本发明专利技术公开了一种清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡与规划方法，包括机器人从楼梯到中间平台的过渡、楼梯中间平台的遍历、机器人从中间平台向下一层楼梯的过渡、机器人遇到障碍的处理等方法。其中楼梯中间平台的遍历采取迂回和犁式路径规划相结合的方法。本发明专利技术具有规划有规律，简单易实现，可保证清扫覆盖率，便于机器人确定已遍历完中间平台，以及确认往下的楼梯等优点，是保证机器人能够完成楼梯连续性清扫的必不可少的手段。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种机器人与智能控制领域，是清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡与规划方法。
技术介绍
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，楼梯与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。楼梯清洁机器人不只是针对楼梯的清扫，还应设计合适的路径规划算法以满足楼梯休息平台的清扫，并完成从楼梯到休息平台再到楼梯的过渡。其中，当机器人处于楼梯时，从楼梯向中间平台过渡，需要区别已到达中间平台或仍然是楼梯；到达中间平台后，中间平台的遍历是机器人楼梯中间平台清扫是否完整的重要标志；机器人遍历完中间平台，需要在结束点，判断前方是否是往下的楼梯，完成再向楼梯的过渡。目前此类研究的相关知识产权尚未有成形，本专利技术有望填补此类空白，因此该研究对于完整实现楼梯的清扫具有重大意义。人们关于爬楼方法及其相关机构的研究已有较长的历史，先后提出了各种各样的爬楼方法，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，难以在楼梯上完成清扫任务，只是纯粹的爬楼，实用性有限。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。因此，本专利技术针对体积相对较小且可在楼梯踏步上来回移动的楼梯清洁机器人，这类机器人可在休息平台上灵活转弯、掉头等，以便实现本专利技术提出的中间平台过渡与规划方法。哈尔滨工程大学在2008年推出了一种基于阿基米德螺线三叶轮的楼梯清洁机器人试制机。该楼梯清洁机器人可实现连续爬楼，爬楼动作虽然平稳，但在平地上的转弯、掉头等反而不方便，因此未有该机器人在楼梯中间平台上的相关过渡与规划方法报道。中国台湾刘超中采用一种当前较流行的八轮脚结构设计楼梯清洁机器人。其上下楼平稳，可适应不同高度的楼梯，但由于体积较庞大，不方便在楼梯踏步上来回移动，与实际清洁要求差距较大，未有该机器人实际投入使用的报道。因此也就没有该清洁机器人应对楼梯中间平台方面的报道。中间平台虽然是一种平地，但不同于一般的平地。首先，一般的平地不存在与楼梯的过渡问题，所以自然也就没有与楼梯相关的判别问题；其次，一般的平地路径规划算法，虽然可实现遍历，但遍历结束点具有随机性，这不利于机器人寻找往下的楼梯，即便找到，整个遍历与寻找过程必然耗时，造成能量浪费较大，或者需要给机器人配备高端传感器，成本增大，不利于机器人的推广；再者，如果机器人在中途就发现往下的楼梯，那么是否立即下楼，还是以后再下楼，以后什么时候下楼，等等都是需要解决的问题。因此一般的平地路径规划算法不能直接用于楼梯中间平台的规划，需要为楼梯中间平台的过渡与遍历设计专门的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种方便有效实现楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台的过渡；中间平台的遍历过渡；中间平台到下一层楼梯的过渡的方法，保证机器人能够完成一层楼梯清扫的连续性。本专利技术的技术解决方案是:一种，其特征是:机器人车身下方设置有对称于机身左右中间线的两驱动轮；机器人车身下方前后端各有一个万向轮，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯，机器人车身前端下方有清洁装置；机器人车身两侧分别安装两个测距传感器:第一、第二测距传感器与第三、第四测距传感器，用于检测机器人车身两侧与楼梯踢面或墙壁的距离，为机器人在中间平台的行走与遍历提供道路信息依据；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器，机器人车身前端安装第一、第二接触式传感器，第一接近传感器用于检测前方是否为往下的楼梯，接触式传感器用于检测前方是否为墙壁或碰到其他障碍物，为机器人的正确处理提供依据；机器人车身后端下方安装向下探测的第二、第三接近传感器，用于感测机器人后方是楼梯还是中间平台；机器人采用下楼方式清扫；机器人从楼梯到中间平台的过渡:机器人在当前台阶踏步清扫完转身90°，使得机器人前方正对上一级台阶的踢面，利用第二、第三接近传感器判断机器人后方是中间平台或还是楼梯:若机器人后退一定距离，第二、第三接近传感器都感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面仍然是楼梯踏步面，下方必然仍然是楼梯部分；若机器人后退的距离达d，d = L/2，第二、第三接近传感器均未感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面已经是楼梯中间平台，机器人应转入中间平台规划控制状态；其中L为踏步的宽度；机器人在楼梯中间平台的遍历过渡:机器人到达中间平台后通过中间平台的遍历完成过渡，采用迂回和犁式路径规划相结合的方法实现中间平台的遍历；所述迂回的路径规划方法为:机器人从楼梯到达中间平台，有两种着落点，即第一位置、第二位置，第一位置为中间平台上靠近楼梯井并在向上楼梯一侧的部位，第二位置为中间平台上的向上楼梯一侦U、靠墙壁的部位，利用机器人右侧的测距传感器向右侧感测与墙的距离，判断在第一位置还是第二位置；机器人在下到中间平台后已后退离开楼梯踢面一定距离，此刻使机器人前行，当接触板触碰到楼梯踢面，机器人恢复到第一位置或第二位置；如果在第一位置，机器人顺时针转身90°，向第二位置进发，是否转过90°，在机器人转身时，由机器人一侧的第一、第二测距传感器感测到楼梯踢面的距离相等保证，然后到达第二位置，机器人还需要顺时针转身90°，并靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证；如果机器人从楼梯下到中间平台是在第二位置，则直接使机器人转身180°，靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证；然后机器人沿着楼梯踢面边缘和中间平台墙壁按迂回路径规划路线方式完成中间平台区域大小的确定和中间平台各边与角的清扫；机器人利用迂回路径规划清扫中间平台各边与墙角时，需要与中间平台各边保持一个较小的距离X，保证清扫覆盖率；机器人的扫刷半径为R，扫刷安装位置距离车身边缘为D ;第一、第二测距传感器的感测距离X满足，X < R -D，保证机器人能完全覆盖车身到左边墙壁或楼梯踢面之间的地面，同时机器人依靠一侧的第一、第二传感器保证机器人在行进时，与楼梯踢面或墙壁前后保持相等的距离，使机器人平行于楼梯踢面或墙壁前行；机器人在按迂回路径规划沿中间平台墙壁和楼梯踢面边缘路线的行进过程中，在各个角落处转弯时，机器人先后退距离d2，然后转弯，转弯半径增大为R，所述R数学关系至少满足本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡方法，其特征是：机器人车身下方设置有对称于机身左右中间线的两驱动轮；机器人车身下方前后端各有一个万向轮，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯，机器人车身前端下方有清洁装置；机器人车身两侧分别安装两个测距传感器：第一、第二测距传感器与第三、第四测距传感器，用于检测机器人车身两侧与楼梯踢面或墙壁的距离，为机器人在中间平台的行走与遍历提供道路信息依据；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器，机器人车身前端安装第一、第二接触式传感器，第一接近传感器用于检测前方是否为往下的楼梯，接触式传感器用于检测前方是否为墙壁或碰到其他障碍物，为机器人的正确处理提供依据；机器人车身后端下方安装向下探测的第二、第三接近传感器，用于感测机器人后方是楼梯还是中间平台；机器人采用下楼方式清扫； 机器人从楼梯到中间平台的过渡： 机器人在当前台阶踏步清扫完转身90°，使得机器人前方正对上一级台阶的踢面，利用第二、第三接近传感器判断机器人后方是中间平台或还是楼梯：若机器人后退一定距离，第二、第三接近传感器都感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面仍然是楼梯踏步面，下方必然仍然是楼梯部分；若机器人后退的距离达d，d＝L/2，第二、第三接近传感器均未感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面已经是楼梯中间平台，机器人应转入中间平台规划控制状态；其 中L为踏步的宽度； 机器人在楼梯中间平台的遍历过渡： 机器人到达中间平台后通过中间平台的遍历完成过渡，采用迂回和犁式路径规划相结合的方法实现中间平台的遍历； 所述迂回的路径规划方法为： 机器人从楼梯到达中间平台，有两种着落点，即第一位置、第二位置，第一位置为中间平台上靠近楼梯井并在向上楼梯一侧的部位，第二位置为中间平台上的向上楼梯一侧、靠墙壁的部位，利用机器人右侧的测距传感器向右侧感测与墙的距离，判断在第一位置还是第二位置；机器人在下到中间平台后已后退离开楼梯踢面一定距离，此刻使机器人前行，当接触板触碰到楼梯踢面，机器人恢复到第一位置或第二位置；如果在第一位置，机器人顺时针转身90°，向第二位置进发，是否转过90°，在机器人转身时，由机器人一侧的第一、第二测距传感器感测到楼梯踢面的距离相等保证，然后到达第二位置，机器人还需要顺时针转身90°，并靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证；如果机器人从楼梯下到中间平台是在第二位置，则直接使机器人转身180°，靠第一、第二测距传感器感测与右侧墙壁距离相等保证； 