CN103264393A - 家用服务机器人的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种家用服务机器人的使用方法，包括后台服务器，后台服务器连接有感应装置、运动表情装置、供电及充电装置、机械手、视听说装置、无线网络连接装置和万能遥控器，带有教育、安防、健康、服务、娱乐媒体等功能。本发明通过无线网络连接装置可实现远程控制，并能连接互联网实现更多的功能。本发明将机器人与物联网技术结合，大大增加了机器人的服务性，而且通过视听说装置使得机器人更加智能化、人性化。

Description

家用服务机器人的使用方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种家用服务机器人的使用方法。

背景技术

物联网是利用各种消息传感技术，如摄像机、传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、人与物的互联互通，以实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护，进而实现“管理、控制、营运”的一体化网络。

美国《技术评论》提出物联网技术将是未来改变人们生活的十大技术之首，自2009年温总理提出“感知中国”以来，物联网便被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的，物联网的概念已经是一个“中国制造”的概念，它的覆盖范围与时俱进，已被贴上“中国式”标签，从2010年开始，国家发改委、工信部等部委就会同有关部门，开始研究物联网相关技术，并制定了一系列方针政策，旨在引导和推动物联网技术的全面发展，2011年发布的国家“十二五”规划纲要，更是将物联网技术的高度集成和综合运用作为战略性新兴产业上升为国家发展战略，同年4月，财政部、工业和信息化部联合印发《物联网发展专项资金管理暂行办法》，为进一步加快物联网发展，提供财政资金的引导和扶持。

机器人技术作为战略高科技技术，深受世界各国的重视，而服务性机器人作为前沿高科技研究最活跃的一个领域，更是备受关注，物联网服务性机器人则是将其推向了一个新的高度。2012年4月，中国科技部正式印发了《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》，将在“十二五”期间，重点培育和发展服务性机器人新兴产业，重点发展仿生机器人平台和模块化核心部件等，同时努力培养和吸引国际一流的领军型专业人才。

发明内容

本发明的目的是提供一种家用服务机器人的使用方法，该方法使得机器人的操作更加智能化、人性化和简单化。

实现本发明目的的技术方案是：本发明中所述家用服务机器人包括后台服务器，后台服务器连接有感应装置、运动表情装置、供电及充电装置、机械手；所述感应装置包括烟雾报警器、燃气浓度监测器、温度感应器、红外感应器、红外信号接收器和超声波感应器；所述运动表情装置包括基本动作控制装置、平衡性控制装置、表情控制装置和肢体语言控制装置；所述供电及充电装置包括有线充电装置、无线充电装置及自动充电装置；所述后台服务器还连接有视听说装置和无线网络连接装置；所述视听说装置包括第一摄像头、第二摄像头、麦克风、喇叭；所述第一摄像头和第二摄像头在同一平面上，且光轴相互平行，朝向相同，相对位置固定不变；所述超声波感应器安装在家用服务机器人的正面、背面以及两个侧面；所述红外感应器安装在家用服务器机器人的八个方向上；其特征在于包括以下步骤：

a、将家用服务机器人置于需要使用的房屋内，房屋内已安装好三个以上的红外发射器；

b、启动家用服务机器人，家用服务机器人进行户型图的加载，并通过感应装置中的红外信号接收器和视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头来定位当前的位置坐标；

c、家用服务机器人通过直接操作或视听说装置的第一摄像头、第二摄像头和麦克风进行智能判断，并根据需要结合无线网络连接装置进行相应的作业，同时利用第一摄像头、第二摄像头和无线网络连接装置将家中的情况反馈给远程终端，从而实现远程的操作；其中家用服务机器人在作业时的避障行进动作通过红外感应器、红外信号接收器、超声波感应器以及视听说装置中的第一摄像头、第二摄像头来完成。

上述步骤b中当前的位置坐标的定位方法为：

1）系统初始化，检测机器是否正常，若不正常则显示系统错误；若正常则通过红外信号接收器判断是否接受到红外发射器发出的红外信号，若接受到红外信号，则判断是否存在三个红外信号，若接受到三个红外信号则计算出当前的位置坐标；若只接受到两个红外信号则通过视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头找到一个户型特征点并计算出当前的位置坐标；若只接受到一个红外信号则通过第一摄像头和第二摄像头找到两个户型特征点并计算出当前的位置坐标；

