CN106043488A - 一种家庭服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家庭服务机器人，包括躯干、头部、上肢和底盘，头部可旋转设于躯干上，头部包括用于采集外界环境信息的视觉传感器，上肢包括两个分别位于躯干两侧可弯曲的上肢骨架，底盘可平移和旋转，躯干可弯曲；视觉传感器将信息传送到控制系统，控制系统控制躯干、头部、上肢和底盘的运动。家庭服务机器人通过视觉传感器采集外界的环境信息，通过控制系统的处理，驱动底盘实现前后左右移动以及旋转等运动，也可以驱动躯干弯曲以及上肢运动，实现机器人各种仿人动作，在处理目标追踪过程中，机器人能够实现对目标的追踪，适用于家庭服务以及其他服务场合，尤其能够完成对独居老人或病人进行仿人的陪伴和照顾工作。

Description

一种家庭服务机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别涉及一种家庭服务机器人。

背景技术

在现代社会，越来越多的独居老人或者医院的病人需要照顾和陪伴，现在大部分是通过聘请人的方式来完成，但是老人或病人是每天24小时随时需要的，比如取拿物品、开灯关灯、搀扶行走这样简单或复杂的工作，通过人来照顾和陪伴局限性很大。虽然现在已经出现了机器人，但是大部分是工业用机器人，其结构比较复杂，价格昂贵，操作麻烦，并不适合普通家庭服务的场合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有社会对于独居老人或病人的照顾和陪伴通过人的方式的局限性，以及并没有适合家庭服务的机器人的上述不足，提供一种家庭服务机器人。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种家庭服务机器人，包括躯干、头部、上肢和底盘，所述头部可旋转设于所述躯干上，所述头部包括用于采集外界环境信息的视觉传感器，所述上肢包括两个分别位于所述躯干两侧可弯曲的上肢骨架，所述底盘可平移或/和旋转，所述躯干可弯曲；所述视觉传感器将信息传送到控制系统，所述控制系统控制所述躯干、头部、上肢和底盘的运动。

本发明通过视觉传感器采集外界的环境信息，通过控制系统的处理，驱动底盘电机实现前后左右移动以及旋转等运动，或者可以驱动躯干弯曲以及上肢运动，实现机器人各种仿人动作。如果遇见盲区，可通过控制系统处理，机器人可驱动头部旋转，调整其视觉传感器位置，保证机器人尽可能大的对外界信息进行采集；在处理目标追踪过程中，通过视觉传感器采集的信息以及控制系统的信息处理，如果满足匹配条件，则机器人实现对目标的追踪。

优选地，所述头部包括头部支架，所述头部支架通过头部舵机一设于所述躯干上，所述头部支架可水平左右旋转。可水平左右旋转的头部能够增加视觉传感器的采集范围。

优选地，所述头部支架上设有连杆机构，所述连杆机构一端连接所述视觉传感器，另一端连接头部舵机二，所述头部舵机二驱动连杆机构带动所述视觉传感器上下转动，以提高视觉传感器的采集范围。

优选地，所述上肢还包括设于所述躯干上的两个肩关节，所述上肢骨架通过肩部舵机一、肩部舵机二连接在每个所述肩关节上，所述肩部舵机一能够实现对应所述上肢骨架相对所述躯干沿前后方向旋转，所述肩部舵机二能够实现对应所述上肢骨架相对躯干沿左右方向旋转。

上肢骨架通过肩部舵机一、肩部舵机二分别实现前后的旋转和左右开合，增大了上肢骨架的活动范围，以灵活适应不同实际需要。

优选地，每个所述上肢骨架包括大臂和小臂，所述大臂和小臂之间连接有肘关节，所述肘关节设有肘部舵机可驱动所述小臂相对于大臂沿前后旋转。

上肢骨架包括大臂和小臂，并连接有肘部关节，类人类的上肢结构，更符 合人们对机器人的理解，也更容易接受。

优选地，所述大臂、小臂分别为三根碳纤维管构成，在保证强度的基础上，大大减轻了上肢的重要，提高了移动效率。

优选地，所述底盘包括圆形状底板，所述底板沿周向均匀分布三个全向轮，每个所述全向轮由步进电机驱动运动。

通过三个全向轮设置在圆形状底板上的底盘结构，能够实现机器人在较为平稳的地面上的任意方向移动，同时在转动的时候不需要转动半径，极大的扩展了机器人的工作空间和提高了机器人的工作效率；同时轮式底盘也极大的保证了机器人的平衡性，为机器人安全开展工作提供了重要前提。

