CN206105865U - 机器人上的避障*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人上使用的避障***，该***包括底板(1)、底盘护壳(2)、支架(3)和障碍探测***，障碍探测***包括激光雷达传感器(4)和超声波传感器，激光雷达传感器(4)可在水平方向上进行360°旋转，用于测定障碍信息和/或机器人的位置信息；超声波传感器位于机器人的不同高度和位置，用于测定障碍信息，从而实现机器人的全方位避障。

Description

机器人上的避障***

技术领域

本实用新型涉及一种机器人上的避障***，具体涉及一种机器人上使用的全方位避障***。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人智能性越来越重要，避开障碍是机器人智能化的一个重要指标。避障是机器人进行决策规划和运动控制等高级智能行为的基础，对于在复杂环境或者未知环境中的导航非常重要。当前机器人避障存在的问题包括：1.传感器位置安装不当，此种情况不能保证机器人的全方位避障，容易造成机器人运动受阻，严重时造成机器人***破坏；2.过多传感器的使用，机器人智能水平的提升依赖于各种各样传感器的协调工作，但是机器人使用多个不同类型的传感器获得同一环境下不同或相同侧面的信息，必然带来信息的冗余，有时甚至不同传感器获取的同一侧面的信息互相矛盾，同时会进一步增加制造成本。

由于上述原因，本发明人对现有的机器人避障***做了深入研究，以便设计出一种机器人上使用的全方位、高精度和高响应度的避障***，尤其是适合于处于复杂环境的机器人的避障***。

实用新型内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种机器人上使用的避障***，该***包括障碍探测***，所述障碍探测***包括激光雷达传感器4和超声波传感器，激光雷达传感器4可在水平方向上进行360°旋转，用于测定障碍信息和机器人的位置信息；超声波传感器位于机器人的不同高度，用于测定障碍信息，激光雷达传感器4和超声波传感器协同作用实现机器人的全方位避障，从而完成本发明。

具体来说，本实用新型的目的在于提供以下方面：该***包括底板1、底盘护壳2、支架3、障碍探测***和控制***，其特征在于，

所述底板位1于底盘护壳2内部，连接并支撑底盘护壳2；

所述底盘护壳2为上窄下宽的阶梯状壳体，包括位于下层的底盘圈21和位于上层的底盘盖22，底盘圈21和底盘盖22之间留有设定高度的空隙23；

所述支架3连接在底盘盖22上部，支架3顶端对应机器人颈部；

所述障碍探测***包括激光雷达传感器4和超声波传感器，所述激光雷达传感器4设置在底板1上，可在水平方向上进行360°旋转，并发射穿过空隙23的激光束；所述超声波传感器包括位于底盘圈21下部外侧四周的超声波传感器51、底盘盖22外侧四周的超声波传感器52和支架3顶端外侧的超声波传感器53；

所述控制***为单片机。

根据本实用新型提供的机器人上使用的避障***，具有的有益效果包括：

(1)本实用新型中的避障***采用可在水平方向上进行360°旋转的激光雷达传感器，完成了障碍信息和机器人位置信息的快速准确的测定；

(2)本实用新型中的避障***采用不同高度、不同角度设置的超声波传感器，可完成多方位障碍距离的测定；

(3)激光雷达传感器和超声波传感器协同作用，形成了全方位、高精度和高响应度的避障***，避免了测量盲区，适合于处于复杂环境的机器人的避障；

(4)本实用新型中设置有紧急制动装置，在遇到突发出现的障碍物(如快速出现的人)时，可实现机器人自动制动，提高了机器人在突发状态下的应急能力；

(5)本实用新型中的避障***结合移动执行***，可实现机器人灵活稳定的移动及避障。

附图说明

图1示出根据本实用新型一种优选实施方式的机器人上使用的避障***整体结构示意图；

图2示出根据本实用新型一种优选实施方式的紧急制动装置连接示意图；

图3示出根据本实用新型一种优选实施方式的紧急制动装置结构示意图；

图4示出根据本实用新型一种优选实施方式的底板及其连接部件结构示意图；

图5示出根据本实用新型一种优选实施方式的旋转板与固定板的连接示意图。

附图标号说明：

1-底板；

2-底盘护壳；

21-底盘圈；

22-底盘盖；

23-空隙；

3-支架；

4-激光雷达传感器；

51-超声波传感器；

52-超声波传感器；

53-超声波传感器；

6-驱动轮；

61-输出轴；

7-从动轮；

8-驱动电机；

9-旋转板；

91-纵向板；

911-凸起；

92-横向板；

921-立板；

10-固定板；

101-纵向板；

102-横向板；

1021-立板；

11-轴连接件；

12-弹簧；

13-碰撞板条；

131-触发凸起；

14-碰撞传感器。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本实用新型提供的机器人上使用的避障***，如图1中所示，该***包括底板1、底盘护壳2、支架3、障碍探测***和控制***，其中，