2）若红外信号接收器接受不到红外信号，则检测第一摄像头和第二摄像头是否正常，若不正常则显示系统错误，若正常则提示无红外坐标感应阵列，通过调整第一摄像头和第二摄像头的位置找出三个户型特征并计算出当前的位置坐标。

上述步骤c中家用服务机器人的行进作业和避障的具体步骤如下：

（一）、确定家用服务机器人当前的位置坐标；

（二）、确定目标，该目标为有确定坐标位置的目标，或者是在家中且处在家用服务机器人视觉可以识别的地方；

（三）、计算行进路线，通过红外信号接收器和视听说装置中的第一摄像头、第二摄像头进行实时计算行进路线，并在行进过程中结合使用红外感应器和超声波感应器进行避障行进，其具体的避障步骤如下：

一、行进的同时，红外感应器和超声波感应器都处于工作状态；

二、利用超声波感应器进行超声波测距，利用红外感应器进行红外测距，确定前方有效距离，若没有小于安全距离则继续行进，若小于安全距离则停止行进并记录当前位置；

三、当因小于安全距离而停止行进时，判断是否已经变换方向，若变换了方向，则记录该变换方向并变换方向，然后重复步骤二；若没有变换方向，则变换方向并重复步骤二。

上述当前的位置坐标的具体计算方法如下：

A、家用服务机器人移动中测量三个红外发射器的下行导频信号，通过测量接受功率Pr(d)，以及根据以下弗里斯自由空间方程式，来计算红外发射器与红外信号接收器之间的距离d：

$P_r\left(d\right)={\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πd}}\right)}^2{P}_t{G}_r{G}_t$

其中：

Pt为红外发射器的发射功率；

Pr(d)为接收功率；

Gt为红外发射器天线的接收增益；

Gr为红外信号接收器天线的接收增益；

λ为波长；

d是红外发射器和红外信号接收器之间的距离；

B、通过以上弗里斯自由空间方程式可以计算出红外发射器T1与家用服务机器人之间的距离d1，红外发射器T2与家用服务机器人之间的距离d2,红外发射器T3与家用服务机器人之间的距离d3；

C、根据计算出的d1、d2、d3和三角公式计算出机器人当前所在位置坐标。

上述通过视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头来定位的具体计算方法如下：

a）首先定义一个世界坐标系，将第一摄像头所在位置F1和第二摄像头所在位置F2连线的中点作为世界坐标系的原点，以第一摄像头和第二摄像头连线的右方向为x轴正方向，以过原点且垂直于水平面向上为y轴正方向，以过原点且平行于水平面指向物体的方向为z轴正方向，z轴与摄像头光轴平行；

b）对于物体上的一个特征点P，其在xoz平面上的投影为P’，通过平面图像确定角度的原理，可获知在xoz平面上P’F1连线与第一摄像头的光轴的夹角a，P’F2连线与第二摄像头的光轴的夹角b，从而确定三角形F1F2P’的三条边的长度和三个角的角度；根据已知的第一摄像头和第二摄像头的间距F1F2，可得出P’P”、OP”，即得出特征点P的z轴坐标和x轴坐标；同理根据特征点P在yoz平面上的投影可以求得特征点P的y轴坐标，从而实现定位；其中平面图像确定角度的原理为：对目标上的一点D进行采样后的图像上的对应像素为D’，可知在射线D’D上的所有点被采样成像后都对应点D’，射线D’D上的每个点和摄像头所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的夹角都可以用角D’FO表示；采样图像上的像素的位置表明了该像素对应的射线相对于摄像头光轴FO的夹角大小；由此可根据采样图像上的点的位置确定其代表的实际的点和摄像头所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的角度。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明中系统初始化的工作流程图；

图2为本发明中避障行进作业的工作流程图；

图3为本发明中避障的工作流程图；

图4为本发明中红外信号接收器的场强定位示意图；

图5为本发明中平面图像确定角度原理图；

图6为本发明中视听说装置图中摄像头定位的原理图。

具体实施方式

见图1至图6，本发明中所述家用服务机器人包括后台服务器，后台服务器连接有感应装置、运动表情装置、供电及充电装置、机械手；所述感应装置包括烟雾报警器、燃气浓度监测器、温度感应器、红外感应器、红外信号接收器和超声波感应器；所述运动表情装置包括基本动作控制装置、平衡性控制装置、表情控制装置和肢体语言控制装置；所述供电及充电装置包括有线充电装置、无线充电装置及自动充电装置；所述后台服务器还连接有视听说装置和无线网络连接装置；所述视听说装置包括第一摄像头、第二摄像头、麦克风、喇叭；所述第一摄像头和第二摄像头在同一平面上，且光轴相互平行，朝向相同，相对位置固定不变；所述超声波感应器安装在家用服务机器人的正面、背面以及两个侧面；所述红外感应器安装在家用服务器机器人的八个方向上；其特征在于包括以下步骤：

