專利名稱：機(jī)器人的非接觸型傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，主要用于機(jī)器人等機(jī)電類物體在移動(dòng)過程中感知障礙物或測(cè)距定位用。
背景技術(shù)：
對(duì)于移動(dòng)的機(jī)器人需在移動(dòng)過程中感知障礙物，或者探測(cè)墻壁等邊界以確定機(jī)器人自身的方位，在實(shí)際使用中常常使用超聲波或光電等非接觸型傳感器，需在機(jī)器人外表周圍安裝多個(gè)，參見《電子技術(shù)應(yīng)用》2000Vol.26 No.8中《智能吸塵器的開發(fā)及設(shè)計(jì)》一文或中請(qǐng)?zhí)枮?2110070.5的發(fā)明專利申請(qǐng)書中所描述的。但由于超聲波等非接觸型傳感器成本較高，并且存在盲區(qū)，使用中有一定的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足，設(shè)計(jì)一種數(shù)量盡可能少、盲區(qū)盡可能小的機(jī)器人的非接觸型傳感器。
本實(shí)用新型的目的是通過下述設(shè)計(jì)達(dá)到的在機(jī)器人的頂部或底部中央位置安裝一個(gè)超聲波或微波、紅外線、光波等用于測(cè)距的非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置，在信號(hào)發(fā)射裝置上方或下方的設(shè)置一個(gè)反射體，若干個(gè)超聲波或微波、紅外線、光波等非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置被安裝在機(jī)器人的外殼上。反射體為一個(gè)錐形的五面體——如金字塔般，錐心對(duì)準(zhǔn)非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置的中心位置，反射體的反射面與非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置的表面呈45度左右的傾角，它的四個(gè)反射面分別朝向機(jī)器人的前后左右四個(gè)方向，反射面本身光滑，呈平面也可呈凹或凸面。這樣設(shè)置后，非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)出的信號(hào)波射向反射體，通過反射面的發(fā)射，信號(hào)波轉(zhuǎn)過90度后射向機(jī)器人的前后左右四個(gè)方向，在遇到障礙物或墻壁等物體后再反射回來，被設(shè)置在機(jī)器人上的傳感器信號(hào)接收裝置接收。由于本實(shí)用新型將傳感器信號(hào)發(fā)射裝置從機(jī)器人外表位置移至機(jī)器人的中心部位，像超聲波傳感器那樣因?yàn)橛袝r(shí)反射波歷經(jīng)的距離太短而與發(fā)射波疊加起來產(chǎn)生亂波形成的盲區(qū)的范圍被機(jī)器人的外徑抵消了一部分或可全部抵消。并且相對(duì)于機(jī)器人的周圍表面，機(jī)器人中央發(fā)出的信號(hào)源擴(kuò)散的范圍大了，可以將原本需要安裝在機(jī)器人一個(gè)方向的表面的多套傳感器減為一套，又由于反射體的存在，原本需朝四個(gè)方向發(fā)射信號(hào)波的四套信號(hào)發(fā)射裝置可改為朝向反射體的一套信號(hào)發(fā)射裝置。


圖1～圖4為本實(shí)用新型的幾種典型的機(jī)器人俯視圖。
圖5為圖1或圖2的所示機(jī)器人的前視圖。
圖6～圖11為本實(shí)用新型的幾種形態(tài)示意圖。
圖12為實(shí)用新型的機(jī)器人測(cè)距定位示意圖。
具體實(shí)施方案在機(jī)器人的頂部或底部中央位置安裝一個(gè)超聲波或微波、紅外線、光波等非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置2，在信號(hào)發(fā)射裝置上方或下方的設(shè)置一個(gè)反射體1，反射體1為一個(gè)錐形的五面體，錐心對(duì)準(zhǔn)非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置2的中心位置，反射體的反射面與非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置的表面呈45度左右的傾角，它的四個(gè)反射面分別朝向機(jī)器人的前后左右四個(gè)方向，反射面本身光滑，呈平面也可呈凹或凸面，非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置3可有下列幾種形態(tài)1)與信號(hào)發(fā)射裝置2合成一體，均位于反射體的上方或下方。比如超聲波傳感器將信號(hào)發(fā)射裝置——電聲換能器與信號(hào)接收裝置——聲電換能器合成一體是成熟的技術(shù)，并有具體的產(chǎn)品。
2)接收裝置3也可裝置位于信號(hào)發(fā)射裝置2的上方或下方，它所朝向的那面也有一個(gè)反射體5，如圖6～8；此反射體5也可與信號(hào)發(fā)射裝置2所對(duì)的那個(gè)反射體1做在一起呈一個(gè)菱形體，如圖6。
3)若以機(jī)器人的中央位置指向機(jī)器人正前方(與機(jī)器人前行的方向一致)為前方(下同)，接收裝置3可設(shè)置于機(jī)器人外表面前、后、左、右位置，分別朝向前、后、左、右方向——即前方的傳感器朝向前方，后方的傳感器朝向后方，左方的傳感器朝向左方，右方的傳感器朝向右方(下同)，如圖1～圖2。
