机器人红外和超声波测障防跌装置及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种机器人红外和超声波测障防跌装置，包括头部、躯干、双臂、双腿、多个避障红外传感器、多个防跌红外传感器、超声波模块。所述的多个避障红外传感器分别安装在双腿的前端和躯干的后端；所述的多个防跌红外传感器分别安装在双腿的前端和躯干的后端，多个防跌红外传感器皆分别安装在多个避障红外传感器的下方；所述的超声波模块安装在躯干前部且探测方向向外。由于本发明双腿前端的避障红外传感器可探测两腿前端的正前方位置，躯干的后端的避障红外传感器可探测躯干后端的正后方位置，超声波模块可探测躯干前方的位置，具有较强的避障防跌功能。
【专利说明】
机器人红外和超声波测障防跌装置及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种机器人红外和超声波测障防跌装置。
【背景技术】
[0002]红外与超声波应用在机器人上，主要用于避障防跌等功能。设计的安装位置一定程度上取决于机器人的行走轨迹和动态路径，做到最小的探测盲区实现避障防跌功能。也受限制于结构空间等，因为结构空间大小对使用红外对管还是超声波模块有很大的影响。基于这几点设计目的，需要业者对机器人上的红外与超声波的安装位置、结构有具创造性的设计。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种具有较强避障防跌功能的机器人红外和超声波测障防跌装置。
[0004]为实现上述目的，本发明的技术解决方案是:
本发明是一种机器人红外和超声波测障防跌装置，包括头部、躯干、双腿和尾轮;所述的头部安装在躯干的顶端，双腿安装在躯干的底部，尾轮安装在躯干后端的下部;还包括多个避障红外传感器、多个防跌红外传感器、超声波模块;所述的多个避障红外传感器分别安装在双腿的前端和躯干的后端，多个避障红外传感器的探测方向沿水平方向向外;所述的多个防跌红外传感器分别安装在双腿的前端和躯干的后端且多个防跌红外传感器的探测方向沿垂直方向向下，多个防跌红外传感器皆分别安装在多个避障红外传感器的下方;所述的超声波模块安装在躯干前部且探测方向向外。
[0005]所述的超声波模块通过固定支架安装在躯干前部。
[0006]本发明还包括三个避障红外传感器和三个防跌红外传感器;所述的两个避障红外传感器分别安装在双腿的前端，一个避障红外传感器安装在躯干的后端;所述的两个防跌红外传感器分别安装在双腿的前端且分别位于两个避障红外传感器下方，一个防跌红外传感器安装在躯干的后端且位于避障红外传感器的下方。
[0007]所述的超声波模块发出的超声波采用单信道处理，在超声波的接收端口先输入50us的高电平脉冲激活超声波，在超声波发射TX处会发送高电平作为测量距离的1.5-50ms的脉冲信号。
[0008]所述的超声波模块发出的超声波具有仰角，该仰角角度为10°-20°，超声波的发射和接收就必须在同一个面上。
[0009]本发明是一种机器人红外和超声波测障防跌装置的控制方法，包括以下步骤:
1)在超声波模块发出超声波探测到有障碍时采用转弯:包含以下选择(I)超声波模块发出超声波探测到障碍和尾轮同时遇到障碍则采用转弯；(2)超声波模块发出超声波探测到有障碍，尾轮悬空则采用转弯；
2)在超声波模块发出超声波探测到和双腿中的一个腿同时有障碍，而躯干尾部无障碍无悬空，则采用后退转弯；
3)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，接收红外信号，红外信号经放大、ADC采样、阀值判断，障碍物处理后，当双腿中的一个腿遇到障碍时，采用后退转弯；
4)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当双腿遇到障碍而躯干尾部悬空时，则停止；
5)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当双腿遇到障碍和躯干尾部同时有障碍时，则转弯；
