CN100567922C - 碰撞检测装置、碰撞检测方法及应用其的机器人和吸尘器 - Google Patents

Abstract

一种碰撞检测装置，包括：本体、位于本体外周的至少三个气囊、至少三个气压检测器、以及转换电路。此些气囊彼此连通，该至少三个气囊与该至少三个气压检测器连接，在邻接的两个气囊之间具有连通孔，借由连通孔达成各个气囊之间压力的传递并延迟压力的传递。这些气压检测器检测该至少三个气囊在各时间的压力变化值，以得到压力对时间的曲线图。借由这些气压检测器所测得的多个压力变化，来判断碰撞的有无及碰撞的力量。借由所述压力对时间的曲线图得出碰撞范围、碰撞位置、碰撞角度及碰撞时间。

Description

碰撞检测装置、碰撞检测方法及应用其的机器人和吸尘器

技术领域

本发明是一种关于碰撞检测装置、碰撞检测方法及应用此碰撞检测装置的机器人和吸尘器。

背景技术

移动式智能机器人的应用是建构在机构设计、电控设计、运动控制理论、感测技术等有相当基础之后，才能形成一项成熟的商品。

在移动式机器人的控制中，机器人需要得知其与周遭障碍物的相对关系，所以碰撞检测是一个重要的课题。此外，碰撞检测也是机器人在障碍环境中运动的另一道防线，即是尽可能不破坏或伤害运动环境中的障碍物，尤其是人体。

现有的碰撞检测方法大致有两种，一种是利用视频/音频数据来计算障碍物位置，缺点是需要进行庞杂的运算作业；另一种则是利用碰撞检测系统来检测障碍物位置。各种方式都有其优缺点，简述如下。

在接触式的碰撞检测方法中，是利用防撞杆是否碰触到物体时来判断碰撞的有无。常见的作法是在机器人的本体外围设置防撞杆，在防撞杆上设有一关节机构，并在对应关节机构的地方连接光遮断传感器或接触式传感器。当发生碰撞时，关节会摇动，并由光遮断传感器检测到此一摇动，或是触动到接触式传感器，此时机器人便判断受到了碰撞。此一检测方法的缺点是仅能检测碰撞的有无，但无法检测碰撞的程度，例如碰撞力量的大小。此外，防撞杆及内部杠杆的结构，不易达成软性的碰撞及自动吸震的效果。又由于分辨率不高，当机器人的防撞杆受到碰撞时，无法精确分辨碰撞点的方位，以致于机器人可能会无法正确判断避碰方向。另外也可能会造成误动作，例如检测装置是设计成当防撞杆受撞而平移时关节机构会摇动，但是刚好撞到防撞杆的边缘时关节机构不会摇动，所以检测装置明明撞到了障碍物却不知道。且利用接触的方式来检测碰撞也可能破坏或伤害到运动环境中的障碍物，尤其是人体。

在光学式感测的碰撞检测方法中，如果遇到障碍物是黑体，不会反射光，就无法检测，亦即，对受测物的表面有一定要求；或者是，障碍物恰巧将反射光反射到别处，也无法检测，亦即，检测角度不够广。

在声学式感测的碰撞检测方法中，需要的运算量大，不利于高速行走避障。而且在某些特殊角度或斜面也容易产生误判。

在阻抗式感测的碰撞检测方法中，是针对车轮的驱动电路随时检测电压电流的变化，如果电机转动吃力时，电压会下降而电流会上升，此时则判断遇到了障碍物。但是如果遇到草地、地毯、斜坡等就会误判。

在磁性感测的碰撞检测方法中，第一次使用时需在环境中布置大量的磁条物体，非常麻烦，较适用于环境单调的工厂。而且，此一方法不能检测临时进入环境中的移动障碍物，而且人/动物等移动障碍物也不愿意被贴上磁性标记。

在电子地图的碰撞检测方法中，虽可依据电子地图中各障碍物的位置信息进行避障，但是在该电子地图被完整建立完成之前，还是需仰赖上述各方法来作首次的避障。且感测系统的误差累积会一直增加，必需一直校正。此外，此一方法也无法检测移动障碍物。

