樓梯清潔機(jī)器人防跌落防碰撞研究

張 磊，楊 元，趙南生 ，李凌峰

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇 南通 226019）

1 引言

近幾十年來，人們雖然試圖設(shè)計(jì)了各類爬樓機(jī)器人[1-7]，由于結(jié)構(gòu)臃腫或成本高昂，至今未能投入民用。目前機(jī)器人的路徑規(guī)劃或移動(dòng)控制的研究成果幾乎都是基于平地機(jī)器人的，關(guān)于爬樓機(jī)器人如何防跌落防碰撞卻鮮有報(bào)道。清掃樓梯的機(jī)器人既需要爬樓，也需要安全地在踏步上來回移動(dòng)與轉(zhuǎn)身，因此防跌落與防碰撞成為了其需要解決的基本問題。僅有少量研究初步地報(bào)道了樓梯清潔機(jī)器人如何防跌落與防碰撞[4-6]。

文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種帶L型腿的樓梯清潔機(jī)器人能夠在樓梯踏步上來回移動(dòng)，前方設(shè)置了兩個(gè)PSD（Position Sensitive Detector，位置傳感器），主驅(qū)動(dòng)輪安裝了編碼器以測(cè)量輪子轉(zhuǎn)動(dòng)角度。利用PSD與編碼器聯(lián)合信息可調(diào)整機(jī)器人達(dá)到一個(gè)合適的姿態(tài)確保下樓時(shí)不跌落，然而防跌落措施僅限于此。如何在樓梯踏步上移動(dòng)與轉(zhuǎn)身時(shí)防跌落防碰撞等其它關(guān)鍵問題該文并未介紹如何應(yīng)對(duì)。

文獻(xiàn)[5-6]各自設(shè)計(jì)了一種類似結(jié)構(gòu)的輪腳混合式爬樓機(jī)器人，其采用輪子與腳部的上下組合伸縮實(shí)現(xiàn)上下樓，特點(diǎn)是爬樓平穩(wěn)。然而其中的傳感器主要用來探測(cè)輪腳的伸縮位置，確保上下樓的安全與穩(wěn)定。由于輪腳較多，體積較大，并不能沿樓梯踏步左右來回移動(dòng)，活動(dòng)范圍比較局限，因此其研究也未涉及樓梯踏步上移動(dòng)與轉(zhuǎn)身的防跌落防碰撞。

近些年國內(nèi)的研究人員設(shè)計(jì)了一些新型樓梯清潔機(jī)器人。然而大多的旨在解決機(jī)器人的爬樓[7-9]，有的只是概念設(shè)計(jì)[8-9]，未見實(shí)物實(shí)現(xiàn)，因此相關(guān)防跌落防碰撞等諸多問題并未進(jìn)一步深入探討。

我們研究小組近年來一直致力于設(shè)計(jì)開發(fā)結(jié)構(gòu)更緊湊、成本低廉的樓梯清潔機(jī)器人，研究其中的關(guān)鍵技術(shù)[10-12]。先后設(shè)計(jì)制作了升降伸縮式樓梯清潔機(jī)器人[11]與平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人[10，13]。這些機(jī)器人能夠在樓梯踏步上來回移動(dòng)，在樓梯上防跌落防碰撞的問題突顯。旨在以盡可能簡(jiǎn)單、低成本的方式解決有關(guān)問題。

具體研究是基于我們新設(shè)計(jì)的更為合理的平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人進(jìn)行。有關(guān)該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及其爬樓特點(diǎn)，可參考本研究小組發(fā)表的論文[13]。

2 問題的描述

（1）樓梯清潔機(jī)器人也應(yīng)具有平地清掃功能，這是因?yàn)闃翘葜苓吙偸沁^道或平臺(tái)等，因此其至少應(yīng)當(dāng)類似當(dāng)前的平地清潔機(jī)器人那樣具備基本的前方防踏空和障礙物防碰撞的功能。

