CN106863324A - 一种基于视觉的服务机器人平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉的服务机器人平台,包括机械结构；所述机械结构上安装有电脑主机模块、自动避障模块、视觉识别模块、数字摄像模块、遥控维护模块和散热模块。本发明的基于视觉的服务机器人平台，实现移动物体目标追踪，及机器人的自动跟随和拍摄功能；且可通过网络连接管理及维护本机器人；另外，设计成两大轮主动式、两小轮从动式，既能自主保持平衡，又可全方位移动。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人平台，具体涉及一种基于视觉的服务机器人平台，属于服务机器人技术领域。
背景技术
目前从事服务机器人产业的各个单位大都还是处于产业发展初期，处于研发平台或者样机阶段，重复性劳动非常多，没有形成具有鲜明特色的服务机器人产品；从成果应用上看，服务机器人主要以吸尘器机器人和教育平台为主，这些现有的服务机器人存在控制方式单一、操作不方便、不灵敏等严重的问题；此外，国内市场上缺乏这种具有自动跟随主人的服务机器人，也缺乏具有自动跟随拍摄功能的机器人平台。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于视觉的服务机器人平台，通过设置电脑主机模块、自动避障模块、视觉识别模块、数字摄像模块、遥控维护模块和散热模块，实现移动物体目标追踪，及机器人的自动跟随和拍摄功能；且可通过网络连接管理及维护本机器人。
本发明的基于视觉的服务机器人平台，包括机械结构；所述机械结构上安装有电脑主机模块、自动避障模块、视觉识别模块、数字摄像模块、遥控维护模块和散热模块；
所述机械结构包括鼓形箱体和底盘；
所述鼓形箱体顶部安装有可旋转调节的机械臂；所述机械臂其末端连接有夹具；所述鼓形箱体内部由下至上依次设置有第一至第三层平台，且每层平台由连接杆连接并支撑；所述底盘上安装有两大轮和两小轮；两所述大轮分别通过联轴器连接一直流无刷电机；所述底盘上开设有多个通风孔；底盘的前后位置对称设置了两个小轮，两小轮不设动力源，把本发明的机器人平放在地面时，恰好四个轮子能同时着地；机器人的移动由两大轮带动两小轮移动，从stm32单片机的数字引脚(PA6、PA7引脚)输出相同频率且相同正占空比的PWM脉冲，控制两大轮等速转动，实现直线行走；通过stm32单片机的数字引脚输出相同频率但不同正占空比的PWM脉冲，使两大轮之间产生差速，实现机器人的360°旋转移动；
所述电脑主机模块包括电脑主机和stm32单片机；所述电脑主机引出USB线且通过USB转TTL串口模块连接至stm32单片机；所述电脑主机设置于第一层平台和第二层平台之间；
所述自动避障模块由三个超声波传感器、一温度计及一arduino单片机组成；所述超声波传感器其信号端及温度计其信号端分别与arduino单片机电连接；所述arduino单片机与stm32单片机通过通信接口电连接；通过对arduino单片机的编程，实现超声测距，由LM35温度计测温，用温度算出音速，再根据音速算出三个方向上的障碍物距离，当某个方向上的测距值小于预设的避障有效距离值(有效避障距离设置为10cm)，arduino单片机将向stm32单片机发送避障指令，stm32单片机将输出相适应的PWM脉冲来控制两个大轮的转向，绕开障碍物行走；
所述视觉识别模块包括一kinect视觉体感器；所述kinect视觉体感器设置于鼓形箱体顶部的正前方位置；所述kinect视觉体感器通过USB连接线与电脑主机电连接；基于Kinect for Windows SDK平台开发,通过编程实现，Kinect视觉体感器前方将会扫描到一个跟踪区域(前方宽0.4米，长0.8米，高0.4米的立方体)，这个跟踪区域是由深度摄像头决定的，在这个跟踪区域内，Kinect