发明内容

为了解决上述传统的问题点，本发明的目的之一是提供一种碰撞检测装置及碰撞检测方法，不会破坏或伤害运动环境中的障碍物，尤其是人体；在检测碰撞的同时又能减震、吸震；其制造成本低、组件少；其感测灵敏度高、方位精确。

为达成上述目的，本发明于是提出一种碰撞检测装置，包括：本体；至少三个气囊，位于本体外周，在邻接的两个所述气囊之间具有连通孔，借由该连通孔达成各个所述气囊之间压力的传递并延迟该压力的传递；至少三个气压检测器，该至少三个气压检测器分别连接至该至少三个气囊，以检测该至少三个气囊各时间的压力变化值，以得到压力对时间的曲线图；以及转换电路，将该至少三个气压检测器所测得的信号转换为模拟或数字的电气信号；借由该至少三个气压检测器所测得的多个压力变化，来判断碰撞的有无并计算碰撞的力量，且还借由所述压力对时间的曲线图得出碰撞范围、碰撞位置、碰撞角度及碰撞时间。

在上述碰撞检测装置中，该至少三个气囊彼此邻接呈扇形，固定在本体外周亦可。

在上述碰撞检测装置中，该至少三个气囊可以为一体成形。

在上述碰撞检测装置中，亦可使该至少三个气囊彼此邻接呈环形，固定在本体外周。

在上述碰撞检测装置中，该至少三个气囊是由弹性材料构成。

本发明又提供一种机器人，其采用上述的碰撞检测装置。

本发明又提供一种吸尘器，其采用上述的碰撞检测装置。

本发明进一步提供一种碰撞检测方法，包括：在一本体的外周固定至少三气囊，并定出起点位置x0及终点位置xe，其中此些气囊借由至少两通孔彼此连通，以在气囊间传递压力并延迟压力的传递；检测并记录各个气囊上的位置x1、x2、x3在各时间的压力值；由各气囊上的位置x1、x2、x3所测得的压力变化，来判断气囊是否遭受碰撞，并计算碰撞力量；当判断遭受碰撞时，假设碰撞位置为x，碰撞时间点为t0，且当位置x1、x2、x3所检测到的压力到达一预定压力时，记录此时间点t1、t2、t3，其中x0、x1、x2、x3、x、xe代表从起点位置沿着气囊以同一时钟方向到达各个位置的距离；以及以气囊间传递压力时的压力波速度为v，列出如下的联立方程式，并求出碰撞位置x，碰撞时间点t0。

v(t1-t0)＝min{(x1-x)，[x+(xe-x1)]}，

v(t2-t0)＝min{(x2-x)，[x+(xe-x2)]}，

v(t3-t0)＝min{(x3-x)，[x+(xe-x3)]}，

其中min{}函数代表取括号内各数值的最小值，未知数为v、t0及x，其余为已知数，故可求得唯一解v、t0及x。

在上述的碰撞检测方法中，其中到达预定压力时，是指在各位置x1、x2、x3所测得的各气囊的压力达最大值的时候，或是达一预定参考压力值的时候，或是指在各位置x1、x2、x3所测得的各气囊的压力开始上升的时候。

在上述的碰撞检测方法中，所计算的碰撞位置是从起点算起的距离，所以可适用于各式的多边形。若将气囊围成扇形或环形，还可以将碰撞位置的计算简化成碰撞角度的计算。

基于上述理由，本发明再进一步提供一种碰撞检测方法，包括：在一本体的外周固定至少三气囊，使气囊邻接呈半径为R的一扇形或一环形，并定出一零度位置θ0及一终点角度位置θe，此些气囊借由至少两通孔彼此连通，以在气囊间传递压力并延迟压力的传递；检测并记录各气囊上的一个角度位置θ1、θ2、θ3在各时间的压力值；由各气囊上的角度位置θ1、θ2、θ3所测得的压力变化，来判断气囊是否遭受碰撞，并计算碰撞力量；当判断遭受碰撞时，假设碰撞角度位置为θx，碰撞时间点为t0，且当这些角度位置θ1、θ2、θ3所检测到的压力到达一预定压力时，记录该时间点t1、t2、t3，其中θ0、θ1、θ2、θ3、θx、θe代表从该零度位置沿着各个该气囊以同一时钟方向到达各气囊上的角度位置的角度；以及以气囊间传递压力时的压力波速度为v，列出如下的联立方程式，并求出该碰撞角度位置θx，