（2）樓梯清潔機(jī)器人應(yīng)保證下樓（對(duì)于樓梯清潔，下樓相比于上樓是更為優(yōu)先的選擇）前不跌落或遇障避讓。

圖1 機(jī)器人在樓梯踏步上移動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生跌落與碰撞的幾種常見情形Fig.1 Three Common Cases That Falling and Collision Would Happen when The Robot Is Moving on the Tread along the Riser of the Stairs

（3）樓梯清潔機(jī)器人一般應(yīng)具有在樓梯踏步上來回移動(dòng)的能力以便完成清掃。因此在狹窄的樓梯上移動(dòng)或轉(zhuǎn)身時(shí)應(yīng)不發(fā)生跌落與碰撞。機(jī)器人一般會(huì)遇到三種情況，如圖1所示。機(jī)器人前行時(shí)可能從圖示處跌落，如圖1（a）所示。機(jī)器人前行時(shí)可能在圖示處與樓梯踢面碰撞，如圖1（b）所示。機(jī)器人轉(zhuǎn)身時(shí)可能發(fā)生碰撞或跌落的情形，如圖1（c）所示。

3 傳感器布局

為應(yīng)對(duì)前方防碰撞，類似平地清潔機(jī)器人設(shè)置了觸碰傳感器及其接觸板，如圖2所示。接觸板背后有左右兩個(gè)傳感器，以便區(qū)別障礙物是來自左方還是右方。

圖2 在樓梯踏步上的機(jī)器人及其部分傳感器的分布Fig.2 Sensor Configuration of Our Stair-Cleaning Robot

為避免前方踏空的危險(xiǎn)，傳統(tǒng)平地清潔機(jī)器人常采用向下探測(cè)的光電傳感器（含紅外式）。然而光電傳感器存在對(duì)光線敏感的弊端，同時(shí)清潔機(jī)器人前部下方的掃刷會(huì)揚(yáng)起灰塵，使得光電傳感器易粘上灰塵，產(chǎn)生誤判。因此考慮使用接觸式傳感。平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人采用前后萬向輪的布局。根據(jù)此特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的前輪結(jié)構(gòu)，使前輪可上下微動(dòng)的方式來探測(cè)前方的踏空。圖3中如果機(jī)器人前面路面已空，則前輪會(huì)略微下移，進(jìn)行踏空探測(cè)，從而拉動(dòng)拉桿（或拉線），觸發(fā)接觸傳感器，然后可依此控制機(jī)器人響應(yīng)。圖3（b）顯示了前輪與地面接觸時(shí)的狀態(tài)。該方式具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)光線、灰塵狀況不敏感，能可靠防止踏空等諸多優(yōu)點(diǎn)，避免了光電傳感器因光線變化誤判而導(dǎo)致機(jī)器人從前方摔落的危險(xiǎn)，因此不失為頗具實(shí)際推廣價(jià)值的探測(cè)方式。

對(duì)于圖2所示的情況，設(shè)法讓機(jī)器人沿平行于樓梯臺(tái)階邊緣（或者說沿著樓梯踢面）的方式移動(dòng)，盡量不讓機(jī)器人與樓梯踢面發(fā)生接觸。為此，在機(jī)器人的兩側(cè)各布置了前后一對(duì)測(cè)距傳感器（圖2，圖4），使機(jī)器人與踢面間保持一個(gè)間距在樓梯踏步面上來回移動(dòng)，保證機(jī)器人移動(dòng)與樓梯踢面的平行。這種方式同時(shí)解決了機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)的防跌落與防碰撞。測(cè)距傳感器實(shí)際使用超聲波傳感器，可進(jìn)一步避免受揚(yáng)起灰塵的干擾。而機(jī)器人的轉(zhuǎn)身防碰撞與防跌落根據(jù)后面提出的方法，還在尾端下方布置了一對(duì)接近傳感器。

