CN206421228U - 一种智能机器人及其用户定位结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能机器人及其用户定位结构，后者包括设置于所述头部的水平信号接收组件、设置于所述躯干侧向的竖直信号接收组件，和两个扫描组件；两个扫描组件中的一者为水平方向扫描组件，另一者为竖直方向扫描组件；该用户定位结构能够准确判断用户的方位、距离、高度等位置参数，且具有较好的抗干扰能力，提高测量精准度。

Description

一种智能机器人及其用户定位结构

技术领域

本实用新型涉及定位设备技术领域，具体涉及一种用于智能机器人的用户定位结构。本实用新型还涉及一种包括该用户定位结构的智能机器人。

背景技术

在智能机器人的工作过程中，需要利用用户定位结构确定用户的所在方位、距离、高度等参数，以便于根据用户位置做出相应的反馈动作。对于用户定位结构需要同时兼顾以下需求：首先，此定位系统不能对用户造成太大负担，不可对人体造成伤害；且不侵犯隐私，故排除摄像头采集图像识别的方式；由于需要在用户身上放置信标，该信标不能耗能过大，否则电池很大很重；全角度发射，不管用户面朝哪个方向，都不影响定位；要能适应室内室外等多种场合；能区别使用相同装置的其他用户，因此识别方式中需要包含信号配对或用户编码；距离定位范围和误差在可接受的范围之内；由于经常使用，定位过程尽量不要发出噪声。

现有的无线定位技术，适用于近距离精确定位的基本原理有基于信号强度SSOA、基于信号到达时间TOA、基于信号到达时间差TDOA和基于信号到达角度AOA。其中，基于信号强度的多采用蓝牙，根据机器人上设置多个蓝牙的信号强度判断距离，但信号强度与距离的关系受环境影响非常大，定位精度几乎按米计算，无法达到厘米级；基于信号到达时间的可采用超声波主动或被动发射，精度较高，速度也快。由于超声波容易被遮挡，所以只能设置在用户体表，且单个超声波发射角度约60度左右，增加圆锥装置或设置多个超声波以实现全角度发射会造成体积过大，重量过重，且超声波具有机械能，虽然功率很低但长期在用户身上贴身使用，是否对人体有害还不能确定，为区别不同用户，超声波需要携带用户编码信号，超声波的抗干扰性较低；基于信号到达时间差的，如采用电磁波，波速为光速，近距离内时间差过小难以测量，多采用声波的形式，与超声波的测量原理基本雷同。

因此，提供一种用于智能机器人的用户定位结构，以期能够准确判断用户的方位、距离、高度等位置参数，且具有较好的抗干扰能力，提高测量精准度，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于智能机器人的用户定位结构，以期能够准确判断用户的方位、距离、高度等位置参数，且具有较好的抗干扰能力，提高测量精准度。本实用新型的另一目的是提供一种包括上述用户定位结构的智能机器人。

为实现上述目的，本实用新型提供一种用于智能机器人的用户定位结构，所述智能机器人包括躯干、通过滚珠转盘安装于所述躯干的头部，和机械手臂；所述用户定位结构包括设置于所述头部的水平信号接收组件、设置于所述躯干侧向的竖直信号接收组件，和两个扫描组件；两个扫描组件中的一者为水平方向扫描组件，另一者为竖直方向扫描组件；其中，所述水平信号接收组件包括底板、多个通过支架安装于所述底板的第一红外线接收头，和设置于相邻两所述第一红外线接收头之间的第一屏蔽罩；各所述第一红外线接收头的分布轨迹呈圆形，相邻两所述第一屏蔽罩之间具有第一预设角度，所述支架固接于所述底板，所述第一屏蔽罩固接于所述支架；所述竖直信号接收组件包括第二红外线接收头，和设置于相邻两所述第二红外线接收头之间的第二屏蔽罩，各所述第二红外线接收头的分布轨迹呈半圆形，相邻两所述第二屏蔽罩之间具有第二预设角度；所述扫描组件包括红外扫描器、超声波测距模块，以及驱动所述红外扫描器和超声波测距模块在预设范围内摆动的转动装置。

本实用新型采用基于信号到达角度的可采用红外线扫描的形式，红外线发射头发射角度大，且单个发射头体积小能耗低，可设置多个信标以覆盖全角度。接收头则用黑色不透明屏蔽罩遮住，只留一个小角度的开口，使得接收头只能接受特定角度范围内的红外线信号。当扫描器扫过一个角度后，会得出只有其中一部分的角度可以获得信号；该种红外线扫描的方式对人体无害，且红外线人眼不可见，不会对用户造成干扰，光线直线性好，对于入射角度的测量可以比较精确。红外线抗干扰性较强，通信也有现成的通信协议。扫描器可再增加一个超声波测距模块，在测角度的同时也对距离数据进行采集，用于交叉验证。由于是从机器人方向射出的超声波，距离用户较远，理论上不会对人体健康造成影响。该用户定位结构能够准确判断用户的方位、距离、高度等位置参数，且具有较好的抗干扰能力，提高测量精准度。

