CN110978063A - 一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法和装置 - Google Patents

一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法和装置，其基本思路是：将一个拉线式牵引器水平安装于移动机器人上，拉线式牵引器中的牵引线出线口朝向正前方，通过牵引线将目标和移动机器人相连接，在目标运动时，利用安装于拉线式牵引器内的拉线式位移传感器测得目标与移动机器人的相对距离，利用安装于拉线式牵引器内的角度传感器测得牵引线基座与目标的相对角度，包括方位角和俯仰角，从而完成目标相对于移动机器人相对位置的估计，以引导移动机器人跟随目标行驶。本发明可以实现在全天候、全天时以及复杂电磁环境中移动机器人的自动跟随。

Description

一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法和装置
技术领域
本发明属于移动机器人领域，具体涉及一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法和装置。
背景技术
自动跟随目标行驶是一种移动机器人典型的应用方式，可以广泛应用在货物分拣、物资保障、清扫保洁等场景。移动机器人实现自动跟随目标行驶的关键是获取目标的相对位置，甚至速度和加速度等信息。目前获取目标位置等信息的手段主要有基于视觉、雷达、无线信号等的方案。
申请号为2016109126502的专利申请提出了一种基于视觉传感器采集行李箱主人相对行李箱的环境信息，通过数据处理模块识别出行李箱主人，得到行李箱主人相对行李箱的坐标位置。申请号为201310541245.0的专利申请提出了一种移动载体以及使用该移动载体的自动跟随系统，该移动载体可通过图像传感技术获取引导光源的图像，并根据所述引导光源的成像特征进行追踪。此类方法基于视觉传感器检测特定的目标或目标携带的光源、图案等，优点是跟随物与被跟随物之间没有物理连接，直接基于视觉检测被跟随物的方案可以实现无源跟随，即被跟随物上可以不用携带任何配合设备，缺点是容易受到不良光照的影响，在逆光、微光等不良条件下容易造成目标丢失。
申请号为2017104558400的专利申请提出了一种基于ROS机器人操作系统的机器人自动跟随方法，该方法是使用激光雷达采集数据，对数据进行预处理，使用层次聚类算法对数据进行聚类，以行人双腿模型作为行人识别特征，以双腿中间位置代表行人位置。此类方法基于雷达点云数据检测目标位置信息，优点是可实现无源跟随，被跟随物无需携带任何配合设备，且可在夜间等微光甚至无光环境中使用；缺点是在扬尘、雨雪环境中激光雷达数据会产生较大噪声，影响对被跟随目标的检测，此外，目前激光雷达方案价格昂贵。
申请号为2017101571634的专利申请提出了一种基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法，通过无线电与位于看护人员身上的信号发射装置建立连接进行匹配，解析无线电信号的强度，根据信号强度与距离间的关系，得到看护人员与轮椅的相对定位。申请号为201410092270.X的专利申请提出了一种基于无线信号强度的目标跟随方法，被跟随物上的无线发射信标每隔一段时间发出无线信号，跟随物每次接收到所述无线信号时，根据接收到的信号强度，计算跟随物与被跟随物的位置关系，记录每次接收到所述信号的时间，多次测量形成待跟随路线，然后可控制跟随物按照跟随路线移动。此类方法的优点是采用无线方式确定被跟随物位置，两者之间无需物理连接；缺点是需要在被跟随物上携带有源的信号发射器，实际应用时需要考虑信号发射器的供电问题，同时由于载体是无线电，容易受电磁干扰影响。
综上所述，基于视觉、雷达、无线信号的自动跟随方案难以在不良光照、天气条件以及复杂电磁环境中实现移动机器人稳定可靠的自动跟随行驶。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法和装置，它能用于室内机器人、无人车等移动机器人在不良光照、天气条件以及复杂电磁环境中自动跟随目标行驶。该发明利用拉线式牵引器来实现，将一个拉线式牵引器水平安装于移动机器人上，拉线式牵引器中的牵引线出线口朝向正前方，通过牵引线将目标和移动机器人相连接，在目标运动时，利用安装于拉线式牵引器内的拉线式位移传感器测得目标与移动机器人的相对距离，利用安装于拉线式牵引器内的角度传感器测得牵引线基座与目标的相对角度，包括方位角和俯仰角，从而完成目标相对于移动机器人相对位置的估计，以引导移动机器人跟随目标行驶。
当被跟随目标和移动机器人在同一个二维平面上时，该拉线式牵引器可以测量被跟随目标的二维坐标，包括拉线式位移传感器、牵引线水平限位器和水平摆动关节。拉线式位移传感器包括基座、绕线装置、牵引线和牵引线位移传感器，牵引线可拉出一定长度，并可通过绕线装置自动回收，通过牵引线位移传感器可以测量牵引线拉出长度。
牵引线水平限位器包括基座和两个垂直导线辊子；牵引线水平限位器基座与拉线式位移传感器基座固连，牵引线从牵引线水平限位器基座与拉线式位移传感器基座的接触面中心孔穿过；两个垂直导线辊子平行安装于基座内，辊子两端通过轴承与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出。
