本發(fā)明涉及一種障礙物掃描裝置，尤其是涉及一種應(yīng)用于機器人的超聲3D掃描裝置。
背景技術(shù)：
：智能移動機器人是機器人的一個重要研究領(lǐng)域，避障是智能移動機器人最基本的功能。現(xiàn)有技術(shù)通常采用一組多個超聲波傳感器分布在機器人機身前半部分或四周，但是由于其發(fā)散角度一定，存在多個盲區(qū)，對于動態(tài)障礙物可能會出現(xiàn)探測不到的情況而導(dǎo)致機器人發(fā)生碰撞損壞。也有采用超聲波傳感器與其他傳感器如紅外傳感器、視覺傳感器等結(jié)合來使用，但存在成本較高、硬件及控制系統(tǒng)較復(fù)雜等缺點。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種應(yīng)用于機器人的超聲3D掃描裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種應(yīng)用于機器人的超聲3D掃描裝置，該裝置包括轉(zhuǎn)臺、超聲探頭組、超聲控制電子部件和轉(zhuǎn)臺控制電子部件，所述的超聲探頭組包括多個均勻分布在轉(zhuǎn)臺外表面的超聲探頭，所述的超聲探頭均連接至超聲控制電子部件，所述的轉(zhuǎn)臺連接轉(zhuǎn)臺控制電子部件；轉(zhuǎn)臺控制電子部件控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，超聲控制電子部件控制超聲探頭采集障礙物信息并將采集的障礙物信息發(fā)送至轉(zhuǎn)臺控制電子部件。所述的轉(zhuǎn)臺為球狀轉(zhuǎn)臺，所述的球狀轉(zhuǎn)臺包括圓形底板、推力球軸承、球狀殼體和殼體驅(qū)動組件，所述的推力球軸承安裝在圓形底板上方，所述的球狀殼體底部固定安裝在推力球軸承的軸圈上，所述的殼體驅(qū)動組件設(shè)置在球狀殼體內(nèi)，所述的殼體驅(qū)動組件連接所述的推力球軸承。所述的球狀殼體包括兩個半球形殼體，兩個半球形殼體扣合安裝在推力球軸承的軸圈上，兩個半球形殼體頂部通過扣環(huán)固定，兩個半球形殼體外側(cè)周圍通過固定皮條固定。所述的球狀轉(zhuǎn)臺外表面設(shè)有安裝超聲探頭的圓形卡槽，圓形卡槽的分布方式具體為：以球狀轉(zhuǎn)臺球心所在水平面為基準(zhǔn)面，在該基準(zhǔn)面上沿球狀轉(zhuǎn)臺的四周均勻分布N個圓形卡槽，所述的N個圓形卡槽組成橫向圓形卡槽組，將所述的N個圓形卡槽拓展到球狀轉(zhuǎn)臺的不同高度，構(gòu)成了M組縱向設(shè)置的圓形卡槽組，進而共有M×N個圓形卡槽分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面；每個圓形卡槽中安裝一個超聲探頭，進而共有M×N個超聲探頭分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。所述的殼體驅(qū)動組件包括電機、電機齒輪和定位齒輪，所述的球狀殼體底部內(nèi)側(cè)邊緣為鋸齒形，所述的電機齒輪和定位齒輪均安裝在圓形底板上并與球狀殼體底部內(nèi)側(cè)邊緣齒合，且所述的定位齒輪的安裝位置和電機齒輪的安裝位置相對圓形底板的圓心對稱，所述的電機連接所述的電機齒輪，所述的轉(zhuǎn)臺控制電子部件連接所述的電機；轉(zhuǎn)臺控制電子部件控制電機工作，電機齒輪驅(qū)動推力球軸承轉(zhuǎn)動，進而帶動球狀殼體按設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍轉(zhuǎn)動。所述的設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍具體為：2vpθΔd≤ω≤vθsmax,]]>其中，ω為設(shè)定轉(zhuǎn)速，vp為機器人行進速度，v為聲波在空氣中的傳播速度，△d為機器人從檢測到障礙物到做出反應(yīng)這段時間內(nèi)的前進距離，θ為相鄰超聲探頭夾角的一半值，smax為超聲探頭的最大探測距離。所述的超聲控制電子部件通過安裝組件安裝在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部，所述的安裝組件包括中心軸、滑環(huán)定子、供電滑環(huán)和固定隔板，所述的中心軸垂直穿過轉(zhuǎn)臺中軸線設(shè)置，所述的滑環(huán)定子固定在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的中心軸上，所述的滑環(huán)設(shè)置在滑環(huán)定子外側(cè)，所述的固定隔板設(shè)置在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部空腔中，所述的超聲控制電子部件安裝在固定隔板上，所述的超聲控制電子部件連接所述的供電滑環(huán)。所述的轉(zhuǎn)臺內(nèi)表面設(shè)有用于匯總超聲探頭導(dǎo)線的探頭接線管，超聲探頭導(dǎo)線匯總后通過導(dǎo)線腔連接至超聲控制電子部件。