TW201430368A - 可全角度平面掃描之自走式機器人及其雷射測距模組 - Google Patents

Abstract

一種可全角度平面掃描之自走式機器人，包含：殼體，具有容置空間、第一及第二區域，第一區域具有第一通孔，第二區域具有至少一第二通孔；雷射測距模組，設置容置空間，且包含：感測單元，與第一通孔相對應，且射出雷射光束以及接收反射光，依據反射光取得距離資訊；以及至少一光纖導管，光纖導管具有第一及第二端部，第一端部光耦接於感測單元，第二端部係設置於第二通孔；當雷射光束掃描第一區域之外時，會經由第一通孔射出雷射光束及接收反射光，當雷射光束掃描至第二區域之外時，會經由光纖導管於第二通孔射出雷射光束及接收反射光。

Description

可全角度平面掃描之自走式機器人及其雷射測距模組

本案係關於一種自走式機器人及其測距儀，尤指一種可全角度平面掃描之自走式機器人及其雷射測距模組。

隨著科技發展日新月異，自走式機器人可應用於，例如自動進行搬運、清掃等工作或提供娛樂、教育等功能，而在自走式機器人於一範圍內移動運作時，需不斷地對環境進行掃描偵測。於習用技術中，自走式機器人可透過裝設紅外線近接感測器、超音波測距儀或是雷射測距儀等，以進一步偵測所在環境的邊界及障礙物等位置資訊。

請參閱第1A圖及第1B圖，其係為習用自走式機器人於不同視角之架構示意圖。自走式機器人1主要係由殼體10、控制組件11、驅動單元12以及複數個移動單元13所組成，其中殼體10具有一容置空間，用以容置控制組件11、驅動單元12及複數個移動單元13。殼體10具有第一區域101及第二區域102，其中第一區域101係具有一第一通孔103，且第一通孔103之橫向寬度係與第一區域101之橫向寬度大致相等。控制組件11係提供控制訊號至驅動單元12以控制自走式機器人1移動並執行工作，且控制組件11更包含一雷射測距模組110，其係與第一區域101的第一通孔103對應設置，使得雷射測距模組110所產生之一雷射光源（未圖示）可通過第一通孔103對所在環境的邊界及障礙物進行平面掃描，並取得其位置資訊。驅動單元12係與複數個移動單元13相連結，且複數個移動單元13係設置於殼體10之底部。控制組件11可依據雷射測距模組110所取得之位置資訊，對應地控制驅動單元12運作，使驅動單元12驅動複數個移動單元13以帶動自走式機器人1移動。

然而，由於習用自走式機器人1內的雷射測距模組110之雷射光源掃描角度受到限制，且雷射測距模組110之擺放位置受限於控制組件11的配置方式，使得雷射測距模組110之雷射光源所能進行平面掃描的角度僅能限制在180度左右，即自走式機器人1之前面，如此一來，便無法偵測到位於自走式機器人1後側及兩側的障礙物的位置資訊，造成無法辨識自走式機器人1的後方障礙物，而容易造成碰撞，使得自走式機器人1容易損毀。因此，於習用技術中，更發展出加裝複數個超音波測距儀於自走式機器人1之殼體10周圍，藉此來偵測自走式機器人1後方及兩側的障礙物。

如第1A圖及第1B圖所示，殼體10之第二區域102具有複數個第二通孔104，以供複數個超音波測距儀14對應設置，藉此加強自走式機器人1後方及兩側的偵測。然而，超音波測距儀14係利用聲波在發射後遇到障礙物反射回來的時間來計算出發射點與障礙物的距離，且聲波係為一區域性掃描，因此當複數個超音波測距儀14進行掃描時，會容易使位於殼體10上同一側面超音波測距儀14接收到鄰近的超音波測距儀14所發出的聲波而造成誤判，使得自走式機器人1無法確實的執行任務指令。更甚者，額外的設置複數個超音波測距儀13不只會造成控制組件11進行資料運算處理之負擔，且亦會造成整體成本增加。

