CN101222074B - 机器人的充电座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人的充电座，在充电座上安装至少一块高密度材料制成的反射板，当机器人在充电座上或走向或离开充电座时，以超声波的形式测量已知的固定长度的距离，可以测算当时的超声波速度，并以此速度作为基准，用于机器人随后工作时，利用超声波测距的超声波速度，涉及的反射板用于增强超声波的反射强度或者利用反射板的组合，为机器人搭建一个已知固定长度的测距平台。

Description

机器人的充电座 

技术领域：

本发明涉及一种机器人的充电座，尤其是充电座的附属设施，用于为机器人利用超声波测距时校正测距精度、便于正确测距。 

背景技术：

目前吸尘机器人正越来越多地进入市场，已有的吸尘机器人均采用电池供电，电量不足时，需对其进行充电。机器人能自动充电的关键是它必须能找到它的充电座的位置，另外自主行走的有固定路径规划的吸尘机器人在一未知空间中的定位纠偏对于其能按正确的路径规划工作非常重要，目前最常用的是用超声波测距的方案，即测量超声波到四周边界的距离与预期的进行比较判别机器人是否方向正确、位置正确，但超声波测距有个精度的问题，即超声波的速度在各种密度的介质、各种温度情况下是不一致的，速度的变化对测距的精度起着主要的影响作用，要想保证机器人测距的有效性，提高超声波测距的精度是必须的；还有一定范围的超声波测距时对反射回的超声波强度要求很高，如果强度较弱，超声波的换能器就检测不到回波，这样超声波测距就失效了，而固定距离的超声波反射强度受到反射界面的材料的密度的影响，密度越大反射强度越大，在检测充电座时，由于充电座一般为塑料制成，超声波的反射强度相对于房间的墙面较弱，有可能引起回波不能正确接收，从而影响测距的准确性。 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种便于机器人寻找充电座、便于提高超声波反射强度的装置或者利用反射板的组合，为机器人搭建一个已知固定长度的测距平台，便于精确计算当前超声波速率的充电座上的附属设施。 

本发明的目的是通过下述设计达到的：在充电座上与机器人安装超声波传感器发射装置(或超声波传感器的反射板或反射体，如CN200410014702.1所描述的非接触型传感器)差不多高度的位置垂直安装至少一块高密度材料制成的反射板，当机器人在充电座上或走向或离开充电座时，以超声波的形式测量机器人到充电座及充电座相反方向的墙壁(或障碍物)之间的距离、以及充电座到其相反方向的墙壁(或障碍物)的距离——因为有反射板的存在，超声波在充电座位置衰减的幅度不大，这个距离应该能够测到。通过这些距离(包括超声波垂直向上历经的固定距离)的相互比较、计算，可以测量当时的超声波(声音)速度，并以此速度作为基准，用于机器人随后工作时，利用超声波测距的超声波速度。此外，还可以利用反射板的组合，在充电座上人为地搭建一个固定长度(已知)的超声波测距线路，通过这个固定的距离，测出当时的超声波速度。这样做的好处是可以省掉常用的温度传感器对超声波速度进行速度补偿、并且兼顾了空气气压、密度、湿度等其它因素对超声波速度的影响。 

由于机器人在行走过程中遇到一些特殊通道(充电座反射板的方向上)的超声波反射强度高于墙面和木质家具等物体，测试一定距离上的超声波强度以判别机器人是否正对着充电座对于判别机器人行走的正确方向和寻找充电座也有积极的意义(在有些地方，比如机器人在离墙壁较近的地方超声波的反射强度也较大，但因测得距离较短，这种强度大的情况可以忽略，只有在机器人离充电座有一定距离且超声波的反射强度较大的情况下，才被认为是机器人正处于对直充电座的通道上)。 

