CN103878760B - 一种利用磁场定位的单轨机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人及其控制方法，尤其涉及一种利用磁场定位的单轨机器人及其控制方法。本发明的利用磁场定位的单轨机器人包括主控部分、信号采集单元、磁力传感器件、机器手、电动轮、滑轨、路径控制单元，机器手、电动轮分别与主控部分电气连接，主控部分与信号采集单元、路径控制单元分别通信。控制方法为：主控部分通过对电动轮的驱动实现机器手沿滑轨移动，路径控制单元可在滑轨分岔处控制机器手的行进方向，机器手靠近滑轨的端部可产生磁场，滑轨沿线固定安装若干个磁力传感器件，这些磁力传感器件通过信号采集单元将机器手行进位置信息发给主控部分，主控部分即可在一定范围的三维空间内感知、控制机器手的位置。

Description

一种利用磁场定位的单轨机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种利用磁场定位的单轨机器人。

背景技术

随着科技的进步，机器人越来越多的参与人类的工作和生活，可以预见：将来机器人将代替人类承担越来越多复杂、繁重的工作，而人们则可以从繁重的工作中解脱出来，生活得更加轻松与安逸。但目前，机器人（或者具有机器人功能的自动化装置），只能从事一些简单的重复性的自动化作业，例如：室内清洁机器人、除草机器人、舞蹈表演机器人、教育机器人、焊接机器人等等，这些机器人都无法实现对自身的定位，普遍智能化程度不高，人们工作和日常生活中的大量复杂、繁重的工作，依然是以人力为主，时代期待着具有更高智能的机器人的出现。

发明内容

本发明涉及的一种利用磁场定位的单轨机器人，具有较高的智能，可在一定范围的三维空间内移动，并实现对自身的定位与控制，安全可靠，可以在工作或生活中，代替人类完成相对复杂的工作。

本发明相关描述中的“单轨”指一根或互相平行的多根滑轨，多个在其上的可移动物体，只能以串行的方式向轨道的同一个方向移动，这里的方向指的是轨道的延伸方向，可以是直线、曲线、折线或不规则路线，轨道分岔后，每一条岔路上符合“多个在其上的可移动物体，只能以串行的方式向轨道的同一个方向移动”的原则。

本发明涉及的利用磁场定位的单轨机器人包括主控部分、信号采集单元、磁力传感器件、机器手、电动轮、滑轨、路径控制单元，机器手、电动轮分别与主控部分电气连接，在主控部分的控制下，机器手借助安装于端部的电动轮，可沿安装于天花板、墙壁、地面或其它平面上的滑轨移动。

本发明的主控部分、信号采集单元以及路径控制单元三者都包含微处理器和微控制器中的一种或多种，其中微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP、CPLD、FPGA、PLC。

主控部分与信号采集单元、路径控制单元通过有线或无线的方式分别进行通信，其中，有线通信方式的媒介包括但不限于串行总线、并行总线、一根或多根信号线，无线通信方式的媒介包括但不限于射频、红外、蓝牙。通信的内容包括但不限于系统的时钟同步信号、实时测量数据、实时控制命令等。

磁力传感器件固定安装在滑轨上或滑轨沿线附近的不同位置，其类型包括但不限于：磁控开关、磁感应开关、磁阻传感器、磁力传感器、磁力感应元件，这些磁力传感器件可在靠近或远离该磁场时发出信号。

信号采集单元与磁力传感器件通过有线或无线的方式进行通信，有线通信方式的媒介包括但不限于串行总线、并行总线、一根或多根信号线，无线通信方式的媒介包括但不限于射频、红外、蓝牙。通信的内容包括但不限于系统的时钟同步信号、磁力传感器的感测信息等。

本发明的滑轨固定于天花板、墙壁、地面或其它平面上，滑轨可以采用直线、折线、曲线或不规则形状设计，并且轨道可分岔，在轨道的分岔点固定有路径控制单元，该路径控制单元可在主控部分的指令下，对轨道上运行的物体在轨道分岔处的行进方向进行控制。