a、将家用服务机器人置于需要使用的房屋内，房屋内已安装好三个以上的红外发射器；

b、启动家用服务机器人，家用服务机器人进行户型图的加载，并通过感应装置中的红外信号接收器和视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头来定位当前的位置坐标；

c、家用服务机器人通过直接操作或视听说装置的第一摄像头、第二摄像头和麦克风进行智能判断，并根据需要结合无线网络连接装置进行相应的作业，同时利用第一摄像头、第二摄像头和无线网络连接装置将家中的情况反馈给远程终端，从而实现远程的操作；其中家用服务机器人在作业时的避障行进动作通过红外感应器、红外信号接收器、超声波感应器以及视听说装置中的第一摄像头、第二摄像头来完成。

上述步骤b中当前的位置坐标的定位方法为：

1）系统初始化，检测机器是否正常，若不正常则显示系统错误；若正常则通过红外信号接收器判断是否接受到红外发射器发出的红外信号，若接受到红外信号，则判断是否存在三个红外信号，若接受到三个红外信号则计算出当前的位置坐标；若只接受到两个红外信号则通过视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头找到一个户型特征点并计算出当前的位置坐标；若只接受到一个红外信号则通过第一摄像头和第二摄像头找到两个户型特征点并计算出当前的位置坐标；

2）若红外信号接收器接受不到红外信号，则检测第一摄像头和第二摄像头是否正常，若不正常则显示系统错误，若正常则提示无红外坐标感应阵列，通过调整第一摄像头和第二摄像头的位置找出三个户型特征并计算出当前的位置坐标。

上述步骤c中家用服务机器人的行进作业和避障的具体步骤如下：

（一）、确定家用服务机器人当前的位置坐标；

（二）、确定目标，该目标为有确定坐标位置的目标，或者是在家中且处在家用服务机器人视觉可以识别的地方；

（三）、计算行进路线，通过红外信号接收器和视听说装置中的第一摄像头、第二摄像头进行实时计算行进路线，并在行进过程中结合使用红外感应器和超声波感应器进行避障行进，其具体的避障步骤如下：

一、行进的同时，红外感应器和超声波感应器都处于工作状态；

二、利用超声波感应器进行超声波测距，利用红外感应器进行红外测距，确定前方有效距离，若没有小于安全距离则继续行进，若小于安全距离则停止行进并记录当前位置；

三、当因小于安全距离而停止行进时，判断是否已经变换方向，若变换了方向，则记录该变换方向并变换方向，然后重复步骤二；若没有变换方向，则变换方向并重复步骤二。

上述当前的位置坐标的具体计算方法如下：

A、家用服务机器人移动中测量三个红外发射器的下行导频信号，通过测量接受功率Pr(d)，以及根据以下弗里斯自由空间方程式，来计算红外发射器与红外信号接收器之间的距离d：

$P_r\left(d\right)={\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πd}}\right)}^2{P}_t{G}_r{G}_t$

其中：

Pt为红外发射器的发射功率；

Pr(d)为接收功率；

Gt为红外发射器天线的接收增益；

Gr为红外信号接收器天线的接收增益；

λ为波长；

d是红外发射器和红外信号接收器之间的距离；

B、通过以上弗里斯自由空间方程式可以计算出红外发射器T1与家用服务机器人之间的距离d1，红外发射器T2与家用服务机器人之间的距离d2,红外发射器T3与家用服务机器人之间的距离d3；