这种充电座附属装置尤其在自主移动型机器人——比如借助超声波测距确定方位的吸尘机器人上有较好的应用前景。 

附图说明：

图1～图4为本发明的原理图。 

图5～图7为本发明的三视图，其中图7为半剖图。 

图8为本发明的立体透视(局部)图。 

图9为图8的局部(平台)放大图。 

图10～图12为坡道工作原理图。 

具体实施方式：

本发明的目的是通过下述设计达到的，实施例1：在充电座上与机器人安装超声波传感器1发射装置差不多高度的位置垂直安装至少一块高密度材料制成的反射板3，当机器人在充电座上或走向或离开充电座时，以超声波的形式测量机器人到充电座挡板5及充电座相反方向的墙壁(或障碍物)之间的距离、以及充电座挡板5到其相反方向的墙壁(或障碍物)的距离。所述的反射板3设置于机器人所携带的超声波传感器(或超声波传感器的反射板或反射体2，如CN200410014702.1所描述的非接触型传感器)等高或者差不多高的位置，比如机器人处于充电座上时，反射板3能反射超声波(如果必须要测距的话)，而机器人不在充电座上时，反射板3的高度也能反射超声波，尤其以机器人不在充电座上时所需要的高度为主设置。垂直安装的反射板3还可以安装在充电座的侧板6上，位置在充电座下，或者在侧板6外侧(如图6、图8)，设置高度以机器人不在充电座上时反射体2的高度一致，反射板3本身高度也比反射体2本身的高度略高。 

如图4(图中为表示平面与凹面反射板在信号发散范围上的区别，反射板3一半为平面、一半为凹面)：机器人在某一时刻开始发射超声波并接收回波，会在多个时间段接收到清晰的回波，根据波的传播速度和发射信号波到接收到回波的时间间隔，测算出机器人离墙壁的距离：用2d3、2d1、2d4、2d2表示，如果回波信号足够强的话，还可能会有2(d4+d3)、2(d1+d2)等等，当然如果信号不够强，可能会测不到2d4、2(d1+d2)等等，而反射板3的作用就是增强超声波的反射强度，使机器人能测试出比如2(d1+d2)的距离。而实际(如图1)测量到2d1的长度为2(a+d)，2d2的长度为2(b+d)，2(d1+d2)的长度为2(a+b)+2d——其中d为超声波探头到反射体的距离(已知)，通过

2d1+2d2-2(d1+d1)＝2(a+d)+2(b+d)-(2(a+b)+2d)＝2d的计算，即使d1、d2、d1+d2都有误差，但上述等式中d1，d2都可以忽略，只有d是有意义的，通过d1+d2与d1、d2的时间差，得到超声波历经d处的时间，就可以计算出当前的超声波速度，且机器人在走下充电座后能在正对反射板3的通道上多个位置做上述检测和计算，得到多个超声波速度的计算值，在一定范围内的数据取其平均值，就能得到更精确的超声波速度。 

所用的机器人可携带横截面为等腰直角三角形的反射体2，反射体2的底边的一部分长度e(实际上超声波是发散的信号，不能将信号具体定位在那条线上，e、d等只能是均值)照例应该包括在d1+d2中，可以将它加到d中，通过具体的精确的测算——比如在已知精确的超声波速度的情况下，精确测出d1、d2、d1+d2的长度，就能算出精确的d的长度，并将它作为一个常数保存在机器人的存储器中。 

进一步的改进方式是实施例2：在充电座的侧板6上设置成组的反射板4，将超声波从侧板6的一侧反射到另一侧，被认为是机器人的另一侧回波接收(从左射出的超声波反射到右侧及从右射出的超声波反射到左侧的回波在机器人的超声波接收传感器前强度是叠加的)，测出这个时间，而超声波反射通过的距离是已知的(机器人在充电座上的位置或方向有些偏差也没有关系)，通过计算就能得到正确的超声波速率，如图2，超声波从机器人所携带的超声波传感器1发射到接收的距离是2d+2a+2b(这个距离是固定不变的)。下侧的反射板4设置高度与机器人(当机器人处于充 

