专利名称：一种可定位并操作目标物的多轨机器人及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种可定位并操作目标物的多轨机器人。
背景技术：
随着科技的进步，机器人越来越多的参与人类的工作和生活，可以预见将来机器人将代替人类承担越来越多复杂、繁重的工作，而人们则可以从繁重的工作中解脱出来，生活得更加轻松与安逸。但目前，机器人(或者具有机器人功能的自动化装置)，只能从事一些简单的重复性的自动化作业，例如室内清洁机器人、除草机器人、舞蹈表演机器人、教育机器人、焊接机器人等等，这些机器人都无法实现对目标物的定位，普遍智能化程度不高，人们工作和日常生活中的大量复杂、繁重的工作，依然是以人力为主，时代期待着具有更高智能的机器人的出现。
在机器人的控制算法上，多数文献与应用都选择了人脑相对易于理解的直角坐标系，算法复杂，该坐标系中绝大多数点的未知参数都是三个，往往需要繁琐的推导计算，也就是说直角坐标系符合我们人类的形象思维，却不总是最适合控制机器人的坐标系。
在机器人的结构设计上，某些文献和应用把超声发射装置置于目标物体内，把超声接收装置安装在天花板的多个角落，这样设计的结果是因目标物体内的超声发射装置所发射的超声具有方向性，并且其发射角随着距离的增加而减小，这种方案无法保证所有超声接收装置都接收到信号，大大降低了该系统的可靠性。在机器人的功能设计上，极少有文献和应用考虑到目标物体内的电子系统的电源供给，有学者提出了大容量电池的方案，但目标物千差万别，从应用角度而言，电池越小越好，而电池的小体积与大容量是一个难以解决的矛盾问题，而且，容量再大的电池，其电量终究是有限的；还有一些方案中给目标物配置了有线电源，只能说这种方案的应用空间很有限，更多的时候，电源线会限制机器人的活动范围并阻碍机器人对目标物的操作。
发明内容
本发明涉及的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，可克服上述缺点，具有较高的智能，可以在人们的工作或生活中，代替人类完成相对复杂的工作。本发明涉及的可定位并操作目标物的多轨机器人包括中控部分、超声发射单元、受控单元、机器手、滑轨、电动滑轮，机器手基部附带电动滑轮，可沿安装于天花板、墙壁、地面或其它平面上的滑轨移动，机器手、超声发射单元、电动滑轮分别与中控部分电气连接。中控部分包含微处理器和微控制器中的一种或多种，是本发明的核心部分，担负着整个系统的信息采集、分析计算、实时决策的重要任务。受控单兀置于目标物内部或固定于目标物表面，包含微处理器和微控制器中的一种或多种，是一个拥有检测、计算、控制、通信功能的智能子系统。中控部分与受控单元至少同时具有红外通信接口、蓝牙通信接口、射频通信接口中的一种，两者之间可进行无线通信，无线通信的内容包括但不限于系统的时钟同步信号、受控单元的实时测量数据。机器手采用可伸缩式、可旋转式、具有一个或一个以上自由度三种设计方式中的一种或多种。两根或两根以上滑轨平行固定于天花板、墙壁、地面或其它平面上，这些互相平行的滑轨暂时称为X轴滑轨；另有一根或互相平行的多根滑轨(这里暂时称为Y轴滑轨)，在与X轴滑轨垂直的方向，通过电动滑轮附着在X轴滑轨上，并可沿X轴滑轨在X轴方向上往复滑动；机器手通过电动滑轮附着在Y轴滑轨的一侧，机器手可在与X轴、Y轴所在平面的垂直方向，即Z轴方向，通过可伸缩、具有一个或一个以 上自由度、可旋转三种特质中的一种或多种实现伸缩或摆动，这样，在主控部分的控制下，机器手可在一定范围内的三维空间内定位、移动或操作目标物。每个超声发射单元内部集成了多个超声发射装置，这些超声发射装置同时发射的超声信号覆盖系统要求的控制区域，本发明包括三个或三个以上的超声发射单元，这些超声发射单元被固定在空间的不同位置，并且至少有一个超声发射单元与其余超声发射单元在三维空间不共线，在主控部分的控制下，不同的超声发射单元经过固定的时间间隔分别发射超声信号，受控单元、机器手都包含超声信号接收部件，并且在自身时钟累计误差小于规定值的前提下，根据接收超声信号时刻与约定发射时刻的时间差乘以超声在空气中的速度，即可计算出自身与三个超声发射单元的相对距离，之后将相关数据分别发送给中控部分。