CN116125382A - 一种健康管理机器人定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种健康管理机器人定位装置及方法。所述装置包括：安装在机器人本体上的中央处理单元，与中央处理单元相连的第一通信模块和激光接收模块，以及安装在室内天花板上的定位信号源，定位信号源包括控制器、与控制器相连的第二通信模块和N个安装在不同位置的激光发射器；N个激光发射器用于在控制器作用下发射以相同频率脉冲信号调制的激光信号；所述激光接收模块用于将接收到的激光信号转换成电信号，并对其进行放大变换后送至中央处理单元；中央处理单元用于基于接收到的N个激光信号的时延差解算机器人的位置坐标。本发明的定位装置具有定位解算方法简单、定位精度高等优点。

Description

一种健康管理机器人定位装置及方法

技术领域

本发明属于机器人定位技术领域，具体涉及一种健康管理机器人定位装置及方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，人民生活水平的提高，目前，养老机构或医院普遍采用专业护工或护士对被监护人员进行看护，例如专业护工或护士需现场为被看护人员测量体征数据，将体征数据通过手工输入电脑并上传到医疗健康管理系统中，这种以人工采集被看护人员的健康数据，必须要求看护人员在现场为所需监护人主动测量，使得实用性不够好，增加了对看护人员的工作压力。

随着人工智能机器人技术的发展，各种健康机器人应运而出。健康机器人一般工作在室内，由于室内存在着卫星信号屏蔽，因此卫星定位等方法在室内无法发挥其定位快速准确的优势。在现有的室内机器人定位技术中，主要使用电磁感应导航定位、视觉导航定位和超声波导航定位等定位技术，其中，电磁感应导航定位通过在规划的机器人行走路线上布置感应线圈，并在机器人身上安装感应装置来进行电磁感应，这使得机器人只能按照设定路线行走，限制了机器人移动的范围和移动的灵活性；视觉导航定位存在图像处理量巨大、实时性较差、受光线条件外界环境干扰限制较大、定位精度差等缺点；超声波导航定位由于超声波传感器自身存在如镜面反射、有限的波束角等缺陷，存在无法充分获取周边环境信息，导致定位不准确的缺点。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种健康管理机器人定位装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

第一方面，本发明提供一种健康管理机器人定位装置，包括：安装在机器人本体上的中央处理单元，与中央处理单元相连的第一通信模块和激光接收模块，以及安装在室内天花板上的定位信号源，定位信号源包括控制器、与控制器相连的第二通信模块和 N个安装在不同位置的激光发射器；第一通信模块和第二通信模块用于实现机器人与定位信号源之间的数据通信； N个激光发射器用于在控制器作用下发射以相同频率脉冲信号调制的激光信号；所述激光接收模块用于将接收到的激光信号转换成电信号，并对其进行放大变换后送至中央处理单元；中央处理单元用于基于接收到的 N个激光信号的时延差解算机器人的位置坐标；其中， N≥3。

进一步地，所述装置包括安装在室内不同位置的多个定位信号源，通过与定位信号源进行通信识别定位信号源的位置。

进一步地，所述 N个激光发射器在控制器作用下以等时间间隔δ先后发射脉冲信号调制的激光信号，中央处理单元根据接收到激光信号的先后顺序区分 N个激光发射器发射的激光信号；其中， δ>L/c， c为光速， L为机器人与定位信号源之间的最大距离。

更进一步地，所述 N个激光信号的时延差为以最先收到的激光信号的时延为基准时延，其它 N-1个激光信号的时延与基准时延的差。

更进一步地，所述时延差计算方法包括：

获得 N个激光信号的时延 t _i ，0< t ₀< t ₁< t ₂…< t _N-1， i=0,1,2,…, N-1；

以 t ₀为基准时延，按下式计算时延差：

Δt _i = t _i - i×δ- t ₀

式中， Δt _i 为第 i个激光信号相对第0个激光信号的时延差， i=1,2,…, N-1。

更进一步地，按下式计算时延差：

式中， Δt _ij 、 t _ij 、 t _{0 j} 分别为 Δt _i 、 t _i 、 t ₀的第 j个观测值， j=1,2,…, n， n为观测值的数量。

