本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，尤其是涉及機器人的二維光學(xué)測距領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，機器人使用的測距雷達多采用以下兩種安裝方式，其一是將機器人機體中腹相應(yīng)高度的一層挖空，在其中安置雷達，該方法的主要缺陷是對于上方能夠承載的重量和負載物的尺寸有較大限制。另一種方法是將測距雷達安裝在機器人前方，該方法的主要缺陷有以下兩點：1、當在旋轉(zhuǎn)朝向后方時，由于探測光被機器人外殼遮擋，無法采集有效的測距信息，造成浪費；2、只能得到某一水平面各個方向上物體的距離信息，無法得到垂直面內(nèi)各個方向上物體的距離信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前將測距雷達安裝在機器人前方的方案所具有的后向水平掃描浪費，以及現(xiàn)有水平方向掃描的測距雷達無法獲得垂直方向距離信息的缺點，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種具有二維測距裝置的機器人，包括：機器人本體、測距雷達、掃描鏡組、以及鏡組調(diào)節(jié)裝置，其中該測距雷達具有一光源部，該鏡組調(diào)節(jié)裝置與該掃描鏡組機械連接，其特征在于：所述測距雷達以及掃描鏡組設(shè)置于機器人本體的周圍；當測距雷達的掃描方向向前時，所述光源部發(fā)射出的掃描光束形成朝向機器人本體前方的水平掃描光束，當測距雷達的掃描方向向后時，光源部所發(fā)射出的掃描光束經(jīng)由掃描鏡組的反射，形成朝向機器人本體前方或后方的垂直掃描光束；通過所形成的水平掃描光束和垂直掃描光束使該機器人實現(xiàn)二維測距功能；其中，所述掃描鏡組包括多個反射鏡，所述鏡組調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)掃描鏡組的各元件的位置和角度以形成所述前方垂直掃描光束或后方垂直掃描光束。

優(yōu)選的，所述掃描鏡組包括第一反射鏡、第二反射鏡以及第三反射鏡；當測距雷達的掃描方向向后時，光源部所發(fā)出的光束，經(jīng)第一反射鏡的反射投射到第二反射鏡，第二反射鏡接收投射的光束后將光束反射至第三反射鏡，第三反射鏡反射投射的光束以形成前方的垂直掃描光束或后方的垂直掃描光束。

優(yōu)選的，所述掃描鏡組位于機器人本體與測距雷達之間。

優(yōu)選的，當所形成的垂直掃描光束朝向機器人本體的前方時，第一反射鏡(M₁)鏡面與z軸平行，與y-z平面夾角為45度，法向量方向與x軸正向夾角大于90度；第二反射鏡(M₂)鏡面與y軸平行，與x-y平面夾角為45度，法向量方向沿z軸正方向；第三反射鏡(M₃)鏡面與x軸平行，與x-z平面夾角為45度，法向量方向與y軸正方向夾角小于90度。

優(yōu)選的，當所形成的垂直掃描光束朝向機器人本體的前方時，所述掃描鏡組的各個反射鏡的尺寸滿足：

H₁≤a

W₂≤(L+ΔL₁)tanθ

H₃≤a

其中，W₁為第一反射鏡(M₁)的長度，W₂為第二反射鏡(M₂)的長度，W₃為第三反射鏡(M₃)的長度，L為測距雷達中的光源部距離掃描鏡組的第一反射鏡(M₁)的距離，θ為需要轉(zhuǎn)化為垂直掃描的水平掃描的旋轉(zhuǎn)角度，其中θ<45°，ΔL₁為鏡組中第一反射鏡(M₁)和第二反射鏡(M₂)的距離較近的邊緣中點之間的距離，ΔL₂為鏡組中第二反射鏡(M₂)和第三反射鏡(M₃)中距離較近的邊緣中點之間的距離，H₁為第一反射鏡(M₁)的厚度，H₂為第二反射鏡(M₂)的厚度，H₃為第三反射鏡(M₃)的厚度，a為測距雷達發(fā)出的準直光束的直徑。

