CN114670201A - 一种机器人的位移传感装置及反馈控制方法 - Google Patents

一种机器人的位移传感装置及反馈控制方法 Download PDF

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蔡蒂
程思敏
曾文斐
丛培杰
李晨涛
黄家棋
张铁
薛泽浩
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Abstract

本发明公开了一种机器人的位移传感装置及反馈控制方法，其中位移传感装置包括底板、活动板及连接杆，底板上连接有光学导航传感模块，底板的底部滚动连接有滚珠；活动板与底板转动连接，连接杆的一端与活动板转动连接，连接杆的另一端浮动连接于机器人的机身上；底板的旋转轴心、连接杆的旋转轴心及连接杆的延长方向两两相互垂直设置。本发明具备了结构简单、连接可靠以及可自由摆动的优点，且有效减少相对位移偏差，提高了检测精度，以实现机身位置的精准控制。

Description

一种机器人的位移传感装置及反馈控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机器人的位移传感装置及反馈控制方法。
背景技术
机器人(Robot)是一种能够半自主或全自主工作的智能机器。机器人具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。因此，亟需解决上述问题。
目前的，移动式机器人通常可依据编程和自动控制来执行移动作业，从而到达预设位置，并且在机身的移动过程中，可通过各种传感装置实现自动巡线、导航、避障、跟随、探测等工作。如中国专利申请号为CN202110742851.3中公开的“一种激光导向多自由度损伤检测爬壁机器人装置”，其中通过导向模块来获取爬壁机器人的相对位移，导向模块包括视频监控仪和激光导向仪，视频监控仪用于检测车体是否偏移，并将信息反馈到运动模块中，使运动模块调节车体移动的方向，激光导向仪用于显示车体移动的方向和车体运动轨迹的偏角，并通过视频监控仪对其偏角进行捕捉；利用视频监控仪采集到所行表面焊缝与结构光图像，利用视频图像自动识别技术实时监测车体的位置偏移，并反馈给运动模块中的纠偏系统及时调整运动控制，从而实现爬行器的运动轨迹智能跟踪。但是在实际工作中，机身行走的表面一般凹凸不平，从而让机身行走时产生颠簸，相对位置会发生一定偏移，进而影响到机身位置的相对位移所检测的精度，导致机身位置控制不精准，严重的可能导致机器人不能到达预设位置，不能完成工作。因此，亟需解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种机器人的位移传感装置及反馈控制方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种机器人的位移传感装置，包括底板、活动板及连接杆，所述底板上连接有光学导航传感模块，所述底板的底部滚动连接有滚珠；所述活动板与所述底板转动连接，所述连接杆的一端与所述活动板转动连接，所述连接杆的另一端浮动连接于机器人的机身上；所述底板的旋转轴心、所述连接杆的旋转轴心及所述连接杆的延长方向两两相互垂直设置。
进一步的，所述机身上开设有滑动孔，所述连接杆的顶端穿过所述滑动孔且凸设有限位块，所述限位块与所述机身止挡配合；所述机身和所述活动板之间设有第一弹性件，所述第一弹性件始终有驱使所述活动板远离所述机身的趋势；在第一弹性件的作用力下，使得在机身行走时，底部的滚珠始终抵在相对应的表面上，从而构成浮动连接，即使表面凹凸不平，同样能够紧密的贴合表面，保证检测精度。
进一步的，所述机身的底部设有导轨板，所述导轨板上设有与所述滑动孔相对应的导套，所述连接杆的顶端穿过所述导套，所述限位块与所述导套止挡配合；导套能够对连接杆起到较佳的导向作用，让连接杆只能沿着导套的轴向浮动，避免倾斜的可能性，有效提高检测精度。
