CN101084817B - 开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种小型的具有高度智能的家用服务型机器人。机器人整体由移动/执行/感知硬件模组和智能运算软件模组组成，硬件模组和软件模组通过视觉信息和其他传感器信息构成闭环控制，具有拟人的控制特性，能够模仿人的完成任务的能力，小巧的体型和功耗能够保证机器人在复杂的家庭环境中进行服务。本发明将复杂的智能计算软件功能和家用服务机器人的小型移动/执行/感知平台在物理上分离，使机器人具备机器视觉、听觉、高度智能规划和功能扩展的能力，能够完成高度智能化的地面清洁工作，能够根据主人的口语命令控制家里的各种家电，能够根据口语指示为主人运送果盘、茶水、拖鞋、垃圾桶等小型家用器具。

Description

开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种能够自动完成多项家庭生活服务的小型非拟人机器人。

背景技术

随着机器人技术和计算机技术软硬件的进步和发展，家用服务型机器人已经开始进入到人们的现实生活。家用服务型机器人包括各种在家庭中为人们提供服务的机器人，其中有拟人的人形机器人，也有一般的能够自动完成某项家政任务的小型机器人，典型的如以家庭地面清洁为主的吸尘器机器人和草坪自动修整为主的除草机机器人，它们因为低廉的价格而在欧美等地广受欢迎。

机器人吸尘器市场的开拓者-美国iRobot公司的家用吸尘机器人产品累计销售已达到200万台，每年利润增长率在20％以上。另外，国内外各大家用电器企业也开始进行类似产品的研发和生产。这种构造简单，成本低廉(约300美金)，同时具有一定实用性兼趣味性的机器人产品正在快速进入人们的日常生活。

但是，目前现有的家用服务型机器人作为家用服务型机器人的初期作品，有着智能化水平不高、功能单一等缺陷。本发明中的智能型家用服务机器人克服了上述缺陷，同时保持了低成本的特性，是一款更强大、更实用，并能提供多种家庭(家政)服务的高智能低成本的移动机器人产品，具有良好的发展前景和巨大的市场空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能化程度高、生产成本低的家用多功能小型服务机器人。

本发明设计的家用多功能小型服务机器人，采用开放智能系统构架，具备在线的软件更新和功能扩展的能力，是一个能全面提供家政服务的移动机器人。系统构架中，在物理上分离的智能运算和传感采集的特点使其能够利用家庭中计算资源——个人电脑，因而相对于传统的家用服务机器人，具备计算能力高、智能高、成本低等特点。

本发明主要包括如下几个部分：

(1)一个移动底座。所述移动底座包含轮子、电机和传动机构，并加载可充电电池，能够实现前进和向左右旋转运动，在移动底座下部接近地面的部分还设有一个能够打扫和吸取地面垃圾的清扫装置。

(2)一个视频传感器和红外发射模块，该模块由一个数字视频摄像头、一个红外发射管和一个电机驱动单元组成，视频摄像头能旋转240度。

(3)一个避障传感器模块，它包括一个碰撞传感检测器和三个红外测距传感器。

(4)一个声音采集和发音模块。它包括一个由2～4个麦克风组成的麦克风阵列和一个扬声器。麦克风阵列负责检测声源的方向并对来自声源的人声进行增强。

(5)一个感知和执行代理模块。它由一块嵌入式控制单元和无线传输单元构成，嵌入式控制单元的软硬件负责采集来自视频传感器模块、避障传感器模块、声音采集模块的数据并对其进行初步加工和编码，实时通过无线传输单元传送给智能计算模块；同时从智能计算模块通过无线连接接收控制指令，代理控制移动底座的运动、红外信号的发射以及各种动作和行为。

(6)一个智能计算模块。该模块由一台家用电脑(或其他高级电脑)和无线通信单元构成硬件单元，以智能总控、行为规划、机器视觉通信控制等软件程序为计算单元，作为机器人的大脑来智能控制机器人。

(7)一个拖拽模块。它由机器人本体上的电控开合式挂钩和用来盛放物品的小拖车组成。

(8)一个充电模块。为机器人提供低压直流的电源输入，并能够被机器人自动感知。

本发明的机器人能够从事多种家庭服务应用，能够让使用者享受到全面的服务，就像有一个专用的“服务生”一样。本智能家用机器人还具有基本的视觉和听觉，能让使用者更轻松的控制和使用。下面介绍了几种基本的应用功能。