優(yōu)選的，當所形成的垂直掃描光束朝向機器人本體的后方時，第一反射鏡(M₁)鏡面與z軸平行，與y-z平面夾角為45度，法向量方向與x軸正向夾角大于90度；第二反射鏡(M₂)鏡面與y軸平行，與x-y平面夾角為45度，法向量方向沿z軸正方向；第三反射鏡(M₃)鏡面與x軸平行，與x-z平面夾角為45度，法向量方向與y軸正方向夾角大于90度。

優(yōu)選的，當所形成的垂直掃描光束朝向機器人本體的后方時，所述掃描鏡組的各個反射鏡的尺寸滿足：

H₁≤a

W₂≤(L+ΔL₁)tanθ

H₃≤a

其中，W₁為第一反射鏡(M₁)的長度，W₂為第二反射鏡(M₂)的長度，W₃為第三反射鏡(M₃)的長度，L為測距雷達中的光源部距離掃描鏡組的第一反射鏡(M₁)的距離，θ為需要轉(zhuǎn)化為垂直掃描的水平掃描的旋轉(zhuǎn)角度，其中θ<45°，ΔL₁為鏡組中第一反射鏡(M₁)和第二反射鏡(M₂)的距離較近的邊緣中點之間的距離，ΔL₂為鏡組中第二反射鏡(M₂)和第三反射鏡(M₃)中距離較近的邊緣中點之間的距離，H₁為第一反射鏡(M₁)的厚度，H₂為第二反射鏡(M₂)的厚度，H₃為第三反射鏡(M₃)的厚度，a為測距雷達發(fā)出的準直光束的直徑。

優(yōu)選的，所述掃描鏡組的各反射鏡的尺寸、位置和姿態(tài)可通過建模仿真獲得。

本發(fā)明針對本發(fā)明將給出一種由三面平面鏡組成的反射鏡組，將測距雷達旋轉(zhuǎn)朝向后方時的水平掃描光轉(zhuǎn)化為向前或向后的的垂直掃描光，將原本浪費的后向掃描光利用起來，以獲取垂直面上各個方向物體的距離信息，實現(xiàn)二維測距。

附圖說明

圖1為本發(fā)明機器人的前向垂直掃描鏡組整體結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明機器人的前向垂直掃描鏡組三視圖；

圖3為本發(fā)明機器人的鏡組中各個反射鏡面尺寸示意圖；

圖4為本發(fā)明具有前向掃描鏡組的機器人整體系統(tǒng)的三視圖；

圖5為本發(fā)明機器人的后向垂直掃描鏡組整體結(jié)構(gòu)；

圖6為本發(fā)明機器人的后向垂直掃描鏡組三視圖；

圖7為本發(fā)明具有后向掃描鏡組的機器人整體系統(tǒng)的三視圖；

圖8為本發(fā)明前向垂直掃描鏡組在TracePro中的建模仿真結(jié)果；

圖9為本發(fā)明后向垂直掃描鏡組在TracePro中的建模仿真結(jié)果。

具體實施方式

本發(fā)明的機器人，具有將水平掃描轉(zhuǎn)化為垂直掃描的反射鏡組、機器人本體、測距雷達、掃描鏡組、以及鏡組調(diào)節(jié)裝置，其中該反射鏡組由參數(shù)組(a,L,θ,ΔL₁,ΔL₂)來表征，其中a為相位測距雷達發(fā)出的準直光束的直徑，L為相位測距雷達中的光源距離鏡組中第一面反射鏡的距離，θ為需要轉(zhuǎn)化為垂直掃描的水平掃描旋轉(zhuǎn)角度(θ<45°)，ΔL₁為鏡組中第一面和反射鏡M₁和M₂距離較近的邊緣中點之間的距離，ΔL₂為鏡組中第二面和第三面反射鏡M₂和M₃距離較近的邊緣中點之間的距離；其具體光學(xué)結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)化后垂直掃描的方向分為兩類，稱作前向垂直掃描鏡組和后向垂直掃描鏡組，以下分別進行介紹。