电座上时)所携带的超声波传感器(或超声波传感器的反射板或反射体)等高或者差不多高的位置。上侧的反射板4与下侧的反射板4相对，这组反射板可以呈长方形设置(均与充电座坡道(如果充电座呈全坡道)或平台呈45度夹角，分布于一个长方形框架的四个角上。)如图2，或三角形如图3(超声波反射到接收的距离是2d+a+b+c)或其它形状(只要能将超声波反射一个固定的距离，并能反射回机器人的超声波接收传感器)设置。由于这种方式下超声波测量的距离较大，比单独测量2d(实施例1)得到的数据精度更高。 

上述两种实施方式在充电座上均可以设置，或设置其中一种，但这两种设置方式都依赖于反射板的存在，只是这两种反射板安装的方式、所起的作用不同而言。 

反射板3一般呈平面或凹、凸面，反射板4呈平面即可，均可粘贴或镶嵌在充电座的挡板5或侧板6上，或者是挡板5或侧板6上固定有反射板支架，凹面有助于提高超声波的反射强度，而凸面有助于超声波的发散，便于机器人在更广的范围内寻找充电座。 

如果充电座带是靠坡道上行的平台，那么对于CN03112949.8专利说明书中描述行走机构，有可能会在平台与坡道交界处被搁死，如图10，解决的办法是在可带动机器人左右移动的两列轮子相对应的坡道和平台处设置两条凹陷的坡道7，坡道7的切面可为直线(如图11)或弧线(如图12)，使驱动机器人左右移动的两列轮子在这两条凹陷的坡道7处被架空，如果这两条坡道7的宽度略大于多边形轮子的一条边长，这两条坡道7还有辅助机器人纠正方向偏差的功效。当然充电座也可呈全坡道(无平台))上行，充电座上就不需要这种凹陷的坡道7。 

充电座的坡道或平台上还有充电、大电流输出(对于全自动吸尘机器人来说，用于吹尘(电机工作)及吹尘对接电磁铁吸合、转盘转换电机工作 等用，吹尘时输出电压可略高于吸尘电机的额定电压，让吸尘电机超压超速运转，因为吸尘电机一般为交直流两用电机，所以大电流输出甚至可以是低电压交流电)、大电流输入(比如为镍铬电池放电用)或信息交换弹性触片8(数量不限)，弹性触片8及其安装方式如手机的电池充电弹片(放大后)一样，有成熟的技术，不作具体描述，相对应的机器人底部存在充电、大电流输入(用于吹尘及电磁铁吸合时用)、大电流输出(电池放电用)或信息交换用的电极，机器人走到相应位置时，机器人底部的电极与充电座上的弹性触片与接触。机器人底部电极间的间隙应大于弹性触片8的宽度。 

为省电和保护充电座上的电子设施，可以让机器人走到位时，充电座电源才导通：在充电座的坡道或平台上有一个按压式开关9，能被机器人的轮子压下，压下后电源导通，电源适配器延时工作，通过充电座上的弹性触片8作用于机器人；充电结束后，机器人退回一步，轮子离开开关，充电座电源开关9弹起，电源切断。该开关9还可以是一个杠杆式开关，杠杆上还可以固定充电、大电流输出、大电流输入或信息交换用触片(触片上可带触点)，机器人的轮子压上杠杆时，触片8被连同抬起，与机器人底部的电极接触。当然开关9不一定非得设置在底部，也可设置与充电座的档板或侧板上，开关是由机器人碰撞触发的，同样弹性触片8也可设置于充电座的挡板5或侧板6上。 

如果机器人的落差传感器为朝下的开关，坡道或平台上的机器人停靠位置检测处可开设凹坑(方孔或圆孔)10。图中的吸尘机器人的防跌落(楼梯)的传感器为贴膜的海绵块加簿膜开关(WO2005092577中描述)。 