6)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当双腿悬空或避障时，采用后退转弯；
7)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当躯干尾部悬空或遇到障碍时，前进转弯；
8)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当双腿和躯干尾部同时悬空时，则停止。
[0010]采用上述方案后，由于本发明包括多个避障红外传感器、多个防跌红外传感器、超声波模块;双腿前端的避障红外传感器可探测两腿前端的正前方位置，躯干的后端的避障红外传感器可探测躯干后端的正后方位置，超声波模块可探测躯干前方的位置，具有较强的避障防跌功能。
[0011]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
【附图说明】
[0012]图1是本发明的正视图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的后视图；
图4是本发明躯干的正视图；
图5是本发明躯干的剖视图；
图6是本发明超声波模块的剖视图；
图7是本发明超声波模块的正视图；
图8是本发明控制方法的逻辑图；
图9是本发明超声波单信道处理的示意图；
图10是本发明单个红外信号采集的流程图；
图11是本发明超声波水平探测的曲线图；
图12是本发明超声波垂直探测的曲线图。
【具体实施方式】
[0013]如图1-图7所示，本发明是一种机器人红外和超声波测障防跌装置，包括头部1、躯干2、双腿3、三个避障红外传感器4、三个防跌红外传感器5、超声波模块6、固定支架7、尾轮8。
[0014]所述的头部I安装在躯干2的顶端，双腿3安装在躯干2的底部。所述的尾轮8安装在躯干2后端的下部。
[0015]所述的两个避障红外传感器4分别安装在双腿3的前端，一个避障红外传感器4安装在躯干2的后端，三个避障红外传感器4的探测方向皆沿水平方向向外。
[0016]所述的两个防跌红外传感器5分别安装在双腿3的前端且分别位于两个避障红外传感器4下方，一个防跌红外传感器5安装在躯干2的后端且位于避障红外传感器4的下方，三个防跌红外传感器5的探测方向皆沿垂直方向向下。
[0017]所述的超声波模块6通过固定支架7安装在躯干2前部且探测方向向外。在本实施例中，所述的躯干2前胸为弧面结构，要求超声波面和躯干2前胸贴合，超声波模块6发出的超声波具有一定的仰角，该仰角角度为10°-20°，超声波的发射和接收就必须在同一个面上。如果采用发射接收独立的在弧面贴合，发射和接收不在同一平面上不能形成反射信号和接收传感器在同一方向，接收传感器接收不到反射信号不能探测。超声波是通过震动产生脉冲信号，所以超声波模组不能被固定，超声波模块6整体用软胶固定在穿过整个固定支架7固定在之间上面，这样超声波模块6可以在支架上震动产生脉冲信号。固定支架7上再固定超声波的电路板，可以避免电路板和结构的干涉。因为超声波模组要露过前胸的结构件，在震动的时候不能与结构件干涉而影响超声波的实际功率。前胸的外壳孔径做大到Φ 18mm左右，这样能保证超声波自由震动度和机器人外观不受毁坏。另一方面超声波模块6在固定时不能在结构件上出现滑动脱落的情况，而可以由支架的结构图可以看出，固定支架7只允许在前后两端的位置固定，通过螺丝孔定位，也容易造成超声波模块6的左右摇晃。另外前胸的螺丝孔位置走向并是水平的，在锁螺丝时候易造成超声波上下走偏，这样影响超声波的在结构前壳的正中位置而受结构干扰。而在前胸位置通过卡槽设计，将固定支架7的左右边用卡槽护住，在固定支架7的两个螺丝孔支架处延伸两只耳朵作为结构限位，防止超声波固定支架7和前胸结构的上下滑动。
[0018]如图8所示，本发明是一种机器人红外和超声波测障防跌装置的控制方法，包括以下步骤:
1.在超声波模块6发出超声波探测到有障碍时采用转弯:包含以下选择(I)超声波模块6发出超声波探测到障碍和尾轮8同时遇到障碍则采用转弯；(2)超声波模块6发出超声波探测到有障碍，尾轮8悬空则采用转弯；
2.在超声波模块6发出超声波探测到和双腿3中的一个腿同时有障碍，而躯干2尾部无障碍无悬空，则采用后退转弯；
3.避障红外传感器4和防跌红外传感器5发射红外信号，接收红外信号，红外信号经放大、ADC采样、阀值判断，障碍物处理后，当双腿中的一个腿遇到障碍时，采用后退转弯；
4.避障红外传感器4和防跌红外传感器5发射红外信号，当双腿遇到障碍而躯干尾部悬空时，则停止；
5.避障红外传感器4和防跌红外传感器5发射红外信号，当双腿遇到障碍和躯干尾部同时有障碍时，则转弯；
6.避障红外传感器4和防跌红外传感器5发射红外信号，当双腿悬空或避障时，采用后退转弯；
7.避障红外传感器4和防跌红外传感器5发射红外信号，当躯干尾部悬空或遇到障碍时，前进转弯；
8.避障红外传感器4和防跌红外传感器5发射红外信号，当双腿和躯干尾部同时悬空时，则停止。
[0019]如图10所示，本发明单个红外传感器6的采集基本原理:
发射红外信号一红外信号接收一信号放大一 ADC采样一阀值判断一障碍物处理。
[0020]本发明的设计原理:
1、红外避障:避障红外主要位于两腿的前端指向正前方位置和尾部的最后端指向正后方位置。这样的设计，主要基于:1.机器人的行走轨迹和动态路径，在行走过程中当遇到障碍物都是这几个位置会先触碰到障碍物，以此位置来作为避障传感的探测位置能最大程度减小探测盲区和实现避障功能。因为无论是前进还是左转右转，在一定体积的障碍物最先能够探测到的是两腿的前端的位置，胸前的盲区位置选用超声波。在后退过程也是尾部位置能够探测到障碍物。
[0021]这三个位置选用红外对管而不选择超声波模块，是因为红外探测距离较超声波没有那么远，而实际要求的避障距离只需要15-20cm。因为在产品实际运用的场景中，大多以家庭学校为主。在比较复杂的环境下，如果避障距离做得很大，就易受到干扰自主活动的空间就变得很小。另一方面红外对管的探测距离主要取决于红外对管的发射功率，探测距离越大意味着发射功率也越大，如果探测距离选择比较大就会影响机器人的整机功耗。目前的红外发射管的功率大概是一个20mAH左右。另一方面也是因为受结构空间限制，红外对射管的直径只有Φ 5mm也不需要固定支架，而超声波模组直径有Φ 15mm另需要特殊的固定支架，所以受限于结构空间而采用红外发射管。
[0022]2、如图11所示，能够解决红腿红外之间的探测盲区。
[0023]这是超声波水平探测的曲线图，能够解决两腿红外之间的探测盲区。超声波探测距离可以达到170cm左右，避障距离应用为30cm。在这样的探测曲线范围能够避免自身结构的干扰。横向的范围不大，避免自身结构的干涉，也不会受多个障碍物的影响。
[0024]3、如图12所示，能够解决头部位置的探测盲区。
[0025]因为避障距离在30cm，对应的Y轴的距离也是30cm左右，位于胸部中间位置能够探测到头顶的盲区。而在30cm以内的属于超声波探测不到的距离，能够避免自身结构的干扰。用超声波能够有效解决胸前的障碍物探测也能解决头顶障碍物的探测盲区。在实际运用当中，机器人就会避免钻进椅子或桌子里面，也避免头部撞到障碍物，有效探测外部障碍物限高的问题，这样减少了头顶的传感器。而如果传感器直接放置在头顶位置，头部是随着电机左右转动的，这样传感器的方向也随之改变，探测障碍物就不准确易受外部环境影响。
[0026]4、如图9所示，超声波的单信道处理。
[0027]所述的超声波模块6发出的超声波采用单信道处理，在超声波的接收端口先输入50us的高电平脉冲激活超声波，在超声波发射TX处会发送高电平作为测量距离的1.5-50ms的脉冲信号。在通过计算脉冲信号的时间来得到探测物体的距离，在接收到脉冲信号时，需等待下一次输入的触发。所以这样就实现了单信道的采集数据，避免多个障碍物对其的干扰。超声波在探测过程为了不受多个障碍物的干扰，在超声波发射过程中，因为X轴方向和Y轴方向都属于区域探测，容易探测到不同距离的障碍物。而当超声波遇到障碍物会反射回来形成反馈信号，在多个障碍物形成的反馈信号被接收后会形成一定程度的干扰。为了避免这种干扰，超声波采用单信道处理，以采集最近的障碍物为主。
