CN103878761A

CN103878761A - 一种利用磁场定位的多轨机器人及其控制方法

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Publication number: CN103878761A
Application number: CN201210566065.3A
Authority: CN
Inventors: 李木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2014-06-25

Abstract

本发明涉及一种机器人及其控制方法，尤其涉及一种利用磁场定位的多轨机器人及其控制方法。本发明的利用磁场定位的多轨机器人包括主控部分、信号采集单元、磁力传感器件、机器手、电动轮、可移动滑轨、固定滑轨，机器手借助电动轮附着在可移动滑轨上；可移动滑轨借助电动轮附着在固定滑轨上。控制方法为：主控部分通过对电动轮的驱动实现可移动滑轨、机器手的移动，可移动滑轨的端部、机器手靠近滑轨的端部都可产生磁场，滑轨沿线固定安装若干个磁力传感器件，通过信号采集单元将可移动滑轨、机器手实时位置信息发给主控部分，主控部分还可控制机器手的伸缩或摆动，即实现在一定范围的三维空间内感知、控制机器手。

Description

一种利用磁场定位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，尤其涉及一种利用磁场定位的多轨机器人。

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自身的定位，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。

发明内容

本发明涉及的一种利用磁场定位的多轨机器人，具有较高的智能，可在一定范围的三维空间内移动，并实现对自身的定位与控制，安全可靠，可以在工作或生活中，代替人类完成相对复杂的工作。

本发明涉及的利用磁场定位的多轨机器人包括主控部分、信号采集单元、磁力传感器件、机器手、电动轮、可移动滑轨、固定滑轨。固定滑轨的位置相对于固定面不变，可移动滑轨相对于固定滑轨的位置可变；电动轮自身带有功率驱动装置，以通信的方式收到运行信号以及目的地信号后即可以一定的速度向指定的位置滚动或滑动。

机器手、信号采集单元、电动轮分别与主控部分通过有线或无线的方式进行通信；信号采集单元与磁力传感器件通过有线或无线的方式进行通信。本发明中所有相关描述中：有线通信方式的媒介包括但不限于串行总线、并行总线、一根或多根信号线，无线通信方式的媒介包括但不限于射频、红外、蓝牙。采取有线通信方式时，通信电缆必须保证长度不小于通信双方可移动的最大距离，并且附带防缠绕、防下垂部件。

本发明中，对于固定滑轨，多个磁力传感器件固定安装在滑轨上或滑轨沿线附近的不同位置；对于可移动滑轨，若干磁力传感器件固定安装在滑轨上的不同位置，也可借助附件固定在可移动滑轨的附近，但必须保证其相对于可移动滑轨的位置始终不变，并距离较近，且不能阻碍电动轮的行进。

磁力传感器件在靠近或远离这些磁场时发出信号，磁力传感器件可选类型包括但不限于：磁控开关、磁感应开关、磁阻传感器、磁力传感器、磁力感应元件，本发明中如下两个位置具有磁性，可产生磁场：

1. 机器手靠近滑轨的端部；

2. 可移动滑轨的端部。

部件端部具有磁性的实现方式包括但不限于下述三种方案：

1. 包括永久磁铁，由永久磁铁产生永久磁场；

2. 包括线圈，主控部分控制线圈通电后，即可产生磁场；

3. 包括线圈以及铁心，线圈缠绕在铁心之上，主控部分控制线圈通电后，即可产生磁场。

本发明的固定滑轨由两根或两根以上互相平行的滑轨构成，固定于天花板、墙壁、地面或其它平面、曲面、不规则面上，位置相对于固定面不变；可移动滑轨由一根或互相平行的多根滑轨构成，与固定滑轨的方向不平行（包括应用中便于实现的垂直方式），可移动滑轨通过电动轮附着在固定滑轨上，并可沿固定滑轨移动；机器手通过电动轮附着在可移动滑轨上。即：机器手可沿可移动滑轨移动；可移动滑轨可沿固定滑轨移动。

机器手通过如下三种特质中的一种或多种实现伸缩或摆动，具体如下：

1. 可伸缩；

2. 具有一个或一个以上自由度；

3. 可旋转。

这样，在主控部分的控制下，一方面，机器手自身可做出各种姿势与动作；另一方面机器手可通过电动轮沿滑轨在一定范围内的三维空间移动，通过这两方面，可实现机器手的定位、移动以及对目标物的操作。