所述的轉(zhuǎn)臺控制電子部件安裝在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的底板上，所述的轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的底板上還設(shè)有用于轉(zhuǎn)臺控制電子部件與機器人進行導(dǎo)線連接的通孔。超聲控制電子部件通過藍牙模塊通信連接轉(zhuǎn)臺控制電子部件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：(1)本發(fā)明用于機器人的掃描裝置僅采用一種傳感器即超聲傳感器，實現(xiàn)障礙物探測，成本低、硬件及控制系統(tǒng)較簡單；(2)本發(fā)明采用球狀轉(zhuǎn)臺，球狀轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)簡單，成本低，同時通球狀轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動帶動超聲探頭旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)障礙物的有效探測，減少檢測盲區(qū)；(3)本發(fā)明球狀轉(zhuǎn)臺采用兩個半球形殼體扣合安裝而成，便于拆卸，當(dāng)安裝在內(nèi)部的部件發(fā)生故障時能夠快速更換；(4)本發(fā)明球狀轉(zhuǎn)臺外表面設(shè)置的安裝超聲探頭的圓形卡槽的分布方式實現(xiàn)了一定高度空間的橫向360°無死角探測障礙物，在探頭數(shù)量最少的情況下保證盲區(qū)最小，有效實現(xiàn)機器人所處環(huán)境中的障礙物信息的探測；(5)本發(fā)明殼體驅(qū)動組件通過電機齒輪驅(qū)動球狀殼體轉(zhuǎn)動，同時通過定位齒輪來保證轉(zhuǎn)動的可靠性，提高了該裝置的可靠運行；(6)本發(fā)明轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)得越快，橫向探頭數(shù)目可以越少，但轉(zhuǎn)臺的最大轉(zhuǎn)速受超聲探測速度限制，因此本發(fā)明轉(zhuǎn)臺的設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍能夠保證在橫向探頭數(shù)目較少的情況下實現(xiàn)全方位的檢測；(7)本發(fā)明超聲控制電子部件通過安裝組件進行安裝固定，其中通過供電滑環(huán)來實現(xiàn)可靠供電，保證超聲控制電子部件的持續(xù)穩(wěn)定工作；(8)本發(fā)明設(shè)置的探頭接線管和導(dǎo)線腔能夠?qū)崿F(xiàn)超聲探頭導(dǎo)線的匯合，防止發(fā)生混亂，提高裝置的可靠運行性能。附圖說明圖1為本發(fā)明超聲3D掃描裝置的整機示意圖；圖2為本發(fā)明超聲3D掃描裝置的半機示意圖；圖3為本發(fā)明球狀轉(zhuǎn)臺的圓形底板及相關(guān)部件示意圖；圖4為本發(fā)明超聲探頭及探頭接線管連接示意圖；圖5為本發(fā)明超聲探頭排列示意俯視圖；圖6為本發(fā)明超聲探頭排列示意側(cè)視圖；圖7為本發(fā)明縱向超聲探頭探測示意圖；圖8為本發(fā)明縱向探測盲區(qū)示意圖；圖9為本發(fā)明橫向超聲探頭探測示意圖；圖10為本發(fā)明超聲3D掃描裝置的探測范圍示意圖。圖中，A1為圓形底板，A2為推力球軸承，A3為超聲探頭，A4為球狀殼體，A5為中心軸，A6為固定皮條，A7為扣環(huán)，A8為滑環(huán)定子，A9為供電滑環(huán)，A10為探頭接線管，A11為導(dǎo)線腔，B1為超聲控制電子部件，B2為轉(zhuǎn)臺控制電子部件，B3為電機，B4為通孔，C1為定位齒輪，C2為電機齒輪。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例如圖1～4所示，一種應(yīng)用于機器人的超聲3D掃描裝置，該裝置包括轉(zhuǎn)臺、超聲探頭組、超聲控制電子部件B1和轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2，超聲探頭組包括多個均勻分布在轉(zhuǎn)臺外表面的超聲探頭A3，超聲探頭A3均連接至超聲控制電子部件B1，轉(zhuǎn)臺連接轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2，超聲控制電子部件B1通過藍牙模塊通信連接轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2；轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，超聲控制電子部件B1控制超聲探頭A3采集障礙物信息并將采集的障礙物信息發(fā)送至轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2。本實施例，轉(zhuǎn)臺為球狀轉(zhuǎn)臺，球狀轉(zhuǎn)臺包括圓形底板A1、推力球軸承A2、球狀殼體A4和殼體驅(qū)動組件，推力球軸承A2安裝在圓形底板A1上方，球狀殼體A4底部固定安裝在推力球軸承A2的軸圈上，殼體驅(qū)動組件設(shè)置在球狀殼體A4內(nèi)，殼體驅(qū)動組件連接推力球軸承A2。