CN108000561A - 智能机器人及其的防撞防跌装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能机器人及其防撞防跌装置，智能机器人的主体外部设置有壳体；该防撞防跌装置包括运动组件、超声波避障模块和红外防跌模块运动组件；运动组件包括与智能机器人的主体连接的底盘、设置在底盘上控制驱动电机和转向电机转动的控制单元；超声波避障模块，包括多组设置在壳体上、探测方向分别朝向智能机器人四周的超声波探测单元；红外防跌模块，包括多组探测方向竖直向下的红外探测单元，本发明通过在智能机器人的四周设置多组超声波探测单元，以及在智能机器人的底部设置多组向下探测的红外探测单元来探测智能机器人的行驶路径上的路面情况，再由控制单元控制机器人运动，远离障碍物和较差的路面，提高智能机器人对环境的适应能力。

Description

智能机器人及其的防撞防跌装置

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种智能机器人及其防撞防跌装置。

背景技术

随着科学技术的发展，大量的智能机器人被设计和制造出来并应用于社会的生产和生活中，以提高社会生产力和提升人们的生活品质。一般带有运动能力的机器人在运动过程中，可会遇到不同的地形和路面条件，如斜坡、台阶、坑洼、障碍物等。由此机器人需要在运动过程中对不同的路面及地形条件进行探测，使其能通过或者绕开障碍到达目的点。现有技术中，机器人的避障主要通过超声波探测技术来测量其运动方向前后是否存在障碍物，但是对于地面情况的探测能力、以及机器人两侧的探测能力有限，环境的适应能力较低。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种智能机器人及其撞防跌装置，以解决现有的智能机器人对于地面情况的探测能力、以及两侧的探测能力较弱，环境的适应能力较低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种智能机器人的防撞防跌装置，所述智能机器人的主体外部设置有壳体，该智能机器人的防撞防跌装置，包括设置在所述智能机器人底部的运动组件、超声波避障模块、红外防跌模块；所述运动组件包括与所述智能机器人的主体连接的底盘、设置在所述底盘上的驱动电机和转向电机、设置在所述驱动电机和转向电机主轴上的轮组、控制所述驱动电机和转向电机转动的控制单元；所述超声波避障模块，包括多组设置在所述壳体上、且探测方向分别朝向智能机器人四周的超声波探测单元；所述红外防跌模块，包括多组设置在所述底盘底部、且探测方向竖直向下的红外探测单元；所述超声波避障模块与所述红外防跌模块分别与控制单元连接。

优选地，所述智能机器人的防撞防跌装置还包括与所述控制单元连接的倾角传感器，用于检测智能机器人在不同的地面条件下的水平倾角。

优选地，所述智能机器人的防撞防跌装置还包括设置在所述智能机器人四周的红外感应单元，用于感应用户或宠物与智能机器人之间的距离，避免智能机器人被宠物或用户撞倒。

优选地，所述智能机器人的防撞防跌装置还包括与所述控制单元连接的摄像模块，包括用于获取普通影像的主摄像单元，以及与所述主摄像单元连接的图像分析单元。

优选地，所述摄像模块还包括用于测量视觉范围内的景物深度信息和轮廓信息的深度摄像单元。

优选地，所述深度摄像单元包括相互连接的激光发射器、激光接收器和测算芯片；所述激光发射器用于向测量范围内发射激光，所述激光接收器元用于接收反射的激光，所述测算芯片用于测算所述景物深度信息和轮廓信息。

优选地，所述智能机器人的防撞防跌装置还包括与控制单元连接的定位模块，所述定位模块还包括IMU单元，用与测量智能机器人的速度与位移信息。

优选地，所述定位模块还包括蓝牙定位单元。

优选地，所述智能机器人的防撞防跌装置还包括设置在所述智能机器人背部的急停模块，所述急停模块用于切断所述运动组件的供电。

本发明还提出一种智能机器人，包括上述的智能机器人的防撞防跌装置，所述智能机器人的主体外部设置有壳体，所述智能机器人的防撞防跌装置包括设置在所述智能机器人底部的运动组件、超声波避障模块、红外防跌模块；所述运动组件包括与所述智能机器人的主体连接的底盘、设置在所述底盘上的驱动电机和转向电机、设置在所述驱动电机和转向电机主轴上的轮组、控制所述驱动电机和转向电机转动的控制单元；所述超声波避障模块，包括多组设置在所述壳体上、且探测方向分别朝向智能机器人四周的超声波探测单元；所述红外防跌模块，包括多组设置在所述底盘底部、且探测方向竖直向下的红外探测单元；所述超声波避障模块与所述红外防跌模块分别与控制单元连接。

