CN107544484A - 一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,这个方法是在平整地面铺设由N极向上和S极向上两种极性磁极及白色或彩色合成橡胶组成的压延磁条,该磁条沿机器人工作区域的外边界铺设并最终形成闭环,其中N极在内圈,S极在外圈。机器人本体底部的霍尔传感器根据感知到的双极性导航磁条位置状态判定机器人与工作区域的关系:区域内、区域外,并进行相应的移动操作,如机器人在区域内,则通过底盘控制保障机器人不超出磁条构成的闭环区域,如在区域外则引导机器人跨过磁条进入磁条构成的闭环区域内。本发明适合环境及设备相对固定的住宅、办公室、接待大厅、酒店客房、学校、会所等。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,这个方法是在平整地面铺设由N极向上和S极向上两种极性磁极及白色或彩色合成橡胶组成的压延磁条,该磁条沿机器人工作区域的外边界铺设并最终形成闭环,其中N极在内圈,S极在外圈。机器人本体底部的霍尔传感器根据感知到的双极性导航磁条位置状态判定机器人与工作区域的关系:区域内、区域外,并进行相应的移动操作,如机器人在区域内,则通过底盘控制保障机器人不超出磁条构成的闭环区域,如在区域外则引导机器人跨过磁条进入磁条构成的闭环区域内。本发明的有益效果是,用双极性导航磁条铺设的闭环为机器人营造一个无障碍自由行动的区域,在该区域内,机器人可通过声源定位移动、惯性导航移动、遥控操作等方式进行移动,可不依赖地图,也不需要使用激光导航等精确定位系统,仅仅依靠机器人本体底部的霍尔传感器根据感知到的双极性导航磁条位置状态做出行动方向指引。极大地方便了使用机器人的用户,适合环境及设备相对固定的住宅、办公室、接待大厅、酒店客房、学校、会所等。
背景技术
导航磁条,是铁氧体磁材中的一种,由粘结铁氧体料粉与合成橡胶复合,经压延成型等工艺制作而成,是一种具有柔软性、弹性及可扭曲的条状磁体。导航磁条是一种单面有磁,无磁面裱强力双面胶的磁条,厚度为1.2mm,主要作为磁导航线铺设在地面上,引导自动导引车AGV、自动手推车AGC、无轨移动货架、送餐机器人、迎宾接待机器人的运行。该型磁条柔韧性强,可弯曲折叠,不损害磁性;可塑性强,也可随意剪裁成需要的长度。 常见的导航磁条按磁条宽度有30mm和50mm两种,按磁性有N极和S极两种。
磁性传感器是一款耐环境、高灵敏度的磁性接近传感器,可非常灵敏的识别出磁性物体的S极、N极,四线式输出,采用耐环境不锈钢壳体,内置双色指示灯,红色对应S极,绿色对应N极输出。 磁性传感器适用于自动仓库内移动物体的检测,行程定位或确认搬进搬出的传感器,如S→N为搬进,N→S为搬出,也适用于送餐机器人等可按照固定磁条路线行走的机器人配置安装。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。需要辅助电源才能正常工作,是一种有源传感器。
如附图1所示,Bnp为工作点“开”的磁感应强度,BRP为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点Bnp时,传感器输出低电平,当磁感应强度降到动作点Bnp以下时,传感器输出电平不变,一直要降到释放点BRP时,传感器才由低电平跃变为高电平。Bnp与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。
发明内容
当前的机器人行业对导航磁条的使用方法均为路线导引,当磁导航传感器位于磁条上方时,每个探测点上的磁场传感器能够将其所在位置的磁带强度转变为电信号,并传输给磁导航传感器的控制芯片,控制芯片通过数据转换就能够测出每个探测点所在位置的磁场强度。根据磁条的磁场特性和传感器采集到的磁场强度信息,AGV就能够确定磁条相对磁导航传感器的位置,如果在正确的行走位置,则按照目标任务继续前行,如果有偏差,则纠正偏差后继续前行。
这种作为行走路径的磁条铺设方式只适用于机器人有非常明确的目的地和固定的行走路路径的场合,机器人适合执行非常固定的任务,如工厂AGV、餐厅送餐机器人等,却不适合机器人移动目的地不明确或经常有变化、机器人的任务较复杂的场合,尤其是住宅、办公室、接待大厅、酒店客房、学校、会所等空间使用机器人时,机器人的位置状态会经常发生变化,因此的磁条路径导航方式已经不能满足要求。