本案之目的在於提供一種可全角度平面掃描之自走式機器人及其雷射測距模組，藉由複數個光纖導管將雷射光束導光至自走式機器人之後方，實現可偵測後方障礙物之功能，並提昇雷射測距模組的使用效率，俾解決習用技術無法偵測後方障礙物、或是容易造成誤判以及整體成本上升等缺失。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種可全角度平面掃描之自走式機器人，包含：殼體，具有容置空間、第一區域及第二區域，其中第一區域具有第一通孔，第二區域具有至少一第二通孔；以及雷射測距模組，設置於殼體之容置空間，且包含：感測單元，與第一區域之第一通孔相對應，且射出雷射光束以及接收反射光，用以依據反射光取得距離資訊；以及至少一光纖導管，每一光纖導管係具有第一端部及第二端部，第一端部光耦接於感測單元，第二端部係設置於第二區域之第二通孔；其中，當感測單元之雷射光束對第一區域外之周遭環境進行掃描時，感測單元係經由第一通孔射出雷射光束及接收反射光，且當感測單元之雷射光束對第二區域外之周遭環境進行掃描時，感測單元係經由至少一光纖導管與對應之於第二通孔射出雷射光束及接收反射光。

為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為提供一種雷射測距模組，包括：感測單元，射出雷射光束以及接收反射光，用以依據反射光取得距離資訊；以及至少一光纖導管，每一光纖導管係具有第一端部及第二端部，第一端部光耦接於感測單元，其中，當感測單元之雷射光束係經由至少一光纖導管之第一端部傳送至第二端部而射出雷射測距模組之外，雷射光束掃描到障礙物時，所反射之反射光會經由光纖導管的第二端部，再導光至感測單元，俾以計算雷射光束於發射後至接收到反射光之時間後以取得障礙物與該雷射測距模組間之距離資訊。

1、3．．．自走式機器人

10、31．．．殼體

101、311．．．第一區域

102、312．．．第二區域

103、313．．．第一通孔

104、314．．．第二通孔

11．．．控制組件

12．．．驅動單元

13．．．移動單元

14．．．超音波測距儀

2．．．雷射測距模組

20．．．感測單元

201．．．本體

202．．．雷射光源

203．．．光接收器

204．．．光學鏡組

205．．．驅動單元

206．．．容置空間

207．．．開口

21．．．光纖導管

211．．．第一端部

212．．．第二端部

22．．．機殼

4．．．第一障礙物

5．．．第二障礙物

L．．．雷射光束

D1．．．第一反射光

D2．．．第二反射光

第1A圖及第1B圖：係為習用自走式機器人於不同視角之架構示意圖。

第2圖：係為本案全角度平面掃描之雷射測距模組之較佳實施例之結構示意圖。

第3A圖及第3B圖：係為使用第2圖所示之雷射測距模組之自走式機器人於不同視角之結構示意圖。

第4圖：係為第2圖之雷射測距模組之一示範性剖面結構示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第2圖、第3A圖及第3B圖，其中第2圖係為本案全角度平面掃描之雷射測距模組之較佳實施例之結構示意圖；第3A圖及第3B圖係為使用第2圖所示之雷射測距模組之自走式機器人於不同視角之結構示意圖。本案之雷射測距模組2係應用於自走式機器人3，如第3A圖及第3B圖所示，自走式機器人3係具有一殼體31，且殼體31具有第一區域311及第二區域312。於本實施例中，殼體31係由第一區域311及第二區域312圍繞組成，且第一區域311實質上係為自走式機器人3之正面，而第二區域312則包含自走式機器人3之側面及背面，但不以此為限，第二區域312所包含之範圍可依據自走式機器人3之殼體31輪廓及實際需求而任施變化。於本實施例中，第一區域311更具有一第一通孔313，用以供雷射測距模組2所發射之雷射光束（未圖示）通過。第一通孔3111之橫向寬度係實質上與第一區域311之橫向寬度相等，使得雷射測距模組2所產生之雷射光束可對應第一通孔313的橫向寬度而進行例如180度的水平或平面方向的掃描，但不以此為限，可依照實施方式任施變化。

