CN111390903A - 一种磁控机器人交互距离监控装置和方法 - Google Patents

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赵石雷
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Abstract

本发明一种磁控机器人交互距离监控装置及方法，该装置包括磁控机器人、驱动磁体引导模块和驱动磁体，该装置还包括磁场信息检测模块与控制模块；所述磁场信息检测模块包括磁场测量传感器，用于采集磁场信息；所述控制模块根据磁场信息检测模块提供的磁场信息，对驱动磁体与磁控机器人的交互距离进行监控，根据监控的结果向驱动磁体引导模块发送运动控制指令。本发明通过磁场信息检测模块对驱动磁体与磁控机器人的交互距离进行实时监控，避免了因磁力理论模型与实际情况存在差异，而导致的对磁控机器人驱动效率的影响。

Description

一种磁控机器人交互距离监控装置和方法
技术领域
本发明涉及一种磁控机器人交互距离监控装置和方法，属于机器人控制与设计技术领域。
背景技术
为了磁控机器人能保持合适的磁力驱动，磁控机器人与驱动磁体之间需要保持适当的距离，如果距离过远，则磁控机器人不能被有效的驱动；如果距离过近，则磁控机器人受到的磁场力过大，会对接触环境形成过大的接触压力，造成伤害。磁铁之间的相互作用力是一种和永磁体的磁化强度、距离和形状有关的复杂的力，只通过磁体的理论模型计算寻求合适的磁力，进而实现对复杂环境下胶囊机器人的准确控制存在很大难度，因此，如何通过合适的方法及装置，对磁控机器人始终保持合适的磁力驱动十分必要。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种基于磁场信息的磁控机器人交互距离监控装置和方法，保证驱动磁体对磁控机器人合适的磁引导，不会对接触环境造成过大的接触压力。
实现本发明的技术方案如下：
一种磁控机器人交互距离监控装置，包括磁控机器人、驱动磁体引导模块和驱动磁体，所述驱动磁体引导模块的末端安装驱动磁体，用于为驱动磁体提供多个自由度的运动；所述驱动磁体与安装在磁控机器人上的磁体进行磁交互，用于产生磁力驱动磁控机器人运动；其中该装置还包括磁场信息检测模块与控制模块；
所述磁场信息检测模块包括磁场测量传感器，用于采集磁场信息；
所述控制模块根据磁场信息检测模块提供的磁场信息，对驱动磁体与磁控机器人的交互距离进行监控，根据监控的结果向驱动磁体引导模块发送运动控制指令。
优选地，本发明所述磁场信息为磁场强度或磁流密度信息。
优选地，本发明所述控制模块包括信息接收单元、阈值比较单元及控制指令产生与发送单元，其中，
信息接收单元用于接收磁场信息检测模块提供的磁场信息；
阈值比较单元用于对接收到的磁场信息进行处理，通过与预设的安全阈值进行比较，对当前状态下驱动磁体与磁控机器人的相对位置进行判断；
控制指令产生与发送单元根据判断的结果产生运动控制指令，并发送至驱动磁体引导模块，对驱动磁体进行运动控制。
优选地，本发明以驱动磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在磁控机器人上。
优选地，本发明以安装在磁控机器人上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在驱动磁体上。
优选地，本发明以安装在磁控机器人上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在驱动磁体引导模块上。
优选地，本发明以驱动磁体和安装在磁控机器人上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在位姿已知的其它部件上。驱动磁体的磁场信号通过磁模型计算并从磁传感器测得的信号中去除，获得安装在磁控机器人上的磁体的磁场信号。
一种磁控机器人交互距离监控方法，具体包括以下步骤：
步骤一：通过磁场测量传感器，获取磁场信息；
步骤二：将所述磁场信息进行处理后，与预先设定的安全阈值进行比对，对当前状态下驱动磁体与磁控机器人的相对位置进行判断，产生相应的运动控制指令，当处理结果处于所述安全阈值区间内时，则磁控机器人的运动正常进行，不受影响，当处理结果不处于所述安全阈值区间内时，则需对驱动磁体产生动作调整，产生停止运动或向增大该距离值的方向运动的运动控制指令；
步骤三：控制指令的接收与控制
驱动磁体引导模块接收所述运动控制指令，并控制驱动磁体进行相应运动。
优选地，本发明所述磁场信息为磁场强度或者磁流密度信息。
优选的，本发明当需对驱动磁体产生动作调整时，同时给出提示信息。
优选的，本发明将磁传感器安装在磁控机器人或者驱动磁体上，测量驱动磁体或者磁控机器人在不同距离时的磁场信息，根据磁场信息计算当前状态的磁场模值，所述磁场模值反映了磁控机器人与驱动磁体的相对距离；
当磁场模值不大于设定的磁场模值安全阈值时，即磁控机器人与驱动磁体的距离满足要求时，驱动磁体的运动不受影响；
当磁场模值大于设定的磁场模值安全阈值时，即磁控机器人与驱动磁体的距离不满足要求时，则需对驱动磁体产生动作调整，采取停止运动或向增大该距离值的方向运动，并给出提示信息。
