CN1321329C

CN1321329C - 机器人的非接触型传感器

Info

Publication number: CN1321329C
Application number: CNB2004100147021A
Authority: CN
Inventors: 张周新
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: CN1564016A

Abstract

本发明涉及一种机器人的非接触型传感器：在机器人的顶部中央位置安装一个超声波或微波、红外线、光波等用于测距的非接触型传感器信号发射装置，在信号发射装置上方或下方的设置一个如金字塔般的具有朝向前、后、左、右四个反射面的反射体，若干个超声波或微波、红外线、光波等非接触型传感器信号接收装置被安装在机器人的外壳上。这样设置后，机器人的外径可抵消一部分或全部的探测盲区，并且信号源扩散的范围大了，可将原本需要安装在机器人一个方向表面的多套传感器减为一套，又由于反射体的存在，信号发射装置可减为朝向反射体的一套。

Description

机器人的非接触型传感器

技术领域：

本发明涉及一种机器人的非接触型传感器，主要用于机器人等机电类物体在移动过程中感知障碍物或测距定位用。

背景技术：

对于移动的机器人需在移动过程中感知障碍物，或者探测墙壁等边界以确定机器人自身的方位，在实际使用中常常使用超声波或光电等非接触型传感器，需在机器人外表周围安装多个，参见《电子技术应用》2000Vol.26 No.8中《智能吸尘器的开发及设计》一文或申请号为02110070.5的发明专利申请书中所描述的。但由于超声波等非接触型传感器成本较高，并且存在盲区，使用中有一定的问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述不足，设计一种数量尽可能少、盲区尽可能小的机器人的非接触型传感器。

本发明的目的是通过下述设计达到的：在机器人的顶部或底部中央位置安装一个超声波或微波、红外线、光波用于测距的非接触型传感器信号发射装置，在信号发射装置上方或下方的设置一个第一反射体，若干个超声波或微波、红外线、光波非接触型传感器信号接收装置被安装在机器人的外壳上。第一反射体为一个锥形的五面体——如金字塔般，锥心对准非接触型传感器信号发射装置的中心位置，第一反射体的反射面与非接触型传感器信号发射装置的表面呈45度左右的倾角，第一反射体的四个反射面分别朝向机器人的前后左右四个方向，反射面本身光滑，呈平面也可呈凹或凸面。这样设置后，非接触型传感器信号发射装置发出的信号波射向第一反射体，通过反射面的发射，信号波转过90度后射向机器人的前后左右四个方向，在遇到障碍物或墙壁等物体后再反射回来，被设置在机器人上的传感器信号接收装置接收。由于本发明将传感器信号发射装置从机器人外表位置移至机器人的中心部位，像超声波传感器那样因为有时反射波历经的距离太短而与发射波叠加起来产生乱波形成的盲区的范围被机器人的外径抵消了一部分或可全部抵消。并且相对于机器人的周围表面，机器人中央发出的信号源扩散的范围大了，可以将原本需要安装在机器人一个方向的表面的多套传感器减为一套，又由于第一反射体的存在，原本需朝四个方向发射信号波的四套信号发射装置可改为朝向第一反射体的一套信号发射装置。

附图说明：

图1～图4为本发明的几种典型的机器人俯视图。

图5为图1或图2的所示机器人的前视图。

图6～图11为本发明的几种形态示意图。

图12为发明的机器人测距定位示意图。

具体实施方案：

在机器人的顶部或底部中央位置安装一个超声波或微波、红外线、光波等非接触型传感器信号发射装置2，在信号发射装置上方或下方的设置一个第一反射体1，第一反射体1为一个锥形的五面体，锥心对准非接触型传感器信号发射装置2的中心位置，第一反射体的反射面与非接触型传感器信号发射装置的表面呈45度左右的倾角，第一反射体的四个反射面分别朝向机器人的前后左右四个方向，反射面本身光滑，呈平面也可呈凹或凸面，非接触型传感器信号接收装置3可有下列几种形态：

