CN100441379C - 机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种机器人系统包括：位置信息发射单元，包括发射具有相位信息的光的光发射器和发射超声波的超声波发射器；以及机器人，包括接收光的光接收器、接收超声波的超声波接收器和根据光接收器接收的光和超声波接收器接收的超声波的相位信息来确定机器人相对位置信息发射单元位置的位置确定部分。因此机器人系统能够精确地确定机器人的位置，并减少系统的配置成本，而与外部环境无关。

Description

机器人系统

基于35U.S.C.§119，本申请要求2004年12月17日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.2004-107933的权益，这里将参考合并其公开。

技术领域

本发明的一般概念涉及一种机器人系统，更具体地，涉及一种通过位置信息发射单元发射的光和/或超声波来检测机器人位置和/或前进方向的机器人系统。

背景技术

机器人广泛应用于工业各种领域，以便管理家务劳动等。

在过去，机器人位于有限空间或沿预定轨迹运动。然而，最近已经开发了脱离预定轨迹自主运动和操作的机器人。

为了将机器人移动到目标地，已经提出了各种方法，例如检测在移动路径上提供的导向线等。

图1示出了移动机器人300确定其当前位置的传统机器人系统的配置。

如图1所示，传统机器人系统包括机器人300和光发射单元100。

光发射单元100包括位于预定位置并发射例如红外线、电磁波等沿直线传播的光的多个光发射器101。

因为从光发射器101发射的光沿直线传播，从各个光发射器101发射的光到达位于与光发射单元100的位置相对应的预定区域的机器人300。此外，光发射器101各自发射包含固有ID信息的光，以便相对于彼此识别光线发射器101。

同时，机器人300包括多个光接收器301和一个控制器(未示出)。

光接收器301接收从光发射单元100发出的光，并且将接收到光的强度信息输出到控制器。

控制器根据通过光接收器301接收的光的强度信息，确定机器人300相对光发射器101的位置。

但是，对于传统机器人系统，难以根据光发射器101和光接收器301的标准来精确地确定光强度，因此根据光的强度来精确地确定机器人300的相对位置是困难的。

此外，在空间中传播的光的能量与到光发射器101的距离立方成反比的衰减，因此，根据光的强度来确定位置受限于光发射单元100和机器人300之间的距离。

发明内容

据此，本发明的一般概念提供了一种机器人系统，与外部环境无关，能够精确地确定机器人位置，并减少机器人系统的配置成本。

在下面的部分说明中，描述了本发明的一般概念的其它方面和优点，或从说明或者从一般发明概念的实践中，本发明的其它方面和优点显而易见。

本发明的一般概念的上述及/或其它方面和优点可以通过提供一种机器人系统实现，所述机器人系统包括：位置信息发射单元，包括发射具有相位信息的光的光发射器和发射超声波的超声波发射器；以及机器人，包括接收光的接收器、接收超声波的超声波接收器以及根据光接收器接收的光和超声波接收器接收的超声波的相位信息来确定机器人相对位置信息发射单元的位置的位置确定部分。

此外，机器人包括根据接收光的入射角来检测机器人前进的方向的前进方向检测器。

确定位置部分可以根据光接收器接收的光的相位信息来确定机器人相对于位置信息发射单元的相位。

光发射器发射的光包括关于超声波发射器发射超声波时的时间的时间信息，以及位置确定部分根据时间信息和超声波的接收时间来确定位置信息发射单元和机器人之间的距离。

位置确定部分根据光发射器的光的发射周期、光的相位信息和超声波的接收时间来确定位置信息发射单元和机器人之间的距离。

前进方向检测器可以包括：汇聚接收光的透镜；以及光检测器，检测由透镜汇聚的光的汇聚位置，并且将关于汇聚光的汇聚位置的信息发送到位置确定部分。

光检测器至少包括位置敏感二极管(PSD)、电荷耦合器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器其中之一。

光发射器可以包括：输出具有相位信息的光的光输出部分；以及相位调整器，调整光的发射方向，以便向与相位信息相对应的方向发射从光输出部分输出的光。

光发射器发射的光还包括与位置信息发射单元相对应的ID信息，位置确定部分可以根据ID信息来检测位置信息发射单元在工作空间的位置，并根据位置信息发射单元检测的在工作空间的位置机器人关于位置信息发射单元的相对位置，来确定机器人在工作空间的绝对位置。