优选地，本发明设驱动磁体按照原规划动作运动时，驱动磁体与磁控机器人之间的相对距离为d；
当驱动磁体按照原规划动作运动，而不受其他运动策略影响，驱动磁体引导模块的动作调整控制指令为Δd＝0；
当运动控制指令为驱动磁体向增大该距离值的趋势运动，驱动磁体引导模块的动作调整控制指令为Δd>0。
优选地，所述安全阈值的确定方法为：磁控机器人受到驱动磁体施加的磁驱动力，当磁驱动力刚好达到可以引导磁控机器人进行运动时，这个磁驱动力设定为特定值Fm0，将驱动磁体与磁控机器人之间的距离设为d0；
驱动磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在磁控机器人上，与磁控机器人的位置相对固定，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure BDA0002410188570000041
将
Figure BDA0002410188570000042
记为驱动磁体的磁场模值阈值；
磁控机器人上的磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在驱动磁体或者驱动磁体引导模块上，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure BDA0002410188570000043
将
Figure BDA0002410188570000044
记为磁控机器人上的磁体的磁场模值阈值；
驱动磁体和安装在磁控机器人上的磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在位姿已知的其它部件上，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure BDA0002410188570000045
将
Figure BDA0002410188570000046
记为磁控机器人上的磁体的磁场模值阈值。
其中，k1m、k2m为系数。
有益效果：
(1)本发明通过磁场信息检测模块对驱动磁体与磁控机器人的交互距离进行实时监控，避免了因磁力理论模型与实际情况存在差异，而导致的对磁控机器人驱动效率的影响。
(2)本发明通过对驱动磁体和磁控机器人的交互距离进行实时监控，能够有效降低磁控机器人与环境之间产生过大接触压力的风险，避免对接触环境造成伤害。
(3)本发明通过检测的磁场信息对磁控机器人与驱动磁体之间的交互距离进行判断，不需要提前获得磁控机器人的位姿，因此，避免了复杂运算，提高效率和可靠性，从而快速调整磁控机器人受到的磁场力。
附图说明
图1为带有交互距离检测模块的磁控机器人监控装置示意图；
图2为基于磁场信息的磁控机器人交互距离监控方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
在本实施中，如无特殊说明，距离是指驱动磁体与磁控机器人之间的相对距离。
本实施例提供了一种磁控机器人交互距离监控装置，如图1所示，包括磁控机器人1、驱动磁体2、驱动磁体引导模块3、磁场信息检测模块4及控制模块，其中控制模块并未在附图中表示。其中，所述驱动磁体引导模块3的末端安装驱动磁体2，用于为驱动磁体2提供多个自由度的运动；所述驱动磁体2与安装在磁控机器人1上的磁体进行磁交互，用于产生磁力驱动磁控机器人1运动；所述磁场信息检测模块4包括磁场测量传感器，用于采集磁场信息；所述控制模块根据磁场信息检测模块4提供的磁场信息，对驱动磁体2与磁控机器人1的交互距离进行监控，根据监控的结果向驱动磁体引导模块3发送运动控制指令。
本发明的又一实施例中，驱动磁体引导模块3为具有不小于5个自由度的关节性机械臂，并在机械臂末端安装有驱动磁体2，驱动磁体2在驱动磁体引导模块3的引导下可以进行多个自由度的运动。
本发明的又一实施例中，磁场信息检测模块4通过传感器采集磁场强度或者磁流密度信息。
本发明的又一实施例中，控制模块具有监控方法判断功能、阈值比较功能及控制指令产生与发送功能，具体包括信息接收单元、阈值比较单元及控制指令产生与发送单元，其中，信息接收单元用于接收磁场信息检测模块4提供的交互状态信息(磁场信息)；阈值比较单元用于对接收到交互状态信息(磁场信息)进行处理，通过与安全阈值进行比较，对当前状态下驱动磁体2与磁控机器人1的相对位置进行判断；控制指令产生与发送单元用于根据判断的结果产生运动控制指令，并发送该运动控制指令至驱动磁体引导模块3，使驱动磁体2与磁控机器人1之间保持合适的磁力进行磁引导。
本发明的又一实施例中，可以以驱动磁体2为磁场源，所述磁场信息检测模块4中的磁场测量传感器安装在磁控机器人1上；还可以以安装在磁控机器人1上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块4中的磁场测量传感器安装在驱动磁体2上，与驱动磁体2的位置保持相对固定；还可以是以安装在磁控机器人1上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块4中的磁场测量传感器安装在驱动磁体引导模块3上；还可以是以驱动磁体和安装在磁控机器人上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在位姿已知的其它部件上，驱动磁体的磁场信号通过磁模型计算并从磁场测量传感器测得的信号中去除，获得安装在磁控机器人上的磁体的磁场信号。
