CN213616711U - 超声波传感器阵列结构、移动机器人本体及移动机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及移动机器人技术领域，公开了一种超声波传感器阵列结构、移动机器人本体及移动机器人，该超声波传感器阵列结构包括：立柱状壳体以及自下而上垂直布置在所述立柱状壳体侧壁上的三组超声波传感器组，第一超声波传感器组位于壳体侧壁底部，并且包括左前、右前、左侧前、右侧前传感器；第二超声波传感器组位于壳体侧壁中部，并且包括正前、左前、右前、左侧前、右侧前、左斜侧和右斜侧传感器；第三超声波传感器组位于壳体侧壁顶部，并且包括左前、右前、左侧前、右侧前传感器。通过上述方式，本实用新型实施例实现了对多高度、多方向障碍物的超声感测，尤其适用于移动机器人中，提升避障效果。

Description

超声波传感器阵列结构、移动机器人本体及移动机器人

技术领域

本实用新型实施例涉及移动机器人技术领域，具体涉及一种超声波传感器阵列结构、移动机器人本体及移动机器人。

背景技术

目前的移动机器人通常选用多种传感器组合进行避障，包括TOF摄像头、激光雷达和超声波传感器。为了增强安全性，一个机器人本体可能会安装多组超声波传感器进行避障。然而超声波传感器具有一定的感测范围，不合理的超声波传感器布置，容易造成避障盲区。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型实施例提供了一种超声波传感器阵列结构、移动机器人本体以及移动机器人，以克服移动机器人超声避障盲区问题，提升避障效果。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种超声波传感器阵列结构，包括：立柱状壳体，以及自下而上布置在所述立柱状壳体侧壁上的第一超声波传感器组、第二超声波传感器组和第三超声波传感器组，其中所述第一超声波传感器组位于所述立柱状壳体侧壁的底部，并且包括左右对称、水平分布的第一左前传感器、第一右前传感器、第一左侧前传感器、第一右侧前传感器；所述第二超声波传感器组位于所述立柱状壳体侧壁的中部，并且包括左右对称、水平分布的正前传感器、第二左前传感器、第二右前传感器、第二左侧前传感器、第二右侧前传感器、左斜前传感器、右斜前传感器；所述第三超声波传感器组位于所述立柱状壳体侧壁的顶部，并且包括左右对称、水平分布的第三左前传感器、第三右前传感器、第三左侧前传感器、第三右侧前传感器。

在一种可选的方式中，所述超声波传感器阵列结构还包括第四超声波传感器组，所述第四超声波传感器位于所述立柱状壳体侧壁的中部，并且包括左右对称、水平分布的左后传感器、右后传感器、左侧后传感器、右侧后传感器。

在一种可选的方式中，所述第四超声波传感器组与所述第二超声波传感器组处于同一水平高度。

在一种可选的方式中，所述第一超声波传感器组、所述第二超声波传感器组、所述第三超声波传感器组在高度方向上等距布置。

在一种可选的方式中，所述第二超声波传感器组中各个传感器的检测角度在15°以内。

在一种可选的方式中，所述立柱状壳体侧壁包括拼接围合的前面板、后背板、左侧板、右侧板，以及位于所述前面板与所述左侧板之间的左斜前板、位于所述前面板与所述右侧板之间的右斜前板，其中，所述正前传感器、所述左前传感器、所述右前传感器位于所述前面板上；所述左侧前传感器、所述左侧后传感器位于所述左侧板上，所述右侧前传感器、所述右侧后传感器位于所述右侧板上；所述左斜侧传感器位于所述左斜前板上，所述右斜传感器位于所述右斜前板上；所述左后传感器、所述右后传感器位于所述后背板上。

根据本实用新型实施例的另一方面，提供了一种移动机器人本体，包括所述的超声波传感器阵列结构。

根据本实用新型实施例的另一方面，提供了一种移动机器人，包括所述的移动机器人本体。

在一种可选的方式中，所述第一超声波传感器组距所述移动机器人底部的垂直距离小于20cm。

在一种可选的方式中，所述第三超声波传感器组距所述移动机器人顶部的垂直距离在5cm至20cm之间。

本实用新型实施例通过将超声波传感器阵列结构设计为自下而上布置在壳体上的三组超声波传感器组，并分别设置将每组多个传感器各自的位置，实现超声波传感器的合理布置，使得多个传感器协同工作，能够同时感测多种高度、多个角度方向的障碍物，减小盲区，在用于移动机器人时，能够有效提升机器人的避障能力。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的超声波传感器阵列结构的立体结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的超声波传感器阵列结构另一角度的立体结构示意图。