优选地，所述底盘上的一个全向轮位于所述头部正后方，另外两个所述全向轮位于所述头部前方，三个轮子中心连线呈正三角形，增强了机器人移动时的稳定性。

优选地，所述躯干包括上肢支撑骨架、膝腰支撑骨架、下肢支撑骨架，所述下肢支撑骨架固定在所述底板上，所述下肢支撑骨架上端部相对所述躯干前后方向旋转连接所述膝腰支撑骨架下端部，所述膝腰支撑骨架上端部相对所述躯干前后方向旋转连接所述上肢支撑骨架下端部。

该躯干不同于大多数柱状机器人的躯干，将家庭服务机器人的躯干设计成为具有类似人类的腰部和膝部结构，使机器人具备弯腰的动作，在这一基础上极大的丰富了机器人未来功能的相关开发，例如在弯腰的基础上，机器人可以通过机械手臂实现捡取地面物品等，即具备了此项动作，机器人可以完成更多的类人的需要弯腰才能完成的动作，对于类人机器人而言具有机器人重大的意 义。

优选地，所述下肢支撑骨架通过膝关节相对所述躯干前后方向旋转连接所述膝腰支撑骨架，所述膝腰支撑骨架通过腰关节相对所述躯干前后方向旋转连接所述上肢支撑骨架，所述膝关节包括膝部谐波减速器和膝部直流电机，所述腰关节包括腰部谐波减速器和腰部直流电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述一种家庭服务机器人通过视觉传感器采集外界的环境信息，通过控制系统的处理，驱动底盘电机实现前后左右移动以及旋转等运动，或者可以驱动躯干弯曲以及上肢运动，实现机器人各种仿人动作，如摇头、点头、招手、弯腰、舞蹈和跟踪目标移动等动作；如果遇见盲区，可通过控制系统处理，机器人可驱动头部旋转，调整其视觉传感器位置，保证机器人尽可能大的对外界信息进行采集；在处理目标追踪过程中，通过视觉传感器采集的信息以及控制系统的信息处理，如果满足匹配条件，则机器人实现对目标的追踪，适用于家庭服务以及其他服务场合，尤其能够完成对独居老人或病人进行仿人的陪伴和照顾工作；

2、该机器人整体采用骨架式结构，不仅减少了机器人的总重量，而且为控制器、电池等机载设备提供了更大的装配空间；

3、该机器人的上肢采用肩部、大臂和小臂，并连接有肘部关节，类人类的上肢结构，更符合人们对机器人的理解，也更容易接受；采用碳纤维管作为大臂、小臂，能够大大减轻上肢的重量；

4、该机器人的底盘采用三个全向轮设置在圆形状底板上，能够实现机器人 在较为平稳的地面上的任意方向移动，同时在转动的时候不需要转动半径，极大的扩展了机器人的工作空间和提高了机器人的工作效率；同时轮式底盘也极大的保证了机器人的平衡性，为机器人安全开展工作提供了重要前提；

5、该机器人的躯干为具有类似人类的腰部和膝部结构，使机器人具备弯腰的动作，在这一基础上极大的丰富了机器人未来功能的相关开发，例如在弯腰的基础上，机器人可以通过机械手臂实现捡取地面物品等，即具备了此项动作，机器人可以完成更多的类人的需要弯腰才能完成的动作，对于类人机器人而言具有机器人重大的意义。

附图说明：

图1为本发明所述一种家庭服务机器人的正面结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为图2中机器人头部、躯干、上肢均弯曲一定角度后的示意图；

图4为图1中头部的结构示意图；

图5为图1中躯干的结构示意图；

图6为图1中上肢的结构示意图；

图7为图1中底盘结构示意图；

图8为图1中底盘俯视图。

图中标记：

1、头部，11、视觉传感器，12、头部支架，13、连杆机构，14、头部舵机二，15、头部舵机一，2、躯干，21、上肢支撑骨架，22、膝腰支撑骨架，23、 下肢支撑骨架，24、腰关节，25、膝关节，26、腰部谐波减速器，27、腰部直流电机，28、膝部谐波减速器，29、膝部直流电机，3、上肢，31、上肢骨架，32、大臂，33、小臂，34、肩关节，35、肩部舵机一，36、肩部舵机二，37、肘关节，38、肘部舵机，4、底盘，41、底板，42、全向轮，43、步进电机。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1、2所示，一种家庭服务机器人，包括躯干2、头部1、上肢3和底盘4，头部1可旋转设于躯干2上，头部1包括用于采集外界环境信息的视觉传感器11，上肢3包括两个分别位于躯干2两侧可弯曲的上肢骨架31，底盘4可平移和旋转，躯干2可弯曲；视觉传感器11将信息传送到控制系统，控制系统控制躯干2、头部1、上肢3和底盘4的运动。