球狀殼體A4包括兩個半球形殼體，兩個半球形殼體扣合安裝在推力球軸承A2的軸圈上，兩個半球形殼體頂部通過扣環(huán)A7固定，兩個半球形殼體外側(cè)周圍通過固定皮條A6固定。球狀轉(zhuǎn)臺外表面設(shè)有安裝超聲探頭A3的圓形卡槽，圓形卡槽的分布方式具體為：以球狀轉(zhuǎn)臺球心所在水平面為基準(zhǔn)面，在該基準(zhǔn)面上沿球狀轉(zhuǎn)臺的四周均勻分布N個圓形卡槽，N個圓形卡槽組成橫向圓形卡槽組，將N個圓形卡槽拓展到球狀轉(zhuǎn)臺的不同高度，構(gòu)成了M組縱向設(shè)置的圓形卡槽組，進而共有M×N個圓形卡槽分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面；每個圓形卡槽中安裝一個超聲探頭A3，進而共有M×N個超聲探頭A3分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面，本實施例中設(shè)置3組縱向設(shè)置的圓形卡槽組。殼體驅(qū)動組件包括電機B3、電機齒輪C2和定位齒輪C1，球狀殼體A4底部內(nèi)側(cè)邊緣為鋸齒形，電機齒輪C2和定位齒輪C1均安裝在圓形底板A1上并與球狀殼體A4底部內(nèi)側(cè)邊緣齒合，且所述的定位齒輪C1的安裝位置和電機齒輪C2的安裝位置相對圓形底板A1的圓心對稱，電機B3連接電機齒輪C2，轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2連接電機B3，轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2安裝在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的底板上，轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的底板上還設(shè)有用于轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2與機器人進行導(dǎo)線連接的通孔B4。轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2控制電機B3工作，電機齒輪C2驅(qū)動推力球軸承A2轉(zhuǎn)動，進而帶動球狀殼體A4按設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍轉(zhuǎn)動，其中設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍具體為：2vpθΔd≤ω≤vθsmax,]]>其中，ω為設(shè)定轉(zhuǎn)速，vp為機器人行進速度，v為聲波在空氣中的傳播速度，△d為機器人從檢測到障礙物到做出反應(yīng)這段時間內(nèi)的前進距離，θ為相鄰超聲探頭A3夾角的一半值，smax為超聲探頭A3的最大探測距離。機器人周圍一定范圍內(nèi)動態(tài)360°無死角探測是通過轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)及超聲探頭A3分布來實現(xiàn)的，因此轉(zhuǎn)臺需要進行水平360°旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺控制電子部件B2將接收到編碼器的指令進行解碼，轉(zhuǎn)換為電機B3運行的控制信號，電機B3驅(qū)動器根據(jù)控制信號驅(qū)動電機B3進行相應(yīng)動作，電機齒輪C2帶動轉(zhuǎn)臺的球狀殼體A4旋轉(zhuǎn)，推力球軸承A2和定位齒輪C1保證旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。超聲控制電子部件B1通過安裝組件安裝在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部，安裝組件包括中心軸A5、滑環(huán)定子A8、供電滑環(huán)A9和固定隔板，中心軸A5垂直穿過轉(zhuǎn)臺中軸線設(shè)置，本實施例中球狀殼體A4頂部設(shè)有圓孔，該圓孔直徑略大于中心軸A5直徑，中心軸A5垂直于圓形底板A1并固定在底板中心位置，其底部通過螺紋連接固定在圓形底板A1中心圓孔處，中心軸A5頂部從狀殼體頂部圓孔穿出?；h(huán)定子A8固定在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的中心軸A5上，滑環(huán)設(shè)置在滑環(huán)定子A8外側(cè)，固定隔板設(shè)置在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部空腔中，超聲控制電子部件B1安裝在固定隔板上，超聲控制電子部件B1連接供電滑環(huán)A9，滑環(huán)定子A8上套有多個供電滑環(huán)A9，供電滑環(huán)A9連接機器人主控模塊并進行供電。