机器人航标定位导航系统的制作方法

本实用新型属于定位导航设备技术领域，具体涉及一种机器人航标定位导航系统。

背景技术：

长期以来，让机器人具备自定位和自路径规划能力一直是科技研发的热点，广泛采用的方法是沿机器人的行驶路径铺设导轨、导线或粘贴(喷刷)引导标识，配合一定的行驶次序来指引机器人正常运行。而引导物的识别可能是磁场、红外或电场的变化，也可能是反光的灰度或颜色变化，还可能是简单的导轨、导杆或导线；采用引导标识这种方法的优势在于机器人易于识别行驶路径，容易实现机器人的定位和路径规划，而劣势在于必须铺设或张贴(喷刷)一定量的引导物，对于复杂环境、任务点多、环境频繁变化或难以设置引导物的场所，运用该方法则存在一定难度。对于空旷场所，可以使用投射移动引导标记，由空中的投射器将一组移动引导标记向空旷场所内投射，用一个移动标记引导一台机器人的行驶，常见的移动标记是红外光斑，而无遮挡是应用的最大障碍。

如今，人们在机器人的定位与路径规划领域逐步引入了环境电子地图，机器人可以用自身的视觉识别能力，按照周围环境物的外观特征查取电子地图来确定机器人自身在环境中的具体方位，而该法要求先对环境进行测量、标记和景物特征提取，再按应用要求生成易于查取的电子地图并存入机器人中，需要定位和路径规划时，机器人用自身的视觉、特征提取和匹配能力来确定自身方位，其中生成准确、实用的电子地图和机器人的视觉识别能力是两项影响该法广泛应用的软肋。另一项逐步在机器人定位与路径规划领域内应用的技术是导航定位，但受定位精度的影响目前仍处于实验室研究状态，所以有必要探索一条环境适应力强、易于机器人定位和路径规划的新途径。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种机器人航标定位导航系统，用航标箭头为机器人提供全局坐标，用自动追踪成像得到机器人在环境电子地图中的方位，经路径规划实现机器人在复杂环境中的自动导航。

本实用新型所采用的技术方案是，机器人航标定位导航系统，包括有航标、机器人以及方位测算器，在使用中航标设置于环境场所内的顶部中央，方位测算器水平固定设置于机器人的顶部，机器人能在环境场所内自由行驶。

本实用新型的特点还在于：

航标，包括有安装基板，安装基板正面中央设有发光箭头，安装基板的背面设置有供电器，安装基板的背面与环境场所内的顶部中央连接，使安装基板的正面面向下。

方位测算器包括有方位测算器壳体，方位测算器壳体的顶壁中央设置有聚焦透镜；在方位测算器壳体内水平设置有固定齿轮，固定齿轮的中央与推杆的一端垂直连接，推杆的另一端从方位测算器壳体的底部中央伸出与设置于方位测算器壳体外的凸轮组成高副，且推杆还与方位测算器壳体的底部之间形成移动副；凸轮用轴与升降驱动步进电机连接，连接凸轮与升降驱动步进电机的轴支撑于支撑座上，支撑座固定于方位测算器壳体的底部；在方位测算器壳体内靠近固定齿轮的一侧设置有驱动齿轮，且驱动齿轮与固定齿轮相啮合，在固定齿轮和驱动齿轮的上方平行的设置有转臂，固定齿轮通过转轴与转臂连接构成转动副；转臂上的一端设置有旋转驱动步进电机，旋转驱动步进电机通过驱动轴驱动齿轮连接，转臂上的另一端设置有导杆支撑座a，转臂上还设置有与导杆支撑座a相对的导杆支撑座b，在导杆支撑座a与导杆支撑座b之间呈左、右且平行连接有螺旋导杆组和光导杆组，光导杆组由两根光导杆构成，螺旋导杆组由两根螺旋导杆构成；两根螺旋导杆通过驱动轴与移动驱动步进电机连接，移动驱动步进电机设置于转臂上且靠近导杆支撑座b处；面成像模块设置于两根光导杆或两根螺旋导杆上；面成像模块设置于两根光导杆上，则面成像模块能与两根光导杆组成移动副；面成像模块设置于两根螺旋导杆上，则面成像模块能与两根螺旋导杆组成螺旋副。

本实用新型的有益效果是，

(1)本实用新型机器人航标定位导航系统，为机器人在场所顶部设置航标(即方向箭头)，航标既可以是印刷标签，也可以是LED灯组成的箭头图案，该航标的功能相当于海上航行的灯塔，要求场所内的每台机器人从各位置都能识别该航标，实现了用一个航标取代一系列引导物的意图，能大幅减少传统引导系统的安装和维护，并极大简化机器人引导系统的结构。

