CN105807283A - 一种激光扫描测距装置及其移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光扫描测距装置，包括激光收发装置、接收板、线圈、旋转平台、固定平台、发射板、顶盖、磁极、定子和底壳。激光收发装置、接收板和磁极安装在旋转平台上，发射板和定子安装在固定平台上。定子利用电磁感应产生的磁场与磁极耦合并形成扭矩力使旋转平台旋转。激光收发装置出射的激光与水平面具有一倾斜角，且该倾斜角大于0度。相比于现有技术，本发明的激光扫描测距装置以锥形360度扫描机器人本体下方的圆形区域边缘，在机器人移动过程中记录每个边缘的地形，从而解决现有的扫描雷达应用于机器人时的盲区问题。此外，本发明采用无线供电和无线全双工数据传输方式，避免了诸如滑环供电和通讯所产生的使用寿命较短的缺陷。

Description

一种激光扫描测距装置及其移动机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人设计技术和激光扫描技术，尤其涉及一种激光扫描测距装置及包含激光扫描测距装置的移动机器人。

背景技术

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，还可基于人工智能技术制定的原则纲领行动。一般来说，机器人的任务是协助或取代人类的工作，例如生产业、建筑业或者危险行业的工作。移动机器人是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合***，可代替人到危险、恶劣或极端环境中执行任务，完成侦察、巡逻、警戒、反恐、排爆、科学考察及采样等，从而在诸如求援、科考、军事等领域具有巨大的应用价值。

在现有的移动机器人应用中，出于行走安全方面的考虑，往往需要关注移动机器人的着力介质形状。这是因为，一旦机器人无法及时了解行走着力介质的形状，当遇到地面障碍物或落差较大的地形(诸如凸起、凹坑等)时，很容易造成移动机器人倾倒、跌落或损坏等安全隐患。如此一来，势必需要特殊的地形检测装置将脚下近距离的地形信息提供给移动机器人。现有的一种常用做法是在移动机器人的四周排布多个下视式传感器，通过传感器反馈的地形信息来降低上述安全隐患，但这也会极大地增加***的复杂程度。另外，即使安装了大量的上述传感器，移动机器人感测到的也仅仅只是多个点上的地形信息，并非一个完整的面形。再者，现有的移动机器人在传送信号或电能时多半采用滑环，并通过皮带或齿轮啮合的方式实现传动，通常存在诸如设备体积大、寿命短、噪音大的缺点。

有鉴于此，如何设计一种用于移动机器人的激光扫描测距装置，以克服现有技术中的上述缺陷或不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

发明内容

针对现有技术中的移动机器人因存在地形扫描盲区而造成行走安全隐患的上述缺陷，本发明提供了一种激光扫描测距装置以及包含该激光扫描测距装置的移动机器人。

依据本发明的一个方面，提供了一种激光扫描测距装置，安装于机器人主体的上方，所述机器人主体可在地面上自主移动，其中，所述激光扫描测距装置包括激光收发装置、接收板、线圈、旋转平台、固定平台、发射板、顶盖、磁极、定子和底壳，

旋转平台与固定平台通过轴承相连，激光收发装置、接收板和磁极安装在旋转平台上，发射板和定子安装在固定平台上，线圈位于接收板与发射板之间，定子利用电磁感应产生的磁场与磁极耦合并形成扭矩力从而使得激光收发装置与旋转平台一起旋转，并且接收板与发射板之间通过无线方式进行全双工数据传输和供电，

其中，激光收发装置出射的激光与水平面具有一倾斜角，且该倾斜角大于0度，所述激光扫描测距装置藉由旋转平台的转动以锥形360度扫描地面的圆形区域边缘地形。

在其中的一实施例，所述激光扫描测距装置还包括一倾斜角设置单元，用于设定激光收发装置出射的激光与水平面的不同倾斜角。

在其中的一实施例，所述倾斜角设置单元包括多个档位，不同的档位一一对应于不同的倾斜角，其中不同的倾斜角决定地面所扫描的圆形区域的直径大小。

在其中的一实施例，激光收发装置还包括激光发射器和激光接收器，且激光发射器与激光接收器之间具有一预设角度。

在其中的一实施例，旋转平台的转速取决于发射板所产生的PWM信号的占空比数值。

在其中的一实施例，旋转平台的转速取决于所述激光扫描测距装置的外部所输入的PWM信号的占空比数值。

在其中的一实施例，所述激光扫描测距装置还包括拨码开关，当所述拨码开关处于第一位置时，通过发射板产生的PWM信号的占空比数值控制旋转平台的转速；当所述拨码开关处于第二位置时，通过所述激光扫描测距装置外部所输入的PWM信号的占空比数值控制旋转平台的转速。