如果机器人的落差传感器为朝下的光电对管(一收一发)，坡道或平台上的机器人位置检测处可贴(或印)上不反射光的印签，如黑色标签。 

本说明书所指充电座一般包含垃圾箱11，其一般技术为CN200310106456.8说明书所描述(或者对接口处也可以有一电磁铁，而机器人底部为固定的环状铁片或磁性铁片，当然对接的方式还可以是其它方式)，不过如果有些吸尘机器人并没有自动垃圾排出装置的话，所指充电座就仅仅是不包含垃圾箱11的充电座，即充电座挡板5后无箱体11，坡道或平台上无垃圾通道12和对接口13。 

为了防止人意外的撞击引起人受伤，可将充电座(包括垃圾箱)所有的挡板、侧板(底板可除外)的边缘进行倒圆角处理，各处接头处也可进行倒角处理，为美观起见，充电座的长宽高之比可采用黄金分割，如高为宽的1.618倍，侧板一块与高等长，另一块长度为高度的1.618倍，充电座整体或局部的色彩可制成近似于家具的颜色(挡板上也可贴膜为家具的颜色，膜为多种颜色供人们自行选择)，当然也可漆上(喷上)各种文字或图案。侧板6的形状并不限定，除了要固定反射板3、反射板4外，只要能够省料、美观、结构坚固并起到加固充电座的作用即可。充电座的底板可用较重的金属板制成，以降低其重心位置，保证充电座的稳固，电源适配器等较重的部件也可设置于底板上，垃圾箱11直接与充电座固定在一起，充电座的挡板5、侧板6也就是垃圾箱11的挡板，垃圾箱11也可作为一个箱体透过垃圾通道12固定在充电座底盘上，还可将垃圾通道12和垃圾箱11密封为一体，垃圾通道口13与机器人对接处的环状铁片可拆卸，那么垃圾箱可设计为可拆卸式的一个独立的带管状垃圾通道12的箱体，以便于清理或更换。垃圾箱的滤网14如果设置在箱体上部可能会因为细小的灰尘透过滤网逸出并吸附而影响整体的美观，可以考虑将滤网14设置在垃圾箱的后部或在滤网14上设置一块盖板，盖板离滤网14有一定距离，中间用泡沫或胶垫等材料密封，盖板可被打开，滤网可被拆卸，便于倾倒垃圾或检视垃圾箱的充盈程度(或盖板或挡板、侧板上有透明窗口)。 

本发明并不局限于只能对专利号为CN200310106456.的说明书中所描述的自动垃圾箱所扩展，对于其它带垃圾箱的充电座或其它种类的机器人的充电座)，或者是燃料电池的燃料添加座，本发明同样适用。充电座上还可以设置一些其它类型的传感器或能被传感器识别的标志，还可以设置一些功能性部件比如无线通信装置、空气过滤、空气清新装置、机器人设置输入装置、语音提醒装置等等。 

Claims (8)

1.一种机器人的充电座，其特征在于机器人的充电座上有至少一块反射板，设置在充电座的挡板或侧板上，反射板为高密度材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种机器人的充电座，其特征在于所述的反射板为垂直贴于充电座的挡板或侧板上的反射板。

3.根据权利要求2所述的一种机器人的充电座，其特征在于所述的反射板呈凹形。

4.根据权利要求1所述的一种机器人的充电座，其特征在于所述的反射板至少有3块，其中至少两块反射板斜置于充电座的侧板上，超声波可通过反射板从一侧侧板反射至另一侧侧板。

5.根据权利要求4所述的一种机器人的充电座，其特征在于第3块反射板设置于充电座上方的支架上。

6.根据权利要求4所述的一种机器人的充电座，其特征在于所述的反射板共有4块，均与充电座坡道或平台呈45度夹角，分布于一个长方形框架的四个角上。

7.根据权利要求4所述的一种机器人的充电座，其特征在于所述的反射板含有平贴在挡板或侧板上的至少一块呈平板状或凹形的反射板。

8.根据权利要求1所述的一种机器人的充电座，其特征在于它还包括一垃圾箱及垃圾通道。

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