本发明的主控部分与信号采集单元都包含微处理器与微控制器中的一种或多种，其中微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP、CPLD、FPGA、PLC，主控部分与信号采集单元都具有智能的特征，均可独立完成信号的采集、数据的分析处理、决策命令的发出等任务。

本发明的利用磁场定位的多轨机器人，其滑轨、电动轮可兼作***电源的传输媒介，即电动轮与滑轨的金属部分或附件通过接触实现电能的传输，附件的类型包括但不限于电刷、金属弹簧片。

本发明的控制方法为：

首先，主控部分可实现如下三个方向的定位控制：

1. 可移动滑轨通过电动轮沿固定滑轨的定向移动。这种移动可实现一定区域的直线或曲线上位置的定位。

2. 机器手通过电动轮沿固定滑轨的定向移动。这种移动可实现一定区域的平面或曲面上位置的定位。

3. 机器手可在与固定滑轨、可移动滑轨所在平面或曲面的垂直方向，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。这种伸缩或摆动即可实现一定区域的直线或空间上位置的定位。

其次，主控部分可通过如下方式实时获取反馈信息：可移动滑轨的端部、机器手靠近滑轨的端部都可产生磁场，滑轨沿线固定安装若干个磁力传感器件，这些磁力传感器件通过信号采集单元将可移动滑轨、机器手实时位置信息发给主控部分。

这样，主控部分即可根据收到的实时反馈的位置信息，在一定范围的三维空间内定位、控制机器手，并实现对目标物的操作。

本发明的控制方法中核心的定位算法为：对于可移动滑轨、机器手等可移动物体，以轨道的出发点作为坐标原点，当物体已经连续移动一段距离，途中经过n个磁力传感器（每个磁力传感器的相对坐标原点的位移分别为s₁，s₂，…，s_n）并均经信号采集单元成功向主控部分发出信号，发出信号的时刻分别为t₁，t₂，…，t_n，在这里：s₁与 t₁对应；s₂与 t₂对应；…；s_n与 t_n对应，即脚标相同的变量互相对应。主控部分根据这n组时间数据，可得到物体的当前平均速度函数为：

Figure 2012105660653100002DEST_PATH_IMAGE001

假设该物体沿第k条路径移动，该物体经过最后的磁力传感器为第n个磁力传感器，且自经过该磁力传感器位置的时刻始又继续行进了Δt的时间，则此时其相对原点的位置函数如下：

1. 当n大于等于2时，对于第k条路径的位置函数为：

当物体连续运行时，该函数也可以简写为：

Figure 2012105660653100002DEST_PATH_IMAGE003

2. 当n等于1时，对于第k条路径的位置函数为：

Figure 2012105660653100002DEST_PATH_IMAGE004

这里的

为历史经验数据中的平均速度。

3. 当n等于0时，即物体没有经过任何磁力传感器，对于第k条路径的位置函数为：

Figure 2012105660653100002DEST_PATH_IMAGE006

这里的为历史经验数据中的平均速度。

依照上述方法，可同时得到移动滑轨端部、机器手靠近滑轨的端部的定位数据，加上机器手自身伸缩、摆动等动作的相关数据，即可在一定范围的三维空间内，对机器手的端部进行定位。

附图说明

图1为本发明实施例的***功能模块示意图。

图2为本发明实施例的***机械结构示意图。

图3为本发明实施例的微控制器电路原理图。

图4为本发明实施例的开关量输入电路原理图。

图5为本发明实施例的开关量输出电路原理图。

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。

本发明涉及的一种利用磁场定位的多轨机器人，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。

本发明的一种实施例的***功能模块示意图如图1所示，本实施例中选用磁控开关作为磁力传感器件，主控部分直接控制机器手的伸缩；主控部分通过对电动轮的控制实现对可移动滑轨和机器手的定位，可移动滑轨和机器手的位置信息经磁控开关、信号采集单元传给主控部分。