更进一步地，所述解算机器人的位置坐标的方法包括：

建立以室内任意一点为原点，以竖直向上为 z轴，以正东方向为 x轴，以正南方向为 y轴的空间直角坐标系；

假定 N个激光发射器的坐标为( x _i , y _i , z _i )， i=0,1,…, N-1，机器人的坐标为( x, y, z)，得到方程组：

求解所述方程组，得到机器人的坐标( x, y, z)。

更进一步地， N=3，激光接收模块的安装高度为 H，机器人的坐标为( x, y, h)。

更进一步地，机器人的坐标( x, y, h)满足下面的方程组：

求解所述方程组，得到机器人的坐标( x, y, h)。

第二方面，本发明提供一种应用所述装置进行定位的方法，包括以下步骤：

定位信号源接收到所述装置发送的激光发射请求信号后，控制 N个激光发射器发射以相同频率脉冲信号调制的激光信号；

激光接收模块将接收到的激光信号转换成电信号，并对其进行放大变换后送至中央处理单元；

中央处理单元计算 N个激光信号的时延及时延差，并基于所述时延差解算机器人的位置坐标。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明通过设置安装在机器人本体上的中央处理单元、第一通信模块和激光接收模块，以及安装在室内天花板上的定位信号源，定位信号源包括控制器、、第二通信模块和 N个安装在不同位置的激光发射器，第一通信模块和第二通信模块用于实现机器人与定位信号源之间的数据通信， N个激光发射器用于在控制器作用下发射以相同频率脉冲信号调制的激光信号，所述激光接收模块用于将接收到的激光信号转换成电信号，并对其进行放大变换后送至中央处理单元，中央处理单元用于基于接收到的 N个激光信号的时延差解算机器人的位置坐标，实现了健康管理机器人的室内定位。本发明的定位装置具有定位解算方法简单、定位精度高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例一种健康管理机器人定位装置的组成框图。

图2为异步脉冲调制的激光发射信号示意图。

图3为激光信号时延示意图。

图4为本发明实施例一种应用所述装置进行定位的方法的流程图。

图中：1-中央处理单元，2-第一通信模块，3-激光接收模块，4-定位信号源，41-控制器，42-激光发射器，43-第二通信模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

图1为本发明实施例一种健康管理机器人定位装置的组成框图，包括：安装在机器人本体上的中央处理单元1，与中央处理单元1相连的第一通信模块2和激光接收模块3，以及安装在室内天花板上的定位信号源4，定位信号源4包括控制器41、与控制器41相连的第二通信模块43和 N个安装在不同位置的激光发射器42；第一通信模块2和第二通信模块43用于实现机器人与定位信号源4之间的数据通信； N个激光发射器42用于在控制器41作用下发射以相同频率脉冲信号调制的激光信号；所述激光接收模块3用于将接收到的激光信号转换成电信号，并对其进行放大变换后送至中央处理单元1；中央处理单元1用于基于接收到的 N个激光信号的时延差解算机器人的位置坐标；其中， N≥3。

本实施例中，所述装置主要由安装在机器人本体上的中央处理单元1、第一通信模块2、激光接收模块3以及安装在室内天花板上的定位信号源4组成。中央处理单元1与第一通信模块2、激光接收模块3电连接。定位信号源4包括控制器41、激光发射器42和第二通信模块43，控制器41与激光发射器42和第二通信模块43电连接。如图1所示。下面对各个组成部分分别进行介绍。

中央处理单元1，是所述装置的控制与数据处理中心，主要用于通过输出控制信号协调各模块的工作，并完成必要的数据处理任务。本实施例中，中央处理单元1的数据处理任务主要是计算 N个激光信号的时延差，并基于所述时延差解算机器人的位置坐标。所述时延可以理解成各个激光信号到达机器人的时刻相对设定的时间基准滞后的时间。如图3所示，图中每个脉冲对应一个激光信号，而且不同脉冲对应不同的时延。位置解算的技术原理主要是根据所述时延差得到机器人与 N个激光发射器42的位置关系，根据所述位置关系和 N个激光发射器42的位置坐标（是已知的），便可解算出机器人的位置坐标。 N的取值以满足位置解算为准，一般取3~4。当然，为了满足机器人移动的全程都能接收到激光信号，在实际应用中可能需要针对不同的运动方向或不同的视角范围设置多个定位信号源4。

