碰撞位置檢測裝置、系統和檢測方法與流程
2023-10-09 03:53:04
本發明涉及碰撞檢測技術領域，具體而言，涉及一種碰撞位置檢測裝置、系統和檢測方法。
背景技術：
可行動裝置，例如掃地機，在移動過程中經常面臨複雜的周邊環境，難免發生碰撞。為了在碰撞發生時，能夠規劃正確的路線躲避障礙物，需要在掃地機上設置碰撞檢測裝置。系統藉助傳感器輸出信息標記障礙物位置，避免再次發生碰撞，以彌補機器人避障能力的不足。
現有的碰撞檢測裝置包括以下幾種：
第一種碰撞檢測裝置採用粗略檢測的方式，通過一個開關或者壓力傳感器連接到一個面積較大的面殼上，當面殼接觸障礙物時，導致開關或者傳感器狀態的變化，這樣能夠檢測到較大範圍內的碰撞，缺點是：只能檢測到機器人整體是否發生了碰撞，而不能確定碰撞發生的具體位置；
第二種碰撞檢測裝置通過布置多個上述裝置，可以感知到機器人的某幾個大致的碰撞位置。缺點是：由於使用了多個傳感器，佔有空間和處理器資源較多，成本較高，但精確度不高。
第三種碰撞檢測裝置在第一種裝置的基礎上，配合帶有聚焦透鏡的紅外測距傳感器來實現檢測障礙物位置的目的。當碰撞到障礙物時，機器人自身旋轉，通過上述紅外測距傳感器來掃描障礙物的位置。這樣能夠較準確地檢測到障礙物的位置，缺點是：每次碰到障礙物時都要旋轉，一定程度上會降低檢測的速度；而且成本較高。
綜上所述，現有技術的碰撞檢測裝置存在成本高和檢測精確度低的問題。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供了一種碰撞位置檢測裝置、系統和檢測方法，能夠快速準確地感知碰撞的位置。
第一方面，本發明實施例提供了一種碰撞位置檢測裝置，用於包覆在可行動裝置的外殼上，包括由內向外依次排列的第一導電層、支撐層、第二導電層和碰撞緩衝層；
所述第一導電層的一端與第一導線連接，所述第一導線用於連接AD轉換器或帶有AD轉換模塊的微處理器的採樣埠，所述採樣埠包括模擬信號輸入接口；
所述第二導電層與所述支撐層接觸的一側導電，所述第二導電層的一端與第二導線連接，與第二導線連接端相對的另一端連接第三導線，所述第二導線和第三導線分別用於連接電源的正極和負極。
結合第一方面，本發明實施例還提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，所述第一導電層包括直接噴塗在所述可行動裝置的外殼表面的導電材料或包覆在所述可行動裝置的外殼上的導電材料。
結合第一方面，本發明實施例還提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，所述支撐層包括網狀彈性膜。
結合第一方面，本發明實施例還提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中，所述第二導電層包括一側濺射有導電鍍層的塑料薄膜，所述導電鍍層的阻抗均勻分布；所述塑料薄膜濺射有導電鍍層的一側與所述支撐層接觸，另一側與所述碰撞緩衝層接觸。
結合第一方面，本發明實施例還提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中，所述碰撞緩衝層由彈性材料製成，所述彈性材料包括橡膠或矽膠。
結合上述任意一種可能的實施方式，本發明實施例還提供了第一方面的第五種可能的實施方式，其中，所述第一導電層、支撐層、第二導電層和碰撞緩衝層之間通過粘結的方式連接。
第二方面，本發明實施例還提供了一種碰撞位置檢測系統，包括上述任意一種碰撞位置檢測裝置和可行動裝置；所述可行動裝置的電源的正極和負極分別連接第二導線和第三導線，所述可行動裝置直接連接第一導線或通過AD轉換器連接第一導線；