本发明解决了服务机器人工作区域边界不确定性的问题,用双极性导航磁条铺设的闭环为机器人营造一个无障碍自由行动的区域,在该区域内,机器人可通过声源定位移动、惯性导航移动、遥控操作等方式进行移动,可不依赖地图,也不需要使用激光导航等精确定位系统,仅仅依靠机器人本体底部的霍尔传感器根据感知到的双极性导航磁条位置状态做出行动方向约束。极大地方便了使用机器人的用户,适合环境及设备相对固定的住宅、办公室、接待大厅、酒店客房、学校、会所等。
本发明采用的技术方案是,一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,这个方法是在平整地面铺设由N极向上和S极向上两种极性磁极及白色或彩色合成橡胶组成的压延磁条,该磁条沿机器人工作区域的外边界铺设并最终形成闭环,其中N极在内圈,S极在外圈。机器人本体底部的霍尔传感器根据感知到的双极性导航磁条位置状态判定机器人与工作区域的关系:区域内、区域外,并进行相应的移动操作,如机器人在区域内,则通过底盘控制保障机器人不超出磁条构成的闭环区域,如在区域外则引导机器人跨过磁条进入磁条构成的闭环区域内。
本发明的有益效果是,用双极性导航磁条铺设的闭环为机器人营造一个无障碍自由行动的区域,在该区域内,机器人可通过声源定位移动、惯性导航移动、遥控操作等方式进行移动,可不依赖地图,也不需要使用激光导航等精确定位系统,仅仅依靠机器人本体底部的霍尔传感器根据感知到的双极性导航磁条位置状态做出行动方向指引。极大地方便了使用机器人的用户,适合环境及设备相对固定的住宅、办公室、接待大厅、酒店客房、学校、会所等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是霍尔传感器工作原理图。
图2是双极性导航磁条结构图。
图3是机器人工作区域示意图。
图4是霍尔传感器组件示意图。
图5是霍尔传感器组件部署示意图。
图6是双极性导航磁条铺设示意图。
图中1. N极磁体,2.白色或彩色合成橡胶,3.S极磁体,4.双性导航磁条,5.服务机器人的工作区域,6.服务机器人的非工作区域,7.霍尔传感器组件,8.绿色指标灯,9.红色指标灯,10.地板,11.信号线,12.机器人外壳边缘,13.底盘轮子,14.机器人行动系统,15.下位机控制系统,16.临时标记,17.铺设标记。
具体实施方式
本发明由双极性导航磁条、霍尔传感器两种安装部件和机器人区域位置识别与行动系统组成。
在图2中,本发明的双极性导航磁条(4)由粘结铁氧体料粉与合成橡胶复合,经压延成型等工艺制作而成,是一种具有柔软性、弹性及可扭曲的条状磁体,双极性导航磁条(4)的正面有磁,背面裱强力双面胶。
本发明的双性导航磁条(4)的磁体正面向上的部位有两种极性:N极和S极,我们称为N极磁体(1)和S极磁体(3),两者经中间白色或彩色合成橡胶(2)进行连接并压延成型,为了便于标识区分磁体极性,N极磁体(1)和S极磁体(3)的压延宽度不一,其中N极磁体(1)的宽度为S极磁体(3)宽度的2倍,而起连接和两个极性磁体区分作用的白色或彩色合成橡胶(2)的宽度为S极磁体(3)的1倍。
双极性导航磁条(4)总宽度设计成四种不同的规格,以适应不同的场景空间,这四种规格分别是10mm、20mm、30mm、50mm,N极磁体(1)、S极磁体(2)、白色或彩色合成橡胶(2)的宽度及其适用的环境空间如下表。
表1双极性导航磁条的宽度及其适用的环境空间。
我们给出了四种明确的双极性导航磁条设计数据,并不意味着其它宽度不能达到设计要求,而是考虑材料加工尺寸的统一性。实际上,对于双极性导航磁条尺寸我们的核心的表述是:双极性导航磁条由N极磁体(1)、S极磁体(3)、白色或彩色合成橡胶(2)三部分压延成型,其中N极磁体(1)最宽,占据双极性导航磁条总宽度的50%,S极磁体(3)宽度应明显小于N极磁体(1),白色或彩色合成橡胶(2)在N极磁体(1)和S极磁体(3)中间,颜色与N极磁体(1)和S极磁体(3)有明显区分。
在图3中,双极性导航磁条(4)的特殊的双极性设计的目的是指示工作区域,本发明定义双极性导航磁条的N极磁体(1)侧为服务机器人工作区域(5),S极磁体(3)侧为服务机器人非工作区域(6)。由双极性导航磁条延伸连接组成一个闭环时,N极磁体(1)侧在闭环内圈,S极磁体(3)侧在闭环外圈,此时,由闭环内的面积是服务机器人的工作区域(5),闭环外的所有区域为服务机器人非工作区域(6),而双极性导航磁条组成的环带为工作区域(5)和非工作区域(6)的连接界面,是机器人工作区域的活动边界。