雷射測距模組2係設置於自走式機器人3之殼體31之一容置空間內，且包括感測單元20、一或複數個光纖導管21及一機殼22，其中機殼22係部分地包覆感測單元20，且感測單元20更對應於第一區域311之第一通孔313而設置，俾使感測單元20所產生之雷射光束通過第一通孔313，以對周遭環境進行水平方向或平面的掃描。於本實施例中，雷射測距模組2較佳為具有複數個光纖導管21。複數個光纖導管21係具有第一端部211及第二端部212，其中複數個光纖導管21之第一端部211係相間隔地與機殼22連接，使得複數個光纖導管21可光耦接於感測單元20。於本實施例中，光纖導管21之第一端部211係可拆卸地或是一體成型地與機殼22連接。第二端部212係彼此間隔地設置於殼體31之第二區域312，於本實施例中，自走式機器人3之殼體31於第二區域312具有複數個第二通孔314，用以提供複數個光纖導管21之第二端部212對應且彼此間隔地設置於第二區域312上，其中複數個第二通孔314係設置於第二區域312之中間區域之下方為佳，但不以此為限，使得複數個光纖導管21之複數個第二端部212可設置於殼體31之第二區域312之中間偏下方之位置。此外，光纖導管21之第二端部212內更可選擇性地設置一光學鏡組(未圖示)，用以輔助發射由感測單元20內所產生的雷射光束，以及接收由雷射光束所產生之一反射光。

於本實施例中，光纖導管21係由一可撓性且導光之材質所構成，因此可透過其可撓性之特性而將光纖導管21由感測單元20繞設至殼體31之第二區域312，且將光纖導管21之第二端部212設置於殼體31之第二區域312上，藉此更能提昇第二端部212於殼體31上的配置自由度，接著，再利用其導光之特性將雷射光束引導至自走式機器人3之側面及背面進行掃描，再配合感測單元20可對進行自走式機器人3之前方進行掃描，以達到全角度掃描之功效。

請參閱第4圖，係為第2圖之雷射測距模組之一示範性剖面結構示意圖。如圖所示，雷射測距模組2之感測單元20包括本體201、雷射光源202、光接收器203、光學鏡組204及驅動單元205。其中，本體201具有一容置空間206及一開口207。雷射光源202、光接收器203、光學鏡組204及驅動單元205係設置於本體201之容置空間206內。感測單元20會發射準直且具特定波長範圍之雷射光束L，並以一預定頻率或角速度旋轉，以進行水平或平面掃描。當雷射測距模組2進行掃描時，雷射光源202所發出之雷射光束L可經由光學鏡組204導光通過開口207及第一區域311之第一通孔313而射出至殼體31之外，使得雷射光束L掃描到自走式機器人3對應於第一區域31外1之前方的第一障礙物4。光接收器203係鄰設於雷射光源202，且用於接收雷射光束L經第一障礙物4反射之一第一反射光D1，其中第一反射光D1係經由殼體31之第一區域311之第一通孔313以及雷射測距模組2之開口207進入感測單元20，且藉由光學鏡組204導光至光接收器203。光學鏡組204係設置於雷射光束L及第一反射光D1之光傳輸路徑中，以用於將雷射光源202所發射之雷射光束L導光至開口207及第一區域311之第一通孔313後射出至殼體31之外，並且將進入第一區域311之第一通孔313及開口207之第一反射光D1導光至光接收器203。於一些實施例中，光學鏡組204係為反射鏡組，但不以此為限。驅動單元205可設定一預設頻率或一預設角速度進行往復式轉動，使得驅動單元205可於一預定之轉動角度範圍內進行轉動。光學鏡組204係固設於驅動單元205上，以藉由驅動單元205之帶動而因應地進行轉動，藉此雷射光源202所發射之雷射光束L便可利用光學鏡組204及驅動單元205之轉動而以一預定頻率或角速度進行水平或平面掃描。

