專利名稱：一種可定位并操作目標物的單軌機器人及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人，尤其涉及一種可定位并操作目標物的單軌機器人。
背景技術：
隨著科技的進步，機器人越來越多的參與人類的工作和生活，可以預見將來機器人將代替人類承擔越來越多復雜、繁重的工作，而人們則可以從繁重的工作中解脫出來，生活得更加輕松與安逸。但目前，機器人(或者具有機器人功能的自動化裝置)，只能從事一些簡單的重復性的自動化作業，例如室內清潔機器人、除草機器人、舞蹈表演機器人、教育機器人、焊接機器人等等，這些機器人都無法實現對目標物的定位，普遍智能化程度不高，人們工作和日常生活中的大量復雜、繁重的工作，依然是以人力為主，時代期待著具有更高智 能的機器人的出現。在機器人的結構設計上，本專利發明人的另外一篇《一種可定位并操作目標物的多軌機器人》專利文獻中采用了多軌道設計方案，相對比而言多軌道適合機器人操作區域較大，且區域形狀接近為長方體的空間，其成本相對較高；而單軌道適合機器人適合應用在較小操作區域或狹長空間的操作區域。兩者對比而言，單軌道機器人在成本和應用的靈活性上具有優勢。在機器人的結構設計上，某些文獻和應用把超聲發射裝置置于目標物體內，把超聲接收裝置安裝在天花板的多個角落，這樣設計的結果是因目標物體內的超聲發射裝置所發射的超聲具有方向性，并且其發射角隨著距離的增加而減小，這種方案無法保證所有超聲接收裝置都接收到信號，大大降低了該系統的可靠性。在機器人的功能設計上，極少有文獻和應用考慮到目標物體內的電子系統的電源供給，有學者提出了大容量電池的方案，但目標物千差萬別，從應用角度而言，電池越小越好，而電池的小體積與大容量是一個難以解決的矛盾問題，而且，容量再大的電池，其電量終究是有限的；還有一些方案中給目標物配置了有線電源，只能說這種方案的應用空間很有限，更多的時候，電源線會限制機器人的活動范圍并阻礙機器人對目標物的操作。在機器人的控制算法上，多數文獻與應用都選擇了人腦相對易于理解的直角坐標系，算法復雜，該坐標系中絕大多數點的未知參數都是三個，往往需要繁瑣的推導計算，也就是說直角坐標系符合我們人類的形象思維，卻不總是最適合控制機器人的坐標系。

發明內容
本發明涉及的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，具有較高的智能，并安全可靠，可以在人們的工作或生活中，代替人類完成相對復雜的工作。本發明涉及的可定位并操作目標物的單軌機器人包括中控部分、超聲發射單元、受控單元、機器手、滑軌、電動滑輪，機器手基部附帶電動滑輪，可沿安裝于天花板、墻壁、地面或其它平面上的滑軌移動，機器手、超聲發射單元、電動滑輪分別與中控部分電氣連接。中控部分包含微處理器和微控制器中的一種或多種，是本發明的核心部分，擔負著整個系統的信息采集、分析計算、實時決策的重要任務。受控單兀置于目標物內部或固定于目標物表面，包含微處理器和微控制器中的一種或多種，是一個擁有檢測、計算、控制、通信功能的智能子系統。中控部分與受控單元至少同時具有紅外通信接口、藍牙通信接口、射頻通信接口中的一種，兩者之間可進行無線通信，無線通信的內容包括但不限于系統的時鐘同步信號、受控單元的實時測量數據。機器手采用可伸縮式、可旋轉式、具有一個或一個以上自由度三種設計方式中的 一種或多種。一根或互相平行的多根滑軌固定于天花板、墻壁、地面或其它平面上，滑軌可以采用直線、折線或曲線等設計形狀，機器手通過電動滑輪附著在其中的一根或多根滑軌上，通過可伸縮、具有一個或一個以上自由度、可旋轉三種特質中的一種或多種實現伸縮或擺動，這樣，在主控部分的控制下，機器手可沿滑軌在一定范圍內的三維空間定位、移動或操作目標物。每個超聲發射單元內部集成了多個超聲發射裝置，這些超聲發射裝置同時發射的超聲信號覆蓋系統要求的控制區域，本發明包括三個或三個以上的超聲發射單元，這些超聲發射單元被固定在空間的不同位置，并且至少有一個超聲發射單元與其余超聲發射單元在三維空間不共線，在主控部分的控制下，不同的超聲發射單元經過固定的時間間隔分別發射超聲信號，受控單元、機器手都包含超聲信號接收部件，并且在自身時鐘累計誤差小于規定值的前提下，根據接收超聲信號時刻與約定發射時刻的時間差乘以超聲在空氣中的速度，即可計算出自身與三個超聲發射單元的相對距離，之后將相關數據分別發送給中控部分。中控部分在接收到系統中所有受控單元和機器手的位置信息后，通過比對與計算，即可實現對所有目標物和機器手的定位，之后通過對機器手基部的電動滑輪的驅動，以及機器手自身的姿勢改變，實現機器手在一定三維空間內移動并靠近要操作的目標物，在靠近的過程中，機器手和目標物的位置被快速的實時計算，并得出兩者之間的最優靠近路徑，當兩者之間的距離小于機器手可操作最大距離時，機器手就可以在主控部分的控制下對目標物進行各種操作。