机器人制约系统及制约方法

摘要

本发明提供了一种系统和方法，用来将智能机器人制约在一特定的空间内。该系统包括：铺设在地面上的柔性的接近感应条，一可移动的智能机器人，包括用来驱动机器人移动的驱动部件，至少一个接近感应开关，以及控制上述驱动部件的控制单元；当所述接近感应开关靠近接近感应条并使得接近感应开关感应到时，该接近感应开关会传输信号给控制单元，该控制单元控制驱动部件继而使该机器人改变运行方向。本发明的有益效果主要体现在：结构简单，且接近感应条可以直接铺设在地面，而不需要为之提供任何能量，既环保又不会被环境所制约；并且接近感应条为柔性材料制成，因此可以形成任意界限的制约界限，解决了现有技术的不足，具有较强的推广意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制约智能机器人在特定空间中的系统和方法。

背景技术

现有技术中，曾提出多种系统用于将机器人制约在特定的物理空间中，以执行某些工作。典型地设计这些系统以用于大量的机器人的应用，例如维护草皮、清洁地板、检查、运输以及娱乐，需要机器人在一局限的范围内运转以执行工作。例如，一吸尘机器人在一房间内工作，在完成第一个房间的吸尘之前，可能会不经意地从一个房间漫游到另一房间。一种解决的方法是限制该机器人在第一个房间内，通过关闭所有的房门从物理上避免该机器人离开第一个房间。但是在很多房子里，房间由开放的走廊隔开，房门或其它物理的障碍物不宜放置在机器人的出口路径上。同样地，使用者可能希望该机器人仅在一独立开放空间的部分区域工作，因而让该机器人工作在整个房间会降低效率。因此需要有一种装置用来制约一区域，使机器人工作在其中。

现有技术的一种方法为提供一种复杂的系统，用于机器人的导航及定位，使该机器人不是沿一既定的路线移动，就是根据存在存储器中的地图监视现在所在的位置。这些系统需要复杂精密的硬件，例如精密的传感器，重要的计算机存储器以及计算能力。但是这些系统的一个很大的缺陷在于不适用于该机器人工作区域的变更。同样的，该机器人无法单纯地从一栋建筑物搬到另一栋建筑物，或甚至从一个房间到另一个房间，而无需再设计程序或再训练。

例如，美国专利US4700427公开了一种方法，需要一种装置用来产生一机器人移动的路径，该路径可为一手动控制的路径指导或自动图像功能。若“常改变使用场所”或“变换房间”，则需要大量的数据存储器以储存每一位置的相关数据。类似地，美国专利US4119900公开的方法和系统需要强大的计算及传感器，不断地确定在给定的空间中该机器人的位置。其它有关机器人系统的例子，需要输入有关该机器人工作空间的数据，例如美国专利US5109566及US5284522。

类似地，某些现有技术的系统不仅需对该用于特定或特殊的空间中的机器人进行训练及设计程序，还需对该机器人要工作的空间做准备或改变，如美国专利US5341540公开了一种系统，其中在一优选实施例中，需要该机器人系统包括一定位系统并且安装该机器人的区域具有“放置在一固定的参考点的信号标”。而此系统可避免未知的障碍物，并通过信号标传来的信号使其返回其原先程序设计的路径，该系统需要使用者具有很强的设定和内建的计算能力。

目前最先进、最简化的方法用于将机器人制约在一特定区域中，包括提供一装置用以定义该区域的边界。中国专利CN03103501.9揭示了这样一种系统，提供一个便携式障碍信号传送器，通过沿一轴发射制约射束形成一被引导的障碍，而这种技术中的制约射束其实就是红外线光束。然而在实际的产品应用中，多次发现这种红外线光束受太阳光和反射光的影响，当太阳光比较强烈或地面材质比较光亮，会对光线进行反射时，清扫机器人不受红外线光束的制约，直接穿过制约光束。因此这种技术对清扫机器人的制约作用在很大程度上受到工作环境的影响，季节、天气、地面材质、灯光等都会影响红外线光束的制约作用。同时，若其传送器或接受器被灰尘覆盖也会影响其功能。另外，这种便携式障碍信号传送器需要电源才能工作，存在资源消耗，不符合现代的环保意识；并且该障碍信号传送器中发出的红外线光束为一直线，若需要制约机器人的范围是一个弧形或者曲线的界限，则该系统就不能起到应有的制约作用，因此该系统具有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种结构简单的、不易受外界环境干扰的机器人制约系统；本发明的另一目的在于提供一种可以定义制约机器人的界限为曲线的系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种机器人制约系统，包括铺设在地面上的接近感应条及一可移动的智能机器人；所述可移动的智能机器人包括：驱动部件，用以驱动所述可移动的智能机器人移动；控制单元，该控制单元的控制信号输出端连接所述驱动部件的受控端，用以控制所述驱动部件；以及至少一个接近感应开关；所述接近感应开关的信号输出端连接所述控制单元的感应信号输入端，用以当所述接近感应开关靠近所述接近感应条并使得接近感应开关感应到时，该接近感应开关传输一个感应信号给所述控制单元，从而控制所述驱动部件，驱使智能机器人改变运行方向。