(2)本实用新型机器人航标定位导航系统，固定了成像镜头，让行驶路面、成像面和镜头相互平行，相对成像镜头移动成像面，让航标上的箭头在成像面上的合适位置成像，用成像航标箭头相对于镜头的坐标得出机器人在环境电子地图中的方位，实现了机器人的自定位与路径规划，用成像航标箭头与成像面坐标之间的夹角算出机器人相对于航标箭头方向的转角，该成像面平移航标成像技术和机器人动态定位算法既简单准确又稳定实用，具有良好的应用前景。

(3)本实用新型机器人航标定位导航系统，在机器人顶部安装航标箭头自动追踪成像系统-方位测算器，配合发光航标箭头便能实现机器人的全天候运行，当机器人完成了在环境电子地图上一点的定位，机器人完全可以按照路径规划盲行一段距离，当接近下一个定位点时，机器人才需要再次用自动追踪成像系统进行自身定位，由于能够按行驶速度、方向和时间预估机器人的大致方位，同再次定位的数据进行分析对比，便构成了机器人的动态方位闭环控制，与仍处于研究状态的机器人导航相比，定位精度完全满足应用要求，与现有的环境特征视觉识别技术相比，方位辨识与匹配难度将大幅降低。

附图说明

图1是本实用新型机器人航标定位导航系统的结构示意图；

图2是本实用新型机器人航标定位导航系统内航标的结构示意图；

图3是本实用新型机器人航标定位导航系统内方位测算器的结构示意图；

图4是本实用新型机器人航标定位导航系统内转臂的装配图。

图中，1.方位测算器，2.航标，3.机器人，4.环境场所，5.发光箭头，6.安装基板，7.供电器，8.转臂，9.面成像模块，10.固定齿轮，11.移动驱动步进电机，12.导杆支撑座a，13.螺旋导杆，14.光导杆，15.旋转驱动步进电机，16.驱动齿轮，17.方位测算器壳体，18.聚焦透镜，19.推杆，20.升降驱动步进电机，21.支撑座，22.凸轮，23.导杆支撑座b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型机器人航标定位导航系统，其结构如图1所示，包括有航标2、机器人3以及方位测算器1，在使用中，航标2设置于环境场所4内的顶部中央，方位测算器1水平固定设置于机器人3的顶部，机器人3能在环境场所4内自由行驶。正面

航标2，其结构如图2所示，包括有安装基板6，安装基板6正面中央设有发光箭头5，安装基板6的背面设置有供电器7，安装基板6的背面与环境场所4内的顶部中央连接，使安装基板6的正面面向下。

方位测算器1，如图3和图4所示，包括有方位测算器壳体17，方位测算器壳体17的顶壁中央设置有聚焦透镜18；在方位测算器壳体17内水平设置有固定齿轮10，固定齿轮10的中央与推杆19的一端垂直连接，该推杆19的另一端从方位测算器壳体17的底部中央伸出与设置于方位测算器壳体17外的凸轮22组成高副，且该推杆19还与方位测算器壳体17的底部之间形成移动副；凸轮22用轴与升降驱动步进电机20连接，连接凸轮22与升降驱动步进电机20的轴支撑于支撑座21上，支撑座21固定于方位测算器壳体17的底部；在方位测算器壳体17内靠近固定齿轮10的一侧设置有驱动齿轮16，且驱动齿轮16与固定齿轮10相啮合，在固定齿轮10和驱动齿轮16的上方平行的设置有转臂8，固定齿轮10通过转轴与转臂8连接构成转动副；转臂8上的一端设置有旋转驱动步进电机15，旋转驱动步进电机15通过驱动轴驱动齿轮16连接，转臂8上的另一端设置有导杆支撑座a12，转臂8上还设置有与导杆支撑座a12相对的导杆支撑座b23，在导杆支撑座a12与导杆支撑座b23之间呈左、右且平行连接有螺旋导杆组和光导杆组，光导杆组由两根光导杆14构成，螺旋导杆组由两根螺旋导杆13构成；两根螺旋导杆13通过驱动轴与移动驱动步进电机11连接，移动驱动步进电机11设置于转臂8上且靠近导杆支撑座b23处；面成像模块9设置于两根光导杆14或两根螺旋导杆13上；若面成像模块9设置于两根光导杆14上，面成像模块9能与两根光导杆14组成移动副；若面成像模块9设置于两根螺旋导杆13上，面成像模块9能与两根螺旋导杆13组成螺旋副。

本实用新型机器人航标定位导航系统的工作原理具体如下：

凸轮22与推杆19组合后可以控制面成像模块9的升降调焦；转臂8、驱动齿轮16和固定齿轮10组合可控制面成像模块9的旋转运动；转臂8、光导杆14和螺旋导杆13组合可控制面成像模块9的径向移动；用航标2相对于聚焦透镜18在面成像模块9上产生的像，按相互间的几何关系便能测算出机器人3在环境场所4中的具体方向和位置。

本实用新型机器人航标定位导航系统，用航标箭头为机器人3提供全局坐标，用自动追踪成像得到机器人在环境电子地图中的方位，经路径规划实现机器人3在复杂环境中的自动导航。