所述底板1位于底盘护壳2内部，连接并支撑底盘护壳2；

所述底盘护壳2为上窄下宽的阶梯状壳体，包括位于下层的底盘圈21和位于上层的底盘盖22，底盘圈21和底盘盖22之间留有设定高度的空隙23；

所述支架3连接在底盘盖22上部，支架3顶端对应机器人颈部；

所述障碍探测***包括激光雷达传感器4和超声波传感器，所述激光雷达传感器4设置在底板1上，其可发射穿过空隙23的激光束；

所述超声波传感器包括位于底盘圈21下部外侧四周的超声波传感器51、底盘盖22外侧四周的超声波传感器52和支架3顶端外侧的超声波传感器53。

在一种优选的实施方式中，所述激光雷达传感器4的数目为1个，其可在水平方向上进行360°旋转，用于测定激光雷达传感器4所在高度各方位的障碍信息以及机器人的速度信息，并将障碍信息以及机器人的速度信息传送至控制***，实现障碍距离的测定和机器人的定位。

在一种优选的实施方式中，位于底盘圈21下部外侧四周的超声波传感器51的数目为4-10个，在底盘圈21前半部分和后半部分均有分布，其超声波发射口方向水平设置，用于测定机器人底板1高度附近的障碍信息，并将障碍信息传送至控制***。优选地，超声波传感器51的数目为6个，在底盘圈21前半部分设置4个超声波传感器51，在底盘圈21后半部分设置2个超声波传感器51，可兼顾前后方测距。

在一种优选的实施方式中，位于底盘盖22外侧四周的超声波传感器52的数目为4-10个，在底盘盖22前半部分和后半部分均有分布。超声波传感器52的超声波发射口方向斜向上设置，与水平面之间的夹角为10°-45°，优选为15°-30°，用于测定超声波传感器52以上位置的障碍信息，并将障碍信息传送至控制***。优选地，超声波传感器52的数目为6个，在底盘盖22前半部分设置4个超声波传感器52，在底盘盖22后半部分设置2个超声波传感器52。

在一种优选的实施方式中，位于支架3顶端外侧的超声波传感器53的数目为4-10个，在支架3前半部分和后半部分均有分布，其超声波发射口方向水平设置，用于测定机器人颈部高度附近的障碍信息，并将障碍信息传送至控制***。优选地，超声波传感器53的数目为6个，在支架3前半部分设置4个超声波传感器53，在支架3后半部分设置2个超声波传感器53。

本实用新型中，所述底盘圈21前半部分、底盘盖22前半部分和支架3前半部分是指以所属结构的轴对称曲线或近于轴对称曲线为界、对应于机器人面部方向的部分；后半部分则为前半部分的剩余部分。

本实用新型中，激光雷达传感器与其他传感器相比，能够同时考虑精度要求和速度要求，具有测距范围远、测距速度快、测量精度高和镜面反射小等优点，然而当障碍为玻璃时，激光会发生透射或反射从而无法探测到障碍。超声波传感器可弥补激光雷达传感器在探测玻璃时的不足，且具有指向性强、能量消耗缓慢、信息处理简单快速、易于做到实时控制以及价格低廉的特点。超声波传感器和激光雷达传感器协同使用，可实现障碍的准确定位，避免测量盲区。

本实用新型中，所述控制***为单片机，可接收超声波传感器(51、52和53)测得的障碍信息，进而转化为障碍距离信息；可接收激光雷达传感器4测得的障碍信息和机器人的速度信息，进而转化为障碍距离信息和角度信息，通过控制***中预存的虚拟地图，定位机器人所在的位置，结合障碍距离信息，可使机器人避开障碍。

在一个优选的实施方式中，如图2中所示，所述底盘圈21前半部分为可弹压底盘圈，在其内部设置有紧急制动装置，所述紧急制动装置包括碰撞板条13和碰撞传感器14。碰撞板条13为弹压构件，一端与碰撞传感器14上的扭簧相连，另一端为自由端。如图3中所示，碰撞板条13上有1个或多个触发凸起131，优选为2个，所述触发凸起131与底盘圈21内表面相接触。在遇到突发出现的障碍物(如快速出现的人)时，底盘圈21前端碰到障碍物，底盘圈21压迫碰撞板条13上的触发凸起131，触发碰撞传感器14，碰撞传感器14将碰撞信号传递至控制***，控制***立即控制驱动电机8停止前进动作，并综合激光雷达传感器4、超声波传感器(51、52和53)以及碰撞传感器14的信息,然后发送命令至驱动电机8控制底盘避开障碍物。