1.语音交流和控制功能

机器人能够根据使用者的口语命令，执行对应的功能，能够分辨出使用者所在的大概方位。这样用户可以呼叫机器人的名字，让机器人做一件事情，比如遥控家电，或者给自己拿些东西过来。

2.基于视觉的智能地面清洁功能

机器人具有基本的视觉系统，能够通过采集的视频，分辨出哪一片地面是干净的，哪里是有垃圾需要打扫的，然后根据看到的情况，主动过去将垃圾清理。这是一种动态的智能的卫生保持能力，与传统的吸尘器盲目的随机打扫完全不同，具有高效率，低能耗，低干扰的特性，就像人类的清洁工作者一样，可以在家庭，或展馆、酒店大堂等场所，承担卫生清洁保持的工作。

3.遥控不同类型家电的功能

本发明的机器人还配备了可以调整方向，和摄像头具有同步指向的红外线发射器。它可以通过软件，录制各种家电遥控器的遥控命令的编码。然后在用户的要求下，机器人能够自动移动到能够指向到对应家电的位置，然后通过对摄像头采集的视频信号的视觉特征处理，找出目标家电，在摄像头发现这个家电的同时，红外发射器也指向了该家电，然后发出对应命令的红外信号，完成对该家电的操作和控制。也就是说，用户可以不需要对家居做任何智能化改造的情况下，能够实现对家电的各种智能化操作和控制。用户不用移动脚步，只用口头交代，本发明的机器人就能够对整个家庭的各种可遥控电器进行遥控。

4.运送物品功能

机器人上装备了电动开合装置，并且配备了对应的小拖车。机器人能够根据计算机视觉处理找到并且对准小车的把手，让开合装置扣住小车，然后根据用户的指令，将小车拖动到家中的某个位置。小车上可以放置垃圾桶、拖鞋、果盘等家用器具。这样，用户可以让机器人像一个服务生一样帮自己在家里传递东西，为客人服务。

除了上述的最常见的家庭服务功能以外，由于本发明中的智能家用机器人开放式计算框架的设计，使机器人具有了很强的功能扩展潜力，并能够通过互联网等渠道获得应用功能的不断更新，具有容纳更多服务功能的潜力。

附图说明

图1本发明系统组成原理图。

图2本发明机器人移动模组结构示意图。

图3本发明的开放式智能计算构架图。

图4本发明的电路控制框图。

图中标号：1.驱动轮2.红外测距传感器3.碰撞检测传感器4.单自由度指向控制模块5.数字视频采集设备(摄像头)6.红外信号发射器7.麦克风阵列8.半透明外罩9.嵌入式控制板10.无线传输模块11.电动开合装置12.挂合接口13.充电接口14.从动轮15.清扫装置16.移动驱动模块17.咪头(拾音器)18.处理器19.存储器20.总线21.模数转换模块22.GPIO输入输出控制模块23.放大器24.电机驱动板25.直流电机A 26.直流电机B 27.直流电机C 28.霍尔元件29.USB总线控制器30.数模转换模块

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明。

如图1所示，整个系统可分为两大模组：

1.移动/执行/感知硬模组

此模组主要由感知单元、执行单元和数据处理/代理节点组成。

如图1和2所示，由数字视频采集设备摄像头5、麦克风阵列7、碰撞检测传感器3、红外测距传感器2构成感知单元，分别完成数字视频采集、数字音频的多路实时采集和碰撞检测、落差检测的功能。摄像头采集的数字视频以JPEG的格式存储和传输，音频采集以PCM格式的数据流向后传送给数据处理/代理节点，碰撞检测传感器能够检测在正面发生的碰撞，红外测距传感器则在机器人的最边缘处，垂直向下检测与地面的距离，然后将这些数据统一传送到数据处理代理节点进行加工和转发。

由摄像头转动控制器4、红外信号发射器6、电控开合挂钩11、移动底盘16和清洁装置15构成执行单元。其中摄像头转动控制器4能够控制摄像头和红外发射器的在垂直平面上的指向，具有一个自由度；红外信号发射器6能够发射遥控普通家用电器的红外命令信号；电控开合挂钩11能够根据来自智能计算模组的命令，在适当的时候锁挂住或释放小拖车；运动底座16根据智能计算模组的命令带动整个移动模组在平面上灵活运动，能够直线前进、后退，能够原地转向；清洁装置能够根据来自智能模组的命令，完成不同程度的地面清洁功能，针对不同的垃圾进行吸、扫、洗等操作。