C、根据计算出的d1、d2、d3和三角公式计算出机器人当前所在位置坐标。

上述通过视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头来定位的具体计算方法如下：

a）首先定义一个世界坐标系，将第一摄像头所在位置F1和第二摄像头所在位置F2连线的中点作为世界坐标系的原点，以第一摄像头和第二摄像头连线的右方向为x轴正方向，以过原点且垂直于水平面向上为y轴正方向，以过原点且平行于水平面指向物体的方向为z轴正方向，z轴与摄像头光轴平行；

b）对于物体上的一个特征点P，其在xoz平面上的投影为P’，通过平面图像确定角度的原理，可获知在xoz平面上P’F1连线与第一摄像头的光轴的夹角a，P’F2连线与第二摄像头的光轴的夹角b，从而确定三角形F1F2P’的三条边的长度和三个角的角度；根据已知的第一摄像头和第二摄像头的间距F1F2，可得出P’P”、OP”，即得出特征点P的z轴坐标和x轴坐标；同理根据特征点P在yoz平面上的投影可以求得特征点P的y轴坐标，从而实现定位；其中平面图像确定角度的原理为：对目标上的一点D进行采样后的图像上的对应像素为D’，可知在射线D’D上的所有点被采样成像后都对应点D’，射线D’D上的每个点和摄像头所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的夹角都可以用角D’FO表示；采样图像上的像素的位置表明了该像素对应的射线相对于摄像头光轴FO的夹角大小；由此可根据采样图像上的点的位置确定其代表的实际的点和摄像头所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的角度。

该家用服务机器人拥有完善的感知系统，优秀的动作表情系统，良好的视听说系统以及自动充电的系统，带有教育、安防、健康、服务、娱乐媒体等功能。

该家用服务机器人运用于教育时，通过其视听说装置，将捕捉的视听信息传送给后台服务器；后台服务器解析后，将分析的信息再回传给家用服务机器人（这个过程相当于是家用服务机器人的思考），然后家用服务机器人再根据该信息与用户交流，进而再多次的交流过程中明确用户最准确的教育需求。通过明确用户的教育需求的关键信息后，服务器端即可根据其自身的数据仓库中寻找相应的答案，如果没有合适的话可以通过无线网络连接装置访问互联网寻找资源。

该家用服务机器人运用于安防时可通过红外感应器来识别盗贼，并启动家庭报警措施；也可通过烟雾报警器、燃气浓度监测器、温度感应器来进行火灾报警措施。

该家用服务机器人运用于健康时，通视听说装置捕捉到家中人们的说话、人们活动的场景传给后台服务器；后台服务器会进行分析，判断其是否要紧急处理、以及其他的分析。后台服务器会根据每个家用服务机器人传来家庭地址等将每个家庭的情况进行统计，在平时的交流过程中，家用服务机器人会将健康信息传送至后天服务器，然后后台服务器会根据其具体病症寻找合适的处理方法，交给机器人来给出处理建议。

该家用服务机器人因具有无线网络连接装置，所以用户可以通过电脑、手机等工具连接到家用服务机器人，家用服务机器人会将捕捉到的实时画面传递过去；用户一旦发现家里电器还开着或者其他情况，可以给家用服务机器人发指令让其执行操作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种家用服务机器人的使用方法，所述家用服务机器人包括后台服务器，后台服务器连接有感应装置、运动表情装置、供电及充电装置、机械手；所述感应装置包括烟雾报警器、燃气浓度监测器、温度感应器、红外感应器、红外信号接收器和超声波感应器；所述运动表情装置包括基本动作控制装置、平衡性控制装置、表情控制装置和肢体语言控制装置；所述供电及充电装置包括有线充电装置、无线充电装置及自动充电装置；所述后台服务器还连接有视听说装置和无线网络连接装置；所述视听说装置包括第一摄像头、第二摄像头、麦克风、喇叭；所述第一摄像头和第二摄像头在同一平面上，且光轴相互平行，朝向相同，相对位置固定不变；所述超声波感应器安装在家用服务机器人的正面、背面以及两个侧面；所述红外感应器安装在家用服务器机器人的八个方向上；其特征在于包括以下步骤：

a、将家用服务机器人置于需要使用的房屋内，房屋内已安装好三个以上的红外发射器；

b、启动家用服务机器人，家用服务机器人进行户型图的加载，并通过感应装置中的红外信号接收器和视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头来定位当前的位置坐标；

c、家用服务机器人通过直接操作或视听说装置的第一摄像头、第二摄像头和麦克风进行智能判断，并根据需要结合无线网络连接装置进行相应的作业，同时利用第一摄像头、第二摄像头和无线网络连接装置将家中的情况反馈给远程终端，从而实现远程的操作；其中家用服务机器人在作业时的避障行进动作通过红外感应器、红外信号接收器、超声波感应器以及视听说装置中的第一摄像头、第二摄像头来完成。

