張 磊，楊 元，趙南生 ，李凌峰

（1.南通大學(xué)機械工程學(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)計了各類爬樓機器人[1-7]，由于結(jié)構(gòu)臃腫或成本高昂，至今未能投入民用。目前機器人的路徑規(guī)劃或移動控制的研究成果幾乎都是基于平地機器人的，關(guān)于爬樓機器人如何防跌落防碰撞卻鮮有報道。清掃樓梯的機器人既需要爬樓，也需要安全地在踏步上來回移動與轉(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道了樓梯清潔機器人如何防跌落與防碰撞[4-6]。

文獻[4]設(shè)計了一種帶L型腿的樓梯清潔機器人能夠在樓梯踏步上來回移動，前方設(shè)置了兩個PSD（Position Sensitive Detector，位置傳感器），主驅(qū)動輪安裝了編碼器以測量輪子轉(zhuǎn)動角度。利用PSD與編碼器聯(lián)合信息可調(diào)整機器人達到一個合適的姿態(tài)確保下樓時不跌落，然而防跌落措施僅限于此。如何在樓梯踏步上移動與轉(zhuǎn)身時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。

文獻[5-6]各自設(shè)計了一種類似結(jié)構(gòu)的輪腳混合式爬樓機器人，其采用輪子與腳部的上下組合伸縮實現(xiàn)上下樓，特點是爬樓平穩(wěn)。然而其中的傳感器主要用來探測輪腳的伸縮位置，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，活動范圍比較局限，因此其研究也未涉及樓梯踏步上移動與轉(zhuǎn)身的防跌落防碰撞。

近些年國內(nèi)的研究人員設(shè)計了一些新型樓梯清潔機器人。然而大多的旨在解決機器人的爬樓[7-9]，有的只是概念設(shè)計[8-9]，未見實物實現(xiàn)，因此相關(guān)防跌落防碰撞等諸多問題并未進一步深入探討。

我們研究小組近年來一直致力于設(shè)計開發(fā)結(jié)構(gòu)更緊湊、成本低廉的樓梯清潔機器人，研究其中的關(guān)鍵技術(shù)[10-12]。先后設(shè)計制作了升降伸縮式樓梯清潔機器人[11]與平動旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機器人[10，13]。這些機器人能夠在樓梯踏步上來回移動，在樓梯上防跌落防碰撞的問題突顯。旨在以盡可能簡單、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)計的更為合理的平動旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機器人進行。有關(guān)該機器人的結(jié)構(gòu)及其爬樓特點，可參考本研究小組發(fā)表的論文[13]。

2 問題的描述

（1）樓梯清潔機器人也應(yīng)具有平地清掃功能，這是因為樓梯周邊總是過道或平臺等，因此其至少應(yīng)當(dāng)類似當(dāng)前的平地清潔機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）樓梯清潔機器人應(yīng)保證下樓（對于樓梯清潔，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 機器人在樓梯踏步上移動時會發(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）樓梯清潔機器人一般應(yīng)具有在樓梯踏步上來回移動的能力以便完成清掃。因此在狹窄的樓梯上移動或轉(zhuǎn)身時應(yīng)不發(fā)生跌落與碰撞。機器人一般會遇到三種情況，如圖1所示。機器人前行時可能從圖示處跌落，如圖1（a）所示。機器人前行時可能在圖示處與樓梯踢面碰撞，如圖1（b）所示。機器人轉(zhuǎn)身時可能發(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)對前方防碰撞，類似平地清潔機器人設(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，傳統(tǒng)平地清潔機器人常采用向下探測的光電傳感器（含紅外式）。然而光電傳感器存在對光線敏感的弊端，同時清潔機器人前部下方的掃刷會揚起灰塵，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。平動旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機器人采用前后萬向輪的布局。根據(jù)此特點，設(shè)計了一種新型的前輪結(jié)構(gòu)，使前輪可上下微動的方式來探測前方的踏空。圖3中如果機器人前面路面已空，則前輪會略微下移，進行踏空探測，從而拉動拉桿（或拉線），觸發(fā)接觸傳感器，然后可依此控制機器人響應(yīng)。圖3（b）顯示了前輪與地面接觸時的狀態(tài)。該方式具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、對光線、灰塵狀況不敏感，能可靠防止踏空等諸多優(yōu)點，避免了光電傳感器因光線變化誤判而導(dǎo)致機器人從前方摔落的危險，因此不失為頗具實際推廣價值的探測方式。