本发明通过视觉传感器11采集外界的环境信息，通过控制系统的处理，驱动底盘电机43实现前后左右移动以及旋转等运动，或者可以驱动躯干2弯曲以及上肢3运动，实现机器人各种仿人动作，如图3所示。如果遇见盲区，可通过控制系统处理，机器人可驱动头部1旋转，调整其视觉传感器11位置，保证机器人尽可能大的对外界信息进行采集；在处理目标追踪过程中，通过视觉传感器11采集的信息以及控制系统的信息处理，如果满足匹配条件，则机器人实现对目标的追踪。

如图4所示，该头部1包括头部支架12，头部支架12通过头部舵机一15设于所述躯干2上，所述头部支架12可水平左右旋转；头部支架12上还设有 连杆机构13，连杆机构13一端连接视觉传感器11，另一端连接头部舵机二14，头部舵机二14带动视觉传感器11上下转动，可水平左右旋转和上下旋转的头部1能够增加视觉传感器11的采集范围。

具体的，头部舵机一15放置在头部支架12底部内侧，通过螺丝固定在躯干2上端，头部舵机二14固定在头部支架12底部右端，其输出轴与连杆机构13固定。头部支架12的作用是利用视觉传感器11夹子固定视觉传感器11和提供头部1两个自由度旋转的机械机构。头部1的视觉传感器11的有效拍摄范围为：以机器人头部1的垂线为基准，左右90度以内，上下45度以内。

如图5所示，该躯干2包括上肢支撑骨架21、膝腰支撑骨架22、下肢支撑骨架23，下肢支撑骨架23固定在底板上，下肢支撑骨架23上端部相对躯干2前后方向旋转连接所述膝腰支撑骨架22下端部，膝腰支撑骨架22上端部相对躯干2前后方向旋转连接上肢支撑骨架21下端部。该上肢支撑骨架21、膝腰支撑骨架22、下肢支撑骨架23均包括两片相互平行的支撑板连接而成。

下肢支撑骨架23通过膝关节相对躯干2前后方向旋转连接膝腰支撑骨架22，膝关节25包括膝部谐波减速器28和膝部直流电机29；膝腰支撑骨架22通过腰关节24相对躯干2前后方向旋转连接上肢支撑骨架21，腰关节24包括腰部谐波减速器26和腰部直流电机27。

膝关节25、腰关节24均采用的是直流电机配合谐波减速器的结构。其中腰关节24：腰部直流电机27通过U组合形件固定在机器人躯干2骨架上，即图中U组合形件的上端部件通过螺丝固定在膝腰支撑骨架22之间，腰部直流电机27通过U行组合件的下端部件和螺丝与U行组合件的上端部件固定，从而实现腰部直流电机27固定在膝腰支撑骨架22之间。腰部谐波减速器26通过螺丝固 定在左上肢支撑板下端和左膝腰支撑板上端之间，腰部谐波减速器26外齿圈与同步轮嵌套连接，同步轮与腰部直流电机27输出轴舵盘通过皮带进行连接，从而构成了腰关节24。膝关节25：类似于腰关节24，膝部直流电机29通过U行组合件件固定在机器人下肢支撑骨架23上，膝部谐波减速器28通过螺丝固定在左支撑板下端与左下肢支撑板上端之间，膝部直流电机29的输出轴舵盘通过皮带与膝部同步轮相连，同步轮和膝部谐波减速器28外齿圈嵌套连接，从而形成膝关节25。右上肢支撑板下端与右膝腰支撑板上端，右膝腰支撑板下端与右下肢支撑板上端均通过法兰轴承进行连接，且轴承中心与相应的膝部谐波减速器28中心连线保持与底盘4保持平行。