本发明的机器手在靠近滑轨的端部包含磁场发生部件，该部件的实现方式包括但不限于下述三种方案：

1.包括永久磁铁，由永久磁铁产生永久磁场；

2.包括线圈，主控部分控制线圈通电后，即可产生磁场；

3.包括线圈以及铁心，线圈缠绕在铁心之上，主控部分控制线圈通电后，即可产生磁场。

机器手通过电动轮附着在滑轨上，通过如下三种特质中的一种或多种实现伸缩或摆动，具体如下：

1.可伸缩；

2.具有一个或一个以上自由度；

3.可旋转。

这样，在主控部分的控制下，一方面，机器手自身可做出各种姿势与动作；另一方面机器手可通过电动轮沿滑轨在一定范围内的三维空间移动，通过这两方面，可实现机器手的定位、移动以及对目标物的操作。

另外，本发明的滑轨、电动轮可兼作系统电源的传输媒介，即电动轮与滑轨的金属部分或附件通过接触实现电能的传输，附件的类型包括但不限于电刷、金属弹簧片。

综上所述，本发明的控制方法为：主控部分通过对电动轮的驱动实现机器手沿滑轨移动，在主控部分的指令下，路径控制单元在滑轨分岔处控制机器手的行进方向，机器手靠近滑轨的端部可产生磁场，滑轨沿线固定安装的若干个磁力传感器件可感知机器手的靠近与离开，并实时通过信号采集单元将信息发给主控部分，主控部分通过对各个磁力传感器件发出的信息以及信息发送时间进行分析与计算，可得到机器手的实时位置以及行进速度，通过电动轮的控制，即可在一定范围的三维空间内对机器手进行定位、控制。

对于本发明的控制方法，给出其核心的定位算法：以轨道的出发点作为坐标原点，当机器手已经连续移动一段距离，途中经过n个磁力传感器（每个磁力传感器的相对坐标原点的位移分别为s₁，s₂，…，s_n）并均经信号采集单元成功向主控部分发出信号，发出信号的时刻分别为t₁，t₂，…，t_n，在这里：s₁与t₁对应；s₂与t₂对应；…；s_n与t_n对应，即脚标相同的变量互相对应。主控部分根据这n组时间数据，可得到机器手的当前平均速度函数为：

假设该机器手沿第k条路径移动（不同路径，位置变量m的含义不同），该机器手经过最后的磁力传感器为第n个磁力传感器，且自经过该磁力传感器位置的时刻始又继续行进了Δt的时间，则此时其相对原点的位置函数如下：

1.当n大于等于2时，对于第k条路径的位置函数为：

当机器手连续运行时，该函数也可以简写为：

2.当n等于1时，对于第k条路径的位置函数为：

这里的为历史经验数据中的平均速度。

3.当n等于0时，即机器手没有经过任何磁力传感器，对于第k条路径的位置函数为：

这里的为历史经验数据中的平均速度。

附图说明

图1为本发明实施例的系统功能模块示意图。

图2为本发明实施例的系统机械结构示意图。

图3为本发明实施例的微控制器电路原理图。

图4为本发明实施例的开关量输入电路原理图。

图5为本发明实施例的开关量输出电路原理图。

具体实施方式

以下实施例属于本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。

本发明涉及的一种利用磁场定位的单轨机器人，具有较高的智能，可以在人们的工作或生活中，代替人类完成相对复杂的工作。

本发明的一种实施例的系统功能模块示意图如图1所示，主控部分直接控制电动轮的行进以及机器手的姿势动作；磁力传感器件的信号经若干信号线发送至信号采集单元，信号采集单元再通过射频通信发送至主控部分，主控部分根据收到的信息分析、判断，经射频通信向路径控制单元发出命令，由路径控制单元实现滑轨在分岔处的方向限定，即实现了机器手的行进路径控制。

本发明的一种实施例的系统机械结构示意图如图2所示，该实施例包括主控部分（图2中标号6所示）、信号采集单元（图2中标号4所示）、磁力传感器件（图2中标号3所示）、机器手（图2中标号7所示）、电动轮（图2中标号2所示）、滑轨（图2中标号5所示）、路径控制单元（图2中标号1所示），图2中标号8所示为机器手操作的目标物。

本实施例中机器手有三个自由度，端部的主控部分与一块永久磁铁封装在一个非金属箱体内，在主控部分的控制下，借助端部安装的电动轮，机器手可沿安装于天花板或墙壁上的Y型的滑轨移动。