在图4中,要感知双极性导航磁条并分析其区域位置就需要在机器人底盘安装环带状分布的霍尔传感器组件(7),一个霍尔传感器组件(7)由10-20个霍尔传感器组成,具体数量与机器人底盘大小、底盘离地的最小间隙、地面铺设的双极性导航磁条的宽度有关,如底盘直径50cm,底盘离地间隙3cm,地面铺设的双极性磁条宽度为2cm,则霍尔传感器组件(7)的长度为2cm,间隔安装共12个霍尔传感器,其中6个识别N极的霍尔传感器,6个识别S极的霍尔传感器。识别N极磁体(1)的霍尔传感器与识别S极磁体(3)的霍尔传感器间隔分布,当识别N极磁体(1)的霍尔传感器感应到N极磁体(1)信号时,霍尔传感器亮绿色指标灯(8),当识别S极磁体(3)的霍尔传感器感应到S极磁体(3)信号时,霍尔传感器亮红色指标灯(9)。
在图5中,机器人底盘按特定的间隔角度(如示例中300间隔角度)安装12个霍尔传感器组件(7),这些组件与底盘有固定支撑点,并有信号线(11)与安装了机器人区域位置识别与行动系统(14)的机器人下位机控制系统(15)进行连接。每个霍尔传感器组件(7)离机器人外壳边缘(12)(外壳的底部边界)距离不能太大,最好在2cm内,以减少由于霍尔传感器组件部署位置与机器人底盘位置偏差导致机器人对工作区域的误判的出现机会。霍尔传感器组件(7)部署位置要与底盘轮子(13)错开,避免相互影响。根据机器人底盘大小、双极性导航磁条宽度、底盘离地间隙不同,上述间隔角度可设定为100、120、150、180、200、300、360、400、450、600等10个角度中的一种。
在图3、4、5中,以下机器人与工作区域位置关系判定方法,计算由安装在机器人本体的机器人区域位置识别与行动系统(15)进行,机器人可在任何时候采用其中的一种或多种方案判定是否处在服务机器人工作区域(5)内,或者如何进入服务机器人工作区域(5)。
一. 机器人移动过程中或者静止状态下,霍尔传感器全部为高电平,代表机器人未靠近双极性导航磁条(4)。只有两种可能,一是完全进入服务机器人工作区域(5),二是在完全在服务机器人非工作区域(6),机器人只要自主或由人发出移动控制指令,向某个方向一直移动,如果首先遇到任何障碍物(临时移动的物体导致的阻碍要排除在外),代表机器人在非工作区域(6),因为如果在工作区域内(5),是没有任何障碍物体的,双极性导航磁条(4)就要划定了一个机器人工作的安全区域。这种情况下需要由人协助操作,指引或控制机器人向工作区域移动,一旦接触到工作区域边界(双极性导航磁条(4)),就可交给机器人自主移动进入服务机器人工作区域(5)。如果机器人向某一个方向持续移动,接触到工作区域边界(双极性导航磁条(4)),则机器人在服务机器人工作区域内(5)。
表2 单个霍尔传感器低电平情况下机器人与工作区域位置关系判定方法与行动方案。
二. 机器人移动过程中,某一个霍尔传感器组件中的霍尔传感器出现低电平,机器人正在接近服务机器人工作区域内边界或外边界(靠近了双极性导航磁条(4)),这时机器人根据霍尔传感器组件(7)中霍尔传感器感应状态,判定机器人与工作区域的位置关系,并给出行动方案:要么远离内边界,要么越过外边界进入工作区域(如表2)。
三.机器人静止状态下,某一个霍尔传感器组件中的霍尔传感器在低电平状态,机器人正在接近工作区域内边界或外边界(靠近了双极性导航磁条(4)),这时机器人应沿霍尔传感器组件(7)与底盘中心连接构成的直线做一个移动操作(前进或后退),然后根据霍尔传感器组件(7)中霍尔传感器感应状态,判定机器人与工作区域的位置关系,并给出行动方案:要么远离内边界,要么越过外边界进入工作区域(如表2)。
四. 机器人静止状态下,某一个霍尔传感器组件中的霍尔传感器在低电平状态,机器人正在接近工作区域内边界或外边界(靠近了双极性导航磁条(4)),这时机器人应沿霍尔传感器组件(7)与底盘中心连接构成的直线做一个移动操作(前进或后退),然后根据霍尔传感器组件(7)中霍尔传感器感应状态,判定机器人与工作区域的位置关系,并给出行动方案:要么远离内边界,要么越过外边界进入工作区域。
表3 多个霍尔传感器低电平情况下机器人与工作区域位置关系判定方法与行动方案。
四. 机器人移动过程中,多个霍尔传感器组件(7)中的霍尔传感器出现低电平,机器人正大面积跨越在双极性导航磁条(4)上,这时机器人根据霍尔传感器组件(7)中霍尔传感器感应状态, 给出工作区域的大致方向,并给出行动方案:以某个方向完全进入工作区域(如表3)。