本发明的一般概念的上述以及/或者其它方面和优点也可以通过提供一种机器人系统来实现，所述机器人系统包括：位置信息发射单元，包括发射具有相位信息光的光发射器；以及机器人，包括接收光的接收器、根据光接收器接收的光的相位信息来确定机器人相对于位置信息发射单元的相位的位置确定部分以及根据光的入射角来检测机器人的前进方向的前进方向检测器。

位置信息发射单元还包括发射超声波的超声波发射器，机器人还可以包括：超声波接收器，接收超声波发生器发射的超声波；以及位置确定部分，根据超声波接收器接收超声波的接收时间来确定位置信息发射单元和机器人之间距离。

附图说明

根据以下的实施例的说明，结合附图，本发明的一般概念的这些及其它方面和优点将显而易见并更容易理解，其中：

图1示出了传统机器人系统的配置；

图2示出了根据本发明一般概念的实施例的机器人系统的控制方框图；

图3示出了图2的机器人系统中的位置信息发射单元；

图4示出了图2所示机器人系统中的机器人；

图5示出了图2所示机器人系统中的机器人的前进方向和位置的计算方法；

图6示出了图2所示机器人系统的前进方向检测器；以及

图7示出了根据本发明一般概念的另一个实施例的机器人系统配置。

具体实施方式

现在详细说明本发明一般概念的一个实施例，其实例在附图中示出，其中全文中类似的参考数字表示类似的元件。下面参考图来说明实施例，以便解释本发明的一般概念。

图2示出了根据本发明一般概念的一个实施例的机器人系统。限据图2，机器人系统包括位置信息发射单元10和机器人30。

位置信息发射单元10包括发射具有位置信息的光的光发射器12和发射超声波的超声波发射器11。

光发射器12包括：发射沿直线传播的光的光输出部分13，以及相位调整器16，调整从光输出部分13发射的光的发射方，使其与光的相位信息相对应。

光输出部分13输出例如红外线、电磁波等沿直线传播的光。在此，通过相移键控、频移键控，光输出部分13在输出光中包括等各种信息。因此，通过光输出部分13光输出的光包括：关于要由相位调整器16调整的发射光的相位的相位信息。当光输出部分13输出的光是红外线时，通过红外数据协会(IrDA)红外线通信，可以在红外线中提供相位信息。

相位调整器16调整从光输出部分13发射的光的相位信息，使其与从光输出部分13输出的光的相位信息相对应。

图3示出了机器人系统的位置信息发射单元10。根据图3，相位调整器16包括反射镜16a、旋转轴16b和发动机16c。

反射镜16a与旋转轴16b相连，并且相对于光输出部分13输出的光的发射方向倾斜，以便以预定的入射角反射从光输出部分13输出的光。

旋转轴16b与反射镜16a相连，并将发动机16c的旋转功率到反射镜16a。发动机16c旋转旋转轴16b，以便以预定角速度旋转反射镜16。在此，发动机16c能够360度旋转反射镜16a，以便调整光输出部分13输出的光的发射方向。

回到图2，光输出部分13包括产生光的光产生器15和编码器14，编码器将与发动机16c实际旋转发射的光的相位相同的相位信息编码到光中。

编码器14根据旋转发动机16c的实际旋转，从发动机16c接收关于相位的信息，并编码或调制接收到的信息，使其包括在光产生器15产生的光信号内，作为相位信息。从而，相位调整器16调整从光输出部分13输出的光的发射方向，使其与光的相位信息相对应。

如上所述，编码器14根据光的类型，以相移键控、频移键控、PWM(脉冲宽度调制)方法等将相位信息编码到光中。

超声波发射器11发射与发射器12发射的光同步的超声波。在此，当超声波与光产生器15产生的光同步时，编码器14可以控制超声波发射器11，以便以预定周期发射超声波。例如，当发动机16c旋转一周时，即，根据光输出部分13输出的光的相位信息相位是0度时，超声波发射器11发射超声波。

根据上述配置，如下所述，发射从位置信息发射单元10发射的光和超声波。

发动机16c以预定角速度旋转。当发动机的相位是0度时，编码器14控制光产生器15，使其产生并输出具有0度相位信息的光。当编码器14控制光产生器15使其产生并输出光具有0度相位信息的光时，编码器14同时控制超声波发射器11发射超声波。