對于圖2所示的情況，設(shè)法讓機器人沿平行于樓梯臺階邊緣（或者說沿著樓梯踢面）的方式移動，盡量不讓機器人與樓梯踢面發(fā)生接觸。為此，在機器人的兩側(cè)各布置了前后一對測距傳感器（圖2，圖4），使機器人與踢面間保持一個間距在樓梯踏步面上來回移動，保證機器人移動與樓梯踢面的平行。這種方式同時解決了機器人在移動時的防跌落與防碰撞。測距傳感器實際使用超聲波傳感器，可進一步避免受揚起灰塵的干擾。而機器人的轉(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接近傳感器。

圖3 機器人前方內(nèi)部實物外觀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器人在樓梯踏步上平行于樓梯踢面進行左右移動，特別是如何安全轉(zhuǎn)身。

4.1 機器人側(cè)面與樓梯踢面距離的設(shè)定

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

機器人在樓梯踏步移動時的俯視圖，如圖4所示。R是掃刷半徑；d0—掃刷中心點與機器人一側(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，機器人側(cè)面與樓梯踢面的距離dsr（distancefromtherobotsidetothestair riser）應(yīng)滿足：

實際的樓梯易出現(xiàn)（dt－wr）/2＞R-d0的情形，此刻我們設(shè)定：

圖4 機器人在踏步上移動時的俯視圖Fig.4 Top View of the Robot Moving on a Tread of the Stairs

4.2 機器人安全轉(zhuǎn)身控制

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

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器人轉(zhuǎn)身。如果機器人以簡單的原地轉(zhuǎn)身方式，勢必碰到樓梯踢面，造成難以轉(zhuǎn)身。其中的原因是人們通常默認的轉(zhuǎn)身是圍繞自身的中心進行。機器人若繞其中心點O1轉(zhuǎn)身，如圖5（a）所示。由于轉(zhuǎn)身曲率過大，極易使機器人前方頂角碰到樓梯踢面。圖中標(biāo)出臺階踏步面的邊緣線和上一臺階踢面邊緣線，為簡明后面類似圖不再標(biāo)出。此外，粗虛線框代表機器人所處的前一位置（含姿態(tài)），深灰顏色框代表機器人運動到當(dāng)前的位置。后面類似圖也是相同含義。

圖5 機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

首先必須增加機器人轉(zhuǎn)身半徑，使旋轉(zhuǎn)中心達延伸到如圖5（b）的O2點，可使機器人繞該點轉(zhuǎn)動后，其前方左端的拐角C1在移動至圖5（b）位置時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)符號為Rt，Radiusof turning）。根據(jù)圖示中的三角勾股定理有：

式中：lr—機器人長度（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

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探測結(jié)合延時實現(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。在研究中一項原則是：寧可發(fā)生磕碰，也須絕對避免跌落。所以機器人在轉(zhuǎn)身中應(yīng)盡可能更靠臺階里面一些。相關(guān)對策是機器人在圖6（a）中的位置就圍繞其中心轉(zhuǎn)身，達到如圖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，雖然機器人已越過最難轉(zhuǎn)身的階段，剩余的姿態(tài)仍需進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整才可保證機器人后續(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，通過探測遮擋與否，調(diào)整機器人邊旋轉(zhuǎn)邊前后挪動，使機器人漸次達到垂直于樓梯踢面（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表示探測到空（無遮擋），否則OPA=false。使機器人前進的車輪轉(zhuǎn)動為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)。

算法1：最后姿態(tài)調(diào)整控制算法

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

5 實驗驗證

為了驗證方法，開展了三種實驗，第一種是測試前方防跌落；第二種是測試機器人在踏步沿踢面移動時的跌落率與磕碰率，如圖1（a），圖1（b）所示；第三種是機器人移動至樓梯踏步末端，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。機器人一般遇障礙物避讓比較簡單，且一般的平地路徑規(guī)劃也已有大量報道，這里忽略。以下每組實驗，在三種樓梯下（以A，B，C作為代號）進行，每種樓梯上共做10次，且在不同光線下（下午與晚上）進行；不同的樓梯，顏色、灰塵狀況、表面粗糙程度等各不相同。以下實驗中，磕碰率，指在機器人某次轉(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)身時有磕碰，這個次數(shù)與總轉(zhuǎn)身實驗次數(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)與某組動作次數(shù)之比。跌落率是指發(fā)生跌落的次數(shù)與某組動作次數(shù)之比。轉(zhuǎn)身到位指機器人能夠從踏步末端開始執(zhí)行轉(zhuǎn)身動作直至垂直于樓梯踢面，以便進行下樓。轉(zhuǎn)身到位率，即轉(zhuǎn)身到位與總轉(zhuǎn)身實驗次數(shù)之比。若機器人未能轉(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 前方防跌落實驗