圖3 機(jī)器人前方內(nèi)部實(shí)物外觀Fig.3 Real Appearance of Internal Front of Our Robot

4 防跌落防碰撞的控制策略

以下主要介紹如何使機(jī)器人在樓梯踏步上平行于樓梯踢面進(jìn)行左右移動(dòng)，特別是如何安全轉(zhuǎn)身。

4.1 機(jī)器人側(cè)面與樓梯踢面距離的設(shè)定

關(guān)于機(jī)器人側(cè)面與樓梯踢面的距離一般可簡(jiǎn)單按如下方式確定。

機(jī)器人在樓梯踏步移動(dòng)時(shí)的俯視圖，如圖4所示。R是掃刷半徑；d0—掃刷中心點(diǎn)與機(jī)器人一側(cè)的距離；dt—樓梯踏步寬度（也稱：踏步深度，depth of thetread）；wr—機(jī)器人寬度（width of the robot）。為確保掃刷能掃到樓梯踏步面與踢面的交匯處（如圖4的AB線附近區(qū)域），由圖可知，機(jī)器人側(cè)面與樓梯踢面的距離dsr（distancefromtherobotsidetothestair riser）應(yīng)滿足：

實(shí)際的樓梯易出現(xiàn)（dt－wr）/2＞R-d0的情形，此刻我們?cè)O(shè)定：

圖4 機(jī)器人在踏步上移動(dòng)時(shí)的俯視圖Fig.4 Top View of the Robot Moving on a Tread of the Stairs

4.2 機(jī)器人安全轉(zhuǎn)身控制

如何使樓梯清潔機(jī)器人安全轉(zhuǎn)身是樓梯清潔機(jī)器人防跌落防碰撞的關(guān)鍵難點(diǎn)。

4.2.1 初始轉(zhuǎn)身策略

從圖4可見，樓梯只提供了很狹小的空間讓機(jī)器人轉(zhuǎn)身。如果機(jī)器人以簡(jiǎn)單的原地轉(zhuǎn)身方式，勢(shì)必碰到樓梯踢面，造成難以轉(zhuǎn)身。其中的原因是人們通常默認(rèn)的轉(zhuǎn)身是圍繞自身的中心進(jìn)行。機(jī)器人若繞其中心點(diǎn)O1轉(zhuǎn)身，如圖5（a）所示。由于轉(zhuǎn)身曲率過大，極易使機(jī)器人前方頂角碰到樓梯踢面。圖中標(biāo)出臺(tái)階踏步面的邊緣線和上一臺(tái)階踢面邊緣線，為簡(jiǎn)明后面類似圖不再標(biāo)出。此外，粗虛線框代表機(jī)器人所處的前一位置（含姿態(tài)），深灰顏色框代表機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到當(dāng)前的位置。后面類似圖也是相同含義。

圖5 機(jī)器人在踏步上初始轉(zhuǎn)身的方法示意Fig.5 Diagram of How the Robot Makes an Initial Turning on the Tread

首先必須增加機(jī)器人轉(zhuǎn)身半徑，使旋轉(zhuǎn)中心達(dá)延伸到如圖5（b）的O2點(diǎn)，可使機(jī)器人繞該點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)后，其前方左端的拐角C1在移動(dòng)至圖5（b）位置時(shí)也恰好不與踢面相碰。以該極限位置的幾何關(guān)系，確定旋轉(zhuǎn)半徑（設(shè)符號(hào)為Rt，Radiusof turning）。根據(jù)圖示中的三角勾股定理有：

式中：lr—機(jī)器人長度（length of robot）.