所述可行動裝置直接連接第一導線，包括：所述可行動裝置的AD轉換模塊的模擬信號輸入接口與第一導線連接；
所述可行動裝置通過AD轉換器連接第一導線，包括：所述AD轉換器的模擬信號輸入接口與第一導線連接。
結合第二方面，本發明實施例還提供了第二方面的第一種可能的實施方式，其中，所述可行動裝置為具有自主規劃移動路線能力的設備。
第三方面，本發明實施例還提供了一種碰撞位置檢測方法，應用於上述可行動裝置上，包括：
通過採樣埠採集第一導線的電壓值；
將所述電壓值與預設的參考值進行比較，若所述電壓值小於所述參考值，則計算所述電壓值與所述參考值的比值；
根據所述比值和預存的第二引線連接端與第三引線連接端之間的距離，計算碰撞點與第三引線連接端之間的距離；
根據計算得到的距離和所述碰撞位置檢測裝置的安裝位置確定碰撞點的具體位置。
結合第三方面，本發明實施例還提供了第三方面的第一種可能的實施方式，其中，所述方法還包括：
根據確定出的碰撞點的具體位置控制所述可行動裝置的移動方向；
根據確定出的碰撞點的具體位置記錄障礙物的具體位置，避免可行動裝置再次與所述障礙物發生碰撞。
本發明實施例帶來了以下有益效果：
本發明實施例提供的碰撞位置檢測裝置和系統，包括由內向外依次排列的第一導電層、支撐層、第二導電層和碰撞緩衝層，產品整體成本低。第一導電層、支撐層、第二導電層和碰撞緩衝層均採用可彎折的柔性材料製成，可靈活配置在多種設備上。碰撞發生時，碰撞位置的第二導電層因發生形變而與第一導電層發生接觸，此時，碰撞位置的兩側至兩條導線之間可等效為兩個電阻，根據兩個電阻的比值，結合本發明實施例提供的檢測方法，即可計算出碰撞的具體位置，檢測的精度和靈敏度高。
本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明一實施例所提供的碰撞位置檢測裝置的結構示意圖；
圖2為本發明一實施例所提供的碰撞位置檢測裝置的碰撞狀態圖；
圖3為本發明一實施例所提供的碰撞位置檢測裝置在碰撞狀態下的等效電路圖；
圖4為本發明一實施例所提供的碰撞位置檢測方法的流程圖。
圖標：
1-可行動裝置的外殼；2-第一導電層；3-支撐層；4-第二導電層；5-碰撞緩衝層。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
目前，碰撞檢測裝置包括以下幾種：
第一種碰撞檢測裝置採用粗略檢測的方式，通過一個開關或者壓力傳感器連接到一個面積較大的面殼上，當面殼接觸障礙物時，導致開關或者傳感器狀態的變化，這樣能夠檢測到較大範圍內的碰撞，缺點是：只能檢測到機器人整體是否發生了碰撞，而不能確定碰撞發生的具體位置；
第二種碰撞檢測裝置通過布置多個上述裝置，可以感知到機器人的某幾個大致的碰撞位置。缺點是：由於使用了多個傳感器，佔有空間和處理器資源較多，成本較高，但精確度不高。
第三種碰撞檢測裝置在第一種裝置的基礎上，配合帶有聚焦透鏡紅外測距傳感器來實現檢測障礙物位置的目的。當碰撞到障礙物時，機器人自身旋轉，通過上述紅外測距傳感器來掃描障礙物的位置。這樣能夠較準確地檢測到障礙物的位置，缺點是：每次碰到障礙物時都要旋轉，一定程度上會降低檢測的速度；而且成本較高。
第四種碰撞檢測裝置用在小型機器人身上，當重心較低時，可以把機器人的整個外殼做成可水平方向自由活動的，然後通過加速度計和陀螺儀來檢測碰撞位置。這種裝置也能夠準確檢測到碰撞的位置，但缺點是：成本高，技術實現難度大。
針對現有的碰撞檢測裝置檢測精度低、檢測效率低和生產成本高的問題，本發明實施例提供了一種碰撞位置檢測裝置和系統，以下首先對本發明的碰撞位置檢測裝置進行詳細介紹。
實施例一