在其中的一实施例，发射板包括第一发光二极管和第一感应二极管，接收板包括第二发光二极管和第二感应二极管，

其中，所述第一发光二极管和所述第二感应二极管形成第一无线传输路径，以及所述第一感应二极管和所述第二发光二极管形成第二无线传输路径，且所述第一无线传输路径和所述第二无线传输路径以同步方式实现全双工数据传输。

在其中的一实施例，所述第一发光二极管和所述第二发光二极管具有不同的光谱。

在其中的一实施例，定子设置于线圈的外圈，磁极设置于线圈的内圈，藉由定子上施加的规律变化的交流电压产生磁场，并与磁极耦合形成推力或吸力使得旋转平台发生旋转。

在其中的一实施例，定子设置于线圈的内圈，磁极设置于线圈的外圈，藉由定子上施加的规律变化的交流电压产生磁场，并与磁极耦合形成推力或吸力使得旋转平台发生旋转。

在其中的一实施例，固定平台上具有方形齿，该方形齿用于记录旋转平台转动的圈数。

依据本发明的另一个方面，提供了一种移动机器人，包括机器人本体；以及激光扫描测距装置，安装在所述机器人主体的上方，其中，所述激光扫描测距装置为根据上述本发明的一个方面所述的激光扫描测距装置。

采用本发明的激光扫描测距装置，其包括激光收发装置、接收板、线圈、旋转平台、固定平台、发射板、顶盖、磁极、定子和底壳，旋转平台与固定平台通过轴承相连，激光收发装置、接收板和磁极安装在旋转平台上，发射板和定子安装在固定平台上，线圈位于接收板与发射板之间，定子利用电磁感应产生的磁场与磁极耦合并形成扭矩力从而使得激光收发装置与旋转平台一起旋转，并且接收板与发射板之间通过无线方式进行全双工数据传输和供电，激光收发装置出射的激光与水平面具有一倾斜角，且该倾斜角大于0度，藉由旋转平台的转动以锥形360度扫描地面的圆形区域边缘地形。相比于现有技术，本发明的激光扫描测距装置以锥形360度扫描机器人本体下方的圆形区域边缘，在机器人移动过程中记录每个边缘的地形，从而解决现有的扫描雷达应用于机器人时的盲区问题。此外，本发明采用无线供电和无线全双工数据传输方式，避免了诸如滑环供电和通讯所产生的使用寿命较短的缺陷。再者，本发明通过电磁感应的磁介质传动，相比现有的皮带传动或齿轮传动减少了体积和噪声。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1示出依据本发明一实施方式的激光扫描测距装置的结构示意图；

图2示出图1的激光扫描测距装置中的激光收发装置的结构示意图；

图3A示出图2的激光扫描测距装置中，与随旋转平台一起旋转的激光发射器出射的激光与水平面具有第一倾斜角的示意图；

图3B示出图2的激光扫描测距装置中，与随旋转平台一起旋转的激光发射器出射的激光与水平面具有第二倾斜角的示意图；

图4示出图1的激光扫描测距装置在机器人移动过程中扫描得到的多个圆形区域边缘形成着力地形面的状态示意图；以及

图5A至图5C分别示出采用全双工方式、半双工方式和单工方式进行数据传输的原理示意图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。

下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1示出依据本发明一实施方式的激光扫描测距装置的结构示意图。图2示出图1的激光扫描测距装置中的激光收发装置的结构示意图。

参照图1，在该实施方式中，本发明的激光扫描测距装置安装于机器人主体的上方，该机器人主体可在地面上自主移动。总体来说，激光扫描测距装置包括激光收发装置1、接收板2、线圈3、旋转平台4、固定平台6、发射板7、顶盖8、磁极9、定子10和底壳11。

详细地，旋转平台4与固定平台6通过轴承5相连，旋转平台4是可转动的，固定平台6是不可转动的。激光收发装置1、接收板2和磁极9安装在旋转平台4上。发射板7和定子10安装在固定平台6上。较佳地，固定平台6上还可设置若干方形齿，该方形齿用于记录旋转平台4转动的圈数。线圈3位于接收板2与发射板7之间。定子10利用电磁感应产生的磁场与磁极9耦合并形成扭矩力从而使得激光收发装置1与旋转平台4一起旋转。接收板2与发射板7之间通过无线方式进行全双工数据传输和供电。在一实施例中，定子10设置于线圈3的外圈，磁极9设置于线圈3的内圈，藉由定子10上施加的规律变化的交流电压产生磁场，并与磁极9耦合形成推力或吸力使得旋转平台4发生旋转。可替换地，将互换定子10与磁极9的位置，使定子10设置于线圈3的内圈，磁极9设置于线圈3的外圈，同样可实现定子10施加的规律变化的交流电压所产生磁场与磁极9耦合形成推力或吸力，驱动旋转平台4发生转动。

