CN107297748A - 一种餐厅服务机器人系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种餐厅服务机器人系统及应用，系统包括底盘机构、机器人外壳、摄像头、超声波避障机构、工控机、可充电锂电池、上位机机构、图案地图，机器人外壳安装在底盘机构上，超声波避障机构和工控机固定在底盘机构上方，机器人外壳内部，使用可充电锂电池供电，所述可充电锂电池固定在底盘机构上方，机器人外壳内部；所述摄像头固定在机器人外壳顶部外侧，面向上方图案地图，通过USB与工控机相连。本发明由于使用相对稳定、干扰较小的天花板图案地图作为特征路标，避免了路面上物体和人运动带来的干扰，系统鲁棒性更强；使用视觉SLAM导航方法，能实现机器人自主导航，更为灵活和智能。

Description

一种餐厅服务机器人系统及应用
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其是涉及一种餐厅服务机器人系统及应用。
背景技术
近年来，机器人技术飞速发展，通过机器人代替人类完成一些工作任务成为可能。在餐饮服务业，通过机器人完成送餐任务，不仅可以成为企业的招揽顾客的特色和亮度，更能节省用工成本，提高送餐效率，因而餐厅服务机器人也越来越得到餐饮企业的重视和欢迎。
但是目前市面上的餐厅服务机器人或是需要借助铺设磁轨迹来实现循迹移动，美观度和灵活性较低，或是不能很好处理运动人群对目标识别带来的干扰，稳定性和可靠性较低。
总之，现有技术存在的问题是：餐厅服务机器人不能在存在人员流动的复杂环境中实现无轨化自主导航。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种餐厅服务机器人系统，以实现能够在存在人员流动的室内餐厅复杂环境下实现无轨化自主导航，完成送餐任务。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种餐厅服务机器人系统，包括
底盘机构，用于实现机器人运动，并搭载机器人外壳、超声波避障机构、工控机和可充电锂电池；
所述机器人外壳安装在底盘机构上，超声波避障机构和工控机固定在底盘机构上方，机器人外壳内部，使用可充电锂电池供电，所述可充电锂电池固定在底盘机构上方，机器人外壳内部；
所述机器人外壳搭载摄像头组，所述摄像头组固定在机器人外壳顶部外侧，通过USB与工控机相连；
所述超声波避障机构用于采集超声波测距传感器的数据并传输至工控机；
所述工控机用于接收并处理摄像头组和超声波避障机构的信息，并向底盘机构发送运动指令；
所述可充电锂电池用于向底盘机构、超声波避障机构和工控机供电；
还包括上位机机构，所述上位机机构连接工控机，用于向工控机下达命令，并显示其电量、位姿信息。
进一步的，所述餐厅服务机器人系统还包括绘制或张贴在天花板上的图案地图，用于提供足够多的路标特征。
进一步的，所述底盘机构包括底盘、二个电机、驱动器、二个主动轮和四个从动轮；
所述驱动器固定在底盘上，与二个电机相连，二个主动轮位于底盘左右两边，每个主动轮的轮轴分别与一个电机相连，四个从动轮为万向轮，固定在底盘下方，分别位于底盘的左前、右前、左后、右后位置。
进一步的，所述驱动器通过串口转USB模块与工控机的USB口连接，工控机向驱动器发送速度指令。
进一步的，所述机器人外壳包括用于托持托盘或物体的托持手臂、用于超声波避障机构采集外部信息的孔洞、用于供可充电锂电池充电的充电插口、用于对工控机或可充电锂电池操作的操作开关口和主壳体；
所述托持手臂位于主壳体中部前方，与主壳体一体，孔洞、充电插口和操作开关口位于主壳体下部，孔洞围绕主壳体一周均匀分布，操作开关口通过螺栓与主壳体固定，可从外侧安装或拆卸。
进一步的，所述摄像头组包括两个水平放置的摄像头，其中主摄像头放置在机器人顶部的中心，用于正常的图像处理，辅摄像头与主摄像头在同一平面，且与主摄像头有一定间距，用于对主摄像头定位结果进行校验和修正。
进一步的，所述超声波避障机构包括多个超声波测距传感器和避障功能板，超声波测距传感器固定在机器人外壳的孔洞处，通过杜邦线与避障功能板的IO口连接，避障功能板处理超声波测距传感器的数据，并通过串口转USB模块与工控机的USB口连接。
进一步的，所述避障功能板，包括微控制器MCU、IO排针口、电源管理模块，IO排针口由微控制器引出，并与超声波测距传感器连接，电源管理模块与工控机通过USB连接，由工控机供电，并完成电压转和稳压功能.
