CN106646497B - 具有二维测距装置的机器人 - Google Patents

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Abstract

一种具有二维测距装置的机器人，包括：机器人本体、测距雷达、扫描镜组、以及镜组调节装置，其中该测距雷达具有一光源部，该镜组调节装置与该扫描镜组机械连接，所述测距雷达以及扫描镜组设置于机器人本体的周围；当测距雷达的扫描方向向前时，所述光源部发射出的扫描光束形成朝向机器人本体前方的水平扫描光束，当测距雷达的扫描方向向后时，光源部所发射出的扫描光束经由扫描镜组的反射，形成朝向机器人本体前方或后方的垂直扫描光束；通过所形成的水平扫描光束和垂直扫描光束使该机器人实现二维测距功能。

Description

具有二维测距装置的机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是涉及机器人的二维光学测距领域。
背景技术
目前，机器人使用的测距雷达多采用以下两种安装方式，其一是将机器人机体中腹相应高度的一层挖空，在其中安置雷达，该方法的主要缺陷是对于上方能够承载的重量和负载物的尺寸有较大限制。另一种方法是将测距雷达安装在机器人前方，该方法的主要缺陷有以下两点：1、当在旋转朝向后方时，由于探测光被机器人外壳遮挡，无法采集有效的测距信息，造成浪费；2、只能得到某一水平面各个方向上物体的距离信息，无法得到垂直面内各个方向上物体的距离信息。
发明内容
针对目前将测距雷达安装在机器人前方的方案所具有的后向水平扫描浪费，以及现有水平方向扫描的测距雷达无法获得垂直方向距离信息的缺点，本发明采用如下技术方案实现：
一种具有二维测距装置的机器人，包括：机器人本体、测距雷达、扫描镜组、以及镜组调节装置，其中该测距雷达具有一光源部，该镜组调节装置与该扫描镜组机械连接，其特征在于：所述测距雷达以及扫描镜组设置于机器人本体的周围；当测距雷达的扫描方向向前时，所述光源部发射出的扫描光束形成朝向机器人本体前方的水平扫描光束，当测距雷达的扫描方向向后时，光源部所发射出的扫描光束经由扫描镜组的反射，形成朝向机器人本体前方或后方的垂直扫描光束；通过所形成的水平扫描光束和垂直扫描光束使该机器人实现二维测距功能；其中，所述扫描镜组包括多个反射镜，所述镜组调节装置通过调节扫描镜组的各元件的位置和角度以形成所述前方垂直扫描光束或后方垂直扫描光束。
优选的，所述扫描镜组包括第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜；当测距雷达的扫描方向向后时，光源部所发出的光束，经第一反射镜的反射投射到第二反射镜，第二反射镜接收投射的光束后将光束反射至第三反射镜，第三反射镜反射投射的光束以形成前方的垂直扫描光束或后方的垂直扫描光束。
优选的，所述扫描镜组位于机器人本体与测距雷达之间。
优选的，当所形成的垂直扫描光束朝向机器人本体的前方时，第一反射镜(M1)镜面与z轴平行，与y-z平面夹角为45度，法向量方向与x轴正向夹角大于90度；第二反射镜(M2)镜面与y轴平行，与x-y平面夹角为45度，法向量方向沿z轴正方向；第三反射镜(M3)镜面与x轴平行，与x-z平面夹角为45度，法向量方向与y轴正方向夹角小于90度。
优选的，当所形成的垂直扫描光束朝向机器人本体的前方时，所述扫描镜组的各个反射镜的尺寸满足：
H1≤a
W2≤(L+ΔL1)tanθ
H3≤a
其中，W1为第一反射镜(M1)的长度，W2为第二反射镜(M2)的长度，W3为第三反射镜(M3)的长度，L为测距雷达中的光源部距离扫描镜组的第一反射镜(M1)的距离，θ为需要转化为垂直扫描的水平扫描的旋转角度，其中θ<45°，ΔL1为镜组中第一反射镜(M1)和第二反射镜(M2)的距离较近的边缘中点之间的距离，ΔL2为镜组中第二反射镜(M2)和第三反射镜(M3)中距离较近的边缘中点之间的距离，H1为第一反射镜(M1)的厚度，H2为第二反射镜(M2)的厚度，H3为第三反射镜(M3)的厚度，a为测距雷达发出的准直光束的直径。
优选的，当所形成的垂直扫描光束朝向机器人本体的后方时，第一反射镜(M1)镜面与z轴平行，与y-z平面夹角为45度，法向量方向与x轴正向夹角大于90度；第二反射镜(M2)镜面与y轴平行，与x-y平面夹角为45度，法向量方向沿z轴正方向；第三反射镜(M3)镜面与x轴平行，与x-z平面夹角为45度，法向量方向与y轴正方向夹角大于90度。