[0028]本发明的重点就在于:设有多个避障红外传感器、多个防跌红外传感器、超声波模块。
[0029]以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
【主权项】
1.一种机器人红外和超声波测障防跌装置，包括头部、躯干、双腿和尾轮;所述的头部安装在躯干的顶端，双腿安装在躯干的底部，尾轮安装在躯干后端的下部;其特征在于:还包括多个避障红外传感器、多个防跌红外传感器、超声波模块;所述的多个避障红外传感器分别安装在双腿的前端和躯干的后端，多个避障红外传感器的探测方向沿水平方向向外；所述的多个防跌红外传感器分别安装在双腿的前端和躯干的后端且多个防跌红外传感器的探测方向沿垂直方向向下，多个防跌红外传感器皆分别安装在多个避障红外传感器的下方;所述的超声波模块安装在躯干前部且探测方向向外。2.根据权利要求1所述的机器人红外和超声波测障防跌装置，其特征在于:所述的超声波模块通过固定支架安装在躯干前部。3.根据权利要求1所述的机器人红外和超声波测障防跌装置，其特征在于:包括三个避障红外传感器和三个防跌红外传感器;所述的两个避障红外传感器分别安装在双腿的前端，一个避障红外传感器安装在躯干的后端;所述的两个防跌红外传感器分别安装在双腿的前端且分别位于两个避障红外传感器下方，一个防跌红外传感器安装在躯干的后端且位于避障红外传感器的下方。4.根据权利要求1所述的机器人红外和超声波测障防跌装置，其特征在于:所述的超声波模块发出的超声波采用单信道处理，在超声波的接收端口先输入50us的高电平脉冲激活超声波，在超声波发射TX处会发送高电平作为测量距离的1.5-50ms的脉冲信号。5.根据权利要求1所述的机器人红外和超声波测障防跌装置，其特征在于:所述的超声波模块发出的超声波具有仰角，该仰角角度为10°-20°，超声波的发射和接收就必须在同一个面上。6.—种根据权利要求1所述的机器人红外和超声波测障防跌装置的控制方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)在超声波模块发出超声波探测到有障碍时采用转弯:包含以下选择(I)超声波模块发出超声波探测到障碍和尾轮同时遇到障碍则采用转弯；(2)超声波模块发出超声波探测到有障碍，尾轮悬空则采用转弯； 2)在超声波模块发出超声波探测到和双腿中的一个腿同时有障碍，而躯干尾部无障碍无悬空，则采用后退转弯； 3)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，接收红外信号，红外信号经放大、ADC采样、阀值判断，障碍物处理后，当双腿中的一个腿遇到障碍时，采用后退转弯； 4)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当双腿遇到障碍而躯干尾部悬空时，则停止； 5)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当双腿遇到障碍和躯干尾部同时有障碍时，则转弯； 6)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当双腿悬空或避障时，采用后退转弯； 7)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当躯干尾部悬空或遇到障碍时，前进转弯； 8)避障红外传感器和防跌红外传感器发射红外信号，当双腿和躯干尾部同时悬空时，则停止。
【文档编号】B25J9/16GK105835061SQ201610359629
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】郭长琛, 许清汉
【申请人】智童时刻（厦门）科技有限公司