水平摆动关节包括基座、两个水平导线辊子、两个垂直导线辊子和角度传感器。摆动关节基座通过轴承与牵引线水平限位器的导向器基座连接，摆动关节基座可通过轴承绕摆动中心轴水平摆动；两个水平导线辊子平行安装于基座内，辊子两端通过轴承与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线垂直活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；两个垂直导线辊子紧邻两个水平导线辊子之后、平行安装于基座内，辊子两端通过轴承与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；角度传感器通过联轴或共轴方式与摆动关节基座的摆动中心轴连接，可以测量出摆动关节水平摆动的角度，即方位角。
拉线式牵引器水平安装于移动机器人上，牵引线出线口朝向正前方，被跟随目标拉取牵引线以引导移动机器人跟随被跟随目标运动，当被跟随目标不在牵引器正前方时，牵引线通过牵引线水平限位器的导向，将拉动水平摆动关节在水平面内进行摆动，依据牵引线拉出长度可得到被跟随目标的距离，依据水平摆动关节的水平摆动角度可得到被跟随目标的方位角，从而可得到被跟随目标的相对位置关系。
当目标和移动机器人不一定在同一个平面上时，该拉线式牵引器可以测量被跟随目标的三维坐标，包括拉线式位移传感器、牵引线垂直限位器、垂直摆动关节和水平摆动关节。拉线式位移传感器包括基座、绕线装置、牵引线和牵引线位移传感器，牵引线可拉出一定长度，并可通过绕线装置自动回收，通过牵引线位移传感器可以测量牵引线拉出长度。
牵引线垂直限位器包括基座和两个水平导线辊子；牵引线垂直限位器基座与拉线式位移传感器基座固连，牵引线从牵引线垂直限位器基座与拉线式位移传感器基座的接触面中心孔穿过；两个水平导线辊子平行安装于基座内，辊子两端通过轴承与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线垂直方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出。
垂直摆动关节包括基座、两个垂直导线辊子和角度传感器；垂直摆动关节基座通过轴承与牵引线垂直限位器基座连接，垂直摆动关节基座可通过轴承绕摆动中心轴垂直摆动；两个垂直导线辊子平行安装于基座内，辊子两端通过轴承与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；角度传感器通过联轴或共轴方式与垂直摆动关节基座的摆动中心轴连接，可以测量出垂直摆动关节的垂直摆动角度，即垂直摆动关节的俯仰角，也即目标俯仰角。
水平摆动关节包括基座、两个水平导线辊子、两个垂直导线辊子和角度传感器；水平摆动关节基座通过轴承与垂直摆动关节基座连接，水平摆动关节基座可通过轴承绕摆动中心轴水平摆动；两个水平导线辊子平行安装于基座内，辊子两端通过轴承与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线垂直活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；两个垂直导线辊子紧邻两个水平导线辊子之后、平行安装于基座内，辊子两端通过轴承与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；角度传感器通过联轴或共轴方式与摆动关节基座的摆动中心轴连接，可以测量出水平摆动关节的水平摆动角度，即水平摆动关节的方位角，也即目标方位角。
该拉线式牵引器水平安装于移动机器人上，牵引线出线口朝向正前方，被跟随目标拉取牵引线以引导移动机器人跟随被跟随目标运动，当被跟随目标不在牵引器正前方、不与牵引器在同一高度时，牵引线通过牵引线垂直限位器的导向，将拉动垂直摆动关节、水平摆动关节分别在垂直面、水平面内进行摆动，依据牵引线拉出长度可得到被跟随目标的距离，依据垂直摆动关节的垂直摆动角度、水平摆动关节的水平摆动角度可分别得到被跟随目标的俯仰角和方位角，从而可得到被跟随目标的相对位置关系。
综上所述，本发明公开了一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法，该方法将一个拉线式牵引器水平安装于移动机器人上，拉线式牵引器中的牵引线出线口朝向正前方，通过牵引线将目标和移动机器人相连接，在目标运动时，利用安装于拉线式牵引器内的拉线式位移传感器测得目标与移动机器人的相对距离，利用安装于拉线式牵引器内的角度传感器测得拉线式牵引器与目标的相对角度，包括方位角和俯仰角，从而完成目标相对于移动机器人相对位置的估计，以引导移动机器人跟随目标行驶。
在二维情况下，即移动机器人和目标在一个平面上时，该方法中的拉线式牵引器1，包括拉线式位移传感器10、牵引线水平限位器11和水平摆动关节12；拉线式位移传感器10包括基座101、绕线装置102、牵引线100和牵引线位移传感器103，牵引线100可拉出一定长度，并可通过绕线装置自动回收，通过牵引线位移传感器103测量牵引线拉出长度；牵引线水平限位器11包括基座111和两个垂直导线辊子，112和113，牵引线水平限位器基座111与拉线式位移传感器基座101固连，利用其所包含的两个垂直导线辊子，112和113，限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；水平摆动关节12包括基座121、两个水平导线辊子(124和125)、两个垂直导线辊子(122和123)和角度传感器126，水平摆动关节基座121通过轴承与牵引线水平限位器的基座111连接，摆动关节基座121可通过轴承绕摆动中心轴12100水平摆动，摆动关节12利用其所包含的两个水平导线辊子(124和125)和两个垂直导线辊子(122和123)，分别限定牵引线在垂直方向和水平方向的活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出，摆动关节12所包含的角度传感器126通过联轴或共轴方式与摆动关节基座121的摆动中心轴12100连接，测量出摆动关节12水平摆动的方位角。由牵引线位移传感器测量得到牵引线拉出长度L1、由角度传感器测量得到水平摆动关节的方位角α1，水平摆动关节的长度为L12，被跟随目标相对牵引器的相对坐标计算方法为：x1＝(L12+L1)·sinα1，y1＝(L12+L1)·cosα1。