编码器14控制光产生器15，以便以预定相位增量输出光，例如如图3所示的1度的增量，从而与发动机16c的旋转相对应，还以利用预定相位增量对光产生器15的输出光的相位信息进行编码。

图4示出了图2所示的机器人系统的机器人30。参考图2和图4，机器人30包括：光接收器35、超声波接收器31、前进方向检测器36和位置确定部分32。

光接收器35接收位置信息发射单元10的光发射器12发射的光。此外，光接收器35将接收到的光发送到位置确定部分32。如图4所示，光接收器35能够接收来自相对于机器人30的前进方向的多个水平方向的光。在此，光接收器35包括圆锥形的锥形镜(conical mirror)35a，将接收到的光水平汇聚到其尖端，然后将汇聚的光到发送光接收部分35b。此外，可选地，可以提供各种形状的光接收器35。

尽管图4示出了包括锥形镜35a和光接收部分35b的机器人30的光接收器35，根据本发明一般概念，机器人30的光接收器35可选择包括其它的配置，只要光接收器35能够实质上从相对于机器人30的前进方向的多个水平方向接收光。

超声波接收器31接收从位置信息发射单元10的超声波发射器11发射的超声波。此外，无论超声波接收与否，超声波接收器31将信息发送到位置确定部分32。

机器人30根据通过光接收器35接收到的光和通过超声波接收器31接收到的超声波的相位信息，检测其相对于位置信息发射单元10的相位和距离。因此，机器人30只用一个光接收器35来检测其相对于位置信息发射单元10的相对位置，以使机器人30的制造成本减少。此外，当根据光接收器35接收到的信息来检测相位和距离时，去除了由于相邻排列多个光接收器而产生的检测误差。

图5示出了一种方法，位置确定部分利用其根据光接收器35接收到的光和超声波接收器31接收到的超声波，检测机器人30相对于位置信息发射单元10的相对相位和位置。

参考图5，位置确定部分32对通过光接收器35接收到的光的相位信息进行解码，以便检测机器人30相对于位置信息发射单元10的相对相位φ。

位置确定部分32根据通过超声波接收器31接收到的超声波和通过光接收器35接收到的光，计算机器人30和位置信息发射单元10之间的距离。

例如，超声波接收器接收到超声波的接收时间是Ts，光发射器12发射具有零度相位φ的光，以及超声波发射器11发射超声波的时间是T0。

从而，超声波发射器11发射的超声波花费Ts-T0到达超声波接收器31。从而，机器人30和位置信号发射单元10之间的距离由下面的表达式1计算。

表达式1

d＝(Ts-T0)×Vs，Vs是音速。

在此，位置信息发射单元10的编码器14将关于T0的时间信息编码到由光发射器12发射的光中。因此，当超声波发射器11发射超声波时，根据编码到光接收器35接收到的光中关于T0的时间信息，位置确定部分32检测时间T0。

或者，当超声波发射器发射超声波时，位置确定部分32可以根据光接收器35接收到光的接收时间Tr、光接收器35接收到的光的相位φ与光发射器12发射的光的预定相位增量的比例C以及发动机16c以预定相位增量旋转所需要的时间Tc，通过下面的表达式2来检测时间T0，

表达式2

T0＝Tr-Tc×C

在此，在表达式2中，可以认为光速非常快。从而，光从光发射器12传播到机器人30所需的时间没有考虑。

同时，前进方向检测器36根据位置信息发射单元10发射的光的入射角Ψ，检测机器人30的前进方向θ。

图6示出了前进方向检测器36根据从位置信息发射单元发射的光来检测机器人30的前进方向θ。参考图6，前进方向检测器36包括：透镜36a，汇聚位置信息发射单元10发射的光；以及光检测器，检测透镜36a汇聚的光并将关于汇聚位置P1、P2和P3信息发送到位置确定部分32。在此，光检测器包括位置敏感二极管(PSD)36b。PSD36b包括检测位置信息发射单元10和机器人30之间高度差异的二维(2D)PSD。光检测器可由CCD传感器，CMOS传感器等组成，作为PSD36b的替代。