v(t1-t0)＝min{R(θ1-θx)，R[θx+(θe-θ1)]}，

v(t2-t0)＝min{R(θ2-θx)，R[θx+(θe-θ2)]}，

v(t3-t0)＝min{R(θ3-θx)，R[θx+(θe-θ3)]}，

其中min{}函数代表取括号内各数值的最小值，未知数为v、t0及θx，其余为已知数，故可求得唯一解v、t0及θx。

在上述的碰撞检测方法中，还包括：借由碰撞前后的位置x1、x2、x3的压力变化或是借由碰撞前后的角度位置θ1、θ2、θ3的压力变化计算出碰撞力量的大小。

上述由压力变化计算出碰撞力量的方法包括：预先在一系列的实验中，以不同碰撞力量撞击气囊，记录不同的碰撞力量下的各气囊的压力变化，以建立一对照表格；利用对照表格计算出对应于该碰撞的碰撞力量。

借由本发明的碰撞检测装置与方法，仅需以气囊和气压检测器结合，便可达同时达成缓冲碰撞、吸震、检测碰撞是否发生、检测碰撞力量大小、检测碰撞方位与位置等功能。且仅需少数气压检测器就可达成高分辨率的方向检测效果。机构设计全为不可动件，结构简单可靠。是以，本发明仅需少数的组件，就能达成高灵敏度的碰撞检测效果。

将本发明的碰撞检测装置与方法应用在机器人或吸尘器时，由于碰撞检测装置本身就具有吸震效果，机器人或吸尘器等不需额外设计吸震结构，且碰撞时受碰物体及碰撞检测装置、或是利用此碰撞检测装置的机器人及吸尘器本体等所遭受的冲量较小。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为依照本发明第1实施例的碰撞检测装置的平面示意图。

图2为图1的碰撞检测装置遭到碰撞时的示意图。

图3为本发明的碰撞检测装置在碰撞前后各气压检测器所测得的压力对时间的曲线图。

图4为图1的碰撞检测装置的碰撞检测方法的步骤。

图5为依照本发明第2实施例的碰撞检测装置的平面示意图。

图6为依照本发明第3实施例的碰撞检测装置的平面示意图。

图7为依照本发明第4实施例的碰撞检测装置遭到碰撞时的示意图。

图8为图7的碰撞检测装置的碰撞检测方法的步骤。

图9为依照本发明优选实施例的碰撞检测装置的变化例。

主要组件符号说明

50：障碍物

100：本体

110a、110b、110c：气囊

112：通孔

120：转换电路

130、230、330：碰撞检测装置

Pref：预定参考压力值

R：气囊所连成的环形或扇形的半径

S1、S2、S3：气压检测器

x0：起点位置

xe：终点位置

x1、x2、x3：各气压检测器的位置

t1、t2、t3：各气压检测器所测得的压力达一预定压力的时间点

t1’、t2’、t3’：各气压检测器所测得的压力达一预定参考压力值的时间点

t1”、t2”、t3”：各气压检测器所测得的压力开始上升的时间点

θ0：零度位置

θe：终点角度位置

θ1、θ2、θ3：各气压检测器的角度位置

具体实施方式

[第1实施例]

[碰撞检测装置]

参照图1，其为依照本发明第1实施例的碰撞检测装置。

碰撞检测装置130包括：本体100、位于本体130外周的至少一气囊，本图是以3个气囊110a、110b、110c为例、至少一气压检测器，本图是以3个气压检测器S1、S2、S3为例，以及转换电路120。