然后机器人沿着楼梯踢面边缘和中间平台墙壁按迂回路径规划路线方式完成中间平台区域大小的确定和中间平台各边与角的清扫；机器人利用迂回路径规划清扫中间平台各边与墙角时，需要与中间平台各边保持一个较小的距离X，保证清扫覆盖率；机器人的扫刷半径 为R，扫刷安装位置距离车身边缘为D；第一、第二测距传感器的感测距离X满足，X＜R‐D，保证机器人能完全覆盖车身到左边墙壁或楼梯踢面之间的地面，同时机器人依靠一侧的第一、第二传感器保证机器人在行进时，与楼梯踢面或墙壁前后保持相等的距离，使机器人平行于楼梯踢面或墙壁前行； 机器人在按迂回路径规划沿中间平台墙壁和楼梯踢面边缘路线的行进过程中，在各个角落处转弯时，机器人先后退距离d2，然后转弯，转弯半径增大为R，所述R数学关系至少满足：因此R值最低应满足：其中a为机器人长度；所述d2最小应满足：d2＝R‑a/2；所述犁式路径规划方法为： 机器人完成迂回路径规划后按照犁式路径规划方法进行中间平台的遍历；机器人一侧与墙壁的距离X2为一个车身宽度b，扫刷宽度宽于车身，机器人开始的姿态为前方面对右侧墙壁，首先进行顺时针转身，利用车身一侧的第一、第二测距传感器测得的距离相等，保证转身90°；接着往楼梯对面的墙壁方向前行一个车身宽至A点，而后顺时针转身90°往左侧墙壁方向前行，继续利用车身一侧的第一、第二测距传感器测得与楼梯对面的墙壁的距离相等，保证车身沿平行于楼梯对面的墙壁前行，此刻记录初始距离值Y；直到接近左侧墙壁至B点，机器人利用碰撞传感器碰到左侧墙壁后，通过车轮反转延时后退一定距离，使机器人一侧与墙壁的距离X2为一个车身宽度，机 器人逆时针转身90°，利用车身另一侧的第三、第四测距传感器，类似办法保证转身90°，同时使机器人侧面距左侧墙壁为X2；而后机器人前行一个车身宽度至C点后机器人逆时针转身90°，接着机器人从C点沿平行于楼梯对面墙壁的直线方向向接近右侧墙壁的D点前行，此过程机器人车身一侧与楼梯对面墙壁的距离为Y‐b，其由车身另一侧的第三、第三测距传感器保证，机器人利用碰撞传感器碰到右侧墙壁后，通过车轮反转延时后退一定距离，机器人逆时针转身90°，与右侧墙壁的距离也为X2；然后重复前述过程，每来或回一次，使机器人车身一侧与楼...
【技术特征摘要】
1.一种楼梯清洁机器人从楼梯到中间平台到楼梯的过渡方法，其特征是:机器人车身下方设置有对称于机身左右中间线的两驱动轮；机器人车身下方前后端各有一个万向轮，一方面起到支撑机器人作用，另一方面方便机器人转弯，机器人车身前端下方有清洁装置；机器人车身两侧分别安装两个测距传感器:第一、第二测距传感器与第三、第四测距传感器，用于检测机器人车身两侧与楼梯踢面或墙壁的距离，为机器人在中间平台的行走与遍历提供道路信息依据；机器人车身前端上方安装斜向下探测的第一接近传感器，机器人车身前端安装第一、第二接触式传感器，第一接近传感器用于检测前方是否为往下的楼梯，接触式传感器用于检测前方是否为墙壁或碰到其他障碍物，为机器人的正确处理提供依据；机器人车身后端下方安装向下探测的第二、第三接近传感器，用于感测机器人后方是楼梯还是中间平台 ；机器人采用下楼方式清扫； 机器人从楼梯到中间平台的过渡: 机器人在当前台阶踏步清扫完转身90°，使得机器人前方正对上一级台阶的踢面，利用第二、第三接近传感器判断机器人后方是中间平台或还是楼梯:若机器人后退一定距离，第二、第三接近传感器都感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面仍然是楼梯踏步面，下方必然仍然是楼梯部分；若机器人后退的距离达d，d = L/2，第二、第三接近传感器均未感测到下方无遮挡，说明机器人当前所在的地面已经是楼梯中间平台，机器人应转入中间平台规划控制状态；其中L为踏步的宽度； 机器人在楼梯中间平台的遍历过渡: 机器人到达中间平台后通过中间平台的遍历完成过渡，采用迂回和犁式路径规划相结合的方法实现中间平台的遍历； 所述迂回的路径规划方法为: 机器人从楼梯到达中间平台，有两种着落点，即第一位置、第二位置，第一位置为中间平台上靠近楼梯井并在向上楼梯一侧的部位，第二位置为中间平台上的向上楼梯一侧、靠墙壁的部位，利用机器人右侧的测距传感器向右侧感测与墙的距离，判断在第一位置还是第二位置；机器人在下到中间平台后已后退离开楼梯踢面一定距离，此刻使机器人前行，当接触板触碰到楼梯踢面，机器人恢复到第一位置或第二位置；如果在第一位置，机器人顺时针转身90...
【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，姚兴田，马永林，黄立平，帅立国，黄希，赵南生，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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