优选的，当所形成的垂直扫描光束朝向机器人本体的后方时，所述扫描镜组的各个反射镜的尺寸满足：
H1≤a
W2≤(L+ΔL1)tanθ
H3≤a
其中，W1为第一反射镜(M1)的长度，W2为第二反射镜(M2)的长度，W3为第三反射镜(M3)的长度，L为测距雷达中的光源部距离扫描镜组的第一反射镜(M1)的距离，θ为需要转化为垂直扫描的水平扫描的旋转角度，其中θ<45°，ΔL1为镜组中第一反射镜(M1)和第二反射镜(M2)的距离较近的边缘中点之间的距离，ΔL2为镜组中第二反射镜(M2)和第三反射镜(M3)中距离较近的边缘中点之间的距离，H1为第一反射镜(M1)的厚度，H2为第二反射镜(M2)的厚度，H3为第三反射镜(M3)的厚度，a为测距雷达发出的准直光束的直径。
优选的，所述扫描镜组的各反射镜的尺寸、位置和姿态可通过建模仿真获得。
本发明针对本发明将给出一种由三面平面镜组成的反射镜组，将测距雷达旋转朝向后方时的水平扫描光转化为向前或向后的的垂直扫描光，将原本浪费的后向扫描光利用起来，以获取垂直面上各个方向物体的距离信息，实现二维测距。
附图说明
图1为本发明机器人的前向垂直扫描镜组整体结构；
图2为本发明机器人的前向垂直扫描镜组三视图；
图3为本发明机器人的镜组中各个反射镜面尺寸示意图；
图4为本发明具有前向扫描镜组的机器人整体系统的三视图；
图5为本发明机器人的后向垂直扫描镜组整体结构；
图6为本发明机器人的后向垂直扫描镜组三视图；
图7为本发明具有后向扫描镜组的机器人整体系统的三视图；
图8为本发明前向垂直扫描镜组在TracePro中的建模仿真结果；
图9为本发明后向垂直扫描镜组在TracePro中的建模仿真结果。
具体实施方式
本发明的机器人，具有将水平扫描转化为垂直扫描的反射镜组、机器人本体、测距雷达、扫描镜组、以及镜组调节装置，其中该反射镜组由参数组(a,L,θ,ΔL1,ΔL2)来表征，其中a为相位测距雷达发出的准直光束的直径，L为相位测距雷达中的光源距离镜组中第一面反射镜的距离，θ为需要转化为垂直扫描的水平扫描旋转角度(θ<45°)，ΔL1为镜组中第一面和反射镜M1和M2距离较近的边缘中点之间的距离，ΔL2为镜组中第二面和第三面反射镜M2和M3距离较近的边缘中点之间的距离；其具体光学结构根据转化后垂直扫描的方向分为两类，称作前向垂直扫描镜组和后向垂直扫描镜组，以下分别进行介绍。
前向垂直扫描镜组整体结构由三面尺寸各不相同的平面反射镜M1～M3组成，如图1所示。图中y方向为机器人本体的正前方，x-y平面为相位测距雷达所处的水平面。在扫描测距过程中，相位测距雷达的探测光束不断以光源为中心在自身所处的水平面内旋转扫描，当相位测距雷达水平扫描的方向向前(即探测光束与y轴正方向夹角<90°)时，同传统相位测距雷达一样，获取前方180°范围内物体的距离信息。当相位测距雷达水平扫描方向向后，且与y轴负方向夹角小于等于θ，大于0°，且与x正方向夹角小于90°时，探测光束恰好直接入射M1镜，经过三次反射后最终从M3镜出射。镜组中M1镜面与z轴平行，与y-z平面夹角为45°，镜面法向量方向与x轴正向夹角大于90°；M2镜镜面与y轴平行，与x-y平面夹角为45°，法向量方向沿z轴正方向；M3镜镜面与x轴平行，与x-z平面夹角为45°，法向量方向与y轴正方向夹角小于90°。假设探测光束相对于M1镜面的入射角为α，那么根据反射定律，最终M3镜面上光束的出射角为90°-α。随着相位测距雷达扫描旋转，探测光束入射M1的角度不断变化，从M3镜出射的光束与水平面夹角的变化量完全相同，从而实现将后向水平旋转扫描转化为垂直旋转扫描，如图1所示。
当(a,L,θ,ΔL1,ΔL2)参数组唯一确定时，前向垂直扫描镜组中M1～M3镜面尺寸等其它参数也得到唯一确定。各个参数的含义参照图2所示的前向垂直扫描镜组三视图(忽略反射镜厚度)。M1～M3镜面尺寸如图3所示。
当(a,L,θ,ΔL1,ΔL2)确定时，前向垂直扫描镜组各个尺寸满足下列关系：
H1≤a
W2≤(L+ΔL1)tanθ
H3≤a
在机器人测距的整体系统中，前向垂直扫描镜组安装在位于机器人前方的测距雷达和机器人主体之间，如图4所示。从图4中可以看出，当测距雷达旋转朝向后方时，原本会被机器人前表面阻挡的水平扫描光被前向垂直扫描镜组承接并转化为向前的垂直扫描光，从而获取垂直方向的距离信息，既避免了后向水平扫描光的浪费，又实现了水平-垂直二维测量。