使气囊110a、110b、110c彼此邻接呈扇形或是环形(本图是以环形包围本体100的全周为例)，固定在本体100外周，且气囊110a、110b、110c之间相连通，其制造方法举例而言可以利用弹性材料一体成形地构成气囊110a、110b、110c，并在邻接的气囊之间形成连通孔112。借由连通孔112达成各气囊110a、110b、110c之间压力的传递并延迟该压力的传递。

气压检测器S1、S2、S3分别连接至气囊110a、110b、110c，以检测各气囊110a、110b、110c在各时间的压力值，得到压力对时间的曲线图，即P-t图(见图3)。

转换电路120，将气压检测器S1、S2、S3所测得的信号转换为模拟或数字的电气信号。

借由气压检测器S1、S2、S3所测得的压力变化，来判断碰撞的有无，并计算碰撞的力量，并借由P-t图(见图3)求出碰撞范围/碰撞位置/碰撞角度、碰撞发生的时间。关于检测出碰撞发生的时间、碰撞力量及碰撞范围/碰撞位置/碰撞角度的方法详如后述。

上述的碰撞检测装置130可以有多种的应用，例如，可以装配在机器人或吸尘器的本体上，此时便将上述本体100换成是机器人本体或是吸尘器本体即可，借此，能够使机器人或吸尘器具有防撞保护、检测碰撞发生的时间、检测碰撞力量及检测碰撞位置的功能。

[碰撞检测方法]

以下参照图2-图4详细说明依照本发明的第1实施例的碰撞检测方法。图2为当障碍物碰撞到气囊时的示意图，图3为位在气囊上不同角度或位置的气压检测器所检测到的各时间的压力值，图4为依照本发明第1实施例的碰撞检测的步骤。

参照图2及图4，在步骤S100中，在本体100的外周固定至少三气囊，本实施例是以3个气囊110a、110b、110c为例，使气囊110a、110b、110c邻接呈半径为R的扇形或环形(本图是以是环形包围本体100的全周为例)，并定出一零度位置θ0及一终点角度位置θe(包围全周时，θe＝2π)。此些气囊110a、110b、110c借由至少两通孔112彼此连通，以在气囊110a、110b、110c间传递压力并延迟该压力的传递。

在上述步骤S100中本体100可以是机器人本体，也可以是吸尘器本体，视需要检测碰撞的主体而定。

在步骤S110中，检测并记录各气囊110a、110b、110c上的各个角度位置θ1、θ2、θ3在各时间的压力值，取得如图3的P-t图。在本步骤中，可以把气压检测器S1、S2、S3连接至上述气囊110a、110b、110c的角度位置θ1、θ2、θ3而获得P-t图。在图3中，实线、虚线、点线分别代表气压检测器S1、S2、S3所测得的各时间下的压力曲线。

其中θ0＝0，θ1、θ2、θ3、θx、θe代表从零度位置沿着各气囊110a、110b、110c以同一时钟方向(例如同为逆时钟或同为顺时钟方向，本图是以逆时钟方向为例)到达各气囊上的该角度位置的角度。

当障碍物在时间t0碰撞到气囊时，此障碍物50可以是一般障碍物(固定或非固定均可，固定者例如为墙角，非固定者例如地上的垃圾等)或是移动障碍物(例如动物)。当障碍物50碰触到气囊110a时，在各角度位置θ1、θ2、θ3检测到的压力变化的P-t图如图3所示。

本发明人发现到因为碰撞角度θx较接近气压检测器S1，所以在图3中最先发生压力变化，且压力变化最大的是角度θ1所检测到的曲线(实线)。接着，压力的变化透过通孔112往旁传递，其次发生压力变化的是角度θ2所检测到的曲线(虚线)。最慢发生压力变化的是角度θ3所检测到的曲线(点线)。

每一条压力曲线应该仅会有一个高峰值，且在碰撞力道释放之前，都会趋近一个慢速下降的值。趋近此慢速下降值的下降速度则与所使用的气压检测器有关，若使用压力泄漏型的传感器，则慢速下降的速度会稍快一点，若使用封闭不泄漏型的传感器，则慢速下降的速度会稍慢一点。