具体实施方式中的附图标号如下：

第一左前传感器11，第一右前传感器12，第一左侧前传感器13，第一右侧前传感器14；正前传感器20，第二左前传感器21，第二右前传感器22，第二左侧前传感器23，第二右侧前传感器24，左斜前传感器25，右斜前传感器26；第三左前传感器31，第三右前传感器32，第三左侧前传感器33，第三右侧前传感器34；左后传感器41，右后传感器42，左侧后传感器43，右侧后传感器44。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

现有移动机器人主要通过激光雷达进行避障，通过超声波传感器进行辅助。这是因为激光雷达能检测远距离障碍物，但是单线和多线激光雷达都存在一定的盲区，需要超声波传感器进行辅助检测。然而，超声波传感器安放位置并没有统一规范，部分移动机器人仅安装有一两个超声传感器；也有些移动机器人安装有多个超声波传感器，多个超声波传感器的位置布置若不合理，则无法有效实现机器人的全身避障。

本发明人在实践中发现，移动机器人在移动过程中，在不同的高度位置和不同的方向，对超声波传感器避障感测有不同的需求。在此基础上，发明人设计了本实用新型实施例的超声波传感器阵列结构，以使用相对较少的超声波传感器，实现移动机器人移动过程中的全身避障。

请参阅图1和图2，分别示意性地示出了本实用新型实施例提供的超声波传感器阵列结构两个角度的立体图。

本实用新型实施例提供的超声波传感器阵列结构包括立柱状壳体，以及布置在壳体侧壁上的三组超声波传感器组，自下而上依次为第一超声波传感器组、第二超声波传感器组和第三超声波传感器组。

第一超声波传感器组位于立柱状壳体侧壁的底部，用于感测机器人行进路径中低高度范围的障碍物，例如台阶。该超声波传感器组包括左右对称设置并处于相同水平高度的四个超声波传感器，这四个超声波传感器分别设置在壳体侧壁的左前方、右前方、左侧前方和右侧前方。其中，第一左前传感器11和第一右前传感器12用于感测机器人行进方向前方低高度范围内的障碍物；第一左侧前传感器13和第一右侧前传感器14分别用于感测机器人左右两侧、行进方向前部的低高度范围内的障碍物。

由于低高度范围内障碍物对机器人行进的阻碍主要体现在行进方向的前方，因此将第一超声波传感器组的四个传感器均设置在行进方向的前部，以在有效避障与成本增加之间获得平衡。

第二超声波传感器器组位于立柱状壳体侧壁的中部，作为主要的障碍物感测传感器组，用于感测机器人行进路径中各个高度的障碍物。该超声波传感器组包括左右对称设置并处于相同水平高度的七个超声波传感器，这七个超声波传感器分别设置在壳体侧壁的正前方、左前方、右前方、左侧前方、右侧前方、左斜前方和右斜前方。

其中，正前方传感器20、第二左前传感器21、第二右前传感器22用于感测机器人行进方向前方的障碍物；第二左侧前传感器23和第二右侧前传感器24分别用于感测机器人左右两侧、行进方向前部的障碍物。不同于第一超声波传感器组，该第二超声波传感器组还设置左斜前传感器25和右斜前传感器26，分别用于感测机器人行进方向斜前方左右两侧的障碍物。

由于该组的感测范围涵盖机器人主体部分更大高度范围内的障碍物，而该高度范围内，障碍物的形状和出现方向较为多样。因此传感器的分布需要更为密集，且传感器布置的方向更多。采用上述七个传感器，使得该超声波传感器阵列结构对障碍物的感测范围能够涵盖机器人前进路径的各个角度，有效避免了避障感测盲区。

在一些实施例中，第二超声波传感器组中各个传感器的检测角度可以设置在15°以内，以避免各个传感器彼此之间相互干扰。当然，这并非必须，在使用不同类型、型号的超声波传感器的具体实施例中，或者在第二超声波传感器组包括超过七个传感器的具体实施例中，或者在超声波传感器阵列结构具有特殊形状或尺寸的具体实施例中，各个传感器也可以具有更大的的检测角度。

第三超声波传感器组位于立柱状壳体侧壁的上部，用于感测与机器人高度相当的中空的障碍物，例如隔离带或者桌子等。该超声波传感器组与第一超声波传感器组类似，包括左右对称设置并处于相同水平高度的四个超声波传感器，这四个超声波传感器分别设置在壳体侧壁的左前方、右前方、左侧前方和右侧前方。

其中，第三左前传感器31和第三右前传感器32用于感测机器人行进方向前方与机器人高度相当空间范围内的障碍物；第三左侧前传感器33和第三右侧前传感器34分别用于感测机器人左右两侧、行进方向前部与机器人高度相当空间范围内的障碍物。

