碰撞检测装置及具有其的机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，特别涉及一种碰撞检测装置及具有其的机器人。

背景技术：

目前，移动机器人检测碰撞的方法主要是通过安装碰撞传感器来进行检测，但碰撞传感器检测到的碰撞角度和强度的精度受限于安装的传感器的数量和位置，并且结构设计复杂，要预留足够的碰撞行程空间，且想要多角度检测需要较多的传感器，成本较高。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种碰撞检测装置，该装置能够检测机体运动所在平面的各个角度的碰撞情况，并得到精确度较高的碰撞的方位和强度，使用方便，且成本低。

本实用新型的另一个目的在于提出一种机器人。

为了实现上述目的，本实用新型第一方面提出了一种碰撞检测装置，包括：传感器，所述传感器用于获取待测载体的角速度信号和加速度信号；处理器，所述处理器与所述传感器相连，以接收所述加速度信号和角速度信号，并根据所述加速度信号和角速度信号判断所述待测载体是否发生碰撞，并在发生碰撞时，根据所述加速度信号和角速度信号得到碰撞角度和碰撞强度。

根据本实用新型的碰撞检测装置，通过传感器获取待测载体的角速度信号和加速度信号，并据此判断碰撞情况，并得到碰撞角度和碰撞强度。该装置能够检测机体运动所在平面的各个角度的碰撞情况，实现全方位碰撞检测，并得到精确度较高的碰撞的方位和强度，使用方便，且成本低。

另外，根据本实用新型上述的碰撞检测装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述传感器包括：多轴加速度计，所述多轴加速度计用于获取所述待测载体在所述多轴加速计的测量轴上的加速度信号；多轴陀螺仪，所述多轴陀螺仪用于获取所述待测载体在所述多轴陀螺仪的测量轴上的角速度信号。

在一些示例中，所述传感器设置在所述待测载体上，且使其中两个轴的方向所在的平面与所述待测载体行进时所在的平面平行或者形成固定夹角。

在一些示例中，所述待测载体的行进方向与所述其中的两个轴中的一个方向一致。

在一些示例中，所述处理器包括：判断模块，所述判断模块用于获取所述待测载体的加速度方差和加速度均值，并根据所述加速度方差和加速度均值判断所述待测载体是否发生碰撞。

在一些示例中，还包括：矫正模块，所述矫正模块用于在所述待测载体的行进平面倾斜时，对所述待测载体的加速度信号和角速度信号进行矫正。

在一些示例中，所述待测载体为机器人。

为了实现上述目的，本实用新型第二方面提出了一种机器人，包括本实用新型上述第一方面提出的所述碰撞检测装置。

根据本实用新型的机器人，能够检测其运动所在平面的各个角度的碰撞情况，实现全方位碰撞检测，并得到精确度较高的碰撞的方位和强度，使用方便，且成本低。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的碰撞检测装置的结构框图；

图2是根据本实用新型一个实施例的碰撞检测装置的设置位置示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的碰撞检测装置的检测原理示意图；

图4是根据本实用新型一个具体实施例的传感器在平面状态下的受力示意图；

图5是根据本实用新型一个具体实施例的传感器在斜面状态下的受力示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图描述根据本实用新型实施例的碰撞检测装置及具有其的机器人。

图1是根据本实用新型一个实施例的碰撞检测装置的结构框图。如图1所示，该碰撞检测装置100包括：传感器110和处理器120。

其中，传感器110用于获取待测载体的角速度信号和加速度信号。

处理器120与传感器110相连，以接收加速度信号和角速度信号，并根据加速度信号和角速度信号判断待测载体是否发生碰撞，并在发生碰撞时，根据加速度信号和角速度信号得到碰撞角度和碰撞强度。

根据本实用新型的碰撞检测装置，通过传感器获取待测载体的角速度信号和加速度信号，并据此判断碰撞情况，并得到碰撞角度和碰撞强度。该装置能够检测机体运动所在平面的各个角度的碰撞情况，实现全方位碰撞检测，并得到精确度较高的碰撞的方位和强度，使用方便，且成本低。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，该碰撞检测装置100例如可设置在待测载体上。更为具体地，如图2所示，例如，传感器110设置在待测载体上，具体位于待测载体内部，且使其中两个轴的方向所在的平面与待测载体行进时所在的平面平行或者形成固定夹角。进一步地，例如，待测载体的行进方向与其中的两个轴中的一个方向一致。需要说明的是，在具体实施过程中，若受机构限制无法做到以上的安装方式，则需要根据安装姿态角计算并测量三轴的方向，后续的信号处理单元中，对传入的信号进行转换处理，但是这会带来额外的误差，降低系统的鲁棒性。