在三维情况下，即目标与移动机器人不在一个平面上时，拉线式牵引器2包括拉线式位移传感器20、牵引线垂直限位器21、垂直摆动关节22和水平摆动关节23；拉线式位移传感器20包括基座201、绕线装置202、牵引线200和牵引线位移传感器203，牵引线200可拉出一定长度，并可通过绕线装置202自动回收，通过牵引线位移传感器203测量牵引线拉出长度；牵引线垂直限位器21包括基座211和两个水平导线辊子(212和213)，牵引线垂直限位器基座211与拉线式位移传感器基座201固连，利用其所包含的两个水平导线辊子(212和213)，限制牵引线垂直方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；垂直摆动关节22包括基座221、两个垂直导线辊子(222和223)和角度传感器224，垂直摆动关节基座221通过轴承(2110和2111)与牵引线垂直限位器基座211连接，垂直摆动关节基座221可通过轴承绕摆动中心轴22100垂直摆动，利用其所包含的两个垂直导线辊子(222和223)，限定牵引线在水平方向的活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出，垂直摆动关节22所包含的角度传感器224通过联轴或共轴方式与垂直摆动关节基座221的摆动中心轴22100连接，测量出垂直摆动关节22垂直摆动的俯仰角；水平摆动关节23包括基座231、两个水平导线辊子(234和235)、两个垂直导线辊子(232和233)和角度传感器236，水平摆动关节基座231通过轴承(2210和2211)与垂直摆动关节基座221连接，水平摆动关节基座231可通过轴承绕摆动中心轴23100水平摆动，水平摆动关节23利用其所包含的两个水平导线辊子(234和235)和两个垂直导线辊子(232和233)，分别限定牵引线200在垂直方向和水平方向的活动空间，同时保证牵引线200的顺滑进出，水平摆动关节23所包含的角度传感器236通过联轴或共轴方式与摆动关节基座的摆动中心轴23100连接，测量出水平摆动关节23水平摆动的方位角。由牵引线位移传感器203测量得到牵引线拉出长度L2、由角度传感器224测量得到垂直摆动关节22的俯仰角α2，由角度传感器236测量得到的水平摆动关节23的方位角为β2，垂直摆动关节22的长度为L22，水平摆动关节23的长度为L23，被跟随目标相对牵引器的相对坐标计算方法为：x2＝(L23+L2)·sinβ2，y2＝(L22+(L23+L2)·cosβ2)·cosα2，z2＝(L22+(L23+L2)·cosβ2)·sinα2。
本发明还公开了一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的装置，该装置包含一个水平安装于移动机器人上的拉线式牵引器，拉线式牵引器中的牵引线出线口朝向正前方，通过牵引线将目标和移动机器人相连接。
在二维情况下，本发明装置中的拉线式牵引器1包括拉线式位移传感器10、牵引线水平限位器11和水平摆动关节12；拉线式位移传感器10包括基座101、绕线装置102、牵引线100和牵引线位移传感器103，牵引线100可拉出一定长度，并可通过绕线装置自动回收，通过牵引线位移传感器103测量牵引线拉出长度；牵引线水平限位器11包括基座111和两个垂直导线辊子(112和113)，牵引线水平限位器基座111与拉线式位移传感器基座101固连，利用其所包含的两个垂直导线辊子，112和113，限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；水平摆动关节12包括基座121、两个水平导线辊子(124和125)、两个垂直导线辊子(122和123)和角度传感器126，水平摆动关节基座121通过轴承与牵引线水平限位器的基座111连接，摆动关节基座121可通过轴承绕摆动中心轴12100水平摆动，摆动关节12利用其所包含的两个水平导线辊子(124和125)和两个垂直导线辊子(122和123)，分别限定牵引线在垂直方向和水平方向的活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出，摆动关节12所包含的角度传感器126通过联轴或共轴方式与摆动关节基座121的摆动中心轴12100连接，测量出摆动关节12水平摆动的方位角。
在二维情况下，所述的本发明装置中的牵引线100从牵引线水平限位器基座111与拉线式位移传感器基座101的接触面中心孔114穿过，牵引线水平限位器11的两个垂直导线辊子(112和113)平行安装于基座111内，辊子两端通过轴承(1120和1130)与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过。
在二维情况下，所述的本发明装置中的水平摆动关节的两个水平导线辊子(124和125)平行安装于基座121内，两个垂直导线辊子(122和123)紧邻两个水平导线辊子(124和125)之后、平行安装于基座121内，辊子两端通过各自轴承，即1220和1230、1240和1250，与基座121连接，牵引线100依次穿过两对导线辊子。