在步骤S120中，借由碰撞前后该角度位置θ1、θ2、θ3所测得的压力变化，便可判断气囊是否遭受碰撞。

若判断出气囊遭受到碰撞时，便在步骤S130中，借在各气囊110a、110b、110c上的这些角度位置θ1，θ2、θ3所测得的压力变化，来计算碰撞力量。在角度位置θ1、θ2、θ3所测得的压力最大值分别为P1、P2、P3，P1与P2差ΔP1，P2与P3差ΔP2。

由压力变化计算出碰撞力量大小的方法，举例而言，可以包括如下步骤：预先在一系列的实验中，以不同碰撞力量、不同角度撞击这些气囊，记录不同的碰撞力量下的各气囊的压力差ΔP1、ΔP2，以建立一对照表格。在建完表格之后，便可利用该对照表格计算出对应于各次碰撞的碰撞力量。

在步骤S140中，假设碰撞角度位置为θx，碰撞时间点为t0，且当角度位置θ1、θ2、θ3所检测到的压力到达一预定压力时(例如达压力最大值Pmax时、达一预定参考压力值Pref时、达压力开始爬升点Prise时)，记录该时间点t1、t2、t3。参照图3，由于气压检测器S1、S2、S3一直在各角度位置θ1、θ2、θ3检测压力，所以压力值达该预定压力的各时间点t1、t2、t3为已知，但碰撞时间点t0是未知的。

在上述步骤S150中，以气囊间传递压力时的压力波速度为v，列出如下的联立方程式，并求出碰撞角度位置θx，

v(t1-t0)＝min{R(θ1-θx)，R[θx+(θe-θ1)]}，

v(t2-t0)＝min{R(θ2-θx)，R[θx+(θe-θ2)]}，

v(t3-t0)＝min{R(θ3-θx)，R[θx+(θe-θ3)]}，

其中min{}函数代表取括号内各数值的最小值，未知数为v、t0及θx，其余为已知数，故可求得唯一解v、t0及θx。

上述等式左边的物理意义是指压力波从碰撞位置走到各压力传感器的距离。等式右边取min{}函数的原因是，碰撞发生之后，压力波会走最短的距离到达各压力检测器。

本发明人从多次的实验中发现到，图3的压力曲线图中各检测角度的压力曲线的时间差有种微妙的关系。即下述三种时间差是非常接近的，几乎是一样：

当各曲线到达压力最大值时记录各时间点t1、t2、t3时，任两个气压检测器所得的时间差：Δt1＝t2-t1(气压检测器S1、S2达压力最大值的时间差)，Δt2＝t3-t2(气压检测器S2、S3达压力最大值的时间差)，Δt3＝t3-t1(气压检测器S1、S3达压力最大值的时间差)。

当指定一个预定参考压力值Pref，并记录各曲线到达该预定参考压力值Pref的时间t1’、t2’、t3’时，任两个气压检测器所得的时间差：Δt1’＝t2’-t1’，Δt2’＝t3’-t2’，Δt3’＝t3’-t1’。

以各曲线开始上升的时候，记录该时间t1”、t2”、t3”，任两个气压检测器所得的时间差：Δt1”＝t2”-t1”，Δt2”＝t3”-t2”，Δt3”＝t3”-t1”。

依各方式得到的时间差Δt1、Δt1’、Δt1”彼此近似，Δt2、Δt2’、Δt2”彼此近似，Δt3、Δt3’、Δt3”彼此近似。基于此特性，本发明人还发展出利用查表法来计算碰撞角度位置θx。

即在上述碰撞装置中，以气囊围绕本体100的全周为例，做一系列的实验，以一个固定碰撞力量沿360度，每一度进行碰撞，并记录各碰撞角度下所得的Δt1、Δt2、Δt3，取其中任两个(Δt1、Δt2/或Δt2、Δt3/或Δt1、Δt3)作成一个三轴的索引表，由Δt1、Δt2/或由Δt2、Δt3/或由Δt1、Δt3查出碰撞角度位置θx。