轉(zhuǎn)臺內(nèi)表面設(shè)有用于匯總超聲探頭A3導(dǎo)線的探頭接線管A10，超聲探頭A3導(dǎo)線匯總后通過導(dǎo)線腔A11連接至超聲控制電子部件B1。本實施例中設(shè)置了3組縱向設(shè)置的超聲探頭A3，因此在轉(zhuǎn)臺內(nèi)表面設(shè)置3個縱向排列的探頭接線管A10，探頭導(dǎo)線管為圓形并貼合轉(zhuǎn)臺球狀殼體A4內(nèi)表面設(shè)置，所有超聲探頭A3的導(dǎo)線通過探頭接線管A10匯總到一起，在導(dǎo)線腔A11內(nèi)捆綁成一束連接到超聲控制電子部件B1。圖5所示為超聲探頭A3排列示意俯視圖，圖中畫出了基準(zhǔn)面上的N個超聲探頭A3，N個超聲探頭A3形成半徑為RH的圓周，N個超聲探頭A3記作超聲探頭11、超聲探頭12、超聲探頭13……、超聲探頭1N，同理第M組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組記作超聲探頭M1、超聲探頭M2、超聲探頭M3……、超聲探頭MN。本實施例中設(shè)置了3組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組，即上述M＝3，因此圖6為本發(fā)明超聲探頭A3排列示意側(cè)視圖。機器人縱向區(qū)域的掃描結(jié)構(gòu)依靠縱向探頭間形成一定夾角實現(xiàn)，附圖7是以縱向三個探頭分布為例的縱向超聲探測情況示意圖，超聲發(fā)散角為α，縱向探頭基座是半徑為RV的球體一部分，超聲探測距離半徑為smax，根據(jù)圖中幾何關(guān)系可得：smax×sinβ=RV×sinγβ+γ=α---(1)]]>而探測高度H＝2Rsin(Mγ)，其中R＝smax×cosβ+RV×cosγ，M為縱向探頭個數(shù)，即：H＝2R＝2(smax×cosβ+RV×cosγ)sin(Mγ)(2)根據(jù)式(1)和式(2)，若已知探測距離smax和機器人高度H，則可以通過Matlab仿真計算得到RV和M的關(guān)系。附圖8中的陰影部分表示了以三個探頭為例的縱向探測盲區(qū)，為多個三角形區(qū)域，探頭之間的M－1個盲區(qū)為底邊長為2RVsinγ、高為smaxcosβ的等腰三角形，上下兩端的四個盲區(qū)為兩邊長為smaxcos(π/2－Mγ)和smaxsin(π/2－Mγ)的直角三角形。由于縱向探頭不掃描，所以縱向盲區(qū)在機器人初始位置時存在。依靠此結(jié)構(gòu)，機器人在行走過程中可以360°無死角靜態(tài)避障，但若遇到動態(tài)障礙物，障礙物也可能進入該盲區(qū)，檢測不出來?？衫肕atlab進行仿真計算找到最優(yōu)的RV和M取值，使得探頭數(shù)目最少的情況下同時縱向盲區(qū)最小。橫向通過轉(zhuǎn)臺水平旋轉(zhuǎn)及探頭分布可實現(xiàn)機器人周圍smax距離范圍內(nèi)動態(tài)360°無死角探測，能實現(xiàn)對動態(tài)障礙的有效避讓。轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速與探頭分布情況受最小避障距離影響，最小避障距離△d定義為機器人從檢測到障礙物且做出反應(yīng)這段時間內(nèi)的前進距離。為了實現(xiàn)動態(tài)避障，要求探頭必須在Δt1＝Δd/vp時間范圍內(nèi)掃描到障礙物并做出反應(yīng)，其中vp為機器人行進速度，假設(shè)轉(zhuǎn)臺最小轉(zhuǎn)速為ωmin，最大周期為Tmax，則探頭11旋轉(zhuǎn)到相鄰探頭22位置的時間應(yīng)不大于Δt1，因此有：Δt1Tmax=2θ2π---(3)]]>其中，θ與超聲發(fā)散角、探測基座尺寸和探測距離有關(guān)。即：Δd/vp2π/ωmin=2θ2π---(4)]]>可得轉(zhuǎn)臺最小轉(zhuǎn)速為：轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)得越快，橫向探頭數(shù)目可以越少，但轉(zhuǎn)臺的最大轉(zhuǎn)速受超聲探測速度限制。要求超聲波信號發(fā)射到接收這段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度不得超過2θ，如附圖9所示。假設(shè)轉(zhuǎn)臺最大轉(zhuǎn)速為ωmax，最小周期為Tmin，最大探測距離為smax，則超聲波信號發(fā)射到接收最大時間為Δt2＝2smax/v，其中v為聲波在空氣中的傳播速度，則有：Δt2Tmin=2θ2π---(5)]]>即：2smax/v2π/ωmax=2θ2π---(6)]]>可得轉(zhuǎn)臺最大轉(zhuǎn)速為：因此轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速需滿足條件綜上所述，本發(fā)明超聲避障系統(tǒng)的障礙物探測范圍如附圖10所示，圖10(a)為水平探測范圍，圖10(b)為垂直探測范圍，陰影部分為有效探測范圍，圖10(b)中H為超聲探頭縱向區(qū)域的探測高度。當(dāng)前第1頁1 2 3