CN106042643A - 一种基于单点定位技术的移动机器人打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于打印机技术领域，具体为一种基于单点定位技术的移动机器人打印系统。其由激光自动跟踪仪、移动打印机器人和控制中心构成；激光自动跟踪仪包含跟踪测距单元和通讯单元，移动打印机器人包含运动单元、控制单元、棱镜、直线滑动单元、多轴机械臂、喷墨打印单元和通讯单元；控制中心包含计算机和通讯单元；将激光自动跟踪仪放置在打印区域外的任意位置，将棱镜设置在打印设备上，实现对单台或多台打印设备进行定位和定向，在打印设备上设置多轴机械臂，实现打印头朝向任意方向，将图像打印到任意方向的物体表面。本发明实现了打印设备的坐标参数和三维姿态参数的连续获取，具有定位精度高、自动化程度高和易于实现等特点。

Description

一种基于单点定位技术的移动机器人打印系统

技术领域

本发明属于打印机技术领域，具体涉及一种基于单点定位技术的移动机器人打印系统。

背景技术

目前在移动打印领域，打印系统通常采用两点定位方法或三点定位方法（专利公开（公告）号­: CN102616020A、CN101332723A），其不足之处在于需要更多的定位器，因而成本较大。

目前在移动打印领域，打印喷头通常都是朝下打印（专利公开（公告）号­:CN104129180A），这样打印的对象就受到很大的限制，无法打印到其他方向的对象上。

发明内容

针对目前移动打印机定位成本高、不能自由打印、不能朝任意方向打印的不足之处，本发明的目的在于提出成本较低、且能自由打印的移动机器人打印系统。

本发明提供的移动机器人打印系统，是基于单点定位技术的，该移动机器人打印系统，主要由激光自动跟踪仪、移动打印机器人和控制中心构成；激光自动跟踪仪包含跟踪测距单元和通讯单元，移动打印机器人包含运动单元、控制单元、棱镜、直线滑动单元、多轴机械臂、喷墨打印单元和通讯单元；控制中心包含计算机和通讯单元。

本发明中，所述移动打印机器人上的多轴机械臂，其前端安装有一个打印喷头，控制单元能够控制机械臂将打印喷头移动到需要的坐标，朝向需要的角度，从而实现朝任意方向打印。控制中心根据目标坐标和目标方向，结合移动打印机器人的坐标和朝向，计算得到机械臂需要调整的角度，然后通过移动打印机器人上的通讯单元，将机械臂需要调整的角度和打印图案，发送给移动打印机器上的控制单元，移动打印机器人上的通讯单元，接收到机械臂需要调整的角度和打印图案，传输给移动打印机器人上的控制单元，控制单元控制机械臂调整角度，并将喷头移动到目标坐标和方向，打印所需的图案。

本发明中，所述单点定位技术，是指激光自动跟踪仪位于打印区域之外，移动打印机器人位于打印区域中，激光自动跟踪仪跟踪到移动打印机器人上的棱镜，并测量得到一组两者之间的相对距离和角度；移动打印机器人移动一段距离后，或是移动打印机器人静止时，棱镜在直线滑轨上移动到滑轨的另一端，激光自动跟踪仪跟踪到移动打印机器人上的棱镜，并测量得到第二组两者之间的相对距离和角度；激光自动跟踪仪通过其上的通讯单元将两组测量距离和角度数据，传送给控制中心，控制中心通过其上的通讯单元接收数据，并结合棱镜在直线滑轨上移动的距离，计算出移动打印机器人的坐标和朝向，实现单点定位。

本发明中，所述通讯单元（包括激光自动跟踪仪中的通讯单元，移动打印机器人上的通讯单元，以及控制中心的通讯单元），通常采用无线通讯，常用的无线通讯有WLAN（无线局域网Wireless Local Area Network）、ZigBee等，本发明采用WLAN（无线局域网WirelessLocal Area Network）方式进行通讯。

本发明中，所述的棱镜数量至少为1个。

本发明中，所述的打印区域可为任意形状。

本发明中，所述运动单元能够实现移动打印机器人在打印区域内向各个方向的移动。

采用基于单点定位技术的移动机器人打印系统的有益效果是：采用单点定位技术减少了定位设备，降低了定位成本；采用光学定位，避免了无线电定位容易受干扰的缺陷；实现了向任意角度对象进行打印，大大提高了移动打印系统的灵活性。

附图说明

图1是本发明的工作示意图。

图2是激光自动跟踪仪的内部模块图。

图3是移动打印机器人的内部模块图。

图4是控制中心的内部模块图。

图5是移动打印机器人的定位和定向的原理图。

图中标号：1为激光自动跟踪仪，2为移动打印机器人，3为控制中心。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