数据代理节点以一块低功耗的嵌入式控制板9为基础，结合嵌入式操作系统和数据处理和分发软件，实时地读取来自传感器单元的数据，并对其进行预处理和封装后通过无线模块10传输给智能计算模组中的对应处理软件单元；同时也不断接收来自智能计算软模组中的命令流，将其解码后，分发给执行单元中的各个设备，实现这个机器人的协调运转。

2.智能计算软模组

如图1和图3所示，主要由能够运行在一般家用电脑上的智能运算软件包和无线传输模块构成智能计算软模组。软件包中的主要模块有：视觉信息处理，听觉信息处理，家庭地图管理，智能任务处理，更新和下载服务支持。

(1)视觉信息处理模块根据硬模组采集的视频流，在连续图像中搜索垃圾、特定标识符、人脸等对象，并对其分类后送给智能任务处理模块；

(2)听觉信息处理根据多路实时的音频流，计算出声源位置，并进一步对其降噪后进行语音识别处理，然后将处理后的结果送给智能任务处理模块；

(3)家庭地图管理模块根据来自碰撞传感器和红外测距的数据，结合特定标识符的视觉识别结果，动态地生成和修正家庭的地图；

(4)更新和下载服务支持模块定期的向互联网查询是否有新的或强化的功能软件，自动管理这些新功能的升级和稳定运行；

此软件包通过无线数据传输，与执行/移动/感知硬模块协作，是整个机器人的大脑，能够控制机器人在家庭中智能化的完成各种任务，而机器人的硬件平台由于不用负担大量的智能运算，在成本、能耗、体积上的要求都得以大幅度的降低。

图2、图3进一步说明了本发明机器人的软硬件结构。

图2中，移动底座由2个驱动轮1，2个从动轮14，一个清扫装置15，充电电池和充电接口13组成。其中两个驱动轮通过差速转动实现机器人的转向移动。

摄像头5和红外信号发射器6绑定在一起，具有一致的指向，挂载在指向控制模块4上。指向控制模块4具有一个自由度，能够在垂直面上调整摄像头和红外信号发射器的指向，从而使它们指向目标，该模块由一个电机驱动电路、直流电机、减速器、霍尔元件和运行在嵌入式控制板上的控制软件组成，能够较精确的达到各个指向角度。

麦克风阵列7由3个指向性咪头17，放大电路23和模数转换21组成。咪头在水平面上呈等边三角形装载在机器人外罩上，其相互间的水平指向夹角均为120度，指向的仰角为20～30度。

电控开合装置11由一块电磁开关和控制电路组成。控制电路接收来自嵌入式主控板9的数字信号，然后控制电磁开关的开合，完成对小拖车把手的挂合和释放。

无线传输模块10采用标准的802.11/g的无线适配器，采用点对点连接或热点连接，实现智能计算软模组和移动/执行/感知硬模组间的高速率的实时数据交换。

半透明外罩8采用有机玻璃制成，能够保护内部的电子设备不受伤害和设备的内部清洁，同时能够让摄像头采集到外部的图像，红外信号发射器6能够将红外信号传输到外部。

参照图2，各部件的安装位置描述如下：

(1)驱动轮1和从动轮14安装在机器人的最下方，和地面接触，能够带动整个机器人的移动/感知/执行模组移动；

(2)移动驱动模块16在轮组的支撑下略高于地面(下部离地面约4～8公分)，厚度约在8～12公分，负责承载其他的部件；

(3)清扫装置15嵌入在移动驱动模块的正下方；

(4)碰撞检测传感器3安装在移动驱动模块的正前方边缘处，检测来自正面的碰撞；

(5)红外测距传感器2安装在移动驱动模块的正前方边缘处，检测正面是否有悬空；

(6)单自由度指向控制模块4安装在移动驱动模块的上部靠前的部位，带动加载设备前后转动；

(7)数字视频采集设备5和红外信号发射器6绑定后安装在单自由度指向控制模块4上，由指向控制模块带动旋转；

(8)嵌入式控制板9安装在移动驱动模块上部靠后的位置，并按照图3中的方式连接各传感器和执行设备；

(9)半透明外罩8安装在移动驱动模块的上方，罩住了数字视频采集设备5、红外信号发射器6、指向控制模块4以及嵌入式控制板9，保证这些设备的安全和内部清洁；

(10)麦克风阵列7按照前述的阵列构成分散安装在半透明外罩的中部；

(11)无线传输模块10装载在移动驱动模块的后部，外罩8的外部；

(12)充电接口13安装在移动驱动模块的最后方的下部；

(13)电动开合装置11安装在移动驱动模块的最后方的上部，并向后伸展出约4～10公分的长度；

(14)专配小拖车与其他模块分离，但可以通过电动开合装置11控制挂合接口12咬合其把手与移动驱动模块结合，其把手上设置了视觉标识符号。

参照图4，机器人的电路连接和设备驱动方式如下：

(1)嵌入式控制板9以处理器18为核心，通过系统总线20，连接存储器19，模数转换模块21，GPIO输入输出模块22和USB总线控制器29和数模转换模块30等各个模块，使控制板能够满足模数/数模转换、GPIO输入输出、USB连接和数据预处理的要求；