接著，可利用雷射光束L於發射後至接收到第一反射光D1之時間，進而計算取得第一障礙物4與感測單元20間之距離資訊，以及由於驅動單元205及光學鏡組204係以預定頻率進行轉動，或以預定角速度進行轉動，因此雷射光束L係以預定頻率或以預定角速度進行掃描，藉此當光接收器203接收到第一反射光D1時，可直接取得自走式機器人3之前方第一障礙物4與感測單元20間之角度資訊，藉此可根據第一障礙物4與感測單元20之間的距離資訊及角度資訊，而得到第一障礙物4之平面座標資訊，進而使自走式機器人3於行走時能避開第一障礙物4，以避免碰撞。

於本實施例中，當雷射光源202之雷射光束L掃描至對應之光纖導管21時，透過光纖材料的導光特性，雷射光束L會經由光纖導管21之第一端部211傳送至第二端部212，再經由第二端部212將雷射光束L發射到自走式機器人3 之殼體31的第二區域312之外，藉此便可掃描該自走式機器人3對應於第二區域312之外部環境，即自走式機器人3之側邊及後方之第二障礙物5。接著，當雷射光束L掃描自走式機器人3的側面或後方的第二障礙物5時，會產生由該第二障礙物5所反射之一第二反射光D2，再由光纖導管21的第二端部212所接收，並經由光纖導管21導光至感測單元20的光接收器203。如此一來，利用雷射光束L於發射後至接收到第二反射光D2 之時間，進而計算取得自走式機器人3的側面或後方第二障礙物5與感測單元20間之距離資訊，藉此使得自走式機器人3於行走時可避免與第二障礙物5碰撞。

綜上所述，本案可全角度平面掃描之自走式機器人藉由雷射測距模組設置複數個光纖導管，並透過光纖導管之材質具有可撓性且導光之特性，使得光纖導管可對應繞設至殼體之第二區域上，即自走式機器人之側面及後方，進而將雷射光束導光至自走式機器人側面及後方進行掃描，藉此，雷射測距模組不但可掃描自走式機器人之前方第一障礙物，更可以透過光纖導管將雷射光束導光至自走式機器人之側面及後方進行掃描側面或後方的第二障礙物，以達到全角度平面掃描之功效，亦能增加雷射測距模組之使用效率，以降低整體設備成本。此外，由於光纖導管係為一可撓性材質，使得光纖導管可依照需求任意地於殼體之第二區域上進行設置，藉此更能提昇光纖導管設置於第二區域的配置自由度。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

3．．．自走式機器人

31．．．殼體

311．．．第一區域

312．．．第二區域

313．．．第一通孔

314．．．第二通孔

2．．．雷射測距模組

20．．．感測單元

21．．．光纖導管

212．．．第二端部

Claims (10)