与第一超声波传感器组类似，由于在与机器人高度相当的空间范围内，障碍物对机器人行进的阻碍主要体现在行进方向的前方，因此将第三超声波传感器组的四个传感器均设置在行进方向的前部，以在有效避障与成本增加之间获得平衡。

本实用新型实施例通过将超声波传感器阵列结构设计为自下而上布置在壳体侧壁上的三组超声波传感器组，并分别设置将每组多个传感器各自的位置、感测角度，实现超声波传感器的合理布置，使得多个传感器协同工作，能够同时感测多种高度、多个角度方向的障碍物，减小避障盲区，在用于移动机器人时，能够有效提升机器人的避障能力，实现全身避障。

请继续参阅图1和图2，在图中所示的具体实施例中，该超声波传感器阵列结构还可以包括第四超声波传感器组，用于在机器人倒退或转弯时，感测进行路径中位于机器人后方及后侧方的障碍物。第四超声波传感器位于所述立柱状壳体侧壁的中部，并且包括左右对称设置并处于相同水平高度的四个超声波传感器，这四个超声波传感器分别设置在壳体侧壁的左后方、右后方、左侧后方和右侧后方。

其中，左后传感器41和右后传感器42用于感测机器人倒退或转弯时后方的障碍物，左侧后传感器43和右侧后传感器44分别用于感测机器人左右两侧后部的障碍物。

由于机器人在倒退或转弯时的路径，通常是机器人前进时已经经过的路径，并且相较于前进，倒退动作通常没有太高频率，倒退的路径长度也不会太长。因此，兼顾避障效果与设备成本，第四超声波传感器组可以设置在立柱状壳体侧壁的中部，使得传感器能够在具有更大障碍物出现概率的、较大的高度范围内进行感测。

本领域技术人员应当理解，每组超声波传感器组中的各个传感器，以及不同组的传感器之间，彼此应当间隔布置以避免相互之间产生干扰。

在图中所示的具体实施例中，第四超声波传感器组与第二超声波传感器组处于同一水平高度。如此能够方便产品的设计，且能够使第二超声波传感器组(作为机器人前进时的避障避障感测装置)与第四超声波传感器组(作为机器人倒退和转弯时的避障感测装置)两者均处于最优的水平高度，均能够测量更大高度范围内的障碍物。

本领域技术人员应当理解，在其他实施例中，第二与第四超声波传感器组也可以处于不同的水平高度，例如第四超声波传感器组也可以高于或低于第二超声波传感器组，以适应特定的应用场景。

在图中所示的具体实施例中，第一超声波传感器组、第二超声波传感器组/第四超声波传感器组、第三超声波传感器组在高度方向上等距布置。亦即，第二/第四超声波传感器组位于第一和第三超声波传感器组在高度方向上的中部。如此，使得每组的各个传感器能够各自均匀覆盖一定的感测范围，从而更有效地避免感测盲区，有利于移动机器人的全身避障。

本领域技术人员应当理解，在其他实施例中，几组超声波传感器组也可以不等距布置，以适应特定的应用场景。

在图中所示的具体实施例中，立柱状壳体侧壁包括前面板、后背板、左侧板、右侧板，以及位于所述前面板与所述左侧板之间的左斜前板、位于所述前面板与所述右侧板之间的右斜前板。其中，正前传感器20，左前传感器 11、21、31，右前传感器12、22、32位于前面板上；左侧前传感器13、23、 33和左侧后传感器43位于左侧板上；右侧前传感器14、24、34和右侧后传感器44位于右侧板上；左斜侧传感器25位于左斜前板上，右斜侧传感器26位于右斜前板上；左后传感器41和右后传感器42位于后背板上。

正前传感器20、左前传感器11、21、31和右前传感器12、22、32位于前面板上，方便在安装这些传感器时，设置各自感测方向和感测范围为机器人行进方向的前方。左侧前传感器13、23、33和左侧后传感器43位于左侧板上；右侧前传感器14、24、34和右侧后传感器44位于右侧板上，方便在安装这些传感器时，设置各自感测方向和感测范围为机器人行进方向的两侧；左斜侧传感器25位于左斜前板上，右斜侧传感器26位于右斜前板上，方便在安装这些传感器时，设置各自感测方向和感测范围为机器人行进方向的左右斜前方；左后传感器41和右后传感器42位于后背板上，方便在安装这些传感器时，设置各自感测方向和感测范围为机器人后方。