4)接收裝置3位于反射體1的上方或位于信號(hào)發(fā)射裝置2的周圍，分別朝向機(jī)器人前、后、左、右方向。
5)接收裝置3位于信號(hào)發(fā)射裝置2的周圍，朝向反射體1的反射面，反射體1的反射面可設(shè)計(jì)成凹形弧面，其聚焦點(diǎn)恰好在信號(hào)接收裝置的中心部位，如圖11。
6)接收裝置3還可位于機(jī)器人的左前方和右后方外表面上，并分別朝向左前方和右后方，如圖3～圖4；或可位于機(jī)器人的右前方和左后方外表面上，并分別朝向右前方和左后方。不過這種設(shè)置方式在測(cè)距時(shí)要進(jìn)行較復(fù)雜的換算。
如果是將非接觸型傳感器用于測(cè)距定位用，可用上述1)、2)、6)的接收裝置的安裝方式，設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)接收裝置2，如圖12機(jī)器人在某一時(shí)刻開始發(fā)射信號(hào)波并接收回波，會(huì)在多個(gè)時(shí)間段接收到清晰的回波，根據(jù)波的傳播速度和發(fā)射信號(hào)波到接收到回波的時(shí)間間隔，測(cè)算出機(jī)器人離墻壁的距離d3、d1、d4、d2表示，如果回波信號(hào)足夠強(qiáng)的話，還可能會(huì)有d4+d3、d1+d2等等，當(dāng)然如果信號(hào)不夠強(qiáng)，可能會(huì)測(cè)不到d4、d2，至于如何判斷是d2還是d4+d3則是利用預(yù)期的距離與測(cè)到的距離差，與一個(gè)模糊的數(shù)值進(jìn)行比較，在一個(gè)模糊的范圍內(nèi)判定。將測(cè)到的d1、d2、d3、d4中的兩個(gè)或兩個(gè)以上的距離與預(yù)期的距離進(jìn)行比較，就能相對(duì)測(cè)定機(jī)器人目前的方位。
如果用上述3)、4)、5)的接收裝置的安裝方式，設(shè)置四個(gè)接收裝置2，那么在機(jī)器人行走過程中，分別測(cè)算四個(gè)接收裝置2的回波與信號(hào)波的發(fā)出的時(shí)間間隔，就能測(cè)出機(jī)器人目前離四面墻壁的四個(gè)距離中的一個(gè)或幾個(gè)。將測(cè)到的與預(yù)期的距離進(jìn)行比較，就能相對(duì)測(cè)定機(jī)器人目前的方位。同時(shí)這種設(shè)置方式還可以隨時(shí)檢測(cè)前后左右四個(gè)方向上的障礙物離機(jī)器人的距離——這也就是機(jī)器人的非接觸型傳感器使用的目的。
如果使用傳感器是為了定位，如果機(jī)器人與墻壁之間有障礙物，如果機(jī)器人已經(jīng)知道到障礙物的預(yù)期的距離——機(jī)器人已經(jīng)探測(cè)過此障礙物并作過記錄，那么定位是有效的；如果機(jī)器人找不到預(yù)期的距離與探測(cè)到的距離進(jìn)行比較——即預(yù)期的距離與探測(cè)到的距離之差不在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，那么這個(gè)距離可被記錄并被作為以后檢測(cè)時(shí)的參考預(yù)期距離，機(jī)器人需檢測(cè)其它方向探測(cè)到的距離加以比較，或移過一定距離后再進(jìn)行探測(cè)。
針對(duì)上述3)、4)、5)的接收裝置的安裝方式，非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置2設(shè)置的數(shù)量與機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)也有一定關(guān)系如果機(jī)器人只能前后行走加上轉(zhuǎn)彎——即傳統(tǒng)的左右輪驅(qū)動(dòng)方式，那么可在前后左右四個(gè)方向上安裝三套接收裝置；若機(jī)器人具有不需要轉(zhuǎn)彎就能向左右方向移動(dòng)的能力，那么最好安裝四套信號(hào)接收裝置。
另外，為了定位的準(zhǔn)確性，可采用多種傳感器方案比如在機(jī)器人底部安裝一套或多套光電鼠標(biāo)的傳感器套件，對(duì)機(jī)器人的每一次移動(dòng)都進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與超聲波探測(cè)到的結(jié)果以及移動(dòng)的預(yù)期距離進(jìn)行比較，以確保定位相對(duì)準(zhǔn)確；同時(shí)還可利用其它傳感器對(duì)超聲波一類的受溫度變化影響的傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。如果機(jī)器人的外徑不足以完全抵消非接觸型傳感器的盲區(qū)，為了準(zhǔn)確地檢測(cè)障礙物，還需在機(jī)器人外表安裝接觸型傳感器4。本實(shí)用新型可安裝申請(qǐng)?zhí)枮?00410014461.0的發(fā)明申請(qǐng)說明書中所描述的接觸型傳感器。
反射體一般用密度較大的物質(zhì)制成比如超聲波在界面被反射的程度決定于兩種介質(zhì)的聲阻差——介質(zhì)的密度和聲速的乘積，聲阻差越大，反射程度也越大。一般說來，一個(gè)信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)出的信號(hào)波被四個(gè)反射面反射至四個(gè)方向，每個(gè)方向的信號(hào)波強(qiáng)度比一個(gè)發(fā)射裝置直接發(fā)出的要弱，但是由于只要發(fā)送一路，比起要發(fā)送四路信號(hào)，它更省電。當(dāng)然為了提高信號(hào)波的強(qiáng)度，可適當(dāng)選擇功率大一些的發(fā)射裝置或加大發(fā)射驅(qū)動(dòng)能力。