1. 一種可全角度平面掃描之自走式機器人，包含：
     一殼體，具有一容置空間、一第一區域及一第二區域，其中該第一區域具有一第一通孔，該第二區域具有至少一第二通孔；以及
     一雷射測距模組，設置於該殼體之該容置空間，且包含：
      一感測單元，與該第一區域之該第一通孔相對應，且射出一雷射光束以及接收一反射光，用以依據該反射光取得一距離資訊；以及
      至少一光纖導管，每一該光纖導管係具有一第一端部及一第二端部，該第一端部係光耦接於該感測單元，該第二端部係設置於該第二區域之該第二通孔；
     其中，當該感測單元之該雷射光束對該第一區域外之周遭環境進行掃描時，該感測單元係經由該第一通孔射出該雷射光束及接收該反射光，且當該感測單元之該雷射光束對該第二區域外之周遭環境進行掃描時，該感測單元係經由該至少一光纖導管與對應之該第二通孔射出該雷射光束及接收該反射光。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可全角度平面掃描之自走式機器人，其中該殼體係由該第一區域及該第二區域圍繞組成，該第一區域係為該殼體之正面，第二區域係為該殼體之側面及背面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可全角度平面掃描之自走式機器人，其中該第一通孔之一橫向寬度係與該第一區域之一橫向寬度相等。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可全角度平面掃描之自走式機器人，其包括複數個光纖導管，且該殼體之該第二區域具有複數個第二通孔，其中該複數個第二通孔係相間隔地設置，用以提供該複數個光纖導管之複數個第二端部對應設置。
5. 如申請專利範圍第4項所述之可全角度平面掃描之自走式機器人，其中該雷射測距模組更包含一機殼，部分地包覆該感測單元，且該複數個光纖導管之複數個第一端部係相間隔地與該機殼連接。
6. 如申請專利範圍第5項所述之可全角度平面掃描之自走式機器人，其中該光纖導管之該第一端部係可拆卸地或是一體成型地與該機殼連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可全角度平面掃描之自走式機器人，其中該雷射測距模組之該感測單元包含：
     一雷射光源，用以射出該雷射光束；
     一光接收器，鄰設於該雷射光源，並用於接收該雷射光束之該反射光；
     一驅動單元，設定有一預設頻率或一預設角速度以進行往復式轉動；
     一光學鏡組，係固設於該驅動單元，以藉由該驅動單元之帶動而因應地進行轉動，且該光學鏡組設置於該雷射光束及該反射光之光傳輸路徑中，用以傳導該雷射光束至該第一區域外，以及傳導該反射光至該光接收器；以及
     本體，具有一容置空間及一開口，且該雷射光源、該光接收器、該光學鏡組及該驅動單元係設置於該本體之該容置空間內；
     其中，該感測單元會計算該雷射光束於發射後至接收到該反射光之時間後以取得一第一障礙物與該殼體之該第一區域間之該距離資訊。
8. 如申請專利範圍第1項所述之可全角度平面掃描之自走式機器人，其中該感測單元之該雷射光束係經由該至少一光纖導管的該第一端部傳送至該第二端部，再由該第二通孔射出該第二區域之外，而該雷射光束遇一第二障礙物所反射之該反射光，係由該光纖導管的該第二端部所接收，並經由該光纖導管導光及通過該第一端部至該感測單元，且經計算該雷射光束於發射後至接收到該反射光之時間後以取得該第二障礙物與該殼體之該第二區域的該距離資訊。
9. 一種雷射測距模組，包括：
     一感測單元，射出一雷射光束以及接收一反射光，用以依據該反射光取得一距離資訊；以及
     至少一光纖導管，每一該光纖導管係具有一第一端部及一第二端部，該第一端部係光耦接於該感測單元；
     其中，當該感測單元之該雷射光束係經由該至少一光纖導管之該第一端部傳送至該第二端部而射出該雷射測距模組之外，該雷射光束掃描到一障礙物時，所反射之該反射光會經由該光纖導管的第二端部，再導光至該感測單元，俾以計算該雷射光束於發射後至接收到該反射光之時間後以取得該障礙物與該雷射測距模組間之該距離資訊。
10. 如申請專利範圍第9項所述之雷射測距模組，其中該感測單元包含：
      一雷射光源，用以射出該雷射光束；
      一光接收器，鄰設於該雷射光源，並用於接收該雷射光束之該反射光；
      一驅動單元，設定有一預設頻率或一預設角速度以進行往復式轉動；
      一光學鏡組，係固設於該驅動單元，以藉由該驅動單元之帶動而因應地進行轉動，且該光學鏡組設置於該雷射光束及該反射光之光傳輸路徑中，用以傳導該雷射光束至該雷射測距模組之外，以及傳導該反射光至該光接收器；以及  
      一本體，具有一容置空間及一開口，且該雷射光源、該光接收器、該光學鏡組及該驅動單元係設置於該本體之該容置空間內；
      其中，該感測單元會計算該雷射光束於發射後至接收到該反射光之時間後以取得該障礙物與該雷射測距模組間之該距離資訊。