在查表法中，可以利用任两个气压检测器达Pmax、Pref、Prise的时间差来查出碰撞角度位置θx。

在本实施例中，气囊彼此之间是利用具有延迟压力传递作用的通孔相连通，借此，可以把图3中各曲线的时间差拉长，这样的话，气压检测器的取样时间不需很短也可以得到精确的感测结果。

另外，在本实施例中利用3个气囊环状地围住本体的全周(360度)，再配合3个气压检测器来检测各气囊的压力-时间曲线。借此，便可测出全周的碰撞角度。

另外，在本实施例中3个气压检测器是位在任意位置，不一定要等间隔配置。

在上述实施例中，检测全周的碰撞角度时是采用3个气囊和3个气压检测器，当然的气囊和气压检测器的数量也可以多于3个。

[第2实施例]

如果仅需检测本体上某个范围的碰撞，不需检测全周的话，可采用图5的碰撞检测装置230，使用至少一个气囊110a、110b(本图是以两个气囊为例)呈扇形固定在本体100的外周，并使用至少一气压检测器S1、S2(本图是以两个气压检测器S1、S2为例)。在图5中，与第1实施例相同的组件，采用相同的符号，不再赘述。

且其碰撞检测与第1实施例大致相同，可在气囊110a、110b包围的范围内，检测有无碰撞及碰撞的力量。

[第3实施例]

如果仅需检测碰撞力量，不需检测碰撞角度/碰撞位置的话，可采用图6的碰撞检测装置330，使用至少一个气囊，本图是以两个气囊210a、210b为例，至少一个气压检测器S1。气囊彼此间不需连通，气压检测器S1连接至气囊210a，以检测气囊210a的压力变化，而气囊210b仅作防撞用，不接气压检测器。在图6中，与第1实施例相同的组件，采用相同的符号，不再赘述。

[第4实施例]

在第1实施例中的碰撞检测方法中，是利用已知检测角度来求碰撞角度，同理，亦可将该方法略作修改，而改从已知检测位置(从起始点起算的距离)来求碰撞位置(从起始位置起算的距离)。

参照图7、图8，其为依照本发明第4实施例的碰撞检测方法。图7为当障碍物碰撞到气囊时的示意图，图8为依照本发明第4实施例的碰撞检测的步骤。在图7中，与第1实施例相同的组件，采用相同的符号，不再赘述。

在步骤S200中，在本体100的外周固定至少三气囊，本图是以3个气囊110a、110b、110c为例，使气囊110a、110b、110c邻接呈扇形或环形(本图是以是环形包围本体100的全周为例)，并定出起点位置x0及一终点位置xe(包围全周时，xe＝本体的全周长)。

在上述步骤S200中本体100可以是机器人本体，也可以是吸尘器本体，视需要检测碰撞的主体而定。

在步骤S210中，检测并记录各气囊110a、110b、110c上的一个位置x1，x2、x3在各时间的压力值，取得如图3的P-t图。在本步骤中，可以把气压检测器S1、S2、S3连接至上述气囊110a、110b、110c的位置x1，x2、x3而获得P-t图。

其中x0＝0，x1、x2、x3、x、xe代表从起点位置沿着各气囊110a、110b、110c以同一时钟方向(例如同为逆时钟或同为顺时钟方向，本图是以逆时钟方向为例)到达各气囊上的位置的距离。

当障碍物在时间t0碰撞到气囊时，此障碍物50可以是一般障碍物(固定或非固定均可，固定者例如为墙角，非固定者例如地上的垃圾等)或是移动障碍物(例如动物)。当障碍物50碰触到气囊110a时，在各位置x1、x2、x3检测到的压力变化如图3所示。

在步骤S220中，借由碰撞前后该角度位置x1，x2、x3所测得的压力变化，便可判断气囊是否遭受碰撞。

若判断出气囊遭受到碰撞时，便在步骤S230中，借各气囊110a、110b、110c上的这些位置x1、x2、x3所测得的压力变化，来计算碰撞力量。在角度位置x1、x2、x3所测得的压力最大值分别为P1、P2、P3，P1与P2差ΔP1，P2与P3差ΔP2。