若傳感器接收裝置3也被置于反射體1上面或下面并朝向反射面時(shí)，反射面可設(shè)計(jì)成凹面，其聚焦點(diǎn)恰好在接收裝置的中央部位；而只有發(fā)射裝置2位于反射體1上面或下面的情況中，反射面可根據(jù)需要設(shè)計(jì)為為平面或凹面或凸面，比如需檢測(cè)障礙物的情況下，反射面可呈凸面，使發(fā)射的信號(hào)波發(fā)散的范圍變大，而在只需定位的情況下，反射面可呈凹面，使接收的信號(hào)波強(qiáng)度增強(qiáng)。
本實(shí)用新型所述的傳感器一般安裝在機(jī)器人頂部中央位置，當(dāng)然也可根據(jù)需要設(shè)置在頂部其它位置——不在中央位置，比如設(shè)置在頂部后方或右后方。如果機(jī)器人主體離地足夠高，傳感器也可安裝在機(jī)器人底部，甚至將傳感器安裝在機(jī)器人內(nèi)部，并在相對(duì)應(yīng)的外殼上開設(shè)窗口——比如將傳感器安裝在機(jī)器人后面的外殼邊緣附近，并朝正前方、左、右方向各開設(shè)一個(gè)信號(hào)波通道。
傳感器的發(fā)射、接收裝置可直接卡置或粘置于機(jī)器人的外殼上或外殼的凹穴內(nèi)，反射體卡置或粘置于一個(gè)固定在機(jī)器人外殼上的支架上。為簡(jiǎn)化起見，發(fā)射、接收裝置上的引腳沒有標(biāo)示，傳感器信號(hào)的發(fā)射、接收電路、信號(hào)處理過程均有成熟的技術(shù)，不加以說明。
權(quán)利要求1.一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，其特征在于它包括若干個(gè)固定在機(jī)器人上的超聲波或微波、紅外線、光波等非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置(3)和一個(gè)超聲波或微波、紅外線、光波等非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置(2)，以及錐心對(duì)準(zhǔn)非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置(2)中心位置的一個(gè)錐形五面體型反射體(1)，反射體(1)的四個(gè)反射面分別朝向機(jī)器人的前、后、左、右四個(gè)方向，反射面本身光滑，呈平面或呈凹、凸面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，其特征在于所述的非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置(3)與信號(hào)發(fā)射裝置(2)合成一體，反射體的錐心也對(duì)準(zhǔn)接收裝置(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，其特征在于所述的非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置(3)位于信號(hào)發(fā)射裝置(2)的上方或下方，它所朝向的那面還設(shè)置一個(gè)反射體(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，其特征在于所述的反射體(5)與信號(hào)發(fā)射裝置(2)所對(duì)的那個(gè)反射體(1)做在一起呈一個(gè)菱形體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，其特征在于所述的非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置(3)位于機(jī)器人外表面的前、后、左、右位置，分別朝向前、后、左、右方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，其特征在于所述的非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置(3)位于反射體(1)的上方或位于信號(hào)發(fā)射裝置(2)的周圍，分別朝向前、后、左、右方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，其特征在于所述的非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置(3)位于信號(hào)發(fā)射裝置(2)的周圍，朝向同一側(cè)的反射體(1)的反射面。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人的非接觸型傳感器，在機(jī)器人的頂部中央位置安裝一個(gè)超聲波或微波、紅外線、光波等用于測(cè)距的非接觸型傳感器信號(hào)發(fā)射裝置，在信號(hào)發(fā)射裝置上方或下方設(shè)置一個(gè)如金字塔般的具有朝向前、后、左、右四個(gè)反射面的反射體，若干個(gè)超聲波或微波、紅外線、光波等非接觸型傳感器信號(hào)接收裝置被安裝在機(jī)器人的外殼上。這樣設(shè)置后，機(jī)器人的外徑可抵消一部分或全部的探測(cè)盲區(qū)，并且信號(hào)源擴(kuò)散的范圍大了，可將原本需要安裝在機(jī)器人一個(gè)方向表面的多套傳感器減為一套，又由于反射體的存在，信號(hào)發(fā)射裝置可減為朝向反射體的一套。
文檔編號(hào)B25J19/02GK2688463SQ200420026469
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月20日
發(fā)明者張周新 申請(qǐng)人:張周新