第一通信模块2，主要用于实现机器人与其它设备之间的数据通信。本实施例的第一通信模块2主要是通过与第二通信模块43进行数据交互实现机器人与定位信号源4之间的数据通信。比如，为了节约能耗，定位信号源4只在机器人有需求时工作，无需求时处于休眠状态。因此，机器人可通过向定位信号源4发送请求信号唤醒定位信号源4。当然，第一通信模块2也负责与上位机的数据通信，实现上位机对机器人的远程遥控。

激光接收模块3，用于接收 N个激光发射器42发射的激光信号，将激光信号转换成电信号，并对电信号进行放大变换，提取脉冲调制信号，最后将模拟的脉冲信号转换成数字信号后送至中央处理单元1。中央处理单元1根据从 N个激光信号中提取的脉冲信号计算各个脉冲信号的时延差。激光接收模块3的硬件结构和工作原理类似于激光测距雷达的接收机。

激光发射器42，用于在控制器41作用下发射激光信号。所谓定位信号源4指的就是 N个激光发射器42输出的激光信号。激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。按传输媒质的不同，可分为大气激光传输和光纤传输。光纤传输一般用于远距离通信，但光纤传输属于有线传输，不适合移动机器人定位，因此本实施例采用大气激光传输。由于本实施例是基于 N个激光信号的时延差实现机器人定位，为了便于获得每个激光信号的时延，由控制器41向各个激光发射器42输出相同重复周期的脉冲信号，使激光发射器42输出脉冲信号调制的激光信号。

第二通信模块43，用于在控制器41的作用下通过与第一通信模块2进行数据交互实现机器人与定位信号源4的数据通信。

控制器41，主要用于控制 N个激光发射器42的工作。具体地，输出相同重复周期的脉冲信号至 N个激光发射器42，使 N个激光发射器42产生脉冲调制激光信号。输出至 N个激光发射器42的脉冲信号可以是同步的（不仅重复周期相同，相位也相同，即脉冲出现的时刻是对准的），也可以是异步的（即脉冲出现的时刻是相互错开的），如图2所示。采用同步脉冲信号的优点是发射信号控制和接收端的数据处理都较简单；缺点是，由于机器人与激光发射器42的距离较近，激光接收模块3提取的 N个脉冲信号在时间上近似重合，很难区分不同激光信号的时延。采用异步脉冲信号的优缺点则刚好相反，发射控制和数据处理方法较复杂，但容易获得时延差。

作为一可选实施例，所述装置包括安装在室内不同位置的多个定位信号源4，通过与定位信号源4进行通信识别定位信号源4的位置。

本实施例对定位信号源4的数量进行了限定。当机器人移动范围比较大时，一个定位信号源4就不能满足使用要求了，这就需要在多个不同位置分别设置一个定位信号源4。具体数量和安装位置视具体情况而定。安装在不同位置的定位信号源4可通过与机器人进行数据通信（第一通信模块2与第二通信模块43交互）进行识别。

作为一可选实施例，所述 N个激光发射器42在控制器41作用下以等时间间隔δ先后发射脉冲信号调制的激光信号，中央处理单元1根据接收到激光信号的先后顺序区分 N个激光发射器42发射的激光信号；其中， δ>L/c， c为光速， L为机器人与定位信号源4之间的最大距离。