(2)麦克风阵列7由3个咪头(拾音器)17和对应的放大器23构成，采集的信号经过放大后送到模数转换接口，转换成数字信号供处理器处理；

(3)红外测距传感器2的信号经数模转换由控制系统处理；

(4)电机驱动板24通过GPIO接收系统控制信号，通过调整输出的电压电流控制各个直流电机25、26、27的运转，其中直流电机A和直流电机B带动驱动轮1转动，直流电机C调整摄像头5和红外发射器6的指向；

(5)霍尔元件28通过GPIO向系统反馈直流电机C的运转位置和速度；

(6)碰撞传感器3通过GPIO向系统传送碰撞检测的数据；

(7)红外发射器6接收从数模转换模块30输出的调制信号放大后发射红外信号，控制各种家电；

(8)数字视频采集设备(摄像头)5和无线传输模块10通过USB总线控制器29的接口连接到控制板。

Claims (4)

1.一种开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人，其特征在于由以下几个部分组成：

(1)一个移动底座，所述移动底座包含轮子、电机和传动机构，并加载可充电电池，能够实现前进和向左右旋转运动，在移动底座下部接近地面的部分还设有一个能够打扫和吸取地面垃圾的清扫装置；

(2)一个视频传感器和红外发射模块，该模块由一个数字视频摄像头、一个红外发射管和一个电机驱动单元组成，视频摄像头能旋转240度；

(3)一个避障传感器模块，它包括一个碰撞传感检测器和三个红外测距传感器；

(4)一个声音采集和发音模块，它包括一个由2～4个麦克风组成的麦克风阵列和一个扬声器，麦克风阵列负责检测声源的方向并对来自声源的人声进行增强；

(5)一个感知和执行代理模块，它由一块嵌入式控制单元和无线传输单元构成，嵌入式控制单元的软硬件负责采集来自视频传感器和红外发射模块、避障传感器模块、声音采集和发音模块的数据并对其进行初步加工和编码，实时通过无线传输单元传送给智能计算模块；同时从智能计算模块通过无线连接接收控制指令，代理控制移动底座的运动、红外信号的发射以及其它各种动作和行为；

(6)一个智能计算模块，该模块由一台家用电脑和无线通信单元构成硬件单元，以智能总控、行为规划、机器视觉通信控制软件程序为计算单元，作为机器人的大脑来智能控制机器人；

(7)一个拖拽模块，它由机器人本体上的电控开合式挂钩和用来盛放物品的小拖车组成；

(8)一个充电模块，为机器人提供低压直流的电源输入，并能够被机器人自动感知；

其中，由数字视频摄像头(5)、麦克风阵列(7)、碰撞传感检测器(3)、红外测距传感器(2)构成感知单元，分别完成数字视频采集、数字音频的多路实时采集和碰撞检测、落差检测的功能；摄像头采集的数字视频以JPEG的格式存储和传输，音频采集以PCM格式的数据流向后传送给数据处理代理节点，碰撞传感检测器能够检测在正面发生的碰撞，红外测距传感器则在机器人的最边缘处，垂直向下检测与地面的距离，然后将这些数据统一传送到数据处理代理节点进行加工和转发；

由摄像头转动控制器(4)、红外发射管(6)、电控开合式挂钩(11)、移动底座(16)和清扫装置(15)构成执行单元，其中摄像头转动控制器(4)能够控制数字视频摄像头和红外发射管的在垂直平面上的指向，具有一个自由度；红外发射管(6)能够发射遥控普通家用电器的红外命令信号；电控开合式挂钩(11)能够根据来自智能计算模块的命令，在适当的时候锁挂住或释放小拖车；移动底座(16)根据智能计算模块的命令带动整个移动模组在平面上灵活运动，能够直线前进、后退，能够原地转向；清扫装置能够根据来自智能计算模块的命令，完成不同程度的地面清洁功能，针对不同的垃圾进行吸、扫、洗操作；