本发明实施例一种磁控机器人交互状态监控方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一：通过磁场测量传感器，获取磁场信息；
磁场信息检测模块4安装固定在驱动磁体2上，与驱动磁体2的位置保持相对固定，磁场信息检测模块4通过检测周围磁场的磁场信息，可以根据相关算法转换成磁场模值，进而获取磁控机器人1与周围环境的交互距离信息。
步骤二：将算出的当前数值信息与规定的安全阈值进行比对；
将所述磁场信息进行处理后，与预先设定的安全阈值进行比对，实现对当前状态下驱动磁体与磁控机器人的相对位置进行判断，产生相应的运动控制指令，当处理结果处于所述安全阈值区间内时，则磁控机器人的运动正常进行，不受影响，当处理结果不处于所述安全阈值区间内时，则需对驱动磁体产生动作调整，产生停止运动或向增大该距离值的方向运动的运动控制指令。
本发明的又一实施例中，将磁传感器安装在磁控机器人或者驱动磁体上，测量驱动磁体或者磁控机器人在不同距离时的磁场信息，根据磁场信息计算当前状态的磁场模值，所述磁场模值反映了磁控机器人与驱动磁体的相对距离。
本发明的又一实施例中，所述安全阈值可以采用如下方式进行确定：磁控机器人1受到驱动磁体2施加的磁驱动力，当磁驱动力刚好达到可以引导磁控机器人1进行运动时，这个磁驱动力设定为特定值Fm0，而此时，将磁控机器人1对所在环境产生的接触压力设定为Fc0，将驱动磁体与磁控机器人之间的距离设为d0；
驱动磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在磁控机器人上，与磁控机器人的位置相对固定，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure BDA0002410188570000071
将
Figure BDA0002410188570000072
记为驱动磁体的磁场模值阈值，其中k1m为阈值调整系数，可以通过调整参数k1m的方式，将所设置的阈值适当的调大或者调小。
将检测到的磁控机器人1的磁场模值
Figure BDA0002410188570000073
与磁场模值阈值
Figure BDA0002410188570000074
进行对比，磁场模值
Figure BDA0002410188570000081
反映了磁控机器人与驱动磁体的相对距离，当磁场模值
Figure BDA0002410188570000082
不大于设定的磁场模值安全阈值
Figure BDA0002410188570000083
时，驱动磁体2的运动不受影响；当磁场模值
Figure BDA0002410188570000084
大于设定的磁场模值安全阈值
Figure BDA0002410188570000085
时，驱动磁体2的运动进行调整，将采取停止或向增大该距离值的运动策略。
磁控机器人上的磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在驱动磁体或者驱动磁体引导模块上，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure BDA0002410188570000086
将
Figure BDA0002410188570000087
记为磁控机器人上的磁体的磁场模值阈值，其中k2m为阈值调整系数，可以通过调整参数k2m的方式，将所设置的阈值适当的调大或者调小。
驱动磁体和安装在磁控机器人上的磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在位姿已知的其它部件上，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure BDA0002410188570000088
将
Figure BDA0002410188570000089
记为磁控机器人上的磁体的磁场模值阈值，其中k2m为阈值调整系数，可以通过调整参数k2m的方式，将所设置的阈值适当的调大或者调小。
本实施例中，当所得的结果处于安全阈值范围内，则驱动磁体2按照原规划动作运动，驱动磁体引导模块3的动作调整控制指令为Δd＝0；
当所得的结果超出安全阈值范围，则驱动磁体2不能按照原规划动作运动，而当驱动磁体2向减小该接触力的趋势运动，即向减小该磁场模值的趋势运动，也就是向增大该距离值的趋势运动时，驱动磁体引导模块3的动作调整控制指令为Δd>0。
步骤三：控制指令接收与发送
驱动磁体引导模块接收所述运动控制指令，并控制驱动磁体进行相应运动。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)

1.一种磁控机器人交互距离监控装置，包括磁控机器人、驱动磁体引导模块和驱动磁体，所述驱动磁体引导模块的末端安装驱动磁体，用于为驱动磁体提供多个自由度的运动；所述驱动磁体与安装在磁控机器人上的磁体进行磁交互，用于产生磁力驱动磁控机器人运动；其特征在于，该装置还包括磁场信息检测模块与控制模块；