本实施例中滑轨、电动轮可兼作系统电源的传输媒介，电动轮与滑轨的金属部分始终接触，这种接触可用来实现电能的传输。

本实施例中主控部分、信号采集单元以及路径控制单元三者包含的微控制器及其附属电路如图3所示，是本发明的核心部分，担负着系统的信息采集、分析计算、实时决策等重要任务。图中的U1是微控制器，对系统的运行进行精确控制，并对传感器数据进行实时分析并决策；U17是为微控制器提供精准时钟的晶体振荡器；U11是用于存储数据的存储器；主控部分通过J11、J12、J13、J15、J20、J21、J31、J32等接口分别与外部功能模块进行信息交换，其中J11、J20为开关量输入接口，本实施例中用于与若干个如图4所示的开关量输入电路衔接，用以实现多个磁力传感器件的开关量信号的采集；J12为开关量输出接口，本实施例中用于与如图5所示的开关量输出电路衔接；J13为串行通信接口；J15是微控制器编程接口；J21是用于并行通信的数据/地址总线接口；J31是SPI通信接口；J32是SCI通信接口，本实施例中用于经射频通信模块与系统其它组成部分进行射频通信。

本实施例中开关量输入电路原理图如图4所示，图中的六路通道只是本实施例众多通道中的一部分，所有开关量输入通道的电路原理基本相同，其中包含了高速光耦的电气隔离，大大增强了本电路的可靠性。

本实施例中开关量输出电路原理图如图5所示，其中的非门电路元件除实现逻辑的反向之外，还增强了电路的驱动能力，再加上后续的专门驱动芯片，使得该开关量输出电路具有较高的驱动能力。

本实施例的控制方法为：主控部分通过对电动轮的驱动实现机器手沿滑轨移动，主控部分的指令经射频通信模块发送至路径控制单元，路径控制单元在滑轨分岔处控制机器手的行进方向，机器手运行时其端部包含的永久磁铁产生磁场，滑轨沿线固定安装的若干个磁力传感器件可感知机器手的靠近与离开，并实时通过信号采集单元经射频通信模块将信息发给主控部分，主控部分通过对各个磁力传感器件发出的信息以及信息发送时间进行分析与计算，可得到机器手的实时位置以及行进速度，通过电动轮的控制，即可在一定范围的三维空间内对机器手进行定位、控制。本实施例的核心定位算法为：以轨道的出发点作为坐标原点，当机器手已经连续移动一段距离，途中经过n个磁力传感器，每个磁力传感器的相对坐标原点的位移分别为s₁，s₂，…，s_n，机器手到达这些磁力传感器位置的时刻分别为t₁，t₂，…，t_n，这些时刻经信号采集单元实时发至主控部分，则主控部分根据这n组时间数据，可得到机器手的当前平均速度函数为：

假设该机器手沿第k条路径移动（不同路径，m的含义不同），该机器手经过最后的磁力传感器为第n个磁力传感器，且自经过该磁力传感器位置的时刻始又继续行进了Δt的时间，则此时其相对原点的位置函数可以简化为一次方程式，具体如下：

1.当n大于等于2时，对于第k条路径的位置函数为：

2.当n等于1时，对于第k条路径的位置函数为：

这里的为历史经验数据中的平均速度。

3.当n等于0时，即机器手没有经过任何磁力传感器，对于第k条路径的位置函数为：

这里的为历史经验数据中的平均速度。

本发明可在智能家居、工业制造、航空航天等领域广泛应用，实现高智能的自动化控制。

Claims (9)

1.一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：

包括滑轨、机器手、电动轮、主控部分、磁力传感器件、信号采集单元、路径控制单元；

滑轨、电动轮可兼作系统电源的传输媒介，即电动轮与滑轨的金属部分或附件通过接触实现电能的传输；

机器手、电动轮分别与主控部分电气连接；

主控部分包含微处理器和微控制器中的一种或多种；

一根或互相平行的多根滑轨固定于天花板、墙壁、地面或其它平面上，机器手通过电动轮附着在其中的一根或多根滑轨上，通过可伸缩、具有一个或一个以上自由度、可旋转三种特质中的一种或多种实现伸缩或摆动；