在三维情况下，本发明装置中的拉线式牵引器2包括拉线式位移传感器20、牵引线垂直限位器21、垂直摆动关节22和水平摆动关节23；拉线式位移传感器20包括基座201、绕线装置202、牵引线200和牵引线位移传感器203，牵引线200可拉出一定长度，并可通过绕线装置202自动回收，通过牵引线位移传感器203测量牵引线拉出长度；牵引线垂直限位器21包括基座211和两个水平导线辊子，即212和213，牵引线垂直限位器基座211与拉线式位移传感器基座201固连，利用其所包含的两个水平导线辊子(212和213)，限制牵引线垂直方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；垂直摆动关节22包括基座221、两个垂直导线辊子，即222和223，和角度传感器224，垂直摆动关节基座221通过轴承(2110和2111)与牵引线垂直限位器基座211连接，垂直摆动关节基座221可通过轴承绕摆动中心轴22100垂直摆动，利用其所包含的两个垂直导线辊子(222和223)，限定牵引线在水平方向的活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出，垂直摆动关节22所包含的角度传感器224通过联轴或共轴方式与垂直摆动关节基座221的摆动中心轴22100连接，测量出垂直摆动关节22垂直摆动的俯仰角；水平摆动关节23包括基座231、两个水平导线辊子(234和235)、两个垂直导线辊子(232和233)和角度传感器236，水平摆动关节基座231通过轴承(2210和2211)与垂直摆动关节基座221连接，水平摆动关节基座231可通过轴承绕摆动中心轴23100水平摆动，水平摆动关节23利用其所包含的两个水平导线辊子(234和235)和两个垂直导线辊子(232和233)，分别限定牵引线200在垂直方向和水平方向的活动空间，同时保证牵引线200的顺滑进出，水平摆动关节23所包含的角度传感器236通过联轴或共轴方式与摆动关节基座的摆动中心轴23100连接，测量出水平摆动关节23水平摆动的方位角。
在三维情况下，所述的本发明装置中的牵引线200从牵引线垂直限位器基座211与拉线式位移传感器基座201的接触面中心孔214穿过，牵引线垂直限位器21的两个水平导线辊子(212和213)平行安装于基座211内，辊子两端通过轴承(2120和2130)与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，牵引线200从两个导线辊子(212和213)之间的间隙穿过。
在三维情况下，所述的本发明装置中的垂直摆动关节22，其基座221可通过轴承绕摆动中心轴22100垂直摆动，两个垂直导线辊子(222和223)平行安装于基座221内，辊子两端通过轴承(2220和2230)与基座221连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，牵引线从两个导线辊子(222和223)之间的间隙穿过。
在三维情况下，所述的本发明装置中的水平摆动关节23，其基座231通过轴承绕摆动中心轴23100水平摆动，两个水平导线辊子(234和235)和两个垂直导线辊子(232和233)均平行安装于基座内，两个垂直导线辊子(232和233)紧邻两个水平导线辊子(234和235)之后，辊子两端均通过各自轴承(2340和2350、2320和2330)与基座231连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，牵引线200依次从两对导线辊子之间的间隙穿过。
本发明的有益效果在于：(1)采用一种拉线的方式来测量被跟随目标的相对位置关系，可以实现在全天候、全天时以及复杂电磁环境中移动机器人的自动跟随，优于基于视觉、雷达或无线信号的方案；(2)本发明的两种不同实施例可以测量被跟随目标的二维坐标和三位坐标；(3)通过在牵引线可能发生方向变化的位置设置可绕自身中心轴滚转的导线辊子，可在有效限定牵引线活动空间的同时，减少牵引线的磨损，保证牵引线的顺滑进出。
附图说明
图1是本发明一种实施例的整体图；
图2是图1实施例中牵引线水平限位器11的放大图；
图3是图1实施例中牵引线水平限位器11去掉垂直导线辊子112后的放大图；
图4是图1实施例中水平摆动关节12的放大图；
图5是图1实施例中水平摆动关节12去掉垂直导线辊子122后的放大图；
图6是本发明另一种实施例的整体图；
图7是图6实施例中牵引线垂直限位器21的放大图；
图8是图6实施例中牵引线垂直限位器21去掉水平导线辊子212后的放大图；
图9是图6实施例中垂直摆动关节22的放大图；
图10是图6实施例中垂直摆动关节22去掉垂直导线辊子222后的放大图；
图11是图6实施例中水平摆动关节23的放大图；
图12是图6实施例中水平摆动关节23去掉垂直导线辊子232后的放大图；
图13是图1实施例中牵引线水平限位器11、水平摆动关节12放大图及坐标定义；
图14是图6实施例中牵引线垂直限位器21、垂直摆动关节22、水平摆动关节23放大图及坐标定义。
具体实施方式