本發明中的受控單元除包含儲能電池外，還包括接觸式充電接口與受電感應線圈中的一種或多種。所采用的儲能電池類型包括但不限于鎳氫電池、鋰電池、鐵鋰電池、鉛酸蓄電池、液流儲能電池、飛輪儲能電池。對于具有接觸式充電接口的情形，在受控單元所對應的目標物閑置時，機器手在中控部分的控制下，可移動其至指定充電區域與充電電極可靠接觸，進行受控單元中的儲能電池進行電能補充；對于具有受電感應線圈的情形，系統中包括有充電線圈，充電線圈與中控部分電氣連接，中控部分通過電力電子開關器件對充電線圈的電壓波形進行脈沖寬度調制，受控單元部分包含的受電感應線圈，在靠近充電線圈的一定范圍內，可通過電磁感應為受控單元內部蓄電池充電。本發明中的實時位置計算除了可以選擇傳統的直角坐標系，還可以使用極坐標系，或者兩種坐標優勢互補，結合使用。實際上，無論是超聲發射、接收裝置，還是機器手，都更加適合極坐標的模型，直角坐標系中絕大多數點的未知參數都是三個，而在極坐標系中絕大多數點的未知參數都是兩個(一個已知的參數就是極坐標原點的超聲發射單元與目標物的距離，是可以直接測量的已知量)，推導計算在更多的情形下相對簡單，減少了中控部分的計算推導時間，為系統的快速響應提供了條件。概括而言直角坐標系的優勢在于線性運動控制的場合；極坐標系適合旋轉運動控制，兩者互有短長，本發明中的定位算法根據實際情形，采用極坐標系、直角坐標系中的一種或兩種，在采用兩種坐標系相結合進行計算分析的情況，定位參數可在兩種坐標系之間轉化，便于機器人的實時運動控制。


圖I為本發明的系統功能模塊示意圖。圖2為本發明的系統機械結構示意圖。
圖3為本發明的極坐標算法示意圖。
具體實施例方式以下實施例屬于本發明具體形式中的一種，給出的目的是更詳細的描述本發明，而不是限制本發明的范圍，也不是限定本發明的應用形式。本發明涉及的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，具有較高的智能，可以在人們的工作或生活中，代替人類完成相對復雜的工作。本發明的一種具體實施方式
的系統功能模塊示意圖如圖I所示，對應的系統機械結構示意圖如圖2所示。該實施方式包括中控部分、超聲發射單元、受控單元、機器手、滑軌、電動滑輪、充電線圈，機器手借助基部安裝的電動滑輪，可沿安裝于L型墻壁上的滑軌移動，機器手、超聲發射單元分別與中控部分電氣連接，中控部分與受控單元之間可進行紅外或藍牙通信，無線通信的內容包括但不限于系統的時鐘同步信號、源自系統各組成部分的實時測量數據。中控部分如圖2中標號I所示，包含微控制器，是本發明的核心部分，擔負著整個系統的信息采集、分析計算、實時決策的重要任務。受控單兀如圖2中標號2所不，固定于目標物表面，包含微控制器，是一個擁有檢測、計算、控制、通信功能的智能子系統，受控單元包含儲能電池以及充電線圈。機器手如圖2中標號4所示，可伸縮，還可以基部為圓心旋轉，并可在中控部分的指令下，沿安裝于天花板、墻壁、地面或其它平面上的滑軌移動。電動滑輪如圖2中標號8所示。一根L型滑軌固定于墻壁上，機器手通過電動滑輪附著在該滑軌上，通過可伸縮、具有三個自由度、可旋轉三種特質實現伸縮或擺動，這樣，在主控部分的控制下，機器手可沿滑軌在一定范圍內的三維空間定位、移動或操作目標物。三個超聲發射單元(如圖2中標號3所示)，被固定在滑軌上方，保證其中至少有一個超聲發射單元與其余超聲發射單元在三維空間上不共線，且每個超聲發射單元發射的超聲信號可以到達系統可操控空間的任何部分。在主控部分的控制下，所有超聲發射單元每經過一定時間間隔分別發射一組超聲信號，受控單元、機器手都包含超聲信號接收部件，并且此前在系統精度要求的時間內，實現了時鐘的同步校對，它們根據接收超聲信號時刻與約定發射時刻的時間差乘以超聲在空氣中的速度，即可計算出自身與三個超聲發射單元的相對距離，之后將相關數據分別發送給中控部分。中控部分接收到該位置信息后，通過如下算法計算某個受控單元或機器手在系統中的位置坐標極坐標算法示意圖如圖3所示，為了說明的需要，圖中同時建立對應的XYZ三維空間直角坐標系作為參照。首先，在該極坐標系中，三個超聲發射單元分別對應0、Α、Β三點，現在設0點的極坐標為(0,0,0) ； A點的極坐標為(m,0,0) ;B點的極坐標為(η, O,^ /4)。某個目標物或機器手用Q點來表示，Q點與0、Α、Β三點經超聲測量的實際距離分別用P P P 2和P 3表示，現在做Q點在O、Α、B三點所在平面的垂足q，分別用虛線與O、A、B三點連接，則三個三角形AOQq、AAQq, Λ BQq都是以q點為直角頂點的直角三角形，根據《立體幾何》學科的相關原理，圖3中所示的角α為向量OQ與0、Α、Β三點所在平面的夾角，角β為O、Q、q三點所在平面與X軸、Z軸所在平面的夾角。根據上述推導，在該極坐標系統中，Q點的極坐標為(P1, α，β)，其中α和β的計算方法如下式所示
權利要求
