到踏步上，若車身伸出不足，導(dǎo)致機(jī)器人后輪未落到上一級(jí)臺(tái)階踏步面上，升降機(jī)構(gòu)是不能將支撐架收起的。因?yàn)榇丝讨匦囊押芸拷鼨C(jī)器人后方，若沒有機(jī)器人后輪的支撐，而收起支撐架將導(dǎo)致機(jī)器人向后傾翻。因此，伸縮機(jī)構(gòu)是否伸出到位也需要傳感器來判斷。升起與伸出判斷使用的接近傳感器，其分布如圖8所示的傳感器1和4。機(jī)器人判斷前方為樓梯后，進(jìn)行上樓動(dòng)作。機(jī)器人在上升過程中，利用傳感器1判斷機(jī)器人車身是否上升到樓梯高度，如圖8為機(jī)器人到達(dá)樓梯邊緣準(zhǔn)備爬樓，機(jī)器人車身由升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開始上升，此刻傳感器1前方有遮擋。傳感器1前方剛剛無遮擋時(shí)，如圖9，控制機(jī)器人繼續(xù)上升一小段距離y，y為傳感器1與地面的距離，具體取40mm，由此保證機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪達(dá)到樓梯的高度，避免車身向前伸出碰撞到上一階樓梯踏步邊緣，如圖10所示，然后可使車身伸出。機(jī)器人車身伸出后，利用傳感器4判斷機(jī)器人車身是否伸出充分，即萬向輪后輪是否落到上一級(jí)臺(tái)階踏步面上。傳感器4安裝在機(jī)器人下底板后部，方向朝下，在萬向輪后輪的后方，傳感器4有兩個(gè)，分布于萬向輪后輪的兩側(cè)。機(jī)器人車身由伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開始伸出，傳感器4探測(cè)到無遮擋，如圖11。當(dāng)機(jī)器人車身伸出到傳感器4探測(cè)到有遮擋，表明機(jī)器人后萬向輪已落到了樓梯踏步上，如圖12。而后可通過升降機(jī)構(gòu)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(tài)，如圖7的最上面的狀態(tài)。關(guān)于下樓過程：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程中，因此不需要這種判斷，踏步清掃完，則繼續(xù)下樓的過程。前方是否是往下的樓梯，使用接近傳感器進(jìn)行判斷。在機(jī)器人前端兩側(cè)安裝接近傳感器5來進(jìn)行下樓判斷，方向斜向下，與水平方向夾角為θ，如圖所示，圖13為機(jī)器人接近傳感器5探測(cè)斜下方無遮擋，說明機(jī)器人未到達(dá)樓梯附近，圖14為機(jī)器人接近傳感器5探測(cè)斜下方有遮擋，說明機(jī)器人已到達(dá)樓梯附近，準(zhǔn)備下樓。具體實(shí)施時(shí)，按照國(guó)家規(guī)定的樓梯設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，往下的俯角為30°，故角度30°<θ<60°。機(jī)器人的下樓過程是圖7所示過程的逆過程，因此當(dāng)機(jī)器人判斷前方為往下的樓梯后，需轉(zhuǎn)身180°將后方面對(duì)樓梯，如圖15，此刻傳感器4向下探測(cè)到有遮擋，機(jī)器人還到達(dá)樓梯踢面邊緣；而后機(jī)器人后退，利用傳感器4，當(dāng)傳感器4探測(cè)到下方無遮擋，說明機(jī)器人已走到樓梯踢面邊緣，如圖16，機(jī)器人停止后退；而后利用伸縮機(jī)構(gòu)，將支撐架部分向樓梯方向伸出，如圖17；接著將支撐架往下降，直至撐到下一階樓梯踏步面，如圖18所示；最后就是機(jī)器人車身收回并復(fù)位，如圖19、20所示。機(jī)器人準(zhǔn)備上下樓時(shí)，必須先調(diào)整姿態(tài)，正對(duì)樓梯臺(tái)階的踏步邊緣。準(zhǔn)備上樓時(shí)，依靠機(jī)器人前端向前方感測(cè)的左右兩個(gè)接近傳感器1。如圖21，若左邊接近傳感器1先檢測(cè)到前方有遮擋，則使機(jī)器人逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，使兩個(gè)接近傳感器1都探測(cè)到有遮擋；若右邊接近傳感器1先探測(cè)到前方有遮擋，則使機(jī)器人順時(shí)針轉(zhuǎn)向，使兩個(gè)接近傳感器1都探測(cè)到前方有遮擋。上述兩種情況均判定機(jī)器人處于如圖22的正對(duì)(即垂直)上一級(jí)臺(tái)階踏步邊緣的姿態(tài)，然后方可執(zhí)行上樓動(dòng)作。接近傳感器1探測(cè)前方是否有遮擋的距離可事先調(diào)整為X。準(zhǔn)備下樓時(shí)，依靠機(jī)器人后端向下方感測(cè)的兩個(gè)接近傳感器4，如圖15-圖22。如圖21，若右邊的傳感器先探測(cè)到下方無遮擋，則使機(jī)器人逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，使兩個(gè)接近傳感器4都探測(cè)到下方無遮擋；若左邊的傳感器先探測(cè)到下方無遮擋，則使機(jī)器人順時(shí)針轉(zhuǎn)向，使兩個(gè)接近傳感器4都探測(cè)到前方無遮擋。上述兩種情況均判定機(jī)器人處于如圖22的正對(duì)(即垂直)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)，然后方可執(zhí)行下樓動(dòng)作。