进一步的，所述底板的两侧对称凸设有轴承座，所述活动板上设有与两个所述轴承座一一对应的第一转动轴；保证底板和活动板之间连接的可靠性，以及转动的平稳性。
进一步的，所述活动板的两侧对称设有所述连接杆，两个所述连接杆底端分别通过第二转动轴与所述活动板转动连接；保证活动板和连接杆之间连接的可靠性，以及转动的平稳性。
进一步的，所述底板上设有盖板，所述盖板和所述底板之间设有至少一个球形腔，所述球形腔与所述滚珠的外形相适配，所述滚珠的部分露出于所述底板的底部外侧；结构简单，便于将滚珠安装在底板的底部，并保证滚珠能够平稳的转动。
进一步的，所述底板上开设有容置所述滚珠的安装孔，所述安装孔的底端设有限位环，所述安装孔内设有第二弹性件，所述第二弹性件始终有驱使所述滚珠抵设于所述限位环上的趋势，并使所述滚珠的部分露出于所述底板的底部外侧；在保证滚珠转动连接的同时还形成浮动连接，即使在机身行走过程中遇到不平整的表面，在第二弹性件的作用力下，滚珠依然能够保证贴合度，并且能够避免滚珠的刚性碰撞，起到一定的缓冲作用，减少磨损，延长使用寿命。
进一步，所述底板上贯穿有检测孔，所述光学导航传感模块的检测端与所述检测孔对应设置；便于将光学导航传感模块安装在底板的内侧，在保证结构紧凑的同时，还能对光学导航传感模块起到一定的保护作用。
进一步的，所述光学导航传感模块包括电路板、光学导航传感器、透镜，所述光学导航传感器电性连接所述电路板，所述透镜与所述光学导航传感器对应设置；可实现非接触式检测，避免轮式里程计打滑的问题，提高检测精度。
一种机器人的位移反馈控制方法，包括以下步骤：
步骤一：获取机身的初始位置；预设机身将到达的目标位置；计算初始位置到目标位置X方向上的相对位移值Xk和Y方向上的相对位移值Yk，初始状态时，k＝0；预设X方向上的允许误差值为εx和Y方向上的允许误差值为εy；
步骤二：控制机身从初始位置向目标位置移动，位移传感装置实时测量机身的相对位移，并反馈X方向上的位移值Δxk和Y方向上的位移值Δyk；
步骤三：计算是否满足|Xk-Δxk|≤εx，|Yk-Δyk|≤εy；
若否，则令Xk+1＝Xk-Δxk，Yk+1＝Yk-Δyk，k自加1，调整机身的姿态并返回步骤二；
若是，则结束。
本发明的有益效果在于：其一，在使用时，只需通过连接杆浮动连接在机器人的机身上，并由于活动板与连接杆的一端转动连接，底板又转动连接在活动板上，底板的底部滚动连接有滚珠，底板的旋转轴心、连接杆的旋转轴心及连接杆的延长方向两两相互垂直设置，使得本发明的位移传感装置在多个方向上可自由摆动，结构更加简单紧凑，有效减少重量、体积及成本；让机器人在行走时，滚珠始终与相对应的表面保持贴合状态，能够适应复杂的表面，有效避免颠簸所带来的误差，从而提高检测精度；其二，通过本发明的位移反馈控制方法，在机器人的行走时，实时的测量机器人的位移并计算位移偏差，并根据位移偏差值调整机身的姿态，从而让机器人始终沿着预设的线路行走，有效减少相对位移偏差，实现机身位置的精准控制；总体而言，本发明具备了结构简单紧凑、连接可靠以及可自由摆动的优点，且有效减少相对位移偏差，提高了检测精度，以实现机身位置的精准控制。
附图说明
图1是本发明中实施例一的整体结构示意图；
图2是本发明中实施例一的爆炸示意图；
图3是本发明中实施例一的剖切示意图；
图4是本发明中位移反馈控制方法的流程示意图；
图5是本发明中实施例二的整体结构示意图；
图6是本发明中安装孔为盲孔的局部结构示意图；
图7是本发明中安装孔为贯穿孔的局部结构示意图。
附图标记说明如下：