本发明的一种实施例的***机械结构示意图如图2所示，该实施例包括主控部分（图2中标号1所示）、信号采集单元（图2中标号2所示）、磁控开关（图2中标号3所示）、机器手（图2中标号4所示）、电动轮（图2中标号5所示）、可移动滑轨（图2中标号6所示）、固定滑轨（图2中标号7所示），图2中标号8所示为机器手操作的目标物。

主控部分与机器手通过若干信号线进行通信；信号采集单元与磁控开关通过若干信号线进行信号传递；信号采集单元、电动轮通过射频分别与主控部分进行无线通信。

磁控开关固定在可移动滑轨和固定滑轨内部，可移动滑轨的两端以及机器手靠近滑轨的端部都内嵌了一块永久磁铁。

本实施例的固定滑轨由两根互相平行的滑轨构成，固定于天花板上；可移动滑轨由一根滑轨构成，通过电动轮以垂直的角度附着在固定滑轨上，并可沿固定滑轨移动；可伸缩式机器手通过电动轮附着在可移动滑轨上。

本实施例中滑轨、电动轮可兼作***电源的传输媒介，电动轮与滑轨的金属部分始终接触，这种接触可用来实现电能的传输。

本实施例中主控部分、信号采集单元均包含微控制器电路，其原理图如图3所示，微控制器是本发明的核心部分，担负着***的信息采集、分析计算、实时决策等重要任务。图中的U1是微控制器，对***的运行进行精确控制，并对传感器数据进行实时分析并决策；U17是为微控制器提供精准时钟的晶体振荡器；U11是用于存储数据的存储器；主控部分通过J11、J12、J13、J15、J20、J21、J31、J32等接口分别与外部功能模块进行信息交换，其中J11、J20为开关量输入接口，本实施例中用于与若干个如图4所示的开关量输入电路衔接，用以实现多个磁控开关的开关量信号的采集；J12为开关量输出接口，本实施例中用于与如图5所示的开关量输出电路衔接；J13为串行通信接口；J15是微控制器编程接口；J21是用于并行通信的数据/地址总线接口；J31是SPI通信接口；J32是SCI通信接口，本实施例中用于经射频通信模块与***其它组成部分进行射频通信。

本实施例中开关量输入电路原理图如图4所示，图中的六路通道只是本实施例众多通道中的一部分，所有开关量输入通道的电路原理基本相同，其中包含了高速光耦的电气隔离，大大增强了本电路的可靠性。

本实施例中开关量输出电路原理图如图5所示，其中的非门电路元件除实现逻辑的反向之外，还增强了电路的驱动能力，再加上后续的专门驱动芯片，使得该开关量输出电路具有较高的驱动能力。

本发明的控制方法为：

首先，主控部分可实现如下三个方向的定位控制：

1. 可移动滑轨通过电动轮沿固定滑轨定向移动，假设此方向为X轴方向；

2. 机器手通过电动轮沿固定滑轨的定向移动，假设此方向为Y轴方向；

3. 机器手可在与X轴、Y轴所在平面的垂直方向伸缩，假设此方向为Z轴方向。

即机器手可在一定区域的XYZ三维空间内移动、定位。

其次，主控部分可通过如下方式实时获取反馈信息：可移动滑轨、机器手移动位置时，内嵌的永久磁铁触发附近的磁控开关发出信号，这些通过信号采集单元经射频通信发给主控部分。

本实施例的核心定位算法为：对于可移动滑轨、机器手等可移动物体，以轨道的出发点作为坐标原点，当物体已经连续移动一段距离，途中经过n个磁力传感器，每个磁力传感器的相对坐标原点的位移已知，分别为s₁，s₂，…，s_n，物体到达这些磁力传感器位置的时刻分别为t₁，t₂，…，t_n（脚标相同的变量相对应，如s₁与t₁对应，s_n与t_n对应 ……），这些时刻信息经信号采集单元实时发至主控部分，则主控部分根据这n组时间数据，可得到物体的当前平均速度函数为：

假设该物体沿第k条路径移动，该物体经过最后的磁力传感器为第n个磁力传感器，且自经过该磁力传感器位置的时刻始又继续行进了Δt的时间，则此时其相对原点的位置函数可以简化为一次方程式，具体如下：