中控部分在接收到系统中所有受控单元和机器手的位置信息后，通过比对与计算，即可实现对所有目标物和机器手的定位，之后通过对机器手基部的电动滑轮的驱动，以及机器手自身的姿势改变，实现机器手在一定三维空间内移动并靠近要操作的目标物，在靠近的过程中，机器手和目标物的位置被快速的实时计算，并得出两者之间的最优靠近路径，当两者之间的距离小于机器手可操作最大距离时，机器手就可以在主控部分的控制下对目标物进行各种操作。本发明中的受控单元除包含储能电池外，还包括接触式充电接口与受电感应线圈中的一种或多种。所采用的储能电池类型包括但不限于镍氢电池、锂电池、铁锂电池、铅酸蓄电池、液流储能电池、飞轮储能电池。对于具有接触式充电接口的情形，在受控单元所对应的目标物闲置时，机器手在中控部分的控制下，可移动其至指定充电区域与充电电极可靠接触，进行受控单元中的储能电池进行电能补充；对于具有受电感应线圈的情形，系统中包括有充电线圈，充电线圈与中控部分电气连接，中控部分通过电力电子开关器件对充电线圈的电压波形进行脉冲宽度调制，受控单元部分包含的受电感应线圈，在靠近充电线圈的一定范围内，可通过电磁感应为受控单元内部蓄电池充电。本发明中的实时位置计算除了可以选择传统的直角坐标系，还可以使用极坐标系，或者两种坐标优势互补，结合使用。实际上，无论是超声发射、接收装置，还是机器手，都更加适合极坐标的模型，直角坐标系中绝大多数点的未知参数都是三个，而在极坐标系中绝大多数点的未知参数都是两个(一个已知的参数就是极坐标原点的超声发射单元与目标物的距离，是可以直接测量的已知量)，推导计算在更多的情形下相对简单，减少了中控部分的计算推导时间，为系统的快速响应提供了条件。
概括而言直角坐标系的优势在于线性运动控制的场合；极坐标系适合旋转运动控制，两者互有短长，本发明中的定位算法根据实际情形，采用极坐标系、直角坐标系中的一种或两种，在采用两种坐标系相结合进行计算分析的情况，定位参数可在两种坐标系之间转化，便于机器人的实时运动控制。
图I为本发明的系统功能模块示意图。图2为本发明的系统机械结构示意图。图3为本发明的极坐标算法示意图。
具体实施方式
以下实施例属于本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。本发明涉及的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，具有较高的智能，可以在人们的工作或生活中，代替人类完成相对复杂的工作。本发明的一种具体实施方式
的系统功能模块示意图如图I所示，对应的系统机械结构示意图如图2所示。该实施方式包括中控部分、超声发射单元、受控单元、机器手、滑轨、电动滑轮、充电线圈，机器手借助基部安装的电动滑轮，可沿安装于天花板、墙壁、地面或其它平面上的滑轨移动，机器手、超声发射单元分别与中控部分电气连接，中控部分与受控单元之间可进行红外、蓝牙通信，无线通信的内容包括但不限于系统的时钟同步信号、源自系统各组成部分的实时测量数据。中控部分如图2中标号I所示，包含微控制器，是本发明的核心部分，担负着整个系统的信息采集、分析计算、实时决策的重要任务。受控单兀如图2中标号2所不，固定于目标物表面，包含微控制器，是一个拥有检测、计算、控制、通信功能的智能子系统，受控单元包含储能电池以及充电线圈。机器手如图2中标号4所示，可伸缩，还可以基部为圆心旋转，并可在中控部分的指令下，沿安装于天花板、墙壁、地面或其它平面上的滑轨移动。电动滑轮如图2中标号8所示。两根滑轨平行固定于天花板、墙壁、地面或其它平面上，这对滑轨暂时称为X轴滑轨(如图2中标号5所示)；另有一根或多根互相平行的滑轨，这里暂时称为Y轴滑轨(如图2中标号6所示)，在与X轴滑轨垂直的方向，通过电动滑轮附着在X轴滑轨上，并可沿X轴滑轨在X轴方向上往复滑动；机器手通过电动滑轮附着在Y轴滑轨的一侧，机器手可在与X轴、Y轴所在平面的垂直方向(Z轴方向)伸缩或摆动，这样，在主控部分的控制下，机器手可在一定范围内的三维空间内定位、移动或操作目标物(如图2中标号7所示)。