CN106155056A - 自移动机器人行走方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种自移动机器人自由切换成直线行走和沿障碍物行走的行走方式，其利用廉价的普通传感器和微处理器来实现自移动机器人的行走，从而使得行走过程真正的有规律，提高行走区域的覆盖率，降低行走重复率，并能判断是否清扫完成，降低***能耗，延长***有效工作寿命。

Description

自移动机器人行走方法与装置

技术领域

本发明涉及自移动机器人行走方法与装置，属于机器人运动控制制造技术领域。

背景技术

自移动机器人是一种常用的机器人，包括 ：扫地机器人、割草机器人、家庭服务机器人和监控机器人等等很多不同类型，以其能够自由行走的特点得到了使用者的广泛青睐。如何有效控制自移动机器人在某一作业空间内的运动，是关键的问题。当前自移动机器人面临的一个重大技术难点是对作业区域进行全覆盖。评价全覆盖可以用以下两条标准进行衡量：（1）覆盖完全性，即自移动机器人覆盖的区域和室内允许自移动机器人进入的区域之面积比值。实现作业区域的全覆盖一直是自移动机器人研究的最大目标和难题；（2）覆盖效率，即重复覆盖的区域与可进入区域之面积比值。这个指标代表着自移动机器人路径规划的优化程度和工作效率。

以扫地机器人为例，现有的扫地机器人实现行走的方法主要分四种：（1）.如iRobot公司的Roomba系列扫地机器人，其行走方法是随机碰撞模式，主要依靠长时间（运行至电池耗尽）的随机行走等启发式行走模式来获取最大覆盖率。这种算法原理简单，对软硬件要求不高，容易实现。但是由于随机性的存在，这种算法完全不能保证清洁机器人在面积较大、环境复杂区域的覆盖率，而且机器人在一段时间内容易局限于某个区域反复清扫，导致重复覆盖率不但高，而且在不同区域的分布极不均匀，导致能耗大。（2）. 激光测距式导航***（LaserSmart™ Mapping and Navigation），Neato扫地机器人是通过激光测距的方法生成室内地图，在此基础上合理地规划清扫路线，而不是试探着撞来撞去，用户直观的感受是，它看起来比较聪明。其实现原理是：它的顶端设置有一个可旋转的激光发射头和配套接收器，通过发射激光扫描自身到边界每个点的距离，从而生成数字地图，还能根据屋内家具位置的变化实时进行更新。既然大脑中有了室内地图，Neato还可以聪明地记忆存储位置关系，比如当它因电量不足而自动返回充电完毕以后，能自动从上次返回的节点继续开始清扫（3）. 北极星导航***（NorthStar® Navigation System），类似于室内GPS定位的方法，北极星导航***的实现原理是在室内建立一个发射信号的模块，机器人通过测算自身跟该信号的偏移角度来确定自己的位置。由于它不能像Neato一样“看见”室内的物体，所以只能在清扫过程中通过自身去触碰来建立室内地图和物体之间的位置关系。iRobot公司的Braava系列擦地机器人就是应用于此项技术。（4）. 图像式测算导航***，其原理是利用顶部搭载的3摄像头扫描周围的环境，然后结合红外传感器，利用数学运算和几何、三角法测绘出房间的地图，以此来进行导航，并根据前后影像中各个地标的位置变化来判断当前的移动路线，并对其所构建的环境模型进行更新与调整。

后面三种路径规划技术都是利用先进传感器对清洁机器人进行定位，同时构建目标区域地图，来保证覆盖的完全性并降低重复覆盖率。但由于算法复杂，实现需要增加昂贵的传感器和计算能力强大的微处理器来保证，这也导致市场上这类清洁机器人产品的价格居高不下，比普通清洁机器人价格贵出2-3倍。

发明内容

为了解决上述现有的技术问题，本发明提出一种自移动机器人行走方法，其特征在于，为S形行走方法，所述S形行走方法包括所述自移动机器人直线行走和沿障碍物行走，所述直线行走和沿障碍物行走是可切换的，具体包括以下步骤：

步骤S0：机器人启动；

步骤S1：机器人原地旋转360°；

步骤S2：机器人沿第一方向直线行走，当触碰到障碍物时，进入步骤S3;

步骤S3: 判断机器人是否能够远端平移机身，若判断结果为是，自移动机器人沿第一方向的反方向直线行走；若判断结果为否，自移动机器人也是沿第一方向的反方向直线行走，当再次触碰到障碍物时，则进入步骤S4;

步骤S4：判断机器人是否能够近端平移机身，若判断结果为是，自移动机器人原地旋转90°进入步骤S2；若判断结果为否，则自移动机器人沿着障碍物行走一个预定时间后, 原地旋转90°再进入步骤S2;

步骤S5：自移动机器人按照步骤S2，步骤S3循环行走.