本发明通过在智能机器人的四周设置多组的超声波探测单元，来探测机身与其他物体的距离，以及在智能机器人的底部的四周设置多组向下探测的红外探测单元来探测智能机器人的行驶路径上的路面情况，再由控制单元控制机器人运动，远离障碍物和较差的路面。且设置多组探测单元可减小探测盲区实现避障防跌功能，提高智能机器人对环境的适应能力。

附图说明

图1为本发明智能机器人及其防撞防跌装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明智能机器人及其防撞防跌装置又一实施例的结构示意图；

图3为本发明智能机器人及其防撞防跌装置另一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	运动组件	110	驱动电机
120	转向电机	130	控制单元
				200	超声波避障模块	210	超声波探测单元
300	红外防跌模块	310	红外探测单元
				400	倾角传感器	500	红外感应单元
600	摄像模块	610	主摄像单元
				620	图像分析单元	630	深度摄像单元
631	激光发射器	632	激光接收器
				633	测算芯片	700	急停模块
800	定位模块	810	IMU单元
				820	蓝牙定位单元	900	壳体

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种智能机器人的防撞防跌装置，参照图1至图3，智能机器人的主体外部设置有壳体900，该智能机器人的防撞防跌装置包括设置在智能机器人底部的运动组件100、超声波避障模块200和红外防跌模块300；运动组件100包括与智能机器人的主体连接的底盘、设置在底盘上的驱动电机110和转向电机120、设置在驱动电机110和转向电机120主轴上的轮组、控制驱动电机110和转向电机120转动的控制单元130；超声波避障模块200，包括多组设置在壳体900上、且探测方向分别朝向智能机器人四周的超声波探测单元210；红外防跌模块300，包括多组设置在底盘底部、且探测方向竖直向下的红外探测单元310；超声波避障模块200与红外防跌模块300分别与控制单元130连接。

在本发明实施例中，超声波避障模块200设置在壳体900的下部。为减小探测盲区，获得更大的探测范围，超声波避障模块200分为前后两组共6个超声波探测单元210，分别指向机器人的正前方、斜前两侧、正后方、斜后两侧。超声波探测单元210包括超声波发射器，可通过晶振发射超声波探测信号，并由超声波接收器接收到探测信号的反射信号，超声波探测单元210中的超声波信号处理芯片记录下探测信号的发射时间和反射信号的接收时间，由其中的时间差计算出智能机器人与附近物体和用户的方位和距离。当距离小于机器人系统中预设的安全距离时，控制器可控制驱动电机110停转或者驱动转弯电机进行转弯规避以绕过障碍物。此外智能机器人还可根据超声波探测单元210根据三角函数关系探测到的其运动空间中其他物体的位置，确认其运动路径，避免与其他物体发生碰撞。值得注意的是，各超声波探测单元210发射的超声波的频率不相同，确保各方向上超声波探测单元210所探测的结果不发生混乱，提高探测结果的准确性。

在本发明实施例中，红外防跌模块300包括设置在底盘靠近边缘处的四个红外探测单元310，其探测方向垂直向下。红外探测单元310红外发射器和红外接收器，红外发射器可发出红外光线。红外防跌模块300中的红外信号处理芯片可通过红外线的发射和接收之间的时间差可计算出底盘与地面的高度。由于底盘与平整地面之间的高度约为30mm，智能机器人的系统中高度的预设值在10～50mm之间(安全高度)，当探测到障碍物的顶端与底盘的距离小于10mm，即障碍物的高度超过20mm时，智能机器人选择绕过该障碍物，避免与底盘发生擦碰。当智能机器人遇到下坡、阶梯或者坑洼地面，当任何一个红外探测单元310探测到底盘具地面的高度超过50mm时，智能机器人容易发生倾覆，在遇到上述情况，主控模块可控制智能机器人进行避障或绕道而行。

本发明通过在智能机器人的四周设置多组的超声波探测单元210，来探测机身与其他物体的距离，以及在智能机器人的底部的四周设置多组向下探测的红外探测单元310来探测智能机器人的行驶路径上的路面情况，再由控制单元130控制机器人运动，远离障碍物和较差的路面。且设置多组探测单元可减小探测盲区实现避障防跌功能，提高智能机器人对环境的适应能力。