进一步的，所述上位机机构包括上位机和无线路由器，上位机通过无线路由器与工控机信号连接。
相对于现有技术，本发明所述的一种餐厅服务机器人系统具有以下优势：
(1)定位计算效率高：使用两个摄像头分别匹配，比使用一个覆盖相同范围的摄像头进行匹配，运算量小，计算效率高。
(2)定位稳定性好：通过辅摄像头对主摄像头的校验和判断，避免了单独依靠主摄像头匹配，陷入局部最优解而导致定位错误的情况。
(3)避障更安全：通过超声波全方位覆盖，能充分检测出现的动态障碍物，比小波束角的红外避障相比，不会出现漏检情况，更加安全。
(4)避障更智能：全方位覆盖的超声波避障设计，使机器人能安全的向各方位运动，同时引入势场法，能够综合考虑多个障碍物，并能动态移动，避开障碍物。
(5)兼顾实时性和计算能力：对于实时性要求较高的部分，如超声波数据的读取，电机的驱动等，使用板级处理系统，如电机驱动器和避障功能板，保证了系统的实时性；采用工控机代替普通板级系统作为核心处理单元，计算能力更强，可以更好的实现方法中大量的图像计算，通过接口技术，连接板级系统和工控机，从整体上兼顾了系统的实时性和计算能力。
本发明在另一目的在于提出一种餐厅服务机器人进行定位导航的方法，以实现能够在存在人员流动的室内餐厅复杂环境下实现无轨化自主导航，完成送餐任务。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种餐厅服务机器人进行定位导航的方法，包括如下步骤
S1：预先在天花板设置与相邻视野内的图像具有明显差异性的图案；
S2：通过上位机机构向工控机发送指定的目标点位姿；
S3：使得机器人遍历餐厅，拍摄顶部图像，拼接得到全局图像；
S4：利用避障功能板采集所有超声波测距传感器的距离信息，距离小于设定阈值则认为存在障碍物，避障功能板将障碍物信息反馈给工控机；
S5：通过主摄像头采集图像，利用光流法计算相对位移，并在此基础上进行图像匹配，得到初步定位；
S6：通过辅摄像头采集图像，并与基于初步定位和主辅摄像头位置关系推算的理论图像进行匹配。如果匹配度较高，则输出初步定位结果；如果匹配度较低，则采用光流法计算的相对位移推算当前位姿并输出；
S7：将目标位姿作为引力场，障碍物作为斥力场，更加合成力场的大小和方向，由工控机向驱动器发送速度指令，驱动机器人运动；
S8：判断机器人是否到达目标位姿，是则停止运动，等待下一次指令，否则重复步骤S4-S8。
本发明所述的一种餐厅服务机器人进行定位导航的方法与上述一种餐厅服务机器人系统的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种餐厅服务机器人系统的结构框图；
图2为本发明实施例所述的底盘机构的结构框图；
图3为本发明实施例所述的机器人外壳的结构示意图；
图4为本发明实施例所述的上位机机构与工控机的连接示意图。
附图标记说明：
1-底盘机构，2-机器人外壳，3-摄像头组，4-超声波避障机构，5-工控机，6-可充电锂电池，7-上位机机构，8-图案地图；11-底盘；12-电机；13-驱动器；14-主动轮；15-从动轮；21-托持手臂；22-孔洞；23-充电插口；24-操作开关口；25-主壳体；71-上位机；72-无线路由器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明餐厅服务机器人系统，包括：
底盘机构1，用于实现机器人运动，并搭载机器人外壳2、超声波避障机构4、工控机5和可充电锂电池6。
机器人外壳2，用于托持物体、美化外观、防风防尘，并搭载摄像头组3。
摄像头组3，用于拍摄图像，以便拼接图案地图8和实现定位；
超声波避障机构4，用于采集超声波测距传感器的数据、判断是否存在障碍物，以及障碍物的方位、距离，并向工控机反馈。
工控机5，用于处理摄像头组3和超声波避障机构4的信息，实现定位和避障，并向底盘机构发送运动指令；
可充电锂电池6，用于向底盘机构1、超声波避障机构4和工控机5供电；
上位机机构7，用于通过无线通信向工控机5下达命令，并显示其电量、位姿信息；
图案地图8，用于提供足够多的路标特征；
所述机器人外壳2安装在底盘机构1上，超声波避障机构4和工控机5固定在底盘机构1上方，机器人外壳2内部，使用可充电锂电池6供电，所述可充电锂电池6固定在底盘机构1上方，机器人外壳2内部；
所述摄像头组3固定在机器人外壳2顶部外侧，面向上方图案地图8，通过USB与工控机5相连；
所述图案地图8绘制或张贴在天花板上。
如图2所示，所述底盘机构1包括底盘11、二个电机12、驱动器13、二个主动轮14和四个从动轮15；
所述驱动器13固定在底盘11上，与二个电机12相连，二个主动轮14位于底盘11左右两边，每个主动轮14的轮轴分别与一个电机12相连，四个从动轮15为万向轮，固定在底盘11下方，分别位于底盘11的左前、右前、左后、右后位置。