圖8 機器人在A樓梯下樓前的前方探測踏空的動作Fig.8 Detection of Stepping on Nothing When the Robot Prepares to Climb Down Stairs A

表1 前方防跌落實驗結(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作，其中圖8（c）、圖8（d）為特寫近景。表1列出了機器人應(yīng)對A，B，C三種樓梯的前方防跌落的跌落率測試結(jié)果。對于三種樓梯，有的雖然兩側(cè)均有墻壁或欄桿，但欄桿一側(cè)并非在每一級臺階均安裝，有的臺階有一端是空的，機器人仍能成功防跌落，即表1中的踏步末端跌落率為0。通過實驗驗證了設(shè)計的新型前方防跌落結(jié)構(gòu)可以很穩(wěn)定地對踏空進行響應(yīng)，使機器人成功撤回，防止跌落，且不受光線、灰塵等條件的影響。

5.2 踏步移動實驗

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

表2 踏步移動防跌落防碰撞實驗結(jié)果Tab.2 Test Results of Falling and Collision Prevention When the Robot Moves on the Stair Treads

5.3 踏步上移動至末端轉(zhuǎn)身的實驗

第三種實驗是機器人完成樓梯踏步的移動后至踏步的末端，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。測試了整個過程中的跌落率、磕碰率和轉(zhuǎn)身到位率。表3給出了在三種樓梯中的統(tǒng)計結(jié)果。

由表3反映，在A樓梯與C樓梯上，機器人表現(xiàn)優(yōu)良，多次實驗也發(fā)現(xiàn)，由于C樓梯的踏步寬度稍寬，使得機器人在其上的調(diào)整小動作更少，往往能較快轉(zhuǎn)身到位。但在B樓梯上，機器人偶爾發(fā)生跌落，有時轉(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，如圖10所示。因此在B樓梯的不良現(xiàn)象是因?qū)谏唿c的偽響應(yīng)，從而導(dǎo)致動作失誤，情況較輕的是轉(zhuǎn)身不到位，嚴(yán)重的會導(dǎo)致機器人錯走而跌落。這個問題我們曾經(jīng)一度以類似防抖動的方法，以多次試探積累進行決策，以提高魯棒性，但實驗表明，其降低了整體動作的效率，且斑點稍大，錯誤率依然存在，所以設(shè)計算法難以明顯改善這種誤判。研究表明，將黑色與探空進行區(qū)別，對于光電傳感器（含紅外）而言是困難或者不可靠的。今后改進的措施將考慮使用對光線不敏感的傳感器。

表3 踏步末端轉(zhuǎn)身實驗結(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，機器人在A樓梯遇墻壁的探測動作以及轉(zhuǎn)身過程。相機自動進行了光照補償，所以看上去傳感器的光更亮了。圖10顯示了機器人在B樓梯的踏步一端無欄桿處的轉(zhuǎn)身過程。實驗還采集了機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。實驗顯示機器人能夠應(yīng)對于不同種類不同條件下的樓梯，完成轉(zhuǎn)身。

圖9 光線較暗時機器人在A樓梯靠墻端磕碰探測與轉(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

針對樓梯清潔機器人在樓梯上運動時如何防跌落或防碰撞的問題，基于我們自行設(shè)計的平動旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機器人平臺研究了相關(guān)方法。在機器人的前端設(shè)計了接觸式探測結(jié)構(gòu)，解決了機器人前方避碰問題；針對前方防跌落，考慮到傳統(tǒng)光電傳感方式對光線敏感、易受灰塵狀況影響的弊端，設(shè)計了一種新型的接觸式踏空探測結(jié)構(gòu)，解決了機器人行進時的前方防跌落，具有可靠性高的優(yōu)點，是一項頗具推廣價值的探測結(jié)構(gòu)；為防止機器人在踏步上移動時的跌落與碰撞，設(shè)計了使機器人與樓梯踢面保持平行的左右移動方式；針對機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)身以及邊前后挪動邊轉(zhuǎn)身的新方法，防止機器人在踏步上轉(zhuǎn)身時的跌落與碰撞，保證轉(zhuǎn)身到位。

實驗時選擇了幾種典型樓梯，在不同光線下進行了實驗。實驗結(jié)果表明，提出的方法能夠解決機器人在樓梯上運動時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與轉(zhuǎn)身的機器人，沒有基于昂貴的傳感與控制器和制作成本，因此對于推動樓梯清潔機器人走向市場具有積極的意義。