在本发明又一实施例中，参照图1，智能机器人的防撞防跌装置还包括与控制单元130连接的倾角传感器400，用于检测智能机器人在不同的地面条件下的水平倾角。倾角传感器400一般分为电感式和电容式。电感式水平仪其测量原理为，当水平仪的基座发生倾斜时，其内部摆锤因移动所造成感应线圈的电压变化。电容式水平仪其测量原理为一圆形摆锤自由悬挂在细在线，摆锤受地心重力所影响，且悬浮于无摩擦状况。摆锤的两边均设有电极且间隙相同时电容量是相等，若水平仪受待测工件所影响而造成，两间隙不同距离改变即产生电容不同，形成角度的差异。在本实施例中，倾角传感器400可选以上任意一种，并将其设置在底盘上与底盘平行，当底盘处于水平地面时，倾角传感器400的测量角度为0。可用于测量智能机器人在不同的路面条件下，底盘与水平面的夹角。

由于智能机器人的高度一般控制在600mm～1200mm之间，其重心较高，静止状态下在30度的斜坡就会发生倾倒，考虑到智能机器人在运动过程中的惯性及加速度，系统的内设安全倾角为25度。智能机器人的在运动过程中，超声波避障模块200和红外防跌模块300的测量数据作为第一优先级，倾角传感器400的测量数据作为第二优先级，当智能机器人在上下坡的时候，倾角传感器400测量到底盘的倾角数据超过25度，控制单元130则控制智能机器人朝相反的运动方向运动，以避免继续上下坡发生倾覆。

本实施例中，通过设置倾角传感器400可获取智能机器人在上下坡时的倾斜角度，以确保不会发生倾覆，提高智能机器人的运动安全性。

在本发明的再一实施例中，参照图1，智能机器人的防撞防跌装置，还包括设置在智能机器人四周的红外感应单元500，用于感应用户或宠物与智能机器人之间的距离，避免智能机器人被宠物或用户撞倒。在本实时例中，红外感应单元500，设置在机器人前后左右四方，用于弥补超声波传感器对于运动的宠物或这用户的探测能力的不足。红外感应单元500，优选红外感应器，可感应到一定范围内宠物或用户自身发热产生的红外光。特别是设置在智能机器人身体两侧的红外感应器，位于超声波防撞模块的探测盲区，当家中的宠物正对智能机器人的侧面快速冲过时，其运动速度过快，容易撞倒智能机器人，控制单元130可控制智能机器人沿着垂直于宠物的运动方向运动，以避免被撞倒。当宠物和用户过于靠近智能机器人时，控制单元130同样控制智能机器人运动以保持一定的安全距离，防止被撞倒。

在本发明的一较佳实施例中，参照图1，智能机器人的防撞防跌装置还包括与控制单元130连接的摄像模块600，包括用于获取普通影像的主摄像单元610，以及与主摄像单元610连接的图像分析单元620。在本实施例中，主摄像单元610包括一颗超高清的4K摄像头，可获取机智能机器人所处空间中的影像信息。图像分析单元620可对获取的影像信息进行分析，识别影像中的物品、用户及宠物，同时也可将超声波避障模块200和红外防跌模块300等探测到的不利于智能机器人运动的地形、路面情况和事件场景进行记录，以便遇到第二次遇到相同地形或场景时进行主动规避。本实施例中通过设置摄像模块600可获取环境中的影像信息，提高了智能机器人的视觉能力，增强了环境适应能力。

在本发明的再一实施例中，参照图1，摄像模块600还包括用于测量视觉范围内的景物深度信息和轮廓信息的深度摄像单元630。在本实施例中摄像模块600包括深度摄像单元630，该深度摄像单元630主要使用单目结构光技术，用于获取待视野中环境的深度数据，并构建3D深度图像，具有较远的识别距离。此外深度摄像单元630还可采用双眼定位技术，即模仿人的两眼进行测距技术，包括两个并排设置的RGB摄像头，根据两RGB摄像头拍摄的图像数据中待测物体的角度差异计算出实际距离，具有测量精度高的特点。深度摄像单元630也可采用飞行时间技术也能够实时快速的计算深度信息，进行准确的三维探测，在体感应用上非常好。在本实施例中，通过设置包含深度摄像单元630和主摄像单元610的摄像模块600，使机器人的头部具备空间探测能力。