如图2所示，所述驱动器13通过串口转USB模块与工控机5的USB口连接，工控机5向驱动器13发送速度指令。
底盘机构1采用无刷直流电机，驱动器13可独立驱动两个主动轮14电机12，两个主动轮14位于左右两边，四个从动轮15为万向轮，分别位于左前、右前、左后、右后位置。所述电机驱动器13与工控机5通过串口线连接，工控机5向电机驱动器13发送PWM信号，控制电机12转动。
如图3所示，所述机器人外壳2包括用于托持托盘或物体的托持手臂21、用于超声波避障机构4采集外部信息的孔洞22、用于供可充电锂电池6充电的充电插口23、用于必要时对工控机5或电池操作的操作开关口24和主壳体25；
所述托持手臂21位于主壳体25中部前方，与主壳体25一体，孔洞22、充电插口23和操作开关口24位于主壳体25下部，孔洞22围绕主壳体一周均匀分布，操作开关口24通过螺栓与主壳体25固定，可从外侧安装或拆卸。
所述超声波避障机构4包括多个超声波测距传感器和避障功能板，超声波测距传感器固定在机器人外壳2的孔洞22处，通过杜邦线与避障功能板的IO口连接，避障功能板处理超声波测距传感器41的数据，并通过串口转USB模块与工控机5的USB口连接。
所述避障功能板主要包括微控制器(MCU),IO排针口，电源管理模块。IO排针口由微控制器引出，并与超声波测距传感器连接。电源管理模块与工控机5通过USB连接，由工控机5供电，并完成电压转和稳压功能。
如图4所示，所述上位机机构7包括上位机71和无线路由器72，上位机71通过无线路由器72与工控机5信号连接。
工控机5选用i7-4510U处理器，8G内存，128G固态硬盘，内置无线网卡，用于无线通信。工控机5向驱动器13发送PWM信号，控制电机转动。
本发明通过顶部的摄像头采集图像，在图案地图中寻找特征作为目标，通过SLAM算法实现无障碍情况下的视觉导航。摄像头与机器人外壳固定，即摄像头随着机器人的运动而运动。
采用多个数字超声波测距传感器，均匀分布在底盘四周，通过串口转USB模块与工控机相连。当数字超声波测距传感器检测到障碍物时，则告诉程序，驱动机器人完成避障。
上位机编写应用软件完成与机器人的交互和监控。通过上位机给机器人下达运动的起点和终点，机器人按指令进行规划和运动，并向上位机反馈当前状态，并在上位机界面显示。当出现紧急情况时，可以通过上位机停止或控制机器人运动。具体包括图像步骤：
S1：布置天花板图案：确保主摄像头在任意位置视野内的图像与相邻位置视野内的图像具有明显差异性。
S2：指定目标点：通过上位机机构7向工控机5发送指定的目标点位姿。
S3：构建全局地图：让机器人遍历餐厅，拍摄顶部图像，拼接得到全局图像8。
S4：避障检测：避障功能板采集所有超声波测距传感器的距离信息。距离小于设定阈值则认为存在障碍物。避障功能板将障碍物信息反馈给工控机5。
S5：初步定位：通过主摄像头采集图像，利用光流法计算相对位移，并在此基础上进行图像匹配，得到初步定位。
S6：定位校准：通过辅摄像头采集图像，并与基于初步定位和主辅摄像头位置关系推算的理论图像进行匹配。如果匹配度较高，则输出初步定位结果。如果匹配度较低，则采用光流法计算的相对位移推算当前位姿并输出。
S7：运动控制：将目标位姿作为引力场，障碍物作为斥力场，更加合成力场的大小和方向，由工控机5向驱动器13发送速度指令，驱动机器人运动。
S8：到位判断：判断机器人是否到达目标位姿，是则停止运动，等待下一次指令。否则重复步骤S4-S8。
本发明由于使用相对稳定、干扰较小的天花板图案地图作为特征路标，避免了路面上物体和人运动带来的干扰，系统鲁棒性更强。同时，图案地图布置在天花板上，相比磁轨迹等，更为美观，对地面影响较小。最后，使用视觉SLAM导航方法，能实现机器人自主导航，更为灵活和智能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：包括
底盘机构(1)，用于实现机器人运动，并搭载机器人外壳(2)、超声波避障机构(4)、工控机(5)和可充电锂电池(6)；
所述机器人外壳(2)安装在底盘机构(1)上，超声波避障机构(4)和工控机(5)固定在底盘机构(1)上方，机器人外壳(2)内部，使用可充电锂电池(6)供电，所述可充电锂电池(6)固定在底盘机构(1)上方，机器人外壳(2)内部；
所述机器人外壳(2)搭载摄像头组(3)，所述摄像头组(3)固定在机器人外壳(2)顶部外侧，通过USB与工控机(5)相连；
所述超声波避障机构(4)用于采集超声波测距传感器的数据并传输至工控机(5)；
所述工控机(5)用于接收并处理摄像头组(3)和超声波避障机构(4)的信息，并向底盘机构(1)发送运动指令；