由此方程可得：

由此確定了初始轉(zhuǎn)身的大半徑值。

圖6 機(jī)器人轉(zhuǎn)身半徑調(diào)整Fig.6 Radius Adjustment of the Robot Turning

4.2.2 小半徑轉(zhuǎn)身的設(shè)計(jì)

大半徑轉(zhuǎn)身一定距離后（由裝在底部下方的傳感器PA或PB探測(cè)結(jié)合延時(shí)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)轉(zhuǎn)入小半徑轉(zhuǎn)身，如圖5、圖6所示）否則有跌落的危險(xiǎn)。在研究中一項(xiàng)原則是：寧可發(fā)生磕碰，也須絕對(duì)避免跌落。所以機(jī)器人在轉(zhuǎn)身中應(yīng)盡可能更靠臺(tái)階里面一些。相關(guān)對(duì)策是機(jī)器人在圖6（a）中的位置就圍繞其中心轉(zhuǎn)身，達(dá)到如圖6（b）的姿態(tài)，這種方式有利于防跌落。當(dāng)另一后端接近傳感器PA探測(cè)為空，則停止這一過程，避免后輪踏空。

4.2.3 姿態(tài)的最后調(diào)整

經(jīng)過上述過程，雖然機(jī)器人已越過最難轉(zhuǎn)身的階段，剩余的姿態(tài)仍需進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整才可保證機(jī)器人后續(xù)的安全下樓。

我們的策略是充分利用尾部的接近傳感器PA與PB，通過探測(cè)遮擋與否，調(diào)整機(jī)器人邊旋轉(zhuǎn)邊前后挪動(dòng)，使機(jī)器人漸次達(dá)到垂直于樓梯踢面（即尾部邊緣線平行于踢面線），如圖7所示。有關(guān)控制算法如算法1。其中，OPA表示尾部接近傳感器探測(cè)到的狀況，其下標(biāo)PA表示尾部接近傳感器A；OPA=true表示探測(cè)到空（無遮擋），否則OPA=false。使機(jī)器人前進(jìn)的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)。

算法1：最后姿態(tài)調(diào)整控制算法

圖7 機(jī)器人轉(zhuǎn)身的最后姿態(tài)調(diào)整Fig.7 Ultimate Posture Adjustment of Robot Turning

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方法，開展了三種實(shí)驗(yàn)，第一種是測(cè)試前方防跌落；第二種是測(cè)試機(jī)器人在踏步沿踢面移動(dòng)時(shí)的跌落率與磕碰率，如圖1（a），圖1（b）所示；第三種是機(jī)器人移動(dòng)至樓梯踏步末端，在前方為空、為墻壁、欄桿等情況下的轉(zhuǎn)身，測(cè)試有關(guān)磕碰率、卡住率、跌落率與轉(zhuǎn)身到位率，如圖1（c）所示。機(jī)器人一般遇障礙物避讓比較簡(jiǎn)單，且一般的平地路徑規(guī)劃也已有大量報(bào)道，這里忽略。以下每組實(shí)驗(yàn)，在三種樓梯下（以A，B，C作為代號(hào)）進(jìn)行，每種樓梯上共做10次，且在不同光線下（下午與晚上）進(jìn)行；不同的樓梯，顏色、灰塵狀況、表面粗糙程度等各不相同。以下實(shí)驗(yàn)中，磕碰率，指在機(jī)器人某次轉(zhuǎn)身過程中，只要有一次或以上與樓梯發(fā)生磕碰，則記為該次轉(zhuǎn)身時(shí)有磕碰，這個(gè)次數(shù)與總轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)次數(shù)之比為磕碰率。發(fā)生磕碰是小問題，一般在所難免，但機(jī)器人不應(yīng)由磕碰導(dǎo)致卡住，因此記錄卡住率更加重要，卡住率即發(fā)生卡住的次數(shù)與某組動(dòng)作次數(shù)之比。跌落率是指發(fā)生跌落的次數(shù)與某組動(dòng)作次數(shù)之比。轉(zhuǎn)身到位指機(jī)器人能夠從踏步末端開始執(zhí)行轉(zhuǎn)身動(dòng)作直至垂直于樓梯踢面，以便進(jìn)行下樓。轉(zhuǎn)身到位率，即轉(zhuǎn)身到位與總轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)次數(shù)之比。若機(jī)器人未能轉(zhuǎn)身至垂直于樓梯踢面的姿態(tài)，甚至中途就因誤判斷或卡住等告失敗，記為未能轉(zhuǎn)身到位。