本实用新型中，如图4中所示，所述底板1上还设有移动执行***，所述移动执行***包括位于底板1前部两端的两个驱动轮6、位于底板1后部末端的一个从动轮7以及与带动驱动轮6连接的驱动电机8；所述移动执行***通过两个驱动轮6的速度差实现转弯，旋转半径可从0到无限大；优选地，所述驱动电机8为步进电机。

在一种优选的实施方式中，所述底板1前端两侧设有凹槽，分别用于安装两个相对的驱动轮6；优选地，底板1上分布有多个通孔，用于通过各种连接线或固定线。通孔的设定还兼具散热的功能，并在一定程度上减轻了机器人的重量。底板1通过具有一定厚度的钢板或硬铝板加工制成，不易变形，可负荷至少150kg的质量，在负重下不影响机器人的移动。

在一种优选的实施方式中，驱动电机8通过穿过驱动轮6与驱动电机8的输出轴61带动驱动轮6运转。驱动轮6在电机带动下可正向旋转或反向旋转，以使机器人前进或后退。所述从动轮7为万向轮，从动轮7到两个驱动轮6相应部位的距离相等，使机器人底盘重心稳定。所述相应部位可为两驱动轮6内侧与输出轴61的交点或两驱动轮6外侧与输出轴61的交点。

在一个优选的实施方式中，如图4和图5中所示，驱动轮6与驱动电机8之间设有翻转组件，驱动轮6与驱动电机8通过翻转组件固定在底板1上。所述翻转组件包括旋转板9和固定板10。所述旋转板9的一端通过轴连接件11与固定板10的一端相连。所述固定板10的纵向截面为L形，包括纵向板101和横向板102，通过穿过横向板102的连接件安装在底板1上，在机器人移动过程中位置不会发生变化。

在一个优选的实施方式中，所述旋转板9与固定板10的结构相似，旋转板9的纵向截面为L形，包括纵向板91和横向板92。所述纵向板91和横向板92可为一体化加工而成的，或者通过焊接连接形成，纵向板91和横向板92相接处设置加强肋，用于增加旋转板9的强度。

在一个优选的实施方式中，如图3中所示，所述纵向板91朝向驱动轮6的一侧设有圆形凸台，纵向板91朝向驱动电机8的一侧设置设有圆形凹槽，所述圆形凸台和圆形凹槽的相契合，即所述圆形凸台和圆形凹槽圆心和半径均相同。所述圆形凹槽中放置轴承，所述圆形凸台中心开设圆形通孔，通过穿过轴承和通孔的输出轴61使旋转板9与驱动轮6和驱动电机8相连。

在一个优选的实施方式中，所述旋转板9的横向板92上设有向上的立板921，所述立板921上设置通孔；所述固定板10的横向板102上设有向上的立板1021，所述立板1021上设置通孔；两通孔间连接有弹簧12，所述弹簧12在机器人移动中起到减震的作用。

在一个优选的实施方式中，所述纵向板91上远离固定板10的一端设有朝向驱动电机8的凸起911，所述凸起911在底板1上方。所述旋转板9在底板1两侧的凹槽中，横向板92前端一部分位于底板1下方，在机器人自重压力下，横向板92的前端与底板1接触。

机器人经过凹坑时，驱动轮6下陷，通过输出轴61的带动旋转板9下移，旋转板9绕轴连接件11转动，弹簧12张力改变，减缓下降速度，驱动轮6下降到一定程度后，旋转板9上的凸起911与底板1接触，驱动轮6不再下降，在驱动电机8带动下越过凹坑。在此过程中，驱动轮6可相对底板1向下移动一定高度，在机器人经过凹坑时，驱动轮6下陷，在驱动电机8的带动下越过凹坑时保持底板1平稳无波动。

在一个优选的实施方式中，在各驱动电机8上设置测速仪，所述测速仪测定驱动轮6的速度，并将测到的速度传送至控制***，所述速度包括线速度和角速度。

在一个优选的实施方式中，所述控制***还可接收测速仪传送的速度信息，并将下一时刻的移动指令传送至两驱动电机8，两驱动电机8分别控制两驱动轮6的线速度和角速度，完成直行或转弯任务。

本实用新型中，避障***结合移动执行***，可实现机器人灵活稳定的移动及避障。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本实用新型工作状态下的方位或位置关系，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。

以上结合了优选的实施方式对本实用新型进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本实用新型进行多种替换和改进，这些均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (11)