后向垂直扫描镜组整体结构与前向垂直扫描镜组类似，也由三面尺寸不相同的平面反射镜M1～M3组成，如图5所示。图5中三维直角坐标系的建立方式与图1中相同。在扫描测距过程中，相位测距雷达的水平扫描方向向后，与y轴负方向夹角小于等于θ，大于0°，且与x正方向夹角大于90°时，探测光束也恰好直接入射M1镜，经过三次反射后从M3镜出射。镜组中M1与M2镜镜面姿态与前向垂直扫描镜组中相同；而M3镜镜面与x轴平行，与x-z平面夹角为45°，法向量方向与y轴正方向夹角大于90°。假设探测光束相对于M1镜面的入射角为α，那么根据反射定律，最终M3镜面上光束的出射角也为α。随着相位测距雷达扫描旋转，探测光束从M3镜出射的光束与水平面的夹角的变化与M1镜入射角的变化仍然完全相同，从而实现将后向水平旋转扫描转化为后向垂直旋转扫描，如图5所示。
当(a,L,θ,ΔL1,ΔL2)参数组唯一确定时，后向垂直扫描镜组中M1～M3镜面尺寸等其它参数也得到唯一确定。各个参数的含义参照图6所示后向垂直扫描镜组三视图(忽略反射镜厚度)。M1～M3镜面尺寸的规定仍然如图3所示。
当(a,L,θ,ΔL1,ΔL2)确定时，后向垂直扫描镜组各个尺寸满足下列关系：
H1≤a
W2≤(L+ΔL1)tanθ
H3≤a
在机器人测距的整体系统中，后向垂直扫描镜组也被安装在位于机器人前方的测距雷达和机器人主体之间，如图7所示。从图7中可以看出，当测距雷达旋转朝向后方时，原本会被机器人前表面阻挡的水平扫描光被后向垂直扫描镜组承接并转化为向后的垂直扫描光，从而获取垂直方向的距离信息，同样既避免了后向水平扫描光的浪费，也实现了水平-垂直二维测量。
另外，所述镜组调节装置通过调节扫描镜组的各元件的位置和角度以形成所述前方垂直扫描光束或后方垂直扫描光束
实施例一
首先介绍前向扫描镜组的实施例，取参数组(a,L,θ,ΔL1,ΔL2)中各参数的值分别为(5mm,50mm,30°,7.5mm,7.5mm)，各个镜面尺寸取能够得到的最小尺寸，可以计算得到各个镜面的尺寸分别为：W1＝25.882mm，H1＝5mm，W2＝33.198mm，H2＝7.071mm，W3＝125.570mm。由于M1～M3反射镜的镜面形状都为矩形，因此只需要给出每个镜面在图1中三维直角坐标系中四个顶点的坐标，就可以唯一确定镜子的位置和姿态。假设光源位置坐标(单位为mm，下同)为(0,50,2.5)，经过计算得到M1四个顶点的坐标为：(0,0,0)，(18.301,18.301,0)，(18.301,18.301,5)，(0,0,5)；M2四个顶点的坐标为：(-5,0,0)，(-5,33.198,0)，(-10,33.198,5)，(-10,0,5)；M3四个顶点的坐标为：(-5,0,10)，(-5,88.792,98.792)，(-10,88.792,98.792)，(-10,0,10)。利用光学追迹软件TracePro对镜组进行建模仿真，结果如图8所示。
实施例二
然后介绍后向扫描镜组的实施例，取参数组(a,L,θ,ΔL1,ΔL2)中各参数的值分别为(5mm,50mm,30°,75mm,7.5mm)，各个镜面尺寸取能够得到的最小尺寸，可以计算得到各个镜面的尺寸分别为：W1＝96.593mm，H1＝5mm，W2＝72.169mm，H2＝7.071mm，W3＝255.970mm。同样由于M1～M3反射镜的镜面形状都为矩形，因此只需要给出每个镜面在图1中三维直角坐标系中四个顶点的坐标，就可以唯一确定镜子的位置和姿态。仍假设光源位置坐标为(0,50,2.5)，经过计算得到M1四个顶点的坐标为：(0,0,0)，(-68.301,-68.301,0)，(-68.301,-68.301,5)，(0,0,5)；M2四个顶点的坐标为：(-72.5,0,0)，(-72.5,-72.169,0)，(-77.5,-72.169,5)，(-77.5,0,5)；M3四个顶点的坐标为：(-72.5,0,10)，(-72.5,-180.998,190.998)，(-77.5,-180.998,190.998)，(-77.5,0,10)。利用光学追迹软件TracePro对镜组进行建模仿真，结果如图9所示。