在本发明的另一实施例中，参照图1，深度摄像单元630包括相互连接的激光发射器631、激光接收器632和测算芯片633；激光发射器631用于向测量范围内发射激光，激光接收器632元用于接收反射的激光，测算芯片633用于测算景物深度信息和轮廓信息。在本实施例中，摄像模块600包括深度摄像单元630，深度摄像单元630包括相互连接的激光发射器631、激光接收器632和测算芯片633；激光发射器631用于向测量范围内发射激光，激光接收器632元用于接收反射的激光，测算芯片633用于测算景物深度信息和轮廓信息。在本实施例中，深度摄像单元630包括相互连接的激光发射器631、激光接收器632和测算芯片633。激光发射器631产生一张红外激光编码图，照射在空间中，使得空间中的物体被加上标记，由于散斑具有高度的随机性，因此空间中任何两处的散斑都会是不同的图案。激光接收器632在截取空间中的激光影像后，把影像交给测算芯片633进行计算，算出深度图。把这个技术放到客厅这样的场景中，深度摄像单元630通过激光发射器631发出有编码的红外激光，激光打到监测场景内的物体上之后，场景被这种不可见的已编码的红外激光给标记，而后激光接收器632(CMOS感应器)接收到返回来的红外激光，并把接收到的信息交给测算芯片633进行处理，以获取环境中的3D地图。

本实施例中，通过设置深度摄像单元630可更加准确得获得深度的空间数据，提高了智能机器人的空间探测能力，机器人可根据深度摄像单元630获取家中的3D地图，使机器人在运动过程中更加灵活。

在本发明又一实施例中，参照图1，智能机器人的防撞防跌装置，还包括与控制单元130连接的定位模块800，定位模块800还包括IMU单元810，用与测量智能机器人的速度与位移信息。在本实施例中，IMU单元810包括陀螺仪、速度传感器等，可测量智能机器人没个时刻的运动速度(包括运动方向)，由此可通过积分获得智能机器人在各个时段的位移量，从而用于定位机器人的位置。此外还可结合3D地图及超声波避障模块200、红外防跌模块300的探测数据，获得更加精确的数据，提高了3D地图的分辨率。确保智能机器人在路线规划时能主动规避不良因素，获取最佳路径。如遇到台阶或坡度可提前减速并进行规避。

在本发明又一实施例中，参照图1，定位模块800还包括蓝牙定位单元820。在本实施例中，蓝牙定位单元820设置在智能机器人内部，并与外部的beacon设备通信。蓝牙定位单元820基于三角定位算法，获取beacon设备的信号强度，再通过辅助算法来计算出当前位置。实际运用中，蓝牙定位单元820主要用于低精度的定位，智能机器人可根据蓝牙定位单元820，定位其所在的空间位置(不同房间和楼层)调用不同的3D地图和在本空间中的其他数据，以降低智能机器人的数据处理量。还可根据所处空间，使行为模式与环境所适应，如在卧室和书房里智能机器人主动降低输出音量，降低灯光强度等，避免打扰用户休息和学习。

在本发明的再一实施例中，参照图1，智能机器人的防撞防跌装置，还包括设置在机器人背部的急停模块700，急停模块700用于切断运动组件100的供电。在本实施例中，急停模块700设置在运动模块与智能机器人内部电源之间，包括急停开关，当智能机器人出现故障，或者遇到一些不能处理的突发情况时，可通过按下急停开关切断运动组件100的供电，使机器人停止运动，以便进行维修或者人工处理。

本发明还提出一种智能机器人，参照图1至图3，包括智能机器人的防撞防跌装置。智能机器人的主体外部设置有壳体900，该智能机器人的防撞防跌装置，包括设置在智能机器人底部的运动组件100、超声波避障模块200和红外防跌模块300；运动组件100包括与智能机器人的主体连接的底盘、设置在底盘上的驱动电机110和转向电机120、设置在驱动电机110和转向电机120主轴上的轮组、控制驱动电机110和转向电机120转动的控制单元130；超声波避障模块200，包括多组设置在壳体900上、且探测方向分别朝向智能机器人四周的超声波探测单元210；红外防跌模块300，包括多组设置在底盘底部、且探测方向竖直向下的红外探测单元310；超声波避障模块200与红外防跌模块300分别与控制单元130连接。