本发明的实施方案，如图1所示，由1台激光自动跟踪仪、1台移动打印机器人和1台控制中心组成。激光自动跟踪仪测量得到移动打印机器人的相对距离和角度，通过通讯单元传送给控制中心；控制中心根据两次测量值计算得到移动打印机器人的当前坐标和方向，通过跟目标坐标和方向进行比对，控制中心计算得到移动打印机器人需要移动的距离和方向，通过通讯单元传送给移动打印机器人；移动打印机器人接收到数据后，控制单元控制运动单元移动相应的距离和方向；移动完成后，激光自动跟踪仪再次测量得到移动打印机器人的相对距离和角度，通过通讯单元传送给控制中心；如此反复，最终移动打印机器人到达目标坐标和方向；控制中心再根据打印目标的坐标和方向，计算获得机械臂各个轴的转动角度，并通过通讯单元传送给移动打印机器人；移动打印机器人接收到数据后，控制单元控制机械臂转动相应的角度，使得机械臂前端的打印头最终朝向打印目标表面；控制中心最后将打印图案，通过通讯单元传送给移动打印机器人，移动打印机器人接收到图案后，控制单元控制打印头进行打印。

激光自动跟踪仪包含跟踪测距单元和通讯单元，如图2所示，跟踪测距单元使用自动跟踪测距全站仪，全站仪通过螺丝固定的方式，安装在专用三脚架上，然后架设在水平地面上。通讯单元使用WLAN（Wireless Local Area Network无线局域网）通讯模块，模块通过螺丝固定的方式，安装在三脚架侧面。全站仪与WLAN通讯模块之间使用串行通讯方式，通过三芯串口线进行连接。全站仪通过光学方法跟踪移动打印机器人上的棱镜、并测量其距离和角度，测量得到的距离和角度，通过串口传送给通讯单元，通讯单元通过WLAN（WirelessLocal Area Network无线局域网）方式，传送给控制中心。

控制中心包含计算机和通讯单元，如图3所示。计算机使用台式计算机，平放在打印区域以外地面上。通讯单元使用WLAN（Wireless Local Area Network无线局域网）通讯模块，模块平放在台式计算机机箱上。台式计算机与WLAN通讯模块之间使用串行通讯方式，通过三芯串口线进行连接。通讯单元通过WLAN（Wireless Local Area Network无线局域网）方式，接收到全站仪测量得到的距离和角度，然后通过串口传送给计算机。计算机接收到距离和角度数据后，结合两次测量数据，计算得到移动打印机器人的坐标和方向；计算机再根据打印目标的坐标和方向，计算得到移动打印机器人需要移动的距离和方向，并通过串口将需要移动的距离和方向传送给通讯单元，通讯单元通过WLAN（Wireless Local AreaNetwork无线局域网）方式，传送给移动打印机器人。移动打印机器人到达打印目标坐标和方向后，计算机根据打印目标平面的位置和角度，计算得到机械臂需要转动的角度，并通过串口将转动角度传送给通讯单元，通讯单元通过WLAN（Wireless Local Area Network无线局域网）方式，传送给移动打印机器人。机械臂完成转动、打印头朝向打印目标表面后，计算机将需要打印的图案，通过串口传送给通讯单元，通讯单元通过WLAN（Wireless LocalArea Network无线局域网）方式，传送给移动打印机器人完成打印。

移动打印机器人包含控制单元、运动单元、棱镜、直线滑动单元、多轴机械臂、喷墨打印单元和通讯单元，如图4所示，使用六块铝合金板，采用螺丝固定的方式，组合成一个长方体，作为移动打印机器人的框架。其中：

所述直线滑动单元包含一套皮带式直线滑轨、一个步进电机和一个步进电机驱动器。步进电机与直线滑轨通过联轴器连接，并且步进电机使用螺丝固定到直线滑轨侧面上；直线滑轨通过螺丝固定在移动打印机器人框架的上表面的中心线上，且直线滑轨两端间长度与机器人框架上表面的长边长度相等；步进电机驱动器与步进电机通过四芯电线连接，与控制单元通过多芯电线连接，并通过螺丝固定在移动打印机器人框架的上表面。直线滑动单元够接收控制单元发送的命令，控制步进电机带动皮带转动，实现直线滑轨上的滑块的移动。

