機器人制約系統及制約方法

專利名稱：機器人制約系統及制約方法
技術領域：
本發明涉及一種制約智能機器人在特定空間中的系統和方法。
背景技術：
現有技術中，曾提出多種系統用于將機器人制約在特定的物理空間中，以執行某些工作。典型地設計這些系統以用于大量的機器人的應用，例如維護草皮、清潔地板、檢查、運輸以及娛樂，需要機器人在一局限的范圍內運轉以執行工作。例如， 一吸塵機器人在一房間內
工作，在完成第一個房間的吸塵之前，可能會不經意地從一個房間漫游到另一房間。 一種解決的方法是限制該機器人在第一個房間內，通過關閉所有的房門從物理上避免該機器人離開第 一個房間。但是在很多房子里，房間由開放的走廊隔開，房門或其它物理的障礙物不宜放置在機器人的出口路徑上。同樣地，使用者可能希望該機器人僅在一獨立開放空間的部分區域工作，因而讓該機器人工作在整個房間會降低效率。因此需要有一種裝置用來制約一區域，使機器人工作在其中。現有技術的一種方法為提供一種復雜的系統，用于機器人的導航及定位，使該機器人不是沿一既定的路線移動，就是根據存在存儲器中的地圖監視現在所在的位置。這些系統需要復雜精密的硬件，例如精密的傳感器，重要的計算機存儲器以及計算能力。但是這些系統的一個很大的缺陷在于不適用于該機器人工作區域的變更。同樣的，該機器人無法單純地從一棟建筑物搬到另 一棟建筑物，或甚至從一個房間到另一個房間，而無需再設計程序或再訓練。
例如，美國專利US4700427公開了一種方法，需要一種裝置用來產生一機器人移動的路徑，該路徑可為一手動控制的路徑指導或自動圖像功能。若"常改變使用場所"或"變換房間"，則需要大量的數
據存儲器以儲存每一位置的相關數據。類似地，美國專利US4119900公開的方法和系統需要強大的計算及傳感器，不斷地確定在給定的空間中該機器人的位置。其它有關機器人系統的例子，需要輸入有關該機器人工作空間的數據，例如美國專利US5109566及US5284522。
類似地，某些現有技術的系統不僅需對該用于特定或特殊的空間中的機器人進行訓練及設計程序，還需對該機器人要工作的空間做準備或改變，如美國專利US5341540公開了一種系統，其中在一優選實施例中，需要該機器人系統包括一定位系統并且安裝該機器人的區域具有"放置在一固定的參考點的信號標"。而此系統可避免未知的障礙物，并通過信號標傳來的信號使其返回其原先程序設計的路徑，
該系統需要使用者具有很強的設定和內建的計算能力。
目前最先進、最簡化的方法用于將機器人制約在一特定區域中，包括提供一裝置用以定義該區域的邊界。中國專利CN03103501. 9揭示了這樣一種系統，提供一個便攜式障礙信號傳送器，通過沿一軸發射制約射束形成一被引導的障礙，而這種技術中的制約射束其實就是紅外線光束。然而在實際的產品應用中，多次發現這種紅外線光束受太陽光和反射光的影響，當太陽光比較強烈或地面材質比較光亮，會對光線進行反射時，清掃機器人不受紅外線光束的制約，直接穿過制約光束。因此這種技術對清掃機器人的制約作用在很大程度上受到工作環境的影響，季節、天氣、地面材質、燈光等都會影響紅外線光束的制約作用。同時，若其傳送器或接受器被灰塵覆蓋也會影響其功能。另外，這種便攜式障礙信號傳送器需要電源才能工作，存在資源消耗，不符合現代的環保意識；并且該障礙信號傳送器中發出的紅外線光束為一直線，若需要制約機器人的范圍是一個弧形或者曲線的界限，則該系統就不能起到應有的制約作用，因此該系統具有較大的局限性。

發明內容
本發明的目的在于解決上述的技術問題，提供一種結構簡單的、
不易受外界環境干擾的機器人制約系統；本發明的另一目的在于提供一種可以定義制約機器人的界限為曲線的系統。
本發明的目的通過以下技術方案來實現
一種機器人制約系統，包括鋪設在地面上的接近感應條及一可移動的智能機器人；所述可移動的智能機器人包括驅動部件，用以驅動所述可移動的智能機器人移動；控制單元，該控制單元的控制信號輸出端連接所述驅動部件的受控端，用以控制所述驅動部件；以及至少 一個接近感應開關；所述接近感應開關的信號輸出端連接所述控制單元的感應信號輸入端，用以當所述接近感應開關靠近所述接近感應條并4吏得4妄近感應開關感應到時，該接近感應開關傳輸一個感應信號給所述控制單元，從而控制所述驅動部件，驅使智能機器人改變運行方向。