下面将详细描述本说明书的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本说明书的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本说明书进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明的一个实施例在附图1中示出，并总地标记为1。该实施例中，所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的拉线式牵引器可以测量被跟随目标的二维坐标，包括拉线式位移传感器10、牵引线水平限位器11和水平摆动关节12。所述拉线式位移传感器10包括基座101、绕线装置102、牵引线100和牵引线位移传感器103，牵引线100可拉出一定长度，并可通过绕线装置102自动回收，通过牵引线位移传感器103可以测量牵引线拉出长度。
该拉线式牵引器水平安装于移动机器人上，牵引线100出线口朝向正前方，被跟随目标拉取牵引线100以引导移动机器人跟随被跟随目标运动，当被跟随目标不在牵引器正前方时，牵引线100通过牵引线水平限位器11的导向，将拉动水平摆动关节12在水平面内进行摆动，依据牵引线100拉出长度可得到被跟随目标的距离，依据水平摆动关节12的水平摆动角度可测得水平摆动关节的方位角，即被跟随目标的方位角，从而可得到被跟随目标与移动机器人的相对位置关系。
附图2为所述牵引线水平限位器11的放大图，所述牵引线水平限位器11包括基座111、两个垂直导线辊子112和113，附图3为所述牵引线水平限位器11去掉垂直导线辊子112后的放大图，所述牵引线水平限位器基座111与拉线式位移传感器基座101固连，牵引线100从牵引线水平限位器基座111与拉线式位移传感器基座101的接触面中心孔114穿过；两个垂直导线辊子112和113平行安装于基座111内，辊子两端通过轴承1120和1130与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出。
附图4为所述水平摆动关节12的放大图，所述水平摆动关节12包括基座121、两个水平导线辊子124和125、两个垂直导线辊子122和123、角度传感器126,附图5为所述水平摆动关节12去掉垂直导线辊子122后的放大图。所述水平摆动关节基座121可通过轴承与牵引线水平限位器11的基座111连接，摆动中心轴12100与附图2和附图3中轴线11101重合，摆动关节基座121可通过轴承绕摆动中心轴12100水平摆动；所述两个水平导线辊子124和125平行安装于基座121内，辊子两端通过轴承与基座连接，辊子可通过轴承1240、1250绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线100从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线垂直活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；所述两个垂直导线辊子122和123紧邻两个水平导线辊子124和125之后、平行安装于基座121内，辊子两端通过轴承1220、1230与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线直径，牵引线100从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；所述角度传感器126通过联轴或共轴方式与摆动关节基座121的摆动中心轴12100连接，可以测量出水平摆动关节12水平摆动的角度，水平摆动关节12水平摆动角度即为牵引线100水平摆动角度。
如附图13所示，记由牵引线位移传感器103测量得到的牵引线拉出长度为L1、由角度传感器126测量得到的水平摆动关节12的水平摆动角度为α1，水平摆动关节12的长度为L12，被跟随目标相对牵引器的相对坐标计算方法为：x1＝(L12+L1)·sinα1，y1＝(L12+L1)·cosα1。
根据本发明的另一个实施例在附图6中示出，并总地标记为2。该实施例中，所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的拉线式牵引器可以测量被跟随目标的三维坐标，包括拉线式位移传感器20、牵引线垂直限位器21、垂直摆动关节22和水平摆动关节23。所述拉线式位移传感器20包括基座201、绕线装置202、牵引线200和牵引线位移传感器203，牵引线200可拉出一定长度，并可通过绕线装置202自动回收，通过牵引线位移传感器203可以测量牵引线拉出长度。
该拉线式牵引器水平安装于移动机器人上，牵引线200出线口朝向正前方，被跟随目标拉取牵引线200以引导移动机器人跟随被跟随目标运动，当被跟随目标不在牵引器正前方、不与牵引器在同一高度时，牵引线200通过牵引线垂直限位器21的导向，将拉动垂直摆动关节22、水平摆动关节23分别在垂直面、水平面内进行摆动，依据牵引线200拉出长度可得到被跟随目标的距离，依据垂直摆动关节22的垂直摆动角度、水平摆动关节23的水平摆动角度可分别得到被跟随目标的俯仰角和方位角，从而可得到被跟随目标的相对位置关系。
附图7是所述牵引线垂直限位器21的放大图，所述牵引线垂直限位器21包括基座211、两个水平导线辊子212和213，附图8是所述牵引线垂直限位器21去掉水平导线辊子212后的放大图；所述牵引线垂直限位器基座211与拉线式位移传感器基座201固连，牵引线200从牵引线垂直限位器基座211与拉线式位移传感器基座201的接触面中心孔214穿过；两个水平导线辊子212和213平行安装于基座内，辊子两端通过轴承2120和2130与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线200直径，牵引线200从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线垂直方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出。