1-底板；1.1-轴承座；1.2-安装孔；1.3-检测孔；2-活动板；2.1-配合孔；2.2-条形通孔；2.3-装配孔；3-连接杆；3.1-限位块；3.2-连接孔；4-光学导航传感模块；5-滚珠；6-第一弹性件；7-导轨板；7.1-导套；8-第一转动轴；9-第二转动轴；10-盖板；11-环形腔；12-限位环；13-第二弹性件；14-轴承；15-限位件；16-限制板。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
如图1至图4所示，本实施例一种机器人的位移传感装置，包括底板1、活动板2及连接杆3，底板1上连接有光学导航传感模块4，底板1的底部滚动连接有滚珠5；活动板2与底板1转动连接，连接杆3的一端与活动板2转动连接，连接杆3的另一端浮动连接于机器人的机身上；底板1的旋转轴心、连接杆3的旋转轴心及连接杆3的延长方向两两相互垂直设置。
机身上开设有滑动孔，连接杆3的顶端穿过滑动孔且凸设有限位块3.1，限位块3.1与机身止挡配合；机身和活动板2之间设有第一弹性件6，第一弹性件6始终有驱使活动板2远离机身的趋势。滑动孔与连接杆3的外壁保持间隙配合，保证连接杆3沿轴向滑动的顺畅性。
优选的，第一弹性件6采用直柱型弹簧，第一弹性件6套接在连接杆3上，便于装配，成本也低。
底板1的两侧对称凸设有轴承座1.1，活动板2上设有与两个轴承座1.1一一对应的第一转动轴8。活动板2的两侧对称设有连接杆3，两个连接杆3底端分别通过第二转动轴9与活动板2转动连接。
具体的，底板1呈矩形板状结构，活动板2呈相适配的矩形框结构；底板1的四个边角处分别设有一个滚珠5，底板1的中心贯穿有检测孔1.3，光学导航传感模块4安装在底板1的顶部，光学导航传感模块4的检测端与检测孔1.3对应设置。两个轴承座1.1内分别安装有轴承14，活动板1的两侧分别设有配合孔2.1，第一转动轴8的一端与底板1止挡配合，第一转动轴8的另一端穿过配合孔2.1以及轴承14，并连接有限位件15，限位件15与轴承14止挡配合，第一转动轴8的中部与轴承14相适配；优选的，第一转动轴8采用螺钉，也可采用插销、销轴等，限位件15采用螺母，使安装方便。两个连接杆3连接在活动板2未开设配合孔2.1的另外两侧上，活动板2上开设有条形通孔2.2，条形通孔2.2的两侧开设有装配孔2.3，连接杆3的底端开设有连接孔3.2，第二转动轴9的两端分别与装配孔2.3固定连接，第二转动轴9的中部与连接孔3.2间隙配合；优选的，第二转动轴9采用螺钉，也可采用插销、销轴等；沿条形通孔2.2的延长方向上间隔设有三个装配孔2.3，可依据实际情况，将连接杆3安装在合适的装配孔2.3处，更好的适应机器人当前行走的表面；装配孔2.3的数量也可以设置成其他个数。
连接杆3的底端两侧经铣平处理，形成平头结构，与条形通孔2.2更加适配，使安装更加方便。
优选的，连接杆3沿竖直方向延伸设置，第二转动轴9的轴心与连接杆3的延长方向垂直设置，第一转动轴8的轴心与第二转动轴9的轴心在水平投影面上垂直设置。需要说明的是，竖直方向是垂直机器人行走表面的法向方向，水平投影面即是与机器人行走表面的平行面。
底板1上设有盖板10，盖板10和底板1之间设有至少一个球形腔11，球形腔11与滚珠5的外形相适配，滚珠5的部分露出于底板1的底部外侧。
具体的，盖板10设有两个，分别通过螺钉连接在底板1的两侧，每个盖板10对应装配两个滚珠5；当然的，滚珠5的数量也可以设置成其他个数；使安装更加方便快捷。盖板10的底部开设有第一半球凹槽，底板1的顶部开设有与第一半球凹槽相对应的第二半球凹槽，第二半球凹槽的底部开设有供滚珠5部分露出的槽口，使加工更加方便，便于滚珠5的安装；当盖板10安装配合后，第一半球凹槽和第二半球凹槽共同配合形成球形腔11。