1)与信号发射装置2合成一体，均位于第一反射体的上方或下方。比如超声波传感器将信号发射装置——电声换能器与信号接收装置——声电换能器合成一体是成熟的技术，并有具体的产品。

2)接收装置3也可装置位于信号发射装置2的上方或下方，它所朝向的那面也有一个第二反射体5，如图6～8；此第二反射体5也可与信号发射装置2所对的那个第一反射体1做在一起呈一个菱形体，如图6。

3)若以机器人的中央位置指向机器人正前方(与机器人前行的方向一致)为前方(下同)，接收装置3可设置于机器人外表面前、后、左、右位置，分别朝向前、后、左、右方向——即前方的传感器朝向前方，后方的传感器朝向后方，左方的传感器朝向左方，右方的传感器朝向右方(下同)，如图1～图2。

4)接收装置3位于第一反射体1的上方或位于信号发射装置2的周围，分别朝向机器人前、后、左、右方向。

5)接收装置3位于信号发射装置2的周围，朝向第一反射体1的反射面，第一反射体1的反射面可设计成凹形弧面，其聚焦点恰好在信号接收装置的中心部位，如图11。

6)接收装置3还可位于机器人的左前方和右后方外表面上，并分别朝向左前方和右后方，如图3～图4；或可位于机器人的右前方和左后方外表面上，并分别朝向右前方和左后方。不过这种设置方式在测距时要进行较复杂的换算。

如果是将非接触型传感器用于测距定位用，可用上述1)、2)、6)的接收装置的安装方式，设置一个或两个接收装置3，如图12：机器人在某一时刻开始发射信号波并接收回波，会在多个时间段接收到清晰的回波，根据波的传播速度和发射信号波到接收到回波的时间间隔，测算出机器人离墙壁的距离：d3、d1、d4、d2表示，如果回波信号足够强的话，还可能会有d4+d3、d1+d2等等，当然如果信号不够强，可能会测不到d4、d2，至于如何判断是d2还是d4+d3则是利用预期的距离与测到的距离差，与一个模糊的数值进行比较，在一个模糊的范围内判定。将测到的d1、d2、d3、d4中的两个或两个以上的距离与预期的距离进行比较，就能相对测定机器人目前的方位。

如果用上述3)、4)、5)的接收装置的安装方式，设置四个接收装置3，那么在机器人行走过程中，分别测算四个接收装置3的回波与信号波的发出的时间间隔，就能测出机器人目前离四面墙壁的四个距离中的一个或几个。将测到的与预期的距离进行比较，就能相对测定机器人目前的方位。同时这种设置方式还可以随时检测前后左右四个方向上的障碍物离机器人的距离——这也就是机器人的非接触型传感器使用的目的。

如果使用传感器是为了定位，如果机器人与墙壁之间有障碍物，那么如果机器人已经知道到障碍物的预期的距离——机器人已经探测过此障碍物并作过记录，那么定位是有效的；如果机器人找不到预期的距离与探测到的距离进行比较——即预期的距离与探测到的距离之差不在一个允许的范围内，那么这个距离可被记录并被作为以后检测时的参考预期距离，机器人需检测其它方向探测到的距离加以比较，或移过一定距离后再进行探测。

针对上述3)、4)、5)的接收装置的安装方式，非接触型传感器信号接收装置3设置的数量与机器人行走机构也有一定关系：如果机器人只能前后行走加上转弯——即传统的左右轮驱动方式，那么可在前后左右四个方向上安装三套接收装置；若机器人具有不需要转弯就能向左右方向移动的能力，那么最好安装四套信号接收装置。

另外，为了定位的准确性，可采用多种传感器方案：比如在机器人底部安装一套或多套光电鼠标的传感器套件，对机器人的每一次移动都进行检测，并将检测结果与超声波探测到的结果以及移动的预期距离进行比较，以确保定位相对准确；同时还可利用其它传感器对超声波一类的受温度变化影响的传感器进行温度补偿修正。