进一步地，所述扫描组件还包括L型支架，所述L型支架与所述转动装置的步进电机的摇臂螺栓连接，所述红外扫描器和所述超声波测距模块均安装于所述L型支架上。

进一步地，所述扫描组件还包括红外扫描器安装支架和超声波测距模块安装支架，所述红外扫描器通过所述红外扫描器安装支架安装于所述L型支架，所述超声波测距模块通过所述超声波测距模块安装支架安装于所述L型支架。

进一步地，所述转动装置包括安装面板、与所述安装面板螺栓连接的步进电机，和与所述步进电机的转动轴通过顶丝卡接的摇臂；所述红外扫描器和所述超声波测距模块与所述摇臂固定连接，并随所述摇臂在所述步进电机的驱动下摆动。

进一步地，所述转动装置还包括微动开关，所述微动开关通过开关支架安装于所述安装面板上。

进一步地，所述第一红外线接收头的数量为24个，且相邻两所述第一屏蔽罩之间的第一预设角度为15°；且/或，所述第二红外线接收头的数量为12个，且相邻两所述第二屏蔽罩之间的第二预设角度为15°。

进一步地，相邻两所述第一屏蔽罩之间和/或两所述第二屏蔽罩之间设置有滤光片。

本实用新型还提供一种智能机器人，包括躯干、通过滚珠转盘安装于所述躯干的头部，和机械手臂；还包括如上所述的用户定位结构。

附图说明

图1为本实用新型所提供的用户定位结构一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1所示用户定位结构中水平信号接收组件的结构示意图；

图3为图2所示水平信号接收组件中第一红外线接收头的结构示意图；

图4-图5为第一红外线接收头的尺寸示意图；

图6为图1所示用户定位结构中竖直信号接收组件的结构示意图；

图7为图1所示用户定位结构中超声波测距模块的结构示意图；

图8为图1所示用户定位结构中转动装置的结构示意图；

图9为扫描器所需的扫描角度范围；

图10为NEC红外通信协议。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1-8所示，在一种具体实施方式中，本实用新型提供的用户定位结构用于智能机器人，所述智能机器人包括躯干101、通过滚珠转盘102安装于所述躯干101的头部103，和机械手臂104；所述用户定位结构包括设置于所述头部的水平信号接收组件1、设置于所述躯干101侧向的竖直信号接收组件2，和两个扫描组件3；两个扫描组件3中的一者为水平方向扫描组件，另一者为竖直方向扫描组件；水平方向扫描组件和竖直方向扫描组件的结构完全相同，仅安装方向不同，使得分别为水平方向扫描和竖直方向扫描。

其中，所述水平信号接收组件1包括底板11、多个通过支架安装于所述底板11的第一红外线接收头12，和设置于相邻两所述第一红外线接收头12之间的第一屏蔽罩13；各所述第一红外线接收头12的分布轨迹呈圆形，相邻两所述第一屏蔽罩13之间具有第一预设角度，所述支架固接于所述底板11，所述第一屏蔽罩13固接于所述支架；所述水平信号接收组件1包括第二红外线接收头21，和设置于相邻两所述第二红外线接收头21之间的第二屏蔽罩22，各所述第二红外线接收头21的分布轨迹呈半圆形，相邻两所述第二屏蔽罩22之间具有第二预设角度；所述扫描组件3包括红外扫描器31、超声波测距模块32，以及驱动所述红外扫描器31和超声波测距模块32在预设范围内摆动的转动装置。

应当理解的是，各红外线接头通过可以通过粘接、卡扣连接、螺钉连接等任何方式实现固定。

本实用新型采用基于信号到达角度的可采用红外线扫描的形式，红外线发射头发射角度大，且单个发射头体积小能耗低，可设置多个信标以覆盖全角度。接收头则用黑色不透明屏蔽罩遮住，只留一个小角度的开口，使得接收头只能接受特定角度范围内的红外线信号。当扫描器扫过一个角度后，会得出只有其中一部分的角度可以获得信号；该种红外线扫描的方式对人体无害，且红外线人眼不可见，不会对用户造成干扰，光线直线性好，对于入射角度的测量可以比较精确。红外线抗干扰性较强，通信也有现成的通信协议。扫描器可再增加一个超声波测距模块32，在测角度的同时也对距离数据进行采集，用于交叉验证。由于是从机器人方向射出的超声波，距离用户较远，理论上不会对人体健康造成影响。该用户定位结构能够准确判断用户的方位、距离、高度等位置参数，且具有较好的抗干扰能力，提高测量精准度。