由压力变化计算出碰撞力量大小的方法，举例而言，包括查表法。

在步骤S240中，假设碰撞位置为x，碰撞时间点为t0，且当位置x1、x2、x3所检测到的压力到达一预定压力时(例如达压力最大值Pmax时、达一预定参考压力值Pref时、达压力开始爬升点Prise时)，记录该时间点t1、t2、t3。参照图3，由于气压检测器S1、S2、S3一直在各位置x1、x2、x3检测压力，所以压力值达该预定压力的各时间点t1、t2、t3为已知，但碰撞时间点t0是未知的。

在上述步骤S250中，以气囊间传递压力时的压力波速度为v，列出如下的联立方程式，并求出碰撞位置x，

v(t1-t0)＝min{(x1-x)，[x+(xe-x1)]}，

v(t2-t0)＝min{(x2-x)，[x+(xe-x2)]}，

v(t3-t0)＝min{(x3-x)，[x+(xe-x3)]}，

其中min{}函数代表取括号内各数值的最小值，未知数为v、t0及x，其余为已知数，故可求得唯一解v、t0及x。

[变化例]

在第1实施例中，气囊是连成圆环形，所以计算压力从碰撞位置走到各气压检测器位置的距离时，是利用半径R乘上弧度来得到距离。如果气囊不是连成圆环形，例如是连成多边形的话，就不能利用半径R乘上弧度来计算压力行走的距离。但是，可以利用第4实施例的方法，由已知检测位置(距离)来计算碰撞位置。

因而，第4实施例的碰撞检测方可适用于如图9所示变化例。

在上述的各实施例中，都可利用压力对时间的变化，来求得碰撞的有无、碰撞的力量大小。

此外，从上述第1实施例和第4实施例的联立方程式可知，只要3个气囊、3个气压检测器便可列出3个式子，得到唯一解，当然，气囊和气压检测器超过三个也可得到唯一解。此时若气囊包围住本体的全周，则可在全方位上求得准确的碰撞时间点、碰撞位置/碰撞角度；此时若气囊包围住本体的某个范围，则可在该范围中求得准确的碰撞时间点、碰撞位置/碰撞角度。

如果只有一个或两个气囊，仍可利用压力对时间的变化来求得在某个范围内碰撞的有无、碰撞的力量。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何业内人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (18)