光学导航传感模块4包括电路板、光学导航传感器、透镜，光学导航传感器电性连接电路板，透镜与光学导航传感器对应设置。优选的，光学导航传感器采用的型号为ADNS9800，此光学导航传感器是基于激光技术，通过光学方式获取连续的表面图像(帧)并通过数学方式确定运动的方向和幅度来测量位置的变化；它包含图像采集系统(IAS)、数字信号处理器(DSP)以及四线串行端口，图像采集系统通过透镜和照明系统获取微观表面图像，这些图像由数字信号处理器处理，以确定运动的方向和距离，并计算机身在X方向和Y方向的相对位移Δx和Δy，外部控制器从串行端口读取X方向和Y方向的相对位移。ADNS9800的光学导航传感器可以作为同时测量X和Y方向位移的里程计，并且受益于传感器的非接触式测量，克服了轮式里程计打滑的问题。使得机器人即使进行复杂的运动，也能保证光学导航传感器与测量表面的距离保持在1-5mm内，保证检测的精度。
本实施例中位移传感装置的具体工作原理如下：在机器人行走过程中，表面有凹凸不平时，在第一弹性件6的弹力作用下，并且活动板2相对连接杆3的底端转动连接，底板1又与活动板2转动连接，使得整个装置可自适应的转动，让底板1与表面始终保持平行，底板1底部的滚珠5始终会抵在表面上，让光学导航传感模块4的检测端与表面始终保持较佳的检测距离；再者，滚珠5是与底板1滚动连接，滚珠5也会随着机身的移动而自滚动；由此能够适应复杂多样的表面，有效避免颠簸所带来的误差，已提高检测精度。并且在位移反馈控制方法的反馈下，实时的检测机身的位置并进行反馈，计算机身是否偏移预设线路，从而调整机身的姿态，使得机身始终保持在偏差范围内，可精准的移动到目标位置。
一种机器人的位移反馈控制方法，包括以下步骤：
步骤一：获取机身的初始位置；预设机身将到达的目标位置；计算初始位置到目标位置X方向上的相对位移值Xk和Y方向上的相对位移值Yk，初始状态时，k＝0；预设X方向上的允许误差值为εx和Y方向上的允许误差值为εy；
步骤二：控制机身从初始位置向目标位置移动，位移传感装置实时测量机身的相对位移，并反馈X方向上的位移值Δxk和Y方向上的位移值Δyk；
步骤三：计算是否满足|Xk-Δxk|≤εx，|Yk-Δyk|≤εy；
若否，则令Xk+1＝Xk-Δxk，Yk+1＝Yk-Δyk，k自加1，调整机身的姿态并返回步骤二；
若是，则结束。
正常的，以机身前进的方向为X方向，以垂直机身前进的方向为Y轴方向；人工或智能的预设路线，让机器人从初始位置移动到目标位置。
实施例二
如图5所示，本实施例与实施例一相比，机身的底部设有导轨板7，导轨板7上设有与滑动孔相对应的导套7.1，连接杆3的顶端穿过导套7.1，限位块3.1与导套7.1止挡配合。导轨板7通过螺栓牢靠连接在机身的底部，导套7.1与连接杆3间隙配合；导套7.1能够对连接杆3起到较佳的导向作用，让连接杆3只能沿着导套7.1的轴向浮动，即竖直方向上，可避免倾斜的可能性，让运动更加平稳，有效提高检测精度。
实施例三
如图6和图7所示，本实施例与实施例一相比，省去了实施例一中的盖板10结构，底板1上开设有容置滚珠5的安装孔1.2，安装孔1.2的底端设有限位环12，安装孔1.2内设有第二弹性件13，第二弹性件13始终有驱使滚珠5抵设于限位环12上的趋势，并使滚珠5的部分露出于底板1的底部外侧。
安装孔1.2可以是沿竖直方向开设的盲孔，限位环12螺接于安装孔1.2的底端，第二弹性件13抵设于安装孔1.2的孔底和滚珠5之间，限位孔12与滚珠5接触的面呈相适配的弧面，更好的限制住滚珠5，连接更加牢靠，滚珠5转动更加平稳。优选的，第二弹性件13采用直柱型弹簧。
安装孔1.2也可以是沿竖直方向开设的贯通孔，安装孔1.2的顶端螺接接有限制板16，第二弹性件13抵设于限制板16和滚珠5之间，可将限制板16相对安装孔1.2旋进或旋出，从而调整第二弹性件13的弹力，以调整滚珠5与表面的贴合力。
本实施例的优点在于，让滚珠5转动连接的同时还形成浮动连接，即使在机身行走过程中遇到不平整的表面，在第二弹性件13的作用力下，滚珠5依然能够保证贴合度，并且能够避免滚珠5的刚性碰撞，起到一定的缓冲作用，减少磨损，延长使用寿命。