超声发射单元(如图2中标号3所示)，被固定在X轴滑轨的端部，实际计算中，在保证其中至少有一个超声发射单元与其余超声发射单元在三维空间上不共线的前提下，任意选取三个。在主控部分的控制下，所有超声发射单元每经过一定时间间隔分别发射一组超声信号，受控单元、机器手都包含超声信号接收部件，并且此前在系统精度要求的时间内，实现了时钟的同步校对，它们根据接收超声信号时刻与约定发射时刻的时间差乘以超声在空气中的速度，即可计算出自身与三个超声发射单元的相对距离，之后将相关数据分别发送给中控部分。中控部分接收到该位置信息后，通过如下算法计算某个受控单元或机器手在系统中的位置坐标极坐标算法示意图如图3所示，为了说明的需要，图中同时建立对应的XYZ三维空间直角坐标系作为参照。首先，在该极坐标系中，三个超声发射单元分别对应0、Α、Β三点，现在设0点的极坐标为(0,0,0) ； A点的极坐标为(m,0,0) ;B点的极坐标为(η, O,^ /4)。某个目标物或机器手用Q点来表示，Q点与0、Α、Β三点经超声测量的实际距离分别用P P P 2和P 3表示，现在做Q点在O、Α、B三点所在平面的垂足q，分别用虚线与O、A、B三点连接，则三个三角形AOQq、AAQq, Λ BQq都是以q点为直角顶点的直角三角形，根据《立体几何》学科的相关原理，图3中所示的角α为向量OQ与0、Α、Β三点所在平面的夹角，角β为O、Q、q三点所在平面与X轴、Z轴所在平面的夹角。根据上述推导，在该极坐标系统中，Q点的极坐标为(P1, α，β)，其中α和β的计算方法如下式所示
L ..,,,,,,a-K I
VPi ( m ...... Pi j
'f 2 . I
σ ...... Wfr- P'
I)
当系统拥有多于三个超声发射单元时，可在所有超声发射单元中做不同的三点组合，分别根据上述算法计算出目标物或机器手的极坐标，之后所得结果取均值，则可以减小误差，提高系统的测量精度。通过上述算法，中控部分在接收到系统中所有受控单元和机器手的位置信息后，通过比对与计算，即可实现对所有目标物和机器手的定位，之后通过对机器手基部的电动滑轮的驱动，以及机器手自身的姿势改变，实现机器手在一定三维空间内的移动，即可靠近要操作的目标物，在靠近的过程中，机器手和目标物的实时位置被快速的实时计算，并得出两者之间的最优靠近路径，当两者之间的距离小于机器手可操作最大距离时，机器手就可以在主控部分的控制下对目标物进行各种操作。不可否认，在线性运动的控制场合，直角坐标有着自己的优势，对于中控部分，任何时候，需要某个已知极坐标的点的直角坐标，只需按照如下计算方法进行计算即可得到
χ·:: /7 OOSiZ COS β
JT =β
Z --€L
而从直角坐标到极坐标的转换计算方法如下
权利要求
1.一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于包括中控部分、超声发射单元、受控单元、机器手、滑轨、电动滑轮，受控单元置于目标物内部或固定于目标物表面，机器手借助安装于基部的电动滑轮，可沿安装于天花板、墙壁、地面或其它平面上的滑轨移动，机器手、超声发射单元、电动滑轮分别与中控部分电气连接。
2.根据权利要求I所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于中控部分包含微处理器和微控制器中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于中控部分与受控单元之间可进行无线通信，无线通信的方式包括但不限于红外通信、蓝牙通信、射频通信中的一种或多种，无线通信的内容包括但不限于系统的时钟同步信号、受控单元的实时测量数据。