进一步地，所述智能机器人包括一个主体，所述接近感应开关设置在该主体靠近地面的底座上。所述驱动部件包括设置在智能机器人底座上的左驱动轮、右驱动轮和驱动轮马达驱动器，所述左驱动轮和右驱动轮分别单独地与所述控制单元的控制信号输出端连接。所述控制单元为一微控制器，所述微控制器的控制信号输出端分别连接到控制所述左、右驱动轮运转的驱动轮马达驱动器。

再进一步地，所述接近感应开关为霍尔传感器或者磁控管；所述接近感应条为磁性元件。或者，所述接近感应开关为金属接近开关；所述接近感应条为金属元件。更进一步地，所述接近感应条由可以按照任意形状铺设在地面上的柔性材料制成。

再进一步地，所述接近感应条的至少一表面设为粘性材料层，用以将所述接近感应条粘接在地面上。

本发明还提供了一种制约机器人在特定空间中的方法，包括以下步骤：(a)提供一接近感应条，并将之铺设在地面上；

(b)在所述智能机器人的底座上设置一接近感应开关，所述接近感应开关靠近接近感应条时，该接近感应开关会得到一个感应信号；

(c)在所述智能机器人上设置一控制单元，所述接近感应开关的信号输出端连接到所述控制单元的感应信号输入端，用以当所述接近感应开关靠近接近感应条时，传输感应信号给所述控制单元；

(d)在所述智能机器人上设置一用以驱动所述可移动的智能机器人移动的驱动部件，所述控制单元的控制信号输出端连接所述驱动部件的受控端，用以当所述控制单元得到接近感应开关传输过来的信号时，从而控制所述驱动部件，驱使智能机器人改变运行方向。

进一步地，所述接近感应条为一磁条，所述接近感应开关为能感应到磁条的磁场信号的霍尔传感器。

本发明的有益效果主要体现在：采用接近感应开关以及接近感应条使本发明的机器人制约系统结构更加简单，不需要另设一个附件；另外，由于接近感应条可以直接铺设在地面，而不需要为之提供包括电能在内的任何能量，因此既环保又不会被环境所制约；并且接近感应条可以按任意形状来铺设，因此可以形成任意界限的制约界限，解决了现有技术的不足，取得了很大的进步。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1：用于本发明的优选实施例的智能机器人的仰视图。

图2：图1中沿A-A方向的剖视图。

图3：用于本发明的优选实施例的智能机器人的俯视图。

图4：本发明优选实施例的霍尔传感器的电路图。

图5：本发明优选实施例的控制单元的硬件方块图。

图6A-图6D：本发明优选实施例的应用的示意图。

其中：1、智能机器人；2、撞板；3、主体；4、左驱动轮；5、右驱动轮；6、万向轮；7、可充电电池；8、滚刷；9、霍尔传感器；10、全向接收器；11、磁条；12、微控制器线路板；13、地面。

具体实施方式

本发明揭示了一种机器人制约系统，包括一个可移动的智能机器人1，以及用于形成制约界限的接近感应条11。所述可移动的智能机器人可以为自动吸尘器、自动打蜡机、自动拖地机等类似可移动的智能机器人。本优选实施例以用于自动清洁地面的智能机器人1为例。

如图1至图3所示的优选实施例，智能机器人1由主体3和设置其上的撞板2组成。智能机器人的驱动部件包括左驱动轮4、右驱动轮5和驱动轮马达驱动器(图中未示)，所述左驱动轮4、右驱动轮5分别位于主体3的底座上，所述驱动轮马达驱动器分别单独驱动左、右驱动轮，使得智能机器人1可以向前或向后移动，再通过位于主体3的底座上的万向轮6的配合，使得智能机器人1也可以自如地向任意一个方向转向。

智能机器人1还包括一个控制上述驱动部件的一控制单元，在本优选实施例中，所述控制单元为一微控制器，微控制器线路板12设置在智能机器人1的主体内部。所述微控制器的控制信号输出端连接到所述驱动部件的受控端，即驱动轮马达驱动器。智能机器人1还包括给微控制器线路板12供电的可充电电池7、用于清洁地面的滚刷8和一个用于接收其他信号的全向接收器10，例如接收相应的充电器的红外线信号。