以上显示和描述了发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明发明的原理，在不脱离发明精神和范围的前提下，发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (10)

1.一种机器人的位移传感装置，其特征在于：包括底板(1)、活动板(2)及连接杆(3)，所述底板(1)上连接有光学导航传感模块(4)，所述底板(1)的底部滚动连接有滚珠(5)；
所述活动板(2)与所述底板(1)转动连接，所述连接杆(3)的一端与所述活动板(2)转动连接，所述连接杆(3)的另一端浮动连接于机器人的机身上；
所述底板(1)的旋转轴心、所述连接杆(3)的旋转轴心及所述连接杆(3)的延长方向两两相互垂直设置。
2.根据权利要求1所述的一种机器人的位移传感装置，其特征在于：所述机身上开设有滑动孔，所述连接杆(3)的顶端穿过所述滑动孔且凸设有限位块(3.1)，所述限位块(3.1)与所述机身止挡配合；所述机身和所述活动板(2)之间设有第一弹性件(6)，所述第一弹性件(6)始终有驱使所述活动板(2)远离所述机身的趋势。
3.根据权利要求2所述的一种机器人的位移传感装置，其特征在于：所述机身的底部设有导轨板(7)，所述导轨板(7)上设有与所述滑动孔相对应的导套(7.1)，所述连接杆(3)的顶端穿过所述导套(7.1)，所述限位块(3.1)与所述导套(7.1)止挡配合。
4.根据权利要求1所述的一种机器人的位移传感装置，其特征在于：所述底板(1)的两侧对称凸设有轴承座(1.1)，所述活动板(2)上设有与两个所述轴承座(1.1)一一对应的第一转动轴(8)。
5.根据权利要求4所述的一种机器人的位移传感装置，其特征在于：所述活动板(2)的两侧对称设有所述连接杆(3)，两个所述连接杆(3)底端分别通过第二转动轴(9)与所述活动板(2)转动连接。
6.根据权利要求1所述的一种机器人的位移传感装置，其特征在于：所述底板(1)上设有盖板(10)，所述盖板(10)和所述底板(1)之间设有至少一个球形腔(11)，所述球形腔(11)与所述滚珠(5)的外形相适配，所述滚珠(5)的部分露出于所述底板(1)的底部外侧。
7.根据权利要求1所述的一种机器人的位移传感装置，其特征在于：所述底板(1)上开设有容置所述滚珠(5)的安装孔(1.2)，所述安装孔(1.2)的底端设有限位环(12)，所述安装孔(1.2)内设有第二弹性件(13)，所述第二弹性件(13)始终有驱使所述滚珠(5)抵设于所述限位环(12)上的趋势，并使所述滚珠(5)的部分露出于所述底板(1)的底部外侧。
8.根据权利要求1所述的一种机器人的位移传感装置，其特征在于：所述底板(1)上贯穿有检测孔(1.3)，所述光学导航传感模块(4)的检测端与所述检测孔(1.3)对应设置。
9.根据权利要求1所述的一种机器人的位移传感装置，其特征在于：所述光学导航传感模块(4)包括电路板、光学导航传感器、透镜，所述光学导航传感器电性连接所述电路板，所述透镜与所述光学导航传感器对应设置。
10.一种机器人的位移反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取机身的初始位置；预设机身将到达的目标位置；计算初始位置到目标位置X方向上的相对位移值Xk和Y方向上的相对位移值Yk，初始状态时，k＝0；预设X方向上的允许误差值为εx和Y方向上的允许误差值为εy；
步骤二：控制机身从初始位置向目标位置移动，位移传感装置实时测量机身的相对位移，并反馈X方向上的位移值Δxk和Y方向上的位移值Δyk；
步骤三：计算是否满足|Xk-Δxk|≤εx，|Yk-Δyk|≤εy；
若否，则令Xk+1＝Xk-Δxk，Yk+1＝Yk-Δyk，k自加1，调整机身的姿态并返回步骤二；
若是，则结束。
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