1.一种机器人上使用的避障***，包括底板(1)、底盘护壳(2)、支架(3)和障碍探测***，其特征在于，

所述底板(1)位于底盘护壳(2)内部，连接并支撑底盘护壳(2)；

所述底盘护壳(2)为上窄下宽的阶梯状壳体，包括位于下层的底盘圈(21)和位于上层的底盘盖(22)，底盘圈(21)和底盘盖(22)之间留有空隙(23)；

所述支架(3)连接在底盘盖(22)上部；

所述障碍探测***包括激光雷达传感器(4)和超声波传感器。

2.根据权利要求1所述的避障***，其特征在于，

所述激光雷达传感器(4)设置在底板(1)上，可在水平方向上进行360°旋转，并发射穿过空隙(23)的激光束，

所述超声波传感器设置在底板护壳(2)外侧和支架(3)顶端外侧。

3.根据权利要求2所述的避障***，其特征在于，所述超声波传感器包括位于底盘圈(21)下部外侧四周的超声波传感器(51)、位于底盘盖(22)外侧四周的超声波传感器(52)和位于支架(3)顶端外侧的超声波传感器(53)。

4.根据权利要求1至3之一所述的避障***，其特征在于，

所述支架(3)顶端对应机器人颈部，

所述避障***还包括控制***，所述控制***为单片机。

5.根据权利要求3所述的避障***，其特征在于，

位于底盘圈(21)下部外侧四周的超声波传感器(51)的数目为4-10个，在底盘圈(21)前半部分和后半部分均有分布，其超声波发射口方向水平设置；和/或

位于底盘盖(22)外侧四周的超声波传感器(52)的数目为4-10个，在底盘盖(22)前半部分和后半部分均有分布，其超声波发射口方向斜向上设置；和/或

位于支架(3)顶端外侧的超声波传感器(53)的数目为4-10个，在支架(3)前半部分和后半部分均有分布，其超声波发射口方向水平设置。

6.根据权利要求5所述的避障***，其特征在于，位于底盘盖(22)外侧四周的超声波传感器(52)的超声波发射口方向与水平面之间的夹角为10°-45°。

7.根据权利要求6所述的避障***，其特征在于，位于底盘盖(22)外侧四周的超声波传感器(52)的超声波发射口方向与水平面之间的夹角为15°-30°。

8.根据权利要求4所述的避障***，其特征在于，

所述激光雷达传感器(4)测定其所在高度各方位的障碍信息以及机器人的速度信息，并将障碍信息和速度信息传送至控制***；和/或

所述超声波传感器(51、52、53)测定对应方位上的障碍信息，并将障碍信息传送至控制***；和/或

所述控制***接收超声波传感器(51、52、53)测得的障碍信息，进而转化为障碍距离信息；接收激光雷达传感器(4)测得的障碍信息和机器人的速度信息，进而转化为障碍距离信息和角度信息并定位机器人所在的位置。

9.根据权利要求1所述的避障***，其特征在于，

所述底板(1)上还设有移动执行***，所述移动执行***包括位于底板(1)前部两端的两个驱动轮(6)、位于底板(1)后部末端的一个从动轮(7)以及与驱动轮(6)连接的驱动电机(8)，并设置穿过驱动轮(6)和驱动电机(8)的输出轴(61)；

所述驱动轮(6)分别安装在底板(1)前端两侧的凹槽内，驱动电机(8)通过输出轴(61)带动驱动轮(6)运转，驱动轮(6)与驱动电机(8)之间设有翻转组件，驱动轮(6)与驱动电机(8)通过翻转组件固定在底板(1)上，所述翻转组件包括旋转板(9)和固定板(10)，旋转板(9)的一端通过轴连接件(11)与固定板(10)的一端相连，固定板(10)的纵向截面为L形，包括纵向板(101)和横向板(102)，固定板(10)通过穿过横向板(102)的连接件安装在底板(1)上，旋转板(9)的纵向截面为L形，包括纵向板(91)和横向板(92)。

10.根据权利要求9所述的避障***，其特征在于，

所述纵向板(91)上远离固定板(10)的一端设有朝向驱动电机(8)的凸起(911)，凸起(911)在底板(1)上方，

所述旋转板(9)在底板(1)两侧的凹槽中，横向板(92)前端一部分位于底板(1)下方。

11.根据权利要求9或10所述的避障***，其特征在于，

所述旋转板(9)的横向板(92)上设有向上的立板(921)，立板(921)上设置通孔；

所述固定板(10)的横向板(102)上设有向上的立板(1021)，立板(1021)上设置通孔；

两通孔间连接有弹簧(12)。