附图9是所述垂直摆动关节22的放大图，所述垂直摆动关节22包括基座221、两个垂直导线辊子222和223、角度传感器224，附图10是所述垂直摆动关节22去掉垂直导线辊子222后的放大图；所述摆动关节基座221可通过轴承2110和2111与牵引线垂直限位器基座211连接，摆动中心轴22100与附图7和附图8中轴线21101重合，摆动关节基座221可通过轴承绕摆动中心轴22100垂直摆动；所述两个垂直导线辊子222和223平行安装于基座内，辊子两端通过轴承2220和2230与基座221连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线200直径，牵引线200穿过中心孔225后，从两个导线辊子222和223之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；所述角度传感器224通过联轴或共轴方式与垂直摆动关节基座221的摆动中心轴22100连接，可以测量出垂直摆动关节22的垂直摆动角度。
附图11是所述水平摆动关节23的放大图，所述水平摆动关节包括基座231、两个水平导线辊子234和235、两个垂直导线辊子232和233、角度传感器236，附图12是所述水平摆动关节23去掉垂直导线辊子232后的放大图；所述水平摆动关节基座231可通过轴承2210和2211与垂直摆动关节基座221连接，摆动中心轴23100与附图9和附图10中的轴线22101重合，水平摆动关节基座231可通过轴承绕摆动中心轴23100水平摆动；所述两个水平导线辊子234和235平行安装于基座内，辊子两端通过轴承2340和2350与基座231连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线200直径，牵引线200从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线垂直活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；所述两个垂直导线辊子232和233紧邻两个水平导线辊子之后、平行安装于基座内，辊子两端通过轴承2320和2330与基座231连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，两个辊子之间的最小间隙略大于牵引线200直径，牵引线200从两个导线辊子之间的间隙穿过，牵引线与导线辊子摩擦时，带动辊子转动，辊子将有效限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；所述角度传感器236通过联轴或共轴方式与摆动关节基座231的摆动中心轴23100连接，可以测量出水平摆动关节23的水平摆动角度。
如图14所示，记由牵引线位移传感器203测量得到的牵引线拉出长度为L2、由角度传感器226测量得到的垂直摆动关节12的垂直摆动角度为α2，由角度传感器236测量得到的水平摆动关节12的水平摆动角度为β2，垂直摆动关节22的长度为L22，水平摆动关节23的长度为L23，被跟随目标相对牵引器的相对坐标计算方法为：x2＝(L23+L2)·sinβ2，y2＝(L22+(L23+L2)·cosβ2)·cosα2，z2＝(L22+(L23+L2)·cosβ2)·sinα2。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法，其特征在于：将一个拉线式牵引器水平安装于移动机器人上，拉线式牵引器中的牵引线出线口朝向正前方，通过牵引线将目标和移动机器人相连接，在目标运动时，利用安装于拉线式牵引器内的拉线式位移传感器测得目标与移动机器人的相对距离，利用安装于拉线式牵引器内的角度传感器测得拉线式牵引器与目标的相对角度，包括方位角和俯仰角，从而完成目标相对于移动机器人相对位置的估计，以引导移动机器人跟随目标行驶。
2.如权利要求1所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法，其特征在于：所述的拉线式牵引器(1)，包括拉线式位移传感器(10)、牵引线水平限位器(11)和水平摆动关节(12)；拉线式位移传感器(10)包括基座(101)、绕线装置(102)、牵引线(100)和牵引线位移传感器(103)，牵引线(100)可拉出一定长度，并可通过绕线装置(102)自动回收，通过牵引线位移传感器(103)测量牵引线拉出长度；牵引线水平限位器(11)包括基座(111)和两个垂直导线辊子(112和113)，牵引线水平限位器基座(111)与拉线式位移传感器基座(101)固连，利用其所包含的两个垂直导线辊子(112和113)，限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；水平摆动关节(12)包括基座(121)、两个水平导线辊子(124和125)、两个垂直导线辊子(122和123)和角度传感器(126)，水平摆动关节基座(121)通过轴承与牵引线水平限位器的基座(111)连接，摆动关节基座(121)可通过轴承绕摆动中心轴(12100)水平摆动，摆动关节(12)利用其所包含的两个水平导线辊子(124和125)和两个垂直导线辊子(122和123)，分别限定牵引线在垂直方向和水平方向的活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出，摆动关节(12)所包含的角度传感器(126)通过联轴或共轴方式与摆动关节基座(121)的摆动中心轴(12100)连接，测量出摆动关节(12)水平摆动的方位角。