以上所述的仅是本发明的优选的实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的情况下，还可以作出若干改进和变型，这也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有二维测距装置的机器人，包括：机器人本体、测距雷达、扫描镜组、以及镜组调节装置，其中该测距雷达具有一光源部，该镜组调节装置与该扫描镜组机械连接，其特征在于：所述测距雷达以及扫描镜组设置于机器人本体的周围；当测距雷达的扫描方向向前时，所述光源部发射出的扫描光束形成朝向机器人本体前方的水平扫描光束，当测距雷达的扫描方向向后时，光源部所发射出的扫描光束经由扫描镜组的反射，形成朝向机器人本体前方或后方的垂直扫描光束；通过所形成的水平扫描光束和垂直扫描光束使该机器人实现二维测距功能；其中，所述扫描镜组包括第一反射镜(M1)、第二反射镜(M2)以及第三反射镜(M3)，所述第一反射镜(M1)、第二反射镜(M2)以及第三反射镜(M3)的尺寸各不相同；当测距雷达的扫描方向向后时，光源部所发出的光束，经第一反射镜(M1)的反射投射到第二反射镜(M2)，第二反射镜(M2)接收投射的光束后将光束反射至第三反射镜(M3)，第三反射镜(M3)反射投射的光束以形成前方的垂直扫描光束或后方的垂直扫描光束，所述镜组调节装置通过调节扫描镜组的各元件的位置和角度以形成所述前方的垂直扫描光束或后方的垂直扫描光束。
2.如权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述扫描镜组位于机器人本体与测距雷达之间。
3.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：当所形成的垂直扫描光束朝向机器人本体的前方时，第一反射镜（M1）镜面与z轴平行，与y-z平面夹角为45度，法向量方向与x轴正向夹角大于90度；第二反射镜（M2）镜面与y轴平行，与x-y平面夹角为45度，法向量方向沿z轴正方向；第三反射镜（M3）镜面与x轴平行，与x-z平面夹角为45度，法向量方向与y轴正方向夹角小于90度。
4.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：当所形成的垂直扫描光束朝向机器人本体的前方时，所述扫描镜组的各个反射镜的尺寸满足：
其中，W1为第一反射镜(M1)的长度，W2为第二反射镜(M2)的长度，W3为第三反射镜(M3)的长度，L为测距雷达中的光源部距离扫描镜组的第一反射镜(M1)的距离，θ为需要转化为垂直扫描的水平扫描的旋转角度，其中θ<45°，ΔL1为镜组中第一反射镜(M1)和第二反射镜(M2)的距离较近的边缘中点之间的距离，ΔL2为镜组中第二反射镜(M2)和第三反射镜(M3)中距离较近的边缘中点之间的距离，H1为第一反射镜(M1)的厚度，H2为第二反射镜(M2)的厚度，H3为第三反射镜(M3)的厚度，a为测距雷达发出的准直光束的直径。
5.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：当所形成的垂直扫描光束朝向机器人本体的后方时，第一反射镜（M1）镜面与z轴平行，与y-z平面夹角为45度，法向量方向与x轴正向夹角大于90度；第二反射镜（M2）镜面与y轴平行，与x-y平面夹角为45度，法向量方向沿z轴正方向；第三反射镜（M3）镜面与x轴平行，与x-z平面夹角为45度，法向量方向与y轴正方向夹角大于90度。
6.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：当所形成的垂直扫描光束朝向机器人本体的后方时，所述扫描镜组的各个反射镜的尺寸满足：
其中，W1为第一反射镜(M1)的长度，W2为第二反射镜(M2)的长度，W3为第三反射镜(M3)的长度，L为测距雷达中的光源部距离扫描镜组的第一反射镜(M1)的距离，θ为需要转化为垂直扫描的水平扫描的旋转角度，其中θ<45°，ΔL1为镜组中第一反射镜(M1)和第二反射镜(M2)的距离较近的边缘中点之间的距离，ΔL2为镜组中第二反射镜(M2)和第三反射镜(M3)中距离较近的边缘中点之间的距离，H1为第一反射镜(M1)的厚度，H2为第二反射镜(M2)的厚度，H3为第三反射镜(M3)的厚度，a为测距雷达发出的准直光束的直径。
7.如权利要求3-6之一所述的机器人，其特征在于：所述扫描镜组的各反射镜的尺寸、位置和姿态可通过建模仿真获得。
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