数据处理代理节点以一块低功耗的嵌入式控制板(9)为基础，结合嵌入式操作系统和数据处理和分发软件，实时地读取来自感知单元的数据，并对其进行预处理和封装后通过无线传输单元(10)传输给智能计算模块中的对应处理软件单元；同时也不断接收来自智能计算模块中的对应处理软件单元中的命令流，将其解码后，分发给执行单元中的各个设备，实现这个机器人的协调运转。

2.根据权利要求1所述的开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人，其特征在于由能够运行在一般家用电脑上的智能运算软件包和无线传输单元构成智能计算软模组，软件包中的模块有：视觉信息处理、听觉信息处理、家庭地图管理、智能任务处理、更新和下载服务支持；

(1)视觉信息处理模块根据硬模组采集的视频流，在连续图像中搜索垃圾、特定标识符、人脸，并对其分类后送给智能任务处理模块；

(2)听觉信息处理根据多路实时的音频流，计算出声源位置，并进一步对其降噪后进行语音识别处理，然后将处理后的结果送给智能任务处理模块；

(3)家庭地图管理模块根据来自碰撞传感检测器和红外测距的数据，结合特定标识符的视觉识别结果，动态地生成和修正家庭的地图；

(4)更新和下载服务支持模块定期向互联网查询是否有新的或强化的功能软件，自动管理这些新功能的升级和稳定运行。

3.根据权利要求2所述的开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人，其特征在于各部件的安装位置描述如下：

(1)驱动轮(1)和从动轮(14)安装在机器人的最下方，和地面接触，能够带动整个机器人的感知单元和执行单元的移动；

(2)移动底座(16)在轮组的支撑下略高于地面，厚度约在8～12公分，负责承载其他的部件；

(3)清扫装置(15)嵌入在移动底座的正下方；

(4)碰撞传感检测器(3)安装在移动底座的正前方边缘处，检测来自正面的碰撞；

(5)红外测距传感器(2)安装在移动底座的正前方边缘处，检测正面是否有悬空；

(6)单自由度指向控制模块(4)安装在移动底座的上部靠前的部位，带动加载设备前后转动；

(7)数字视频摄像头(5)和红外发射管(6)绑定后安装在单自由度指向控制模块(4)上，由指向控制模块带动旋转；

(8)嵌入式控制板(9)安装在移动底座上部靠后的位置；

(9)半透明外罩(8)安装在移动底座的上方，罩住了数字视频摄像头(5)、红外发射管(6)、指向控制模块(4)以及嵌入式控制板(9)，保证这些设备的安全和内部清洁；

(10)麦克风阵列(7)按照前述的阵列构成分散安装在半透明外罩的中部；

(11)无线传输单元(10)装载在移动底座的后部，半透明外罩(8)的外部；

(12)充电接口(13)安装在移动底座的最后方的下部；

(13)电动开合式挂钩(11)安装在移动底座的最后方的上部，并向后伸展出约4～10公分的长度；

(14)专配小拖车与其他模块分离，但可以通过电动开合式挂钩(11)控制挂合接口(12)咬合其把手与移动底座结合，其把手上设置有视觉标识符号。

4.根据权利要求3所述的开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人，其特征在于机器人的电路连接和设备驱动方式如下：

(1)嵌入式控制板(9)以处理器(18)为核心，通过系统总线(20)、连接存储器(19)、模数转换模块(21)、GPIO输入输出模块(22)和USB总线控制器(29)和数模转换模块(30)，使控制板能够满足模数/数模转换、GPIO输入输出、USB连接和数据预处理的要求；

(2)麦克风阵列(7)由3个咪头(17)和对应的放大器(23)构成，采集的信号经过放大后送到模数转换接口，转换成数字信号供处理器处理；

(3)红外测距传感器(2)的信号经数模转换由控制系统处理；

(4)电机驱动板(24)通过GPIO接收系统控制信号，通过调整输出的电压电流控制3个直流电机的运转，其中直流电机A和直流电机B带动驱动轮(1)转动，直流电机C调整数字视频摄像头(5)和红外发射管(6)的指向；

(5)霍尔元件(28)通过GPIO向系统反馈直流电机C的运转位置和速度；

(6)碰撞传感检测器(3)通过GPIO向系统传送碰撞检测的数据；

(7)红外发射管(6)接收从数模转换模块(30)输出的调制信号放大后发射红外信号，控制各种家电；

(8)数字视频摄像头(5)和无线传输单元(10)通过USB总线控制器(29)的接口连接到控制板。

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