本实施例给出了 N个激光发射器42产生异步脉冲调制激光信号的一种技术方案。如图2所示，本实施例中，由控制器41产生以δ为时延的 N路脉冲信号，分别输出至 N个激光发射器42， N个激光发射器42在对应的脉冲信号作用下，输出 N路异步脉冲调制的激光信号。采用异步脉冲调制，不仅有利于在接收阶段使提取的脉冲信号在时间上容易错开，还可以根据接收到的激光信号的先后顺序识别不同的激光发射器42发射的激光信号。原理很简单，由于机器人与激光发射器42的距离较近，只要 δ大于一定值（最大距离差别对应的时间），所述距离的不同就不会影响N个激光信号到达的先后顺序，即先发射的信号先到。因此只要事先约定好发射顺序即可识别出每个激光发射器42发射的信号。这种识别方法相对给每个激光发射器42编码，并发射编码信号，要简单可行得多。本实施例限定 δ>L/c， c为光速， L为机器人与定位信号源4之间的最大距离，就是为了能够可靠保证先发射的信号先到。值得说明的是，也可以采用非等时间间隔延迟，采用等时间间隔是为了简化数据处理方法。

作为一可选实施例，所述 N个激光信号的时延差为以最先收到的激光信号的时延为基准时延，其它 N-1个激光信号的时延与基准时延的差。

本实施例给出了时延差的一种计算方法。本实施例的时延差是设定一个基准时延，计算其它时延与基准时延的差。其实也可以计算任意两个时延的差，设定一个基准时延可以简化数据处理。本实施例设定最先收到（即最先发射的）的激光信号的时延为基准时延，可以使得到的时延差都为正值，进一步简化了数据处理。

作为一可选实施例，所述时延差计算方法包括：

获得 N个激光信号的时延 t _i ，0< t ₀< t ₁< t ₂…< t _N-1， i=0,1,2,…, N-1；

以 t ₀为基准时延，按下式计算时延差：

Δt _i = t _i - i×δ- t ₀

式中， Δt _i 为第 i个激光信号相对第0个激光信号的时延差， i=1,2,…, N-1。

本实施例给出了计算时延差的一种方法。如图3所示，如果激光信号是同步发射的，时延差应为 Δt _i = t _i - t ₀， t ₀为设定的基准时延。但由于本实施例为异步发射激光信号，因此还需再减去发射时延 i×δ。

作为一可选实施例，按下式计算时延差：

式中， Δt _ij 、 t _ij 、 t _{0 j} 分别为 Δt _i 、 t _i 、 t ₀的第 j个观测值， j=1,2,…, n， n为观测值的数量。

本实施例给出了提高时延差计算精度的一种技术方案。为了提高时延差精度，本实施例对一段时间内获得的 n个时延差求均值，具体方法见上面的两个公式。

作为一可选实施例，所述解算机器人的位置坐标的方法包括：

建立以室内任意一点为原点，以竖直向上为 z轴，以正东方向为 x轴，以正南方向为 y轴的空间直角坐标系；

假定 N个激光发射器42的坐标为( x _i , y _i , z _i )， i=0,1,…, N-1，机器人的坐标为( x, y, z)，得到方程组：

求解所述方程组，得到机器人的坐标( x, y, z)。

本实施例给出了解算机器人位置坐标的一种技术方案。首先建立三维直角坐标系；然后基于解析几何知识列出以机器人位置坐标为变量的方程组，方程组的每个方程根据机器人与两个激光发射器42的距离差等于相应的时延差乘以光速得到；最后求解所述方程组就可以得到机器人的位置坐标。方程组的求解方法很多，这里不作具体限定。

作为一可选实施例， N=3，激光接收模块3的安装高度为 H，机器人的坐标为( x, y, h)。

本实施例对激光发射器42的数量 N进行了限定。本实施例限定 N=3，是针对机器人在水平面移动（如室内地面）其高度始终不变的应用场景，由于 z坐标已知，只有两个未知坐标 x、 y，因此只需3个激光发射器42即可满足机器人位置解算的要求。机器人的高度应该是指激光接收模块3的安装高度 H，如果坐标系的 xoy平面选为地面，那么机器人的 z坐标就是 H。更一般的情况是将机器人的坐标记为( x, y, h)。

作为一可选实施例，机器人的坐标( x, y, h)满足下面的方程组：

求解所述方程组，得到机器人的坐标( x, y, h)。

本实施例给出了 N=3时机器人位置解算的方程组。因为只有2个未知坐标 x、 y，因此所述方程组只需2个方程。将 z= h代入前面实施例中的前两个方程即可得到 N=3时的所需方程组。