在主控部分的控制下，机器手借助安装于端部的电动轮，能够沿安装于天花板、墙壁、地面或其它平面上的滑轨移动，能够沿滑轨在一定范围内的三维空间定位、移动或操作目标物；

磁力传感器件固定安装在滑轨沿线附近或滑轨上的不同位置，机器手靠近滑轨的端部可产生磁场，这些磁力传感器件可在靠近或远离该磁场时发出信号；

信号采集单元与磁力传感器件、主控部分分别通过有线或无线的方式进行通信；

轨道采用直线、曲线、折线或其它不规则形状设计，并且具有分岔，路径控制单元固定在轨道分岔点；

路径控制单元与主控部分通过有线或无线的方式进行通信，在主控部分的指令下，路径控制单元对轨道上运行的物体在轨道分岔处的行进方向进行控制；

控制方法为：主控部分通过对电动轮的驱动实现机器手沿滑轨移动，路径控制单元可在滑轨分岔处控制机器手的行进方向，机器手运行时在其端部产生磁场，滑轨沿线固定安装的若干个磁力传感器件可感知机器手的靠近与离开，并实时通过信号采集单元将信息发给主控部分，主控部分通过对各个磁力传感器件发出的信息以及信息发送时间进行分析与计算，可得到机器手的实时位置以及行进速度，通过电动轮的控制，即可在一定范围的三维空间内对机器手进行定位、控制；

对机器手或其它目标物的定位方法为：以轨道的出发点作为坐标原点，当机器手已经连续移动一段距离，途中经过分别通过信号采集单元成功向主控部分发出信号的n个磁力传感器件，这里所述的n个磁力传感器件的相对坐标原点的位移分别为s₁，s₂，…，s_n，发出信号的时刻分别为t₁，t₂，…，t_n，在这里：s₁与t₁对应；s₂与t₂对应；…；s_n与t_n对应，即脚标相同的变量互相对应，主控部分根据这n组时间数据，可得到机器手的当前平均速度函数为：

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{1}{t_n-t_1}\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}(s_i-s_{i-1})$

假设该机器手沿第k条路径移动(不同路径，位置变量m的含义不同)，该机器手经过最后的磁力传感器件为第n个磁力传感器件，且自经过该磁力传感器件位置的时刻始又继续行进了Δt的时间，则此时其相对原点的位置函数如下：

(1)当n大于等于2时，对于第k条路径的位置函数为：

$m=s_n+\left(\frac{1}{t_n-t_1}\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}\right(s_i-s_{i-1}\left)\right)\mathrm{\Δ}t$

当机器手连续运行时，该函数也可以简写为：

$m=s_n+\left(\frac{1}{t_n-t_1}\right(s_n-s_1\left)\right)\mathrm{\Δ}t;$

(2)当n等于1时，对于第k条路径的位置函数为：

$m=s_n+\stackrel{\‾}{v}\mathrm{\Δ}t$

这里的为历史经验数据中的平均速度；

(3)当n等于0时，即机器手没有经过任何磁力传感器件，对于第k条路径的位置函数为：

$m=\stackrel{\‾}{v}\mathrm{\Δ}t$

这里的为历史经验数据中的平均速度。

2.根据权利要求1所述的一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：多个轨道上运行的机器人，只能以串行的方式移动，可以是直线、曲线、折线或不规则路线；轨道分岔后，每一条岔路上符合“多个在其上的机器人以串行方式移动”的原则。

3.根据权利要求1所述的一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：主控部分包含微处理器和微控制器中的一种或多种，微控制器的类型包括单片机、DSP、CPLD、FPGA、PLC。

4.根据权利要求1所述的一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：机器手在靠近滑轨的端部包含磁场发生部件，该部件的实现方式包括下述方案：

(1)包括永久磁铁，由永久磁铁产生永久磁场；

(2)包括线圈，主控部分控制线圈通电后，即可产生磁场；

(3)包括线圈以及铁心，线圈缠绕在铁心之上，主控部分控制线圈通电后，即可产生磁场。

5.根据权利要求1所述的一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：电动轮与滑轨的金属部分或附件通过接触实现电能的传输，其中附件的类型包括电刷、金属弹簧片。

6.根据权利要求1所述的一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：信号采集单元、路径控制单元包含微处理器和微控制器中的一种或多种，微控制器的类型包括单片机、DSP、CPLD、FPGA、PLC。

7.根据权利要求1所述的一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：磁力传感器件类型包括：磁控开关、磁感应开关、磁阻传感器、磁力感应元件。

8.根据权利要求1所述的一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：有线通信方式的媒介包括一根或多根信号线；无线通信方式的媒介包括射频、红外。

9.根据权利要求8所述的一种利用磁场定位的单轨机器人，其特征在于：有线通信方式的媒介包括串行总线、并行总线；无线通信方式的媒介包括蓝牙。