所述磁场信息检测模块包括磁场测量传感器，用于采集磁场信息；
所述控制模块根据磁场信息检测模块提供的磁场信息，对驱动磁体与磁控机器人的交互距离进行监控，根据监控的结果向驱动磁体引导模块发送运动控制指令。
2.根据权利要求1所述磁控机器人交互距离监控装置，其特征在于，所述磁场信息为磁场强度或磁流密度；
所述控制模块包括信息接收单元、阈值比较单元及控制指令产生与发送单元，其中，
信息接收单元用于接收磁场信息检测模块提供的磁场信息；
阈值比较单元用于对接收到的磁场信息进行处理，通过与预设的安全阈值进行比较，对当前状态下驱动磁体与磁控机器人的相对位置进行判断；
控制指令产生与发送单元根据判断的结果产生运动控制指令，并发送至驱动磁体引导模块，对驱动磁体进行运动控制，并给出提示信息。
3.根据权利要求1所述磁控机器人交互距离监控装置，其特征在于，以驱动磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在磁控机器人上。
4.根据权利要求1所述磁控机器人交互距离监控装置，其特征在于，以安装在磁控机器人上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在驱动磁体上，与驱动磁体的位置保持相对固定。
5.根据权利要求1所述磁控机器人交互距离监控装置，其特征在于，以安装在磁控机器人上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在驱动磁体引导模块上。
6.根据权利要求1所述磁控机器人交互距离监控装置，其特征在于，以驱动磁体和安装在磁控机器人上的磁体为磁场源，所述磁场信息检测模块中的磁场测量传感器安装在位姿已知的其它部件上。
7.一种磁控机器人交互距离监控方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：通过磁场测量传感器，获取磁场信息；
步骤二：将所述磁场信息进行处理后，与预先设定的安全阈值进行比对，对当前状态下驱动磁体与磁控机器人的相对位置进行判断，产生相应的运动控制指令，当处理结果处于所述安全阈值区间内时，则磁控机器人的运动正常进行，不受影响，当处理结果不处于所述安全阈值区间内时，则需对驱动磁体产生动作调整，产生停止运动或向增大该距离值的方向运动的运动控制指令；
步骤三：控制指令的接收与控制
驱动磁体引导模块接收所述运动控制指令，并控制驱动磁体进行相应运动。
8.根据权利要求9所述的磁控机器人交互距离监控方法，其特征在于，将磁传感器安装在磁控机器人或者驱动磁体上，测量驱动磁体或者磁控机器人在不同距离时的磁场信息，根据磁场信息计算当前状态的磁场模值，所述磁场模值反映了磁控机器人与驱动磁体的相对距离；
当磁场模值不大于设定的磁场模值安全阈值时，即磁控机器人与驱动磁体的距离满足要求时，驱动磁体的运动不受影响；
当磁场模值大于设定的磁场模值安全阈值时，即磁控机器人与驱动磁体的距离不满足要求时，则需对驱动磁体产生动作调整，采取停止运动或向增大该距离值的方向运动，并给出提示信息。
9.根据权利要求9所述的磁控机器人交互距离监控方法，其特征在于，设驱动磁体按照原规划动作运动时，驱动磁体与磁控机器人之间的相对距离为d；
当驱动磁体按照原规划动作运动，而不受其他运动策略影响，驱动磁体引导模块的动作调整控制指令为Δd＝0；
当运动控制指令为驱动磁体向增大该距离值的趋势运动，驱动磁体引导模块的动作调整控制指令为Δd>0。
10.根据权利要求10所述的磁控机器人交互距离监控方法，其特征在于，所述安全阈值为：磁控机器人受到驱动磁体施加的磁驱动力，当磁驱动力刚好达到可以引导磁控机器人进行运动时，这个磁驱动力设定为特定值Fm0，将驱动磁体与磁控机器人之间的距离设为d0；
驱动磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在磁控机器人上，与磁控机器人的位置相对固定，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure FDA0002410188560000031
将
Figure FDA0002410188560000032
记为驱动磁体的磁场模值阈值；
磁控机器人上的磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在驱动磁体或者驱动磁体引导模块上，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure FDA0002410188560000033
将
Figure FDA0002410188560000034
记为磁控机器人上的磁体的磁场模值阈值；
驱动磁体和安装在磁控机器人上的磁体为磁场源的条件下，磁传感器安装在位姿已知的其它部件上，驱动磁体与磁控机器人之间的距离为d0时的磁场模值为
Figure FDA0002410188560000041
将
Figure FDA0002410188560000042
记为磁控机器人上的磁体的磁场模值阈值。
其中，k1m、k2m为系数。
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