前向垂直掃描鏡組整體結(jié)構(gòu)由三面尺寸各不相同的平面反射鏡M₁～M₃組成，如圖1所示。圖中y方向為機器人本體的正前方，x-y平面為相位測距雷達所處的水平面。在掃描測距過程中，相位測距雷達的探測光束不斷以光源為中心在自身所處的水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)掃描，當相位測距雷達水平掃描的方向向前(即探測光束與y軸正方向夾角<90°)時，同傳統(tǒng)相位測距雷達一樣，獲取前方180°范圍內(nèi)物體的距離信息。當相位測距雷達水平掃描方向向后，且與y軸負方向夾角小于等于θ，大于0°，且與x正方向夾角小于90°時，探測光束恰好直接入射M₁鏡，經(jīng)過三次反射后最終從M₃鏡出射。鏡組中M₁鏡面與z軸平行，與y-z平面夾角為45°，鏡面法向量方向與x軸正向夾角大于90°；M₂鏡鏡面與y軸平行，與x-y平面夾角為45°，法向量方向沿z軸正方向；M₃鏡鏡面與x軸平行，與x-z平面夾角為45°，法向量方向與y軸正方向夾角小于90°。假設(shè)探測光束相對于M₁鏡面的入射角為α，那么根據(jù)反射定律，最終M₃鏡面上光束的出射角為90°-α。隨著相位測距雷達掃描旋轉(zhuǎn)，探測光束入射M₁的角度不斷變化，從M₃鏡出射的光束與水平面夾角的變化量完全相同，從而實現(xiàn)將后向水平旋轉(zhuǎn)掃描轉(zhuǎn)化為垂直旋轉(zhuǎn)掃描，如圖1所示。

當(a,L,θ,ΔL₁,ΔL₂)參數(shù)組唯一確定時，前向垂直掃描鏡組中M₁～M₃鏡面尺寸等其它參數(shù)也得到唯一確定。各個參數(shù)的含義參照圖2所示的前向垂直掃描鏡組三視圖(忽略反射鏡厚度)。M₁～M₃鏡面尺寸如圖3所示。

當(a,L,θ,ΔL₁,ΔL₂)確定時，前向垂直掃描鏡組各個尺寸滿足下列關(guān)系：

H₁≤a

W₂≤(L+ΔL₁)tanθ

H₃≤a

在機器人測距的整體系統(tǒng)中，前向垂直掃描鏡組安裝在位于機器人前方的測距雷達和機器人主體之間，如圖4所示。從圖4中可以看出，當測距雷達旋轉(zhuǎn)朝向后方時，原本會被機器人前表面阻擋的水平掃描光被前向垂直掃描鏡組承接并轉(zhuǎn)化為向前的垂直掃描光，從而獲取垂直方向的距離信息，既避免了后向水平掃描光的浪費，又實現(xiàn)了水平-垂直二維測量。

后向垂直掃描鏡組整體結(jié)構(gòu)與前向垂直掃描鏡組類似，也由三面尺寸不相同的平面反射鏡M₁～M₃組成，如圖5所示。圖5中三維直角坐標系的建立方式與圖1中相同。在掃描測距過程中，相位測距雷達的水平掃描方向向后，與y軸負方向夾角小于等于θ，大于0°，且與x正方向夾角大于90°時，探測光束也恰好直接入射M₁鏡，經(jīng)過三次反射后從M₃鏡出射。鏡組中M₁與M₂鏡鏡面姿態(tài)與前向垂直掃描鏡組中相同；而M₃鏡鏡面與x軸平行，與x-z平面夾角為45°，法向量方向與y軸正方向夾角大于90°。假設(shè)探測光束相對于M₁鏡面的入射角為α，那么根據(jù)反射定律，最終M₃鏡面上光束的出射角也為α。隨著相位測距雷達掃描旋轉(zhuǎn)，探測光束從M₃鏡出射的光束與水平面的夾角的變化與M₁鏡入射角的變化仍然完全相同，從而實現(xiàn)將后向水平旋轉(zhuǎn)掃描轉(zhuǎn)化為后向垂直旋轉(zhuǎn)掃描，如圖5所示。