图4为本发明实施例一种应用所述装置进行定位的方法的流程图，包括以下步骤：

步骤101，位信号源接收到所述装置发送的激光发射请求信号后，控制 N个激光发射器42发射以相同频率脉冲信号调制的激光信号；

步骤102，激光接收模块3将接收到的激光信号转换成电信号，并对其进行放大变换后送至中央处理单元1；

步骤103，中央处理单元1计算 N个激光信号的时延及时延差，并基于所述时延差解算机器人的位置坐标。

本实施例的方法，与图1所示装置实施例的技术方案相比，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种健康管理机器人定位装置，其特征在于，包括：安装在机器人本体上的中央处理单元，与中央处理单元相连的第一通信模块和激光接收模块，以及安装在室内天花板上的定位信号源，定位信号源包括控制器、与控制器相连的第二通信模块和N个安装在不同位置的激光发射器；第一通信模块和第二通信模块用于实现机器人与定位信号源之间的数据通信；N个激光发射器用于在控制器作用下发射以相同频率脉冲信号调制的激光信号；所述激光接收模块用于将接收到的激光信号转换成电信号，并对其进行放大变换后送至中央处理单元；中央处理单元用于基于接收到的N个激光信号的时延差解算机器人的位置坐标；其中，N≥3。

2.根据权利要求1所述的健康管理机器人定位装置，其特征在于，所述装置包括安装在室内不同位置的多个定位信号源，通过与定位信号源进行通信识别定位信号源的位置。

3.根据权利要求1所述的健康管理机器人定位装置，其特征在于，所述N个激光发射器在控制器作用下以等时间间隔δ先后发射脉冲信号调制的激光信号，中央处理单元根据接收到激光信号的先后顺序区分N个激光发射器发射的激光信号；其中，δ>L/c，c为光速，L为机器人与定位信号源之间的最大距离。

4.根据权利要求3所述的健康管理机器人定位装置，其特征在于，所述N个激光信号的时延差为以最先收到的激光信号的时延为基准时延，其它N-1个激光信号的时延与基准时延的差。

5.根据权利要求4所述的健康管理机器人定位装置，其特征在于，所述时延差计算方法包括：

获得N个激光信号的时延t _i ，0<t ₀<t ₁<t ₂…<t _N-1，i=0,1,2,…,N-1；

以t ₀为基准时延，按下式计算时延差：

Δt _i =t _i -i×δ-t ₀

式中，Δt _i 为第i个激光信号相对第0个激光信号的时延差，i=1,2,…,N-1。

6.根据权利要求5所述的健康管理机器人定位装置，其特征在于，按下式计算时延差：

式中，Δt _ij 、t _ij 、t _0j 分别为Δt _i 、t _i 、t ₀的第j个观测值，j=1,2,…,n，n为观测值的数量。

7.根据权利要求6所述的健康管理机器人定位装置，其特征在于，所述解算机器人的位置坐标的方法包括：

建立以室内任意一点为原点，以竖直向上为z轴，以正东方向为x轴，以正南方向为y轴的空间直角坐标系；

假定N个激光发射器的坐标为(x _i ,y _i ,z _i )，i=0,1,…,N-1，机器人的坐标为(x,y,z)，得到方程组：

求解所述方程组，得到机器人的坐标(x,y,z)。

8.根据权利要求7所述的健康管理机器人定位装置，其特征在于，N=3，激光接收模块的安装高度为H，机器人的坐标为(x,y,h)。

9.根据权利要求8所述的健康管理机器人定位装置，其特征在于，机器人的坐标(x,y,h)满足下面的方程组：

求解所述方程组，得到机器人的坐标(x,y,h)。

10.一种应用权利要求1所述装置进行定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

定位信号源接收到所述装置发送的激光发射请求信号后，控制N个激光发射器发射以相同频率脉冲信号调制的激光信号；

激光接收模块将接收到的激光信号转换成电信号，并对其进行放大变换后送至中央处理单元；

中央处理单元计算N个激光信号的时延及时延差，并基于所述时延差解算机器人的位置坐标。

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