所述可充电锂电池(6)用于向底盘机构(1)、超声波避障机构(4)和工控机(5)供电；
还包括上位机机构(7)，所述上位机机构(7)连接工控机(5)，用于向工控机(5)下达命令，并显示其电量、位姿信息。
2.根据权利要求1所述的一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：所述餐厅服务机器人系统还包括绘制或张贴在天花板上的图案地图(8)，用于提供足够多的路标特征。
3.根据权利要求1所述的一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：所述底盘机构(1)包括底盘(11)、二个电机(12)、驱动器(13)、二个主动轮(14)和四个从动轮(15)；
所述驱动器(13)固定在底盘(11)上，与二个电机(12)相连，二个主动轮(14)位于底盘(11)左右两边，每个主动轮(14)的轮轴分别与一个电机(12)相连，四个从动轮(15)为万向轮，固定在底盘(11)下方，分别位于底盘(11)的左前、右前、左后、右后位置。
4.根据权利要求3所述的一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：所述驱动器(13)通过串口转USB模块与工控机(5)的USB口连接，工控机(5)向驱动器(13)发送速度指令。
5.根据权利要求1所述的一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：所述机器人外壳(2)包括用于托持托盘或物体的托持手臂(21)、用于超声波避障机构(4)采集外部信息的孔洞(22)、用于供可充电锂电池(6)充电的充电插口(23)、用于对工控机(5)或可充电锂电池(6)操作的操作开关口(24)和主壳体(25)；
所述托持手臂(21)位于主壳体(25)中部前方，与主壳体一体，孔洞(22)、充电插口(23)和操作开关口(24)位于主壳体(25)下部，孔洞(22)围绕主壳体一周均匀分布，操作开关口(24)通过螺栓与主壳体(25)固定，可从外侧安装或拆卸。
6.根据权利要求1所述的一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：所述摄像头组(3)包括两个水平放置的摄像头，其中主摄像头放置在机器人顶部的中心，用于正常的图像处理，辅摄像头与主摄像头在同一平面，且与主摄像头有一定间距，用于对主摄像头定位结果进行校验和修正。
7.根据权利要求5所述的一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：所述超声波避障机构(4)包括多个超声波测距传感器和避障功能板，超声波测距传感器固定在机器人外壳(2)的孔洞(22)处，通过杜邦线与避障功能板的IO口连接，避障功能板处理超声波测距传感器的数据，并通过串口转USB模块与工控机(5)的USB口连接。
8.根据权利要求7所述的一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：所述避障功能板，包括微控制器MCU、IO排针口、电源管理模块，IO排针口由微控制器引出，并与超声波测距传感器连接，电源管理模块与工控机(5)通过USB连接，由工控机(5)供电，并完成电压转和稳压功能。
9.根据权利要求1所述的一种餐厅服务机器人系统，其特征在于：所述上位机机构(7)包括上位机(71)和无线路由器(72)，上位机(71)通过无线路由器(72)与工控机(5)信号连接。
10.利用上述餐厅服务机器人进行定位导航的方法，其特征在于：包括如下步骤
S1：预先在天花板设置与相邻视野内的图像具有明显差异性的图案；
S2：通过上位机机构(7)向工控机(5)发送指定的目标点位姿；
S3：使得机器人遍历餐厅，拍摄顶部图像，拼接得到全局图像；
S4：利用避障功能板采集所有超声波测距传感器的距离信息，距离小于设定阈值则认为存在障碍物，避障功能板将障碍物信息反馈给工控机(5)；
S5：通过主摄像头采集图像，利用光流法计算相对位移，并在此基础上进行图像匹配，得到初步定位；
S6：通过辅摄像头采集图像，并与基于初步定位和主辅摄像头位置关系推算的理论图像进行匹配。如果匹配度较高，则输出初步定位结果；如果匹配度较低，则采用光流法计算的相对位移推算当前位姿并输出；
S7：将目标位姿作为引力场，障碍物作为斥力场，更加合成力场的大小和方向，由工控机(5)向驱动器(13)发送速度指令，驱动机器人运动；
S8：判断机器人是否到达目标位姿，是则停止运动，等待下一次指令，否则重复步骤S4-S8。
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