圖1示出了該實施例提供的一種碰撞位置檢測裝置的剖面結構示意圖。如圖1所示，該實施例的碰撞位置檢測裝置，用於包覆在可行動裝置的外殼1上，包括由內向外依次排列的第一導電層2、支撐層3、第二導電層4和碰撞緩衝層5。
其中，第一導電層2的一端與第一導線連接；第一導線用於連接AD轉換器或帶有AD轉換模塊的微處理器的採樣埠，所述採樣埠包括模擬信號輸入接口；，即第一導線通過AD轉換器(模數轉換器)的模擬信號輸入接口與微處理器連接，或直接連接在微處理器的AD轉換模塊(模數轉換模塊)的模擬信號輸入接口上。
第一導電層2由柔性導電材料製成。第一導電層2作為底層可根據實際使用情況選擇材料和工藝；可以選擇直接噴塗在可行動裝置的外殼1表面的導電材料，也可以選擇包覆在可行動裝置的外殼上的導電材料。如：噴塗在可行動裝置的外殼1表面的導電材料可以選用銅粉或鋁粉，包覆在可行動裝置的外殼上的導電材料可以選擇銅箔、柔性PCB或鋁箔等。
柔性PCB是一種柔性電路板，是以聚醯亞胺或聚酯薄膜為基材製成的一種具有高度可靠性，絕佳的可撓性印刷電路板。簡稱軟板或FPC，具有配線密度高、重量輕、厚度薄的特點。
支撐層3可以是網狀彈性膜，其材料包括但不限於矽膠和橡膠等彈性材料。其網狀帶孔的結構，使第二導電層在受到碰撞後，可與第一導電層直接接觸而使電路導通。
第二導電層4與支撐層3接觸的一側導電，阻抗均勻分布，且方阻值適當，以便控制檢測裝置的功耗和測量精度在合適的範圍內。第二導電層4的一端與第二導線連接，另一端與第三導線連接，第二導線和第三導線分別用於連接電源的正極和負極。
第二導電層4為柔性導電材料，包括但不限於ITO-PET薄膜等材料。ITO-PET薄膜為採用磁控濺射技術，在PET(聚對苯二甲酸類塑料)基底材料上濺射透明氧化銦錫(ITO)導電薄膜鍍層並經高溫退火處理得到的一側導電的塑料薄膜。塑料薄膜濺射有導電鍍層的一側與支撐層3接觸，另一側與碰撞緩衝層5接觸。
碰撞緩衝層5由彈性材料製成，包括但不限於橡膠或矽膠等材料。碰撞緩衝層5位於最外層，用於緩衝來自碰撞物體的衝擊，起到保護內部由兩導電層組成的傳感器的目的。當物體碰撞到可行動裝置的外殼時，由彈性材料製成的碰撞緩衝層5可發生變形。
碰撞緩衝層5也可以是氣囊，當物體碰撞到傳感器時，氣囊也可以用於緩衝來自碰撞物體的衝擊，同時發生變形。
上述的第一導電層2、支撐層3、第二導電層4和碰撞緩衝層5之間通過粘結的方式連接。
如圖2示出了所述裝置發生碰撞時的結構示意圖；圖3示出了碰撞發生時的等效電路圖。如圖2和圖3所示，當碰撞發生時，最外層的碰撞緩衝層發生形變，從而擠壓第二導電層4也發生形變。碰撞位置的第二導電層4因發生形變而與第一導電層2發生接觸。
此時，碰撞位置的兩側至兩條導線之間的第二導電層可等效為兩個電阻，根據兩個電阻的比值，即可計算出碰撞的具體位置，檢測的精度和靈敏度高，且佔用微處理器資源少；並且可靠性高，穩定性好。
由於裝置整體是柔性的，因此，可靈活配置在多種設備上，如掃地機器人，服務機器人等。當該裝置應用於掃地機器人上時，由於在掃地機器人前進的過程中，碰撞一般都會發生在前端部。所以碰撞位置檢測裝置也設置在掃地機器人的前端部，外形呈長圓形或長條形。
本實施例的碰撞位置檢測裝置與現有的碰撞檢測裝置相比，結構簡單，容易實現；材料易得，製造難度低，因此產品成本低。
實施例二
該實施例提供了一種碰撞位置檢測系統，包括可行動裝置和上述實施例一中描述的碰撞位置檢測裝置；可行動裝置的電源的正極和負極分別連接第二導電層的第二導線和第三導線，可行動裝置的微處理器的AD轉換模塊的模擬信號輸入接口連接第一導電層的第一導線；
該系統的另外一種實施方式為：第一導線與AD轉換器的模擬信號輸入接口連接，AD轉換器再與可行動裝置的微處理器的採樣埠連接。