2.根据权利要求1所述的家用服务器人的使用方法，其特征在于：所述步骤b中当前的位置坐标的定位方法为：

1）系统初始化，检测机器是否正常，若不正常则显示系统错误；若正常则通过红外信号接收器判断是否接受到红外发射器发出的红外信号，若接受到红外信号，则判断是否存在三个红外信号，若接受到三个红外信号则计算出当前的位置坐标；若只接受到两个红外信号则通过视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头找到一个户型特征点并计算出当前的位置坐标；若只接受到一个红外信号则通过第一摄像头和第二摄像头找到两个户型特征点并计算出当前的位置坐标；

2）若红外信号接收器接受不到红外信号，则检测第一摄像头和第二摄像头是否正常，若不正常则显示系统错误，若正常则提示无红外坐标感应阵列，通过调整第一摄像头和第二摄像头的位置找出三个户型特征并计算出当前的位置坐标。

3.根据权利要求2所述的一种家用服务机器人的定位方法，其特征在于：所述步骤c中家用服务机器人的行进作业和避障的具体步骤如下：

（一）、确定家用服务机器人当前的位置坐标；

（二）、确定目标，该目标为有确定坐标位置的目标，或者是在家中且处在家用服务机器人视觉可以识别的地方；

（三）、计算行进路线，通过红外信号接收器和视听说装置中的第一摄像头、第二摄像头进行实时计算行进路线，并在行进过程中结合使用红外感应器和超声波感应器进行避障行进，其具体的避障步骤如下：

一、行进的同时，红外感应器和超声波感应器都处于工作状态；

二、利用超声波感应器进行超声波测距，利用红外感应器进行红外测距，确定前方有效距离，若没有小于安全距离则继续行进，若小于安全距离则停止行进并记录当前位置；

三、当因小于安全距离而停止行进时，判断是否已经变换方向，若变换了方向，则记录该变换方向并变换方向，然后重复步骤二；若没有变换方向，则变换方向并重复步骤二。

4.根据权利要求3所述的家用服务机器人的使用方法，其特征在于：所述当前的位置坐标的具体计算方法如下：

A、家用服务机器人移动中测量三个红外发射器的下行导频信号，通过测量接受功率Pr(d)，以及根据以下弗里斯自由空间方程式，来计算红外发射器与红外信号接收器之间的距离d：

$P_r\left(d\right)={\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πd}}\right)}^2{P}_t{G}_r{G}_t$

其中：

Pt为红外发射器的发射功率；

Pr(d)为接收功率；

Gt为红外发射器天线的接收增益；

Gr为红外信号接收器天线的接收增益；

λ为波长；

d是红外发射器和红外信号接收器之间的距离；

B、通过以上弗里斯自由空间方程式可以计算出红外发射器T1与家用服务机器人之间的距离d1，红外发射器T2与家用服务机器人之间的距离d2,红外发射器T3与家用服务机器人之间的距离d3；

C、根据计算出的d1、d2、d3和三角公式计算出机器人当前所在位置坐标。

5.根据权利要求4所述的一种家用服务机器人的定位方法，其特征在于：所述通过视听说装置中的第一摄像头和第二摄像头来定位的具体计算方法如下：

a）首先定义一个世界坐标系，将第一摄像头所在位置F1和第二摄像头所在位置F2连线的中点作为世界坐标系的原点，以第一摄像头和第二摄像头连线的右方向为x轴正方向，以过原点且垂直于水平面向上为y轴正方向，以过原点且平行于水平面指向物体的方向为z轴正方向，z轴与摄像头光轴平行；

b）对于物体上的一个特征点P，其在xoz平面上的投影为P’，通过平面图像确定角度的原理，可获知在xoz平面上P’F1连线与第一摄像头的光轴的夹角a，P’F2连线与第二摄像头的光轴的夹角b，从而确定三角形F1F2P’的三条边的长度和三个角的角度；根据已知的第一摄像头和第二摄像头的间距F1F2，可得出P’P”、OP”，即得出特征点P的z轴坐标和x轴坐标；同理根据特征点P在yoz平面上的投影可以求得特征点P的y轴坐标，从而实现定位；其中平面图像确定角度的原理为：对目标上的一点D进行采样后的图像上的对应像素为D’，可知在射线D’D上的所有点被采样成像后都对应点D’，射线D’D上的每个点和摄像头所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的夹角都可以用角D’FO表示；采样图像上的像素的位置表明了该像素对应的射线相对于摄像头光轴FO的夹角大小；由此可根据采样图像上的点的位置确定其代表的实际的点和摄像头所在点F之间的连线与摄像头光轴FO的角度。

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