上肢支撑骨架21、下肢支撑骨架23的两个支撑板之间的距离均相同，且左上肢侧支撑板与左下肢支撑板保持垂直于底盘4的同一条直线上，膝腰支撑骨架22之间的距离根据所采用直流电机以及谐波减速器的大小尺寸而定。

装配后，机器人的躯干2与底盘4呈垂直关系，且躯干2上的支撑板均成竖直状态。考虑到机器人的外形以及整体平衡性，机器人的腰部可以实现前后30°的倾斜，膝部可以实现前后15°的倾斜，且可以通过控制方法实现两者的同步运动，采用不同外形和控制方法，机器人可实现腰部前后90°，膝部前后45°。该躯干2不同于大多数柱状机器人的躯干2，将家庭服务机器人的躯干2设计成为具有类似人类的腰部和膝部结构，使机器人具备弯腰的动作，在这一基础上极大的丰富了机器人未来功能的相关开发，例如在弯腰的基础上，机器人可以通过机械手臂实现捡取地面物品等，即具备了此项动作，机器人可以完成更多的类人的需要弯腰才能完成的动作，对于类人机器人而言具有机器人重大的意义。

如图6所示，该机器人的上肢3还包括设于躯干2上的两个肩关节34，上肢骨架31通过肩部舵机一35、肩部舵机二36连接在每个肩关节34上，肩部舵机一35能够实现对应一侧上肢骨架31旋转，其旋转方向是相对躯干2沿前后方向旋转，肩部舵机二36能够实现对应一侧上肢骨架31旋转，其旋转方式是相对躯干2沿左右方向旋转(即上肢骨架31相对躯干2实现开合)。另外每个上肢骨架31包括大臂32和小臂33，大臂32和小臂33之间连接有肘关节，肘关节37设有肘部舵机38可驱动大臂32、小臂33相互前后旋转。类人类的上肢结构，更符合人们对机器人的理解，也更容易接受。大臂32、小臂33分别为三根碳纤维管构成，在保证强度的基础上，大大减轻了上肢3的重要，提高了移动效率。

具体的，以左上肢3为例，在上肢骨架31的肩关节34包括左肩部支撑管，肩部支撑管内装有左肩部舵机一35，且肩部支撑管左侧通过螺丝固定在左上肢支撑板上端，左侧伸出的肩部舵机一35输出轴与半圆形连接件通过螺丝固定，且肩部舵机二36的输出轴通过螺丝固定在连接件上。

肩部舵机一35旋转，完成整条手臂的前后摆动，活动范围是前后90°；肩部舵机二36旋转，完成大臂32的左右摆动，活动范围是左右0～120°；肘部舵机38旋转，完成小臂33相对大臂32的前后摆动，活动范围0～120°。

如图7、8所示，上述的底盘4包括圆形状底板41，底板41沿周向按照相隔120°均匀分布三个全向轮42，每个全向轮42由步进电机43驱动运动。底盘4上的一个全向轮位于所述头部1正后方，另外两个全向轮42位于头部1前方，增强了机器人移动时的稳定性。通过三个全向轮42设置在圆形状底板41 上的底盘结构，能够实现机器人在较为平稳的地面上的任意方向移动，同时在转动的时候不需要转动半径，极大的扩展了机器人的工作空间和提高了机器人的工作效率；同时轮式底盘4也极大的保证了机器人的平衡性，为机器人安全开展工作提供了重要前提。上述结构中，除了大臂32与小臂33采用碳纤管外，其余机械结构均采用铝合金板。

该家庭服务机器人一共具有十三个自由度，由头部1、类人手臂、类人躯干2和轮式移动底盘4构成，其中头部1具有2个自由度，每条手臂具有3个自由度，躯干2具有2个自由度，移动底盘4具有3个自由度。即头部1由两个舵机、一个视觉传感器11和一个固定视觉传感器11的支架组成；手臂由三个舵机和碳纤维管组成，其中肩部两个舵机、肘部一个舵机，连接肩部与肘部关节的碳纤维管形成机器人的大臂32，同时肘关节37的另一端也由碳纤维管连接形成机器人的小臂；机器人的躯干2具有膝关节25和腰关节24，均采用“直流电机+谐波减速器”的结构，电机的输出轴连接皮带，由皮带带动固定在谐波减速器上的同步轮，实现由关节转动；机器人的下肢设计为轮式移动底盘4，底盘4上的三个步进电机按照120°的间隔摆放，其中机器人后部电机与机器人躯干2保持垂直，步进电机的输出轴上挂载全向轮42，通过三个全向轮42转动时的速度合成实现机器人的移动。