SDK里的程序将会计算前方有效区域内的物体的形状中心，然后将其与程序设定的跟踪中心进行比较，物体形状中心的距离正向变远，电脑主机将通过USB转TTL串口模块，向stm32单片机发送前进的字符命令；从stm32单片机的数字引脚(PA6、PA7引脚)输出相同频率、相同正占空比且正占空比被放大的PWM脉冲，进而驱动两个直流无刷电机带动两个大轮同步前进，直到物体的形状中心与程序设定的跟踪中心吻合，机器人停止前进；当物体形状中心的距离发生右偏移，stm32单片机的数字引脚输出相同频率但不同正占空比的PWM脉冲，触发与大轮连接的左侧的直流无刷电机的PWM脉冲的占空比要比触发左侧的直流无刷电机的PWM脉冲的占空比大，实现左大轮速度比右大轮速度大，机器人往右边旋转，当物体的形状中心与程序设定的跟踪中心出现在同一直线上，Kinect再根据物体形状中心的距离正向变远或正向靠近，从stm32单片机的数字引脚(PA6、PA7引脚)输出相同频率、相同占空比的PWM脉冲，进而驱动两个直流无刷电机带动两个大轮同步前进或者后退；
所述数字摄像模块包括一高清数字摄像机；所述高清数字摄像机设置于鼓形箱体顶面的右侧位置；所述高清数字摄像机通过网线与电脑主机电连接；通过网线连接到鼓形箱体里的电脑主机，并配置数字监控的网络IP地址，并通过无线WiFi模块连接互联网，实现网络监控的功能；结合前面已实现的自动跟随功能与网络监控的功能，可实现自动跟随拍摄的功能，打造一个智能跟随拍摄机器人平台，有效地代替人工拍摄；为多种环境，比如教学平台、售后服务平台、车间、家庭等，提供智能拍摄服务；
所述遥控维护模块由一无线WiFi模块和一电脑USB蓝牙适配器构成；所述无线WiFi模块设置于鼓形箱体顶面的右方位置；所述USB蓝牙适配器设置于鼓形箱体顶面的左方位置；所述无线WiFi模块和电脑USB蓝牙适配器分别与电脑主机电连接；在鼓形箱体的上表面，其左右两侧对称设置了一个电脑USB蓝牙适配器与一个无线WiFi模块，这两个模块连接至电脑主机的USB接口；通过网络连接管理机器人，由工作台的电脑请求远程，可控制服务机器人上的电脑系统，进而发出程序命令以操控和维护该机器人，使得它可以运载物品，如平板电脑或茶杯等，为家庭、办公室提供娱乐服务；
所述散热模块包括一固定于底盘的通风孔上方的散热风扇，及时将鼓形箱体内的热量排出；所述散热风扇与stm32单片机电连接；
所述直流无刷电机通过引出的霍尔线(U、V、W线)与编码器线(A相线、B相线)连接至双直流无刷电机智能控制器；所述双直流无刷电机智能控制器其控制端口与stm32单片机电连接；Stm32单片机用于采集其他模块信号，转换成控制指令，最终实现控制两个大轮的行走模式。
进一步地，所述电脑主机放置于第一层平台的隔板上；所述stm32单片机、arduino单片机与双直流无刷电机智能控制器均放置于所述第二层平台上方。
进一步地，所述机械臂为双关节式转动机械臂，其设置有两个转动副；所述机械臂设置于鼓形箱体上表面的正中央位置，且与第三层平台通过多个螺栓连接并且固定。
作为优选的实施方案，三个所述超声波传感器设置于距离底盘110mm高的鼓形箱体表面，且居中的所述超声波传感器朝向机器人的正前方，另外两个所述超声波传感器分别相对居中的所述超声波传感器以顺时针方向60°及逆时针方向60°位置固定安装。
进一步地，所述夹具上夹持有平板电脑；通过远程控制服务机器人上的电脑主机中的电脑系统，发出程序命令驱动机器人携带平板电脑逐渐地往主人的位置靠近，提供休闲娱乐。
本发明与现有技术相比较，本发明的基于视觉的服务机器人平台，设计成两大轮主动式、两小轮从动式，既能自主保持平衡，又可全方位移动，基于Kinect for WindowsSDK平台的开发，由Kinect视觉体感器的信息感知与判断，实现移动物体目标追踪，根据kinect体感器所识别追踪的目标，输出相关的指令控制机器人运动，实现机器人自动跟随的功能；基于本发明的机器人智能跟踪技术与互联网技术，加装高清数字摄像头，实现远程监控及自动跟随拍摄的功能，打造一个智能跟随拍摄机器人平台，可有效地代替人工拍摄；基于无线WiFi模块与蓝牙适配器的设置，通过手机连接或网络连接管理机器人，可请求Web应用程序或者使用手机APP操控和维护本机器人，使得它可以运载物品，如平板电脑或茶杯等；利用超声波测距与温度补偿技术，实现机器人在移动过程中的精确测距与自动避障功能；在底盘的通风孔上方加装电动散热风扇，加速鼓形箱体内热量的散发。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的正视结构示意图。