進一步地，所述智能機器人包括一個主體，所述接近感應開關設置在該主體靠近地面的底座上。所述驅動部件包括設置在智能機器人底座上的左驅動輪、右驅動輪和驅動輪馬達驅動器，所述左驅動輪和右驅動輪分別單獨地與所述控制單元的控制信號輸出端連接。所述控制單元為一微控制器，所述微控制器的控制信號輸出端分別連接到控制所述左、右驅動輪運轉的驅動輪馬達驅動器。
再進一步地，所述接近感應開關為霍爾傳感器或者》茲控管；所述接近感應條為》茲性元件。或者，所述接近感應開關為金屬接近開關；所述接近感應條為金屬元件。更進一步地，所述接近感應條由可以按照任意形狀鋪設在地面上的柔性材料制成。
再進一步地，所述接近感應條的至少一表面設為粘性材料層，用以將所述接近感應條粘接在地面上。
本發明還提供了 一種制約機器人在特定空間中的方法，包括以下
步驟(a)提供一接近感應條，并將之鋪設在地面上；
(b) 在所述智能機器人的底座上設置一接近感應開關，所述接近感應開關靠近接近感應條時，該接近感應開關會得到一個感應信號；
(c) 在所述智能機器人上設置一控制單元，所述接近感應開關的信號輸出端連接到所述控制單元的感應信號輸入端，用以當所述接近感應開關靠近接近感應條時，傳輸感應信號給所述控制單元；
(d) 在所述智能機器人上設置一用以驅動所述可移動的智能機器人移動的驅動部件，所述控制單元的控制信號輸出端連接所述驅動部件的受控端，用以當所述控制單元得到接近感應開關傳輸過來的信號時，從而控制所述驅動部件，驅使智能機器人改變運行方向。
進一步地，所述接近感應條為一磁條，所述接近感應開關為能感應到磁條的磁場信號的霍爾傳感器。
本發明的有益效果主要體現在采用接近感應開關以及接近感應條使本發明的機器人制約系統結構更加簡單，不需要另設一個附件；另外，由于接近感應條可以直接鋪設在地面，而不需要為之提供包括電能在內的任何能量，因此既環保又不會被環境所制約；并且接近感應條可以按任意形狀來鋪設，因此可以形成任意界限的制約界限，解決了現有技術的不足，取得了很大的進步。


下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1:用于本發明的優選實施例的智能機器人的仰視圖。
圖2:圖1中沿A-A方向的剖視圖。
圖3:用于本發明的優選實施例的智能機器人的俯視圖。圖4:本發明優選實施例的霍爾傳感器的電路圖。
圖5:本發明優選實施例的控制單元的硬件方塊圖。
圖6A-圖6D:本發明優選實施例的應用的示意圖。
其中1、智能機器人；2、撞板； 3、主體； 4、左驅動輪；
5、右驅動輪； 6、萬向輪； 7、可充電電池； 8、滾刷； 9、
霍爾傳感器；10、全向接收器；11、磁條；12、微控制器線路
板； 13、地面。
具體實施例方式
本發明揭示了 一種機器人制約系統，包括一個可移動的智能機器人l,以及用于形成制約界限的接近感應條ll。所述可移動的智能機器人可以為自動吸塵器、自動打蠟機、自動拖地機等類似可移動的智能機器人。本優選實施例以用于自動清潔地面的智能機器人l為例。
如圖1至圖3所示的優選實施例，智能機器人1由主體3和設置其上的撞板2組成。智能機器人的驅動部件包括左驅動輪4、右驅動輪5和驅動輪馬達驅動器(圖中未示)，所述左驅動輪4、右驅動輪5分別位于主體3的底座上，所述驅動輪馬達驅動器分別單獨驅動左、右驅動輪，使得智能機器人l可以向前或向后移動，再通過位于主體3的底座上的萬向輪6的配合，使得智能機器人1也可以自如地向任意一個方向轉向。
智能機器人1還包括一個控制上述驅動部件的一控制單元，在本優選實施例中，所述控制單元為一微控制器，微控制器線路板12設置在智能機器人1的主體內部。所述微控制器的控制信號輸出端連接到所述驅動部件的受控端，即驅動輪馬達驅動器。智能機器人l還包括給微控制器線路板12供電的可充電電池7、用于清潔地面的滾刷8和一個用于接收其他信號的全向接收器10，例如接收相應的充電器的紅外線信號。所述智能機器人的主體3靠近地面的底座上設置有至少一個接近