1.一种碰撞检测装置，包括：

一本体；

至少三个气囊，位于该本体外周，在邻接的两个所述气囊之间具有连通孔，借由该连通孔达成各个所述气囊之间压力的传递并延迟该压力的传递；

至少三个气压检测器，该至少三个气压检测器分别连接至该至少三个气囊，以检测该至少三个气囊各时间的压力变化值，以得到压力对时间的曲线图；以及

一转换电路，将该至少三个气压检测器所测得的信号转换为一模拟或数字的电气信号；

借由该至少三个气压检测器所测得的多个压力变化，来判断碰撞的有无并计算碰撞的力量，且还借由所述压力对时间的曲线图得出碰撞范围、碰撞位置、碰撞角度及碰撞时间。

2.根据权利要求1所述的碰撞检测装置，其中该至少三个气囊彼此邻接呈扇形，固定在该本体外周。

3.根据权利要求1所述的碰撞检测装置，其中该至少三个气囊彼此邻接呈环形，固定在该本体外周。

4.根据权利要求3所述的碰撞检测装置，其中该至少三个气囊为一体成形。

5.根据权利要求1所述的碰撞检测装置，其中该至少三个气囊呈扇形，固定在该本体外周。

6.根据权利要求1所述的碰撞检测装置，其中该至少三个气囊呈环形，固定在该本体外周。

7.根据权利要求1所述的碰撞检测装置，其中该至少三个气囊由弹性材料构成。

8.一种机器人，包括根据权利要求1所述的碰撞检测装置。

9.一种吸尘器，包括根据权利要求1所述的碰撞检测装置。

10.一种碰撞检测方法，包括：

在一本体的外周固定至少三气囊，并定出一起点位置x0及一终点位置xe，其中这些气囊借由至少两通孔彼此连通，以在这些气囊间传递压力并延迟该压力的传递；

检测并记录各个该气囊上的一个位置x1、x2、x3在各时间的压力值；

由各个该气囊上的这些位置x1、x2、x3所测得的压力变化，来判断这些气囊是否遭受碰撞，并计算碰撞力量；

当判断遭受碰撞时，假设碰撞位置为x，碰撞时间点为t0，且当这些位置x1、x2、x3所检测到的压力到达一预定压力时，记录该时间点t1、t2、t3，其中x0、x1、x2、x3、x、xe代表从该起点位置沿着各个该气囊以同一时钟方向到达各个该气囊上的位置的距离；以及

以这些气囊间传递压力时的压力波速度为v，列出如下的联立方程式，并求出该碰撞位置x，

v(t1-t0)＝min{(x1-x)，[x+(xe-x1)]}，

v(t2-t0)＝min{(x2-x)，[x+(xe-x2)]}，

v(t3-t0)＝min{(x3-x)，[x+(xe-x3)]}，

其中min{}函数代表取括号内各数值的最小值，未知数为v、t0及x，其余为已知数，故可求得唯一解v、t0及x。

11.根据权利要求10所述的碰撞检测方法，其中到达该预定压力时，是指在该位置x1、x2、x3所测得的各个该气囊的压力达最大值的时候。

12.根据权利要求10所述的碰撞检测方法，其中到达该预定压力时，是指在该位置x1、x2、x3所测得的各个该气囊的压力达一预定参考压力值的时候。

13.根据权利要求10所述的碰撞检测方法，其中到达该预定压力时，是指在该位置x1、x2、x3所测得的各个该气囊的压力开始上升的时候。

14.根据权利要求10所述的碰撞检测方法，其中这些气囊相连绕围该本体的全周。

15.根据权利要求10所述的碰撞检测方法，还包括：借由碰撞前后该位置x1、x2、x3的压力变化计算出碰撞力量的大小。

16.根据权利要求15所述的碰撞检测方法，其中由压力变化计算出碰撞力量的方法，包括：

预先在一系列的实验中，以不同碰撞力量撞击这些气囊，记录不同的碰撞力量下的各个该气囊的压力变化，以建立一对照表格；

利用该对照表格计算出对应于该碰撞的碰撞力量。

17.根据权利要求10所述的碰撞检测方法，其中这些气囊由弹性材料一体成形。

18.一种碰撞检测方法，包括：

在一本体的外周固定至少三气囊，使这些气囊邻接呈半径为R的一扇形或一环形，并定出一零度位置θ0及一终点角度位置θe，其中这些气囊借由至少两通孔彼此连通，以在这些气囊间传递压力并延迟该压力的传递；

检测并记录各个该气囊上的一个角度位置θ1、θ2、θ3在各时间的压力值；

由各个该气囊上的这些角度位置θ1、θ2、θ3所测得的压力变化，来判断这些气囊是否遭受碰撞，并计算碰撞力量；

当判断遭受碰撞时，假设碰撞角度位置为θx，碰撞时间点为t0，且当这些角度位置θ1、θ2、θ3所检测到的压力到达一预定压力时，记录该时间点t1、t2、t3，其中θ0、θ1、θ2、θ3、θx、θe代表从该零度位置沿着各个该气囊以同一时钟方向到达各个该气囊上的该角度位置的角度；以及

以这些气囊间传递压力时的压力波速度为v，列出如下的联立方程式，并求出该碰撞角度位置θx，

v(t1-t0)＝min{R(θ1-θx)，R[θx+(θe-θ1)]}，

v(t2-t0)＝min{R(θ2-θx)，R[θx+(θe-θ2)]}，

v(t3-t0)＝min{R(θ3-θx)，R[θx+(θe-θ3)]}，

其中min{}函数代表取括号内各数值的最小值，未知数为v、t0及θx，其余为已知数，故可求得唯一解v、t0及θx。

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