所述可行動裝置為機器人等具有自主規劃移動路線能力的設備，如掃地機器人、服務機器人等。
本發明實施例所提供的碰撞位置檢測裝置和檢測系統的工作過程為：
使用時，首先將碰撞位置檢測裝置的第二導線和第三導線分別接到電源正極和負極，第一導線接到AD轉換器或帶有AD轉換功能的微處理器的埠。電源電壓應等於AD轉換器的參考電壓。
設第二導線與第二導電層連接的位置為A端，第三導線與第二導電層連接的位置為B端，當碰撞位置檢測裝置上的某一點X發生碰撞時，由彈性材料製成的碰撞緩衝層受到擠壓，產生變形，同時位於碰撞緩衝層內側的第二導電層也產生變形，並且和第一導電層發生接觸。此時，碰撞點兩側的第二導電層可等效成兩個電阻，等效電路如圖3所示。
由於第二導電層的柔性導電材料的阻抗是均勻分布的，第一導線測得的電壓值VS與AD轉換器參考電壓值VREF的比值等於碰撞點X距B端的距離DXB與A端距B端之間距離DAB的比值。即
VS/VREF＝DXB/DAB
已知VS與VREF的數值，通過計算即可得到DXB與DAB的比值，從而可以確定X點距離B端的距離，結合在設備上的安裝位置，便可以計算出碰撞點的具體位置。
實施例三
該實施例公開了應用於上述碰撞位置檢測系統的可行動裝置上的碰撞位置檢測方法。該方法的流程圖如圖4所示，在碰撞位置檢測的過程中，微處理器需要檢測電壓值VS，並計算碰撞點距離B端的距離。
所述方法具體步驟如下：
步驟S401，通過採樣埠採集第一導線的電壓值Vs；
步驟S402，將電壓值Vs與預設的參考電壓值VREF進行比較，若電壓值Vs小於參考電壓值VREF，則計算電壓值Vs與參考電壓值VREF的比值；
步驟S403，根據所述比值和預存的A端與B端之間的距離DAB，計算碰撞點X點與B端之間的距離，從而確定碰撞點的具體位置。
所述方法還包括：
根據確定出的碰撞點的具體位置控制所述可行動裝置的移動方向；
根據確定出的碰撞點的具體位置記錄障礙物的具體位置，避免可行動裝置再次與所述障礙物發生碰撞。
具體地說，系統通過傳感器檢測到碰撞位置相對於自身的角度後，在地圖上標記出障礙物的準確位置。當再次來到這個地方的時候，會結合視覺等其他信息判斷此障礙物是否還存在；如果還存在，則改變可行動裝置的移動方向，避免再次與同一障礙物發生碰撞。以期達到彌補其他障礙物檢測方法不足的目的。最終的目的是使設備避免發生碰撞。
從功能實現角度，本發明的裝置和方法可實現精確的碰撞位置檢測，製造難度低，可靠性高，穩定性好，並且成本低。由於該碰撞位置檢測裝置整體是柔性的，可靈活配置在多種設備上，如掃地機器人，服務機器人等，保護機器人本身在移動過程中不受到損害，同時也不破壞或傷害運動環境中的障礙物。
本發明實施例提供的碰撞位置檢測裝置、系統和檢測方法具有相同的技術特徵，所以也能解決相同的技術問題，達到相同的技術效果。
另外，在本發明實施例的描述中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
最後應說明的是：以上所述實施例，僅為本發明的具體實施方式，用以說明本發明的技術方案，而非對其限制，本發明的保護範圍並不局限於此，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改或可輕易想到變化，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改、變化或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的精神和範圍，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。