感應開關9，在本優選實施例中主體3上設有兩個霍爾傳感器9，圖 4揭示了本實施例霍爾傳感器所必需的電子組件的電路圖，霍爾傳感 器的工作原理為將一塊通電的半導體薄片垂直置于^P茲場中時，薄片兩 側由此會產生電位差，此現象稱為霍爾效應。此電位差稱為霍爾電勢， 電勢的大小E《IB/d，式中K是霍爾系數，d為薄片的厚度，I為電 流，B為;茲感應強度。在本實用新型中霍爾傳感器是^:為一種接近開 關，它具有無觸點、無磨損、低功耗、壽命長、靈敏度高、工作頻率 高的特點，能在各種惡劣環境下可靠穩定地工作。
所述的霍爾傳感器9與地面13有一定的距離；而地面13上鋪設 有一個相應的接近感應條，在本實施例中為磁條11。更進一步說， 所述驅動部件還包括驅動輪編碼器。當所述霍爾傳感器9靠近磁條 11時，該霍爾傳感器9會傳輸一個感應信號給《敖控制器。結合圖5 中的控制單元的硬件方塊圖，該微控制器MCU的感應信號輸入端與霍 爾傳感器9的信號輸出端相連，所述微控制器接收霍爾傳感器9的信 號，并經過處理后把信號傳輸給驅動輪馬達編碼器，再轉換成動力信 號分別傳輸給控制左、右驅動輪4、 5的馬達驅動器。這樣，所述左 驅動輪4和右驅動輪5均可被微控制器MCU單獨地驅動而讓智能機器 人1轉向。當然，本發明中的微控制器還可以包括不同的控制功能以 及不同的傳感器，例如物理障礙傳感器、峭壁傳感器等。
本發明中，作為控制單元的微控制器執行一算法，該算法包括使 該機器人一旦得到接近感應開關9傳輸過來的信號即轉向的步驟或 者后退一步并向任意一個方向轉向的步驟，直到不再接收到該信號為 止。進一步地，其中該算法還包括在不再檢測到信號后做至少一既定 量回轉的步驟；還包括決定是否朝一般的順時針或反時針方向回轉的 步驟；其中，該決定是否朝一般的順時針或反時針方向回轉的步驟，還包括隨機選定方向的功能；以及在隨機選定方向前朝同 一方向回轉 兩次的功能等。
在本實施例中，所述磁條ll由柔性材料制成，可以按照任意形狀 鋪設在地面13上。進一步地，所述磁條11的至少一面為粘性材料層， 可以將磁條11粘接在地面上。由于磁條11為扁平狀長條，并被粘在 地面上，因此不會覺得難看，也不會使人絆倒。當然，該磁條ll也 可以按需要時粘在地面上，不需要時巻起收起即可。
下面結合圖6A至圖6D介紹一下本優選實施例的應用。
圖中示有兩個相連的清掃區域。如使用者想讓智能機器人1只清 掃圖中的左區域，可以先在圖示位置在地面上貼一個i茲條11，再將 智能機器人1放在左區域中進行清掃。當機器人1想從左區域行進到 右區域進行清掃時，如圖6B所示，安裝在底座上的霍爾傳感器會感 應到磁條ll的存在而發出信號給微控制器，微控制器就會運行一段 用來避讓此磁條的程序，該程序包括控制左右驅動輪讓智能機器人后 退一步，并按圖中逆時針旋轉一定的角度的步驟，如圖6C所示。智 能機器人就繼續進行它的清掃過程，如此反復，直到霍爾傳感器9 感應不到磁條11的存在，這樣就成功地避讓了磁條11，如圖6D所 示。由于有的相鄰的區域呈弧形設置，因此采用本實施例中可以彎曲 粘貼在地面上的磁條ll就顯得格外方便，解決了現有技術只能形成 大致呈直線的制約界限的缺陷。
本優選實施例僅舉了 一個最為簡單實用的實施例，本發明尚有多 種具體的實施方式。例如，所述接近感應開關9除了霍爾傳感器外， 還可以是磁控管；或者金屬接近開關。相對應地，所述接近感應條 11為磁性元件；或者金屬元件。下面簡單的以設置在智能機器人上 的金屬接近開關與鋪設在地面上的金屬材料條為例，當智能機器人接 近金屬材料條時，金屬接近開關會感應到金屬材料條的存在而發出信
10號給微控制器，微控制器就會運行一段用來避讓此金屬材料條的程 序，控制左右驅動輪讓智能機器人后退一步，并旋轉一定的角度，直 到金屬接近開關感應不到金屬材料條的存在，這樣就成功地避讓了金 屬材料條。
由以上的說明可以看出，只要采用類似于霍爾傳感器、磁控管、 金屬接近開關這才羊的4妄近感應開關，配合鋪《殳在地面上的4妄近感應 條，都屬于發明的不窮舉實施例，凡采用等同替換或者等效變換而形 成的所有技術方案，均落在本發明要求保護的范圍之內。