需要特别指出的是，与现有的地图扫描仪不同，激光收发装置1出射的激光与水平面具有一倾斜角，且该倾斜角大于0度，本发明的激光扫描测距装置正是藉由旋转平台4的转动以锥形360度扫描地面的圆形区域边缘地形，从而解决现有的扫描雷达应用于机器人时的盲区问题。

在一具体实施例，激光收发装置1还包括激光发射器10a和激光接收器10b(如图2所示)，且激光发射器10a与激光接收器10b之间具有一预设角度。举例来说，激光发射器10a射出的激光到达障碍物上后反射回来，并被激光接收器10b接收，然后通过无线传输将数据传输到发射板7，再通过电线输出到外界。当需要调速时，可调整硬件参数或者外部信号来实现转速调整。

在一具体实施例，旋转平台4的旋转速度在硬件上主要由PWM(脉宽调制信号)的占空比数值决定，而PWM信号的来源既可以是激光扫描测距装置内部自己产生，也可以由外部输入。例如，旋转平台4的转速取决于发射板7所产生的PWM信号的占空比数值。又如，旋转平台4的转速取决于所述激光扫描测距装置的外部所输入的PWM信号的占空比数值。

此外，激光扫描测距装置还包括拨码开关(图中未示)。当拨码开关处于第一位置时，通过发射板7产生的PWM信号的占空比数值控制旋转平台4的转速；当拨码开关处于第二位置时，通过激光扫描测距装置外部所输入的PWM信号的占空比数值控制旋转平台4的转速。例如，拨码开关可分为两档，一个档位对应装置内部产生PWM信号，另一个档位对应装置外部输入PWM信号。

图3A示出图2的激光扫描测距装置中，与随旋转平台一起旋转的激光发射器出射的激光与水平面具有第一倾斜角的示意图。图3B示出图2的激光扫描测距装置中，与随旋转平台一起旋转的激光发射器出射的激光与水平面具有第二倾斜角的示意图。

在一较佳实施例中，激光扫描测距装置还包括一倾斜角设置单元，用于设定激光收发装置1出射的激光与水平面的不同倾斜角。进一步，该倾斜角设置单元包括多个档位，不同的档位一一对应于不同的倾斜角，其中不同的倾斜角决定地面所扫描的圆形区域的直径大小。如图3A和图3B所示，当激光收发装置1的倾斜角α等于α1时，其所扫描的圆形区域边缘的圆周较大；当激光收发装置1的倾斜角α等于α2(α2<α1)时，其所扫描的圆形区域边缘的圆周较小。换言之，倾斜角的档位只由要求扫描的范围决定，相比之下，旋转平台的转速只由要求扫描的频率决定。倾斜角的档位与转速没有直接联系，不同的倾斜角档位可以使用不同的转速。

图4示出图1的激光扫描测距装置在机器人移动过程中扫描得到的多个圆形区域边缘形成着力地形面的状态示意图。

参照图4，并结合图1，机器人在向左移动的过程中，旋转平台4和固定平台6随着机器人本体一起移动。与此同时，旋转平台采用电磁感应传动方式以锥形360度旋转扫描地面的圆形区域边缘，例如，激光扫描测距装置位于最右侧时，其对应的圆形区域边缘为S1，激光扫描测距装置位于中间位置时，其对应的圆形区域边缘为S2，激光扫描测距装置移动至最左侧时，其对应的圆形区域边缘为S3，记录每个区域边缘的地形，再处理每个区域边缘的形状从而组成一个整面作为机器人着力的地形图。如此一来，移动机器人移动时，本发明的激光扫描测距装置可扫描机器人“脚下”即将进入的扫描范围的地形，解决传统扫描装置无法识别的盲区问题。

图5A至图5C分别示出采用全双工方式、半双工方式和单工方式进行数据传输的原理示意图。

如我们所熟知的，数据传输大致包括全双工方式、半双工方式和单工方式。以数据传输双方A、B为例，其中，全双工方式是指，在A对B发射数据的同时，可由B对A同步发射数据并且被A成功接收(如图5A所示)。半双工则是A对B发射数据的时候，B只能接收数据而且不能发射数据(如图5B所示)。全双工传输比半双工快，因为不用等待。单工方式则是由A向B单方发送数据，或者由B向A单方发送数据(如图5C所示)。

在一具体实施例，本发明采用全双工方式进行无线数据传输。如图5A，发射板7包括第一发光二极管301和第一感应二极管303，接收板2包括第二发光二极管401和第二感应二极管403。其中，第一发光二极管301和第二感应二极管403形成第一无线传输路径，第一感应二极管303和第二发光二极管401形成第二无线传输路径，且第一无线传输路径和第二无线传输路径以同步方式实现全双工数据传输。第一发光二极管301和第二发光二极管401具有不同的光谱。