其中，所述步骤S3中自移动机器人在远端能平移机身与不能平移机身机器人沿第一方向的反方向直线行走的路径不相同，所述判断结果为是，自移动机器人沿第一方向的反方向直线行走的路径为一条新的路径，所述判断结果为否，自移动机器人沿第一方向的反方向直线行走的路径与步骤S2中的路径一样。

其中，所述步骤S2还包括步骤S6：自移动机器人沿第一方向直线行走，如果行走一段距离后未触碰到障碍物，则判断自移动机器人能够按照第一方向继续行走 ；否则，则判断自移动机器人不能够按照第一方向行走。

其中，所述步骤S4中自移动机器人沿障碍物行走的预定时间为4-6秒。

其中，所述步骤S4中自移动机器人沿障碍物行走的预定时间还可以为2-3秒。

进一步，本发明还提出一种自移动机器人装置，所述自移动机器人装置包括行走结构、控制单元和包括碰撞传感器的传感器***，还包括用于判断自移动机器人装置所处方位的方位定位***，所述方位定位***为电子罗盘和码盘，所述电子罗盘设置于所述控制单元上且与所述控制单元电连接，所述码盘设置于所述行走结构上。

其中，所述行走结构包括驱动电机、传动装置、两个驱动轮和一个万向轮，所述两个驱动轮分别位于所述自移动机器人装置的底部两侧与所述自移动机器人装置的几何中心呈轴对称，所述万向轮位于所述自移动机器人装置的与所述两个驱动轮连线垂直的底部对称轴上靠近底部边界的位置，所述驱动电机用于驱动传动装置控制两个驱动轮和万向轮移动。

其中，所述包含碰撞传感器的传感器***位于所述自移动机器人前端，所述碰撞传感器与所述控制单元相连，所述控制单元接收所述碰撞传感器的信息并控制驱动电机执行相应的动作。

其中，所述方位定位***还包括陀螺仪。

本发明进一步提出一种全区域覆盖后的回路检测方法，全区域覆盖后的回路检测方法是指用所述电子罗盘或者码盘计算自移动机器人装置在沿障碍物行走时的累积旋转角度，当所述累积角度大于或者等于为360°时，回路检测成功。

本发明实施例具有如下优点或有益效果：其利用廉价的普通传感器和微处理器来实现自移动机器人装置的行走，从而使得行走过程真正的有规律，提高行走区域的覆盖率，降低行走重复率，并能判断是否清扫完成，降低***能耗，延长***有效工作寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为本发明自移动机器人避障行走流程图

图2 为本发明自移动机器人全区域避障行走示意图

A B 分别为机器人触碰障碍物点，C 为未覆盖区域，M1为障碍物

图3为本发明自移动机器人局部区域避障行走示意图

Y轴正向为第一方向，X轴正向为第二方向，M1、M2、M3 为障碍物在作业区100间的位置，其中，M2为异形或者不规则形状的障碍物

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种自移动机器人装置，其包括行走结构、控制单元和传感器***，传感器***包括碰撞传感器，以及还包括由电子罗盘和码盘组成的用于判断自移动机器人装置所处方位的方位定位***，电子罗盘被设置于控制单元上且与控制单元电连接，码盘被设置于行走结构上。行走结构包括驱动电机、传动装置、两个驱动轮和一个万向轮，两个驱动轮分别位于自移动机器人装置的底部两侧与自移动机器人装置的几何中心呈轴对称，万向轮位于自移动机器人装置的与两个驱动轮连线垂直的底部对称轴上靠近底部边界的位置，驱动电机用于驱动传动装置控制两个驱动轮和万向轮移动。其中，包含碰撞传感器的传感器***位于自移动机器人前端，碰撞传感器与控制单元相连，控制单元接收碰撞传感器的信息并控制驱动电机执行相应的动作。进一步，方位定位***还包括陀螺仪，陀螺仪具有校正电子罗盘的作用。