所述智能机器人的主体3靠近地面的底座上设置有至少一个接近感应开关9，在本优选实施例中主体3上设有两个霍尔传感器9，图4揭示了本实施例霍尔传感器所必需的电子组件的电路图，霍尔传感器的工作原理为将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时，薄片两侧由此会产生电位差，此现象称为霍尔效应。此电位差称为霍尔电势，电势的大小E＝KIB/d，式中K是霍尔系数，d为薄片的厚度，I为电流，B为磁感应强度。在本实用新型中霍尔传感器是做为一种接近开关，它具有无触点、无磨损、低功耗、寿命长、灵敏度高、工作频率高的特点，能在各种恶劣环境下可靠稳定地工作。

所述的霍尔传感器9与地面13有一定的距离；而地面13上铺设有一个相应的接近感应条，在本实施例中为磁条11。更进一步说，所述驱动部件还包括驱动轮编码器。当所述霍尔传感器9靠近磁条11时，该霍尔传感器9会传输一个感应信号给微控制器。结合图5中的控制单元的硬件方块图，该微控制器MCU的感应信号输入端与霍尔传感器9的信号输出端相连，所述微控制器接收霍尔传感器9的信号，并经过处理后把信号传输给驱动轮马达编码器，再转换成动力信号分别传输给控制左、右驱动轮4、5的马达驱动器。这样，所述左驱动轮4和右驱动轮5均可被微控制器MCU单独地驱动而让智能机器人1转向。当然，本发明中的微控制器还可以包括不同的控制功能以及不同的传感器，例如物理障碍传感器、峭壁传感器等。

本发明中，作为控制单元的微控制器执行一算法，该算法包括使该机器人一旦得到接近感应开关9传输过来的信号即转向的步骤或者后退一步并向任意一个方向转向的步骤，直到不再接收到该信号为止。进一步地，其中该算法还包括在不再检测到信号后做至少一既定量回转的步骤；还包括决定是否朝一般的顺时针或反时针方向回转的步骤；其中，该决定是否朝一般的顺时针或反时针方向回转的步骤，还包括随机选定方向的功能；以及在随机选定方向前朝同一方向回转两次的功能等。

在本实施例中，所述磁条11由柔性材料制成，可以按照任意形状铺设在地面13上。进一步地，所述磁条11的至少一面为粘性材料层，可以将磁条11粘接在地面上。由于磁条11为扁平状长条，并被粘在地面上，因此不会觉得难看，也不会使人绊倒。当然，该磁条11也可以按需要时粘在地面上，不需要时卷起收起即可。

下面结合图6A至图6D介绍一下本优选实施例的应用。

图中示有两个相连的清扫区域。如使用者想让智能机器人1只清扫图中的左区域，可以先在图示位置在地面上贴一个磁条11，再将智能机器人1放在左区域中进行清扫。当机器人1想从左区域行进到右区域进行清扫时，如图6B所示，安装在底座上的霍尔传感器会感应到磁条11的存在而发出信号给微控制器，微控制器就会运行一段用来避让此磁条的程序，该程序包括控制左右驱动轮让智能机器人后退一步，并按图中逆时针旋转一定的角度的步骤，如图6C所示。智能机器人就继续进行它的清扫过程，如此反复，直到霍尔传感器9感应不到磁条11的存在，这样就成功地避让了磁条11，如图6D所示。由于有的相邻的区域呈弧形设置，因此采用本实施例中可以弯曲粘贴在地面上的磁条11就显得格外方便，解决了现有技术只能形成大致呈直线的制约界限的缺陷。

本优选实施例仅举了一个最为简单实用的实施例，本发明尚有多种具体的实施方式。例如，所述接近感应开关9除了霍尔传感器外，还可以是磁控管；或者金属接近开关。相对应地，所述接近感应条11为磁性元件；或者金属元件。下面简单的以设置在智能机器人上的金属接近开关与铺设在地面上的金属材料条为例，当智能机器人接近金属材料条时，金属接近开关会感应到金属材料条的存在而发出信号给微控制器，微控制器就会运行一段用来避让此金属材料条的程序，控制左右驱动轮让智能机器人后退一步，并旋转一定的角度，直到金属接近开关感应不到金属材料条的存在，这样就成功地避让了金属材料条。

由以上的说明可以看出，只要采用类似于霍尔传感器、磁控管、金属接近开关这样的接近感应开关，配合铺设在地面上的接近感应条，都属于发明的不穷举实施例，凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。