所述棱镜使用一个全站仪专用棱镜，是全站仪跟踪和测距的目标，通过螺丝固定到直线滑轨的滑块上。

所述控制单元是一套印刷电路板，电路板上集成了中央处理器芯片和多个接口电路，接口电路包括运动单元控制接口、直线滑轨控制接口、机械臂控制接口、打印头控制接口和串行通讯接口。控制单元采用螺丝固定的方式，固定在框架的铝合金板上。控制单元的运动单元控制接口与运动单元之间使用多芯电线连接，控制单元能够控制运动单元的移动距离和移动方向。控制单元的直线滑轨控制接口与直线滑轨之间使用多芯电线连接，控制单元能够控制直线滑轨往复运动。控制单元的机械臂控制接口与多轴机械臂之间使用多芯电线连接，控制单元能够控制多轴机械臂各个轴的转动角度。控制单元的打印头控制接口与喷墨打印单元之间使用多芯数据线连接，控制单元能够控制喷墨打印单元打印接收到的图案。控制单元与通讯单元之间使用串行通讯方式，通过三芯串口线进行连接。控制单元通过通讯单元能够接收控制中心发送的运动单元控制命令、直线滑轨控制命令、机械臂控制命令和打印图案数据。

所述运动单元包含四个轮子、四个减速步进电机、四个步进电机驱动器，轮子通过中心孔安装到步进电机的轴上，并使用限位螺丝紧固，步进电机通过螺丝固定到移动打印机器人的框架上。步进电机驱动器通过螺丝固定到移动打印机器人的框架上，并使用四芯电线与步进电机连接，使用多芯电线与控制单元连接。运动单元能够接收控制单元发送的命令，控制步进电机带动轮子转动，实现机器人移动和转动。

所述多轴机械臂使用螺丝固定到移动打印机器人框架的上表面，使用多芯电线与控制单元连接。多轴机械臂接收控制单元发送的命令，控制各个轴的转动角度。

所述喷墨打印单元包含一个打印喷头和一个墨盒，墨盒与打印喷头通过塑料软管连接，墨盒使用螺丝固定到打印喷头上；打印喷头通过多芯数据线与控制中心连接，并使用螺丝固定到多轴机械臂顶端。打印喷头接收控制单元发送的图案数据，并打印出图案。

所述通讯单元使用一台WLAN（Wireless Local Area Network无线局域网）通讯模块，模块使用螺丝固定到移动打印机器人的框架上。通讯单元与控制单元之间使用串行通讯方式，通过三芯串口线进行连接；通讯单元与控制中心之间通过无线电方式（无线局域网WLAN）进行通讯。

本发明的移动机器人打印系统，其定位与移动过程如下：

粗略定位与移动：在移动打印机器人距离目标较远时（如距离大于1米），采用粗略定位与移动的工作方式，在满足定位与移动精度的情况下，能够提高工作效率。在此工作方式下，移动打印机器人移动时，棱镜在直线滑轨上固定不动，激光自动跟踪仪每隔500毫秒测量一次移动打印机器人上棱镜的距离和角度，并传送给控制中心，控制中心根据连续两次的测量数据，计算出移动打印机器人当前的坐标和角度；控制中心再根据打印目标的坐标和方向，计算得到移动打印机器人需要移动的距离和方向，并发送给移动打印机器人，朝相应方向移动相应距离。

精确定位与移动：在移动打印机器人距离目标较近时（如距离小于1米），需要较高的定位与移动精度，因此采用精确定位与移动的工作方式。在此工作方式下，移动打印机器人停止后进行测量定位。移动打印机器人停稳后，棱镜在直线滑轨上的一端固定不动，激光自动跟踪仪测量得到移动打印机器人上棱镜的距离和角度，并传送给控制中心；然后直线滑轨带动棱镜移动到另一端，激光自动跟踪仪再测量一次移动打印机器人上棱镜的距离和角度，并传送给控制中心；控制中心根据连续两次的测量数据，计算出移动打印机器人当前的坐标和角度；控制中心再根据打印目标的坐标和方向，计算得到移动打印机器人需要移动的距离和方向，并发送给移动打印机器人，朝相应方向移动相应距离。

本发明的移动机器人打印系统，其坐标计算原理如图5所示，第一次测量棱镜的坐标和角度为d1和，第二次测量棱镜的坐标和角度为d2和。粗略定位与移动工作方式下，认为两次测量点的连线的中点为移动打印机器人的中心点，两次测量点的连线的方向为机器人的运动方向；精确定位与移动工作方式下，两次测量点的连线的中点就是移动打印机器人的中心点，两次测量点的连线的方向就是机器人的运动方向。计算得到移动打印机器人的中心点坐标：，；移动打印机器人的运动方向为。

Claims (9)