當(a,L,θ,ΔL₁,ΔL₂)參數(shù)組唯一確定時，后向垂直掃描鏡組中M₁～M₃鏡面尺寸等其它參數(shù)也得到唯一確定。各個參數(shù)的含義參照圖6所示后向垂直掃描鏡組三視圖(忽略反射鏡厚度)。M₁～M₃鏡面尺寸的規(guī)定仍然如圖3所示。

當(a,L,θ,ΔL₁,ΔL₂)確定時，后向垂直掃描鏡組各個尺寸滿足下列關(guān)系：

H₁≤a

W₂≤(L+ΔL₁)tanθ

H₃≤a

在機器人測距的整體系統(tǒng)中，后向垂直掃描鏡組也被安裝在位于機器人前方的測距雷達和機器人主體之間，如圖7所示。從圖7中可以看出，當測距雷達旋轉(zhuǎn)朝向后方時，原本會被機器人前表面阻擋的水平掃描光被后向垂直掃描鏡組承接并轉(zhuǎn)化為向后的垂直掃描光，從而獲取垂直方向的距離信息，同樣既避免了后向水平掃描光的浪費，也實現(xiàn)了水平-垂直二維測量。

另外，所述鏡組調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)掃描鏡組的各元件的位置和角度以形成所述前方垂直掃描光束或后方垂直掃描光束

實施例一

首先介紹前向掃描鏡組的實施例，取參數(shù)組(a,L,θ,ΔL₁,ΔL₂)中各參數(shù)的值分別為(5mm,50mm,30°,7.5mm,7.5mm)，各個鏡面尺寸取能夠得到的最小尺寸，可以計算得到各個鏡面的尺寸分別為：W₁＝25.882mm，H₁＝5mm，W₂＝33.198mm，H₂＝7.071mm，W₃＝125.570mm。由于M₁～M₃反射鏡的鏡面形狀都為矩形，因此只需要給出每個鏡面在圖1中三維直角坐標系中四個頂點的坐標，就可以唯一確定鏡子的位置和姿態(tài)。假設(shè)光源位置坐標(單位為mm，下同)為(0,50,2.5)，經(jīng)過計算得到M₁四個頂點的坐標為：(0,0,0)，(18.301,18.301,0)，(18.301,18.301,5)，(0,0,5)；M₂四個頂點的坐標為：(-5,0,0)，(-5,33.198,0)，(-10,33.198,5)，(-10,0,5)；M₃四個頂點的坐標為：(-5,0,10)，(-5,88.792,98.792)，(-10,88.792,98.792)，(-10,0,10)。利用光學(xué)追跡軟件TracePro對鏡組進行建模仿真，結(jié)果如圖8所示。

實施例二

然后介紹后向掃描鏡組的實施例，取參數(shù)組(a,L,θ,ΔL₁,ΔL₂)中各參數(shù)的值分別為(5mm,50mm,30°,75mm,7.5mm)，各個鏡面尺寸取能夠得到的最小尺寸，可以計算得到各個鏡面的尺寸分別為：W₁＝96.593mm，H₁＝5mm，W₂＝72.169mm，H₂＝7.071mm，W₃＝255.970mm。同樣由于M₁～M₃反射鏡的鏡面形狀都為矩形，因此只需要給出每個鏡面在圖1中三維直角坐標系中四個頂點的坐標，就可以唯一確定鏡子的位置和姿態(tài)。仍假設(shè)光源位置坐標為(0,50,2.5)，經(jīng)過計算得到M₁四個頂點的坐標為：(0,0,0)，(-68.301,-68.301,0)，(-68.301,-68.301,5)，(0,0,5)；M₂四個頂點的坐標為：(-72.5,0,0)，(-72.5,-72.169,0)，(-77.5,-72.169,5)，(-77.5,0,5)；M₃四個頂點的坐標為：(-72.5,0,10)，(-72.5,-180.998,190.998)，(-77.5,-180.998,190.998)，(-77.5,0,10)。利用光學(xué)追跡軟件TracePro對鏡組進行建模仿真，結(jié)果如圖9所示。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的情況下，還可以作出若干改進和變型，這也視為本發(fā)明的保護范圍。