图3是本发明的仰视结构示意图。
图4是本发明的控制电路原理图。
附图中的各部件标注：1-超声波传感器；2-连接杆；3-大轮；4-底盘；5-小轮；6-散热风扇；7-第一层平台；8-电脑主机；9-第二层平台；10-平板电脑；11-夹具；12-USB蓝牙适配器；13-机械臂；14-kinect视觉体感器；15-第三层平台；16-高清数字摄像机；17-无线WiFi模块；18-鼓形箱体；19-通风孔；U1-stm32单片机；U2-arduino单片机；U3-双直流无刷电机智能控制器；M-直流无刷电机；L-温度计；A-USB转TTL串口模块。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明的基于视觉的服务机器人平台，包括机械结构；所述机械结构上安装有电脑主机模块、自动避障模块、视觉识别模块、数字摄像模块、遥控维护模块和散热模块；
所述机械结构包括鼓形箱体18和底盘4；
所述鼓形箱体18顶部安装有可旋转调节的机械臂13；所述机械臂13其末端连接有夹具11；所述鼓形箱体18内部由下至上依次设置有第一至第三层平台7、9、15，且每层平台由连接杆2连接并支撑；所述底盘4上安装有两大轮3和两小轮5；两所述大轮3分别通过联轴器连接一直流无刷电机M；所述底盘4上开设有多个通风孔19；
所述电脑主机模块包括电脑主机8和stm32单片机U1；所述电脑主机8引出USB线且通过USB转TTL串口模块A连接至stm32单片机U1；所述电脑主机8设置于第一层平台7和第二层平台9之间；
所述自动避障模块由三个超声波传感器1、一温度计L及一arduino单片机U2组成；所述超声波传感器1其信号端及温度计其信号端分别与arduino单片机电连接；所述arduino单片机U2与stm32单片机U1通过通信接口电连接；
所述视觉识别模块包括一kinect视觉体感器14；所述kinect视觉体感器14设置于鼓形箱体18顶部的正前方位置；所述kinect视觉体感器14通过USB连接线与电脑主机8电连接；
所述数字摄像模块包括一高清数字摄像机16；所述高清数字摄像机16设置于鼓形箱体18顶面的右侧位置；所述高清数字摄像机16通过网线与电脑主机8电连接；
所述遥控维护模块由一无线WiFi模块17和一电脑USB蓝牙适配器12构成；所述无线WiFi模块17设置于鼓形箱体18顶面的右方位置；所述USB蓝牙适配器12设置于鼓形箱体18顶面的左方位置；所述无线WiFi模块17和电脑USB蓝牙适配器12分别与电脑主机8电连接；
所述散热模块包括一固定于底盘4的通风孔19上方的散热风扇6；所述散热风扇6与stm32单片机U1电连接；
所述直流无刷电机M通过引出的霍尔线与编码器线连接至双直流无刷电机智能控制器U3；所述双直流无刷电机智能控制器U3其控制端口与stm32单片机U1电连接。
所述电脑主机8放置于第一层平台7的隔板上；所述stm32单片机U1、arduino单片机U2与双直流无刷电机智能控制器U3均放置于所述第二层平台9上方。
所述机械臂13为双关节式转动机械臂，其设置有两个转动副；所述机械臂13设置于鼓形箱体18上表面的正中央位置，且与第三层平台15通过多个螺栓连接并且固定。
三个所述超声波传感器1设置于距离底盘110mm高的鼓形箱体18表面，且居中的所述超声波传感器1朝向机器人的正前方，另外两个所述超声波传感器1分别相对居中的所述超声波传感器1以顺时针方向60°及逆时针方向60°位置固定安装。
所述夹具11上夹持有平板电脑10。
本发明的基于视觉的服务机器人平台工作原理如下：