五. 机器人在静止状态下,多个霍尔传感器组件(7)中的霍尔传感器处在低电平,机器人正大面积跨越在双极性导航磁条(4)上,这时机器人应做任意一个方向的移动操作,然后根据霍尔传感器组件中霍尔传感器感应状态, 给出工作区域的大致方向,并给出行动方案:以某个方向完全进入工作区域(如表3)。
在图6中,首先测量并界定机器人的有效工作区域,这个工作区域应是从地面到略高于机器人高度的空间范围对机器人无阻碍,也就是由边界圈定的一个略高于机器人的立体空间。在获得这样的有效有工作区域后,先以粉笔或其它标识方法临时标记(16)边界线条。考虑到机器人底盘的磁导航传感器对准地面的双极性导航磁条(4)时,机器人的外壳的垂直投影区将超出有效工作区域,因此,变通方案就是把实际需要铺设的应用位置由临时标记()向工作区域内移动4cm,移动后形成为铺设标记(17)。将定制生产好的成卷的双极性导航磁条(4)以铺设标记(17)为中心线向工作区域方向内进行铺设,铺设时要确保N极磁体(1)侧在有效工作区域的一边,铺设达成闭环后剪掉多余的磁条,并指双极性导航磁条(4)压实以保证紧密粘贴在地面上。为避免机器人移动时陷入死角,双极性导航磁条(4)路线形成的弧度半径通常应不小于机器人底盘半径。
Claims (9)
1.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,这个方法是在平整地面铺设由N极向上和S极向上两种极性磁极及白色或彩色合成橡胶组成的压延磁条,该磁条沿机器人工作区域的外边界铺设并最终形成闭环,其中N极在内圈,S极在外圈;机器人本体底部的霍尔传感器根据感知到的双极性导航磁条位置状态判定机器人与工作区域的关系:区域内、区域外,并进行相应的移动操作,如机器人在区域内,则通过底盘控制保障机器人不超出磁条构成的闭环区域,如在区域外则引导机器人跨过磁条进入磁条构成的闭环区域内。
2.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,其特征是:相关产品由双极性导航磁条、霍尔传感器两种安装部件和机器人区域位置识别与行动系统组成。
3.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,其特征是:双极性导航磁条由N极磁体、S极磁体、白色或彩色合成橡胶三部分压延成型。
4.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,其特征是:N极磁体最宽,占据双极性导航磁条总宽度的50%,S极磁体宽度应明显小于N极磁体,白色或彩色合成橡胶在N极磁体和S极磁体中间,颜色与N极磁体和S极磁体有明显区分。
5.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,其特征是:N极磁体靠近活动边界边界闭环内圈,S极磁体作为边界闭环外圈。
6.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,其特征是:由闭环内的面积是服务机器人的工作区域,闭环外的所有区域为非工作区域,而双极性导航磁条组成的环带为工作区域和非工作区域的连接界面,是机器人工作区域的活动边界。
7.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,其特征是:机器人底盘安装环带状分布的霍尔传感器组件,一个霍尔传感器组件由10-20个霍尔传感器组成,具体数量与机器人底盘大小、底盘离地的最小间隙、地面铺设的双极性磁条的宽度有关。
8.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,其特征是:机器人底盘按特定的间隔角度安装12个霍尔传感器组件,这些组件与底盘有固定支撑点,并有信号线与安装了机器人区域位置识别与行动系统的机器人下位机控制系统进行连接。
9.本发明涉及一种通过双极性导航磁条设定机器人活动边界的方法,其特征是:机器人本体底部的霍尔传感器根据感知到的双极性导航磁条位置状态判定机器人与工作区域的关系:区域内、区域外,交由安装在机器人本体的机器人区域位置识别与行动系统进行并进行相应的移动操作,如机器人在区域内,则通过底盘控制保障机器人不超出磁条构成的闭环区域,如在区域外则引导机器人跨过磁条进入磁条构成的闭环区域内。
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