1權利要求
1. 一種機器人制約系統，其特征在于包括一鋪設在地面(13)上的接近感應條(11)及一可移動的智能機器人(1)；所述可移動的智能機器人包括驅動部件，用以驅動所述可移動的智能機器人移動；控制單元，所述控制單元的控制信號輸出端連接所述驅動部件的受控端，用以控制所述驅動部件；以及至少一個接近感應開關(9)，所述接近感應開關(9)的信號輸出端連接所述控制單元的感應信號輸入端，用以當所述接近感應開關(9)靠近所述接近感應條(11)并使得接近感應開關(9)感應到時，該接近感應開關(9)傳輸感應信號給所述控制單元，從而控制所述驅動部件，驅使智能機器人改變運行方向。
2. 根據權利要求1所述的機器人制約系統，其特征在于所述 智能機器人包括一個主體(3),所述接近感應開關(9)設置在該主 體(3)靠近地面的底座上。
3. 根據權利要求2所述的機器人制約系統，其特征在于所述 驅動部件包括設置在智能機器人底座上的左驅動輪(4 )、右驅動輪(5 ) 和驅動輪馬達驅動器，所述左驅動輪(4 )和右驅動輪(5 )分別單獨 地與所述控制單元的控制信號輸出端連接。
4. 根據權利要求3所述的機器人制約系統，其特征在于所述 控制單元為一微控制器(12),所述微控制器(12)的控制信號輸出 端分別連接到控制所述左、右驅動輪(4、 5 )運轉的驅動輪馬達驅動 器。
5. 根據權利要求1所述的機器人制約系統，其特征在于所述 接近感應開關(9 )為霍爾傳感器或者磁控管；所述接近感應條(11) 為》茲性元件。
6. 根據權利要求1所述的機器人制約系統，其特征在于所述接近感應開關(9 )為金屬接近開關；所述接近感應條(11 )金屬元件。
7. 根據權利要求1至6所述的任意一種機器人制約系統，其特征在于所述接近感應條(11)由可以按照任意形狀鋪設在地面(13 )上的柔性材料制成。
8. 根據權利要求7所述的機器人制約系統，其特征在于所述接近感應條(11 )的至少一表面設為粘性材料層，用以將所述接近感應條(11 )粘接在地面上。
9. 一種制約機器人在特定空間中的方法，包括以下步驟a、 提供一接近感應條(11)，并將之鋪設在地面(13)上；b、 在智能機器人的底座上設置一接近感應開關(9),所述接近感應開關(9 )靠近接近感應條(11)時，該接近感應開關(9 )會得到一個感應信號；c、 在所述智能機器人上設置一控制單元，所述接近感應開關(9 )的信號輸出端連接到所述控制單元的感應信號輸入端，用以當所述接近感應開關(9)靠近接近感應條(11)時，傳輸感應信號給所述控制單元；d、 在所述智能機器人上設置一用以驅動所述可移動的智能機器人移動的驅動部件，所述控制單元的控制信號輸出端連接所述驅動部件的受控端，用以當所述控制單元得到接近感應開關(9)傳輸過來的信號時，從而控制所述驅動部件，驅使智能機器人改變運行方向。
10. 根據權利要求9所述的制約機器人在特定空間中的方法，其特征在于所述接近感應條(11)為一磁條，所述接近感應開關(9 )為能感應到磁條的磁場信號的霍爾傳感器。
全文摘要
本發明提供了一種系統和方法，用來將智能機器人制約在一特定的空間內。該系統包括鋪設在地面上的柔性的接近感應條，一可移動的智能機器人，包括用來驅動機器人移動的驅動部件，至少一個接近感應開關，以及控制上述驅動部件的控制單元；當所述接近感應開關靠近接近感應條并使得接近感應開關感應到時，該接近感應開關會傳輸信號給控制單元，該控制單元控制驅動部件繼而使該機器人改變運行方向。本發明的有益效果主要體現在結構簡單，且接近感應條可以直接鋪設在地面，而不需要為之提供任何能量，既環保又不會被環境所制約；并且接近感應條為柔性材料制成，因此可以形成任意界限的制約界限，解決了現有技術的不足，具有較強的推廣意義。
文檔編號G05D1/02GK101482754SQ20091002825
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月4日 優先權日2009年2月4日
發明者周紅波, 湯進舉 申請人:泰怡凱電器(蘇州)有限公司