底盘的前后位置对称设置了两个小轮，两小轮不设动力源，把本发明的机器人平放在地面时，恰好四个轮子能同时着地；机器人的移动由两大轮带动两小轮移动，从stm32单片机的数字引脚(PA6、PA7引脚)输出相同频率且相同正占空比的PWM脉冲，控制两大轮等速转动，实现直线行走；通过stm32单片机的数字引脚输出相同频率但不同正占空比的PWM脉冲，使两大轮之间产生差速，实现机器人的360°旋转移动；
通过对arduino单片机的编程，实现超声测距，由LM35温度计测温，用温度算出音速，再根据音速算出三个方向上的障碍物距离，当某个方向上的测距值小于预设的避障有效距离值(有效避障距离设置为10cm)，arduino单片机将向stm32单片机发送避障指令，stm32单片机将输出相适应的PWM脉冲来控制两个大轮的转向，绕开障碍物行走；
基于Kinect for Windows SDK平台开发,通过编程实现，Kinect视觉体感器前方将会扫描到一个跟踪区域(前方宽0.4米，长0.8米，高0.4米的立方体)，这个跟踪区域是由深度摄像头决定的，在这个跟踪区域内，Kinect SDK里的程序将会计算前方有效区域内的物体的形状中心，然后将其与程序设定的跟踪中心进行比较，物体形状中心的距离正向变远，电脑主机将通过USB转TTL串口模块，向stm32单片机发送前进的字符命令；从stm32单片机的数字引脚(PA6、PA7引脚)输出相同频率、相同正占空比且正占空比被放大的PWM脉冲，进而驱动两个直流无刷电机带动两个大轮同步前进，直到物体的形状中心与程序设定的跟踪中心吻合，机器人停止前进；当物体形状中心的距离发生右偏移，stm32单片机的数字引脚输出相同频率但不同正占空比的PWM脉冲，触发与大轮连接的左侧的直流无刷电机的PWM脉冲的占空比要比触发左侧的直流无刷电机的PWM脉冲的占空比大，实现左大轮速度比右大轮速度大，机器人往右边旋转，当物体的形状中心与程序设定的跟踪中心出现在同一直线上，Kinect再根据物体形状中心的距离正向变远或正向靠近，从stm32单片机的数字引脚(PA6、PA7引脚)输出相同频率、相同占空比的PWM脉冲，进而驱动两个直流无刷电机带动两个大轮同步前进或者后退；
通过网线连接到鼓形箱体里的电脑主机，并配置数字监控的网络IP地址，并通过无线WiFi模块连接互联网，实现网络监控的功能；结合前面已实现的自动跟随功能与网络监控的功能，可实现自动跟随拍摄的功能，打造一个智能跟随拍摄机器人平台，有效地代替人工拍摄；为多种环境，比如教学平台、售后服务平台、车间、家庭等，提供智能拍摄服务；
在鼓形箱体的上表面，其左右两侧对称设置了一个电脑USB蓝牙适配器与一个无线WiFi模块，这两个模块连接至电脑主机的USB接口；通过网络连接管理机器人，由工作台的电脑请求远程，可控制服务机器人上的电脑系统，进而发出程序命令以操控和维护该机器人，使得它可以运载物品，如平板电脑或茶杯等，为家庭、办公室提供娱乐服务；
通过散热风扇和通风孔及时将鼓形箱体内的热量排出；
直流无刷电机通过引出的霍尔线(U、V、W线)与编码器线(A相线、B相线)连接至双直流无刷电机智能控制器；且双直流无刷电机智能控制器其控制端口与stm32单片机电连接；Stm32单片机用于采集其他模块信号，转换成控制指令，最终实现控制两个大轮的行走模式；
其中，采用两大轮、两小轮的移动机构，由两大轮带动两小轮，具有360°旋转及全方位移动的优势；
鼓形箱体前方设置120°广角的三个超声波模块，具有自动避障的功能，超声测距系统加设温度补偿模块，使得该避障系统的灵敏度高、稳定性好，系统受干扰的因子少；
基于kinect体感技术的开发，具有识别自动跟踪的智能技术，可以识别前方区域移动物体的相对位置，进而执行相对应的命令指示，如跟着主人走，增加了人工智能，操作方便；
由WiFi模块与蓝牙模块组成的遥控维护系统，可实现网络管理该机器人，具有多种控制方式；通过远程操控该服务机器人，可用于运载物品，如平板电脑或水杯等；