5.1 前方防跌落實(shí)驗(yàn)

圖8 機(jī)器人在A樓梯下樓前的前方探測(cè)踏空的動(dòng)作Fig.8 Detection of Stepping on Nothing When the Robot Prepares to Climb Down Stairs A

表1 前方防跌落實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test Results of Falling Prevention When Moving Forward

圖8顯示了在A樓梯下樓前的防跌落動(dòng)作，其中圖8（c）、圖8（d）為特寫近景。表1列出了機(jī)器人應(yīng)對(duì)A，B，C三種樓梯的前方防跌落的跌落率測(cè)試結(jié)果。對(duì)于三種樓梯，有的雖然兩側(cè)均有墻壁或欄桿，但欄桿一側(cè)并非在每一級(jí)臺(tái)階均安裝，有的臺(tái)階有一端是空的，機(jī)器人仍能成功防跌落，即表1中的踏步末端跌落率為0。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的新型前方防跌落結(jié)構(gòu)可以很穩(wěn)定地對(duì)踏空進(jìn)行響應(yīng)，使機(jī)器人成功撤回，防止跌落，且不受光線、灰塵等條件的影響。

5.2 踏步移動(dòng)實(shí)驗(yàn)

機(jī)器人應(yīng)對(duì)A，B，C三種樓梯時(shí)，如表2所示。在相應(yīng)踏步上移動(dòng)的跌落率與磕碰率結(jié)果。從該表不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在A、B兩種樓梯的表現(xiàn)諶稱完美，但機(jī)器人在C樓梯移動(dòng)時(shí)偶爾會(huì)調(diào)整不及時(shí)，造成跌落，與C樓梯踢面也偶爾會(huì)發(fā)生磕碰。原因可能與我們出于成本選擇的廉價(jià)傳感器對(duì)有的材質(zhì)表面更為敏感有關(guān)，造成信號(hào)傳遞存在偏差或滯后。機(jī)器人與樓梯發(fā)生磕碰并不代表機(jī)器人與樓梯發(fā)生嚴(yán)重碰撞，因此，實(shí)際上該情況不會(huì)引起嚴(yán)重后果，不影響機(jī)器人的行進(jìn)。

表2 踏步移動(dòng)防跌落防碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test Results of Falling and Collision Prevention When the Robot Moves on the Stair Treads

5.3 踏步上移動(dòng)至末端轉(zhuǎn)身的實(shí)驗(yàn)

第三種實(shí)驗(yàn)是機(jī)器人完成樓梯踏步的移動(dòng)后至踏步的末端，在前方為空、遇到墻壁、欄桿等情況下完成轉(zhuǎn)身，準(zhǔn)備下樓，如圖1（c）所示。測(cè)試了整個(gè)過程中的跌落率、磕碰率和轉(zhuǎn)身到位率。表3給出了在三種樓梯中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由表3反映，在A樓梯與C樓梯上，機(jī)器人表現(xiàn)優(yōu)良，多次實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，由于C樓梯的踏步寬度稍寬，使得機(jī)器人在其上的調(diào)整小動(dòng)作更少，往往能較快轉(zhuǎn)身到位。但在B樓梯上，機(jī)器人偶爾發(fā)生跌落，有時(shí)轉(zhuǎn)身未能成功。原因經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：B樓梯踏步面本身顏色偏深，且踏步上存在黑色斑點(diǎn)，如圖10所示。因此在B樓梯的不良現(xiàn)象是因?qū)谏唿c(diǎn)的偽響應(yīng)，從而導(dǎo)致動(dòng)作失誤，情況較輕的是轉(zhuǎn)身不到位，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人錯(cuò)走而跌落。這個(gè)問題我們?cè)?jīng)一度以類似防抖動(dòng)的方法，以多次試探積累進(jìn)行決策，以提高魯棒性，但實(shí)驗(yàn)表明，其降低了整體動(dòng)作的效率，且斑點(diǎn)稍大，錯(cuò)誤率依然存在，所以設(shè)計(jì)算法難以明顯改善這種誤判。研究表明，將黑色與探空進(jìn)行區(qū)別，對(duì)于光電傳感器（含紅外）而言是困難或者不可靠的。今后改進(jìn)的措施將考慮使用對(duì)光線不敏感的傳感器。