下面参考附图对本发明的自移动机器人具体行走方法进行描述，为了便于理解，设定机器人作业区为100 ，且建立一个平面直角坐标系，Y轴正向为第一方向，X轴正向为第二方向，机器人沿Y轴正向行走为去程，机器人沿Y轴反向行走为回程，本实施例中的障碍物不仅仅包括传统意义上凸起类的障碍物，还包括类似墙体在内，将其通称为障碍物。其中，机器人相对于其开始行走的起点，定义成近端，相对于起点有着距离的一端，定义成远端，平移机身指机器人触碰到障碍物时，左侧靠近障碍物，相对于障碍物顺时针旋转90°移动一个机身长度距离，该机身长度一般为25cm-35cm。

图1为自移动机器人避障行走流程图，该避障行走方法具体过程如：在机器人启动后，机器人原地旋转360°，用以校准电子罗盘，首先，机器人执行去程，如果行走一段距离后未触碰到障碍物，则判断机器人能够继续执行去程，直到触碰到障碍物 ；否则，则判断自移动机器人不能继续执行去程。当扫地机器人触碰到障碍物后，判断机器人在远端是否能够平移机身，虽然无论判断结果是或者否，机器人接下来都是要执行回程，但是两者的路径还是有所不同，当机器人在远端能够平移机身时，机器人执行回程的路径是一条新的路径，当机器人在远端不能平移机身时，则机器人沿去程的路径返回到近端。机器人返回到近端后，在近端触碰到障碍物，此时同样需要判断是否能够在近端平移机身，若是在近端能够平移机身，则机器人继续执行去程，直到再次触碰障碍物；若是不能够平移机身，表示机器人在近端遇到了障碍物，此时，机器人沿障碍物行走，直到绕出障碍物，然后执行去程。在行走过程中，由于机器人是按照去程→远端平移机身→回程→近端平移机身→去程，其在远端和近端平移机身实际上也是沿障碍物行走，所以机器人在作业区100内是按照直线行走和沿障碍物行走来构成一个S形行走模式，其直线行走和沿障碍物行走根据对障碍物的判断来自由切换，同时由于S形模式不改变***前进方向，因此累积计算清洁机器人累积覆盖的角度时，只累加沿障碍物模式下转过的角度。利用电子罗盘记录在沿障碍物模式下累积转过的角度，当大于或等于360°阈值时，则判断整个区域清扫结束。

图2 是自移动机器人在作业区100内全区域避障行走示意图，从图2所示的左下角O点开始运动，按照自动切换成直线行走和沿障碍物行走的S形行走方法，直至右上角Z点，完成对作业区100的全区域覆盖行走，其中机器人在A 和B处遇到了障碍物，其中A处的障碍物表示机器人执行去程时第一次触碰到障碍物，B处表述机器人执行回程时第二次触碰到障碍物，M1为本方法实施例中的障碍物，该障碍物不仅仅包括传统意义上凸起类的障碍物，还包括类似墙体在内，将其通称为障碍物，由于本发明中，机器人在远端触碰到障碍物是平移机身后执行回程，所以作业区100中的障碍物如C处为本方法中机器人不能覆盖的区域，于本方法来讲，其主要的有益效果为提供一种低成本的机器人行走方法以及按照此方法行走的机器人，为了有效率地覆盖整体作业区域，所以允许机器人行走时漏过类似的区域。

为了更加详细解释本技术方案，结合图3对机器人的行走方法进行诠释，图3为自移动机器人局部区域避障行走示意图，如图3所示，机器人从图3所示的左下角O点开始运动，按照自动切换成直线行走和沿障碍物行走的S形行走方法，直至右上角Z点，完成对作业区100的全区域覆盖行走，O→A为去程成功，A→B为远端平移机身成功，B→C为回程成功， C→D为近端平移机身成功，O→A→B→C→D→E为机器人在作业区100内成功地执行了去程→远端平移机身→回程→近端平移机身→去程行走。其中，机器人执行B→C的回程，需要机器人通过原地旋转90°来调整机器人的方向，同理，机器人执行D→E的去程也是需要机器人通过原地旋转90°来调整机器人的方向，当机器人执行完D→E的去程后，执行E→F的远端平移机身，由于障碍物M1的存在，使得机器人不能在远端平移机身，所以机器人原地旋转90°来调整机器人的方向后，按照E→D的路径执行回程，回到近端，按照D→G的路径执行近端平移机身。如图3所示，当机器人按照J→K的路径执行完回程后，机器人执行从K→Q的近端平移机身，由于障碍物M2的存在，所以机器人在近端不能成功平移机身，需要机器人沿着障碍物M2从Q→L行走2-3秒，使机器人绕过障碍物M2的障碍，然后执行L→P的去程。另外，当机器人按照S→H的路径执行完回程后，机器人执行从H→V的近端平移机身，由于障碍物M3的存在，所以机器人在近端不能成功平移机身，需要机器人沿着障碍物M3从V→T行走4-6秒，使机器人绕过障碍物M3的障碍，然后执行T→W的去程。如此循环，直至全区域覆盖后结束。