本领域技术人员应当理解，在上述实施例中，将立柱状壳体侧壁设置为几部分，有利于超声波传感器阵列结构的装配，以及各个超声波传感器的安装、维修和更换。壳体侧壁可以各个独立的部分拼接围合而成，也可以是其中的几个部分为一体结构，并与其他部分拼接围合。例如前面板与左右斜前板可以是分开的三块板，也可以是弧形的一体结构。

本实用新型实施例的超声波传感器阵列结构适用于移动机器人的本体中。例如可以作为移动机器人本体的外壳部分。本实用新型实施例还提供使用了该移动机器人本体的移动机器人。例如可以在移动机器人的主体结构部分底部安装移动装置，例如轮组结构及电机，使其能够驱动移动机器人移动。移动机器人的主体结构上还可以安装各个部件，例如附带功能的头部结构、机械臂结构等等。

在移动机器人的一个具体实施例中，为了确保对低高度障碍物的有效感测，第一超声波传感器组距移动机器人底部的垂直距离小于20cm。亦即，在使用中，该组传感器距离地面的高度小于20cm。然而这并非必须，在其他实施例中，在应用于不同场景时，可以根据需要调整第一超声波传感器组的垂直高度。

一些实施例中，为了确保检测到与机器人高度相当的高度范围空间内的障碍物，可以将第三超声波传感器组的位置设置为距离移动机器人顶部的垂直距离不小于5cm，且尽量保持距离机器人顶部靠近，例如距离机器人顶部的垂直距离在20cm以内。以便对桌子、隔离带等障碍物能有效感测。

需要注意的是，除非另有说明，本实用新型实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型实施例所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本实施新型实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。

此外，技术术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实施新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“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；也可以是机械连接，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实施例中的具体含义。

在本实施新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种超声波传感器阵列结构，其特征在于，所述超声波传感器阵列结构包括：立柱状壳体以及自下而上布置在所述立柱状壳体侧壁上的第一超声波传感器组、第二超声波传感器组和第三超声波传感器组，其中

所述第一超声波传感器组位于所述立柱状壳体侧壁的底部，并且包括左右对称、水平分布的第一左前传感器、第一右前传感器、第一左侧前传感器、第一右侧前传感器；

所述第二超声波传感器组位于所述立柱状壳体侧壁的中部，并且包括左右对称、水平分布的正前传感器、第二左前传感器、第二右前传感器、第二左侧前传感器、第二右侧前传感器、左斜侧传感器、右斜侧传感器；

所述第三超声波传感器组位于所述立柱状壳体侧壁的顶部，并且包括左右对称、水平分布的第三左前传感器、第三右前传感器、第三左侧前传感器、第三右侧前传感器。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列结构，其特征在于，还包括第四超声波传感器组，所述第四超声波传感器位于所述立柱状壳体侧壁的中部，并且包括左右对称、水平分布的左后传感器、右后传感器、左侧后传感器、右侧后传感器。

3.根据权利要求2所述的超声波传感器阵列结构，其特征在于，所述第四超声波传感器组与所述第二超声波传感器组处于同一水平高度。

4.根据权利要求1所述的超声波传感器阵列结构，其特征在于，所述第一超声波传感器组、所述第二超声波传感器组、所述第三超声波传感器组在高度方向上等距布置。

5.根据权利要求1或2所述的超声波传感器阵列结构，其特征在于，所述第二超声波传感器组中各个传感器的检测角度在15°以内。

6.根据权利要求2所述的超声波传感器阵列结构，其特征在于，

所述立柱状壳体侧壁包括拼接围合的前面板、后背板、左侧板、右侧板，以及位于所述前面板与所述左侧板之间的左斜前板、位于所述前面板与所述右侧板之间的右斜前板，其中，

所述正前传感器、所述左前传感器、所述右前传感器位于所述前面板上；所述左侧前传感器、所述左侧后传感器位于所述左侧板上，所述右侧前传感器、所述右侧后传感器位于所述右侧板上；所述左斜侧传感器位于所述左斜前板上，所述右斜侧传感器位于所述右斜前板上；所述左后传感器、所述右后传感器位于所述后背板上。

7.一种移动机器人本体，其特征在于，所述移动机器人本体包括：如权利要求1-6中任意一项所述的超声波传感器阵列结构。

8.一种移动机器人，其特征在于，所述移动机器人包括：如权利要求7所述的移动机器人本体。

9.根据权利要求8所述的移动机器人，其特征在于，所述第一超声波传感器组距所述移动机器人底部的垂直距离小于20cm。

10.根据权利要求8所述的移动机器人，其特征在于，所述第三超声波传感器组距所述移动机器人顶部的垂直距离在5cm至20cm之间。

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