1.一种基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，由激光自动跟踪仪、移动打印机器人和控制中心构成；激光自动跟踪仪包含跟踪测距单元和通讯单元，移动打印机器人包含运动单元、控制单元、棱镜、直线滑动单元、多轴机械臂、喷墨打印单元和通讯单元；控制中心包含计算机和通讯单元；

所述移动打印机器人上的多轴机械臂，其前端安装有一个打印喷头，控制单元控制机械臂将打印喷头移动到需要的坐标，朝向需要的角度，从而实现朝任意方向打印；控制中心根据目标坐标和目标方向，结合移动打印机器人的坐标和朝向，计算得到机械臂需要调整的角度，然后通过移动打印机器人上的通讯单元，将机械臂需要调整的角度和打印图案，发送给移动打印机器上的控制单元，移动打印机器人上的通讯单元，接收到机械臂需要调整的角度和打印图案，传输给移动打印机器人上的控制单元，控制单元控制机械臂调整角度，并将喷头移动到目标坐标和方向，打印所需的图案；

其中，所述单点定位通过如下方式实现：激光自动跟踪仪位于打印区域之外，移动打印机器人位于打印区域中，激光自动跟踪仪跟踪到移动打印机器人上的棱镜，并测量得到一组两者之间的相对距离和角度；移动打印机器人移动一段距离后，或是移动打印机器人静止时，棱镜在直线滑轨上移动到滑轨的另一端，激光自动跟踪仪跟踪到移动打印机器人上的棱镜，并测量得到第二组两者之间的相对距离和角度；激光自动跟踪仪通过其上的通讯单元将两组测量距离和角度数据，传送给控制中心，控制中心通过其上的通讯单元接收数据，并结合棱镜在直线滑轨上移动的距离，计算出移动打印机器人的坐标和朝向，实现单点定位。

2.根据权利要求1所述的基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，所述的激光自动跟踪仪中的跟踪测距单元使用自动跟踪测距全站仪，全站仪通过螺丝固定的方式，安装在专用三脚架上，然后架设在水平地面上；激光自动跟踪仪中的通讯单元使用WLAN通讯模块，模块通过螺丝固定的方式，安装在三脚架侧面；全站仪与该WLAN通讯模块之间使用串行通讯方式，通过三芯串口线进行连接；全站仪通过光学方法跟踪移动打印机器人上的棱镜、并测量其距离和角度，测量得到的距离和角度，通过串口传送给所述通讯单元，通讯单元通过WLAN方式，传送给控制中心。

3.根据权利要求2所述的基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，控制中心中的计算机使用台式计算机，平放在打印区域以外地面上；控制中心中的通讯单元使用WLAN通讯模块，模块平放在台式计算机机箱上；台式计算机与WLAN通讯模块之间使用串行通讯方式，通过三芯串口线进行连接；

控制中心的通讯单元通过WLAN方式，接收到全站仪测量得到的距离和角度，然后通过串口传送给计算机；计算机接收到距离和角度数据后，结合两次测量数据，计算得到移动打印机器人的坐标和方向；计算机再根据打印目标的坐标和方向，计算得到移动打印机器人需要移动的距离和方向，并通过串口将需要移动的距离和方向传送给控制中心的通讯单元，该通讯单元通过WLAN方式，传送给移动打印机器人；移动打印机器人到达打印目标坐标和方向后，计算机根据打印目标平面的位置和角度，计算得到机械臂需要转动的角度，并通过串口将转动角度传送给通讯单元，通讯单元通过WLAN方式，传送给移动打印机器人；机械臂完成转动、打印头朝向打印目标表面后，计算机将需要打印的图案，通过串口传送给通讯单元，通讯单元通过WLAN方式，传送给移动打印机器人完成打印。

4.根据权利要求3所述的基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，使用六块铝合金板，采用螺丝固定的方式，组合成一个长方体，作为移动打印机器人的框架；其中：

移动打印机器人中的直线滑动单元包含一套皮带式直线滑轨、一个步进电机和一个步进电机驱动器；步进电机与直线滑轨通过联轴器连接，并且步进电机使用螺丝固定到直线滑轨侧面上；直线滑轨通过螺丝固定在移动打印机器人框架的上表面的中心线上，且直线滑轨两端间长度与机器人框架上表面的长边长度相等；步进电机驱动器与步进电机通过四芯电线连接，与控制单元通过多芯电线连接，并通过螺丝固定在移动打印机器人框架的上表面；直线滑动单元接收控制单元发送的命令，控制步进电机带动皮带转动，实现直线滑轨上的滑块的移动；