4.根据权利要求3所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于每个超声发射单元内部集成了多个超声发射装置，这些超声发射装置同时发射的超声信号覆盖系统要求的控制区域，本发明包括三个或三个以上的超声发射单元，这些超声发射单元被固定在空间的不同位置，并且至少有一个超声发射单元与其余超声发射单元在三维空间不共线，不同的超声发射单元经过固定的时间间隔相继发射超声信号，受控单元、机器手都包含超声信号接收部件，接收超声信号后根据接收时间计算自身位置并分别发给中控部分。
5.根据权利要求4所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于机器手采用可伸缩式、可旋转式、具有一个或一个以上自由度三种设计方式中的一种或多种，在中控部分的指令下，可通过电动滑轮，沿安装于天花板、墙壁、地面或其它平面上的滑轨移动，并在一定范围内的三维空间内定位、移动或操作目标物。
6.根据权利要求5所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于受控单兀包含微处理器和微控制器中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于两根或两根以上滑轨平行固定于天花板、墙壁、地面或其它平面上，这些互相平行的滑轨暂时称为X轴滑轨，另有一根或互相平行的多根滑轨(这里暂时称为Y轴滑轨)，在与X轴滑轨垂直的方向，通过电动滑轮附着在X轴滑轨上，并可沿X轴滑轨在X轴方向上往复滑动；机器手通过电动滑轮附着在Y轴滑轨上，机器手可在与X轴、Y轴所在平面的垂直方向，即Z轴方向，通过可伸缩、具有一个或一个以上自由度、可旋转三种特质中的一种或多种实现伸缩或摆动，这样，在主控部分的控制下，机器手可在一定范围内的三维空间内定位、移动或操作目标物。
8.根据权利要求I 权利要求7所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于受控单元包含储能电池以及接触式充电接口，在受控单元所对应的目标物闲置时，机器手在中控部分的控制下，可移动其至指定充电区域与充电电极可靠接触，进行电能补充，所采用的储能电池类型包括但不限于镍氢电池、锂电池、铁锂电池、铅酸蓄电池、液流储能电池、飞轮储能电池，接触式充电接口与中控部分电气连接。
9.根据权利要求I 权利要求7所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于包含储能电池以及充电线圈，储能电池类型包括但不限于镍氢电池、锂电池、铁锂电池、铅酸蓄电池、液流储能电池、飞轮储能电池，充电线圈与中控部分电气连接，中控部分通过电力电子开关器件对充电线圈的电压波形进行脉冲宽度调制，受控单元部分包含的受电感应线圈，在靠近充电线圈的一定范围内，可通过电磁感应为受控单元内部蓄电池充电。
10.根据权利要求I 权利要求7所述的一种可定位并操作目标物的多轨机器人，其特征在于定位算法中采用极坐标系、直角坐标系中的一种或两种，在采用两种坐标系相结合进行计算分析的情况，定位参数可在两种坐标系之间转化，便于机器人的运动控制。
全文摘要
本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种可定位并操作目标物的多轨机器人及其控制方法。本发明的可定位并操作目标物的多轨机器人包括中控部分、超声发射单元、受控单元、机器手、滑轨、电动滑轮、充电线圈，机器手、超声发射单元、电动滑轮、充电线圈分别与中控部分电气连接；中控部分与受控单元之间可进行红外、蓝牙或射频通信；超声发射单元定时发射超声信号，受控单元、机器手根据该超声信号的接收时刻计算自身位置并分别发给中控部分。在中控系统的控制下，机器手可通过电动滑轮沿安装于天花板、墙壁、地面或其它平面上的滑轨移动，在一定范围的三维空间内定位、移动或操作目标物。
文档编号B25J5/02GK102909721SQ20121043139
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者李木 申请人:李木