如图6所示，当从位置信息发射单元10发射的光通过透镜36a时，位置信息发射单元10发射的光根据不同的入射角Ψ1、Ψ2和Ψ3汇聚到不同的汇聚位置P1、P2和P3，光检测器将关于光汇聚位置P1、P2和P3的信息发送到位置确定部分32。

在此，位置确定部分32接收来自光检测器的光的汇聚位置P1、P2和P3的信息，并计算当前机器人30的前进方向θ。例如，如图5所示，当Ψ是根据来自光检测器的汇聚位置P1、P2和P3之一的信息确定的光的入射角时，前进方向θ相对于零度相位φ可通过下面的表达式3计算。

表达式3

θ＝Ψ-φ

在此，相位φ是根据通过光接收器35接收的光的相位信息，由位置确定部分32检测到的机器人30的相对相位。

图7示出了根据本发明一般概念的包括多个位置信息发射单元10和10’及机器人30的另一个实施例的机器人系统。位置信息发射单元10和10’及机器人30的配置实际上与图2所示相同，因此，省略其详细说明。

参考图7，在机器人30的工作空间的预定位置设置位置信息发射单元10和10’。每个位置信息发射单元10和10’的编码器14将相应的位置信息发射单元10和10’的ID信息编码到光产生器15产生的光中。

然后，机器人30的位置确定部分32根据在光接收器35接收的光中提供的每个位置信息发射单元10和10’的ID，确定位置信息发射单元10和10’在工作空间的位置。例如，在机器人的位置确定部分32中存储了信息表，所述信息表具有在工作空间设置的位置信息发射单元10和10’的各自ID和与工作空间ID相对应的位置信息发射单元10和10’的位置。

因此，在如上所述的实施例中，机器人30的位置确定部分32确定关于每个位置信息发射单元10和10’的距离d和机器人的相位φ的信息，并从信息表中获取与每个位置信息发射单元10和10’的ID信息相对应的每个位置信息发射单元10和10’在工作空间的位置，因此位置确定部分32可以计算机器人30在工作空间的预定标准坐标的绝对位置。

如上所述，根据本发明一般概念的机器人系统计算机器人与位置信息发射单元之间的相对相位和距离，以及机器人的前进方向。或者，机器人系统可以通过上述方法来至少检测机器人与位置信息发射单元之间距离和相对相位以及机器人的前进方向其中之一，并通过不同的方法检测其它方面。

尽管已示出并说明了本发明一般概念的几个实施例，本领域的技术人员可以在不脱离发明一般概念的原理和精神下，对这些实施例加以变化，其范围在所附的权利要求及其等同物定义。

Claims (23)

1、一种机器人系统，包括：

位置信息发射单元，包括发射具有相位信息的光的光发射器和发射超声波的超声波发射器；以及

机器人，包括接收光的光接收器、接收超声波的超声波接收器和位置确定部分，所述位置确定部分根据光接收器接收的光和超声波接收器接收的超声波的相位信息来确定机器人相对于位置信息发射单元的相对位置，其中，机器人还包括根据光的入射角来检测机器人前进方向的前进方向检测器。

2、根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，位置确定部分根据光接收器接收到的光的相位信息来确定机器人相对于位置信息发射单元的相位。

3、根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，前进方向检测器包括：汇聚光的透镜；以及光检测器，检测由透镜汇聚的光的汇聚位置，并将关于汇聚光的汇聚位置的信息发送到位置确定部分。

4、根据权利要求3所述的机器人系统，其特征在于，光检测器至少包括位置敏感二极管(PSD)、电荷耦合器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体传感器(CMOS)其中之一。

5、根据权利要求3所述的机器人系统，其特征在于，位置确定部分根据关于汇聚光的汇聚位置的信息来确定光的入射角。

6、根据权利要求3所述的机器人系统，其特征在于，光检测器包括二维位置敏感二极管，检测机器人和位置信息发射单元之间的高度差异。

7、根据权利要求所述1的机器人系统，其特征在于，光发射器包括：输出具有相位信息的光的光输出部分；以及相位调整器，调整光的发射方向，以便向与相位信息相对应的方向发射从光输出部分输出的光。

8、根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，光发射器发射具有位置信息发射单元的ID信息的光，以及

机器人的位置确定部分根据ID信息来检测位置信息发射单元在工作空间内的位置，并根据位置信息发射单元在工作空间的检测位置和相对于位置信息发射单元的机器人的相对位置来确定机器人在工作空间的绝对位置。