3.如权利要求2所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法，其特征在于：由牵引线位移传感器(103)测量得到牵引线拉出长度L1、由角度传感器(126)测量得到水平摆动关节(12)的水平摆动方位角α1，水平摆动关节(12)的长度为L12，被跟随目标相对牵引器的相对坐标计算方法为：x1＝(L12+L1)·sinα1，y1＝(L12+L1)·cosα1。
4.如权利要求1所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法，其特征在于：所述的拉线式牵引器(2)，包括拉线式位移传感器(20)、牵引线垂直限位器(21)、垂直摆动关节(22)和水平摆动关节(23)；拉线式位移传感器(20)包括基座(201)、绕线装置(202)、牵引线(200)和牵引线位移传感器(203)，牵引线(200)可拉出一定长度，并可通过绕线装置(202)自动回收，通过牵引线位移传感器(203)测量牵引线拉出长度；牵引线垂直限位器(21)包括基座(211)和两个水平导线辊子(212和213)，牵引线垂直限位器基座(211)与拉线式位移传感器基座(201)固连，利用其所包含的两个水平导线辊子(212和213)，限制牵引线垂直方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；垂直摆动关节(22)包括基座(221)、两个垂直导线辊子(222和223)和角度传感器(224)，垂直摆动关节基座(221)通过轴承(2110和2111)与牵引线垂直限位器基座(211)连接，垂直摆动关节基座(221)可通过轴承绕摆动中心轴(22100)垂直摆动，利用其所包含的两个垂直导线辊子(222和223)，限定牵引线在水平方向的活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出，垂直摆动关节(22)所包含的角度传感器(224)通过联轴或共轴方式与垂直摆动关节基座(221)的摆动中心轴(22100)连接，测量出垂直摆动关节(22)垂直摆动的俯仰角；水平摆动关节(23)包括基座(231)、两个水平导线辊子(234和235)、两个垂直导线辊子(232和233)和角度传感器(236)，水平摆动关节基座(231)通过轴承(2210和2211)与垂直摆动关节基座(221)连接，水平摆动关节基座(231)可通过轴承绕摆动中心轴(23100)水平摆动，水平摆动关节(23)利用其所包含的两个水平导线辊子(234和235)和两个垂直导线辊子(232和233)，分别限定牵引线(200)在垂直方向和水平方向的活动空间，同时保证牵引线(200)的顺滑进出，水平摆动关节(23)所包含的角度传感器(236)通过联轴或共轴方式与摆动关节基座的摆动中心轴(23100)连接，测量出水平摆动关节(23)水平摆动的方位角。
5.如权利要求4所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的方法，其特征在于：由牵引线位移传感器(203)测量得到牵引线拉出长度L2、由角度传感器(224)测量得到垂直摆动关节(22)的俯仰角α2，由角度传感器(236)测量得到的水平摆动关节(23)的方位角为β2，垂直摆动关节(22)的长度为L22，水平摆动关节(23)的长度为L23，被跟随目标相对牵引器的相对坐标计算方法为：x2＝(L23+L2)·sinβ2，y2＝(L22+(L23+L2)·cosβ2)·cosα2，z2＝(L22+(L23+L2)·cosβ2)·sinα2。
6.一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的装置，其特征在于：包含一个水平安装于移动机器人上的拉线式牵引器，拉线式牵引器中的牵引线出线口朝向正前方，通过牵引线将目标和移动机器人相连接；拉线式牵引器(1)包括拉线式位移传感器(10)、牵引线水平限位器(11)和水平摆动关节(12)；拉线式位移传感器(10)包括基座(101)、绕线装置(102)、牵引线(100)和牵引线位移传感器(103)，牵引线(100)可拉出一定长度，并可通过绕线装置自动回收，通过牵引线位移传感器(103)测量牵引线拉出长度；牵引线水平限位器(11)包括基座(111)和两个垂直导线辊子(112和113)，牵引线水平限位器基座(111)与拉线式位移传感器基座(101)固连，利用其所包含的两个垂直导线辊子(112和113)，限制牵引线水平方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；水平摆动关节(12)包括基座(121)、两个水平导线辊子(124和125)、两个垂直导线辊子(122和123)和角度传感器(126)，水平摆动关节基座(121)通过轴承与牵引线水平限位器的基座(111)连接，摆动关节基座(121)可通过轴承绕摆动中心轴(12100)水平摆动，摆动关节(12)利用其所包含的两个水平导线辊子(124和125)和两个垂直导线辊子(122和123)，分别限定牵引线在垂直方向和水平方向的活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出，摆动关节(12)所包含的角度传感器(126)通过联轴或共轴方式与摆动关节基座(121)的摆动中心轴(12100)连接，测量出摆动关节(12)水平摆动的方位角。