移动打印机器人中的棱镜使用一个全站仪专用棱镜，是全站仪跟踪和测距的目标，通过螺丝固定到直线滑轨的滑块上。

5.根据权利要求4所述的基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，移动打印机器人中的控制单元是一套印刷电路板，电路板上集成了中央处理器芯片和多个接口电路，接口电路包括运动单元控制接口、直线滑轨控制接口、机械臂控制接口、打印头控制接口和串行通讯接口；控制单元采用螺丝固定的方式，固定在框架的铝合金板上；控制单元的运动单元控制接口与运动单元之间使用多芯电线连接，控制单元能够控制运动单元的移动距离和移动方向；控制单元的直线滑轨控制接口与直线滑轨之间使用多芯电线连接，控制单元能够控制直线滑轨往复运动；控制单元的机械臂控制接口与多轴机械臂之间使用多芯电线连接，控制单元能够控制多轴机械臂各个轴的转动角度；控制单元的打印头控制接口与喷墨打印单元之间使用多芯数据线连接，控制单元能够控制喷墨打印单元打印接收到的图案；控制单元与通讯单元之间使用串行通讯方式，通过三芯串口线进行连接；控制单元通过其通讯单元能够接收控制中心发送的运动单元控制命令、直线滑轨控制命令、机械臂控制命令和打印图案数据。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，移动打印机器人中的运动单元包含四个轮子、四个减速步进电机、四个步进电机驱动器，轮子通过中心孔安装到步进电机的轴上，并使用限位螺丝紧固，步进电机通过螺丝固定到移动打印机器人的框架上；步进电机驱动器通过螺丝固定到移动打印机器人的框架上，并使用四芯电线与步进电机连接，使用多芯电线与控制单元连接；运动单元能够接收控制单元发送的命令，控制步进电机带动轮子转动，实现机器人移动和转动。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，移动打印机器人中的多轴机械臂使用螺丝固定到移动打印机器人框架的上表面，使用多芯电线与控制单元连接；多轴机械臂接收控制单元发送的命令，控制各个轴的转动角度；

移动打印机器人中的喷墨打印单元包含一个打印喷头和一个墨盒，墨盒与打印喷头通过塑料软管连接，墨盒使用螺丝固定到打印喷头上；打印喷头通过多芯数据线与控制中心连接，并使用螺丝固定到多轴机械臂顶端；打印喷头接收控制单元发送的图案数据，并打印出图案；

移动打印机器人中的通讯单元使用一台WLAN通讯模块，该通讯模块使用螺丝固定到移动打印机器人的框架上；通讯单元与控制单元之间使用串行通讯方式，通过三芯串口线进行连接；通讯单元与控制中心之间通过无线电方式进行通讯。

8.根据权利要求7所述的基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，其定位与移动过程如下：

粗略定位与移动：在移动打印机器人与目标距离大于1米时，采用粗略定位与移动的工作方式；在此工作方式下，移动打印机器人移动时，棱镜在直线滑轨上固定不动，激光自动跟踪仪每隔500毫秒测量一次移动打印机器人上棱镜的距离和角度，并传送给控制中心，控制中心根据连续两次的测量数据，计算出移动打印机器人当前的坐标和角度；控制中心再根据打印目标的坐标和方向，计算得到移动打印机器人需要移动的距离和方向，并发送给移动打印机器人，朝相应方向移动相应距离；

精确定位与移动：在移动打印机器人与目标距离小于1米时，采用精确定位与移动的工作方式；在此工作方式下，移动打印机器人停止后进行测量定位，移动打印机器人停稳后，棱镜在直线滑轨上的一端固定不动，激光自动跟踪仪测量得到移动打印机器人上棱镜的距离和角度，并传送给控制中心；然后直线滑轨带动棱镜移动到另一端，激光自动跟踪仪再测量一次移动打印机器人上棱镜的距离和角度，并传送给控制中心；控制中心根据连续两次的测量数据，计算出移动打印机器人当前的坐标和角度；控制中心再根据打印目标的坐标和方向，计算得到移动打印机器人需要移动的距离和方向，并发送给移动打印机器人，朝相应方向移动相应距离。

9. 根据权利要求8所述的基于单点定位技术的移动机器人打印系统，其特征在于，其坐标计算原理如下：设第一次测量棱镜的坐标和角度为d1和，第二次测量棱镜的坐标和角度为d2和；粗略定位与移动工作方式下，认为两次测量点的连线的中点为移动打印机器人的中心点，两次测量点的连线的方向为机器人的运动方向；精确定位与移动工作方式下，两次测量点的连线的中点就是移动打印机器人的中心点，两次测量点的连线的方向就是机器人的运动方向；计算得到移动打印机器人的中心点坐标：，；移动打印机器人的运动方向为。