为了提高安装可靠性和便利性，上述扫描组件3还包括L型支架33，所述L型支架33与所述转动装置的步进电机的摇臂34螺栓连接，所述红外扫描器31和所述超声波测距模块32均安装于所述L型支架33上；所述扫描组件3还包括红外扫描器安装支架和超声波测距模块安装支架，所述红外扫描器31通过所述红外扫描器安装支架安装于所述L型支架33，所述超声波测距模块32通过所述超声波测距模块安装支架安装于所述L型支架33。具体地，超声波测距模块32的发射头和接收头间距为6.6毫米，正好可以将红外线的屏蔽罩夹在中间，将两个模块结合在一起，红外线的屏蔽罩直接粘在红外扫描安装支架上，红外扫描安装支架的底部则通过螺丝与L型支架33连接，同时超声波测距模块安装支架以螺丝与L型支架33连接。L型支架33以螺丝和步进电机的摇臂43连接，使得通过步进电机的转动同步转动超声波测距模块32和红外线扫描模块。

进一步地，上述转动装置包括安装面板41、与所述安装面板41螺栓连接的步进电机42，和与所述步进电机42的转动轴通过顶丝卡接的摇臂43；所述红外扫描器31和所述超声波测距模块32与所述摇臂43固定连接，并随所述摇臂43在所述步进电机42的驱动下摆动。理论上，为了驱动红外扫描器31和超声波测距模块32的运动，转动装置也不局限于上述结构，其也可以为连杆结构等其他形式。

上述转动装置还包括微动开关44，所述微动开关44通过开关支架安装于所述安装面板41上。用于驱动扫描器转动的步进电机42选择28BYJ-48步进电机加ULN2003驱动最小转动可达0.088度，更高级的驱动器可使最小转动角度达0.0003度。但是步进电机42本身不能知道当前所转向的位置，要现实角度控制，可在一侧安装一个微动开关，当朝一个方向转动，屏蔽罩碰到微动开关后，此时的位置作为一个基准点即可，由于步进电机42转动可靠，屏蔽罩也很轻，所以不需要经常初始化。

具体地，所述第一红外线接收头12的数量为24个，且相邻两所述第一屏蔽罩13之间的第一预设角度为15°；且/或，所述第二红外线接收头21的数量为12个，且相邻两所述第二屏蔽罩22之间的第二预设角度为15°。

各第一红外接收头(包括各第一红外线接收头12和各第二红外线接收头21)直接粘在各自的屏蔽罩(包括各第一屏蔽罩13和各第二屏蔽罩22)内侧，引脚通过小孔接出。由于红外接收头有6.0毫米宽，7.3毫米高，当屏蔽罩为15度角开口时，实际可探测角度会稍大一些。而在竖直方向上若需要大角度范围，屏蔽罩的高度相对于长度要比较大要才行。为避免屏蔽罩尺寸过大，则屏蔽罩的长度也要比较小。若屏蔽罩顶在圆心处聚合在一起，则本身就会被机器人头部的底板11遮挡，其他部件的安装也会较为困难，因此各自分开分别在圆的较外侧排列。如图2所示存在一个平行的探测盲区，圆的直径以20厘米计算，此盲区宽度约2.6厘米。虽然并不大但最好还是在设计时避免，因此实际中应将屏蔽罩的尺寸设计的探测范围要略大于15度。考虑到用户大致在三米范围内，将屏蔽罩的实际探测范围定为19度，距离37厘米以外就没有盲区了。探测时若出现同时被临近的两个接收头获取信号，则可知信号入射角在两个接收头中间的15度角之内。结合以上分析，最终头部的24个屏蔽罩的具体尺寸如图4-图5所示，尺寸均为不考虑屏蔽罩本身的内部空间尺寸，单位毫米。屏蔽罩直接粘在背后的安装支架上，安装支架底部有螺丝孔，必要时开口处设置850nm的滤光片以减少干扰。

需要指出的是，屏蔽罩的数量、间隔角度和开口角度等参数，不局限于上述限定数值，其应根据实际使用要求确定。

此外，竖直方向上还有12个用于角度预筛选的第二红外接收器，其原理与第一红外接收器相同。由于没有部件在两侧阻挡，因此竖直方向上的第二红外接收器可呈扇形紧密排列在一起，由于第二红外接收器背部宽度6毫米，可知背部所围成的半圆半径为23毫米。12个接收器通过支架安装在半圆形的安装板上，安装板通过螺丝安装到机器人躯干101上。