7.如权利要求6所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的装置，其特征在于：牵引线(100)从牵引线水平限位器基座(111)与拉线式位移传感器基座(101)的接触面中心孔(114)穿过；牵引线水平限位器(11)的两个垂直导线辊子(112和113)平行安装于基座(111)内，辊子两端通过轴承(1120和1130)与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，牵引线从两个导线辊子之间的间隙穿过。
8.如权利要求6所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的装置，其特征在于：所述的水平摆动关节，其两个水平导线辊子(124和125)平行安装于基座(121)内，两个垂直导线辊子(122和123)紧邻两个水平导线辊子(124和125)之后、平行安装于基座(121)内，辊子两端通过各自轴承(1220和1230、1240和1250)与基座(121)连接，牵引线(100)依次穿过两对导线辊子。
9.一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的装置，其特征在于：包含一个水平安装于移动机器人上的拉线式牵引器，拉线式牵引器中的牵引线出线口朝向正前方，通过牵引线将目标和移动机器人相连接；拉线式牵引器(2)包括拉线式位移传感器(20)、牵引线垂直限位器(21)、垂直摆动关节(22)和水平摆动关节(23)；拉线式位移传感器(20)包括基座(201)、绕线装置(202)、牵引线(200)和牵引线位移传感器(203)，牵引线(200)可拉出一定长度，并可通过绕线装置(202)自动回收，通过牵引线位移传感器(203)测量牵引线拉出长度；牵引线垂直限位器(21)包括基座(211)和两个水平导线辊子(212和213)，牵引线垂直限位器基座(211)与拉线式位移传感器基座(201)固连，利用其所包含的两个水平导线辊子(212和213)，限制牵引线垂直方向活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出；垂直摆动关节(22)包括基座(221)、两个垂直导线辊子(222和223)和角度传感器(224)，垂直摆动关节基座(221)通过轴承(2110和2111)与牵引线垂直限位器基座(211)连接，垂直摆动关节基座(221)可通过轴承绕摆动中心轴(22100)垂直摆动，利用其所包含的两个垂直导线辊子(222和223)，限定牵引线在水平方向的活动空间，同时保证牵引线的顺滑进出，垂直摆动关节(22)所包含的角度传感器(224)通过联轴或共轴方式与垂直摆动关节基座(221)的摆动中心轴(22100)连接，测量出垂直摆动关节(22)垂直摆动的俯仰角；水平摆动关节(23)包括基座(231)、两个水平导线辊子(234和235)、两个垂直导线辊子(232和233)和角度传感器(236)，水平摆动关节基座(231)通过轴承(2210和2211)与垂直摆动关节基座(221)连接，水平摆动关节基座(231)可通过轴承绕摆动中心轴(23100)水平摆动，水平摆动关节(23)利用其所包含的两个水平导线辊子(234和235)和两个垂直导线辊子(232和233)，分别限定牵引线(200)在垂直方向和水平方向的活动空间，同时保证牵引线(200)的顺滑进出，水平摆动关节(23)所包含的角度传感器(236)通过联轴或共轴方式与摆动关节基座的摆动中心轴(23100)连接，测量出水平摆动关节(23)水平摆动的方位角。
10.如权利要求9所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的装置，其特征在于：牵引线(200)从牵引线垂直限位器基座(211)与拉线式位移传感器基座(201)的接触面中心孔(214)穿过，牵引线垂直限位器(21)的两个水平导线辊子(212和213)平行安装于基座(211)内，辊子两端通过轴承(2120和2130)与基座连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，牵引线(200)从两个导线辊子(212和213)之间的间隙穿过。
11.如权利要求9所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的装置，其特征在于：所述的垂直摆动关节(22)，其基座(221)可通过轴承绕摆动中心轴(22100)垂直摆动，两个垂直导线辊子(222和223)平行安装于基座(221)内，辊子两端通过轴承(2220和2230)与基座(221)连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，牵引线从两个导线辊子(222和223)之间的间隙穿过。
12.如权利要求9所述的一种用于移动机器人自动跟随目标行驶的装置，其特征在于：所述的水平摆动关节(23)，其基座(231)通过轴承绕摆动中心轴(23100)水平摆动，两个水平导线辊子(234和235)和两个垂直导线辊子(232和233)均平行安装于基座内，两个垂直导线辊子(232和233)紧邻两个水平导线辊子(234和235)之后，辊子两端均通过各自轴承(2340和2350、2320和2330)与基座(231)连接，辊子可通过轴承绕各自中心轴旋转，牵引线(200)依次从两对导线辊子之间的间隙穿过。
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