家庭服务机器人通过视觉传感器11采集外界的环境信息，通过控制系统的处理，驱动底盘步进电机43实现前后左右移动以及旋转等运动，或者可以驱动躯干2弯曲以及上肢3运动，实现机器人各种仿人动作，如摇头、点头、招手、弯腰、舞蹈和跟踪目标移动等动作；如果遇见盲区，可通过控制系统处理，机器人可驱动头部1旋转，调整其视觉传感器11位置，保证机器人尽可能大的对 外界信息进行采集；在处理目标追踪过程中，通过视觉传感器11采集的信息以及控制系统的信息处理，如果满足匹配条件，则机器人实现对目标的追踪，适用于家庭服务以及其他服务场合，尤其能够完成对独居老人或病人进行仿人的陪伴和照顾工作。

Claims (10)

1.一种家庭服务机器人，包括躯干(2)、头部(1)、上肢(3)和底盘(4)，其特征在于，所述头部(1)可旋转设于所述躯干(2)上，所述头部(1)包括用于采集外界环境信息的视觉传感器(11)，所述上肢(3)包括两个分别位于所述躯干(2)两侧可弯曲的上肢骨架(31)，所述底盘(4)可平移或/和旋转，所述躯干(2)可弯曲；所述视觉传感器(11)将信息传送到控制系统，所述控制系统控制所述躯干(2)、头部(1)、上肢(3)和底盘(4)的运动。

2.根据权利要求1所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，所述头部(1)包括头部支架(12)，所述头部支架通过头部舵机一(15)设于所述躯干(2)上，所述头部支架(12)可水平左右旋转。

3.根据权利要求2所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，所述头部支架(12)上设有连杆机构(13)，所述连杆机构(13)一端连接所述视觉传感器(11)，另一端连接头部舵机二(14)，所述头部舵机二(14)驱动连杆机构(13)带动所述视觉传感器(11)上下转动。

4.根据权利要求1所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，所述上肢(3)还包括设于所述躯干(2)上的两个肩关节(34)，所述上肢骨架(31)通过肩部舵机一(35)、肩部舵机二(36)连接在每个所述肩关节(31)上，所述肩部舵机一(35)能够实现对应所述上肢骨架(31)相对所述躯干(2)沿前后方向旋转，所述肩部舵机二(36)能够实现对应所述上肢骨架(31)相对躯干(2)沿左右方向旋转。

5.根据权利要求4所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，每个所述上肢骨架(31)包括大臂(32)和小臂(33)，所述大臂(32)和小臂(33)之间连接有肘关节(37)，所述肘关节(37)设有肘部舵机(38)可驱动所述小臂(33)相对于大臂(32)沿前后旋转。

6.根据权利要求5所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，所述大臂(32)、小臂(33)分别为三根碳纤维管构成。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，所述底盘(4)包括圆形状底板(41)，所述底板(41)沿周向均匀分布三个全向轮(42)，每个所述全向轮(42)由步进电机(43)驱动实现运动。

8.根据权利要求7所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，所述底盘(4)上的一个全向轮(42)位于所述头部(1)正后方，另外两个所述全向轮(42)位于所述头部(1)前方。

9.根据权利要求7所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，所述躯干(2)包括上肢支撑骨架(21)、膝腰支撑骨架(22)、下肢支撑骨架(23)，所述下肢支撑骨架(23)固定在所述底板(41)上，所述下肢支撑骨架(23)上端部相对所述躯干(2)前后方向旋转连接所述膝腰支撑骨架(22)下端部，所述膝腰支撑骨架(22)上端部相对所述躯干(2)前后方向旋转连接所述上肢支撑骨架(21)下端部。

10.根据权利要求9所述的一种家庭服务机器人，其特征在于，所述下肢支撑骨架(23)通过膝关节(25)相对所述躯干(2)前后方向旋转连接所述膝腰支撑骨架(22)，所述膝腰支撑骨架(22)通过腰关节(24)相对所述躯干(2)前后方向旋转连接所述上肢支撑骨架(21)，所述膝关节(25)包括膝部谐波减速器(28)和膝部直流电机(29)，所述腰关节(24)包括腰部谐波减速器(26)和腰部直流电机(27)。