1. 当n大于等于2时，对于第k条路径的位置函数为：

2. 当n等于1时，对于第k条路径的位置函数为：

，这里的

为历史经验数据中的平均速度。

，这里的

为历史经验数据中的平均速度。

依照上述方法，可同时得到移动滑轨、机器手靠近滑轨的端部的定位数据，加上主控部分可直接获得的机器手伸缩动作的相关数据，即可在一定范围的三维空间内，对机器手的端部进行定位。

本发明可在智能家居、工业制造、航空航天等领域广泛应用，实现高智能的自动化控制。

Claims

1.一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于包括主控部分、机器手、可移动滑轨、固定滑轨、电动轮，机器手借助电动轮附着在可移动滑轨上，可移动滑轨借助电动轮附着在固定滑轨上，机器手、电动轮分别与主控部分通过有线或无线的方式进行通信，其中，有线通信方式的媒介包括但不限于串行总线、并行总线、一根或多根信号线，无线通信方式的媒介包括但不限于射频、红外、蓝牙，在主控部分的控制下：机器手可沿可移动滑轨移动；可移动滑轨可沿固定滑轨移动。

2.根据权利要求1所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于主控部分包含微处理器与微控制器中的一种或多种，微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP、CPLD、FPGA、PLC。

3.根据权利要求2所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，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。

4.根据权利要求3所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于固定滑轨由两根或两根以上互相平行的滑轨构成，固定于天花板、墙壁、地面或其它平面、曲面、不规则面上，位置固定；可移动滑轨由一根或互相平行的多根滑轨构成，与固定滑轨的方向不平行，可移动滑轨通过电动轮附着在固定滑轨上，并可沿固定滑轨移动；机器手通过电动轮附着在可移动滑轨上，机器手可在与固定滑轨、可移动滑轨所在平面的垂直方向伸缩或摆动。

5.根据权利要求4所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于包括磁力传感器件，对于固定滑轨，多个磁力传感器件固定安装在滑轨上或滑轨沿线附近的不同位置；对于可移动滑轨，若干磁力传感器件固定安装在滑轨上的不同位置，磁力传感器件的类型包括但不限于：磁控开关、磁感应开关、磁阻传感器、磁力传感器、磁力感应元件，机器手靠近滑轨的端部以及可移动滑轨的端部可产生磁场，这些磁力传感器件可在靠近或远离这些磁场时发出信号。

6.根据权利要求5所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于包括信号采集单元，信号采集单元与磁力传感器件、主控部分分别通过有线或无线的方式进行通信，其中，有线通信方式的媒介包括但不限于串行总线、并行总线、一根或多根信号线，无线通信方式的媒介包括但不限于射频、红外、蓝牙。

7.根据权利要求6所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于信号采集单元包含微处理器与微控制器中的一种或多种，微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP、CPLD、FPGA、PLC。

8.根据权利要求1～权利要求7所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于滑轨、电动轮兼作***电源的传输媒介，即电动轮与滑轨的金属部分或附件通过接触实现电能的传输。

9.根据权利要求1～权利要求7所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于控制方法为：主控部分既可控制机器手的伸缩、旋转或摆动，也可通过对电动轮的驱动实现可移动滑轨、机器手的移动，可移动滑轨的端部、机器手靠近滑轨的端部都可产生磁场，滑轨沿线固定安装若干个磁力传感器件，这些磁力传感器件通过信号采集单元将可移动滑轨、机器手实时位置信息发给主控部分，主控部分即可在一定范围的三维空间内定位、控制机器手。

10.根据权利要求1～权利要求7所述的一种利用磁场定位的多轨机器人，其特征在于控制方法中对可移动滑轨、机器手等物体的定位方法为：选取轨道一端作为坐标原点，该点也是物体的出发位置，当物体已经沿第k条路径连续移动一段距离，途中经过n个磁力传感器，每个磁力传感器的相对坐标原点的位移分别为s₁，s₂，…，s_n，物体到达这些磁力传感器位置的时刻分别为t₁，t₂，…，t_n，这些时间信息经信号采集单元实时发至主控部分，主控部分根据这n组时间数据，可得到物体的当前平均速度函数为：

依照上述方法，可同时得到移动滑轨、机器手靠近滑轨的端部的定位数据，加上机器手自身动作的相关数据，即可在一定范围的三维空间内，对机器手进行定位。