相邻两所述第一屏蔽罩13之间和/或两所述第二屏蔽罩22之间设置有滤光片。850nm滤光片，如果不是有明显干扰可以不要，只用普通透明塑料作为保护即可。

另外，需要指出的是，通过以上结构设计，会发现有大量的红外线接收头。而单片机如arduino中，红外接收只能有一个引脚，多个接收头的信号脚直接并联会互相干扰。若每个接收头用一个单片机控制会造成成本过高且难以控制。因此可通过74hc138这样的3-8译码器或74hc154这样的4-16译码器依次启动接收头，并将各个接收头先串联一个单向导通的二极管，从接收头的信号端向单片机端口方向导通，再并联到同一个端口的形式，使单个单片机通过少量IO口即可控制多个接收头。实测肖特基二极管SR360可以满足要求。现有红外发射协议如NEC，实测未作修改的情况下单个信号完全发送需要82毫秒至96毫秒。1秒内约发送10个信号，扫描器为接收每个信号至少要停留100毫秒左右才能转动到下一个角度，速度较慢。但有多种方式可以弥补这个问题。

方法一

如图9所示，首先设定用户的距离D有效范围为0.5米至3米，红外发射信标高度H为1.2米至2.0米，以机器人未升高时的高度计算，下方扫描器距地面h1为26厘米，上方扫描器距离地面h2为96厘米。上方扫描器角度为θ1，下方扫描器角度为θ2。根据公式tanθ1＝D/(H-h2)，tanθ2＝D/(H-h1)可得信标高度和距离计算公式H＝(tanθ1*h2-tanθ2*h1)/(tanθ1-tanθ2)，D＝tanθ1*(H-h2)，特殊情况当θ1＝90度时，H＝h2，D＝tanθ2*(h2-h1)，当θ2＝90度时，H＝h1，D＝tanθ1*(h1-h2)。则实际中θ1的范围是25.68度至85.43度，θ2的范围是16.03度至72.60度，用户的位置范围所产生的角度变化并没有180度，可只在预测范围内扫描。

方法二

初次完整扫描后，由于用户的位置变化是连续变化的，在移动速度不是非常大的情况下，可根据用户的九轴传感器对用户的移动进行计算，结合机器人自身的指南针模块计算用户大致的移动位置，通过小角度扫描器的持续来回摆动对用户进行实时定位。

方法三

适当增加单片机数量，原本一个单片机控制的接收器，分开两个单片机来控制即可减少一半的时间。且最便宜的单片机成品成本大约十几元左右，不算过于昂贵，自制的单片机系统成本可进一步减少。

方法四

如图10所示，NEC通信协议采用38khz的载波，单个脉冲560微秒，包含约21个时钟周期。“0”和“1”以低电平的长度来区别，共32位。理论上有很大的压缩空间，将单个信号发送的时间缩短，接收器的接收速度也可以提高。根据逻辑分析仪实测，红外发射端将编码时间缩短可以正常发射，但一体化红外接收端的解调会出现很大错误，如需缩短红外协议的时间，需要对红外接收头的解调电路进行调整。

下面以上述具体实施方式为例，简述该用户定位结构的工作过程：

S1：当接收到用户发来数据，得知用户基本处于静止状态时，可进行红外定位扫描。

S2：由于红外线信号互相间会干扰，因此通过先在机器人表面围成一圈，设置24个固定的红外接收头，每个接收头通过屏蔽罩遮挡，使得每个接收头接收约15度角范围内的红外信号。而该水平方向只有15度角的接收头在竖直方向上则要尽可能接收大角度范围的信号，适应用户的不同身高及站立坐下等状态。15度角在3米远处弧长大约0.785米，2米远处大约0.52米，1米远处大约0.26米。基本可以满足只检测到用户一人的信号的需求。

S3：当完成步骤S1时，考虑到误差，基本已将用户的方位确定在30度角以内。然后机器人自身转向，将用于精确测量角度的红外扫描器31朝向用户方向。

S4：水平方向的扫描器的屏蔽罩开口较小，只能获取1度角范围的红外信号，和一个超声波测距结合在一起。根据事先判断的角度，在一定范围内水平扫描，当可以读取到用户的红外信号时，记录当前的角度和超声波测距数据。理论上取所得角度的平均值即可得到用户红外信号的入射角，实际中需要算法优化。扫描的转动电机，虽然用舵机更加便于控制，但是舵机转动会有很大的噪声，故采用步进电机42，通过设置微动开关对步进电机42进行初始化设置。