在本发明实施例中，超声波避障模块200设置在壳体900的下部，为减小探测盲区，获得更大的探测范围。超声波避障模块200分为前后两组共6个超声波探测单元210，分别指向机器人的正前方、斜前两侧、正后方、斜后两侧。超声波探测单元210包括超声波发射器，可通过晶振发射超声波探测信号，并由超声波接收器接收到探测信号的反射信号，超声波探测单元210中的超声波信号处理芯片记录下探测信号的发射时间和反射信号的接收时间，由其中的时间差计算出智能机器人与附近物体和用户的方位和距离。当距离小于机器人系统中预设的安全距离时，控制器可控制驱动电机110停转或者驱动转弯电机进行转弯规避以绕过障碍物。此外智能机器人还可根据超声波探测单元210根据三角函数关系探测到的其运动空间中其他物体的位置，确认其运动路径，避免与其他物体发生碰撞。值得注意的是，各超声波探测单元210发射的超声波的频率不相同，确保各方向上超声波探测单元210所探测的结果不发生混乱，提高探测结果的准确性。

在本发明实施例中，红外防跌模块300包括设置在底盘靠近边缘处的四个红外探测单元310，其探测方向垂直向下。红外探测单元310红外发射器和红外接收器，红外发射器可发出红外光线。红外防跌模块300中的红外信号处理芯片可通过红外线的发射和接收之间的时间差可计算出底盘与地面的高度。由于底盘与平整地面之间的高度约为30mm，在智能机器人的系统中高度的预设值在10～mm之间(安全高度)，当探测到障碍物的顶端与底盘的距离小于10mm，即障碍物的高度超过20mm时，智能机器人选择绕过该障碍物，避免与底盘发生擦碰。当智能机器人遇到下坡、阶梯或者坑洼地面，当任何一个红外探测单元310探测到底盘具地面的高度超过mm时，智能机器人容易发生倾覆，在遇到上述情况，主控模块可控制智能机器人进行避障或绕道而行。

本发明通过在智能机器人的四周设置多组的超声波探测单元210，来探测机身与其他物体的距离，以及在智能机器人的底部的四周设置多组向下探测的红外探测单元310来探测智能机器人的行驶路径上的路面情况，再由控制单元130控制机器人运动，远离障碍物和较差的路面。且设置多组探测单元可减小探测盲区实现避障防跌功能，提高智能机器人对环境的适应能力。

以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种智能机器人的防撞防跌装置，所述智能机器人的主体外部设置有壳体，其特征在于，包括设置在所述智能机器人底部的运动组件、超声波避障模块、红外防跌模块；

所述运动组件，包括与所述智能机器人的主体连接的底盘、设置在所述底盘上的驱动电机和转向电机、设置在所述驱动电机和转向电机主轴上的轮组、控制所述驱动电机和转向电机转动的控制单元；

所述超声波避障模块，包括多组设置在所述壳体上、且探测方向分别朝向智能机器人四周的超声波探测单元；

所述红外防跌模块，包括多组设置在所述底盘底部、且探测方向竖直向下的红外探测单元；

所述超声波避障模块与所述红外防跌模块分别与控制单元连接。

2.如权利要求1所述的智能机器人的防撞防跌装置，其特征在于，还包括与所述控制单元连接的倾角传感器，用于检测智能机器人在不同的地面条件下的水平倾角。

3.如权利要求2所述的智能机器人的防撞防跌装置，其特征在于，还包括设置在所述智能机器人四周的红外感应单元，用于感应用户或宠物与智能机器人之间的距离，避免智能机器人被宠物或用户撞倒。

4.如权利要求3所述的智能机器人的防撞防跌装置，其特征在于，还包括与所述控制单元连接的摄像模块，所述摄像模块包括用于获取普通影像的主摄像单元，以及与所述主摄像单元连接的图像分析单元。

5.如权利要求4所述的智能机器人的防撞防跌装置，其特征在于，所述摄像模块还包括用于测量视觉范围内的景物深度信息和轮廓信息的深度摄像单元。

6.如权利要求5所述的智能机器人的防撞防跌装置，其特征在于，所述深度摄像单元包括相互连接的激光发射器、激光接收器和测算芯片；所述激光发射器用于向测量范围内发射激光，所述激光接收器元用于接收反射的激光，所述测算芯片用于测算所述景物深度信息和轮廓信息。

7.如权利要求6所述的智能机器人的防撞防跌装置，其特征在于，还包括与控制单元连接的定位模块，所述定位模块还包括IMU单元，用与测量智能机器人的速度与位移信息。

8.如权利要求7所述的智能机器人的防撞防跌装置，其特征在于，所述定位模块还包括蓝牙定位单元。

9.如权利要求1至8中任一项所述的智能机器人的防撞防跌装置，其特征在于，还包括设置在所述机器人背部的急停模块，所述急停模块用于切断所述运动组件的供电。

10.一种智能机器人，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的智能机器人的防撞防跌装置。