加装高清数字摄像头，使机器人连接互联网，可实现远程监控及自动跟随拍摄的功能；特别是自动跟随拍摄功能的实现，打造了一个智能跟随拍摄机器人平台，有效地代替了人工拍摄，实现智能跟踪拍摄；
适用于多种环境，如教学平台、售后服务平台、车间、家庭等，监视某一个人的各种活动或全程直播特定人员的技术动作讲解，特别是车间教学、售后技术服务，具有很好的应用前景。
上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (5)
1.一种基于视觉的服务机器人平台，其特征在于：包括机械结构；所述机械结构上安装有电脑主机模块、自动避障模块、视觉识别模块、数字摄像模块、遥控维护模块和散热模块；
所述机械结构包括鼓形箱体和底盘；
所述鼓形箱体顶部安装有可旋转调节的机械臂；所述机械臂其末端连接有夹具；所述鼓形箱体内部由下至上依次设置有第一至第三层平台，且每层平台由连接杆连接并支撑；所述底盘上安装有两大轮和两小轮；两所述大轮分别通过联轴器连接一直流无刷电机；所述底盘上开设有多个通风孔；
所述电脑主机模块包括电脑主机和stm32单片机；所述电脑主机引出USB线且通过USB转TTL串口模块连接至stm32单片机；所述电脑主机设置于第一层平台和第二层平台之间；
所述自动避障模块由三个超声波传感器、一温度计及一arduino单片机组成；所述超声波传感器其信号端及温度计其信号端分别与arduino单片机电连接；所述arduino单片机与stm32单片机通过通信接口电连接；
所述视觉识别模块包括一kinect视觉体感器；所述kinect视觉体感器设置于鼓形箱体顶部的正前方位置；所述kinect视觉体感器通过USB连接线与电脑主机电连接；
所述数字摄像模块包括一高清数字摄像机；所述高清数字摄像机设置于鼓形箱体顶面的右侧位置；所述高清数字摄像机通过网线与电脑主机电连接；
所述遥控维护模块由一无线WiFi模块和一电脑USB蓝牙适配器构成；所述无线WiFi模块设置于鼓形箱体顶面的右方位置；所述USB蓝牙适配器设置于鼓形箱体顶面的左方位置；所述无线WiFi模块和电脑USB蓝牙适配器分别与电脑主机电连接；
所述散热模块包括一固定于底盘的通风孔上方的散热风扇；所述散热风扇与stm32单片机电连接；
所述直流无刷电机通过引出的霍尔线与编码器线连接至双直流无刷电机智能控制器；所述双直流无刷电机智能控制器其控制端口与stm32单片机电连接。
2.根据权利要求1所述的基于视觉的服务机器人平台，其特征在于：所述电脑主机放置于第一层平台的隔板上；所述stm32单片机、arduino单片机与双直流无刷电机智能控制器均放置于所述第二层平台上方。
3.根据权利要求1所述的基于视觉的服务机器人平台，其特征在于：所述机械臂为双关节式转动机械臂，其设置有两个转动副；所述机械臂设置于鼓形箱体上表面的正中央位置，且与第三层平台通过多个螺栓连接并且固定。
4.根据权利要求1所述的基于视觉的服务机器人平台，其特征在于：三个所述超声波传感器设置于距离底盘110mm高的鼓形箱体表面，且居中的所述超声波传感器朝向机器人的正前方，另外两个所述超声波传感器分别相对居中的所述超声波传感器以顺时针方向60°及逆时针方向60°位置固定安装。
5.根据权利要求1所述的基于视觉的服务机器人平台，其特征在于：所述夹具上夹持有平板电脑。
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| CN (1) | CN106863324A (zh) |
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2017
- 2017-03-07 CN CN201710131310.0A patent/CN106863324A/zh active Pending
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170620 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |