CN105500381A - 通用模块化双臂服务机器人平台及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通用模块化双臂服务机器人平台及应用该平台的通用模块化双臂机器人系统，该平台包括通过服务机器人的各个外置传感器来收集环境信息的环境信息采集模块、用于处理环境信息采集模块采集的原始数据的信息认知模块，基于信息认知模块识别所述服务机器人所处的环境信息的决策模块，基于所述决策模块的决策信息的控制下，通过机器人进行指令输出的输出执行模块。本发明集成视觉采集、语音采集、触觉采集、视觉输出、语音输出、动作输出等硬件支持功能于一身，基于本发明设计的系统，可进行服务机器人通用功能算法模块的研究、开发和调试，可用于研究服务机器人各功能模块在统一框架下协调工作的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种通用模块化双臂服务机器人平台及应用该平台的通用模块化双臂机器人系统。
背景技术
随着社会经济和社会需求的发展，服务机器人技术成为当今的热门研究领域之一。目前，世界上至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已涉足服务机器人开发，40余款服务机器人进入实验或半商业化应用。然而，服务机器人与工业机器人相比，更强调与人类的交流协作和情感沟通，对于安全性、交互性、智能性、成长性的要求更高，因而整体而言对于技术水平的需求比工业机器人高。目前市场上的服务机器人并不成熟，大部分处于研究开发的初始阶段。
服务机器人市场目前呈现出快速增长的态势。美国商业信息数据库出具了一份2008年到2015年服务机器人对北美市场影响的研究报告，该报告指出，服务机器人在北美市场的渗透率从2008年的不到3％，上升到2015年的50％以上。另外，前瞻产业研究院提供的数据表明，2012年到2016年，全球服务机器人销售的复合增长率高达19％，市场规模增速也超过了14％。截止2014年，全球服务机器人保有量为2500万台，市场规模达280亿美元。预计至2017年，服务机器人产值有望超过工业机器人，达到500亿～700亿美元，市场前景巨大。
在我国，对于服务机器人的需求也越来越强烈。一方面，越来越快的社会节奏使得年轻父母陪伴孩子的时间越来越少，而童年是孩子基础教育和性格习惯养成的黄金期。因此，融合教育学、心理学、人工智能等多门学科的研究成果，研制出具有教育指导、健康陪护、娱乐互动、情感交流等功能，并且安全、可靠、智能、廉价的儿童机器人将势在必行，其市场潜力巨大。另一方面，据全国老龄办预测，2020年我国老年人口将达2.48亿，我国已成为人口老龄化速度最快的国家之一，也使得用于照顾老人的助老机器人的需求量持续增加。这些因素将使我国有望形成全球最大的服务机器人市场。
随着人工智能、传感器、仿生材料等高新技术的发展，以及机电工程与生物医学工程等的交叉融合，服务机器人技术的发展将呈现三大态势：(1)、由简单机电一体化装备，向生-机-电一体化和智能化等方面发展；(2)、由单一作业，向多体协作、远程学习和网络服务等方面发展；(3)、由研制单一复杂系统，向核心技术模块化，功能模块接口规范化方面发展。未来的服务机器人，将向着更智能、更灵活、学习能力更强、适应能力更高的方向发展。
发明内容
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供的一种通用模块化双臂服务机器人平台，包括：
环境信息采集模块，通过服务机器人的各个外置传感器来收集环境信息；
信息认知模块，用于处理环境信息采集模块采集的原始数据，识别所述服务机器人所处的环境信息；
决策模块，基于信息认知模块识别所述服务机器人所处的环境信息，计算出相应的智能决策信息；
输出执行模块，在所述决策模块的决策信息的控制下，通过机器人进行指令输出。
进一步的，所述环境信息包括视觉信息、语音信息、触觉信息。
进一步的，所述视觉信息和语音信息通过Kinect3D体感摄像机进行采集，所述触觉信息通过机器人机械手上的力觉传感器进行获取。
进一步的，所述信息认知模块包括视觉认知模块、语音认知模块和触觉认知模块。
进一步的，所述决策模块通过增量式学习算法、多视角学习算法或自主学习算法来计算出相应的智能决策信息。
进一步的，所述输出执行模块包括视觉输出模块、语音输出模块和动作输出模块；
所述视觉输出通过机器人面部的显示屏来显示动画合成的机器人表情或交互信息；
所述语音输出模块通过音箱输出合成的拟人化语音；
所述动作输出模块通过机器人的机械臂和机械手来执行相应的动作。
本发明还公开了一种应用上述通用模块化双臂服务机器人平台的通用模块化双臂机器人系统，包括机器人固定底座、机器人固定架、手臂控制柜、两个机械臂、两个机械手、集成电源系统、三维云台、摄像头、显示屏、音箱和主控工控机；
所述机器人固定底座与机器人固定架通过连接法兰连接，所述手臂控制柜安装在机器人固定底座的两端；所述两个机械臂通过法兰固定在机器人固定架的两侧，两个机械手分别固定在两个机械臂的末端；所述集成电源系统安装在机器人固定底座上，用于为模块化双臂机器人的各个硬件提供电源输入；所述三维云台固定于机器人固定架的顶部；所述摄像头和显示屏固定在三维云台前侧的活动支架上，所述摄像头和显示屏与三维云台同步转动；所述音箱固定在机器人固定架上；所述工控机用于对所述模块化双臂机器人的各个设备进行集成和控制。
进一步的，所述连接法兰之间可嵌入旋转平台，来实现机器人腰部扭转的动作。
进一步的，所述机器人固定架中空装置，电缆及控制线通过机器人固定架延伸到各个零部件。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)本专利设计完成一套通用模块化双臂服务机器人系统方案，集成视觉采集、语音采集、触觉采集、视觉输出、语音输出、动作输出等硬件支持功能于一身。
(2)基于本专利设计的系统，可进行服务机器人通用功能算法模块的研究、开发和调试，包括：环境信息采集模块、信息认知模块、决策模块、输出执行模块。
(3)基于本专利设计的系统，可用于研究服务机器人各功能模块在统一框架下协调工作的解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本专利的通用模块化双臂服务机器人平台的原理框图；
图2为本专利的通用模块化双臂服务机器人系统的结构示意图；
图3为图2的侧视图；
图4为本专利的通用模块化双臂服务机器人骨架的结构示意图；
其中：1、机器人固定底座，2、机器人固定架，3、手臂控制柜，4、机械臂，5、机械手，6、三维云台，7、摄像机，8、显示屏，9、音箱，10、工控机，11、集成电源系统，12、连接法兰。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1；本发明提供的一种通用模块化双臂服务机器人平台，包括：环境信息采集模块、信息认知模块、决策模块和输出执行模块四个功能模块。
环境信息采集模块，通过服务机器人的各个外置传感器来收集环境信息；所述环境信息包括视觉信息、语音信息、触觉信息。
优选地，所述视觉信息和语音信息通过Kinect3D体感摄像机进行采集，因为Kinect3D体感摄像机集成了彩色摄像机、深度摄像机及麦克风阵列，同时，微软公司提供了其开发的SDK(SoftwareDevelopmentKit)，用其开发将可减少硬件集成和软件开发的开销。所述触觉信息通过机器人机械手上的力觉传感器进行获取。优选的，可以使用Barrett公司生产的BarrettHand灵巧手。
信息认知模块，用于处理环境信息采集模块采集的原始数据，识别所述服务机器人所处的环境(包括服务对象)信息，为下一步机器人做出决策提供依据。优选地，所述信息认知模块包括视觉认知模块、语音认知模块和触觉认知模块。具体的算法将模块化实现，使其具有通用性，可迁移到各种服务机器人平台上使用。
决策模块，基于信息认知模块识别所述服务机器人所处的环境信息，计算出相应的智能决策信息；
优选地，所述决策模块通过增量式学习算法、多视角学习算法或自主学习算法来计算出相应的智能决策信息，来指导下一步机器人的输出执行，主要涉及学习算法的开发和模块化实现。为了使服务机器人具有智能性、成长性，使其提供的服务具有个性化，需要研究增量式学习(IncrementalLearning)算法、多视角学习(Multi-viewLearning)算法和自主学习(ActiveLearning)算法。
输出执行模块，在所述决策模块的决策信息的控制下，通过机器人进行指令输出的响应。所述输出执行模块包括视觉输出模块、语音输出模块和动作输出模块；
优选地，所述视觉输出通过机器人面部的显示屏来显示动画合成的机器人表情或交互信息；
优选地，所述语音输出模块通过音箱输出合成的拟人化语音；
优选地，所述动作输出模块通过机器人的机械臂和机械手来执行相应的动作。
请参照图2-图4；
本发明还公开了一种应用上述通用模块化双臂服务机器人平台的通用模块化双臂机器人系统，包括机器人固定底座1、机器人固定架2、手臂控制柜3、两个机械臂4、两个机械手5、三维云台6、摄像机7、显示屏8、音箱9、工控机10、集成电源系统11；
所述机器人固定底座1是整个双臂机器人的支撑，机器人固定底座1与机器人固定架2通过连接法兰12用螺栓连接；
优选地，所述连接法兰12之间可嵌入旋转平台(用电机带动减速器来实现)，来实现机器人腰部扭转的动作。
所述手臂控制柜3安装在机器人固定底座1的两端；
所述机械臂4采用两个Universalrobot机械臂。两个Universalrobot机械臂通过法兰固定在机器人固定架2的两侧；
所述机器人固定架2中空装置，电缆及控制线通过机器人固定架2延伸到各个零部件。
两个机械手5采用Barretthand机械手，两个Barretthand机械手分别固定在两个Universalrobot机械臂的末端；整体类似于人的身体、双臂、双手的结构。
所述集成电源系统11安装在机器人固定底座1上，用于为模块化双臂机器人的各个硬件提供相应标准的电源输入；该集成电源系统由单个220V电源插头接入，通过各级变压器在电源集成面板上分别输出220V(为Universalrobot机械臂、工控机、Kinect3D体感摄像机、显示屏供电)、48V(为Barretthand机械手供电)，24V(为三维云台供电)、12V(为工业485转换器供电)、5V(为音箱供电)这5种规格的电流。
所述三维云台6固定于机器人固定架2的顶部；摄像机7和显示屏8固定在三维云台6前侧的活动支架上，面向正前方，所述摄像机7采用Kinect3D体感摄像机，Kinect3D体感摄像机和显示屏8与三维云台6同步转动；
所述音箱9固定在机器人固定架2上；
所述工控机10用于对所述模块化双臂机器人的各个设备进行集成和控制。
所有的传感器、设备都通过工控机10来完成集成和控制。其中，Universalrobot机械臂控制箱通过双绞线与工控机以太网接口连接，基于Modbus协议进行控制；Barretthand机械手通过USB/CAN转换器与工控机USB接口连接，基于CAN总线协议来进行控制；三维云台6通过USB/485转换器与工控机USB接口连接，基于Pelco-D协议进行控制；Kinect3D体感摄像机7通过自带的转换器与工控机USB接口连接，基于自带SDK进行控制；显示屏8与工控机VGA接口相连，音箱9与工控机3.5mm耳机插口相连。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种通用模块化双臂服务机器人平台，其特征在于，包括：
环境信息采集模块，通过服务机器人的各个外置传感器来收集环境信息；
信息认知模块，用于处理环境信息采集模块采集的原始数据，识别所述服务机器人所处的环境信息；
决策模块，基于信息认知模块识别所述服务机器人所处的环境信息，计算出相应的智能决策信息；
输出执行模块，在所述决策模块的决策信息的控制下，通过机器人进行指令输出。
2.根据权利要求1所述的通用模块化双臂服务机器人平台，其特征在于，所述环境信息包括视觉信息、语音信息、触觉信息。
3.根据权利要求2所述的通用模块化双臂服务机器人平台，其特征在于，所述视觉信息和语音信息通过Kinect3D体感摄像机进行采集，所述触觉信息通过机器人机械手上的力觉传感器进行获取。
4.根据权利要求3所述的通用模块化双臂服务机器人平台，其特征在于，所述信息认知模块包括视觉认知模块、语音认知模块和触觉认知模块。
5.根据权利要求4所述的通用模块化双臂服务机器人平台，其特征在于，所述决策模块通过增量式学习算法、多视角学习算法或自主学习算法来计算出相应的智能决策信息。
6.根据权利要求5所述的通用模块化双臂服务机器人平台，其特征在于，所述输出执行模块包括视觉输出模块、语音输出模块和动作输出模块；
所述视觉输出通过机器人面部的显示屏来显示动画合成的机器人表情或交互信息；
所述语音输出模块通过音箱输出合成的拟人化语音；
所述动作输出模块通过机器人的机械臂和机械手来执行相应的动作。
7.一种应用权利要求1-6任一项所述通用模块化双臂服务机器人平台的通用模块化双臂机器人系统，其特征在于，包括机器人固定底座、机器人固定架、手臂控制柜、两个机械臂、两个机械手、集成电源系统、三维云台、摄像头、显示屏、音箱和主控工控机；
所述机器人固定底座与机器人固定架通过连接法兰连接，所述手臂控制柜安装在机器人固定底座的两端；所述两个机械臂通过法兰固定在机器人固定架的两侧，两个机械手分别固定在两个机械臂的末端；所述集成电源系统安装在机器人固定底座上，用于为模块化双臂机器人的各个硬件提供电源输入；所述三维云台固定于机器人固定架的顶部；所述摄像头和显示屏固定在三维云台前侧的活动支架上，所述摄像头和显示屏与三维云台同步转动；所述音箱固定在机器人固定架上；所述工控机用于对所述模块化双臂机器人的各个设备进行集成和控制。
8.根据权利要求7所述的通用模块化双臂机器人系统，其特征在于，所述连接法兰之间可嵌入旋转平台，来实现机器人腰部扭转的动作。
9.根据权利要求8所述的通用模块化双臂机器人系统，其特征在于，所述机器人固定架中空装置，电缆及控制线通过机器人固定架延伸到各个零部件。
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160420 |