S5：根据水平方向的精确角度，机器人再进行旋转微调，使得上下竖直方向的扫描器基本对准用户。虽然红外线扫描其实不用这么对准，但超声波由于发射角度较小，对准的情况下，能确保超声波射到用户的身上。

S6：同时启动上下两个的12个红外接收头，每个只接受15度角的红外信号，在竖直方向上预先筛选用户所处角度。

S7：在确定好上下两个点所对应的大致角度后，再用只能接受1度角的接收头在所得角度范围内进行精确扫描，以及超声波测距数据的读取。把记录下来的角度取均值即为用户红外信号入射角度，同时可得相应角度上的超声波测距数据。

S8：单纯根据上下两个扫描器的角度数据以及实现测量过的两个扫描器间的距离即可计算得到用户信标的距离和高度。而根据上下两个超声波在对准用户信标时所测得的距离数据，可再次计算得到用户信标的距离和高度，与红外线所得的数据可以互相校验进一步提高准确度。

S9：用户瞬时的移动状态和姿态则由用户信标上的9轴传感器获得的数据进行计算，并通过NRF24L01传送给机器人。

该定位装置除了定位用户，也可以用于各种设备物品的定位，如充电器的位置。只需在充电器上设置一个红外发射头，发射特定的信号使得机器人知道这个是充电器即可通过同样的原理定位。

除了上述用户定位结构，本实用新型还提供一种包括该用户定位结构的智能机器人，该智能机器人的其他各部分结构请参考现有技术，在此不作赘述。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于智能机器人的用户定位结构，所述智能机器人包括躯干、通过滚珠转盘安装于所述躯干的头部，和机械手臂；其特征在于，所述用户定位结构包括设置于所述头部的水平信号接收组件、设置于所述躯干侧向的竖直信号接收组件，和两个扫描组件；两个扫描组件中的一者为水平方向扫描组件，另一者为竖直方向扫描组件；

所述水平信号接收组件包括底板、多个通过支架安装于所述底板的第一红外线接收头，和设置于相邻两所述第一红外线接收头之间的第一屏蔽罩；各所述第一红外线接收头的分布轨迹呈圆形，相邻两所述第一屏蔽罩之间具有第一预设角度，所述支架固接于所述底板，所述第一屏蔽罩固接于所述支架；

所述竖直信号接收组件包括第二红外线接收头，和设置于相邻两所述第二红外线接收头之间的第二屏蔽罩，各所述第二红外线接收头的分布轨迹呈半圆形，相邻两所述第二屏蔽罩之间具有第二预设角度；

所述扫描组件包括红外扫描器、超声波测距模块，以及驱动所述红外扫描器和超声波测距模块在预设范围内摆动的转动装置。

2.根据权利要求1所述的用于智能机器人的用户定位结构，其特征在于，所述扫描组件还包括L型支架，所述L型支架与所述转动装置的步进电机的摇臂螺栓连接，所述红外扫描器和所述超声波测距模块均安装于所述L型支架上。

3.根据权利要求2所述的用于智能机器人的用户定位结构，其特征在于，所述扫描组件还包括红外扫描器安装支架和超声波测距模块安装支架，所述红外扫描器通过所述红外扫描器安装支架安装于所述L型支架，所述超声波测距模块通过所述超声波测距模块安装支架安装于所述L型支架。

4.根据权利要求1所述的用于智能机器人的用户定位结构，其特征在于，所述转动装置包括安装面板、与所述安装面板螺栓连接的步进电机，和与所述步进电机的转动轴通过顶丝卡接的摇臂；所述红外扫描器和所述超声波测距模块与所述摇臂固定连接，并随所述摇臂在所述步进电机的驱动下摆动。

5.根据权利要求4所述的用于智能机器人的用户定位结构，其特征在于，所述转动装置还包括微动开关，所述微动开关通过开关支架安装于所述安装面板上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于智能机器人的用户定位结构，其特征在于，所述第一红外线接收头的数量为24个，且相邻两所述第一屏蔽罩之间的第一预设角度为15°；且/或，所述第二红外线接收头的数量为12个，且相邻两所述第二屏蔽罩之间的第二预设角度为15°。

7.根据权利要求1-5任一项所述的用于智能机器人的用户定位结构，其特征在于，相邻两所述第一屏蔽罩之间和/或两所述第二屏蔽罩之间设置有滤光片。

8.一种智能机器人，包括躯干、通过滚珠转盘安装于所述躯干的头部，和机械手臂；其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的用户定位结构。