9、根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，从光发射器发射的光还包括关于超声波发射器发射超声波的时间的时间信息，以及

位置确定部分根据时间信息和超声波的接收时间来确定位置信息发射单元和机器人之间距离。

10、根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，位置确定部分根据光发射器发射光的发射周期、光的相位信息和超声波的接收时间，确定位置信息发射单元和机器人之间距离。

11、一种机器人系统，包括：

位置信息发射单元，包括发射具有相位信息的光的光发射器，以及

机器人，包括接收从光发射器发射的光的光接收器；位置确定部分，根据通过光接收器接收的光的相位信息来确定机器人相对于位置信息发射单元的相位；以及前进方向检测器，根据光发射器发射的光的入射角来检测机器人的前进方向。

12、根据权利要求11所述的机器人系统，其特征在于，位置信息发射单元还包括发射超声波的超声波发射器，

机器人还包括超声波接收器，接收超声波发射器发射的超声波，以及

位置确定部分根据超声波接收器接收到的超声波的接收时间来确定位置信息发射单元和机器人之间距离。

13、根据权利要求12所述的机器人系统，其特征在于，光发射器发射的光还包括关于超声波发射器发射超声波的时间的时间信息，以及

位置确定部分根据时间信息和超声波的接收时间确定位置信息发射单元和机器人之间的距离。

14、根据权利要求12所述的机器人系统，其特征在于，位置确定部分根据光发射器发射的光的发射周期、光的相位信息和超声波的接收时间来确定位置信息发射单元和机器人之间的距离。

15、根据权利要求12所述的机器人系统，其特征在于，前进方向检测器包括：汇聚光的透镜；以及光检测器，检测由透镜汇聚的光的汇聚位置并将关于汇聚光的汇聚位置的信息发送到位置确定部分。

16、根据权利要求15所述的机器人系统，其特征在于，光检测器至少包括位置敏感二极管(PSD)、电荷耦合器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器其中之一。

17、根据权利要求12所述的机器人系统，其特性在于，光发射器包括：输出具有相位信息的光的光输出部分；以及相位调整器，调整从光输出部分输出的光的发射方向，以便向与相位信息相对应的方向发射从光输出部分输出的光。

18、根据权利要求12所述的机器人系统，其特征在于，光发射器发射的光还包括与位置信息发射单元相对应的ID信息，以及

位置确定部分根据ID信息来检测工作空间内的位置信息发射单元的位置，并根据工作空间内的位置信息发射单元的检测位置和机器人相对于位置信息发射单元的相对位置来确定工作空间内的机器人的绝对位置。

19、一种机器人，包括

光接收单元，接收来自多个方向的、利用相位信息编码的光；

接收超声波的超声波接收单元；

位置确定单元，根据接收到光的编码相位信息和接收到的超声波，确定所述机器人相对于接收到的光和超声波的源的相对位置；以及

前进方向检测器，根据光的入射角来检测机器人前进方向。

20、根据权利要求19所述的机器人，其特征在于，位置确定单元根据超声波接收时间来确定所述机器人相对于接收到的光和超声波的源的距离，并根据接收到光的编码相位信息来确定所述机器人相对于所述源的入射角。

21、一种确定机器人位置的位置信息发射单元，所述位置信息发射单元包括：

发射超声波以确定与机器人的距离的超声波发射器；

光发射器，以多个角度发射利用相位信息编码的光，以确定相对于机器人的角度；以及

所述机器人包括接收光的光接收器、接收超声波的超声波接收器、位置确定部分，所述位置确定部分根据光接收器接收的光和超声波接收器接收的超声波的相位信息来确定机器人相对于位置信息发射单元的相对位置，机器人还包括根据光的入射角来检测机器人前进方向的前进方向检测器。

22、根据权利要求21所述的位置信息发射单元，其特征在于，光发射器包括：

产生光的光产生器，

编码器，利用与光发射的多个角度相对应的相位信息来编码由光产生器产生的光，以及

相位调整器，根据编码相位信息来调整发射光的角度。

23、根据权利要求21所述的位置信息发射单元，其特征在于，当光发射器以预定的多个角度之一发射利用相位信息编码的光时，超声波发射器发射超声波。

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