表3 踏步末端轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test Results of Turning When the Robot Moves at the End of the Stair Treads

圖9顯示了光線較暗時(shí)，機(jī)器人在A樓梯遇墻壁的探測(cè)動(dòng)作以及轉(zhuǎn)身過程。相機(jī)自動(dòng)進(jìn)行了光照補(bǔ)償，所以看上去傳感器的光更亮了。圖10顯示了機(jī)器人在B樓梯的踏步一端無欄桿處的轉(zhuǎn)身過程。實(shí)驗(yàn)還采集了機(jī)器人在其它樓梯上的數(shù)據(jù)與圖像，因篇幅所限，不一一列出。實(shí)驗(yàn)顯示機(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)于不同種類不同條件下的樓梯，完成轉(zhuǎn)身。

圖9 光線較暗時(shí)機(jī)器人在A樓梯靠墻端磕碰探測(cè)與轉(zhuǎn)身Fig.9 Detection of Collision and Turning Under Weak Illumination When the Robot Moves at the End of The Stair Tread of Stairs A That Has Wall

圖10 機(jī)器人在B樓梯一端為空處的轉(zhuǎn)身Fig.10 Turning State When the Robot Moves at the Non-Railing End of a Stair Tread of Stairs B

6 結(jié)論

針對(duì)樓梯清潔機(jī)器人在樓梯上運(yùn)動(dòng)時(shí)如何防跌落或防碰撞的問題，基于我們自行設(shè)計(jì)的平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人平臺(tái)研究了相關(guān)方法。在機(jī)器人的前端設(shè)計(jì)了接觸式探測(cè)結(jié)構(gòu)，解決了機(jī)器人前方避碰問題；針對(duì)前方防跌落，考慮到傳統(tǒng)光電傳感方式對(duì)光線敏感、易受灰塵狀況影響的弊端，設(shè)計(jì)了一種新型的接觸式踏空探測(cè)結(jié)構(gòu)，解決了機(jī)器人行進(jìn)時(shí)的前方防跌落，具有可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)頗具推廣價(jià)值的探測(cè)結(jié)構(gòu)；為防止機(jī)器人在踏步上移動(dòng)時(shí)的跌落與碰撞，設(shè)計(jì)了使機(jī)器人與樓梯踢面保持平行的左右移動(dòng)方式；針對(duì)機(jī)器人在狹窄的樓梯踏步上難轉(zhuǎn)身的問題，提出了一種變半徑轉(zhuǎn)身以及邊前后挪動(dòng)邊轉(zhuǎn)身的新方法，防止機(jī)器人在踏步上轉(zhuǎn)身時(shí)的跌落與碰撞，保證轉(zhuǎn)身到位。

實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇了幾種典型樓梯，在不同光線下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法能夠解決機(jī)器人在樓梯上運(yùn)動(dòng)時(shí)的防跌落與防碰撞問題，雖然存在小的不足，可通過以后在硬件與結(jié)構(gòu)上予以改善。這里的方法可適用于能在樓梯踏步左右移動(dòng)與轉(zhuǎn)身的機(jī)器人，沒有基于昂貴的傳感與控制器和制作成本，因此對(duì)于推動(dòng)樓梯清潔機(jī)器人走向市場(chǎng)具有積極的意義。