采用本发明的激光扫描测距装置，其包括激光收发装置、接收板、线圈、旋转平台、固定平台、发射板、顶盖、磁极、定子和底壳，旋转平台与固定平台通过轴承相连，激光收发装置、接收板和磁极安装在旋转平台上，发射板和定子安装在固定平台上，线圈位于接收板与发射板之间，定子利用电磁感应产生的磁场与磁极耦合并形成扭矩力从而使得激光收发装置与旋转平台一起旋转，并且接收板与发射板之间通过无线方式进行全双工数据传输和供电，激光收发装置出射的激光与水平面具有一倾斜角，且该倾斜角大于0度，藉由旋转平台的转动以锥形360度扫描地面的圆形区域边缘地形。相比于现有技术，本发明的激光扫描测距装置以锥形360度扫描机器人本体下方的圆形区域边缘，在机器人移动过程中记录每个边缘的地形，从而解决现有的扫描雷达应用于机器人时的盲区问题。此外，本发明采用无线供电和无线全双工数据传输方式，避免了诸如滑环供电和通讯所产生的使用寿命较短的缺陷。再者，本发明通过电磁感应的磁介质传动，相比现有的皮带传动或齿轮传动减少了体积和噪声。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (13)

1.一种激光扫描测距装置，安装于机器人主体的上方，所述机器人主体可在地面上自主移动，其特征在于，所述激光扫描测距装置包括激光收发装置(1)、接收板(2)、线圈(3)、旋转平台(4)、固定平台(6)、发射板(7)、顶盖(8)、磁极(9)、定子(10)和底壳(11)，

其中，旋转平台(4)与固定平台(6)通过轴承(5)相连，激光收发装置(1)、接收板(2)和磁极(9)安装在旋转平台(4)上，发射板(7)和定子(10)安装在固定平台(6)上，线圈(3)位于接收板(2)与发射板(7)之间，定子(10)利用电磁感应产生的磁场与磁极(9)耦合并形成扭矩力从而使得激光收发装置(1)与旋转平台(4)一起旋转，并且接收板(2)与发射板(7)之间通过无线方式进行全双工数据传输和供电，

其中，激光收发装置(1)出射的激光与水平面具有一倾斜角，且该倾斜角大于0度，所述激光扫描测距装置藉由旋转平台(4)的转动以锥形360度扫描地面的圆形区域边缘地形。

2.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，所述激光扫描测距装置还包括一倾斜角设置单元，用于设定激光收发装置(1)出射的激光与水平面的不同倾斜角。

3.根据权利要求2所述的激光扫描测距装置，其特征在于，所述倾斜角设置单元包括多个档位，不同的档位一一对应于不同的倾斜角，其中不同的倾斜角决定地面所扫描的圆形区域的直径大小。

4.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，激光收发装置(1)还包括激光发射器和激光接收器，且所述激光发射器与所述激光接收器之间具有一预设角度。

5.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，旋转平台(4)的转速取决于发射板(7)所产生的PWM信号的占空比数值。

6.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，旋转平台(4)的转速取决于所述激光扫描测距装置的外部所输入的PWM信号的占空比数值。

7.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，所述激光扫描测距装置还包括拨码开关，当所述拨码开关处于第一位置时，通过发射板(7)产生的PWM信号的占空比数值控制旋转平台(4)的转速；当所述拨码开关处于第二位置时，通过所述激光扫描测距装置外部所输入的PWM信号的占空比数值控制旋转平台(4)的转速。

8.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，发射板(7)包括第一发光二极管和第一感应二极管，接收板(2)包括第二发光二极管和第二感应二极管，

其中，所述第一发光二极管和所述第二感应二极管形成第一无线传输路径，以及所述第一感应二极管和所述第二发光二极管形成第二无线传输路径，且所述第一无线传输路径和所述第二无线传输路径以同步方式实现全双工数据传输。

9.根据权利要求8所述的激光扫描测距装置，其特征在于，所述第一发光二极管和所述第二发光二极管具有不同的光谱。

10.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，定子(10)设置于线圈(3)的外圈，磁极(9)设置于线圈(3)的内圈，藉由定子(10)上施加的规律变化的交流电压产生磁场，并与磁极(9)耦合形成推力或吸力使得旋转平台(4)发生旋转。

11.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，定子(10)设置于线圈(3)的内圈，磁极(9)设置于线圈(3)的外圈，藉由定子(10)上施加的规律变化的交流电压产生磁场，并与磁极(9)耦合形成推力或吸力使得旋转平台(4)发生旋转。

12.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，固定平台(6)上具有方形齿，该方形齿用于记录旋转平台(4)转动的圈数。

13.一种移动机器人，其特征在于，所述移动机器人包括：

机器人本体；以及

激光扫描测距装置，安装在所述机器人主体的上方，其中，所述激光扫描测距装置为权利要求1至12中任意一项所述的激光扫描测距装置。