1.一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于包括中控部分、超聲發射單元、受控單元、機器手、滑軌、電動滑輪，受控單元置于目標物內部或固定于目標物表面，機器手借助安裝于基部的電動滑輪，可沿安裝于天花板、墻壁、地面或其它平面上的滑軌移動，機器手、超聲發射單元、電動滑輪分別與中控部分電氣連接。
2.根據權利要求I所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于中控部分包含微處理器和微控制器中的一種或多種。
3.根據權利要求2所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于中控部分與受控單元之間可進行無線通信，無線通信的方式包括但不限于紅外通信、藍牙通信、射頻通信中的一種或多種，無線通信的內容包括但不限于系統的時鐘同步信號、受控單元的實時測量數據。
4.根據權利要求3所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于每個超聲發射單元內部集成了多個超聲發射裝置，這些超聲發射裝置同時發射的超聲信號覆蓋系統要求的控制區域，本發明包括三個或三個以上的超聲發射單元，這些超聲發射單元被固定在空間的不同位置，并且至少有一個超聲發射單元與其余超聲發射單元在三維空間不共線，不同的超聲發射單元經過固定的時間間隔相繼發射超聲信號，受控單元、機器手都包含超聲信號接收部件，接收超聲信號后根據接收時間計算自身位置并分別發給中控部分。
5.根據權利要求4所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于機器手采用可伸縮式、可旋轉式、具有一個或一個以上自由度三種設計方式中的一種或多種，在中控部分的指令下，可通過電動滑輪，沿安裝于天花板、墻壁、地面或其它平面上的滑軌移動，并可在一定范圍內的三維空間內定位、移動或操作目標物。
6.根據權利要求5所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于受控單兀包含微處理器和微控制器中的一種或多種。
7.根據權利要求6所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于一根或互相平行的多根滑軌固定于天花板、墻壁、地面或其它平面上，滑軌可以采用直線、折線或曲線等設計形狀，機器手通過電動滑輪附著在其中的一根或多根滑軌上，通過可伸縮、具有一個或一個以上自由度、可旋轉三種特質中的一種或多種實現伸縮或擺動，這樣，在主控部分的控制下，機器手可沿滑軌在一定范圍內的三維空間定位、移動或操作目標物。
8.根據權利要求I 權利要求7所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于受控單元包含儲能電池以及接觸式充電接口，在受控單元所對應的目標物閑置時，機器手在中控部分的控制下，可移動其至指定充電區域與充電電極可靠接觸，進行電能補充，所采用的儲能電池類型包括但不限于鎳氫電池、鋰電池、鐵鋰電池、鉛酸蓄電池、液流儲能電池、飛輪儲能電池，接觸式充電接口與中控部分電氣連接。
9.根據權利要求I 權利要求7所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于包含儲能電池以及充電線圈，儲能電池類型包括但不限于鎳氫電池、鋰電池、鐵鋰電池、鉛酸蓄電池、液流儲能電池、飛輪儲能電池，充電線圈與中控部分電氣連接，中控部分通過電力電子開關器件對充電線圈的電壓波形進行脈沖寬度調制，受控單元部分包含的受電感應線圈，在靠近充電線圈的一定范圍內，可通過電磁感應為受控單元內部蓄電池充電。
10.根據權利要求I 權利要求7所述的一種可定位并操作目標物的單軌機器人，其特征在于定位算法中采用極坐標系、直角坐標系中的一種或兩種，在采用兩種坐標系相結合進行計算分析的情況，定位參數可在兩種坐標系之間轉化，便于機器人的運動控制。·
全文摘要
本發明涉及一種機器人，尤其涉及一種可定位并操作目標物的單軌機器人及其控制方法。本發明的可定位并操作目標物的單軌機器人包括中控部分、超聲發射單元、受控單元、機器手、滑軌、電動滑輪、充電線圈，機器手、超聲發射單元、電動滑輪、充電線圈分別與中控部分電氣連接；中控部分與受控單元之間可進行紅外、藍牙或射頻通信；超聲發射單元定時發射超聲信號，受控單元、機器手根據該超聲信號的接收時刻計算自身位置并分別發給中控部分。在中控系統的控制下，機器手可通過電動滑輪沿安裝于天花板、墻壁、地面或其它平面上的滑軌移動，在一定范圍的三維空間內定位、移動或操作目標物。
文檔編號B25J5/02GK102941569SQ20121042969
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者李木 申請人:李木