CN104175308A - 自主服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主服务机器人，包括轮式机器人本体、机械手、嵌入式视觉模块、WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统和机器人控制板；机械手安装在轮式机器人本体上；嵌入式视觉模块安装在所述机械手的顶部，并与机器人控制板连接，嵌入式视觉模块是用于对外部环境图像信息进行处理；WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统包括WIFI模块和PC机，WIFI模块安装在所述轮式机器人本体内，PC机通过WIFI模块远程向服务机器人发送控制指令；机器人控制板安装在轮式机器人本体上，机器人控制板根据WIFI模块传递过来的控制指令控制轮式机器人本体、机械手和嵌入式视觉模块。本发明采用嵌入式视觉模块保证了机器人的服务多样性和稳定性。

Description

自主服务机器人

技术领域

本发明涉及机器人交互及控制技术领域，尤其涉及一种自主服务机器人。

背景技术

服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有意于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。

目前，服务机器人都是基于半自动模式下来开展任务，这就必须通过人工来操作和控制；这也就成为了服务机器人发展的短板。

而且，现在自主服务机器人一直都是使用PC机来参与复杂的图像处理，再通过无线来控制机器人的动作，这样，消耗了大量的传输时间和受到了距离的限制；并且高分辨率的物体识别技术也是进一步困扰机器人智能化的发展。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种自主服务机器人，其将所有的图像处理过程全部在机器人的本体上完成，从而直接控制机械手和机器人本体来协调工作，实现自主跟踪对象，锁定对象，分析对象形状，自主完成任务等功能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种自主服务机器人。

为实现上述目的，本发明提供了一种自主服务机器人，包括轮式机器人本体和机械手，其特征在于，所述服务机器人还包括嵌入式视觉模块、WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统和机器人控制板；

所述机械手安装在所述轮式机器人本体上；

所述嵌入式视觉模块安装在所述机械手的顶部，并与所述机器人控制板连接，所述嵌入式视觉模块是用于对外部环境图像信息进行处理；

所述WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统包括WIFI模块和PC机，所述WIFI模块安装在所述轮式机器人本体内，所述PC机通过所述WIFI模块远程向所述服务机器人发送控制指令；

所述机器人控制板安装在所述轮式机器人本体上，所述机器人控制板根据所述WIFI模块传递过来的所述控制指令控制所述轮式机器人本体、所述机械手和所述嵌入式视觉模块。

进一步地，所述轮式机器人本体包括四个驱动轮和面板，且所述驱动轮对称地安装在所述面板的两侧；所述面板上设置有多个固定孔。

进一步地，所述机械手采用五自由度铝合金机械手，包括5个微伺服舵机。

进一步地，所述服务机器人还包括安装在所述轮式机器人本体上的摄像头和视觉云台；所述嵌入式视觉模块所处理的所述外部环境图像信息是由所述摄像头所采集的。

进一步地，所述嵌入式视觉模块采用嵌入linux系统的Propeller P8X32A八核32位芯片。

进一步地，所述机器人控制板包括电机驱动模块和舵机驱动模块。

进一步地，所述WIFI模块是路由器。

进一步地，所述路由器安装有由linux构建的OpenWrt软件。

进一步地，所述PC机通过自身安装的WIFIREBOT客户端软件向所述服务机器人发送控制指令。

进一步地，所述机器人控制板采用基于arduino2560的嵌入式控制系统。

本发明公开了一种小型自主服务机器人解决方案，通过集成嵌入式视觉系统和移动机械手臂通过无线网络传输利用计算机强大的运算能力协调工作来实现服务的多样性和智能性，主要涉及领域为服务型机器人，整个系统由嵌入式视觉系统锁定目标，通过四驱移动平台来跟踪，再通过机械手臂来执行，最后通过WIFI无线设备及时抓取图片和完成任务的反馈等信息。

高分辨率的物体识别技术一直困扰服务机器人进一步智能化的发展难题，以往一直是使用PC机的参与复杂的图像处理，再通过无线来控制机器人的动作，这样一来消耗了大量的传输时间和受到了距离的限制，本机器人使用32位8核主芯片作为嵌入式控制器嵌入linux操作系统，所有的图像处理可以在机器人本体上直接识别出来，从而直接控制机械手和机器人本体来协调工作。

本发明的一种带视觉系统的机器人，采用基于嵌入式视觉模块的边沿特征跟踪与匹配特征的圆形模型化与中心坐标提取算法来达到动态抓取的准确性和连贯性，并且能够得到目标坐标控制机械手执行CA时间的最优机械臂轨迹规划算法快速响应动作，再通过wifi传输到PC机对任务完成进行监控和规划，保证了机器人的服务多样性和稳定性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的自主服务机器人的结构示意图；