其中，本实用新型实施例中所描述的待测载体例如为但不限于机器人。

在本实用新型的一个实施例中，结合图3所示，传感器110包括：多轴加速度计111 和多轴陀螺仪112。其中，多轴加速度计111用于获取待测载体在多轴加速计的测量轴上的加速度信号。多轴陀螺仪112用于获取待测载体在多轴陀螺仪的测量轴上的角速度信号。

作为具体的示例，多轴加速度计111例如为三轴加速度计，多轴陀螺仪112例如为三轴陀螺仪。其中，所述的三轴方向互相垂直。具体地，三轴加速度计用于获取待测载体在三维坐标系三个方向(即三轴方向)上的加速度信号。三轴陀螺仪用于获取待测载体相对于导航坐标系三个方向(即三轴方向)的角速度信号。

结合图3，也就是说，本实用新型实施例的碰撞检测装置100，通过多轴加速度计111 和多轴陀螺仪112获取加速度信号和角速度信号，处理器120通过预设算法对这些信号进行相关处理后，可得到待测载体当前的姿态，进而判断待测载体(机器人)是否发生碰撞，且进一步可得到精度较高的碰撞角度和碰撞强度。其中，预设算法例如包括互补滤波、卡尔曼滤波等算法。进一步地，为防止传感器的累计姿态计算误差，也可以引用待测载体其他的信号进一步矫正姿态，计算出更精确的姿态值。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，该碰撞检测装置100例如还包括矫正模块 (图中未示出)。矫正模块用于在待测载体的行进平面倾斜时，对待测载体的加速度信号和角速度信号进行矫正。具体地说，多轴加速度计111可作为测量力的传感器。以三轴加速度计和三轴陀螺仪为例，如图4和图5所示意的坐标系，待测载体会受到z轴反方向的重力作用G。如图4所示，当待测载体在水平面运动时，重G仅作用在Z轴的加速度计上，因此可以通过x,y轴的加速度值合力方向计算出碰撞角度和强度。但是当待测载体处于斜面上运动时，例如图5所示，G会在x,y轴上均有分量，无法直接计算出碰撞角度和强度。因此，在本实用新型的实施例中，引入3轴加速度计和3轴陀螺仪，计算出此时待测载体的姿态，即可计算出重力加速度在x,y,z三轴上的分量。用实时获取的3轴的加速度计值减去重力加速度分量值，可消除待测载体在非水平面上运动时的重力影响，完成对角速度信号和角速度信号的矫正，从而提高了检测结果的精度。

具体地，在本实用新型的一个实施例中，处理器120包括判断模块。判断模块用于获取待测载体的加速度方差和加速度均值，并根据加速度方差和加速度均值判断待测载体是否发生碰撞。具体地说，当待测载体受到碰撞时，加速度计数据可以检测到急剧的变化，即多轴的加速度加和向量有一个很大的值且急剧变化，且在碰撞后速度趋于稳定，加速度值的变化趋于稳定。基于此，通过计算待测载体在每个方向上加速度值的方差，并当方差分别与前一次计算所得方差和后一次计算所得方差的比值均大于第一预设值时，判定待测载体发生碰撞。进一步地，为了去除噪声干扰的影响，取n次采样(如10次)的数据作为一条数据组，并加入循环队列。每条数组之间可以有重叠的采样，增大计算密度。进一步地，计算每组数据每个方向上加速度值的方差和均值，当某组数据的有某个方向的加速度方差与前面组和后面组的比值都大于一定的阈值时，则认为待测载体发生了碰撞。

进一步地，为防止误检测，可以通过参考当前待测载体正在执行的运动指令和运动状态，估算待测载体控制指令会导致的加速度变化。当多轴加速度计计算的加速度均值大于待测载体控制指令导致的值时，则认为待测载体是发生了碰撞。

进一步地，当检测到待测载体发生碰撞后，再根据此段采样数据中加速度的加和向量的方向，再转换至当前待测载体姿态的坐标系，即可计算出碰撞的角度，并可以根据加速度向量的模值和变化方差值，计算出碰撞的强度。

综上，本实用新型实施例的碰撞检测装置，能够检测机体运动所在平面的各个角度的碰撞情况，实现全方位(即360度方向)碰撞检测，使用方便，且成本低并得到精确度较高的碰撞的方位和强度，使用方便，且成本低。

本实用新型的进一步实施例还提出了一种机器人。该机器人包括本实用新型上述任意一个实施例所描述的碰撞检测装置。即本实用新型实施例的机器人的具体实现方式与本实用新型实施例的碰撞检测装置的具体实现方式类似，具体请参见装置部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。

综上，根据本实用新型的机器人，能够检测其运动所在平面的各个角度的碰撞情况，实现全方位碰撞检测，并得到精确度较高的碰撞的方位和强度，使用方便，且成本低。

另外，根据本实用新型实施例的机器人的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同限定。