本发明实施例具有如下优点或有益效果：其利用廉价的普通传感器和微处理器来实现自移动机器人装置的行走，从而使得行走过程真正的有规律，提高行走区域的覆盖率，降低行走重复率，并能判断是否清扫完成，降低***能耗，延长***有效工作寿命。

Claims (10)

1.一种自移动机器人行走方法，其特征在于，为S形行走方法，所述S形行走方法包括所述自移动机器人直线行走和沿障碍物行走，所述直线行走和沿障碍物行走是可切换的，具体包括以下步骤：

步骤S0：机器人启动；

步骤S1：机器人原地旋转360°；

步骤S2：机器人沿第一方向直线行走，当触碰到障碍物时，进入步骤S3;

步骤S3: 判断机器人是否能够远端平移机身，若判断结果为是，自移动机器人沿第一方向的反方向直线行走；若判断结果为否，自移动机器人也是沿第一方向的反方向直线行走，当再次触碰到障碍物时，则进入步骤S4;

步骤S4：判断机器人是否能够近端平移机身，若判断结果为是，自移动机器人原地旋转90°进入步骤S2；若判断结果为否，则自移动机器人沿着障碍物行走一个预定时间后, 原地旋转90°再进入步骤S2;

步骤S5：自移动机器人按照步骤S2，步骤S3循环行走。

2.如权利要求1所述的一种自移动机器人行走方法，其特征在于，所述步骤S3中自移动机器人在远端能平移机身与不能平移机身机器人沿第一方向的反方向直线行走的路径不相同，所述判断结果为是，自移动机器人沿第一方向的反方向直线行走的路径为一条新的路径，所述判断结果为否，自移动机器人沿第一方向的反方向直线行走的路径与步骤S2中的路径一样。

3.如权利要求1所述的一种自移动机器人行走方法，其特征在于，所述步骤S2还包括步骤S6：自移动机器人沿第一方向直线行走，如果行走一段距离后未触碰到障碍物，则判断自移动机器人能够按照第一方向继续行走 ；否则，则判断自移动机器人不能够按照第一方向行走。

4.如权利要求1所述的一种自移动机器人行走方法，其特征在于，所述步骤S4中自移动机器人沿障碍物行走的预定时间为4-6秒。

5.如权利要求1所述的一种自移动机器人行走方法，其特征在于，所述步骤S4中自移动机器人沿障碍物行走的预定时间还可以为2-3秒。

6.一种自移动机器人装置，所述自移动机器人装置包括行走结构、控制单元和包括碰撞传感器的传感器***，还包括用于判断自移动机器人装置所处方位的方位定位***，所述方位定位***为电子罗盘和码盘，所述电子罗盘设置于所述控制单元上且与所述控制单元电连接，所述码盘设置于所述行走结构上，其特征在于，所述自移动机器人装置按照权利要求1至5任一所述的方法行走以及全区域覆盖后的回路检测方法。

7.如权利要求6所述的一种自移动机器人装置，其特征在于，所述行走结构包括驱动电机、传动装置、两个驱动轮和一个万向轮，所述两个驱动轮分别位于所述自移动机器人装置的底部两侧与所述自移动机器人装置的几何中心呈轴对称，所述万向轮位于所述自移动机器人装置的与所述两个驱动轮连线垂直的底部对称轴上靠近底部边界的位置，所述驱动电机用于驱动传动装置控制两个驱动轮和万向轮移动。

8.如权利要求6所述的一种自移动机器人装置，其特征在于，所述包含碰撞传感器的传感器***位于所述自移动机器人前端，所述碰撞传感器与所述控制单元相连，所述控制单元接收所述碰撞传感器的信息并控制驱动电机执行相应的动作。

9.如权利要求6所述的一种自移动机器人装置，其特征在于，所述方位定位***还包括陀螺仪。

10.如权利要求6所述的一种自移动机器人装置，其特征在于，所述全区域覆盖后的回路检测方法是指用所述电子罗盘或者码盘计算自移动机器人装置在沿障碍物行走时的累积旋转角度，当所述累积角度大于或者等于为360°时，回路检测成功。