图2是本发明的自主服务机器人的一个较佳实施例的结构示意图；

图3本发明的自主服务机器人的四轮驱动机器人本体的结构示意图；

图4是本发明的自主服务机器人的五自由度机械手的结构示意图；

图5是本发明的自主服务机器人的WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制软件系统的实现框图；

图6是本发明的自主服务机器人的软件系统体系结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的自主服务机器人如图1和2所示，包括：轮式机器人本体、五自由度机械手、嵌入式视觉模块、机器人控制板和WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统。嵌入式视觉模块用于对外部环境的图像信息进行处理；WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统是整个服务机器人的控制系统，还包括WIFI模块，其安装在轮式机器人本体内部，PC机通过WIFI模块远程控制服务机器人的行动。机器人控制板安装在轮式机器人本体上，其根据WIFI模块传递过来的控制指令控制轮式机器人本体、机械手和嵌入式视觉模块。

轮式机器人本体：

服务机器人的机器本体常见的有轮式机器人本体和人形机器人本体两种。但是人形机器人本体由于其结构复杂，而且面对复杂的环境，人形机器人本体容易受到干扰，并且处理机器人的平衡性也需要占用大量的处理器花费大量的算法进行运算，所以并不可取，取而代之的是轮式机器人本体。轮式机器人本体包括四个驱动轮和面板，驱动轮对称地安装在面板的两侧；面板上设置有多个固定孔，以满足以后升级的扩展，且面板的表面进行了氧化磨砂处理，以起到抗氧化生锈的目的。在本发明的一个较佳实施例中，为了增大机器人的运载能力和爬坡能力采用四轮驱动机器人本体，具体如图3所示,包括四个车轮和一个面板；四个车轮对称地固定在面板的两侧。

四轮驱动机器人本体的主要技术参数为：

1.车轮直径：120mm；

2.车轮宽度：60mm；

3.平台长度：195mm(车身长度：270mm)；

4.平台宽度：142mm(车身宽度：280mm)；

5.平台高度：120mm；

6.平台重量：1280g；

7.底盘距地面距离：26mm；

8.电机额定电压：12VDC；

9.电机空载转速：100转/分；

10.电机额定转速：90转/分；

11.电机齿轮箱长度：19mm；

12.电机额定电流：0.52A；

13.电机额定转矩：0.263N.m；

14.电机最大转矩：0.597N.m。

五自由度机械手：

机械手安装在轮式机器人本体的面板的固定孔上。机械手是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。本发明采用五自由度铝合金机械手，具体如图4所示，包括5个精确的微伺服舵机，分别对应于臂、肩、肘、前腕和夹持器五个旋转关节，每个关节可在规定的范围内活动，其可安装到移动平台用于工作人员可视作业，实时修改控制指令，随时精确地完成每一项任务。机械手的总体架构使用铝合金钣金材料磨砂氧化处理机械件加角度舵机构成，角度舵机的控制方式为高脉冲控制信号控制。在本发明的较佳实施例中采用的是32路舵机控制器。

32路舵机控制器的主要技术参数为：

1、输出通道：32路(脉冲调制输出或TTL电平输出)；

2、逻辑供电：6-12VDC或USB供电(具有自恢复保险丝，方便调试时使用)；

3、驱动分辨率：0.09°；

4、驱动速度分辨率：0.09°/秒；

5、通讯接口：USB/TTL串口接口；

6、串口波特率：2400、9600、38.4K、115.2K；

7、控制方式：即时、定时、定速控制等；

8、提供4个模拟/数字信号输入端子，可设为静止或者锁存；

9、舵机控制模式：单舵机控制、群舵机控制；

10、提供ISP程序下载接口，可供二次开发；

11、尺寸：58.5×76.2mm。

嵌入式视觉模块：

在本发明中，采用parallax公司的Propeller P8X32A八核32位芯片嵌入linux系统，在linux系统上运行OPENCV图像处理库驱动OV7665摄像头来实现；把常用的算法全部以函数的方式写好，外部可以通过串口总线来调用指令来调用模块中的功能模块，这样做可以把视觉处理等复杂功能可以内置在一个集成模块中。

其主要技术参数为：

VGA分辨率：(640×480)RGB565/YUV655color sensor；

图像处理速率：10帧；

原始图像可存储到Flash卡上，存储尺寸为(640:320:160:80)×(480:240:120:60)；

支持均值，中值，标准方差，阈值设定；

支持FAT16/32格式的USD/USDHC/USDXCflash卡；

两路舵机控制；

TTLUART输出(最高达到115200baud、19200bps为默认值)。

嵌入式视觉模块为一个独立的模块，安装在机械手的顶部，其通过连接线与机器人控制板连接，同时，通过USB接口连接到无线路由器上。机器人控制板通过调用相对应的指令来控制本模块，进一步提高了系统的稳定性和处理速度。

WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统：

本发明的WiFi视觉传输是以WiFi无线网络为数据传输载体，实现实时控制、音视频传输和图像采集等功能的智能系统。

WiFi是一种无线局域网运用技术，其出现以来，凭借组网方便、易于扩展等特点，有着广泛的应用前景。而无线接入和高速传输是WiFi的主要技术优点，WiFi技术与机器人技术的结合便产生了WiFi Robot。WiFi Robot是集远程无线通讯、音视频传输、数据采集、多向机械云台、灯光控制、环境检测、超声波测距、红外壁障、超声波领航、动力四驱、摄像头云台等功能为一体的多功能智能遥感机器人，以WiFi网络作为数据传输平台，以高速MCU为数据处理中心，可通过电脑、智能手机、平板电脑等设备进行远程控制，并可拓展更多功能。

本发明的WIFI视觉传输的基本原理为：

操作员在操作终端通过WiFi无线网络连接到轮式机器人本体内置的WiFi模块上，并向其发出相关操作指令，WiFi模块接收指令并传递给机器人控制板，机器人控制板通过控制电路让机器人执行相应的指令；同时，安装在机器人上的各种传感器和摄像头可以通过WiFi网络将数据反向传递给操作终端，从而实现上下行控制及双向通信，以便操作员实时了解机器人周围的环境，并根据环境情况发出指令控制机器人执行特定的任务，实现交互式操作，图5为系统整体实现框图。

电路硬件设计：

电路硬件包括车体部分、路由器、摄像头及云台和机器人控制板。

(1)车体部分：车体部分包括4个12V/120转直流电机和电池组，电机两两并联，相当于驱动两个电机。并且为了方便电池充放电，设置了充放电电路，只需拨动开关即可实现充放电操作。电池组电源12V，可多个并联使用，为机器人提高持久动力。

(2)摄像头及视觉云台：摄像头选择高质量高清摄像头进行监控，摄像头满足0°～180°水平，0°～180°上下旋转，可以远程打开或关闭。摄像头型号为索尼PS2，通讯接口为USB协议；云台由2个MG995数字舵机及其他辅助材料构成。

(3)路由器(WiFi模块)：WiFi模块采用TP—LINK全新推出的150Mbit.s-1迷你型3G无线路由器。该路由器具有尺寸小，供电电压低的特点；其供电电压只有5V，且支持OpenWrt。OpenWrt是一个基于Linux的开源路由固件，提供了一个完全可写的文件系统及软件包管理，对支持OpenWrt的路由器刷机后，其相当于一个Linux小系统。路由器选择OpenWrt作为操作系统，将USB摄像头采集的现场图片发给远端的PC控制终端，并将上位机发出的命令通过串口转发给单片机控制系统。

(4)机器人控制板：主要包括电源模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、下载串口、单片机电路、红外壁障、车灯控制以及数据通信接口等。

电机驱动模块包括一个驱动芯片和一个单片机。其中驱动芯片是采用英飞凌公司的BTS7960直流电刷电机驱动芯片，其具有大电流MOSFET半桥结构。该芯片具有较高的集成度和足够的输出能力，并在能耗方面具有优势。在集成化和小型化的电机控制系统中，适合作为理想的电机驱动芯片。BTS7960与单片机组成的H电机驱动单元。由于所采用驱动芯片是半桥，因此需要采用两片以构成全桥实现电机的正反转。单片机是用于控制驱动芯片：单片机产生2路PWM输出作为两片BTS7960的控制信号，同时要求PWM0、PWM1不能同时为高电平。采用定时器输出硬件PWM脉冲，使得单片机CPU只在改变PWM占空比时参与运算，这样可大幅减轻系统运算负担和PWM软件编程成本。

舵机驱动模块采用LM2596开关型稳压芯片。线性稳压器具有输出电压恒定或可调、稳压精度高的优点，但是由于其线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失”，导致其电源利用率不高、工作效率低下，不易达到便携式设备对低功耗的要求。因此为保证较高的电源利用率，舵机驱动模块采用LM2596开关型稳压芯片实现，它可以提供3A以上电流，驱动强劲。由于舵机型号为MG995，其工作电压为5.0V～7.0V.因此舵机驱动芯片选择了可调LM2596-ADJ芯片，其输出电压Vout＝Vref(1.0+R2/R1)，其中，Vref＝1.23V为芯片内部参考电压。

软件设计

软件部分是机器人智能化的体现，它控制WiFi Robot所有的运行状态。整个软件系统体系结构如图6所示，包括：路由器、上位机软件和下位机软件。路由器操作系统采用OpenWrt，此部分在路由器刷机部分完成，主要完成视频采集、数据传输、转发等功能。上位机软件控制灯光控制、拍照、实时控制机器人运动等行为。下位机软件通过接收来自上位机的命令，从而执行相应操作。而连接上位机和下位机之间的纽带就是通信协议，软件部分包括通信协议，客户端控制软件和下位机软件。在此主要介绍通信协议和上位机的开发。

通信协议上位机采用数据包格式传送指令，也可以采用单字符的形式发送，由于单字符通信方式干扰较大，因此采用数据包格式传送指令，包头用OXFF，包尾用OXFF，无校验位。上位机利用无线网卡通过Socket发送数据包到路由器，路由器通过解包机制把数据包解开，通过串口发送到单片机并通过控制模块执行相关操作。其协议规定如表1所示。

表1 通信协议规定

上位机软件

对于控制平台，文献给出了一种基于WindowsCE.net技术的方法，文中使用VisualStudio2010编写C#上位机客户端。采用TCP/IP协议，利用Socket发送数据包到路由器。上位机软件采用WIFIREBOT客户端软件，包括两个窗口：主窗口和配置窗口。主窗口包括视频显示区及控制按钮区，主要用于显示回传视频和实现机器人运动控制。配置窗口主要完成WiFi无线网络及机器人控制指令自定义键值的配置。

根据表1的通信协议，上位机通过Socket以Byte打包的方式向机器人发送控制命令，同时接收摄像头回传视频流并在视频显示区实时显示。视频部分也可将摄像头拍摄的视频分解成一张张独立的jpg图片发送到客户端，客户端再将图片组合成视频。对于Socket数据发送，首先创建Socket对象的实例，创建Socket实例后上位机即可通过Connect方法连接到路由器，并通过Send方法路由器发送数据。数据发送完成后用Close方法关闭Socket以释放资源。

除此之外，采用配置文件的方式来存取上一次配置的数据，以免重复配置，并通过定义8个键盘值，便于观察事件的执行，以此可方便地通过键盘的触发事件实现电机和舵机的全方位移动，且增加了拍照和车灯控制命令，经测试上位机软件运行良好。

下位机软件

下位机软件驱动板采用arduino2560控制器。基于arduino2560的嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且成本低的方案。下位机程序主要包括：外部中断、舵机PWM中断、定时器、串口中断、初始化等。下位机程序接收来自路由器转发的上位机命令，实现数据接收、摄像头云台全方位控制、电机转向、车灯控制、电池电量指示、红外壁障等功能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自主服务机器人，包括轮式机器人本体和机械手，其特征在于，所述服务机器人还包括嵌入式视觉模块、WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统和机器人控制板；

所述机械手安装在所述轮式机器人本体上；

所述嵌入式视觉模块安装在所述机械手的顶部，并与所述机器人控制板连接，所述嵌入式视觉模块是用于对外部环境图像信息进行处理；

所述WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统包括WIFI模块和PC机，

所述WIFI模块安装在所述轮式机器人本体内，所述PC机通过所述WIFI模块远程向所述服务机器人发送控制指令；

所述机器人控制板安装在所述轮式机器人本体上，所述机器人控制板根据所述WIFI模块传递过来的所述控制指令控制所述轮式机器人本体、所述机械手和所述嵌入式视觉模块。

2.如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述轮式机器人本体包括四个驱动轮和面板，且所述驱动轮对称地安装在所述面板的两侧；所述面板上设置有多个固定孔。

3.如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述机械手采用五自由度铝合金机械手，包括5个微伺服舵机。

4.如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述服务机器人还包括安装在所述轮式机器人本体上的摄像头和视觉云台；所述嵌入式视觉模块所处理的所述外部环境图像信息是由所述摄像头所采集的。

5.如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述嵌入式视觉模块采用嵌入linux系统的Propeller P8X32A八核32位芯片。

6.如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述机器人控制板包括电机驱动模块和舵机驱动模块。

7.如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述WIFI模块是路由器。

8.如权利要求7所述的自主服务机器人，其中，所述路由器安装有由linux构建的OpenWrt软件。

9.如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述PC机通过自身安装的WIFIREBOT客户端软件向所述服务机器人发送控制指令。

10.如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述机器人控制板采用基于arduino2560的嵌入式控制系统。