如果机器人的外径不足以完全抵消非接触型传感器的盲区，为了准确地检测障碍物，还需在机器人外表安装接触型传感器4。本发明可安装申请号为200410014461.0的发明申请说明书中所描述的接触型传感器。

反射体一般用密度较大的物质制成：比如超声波在界面被反射的程度决定于两种介质的声阻差——介质的密度和声速的乘积，声阻差越大，反射程度也越大。一般说来，一个信号发射装置发出的信号波被四个反射面反射至四个方向，每个方向的信号波强度比一个发射装置直接发出的要弱，但是由于只要发送一路，比起要发送四路信号，它更省电。当然为了提高信号波的强度，可适当选择功率大一些的发射装置或加大发射驱动能力。

若传感器接收装置3也被置于第一反射体1上面或下面并朝向反射面时，反射面可设计成凹面，其聚焦点恰好在接收装置的中央部位；而只有发射装置2位于第一反射体1上面或下面的情况中，反射面可根据需要设计为为平面或凹面或凸面，比如需检测障碍物的情况下，反射面可呈凸面，使发射的信号波发散的范围变大，而在只需定位的情况下，反射面可呈凹面，使接收的信号波强度增强。

传感器的发射、接收装置可直接卡置或粘置于机器人的外壳上或外壳的凹穴内，反射体卡置或粘置于一个固定在机器人外壳上的支架上。

本发明所述的传感器一般安装在机器人顶部中央位置，当然也可根据需要设置在顶部其它位置——不在中央位置，比如设置在顶部后方或右后方。如果机器人主体离地足够高，传感器也可安装在机器人底部，甚至将传感器安装在机器人内部，并在相对应的外壳上开设窗口——比如将传感器安装在机器人后面的外壳边缘附近，并朝正前方、左、右方向各开设一个信号波通道。

为简化起见，发射、接收装置上的引脚没有标示，传感器信号的发射、接收电路、信号处理过程均有成熟的技术，不加以说明。

Claims

1、一种机器人的非接触型传感器，其特征在于它包括若干个固定在机器人上的超声波或微波、红外线、光波非接触型传感器信号接收装置(3)和一个超声波或微波、红外线、光波非接触型传感器信号发射装置(2)，以及锥心对准非接触型传感器信号发射装置(2)中心位置的一个锥形五面体型第一反射体(1)，第一反射体(1)的四个反射面分别朝向机器人的前、后、左、右四个方向，反射面本身光滑，呈平面或呈凹、凸面。

2、根据权利要求1所述的一种机器人的非接触型传感器，其特征在于所述的非接触型传感器信号接收装置(3)与信号发射装置(2)合成一体，反射体的锥心也对准接收装置(3)。

3、根据权利要求1所述的一种机器人的非接触型传感器，其特征在于所述的非接触型传感器信号接收装置(3)位于信号发射装置(2)的上方或下方，非接触型传感器信号接收装置(3)所朝向的那面还设置一个第二反射体(5)。

4、根据权利要求3所述的一种机器人的非接触型传感器，其特征在于所述的第二反射体(5)与信号发射装置(2)所对的那个第一反射体(1)做在一起呈一个菱形体。

5、根据权利要求1所述的一种机器人的非接触型传感器，其特征在于所述的非接触型传感器信号接收装置(3)位于机器人外表面的前、后、左、右位置，分别朝向前、后、左、右方向。

6、根据权利要求1所述的一种机器人的非接触型传感器，其特征在于所述的非接触型传感器信号接收装置(3)位于反射体(1)的上方或位于信号发射装置(2)的周围，分别朝向前、后、左、右方向。

7、根据权利要求1所述的一种机器人的非接触型传感器，其特征在于所述的非接触型传感器信号接收装置(3)位于信号发射装置(2)的周围，朝向同一侧的反射体(1)的反射面。