CN107357292A - 一种儿童室内智能看护系统及其看护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人智能应用领域，具体涉及一种儿童室内智能看护系统及其看护方法。一种儿童室内智能看护系统，包含看护机器人,其特征在于：所述看护机器人包含主处理器、存储装置、行走装置、地图扫描绘制模块、电源模块和智能跟随模块，所述存储装置、所述行走装置、所述地图扫描绘制模块、所述电源模块和所述智能跟随模块均与所述主处理器连接。本发明的目的是提供一种儿童室内智能看护系统及其看护方法，通过机器人对儿童的智能跟随功能和室内环境的地图构建功能，能有效帮助看护人实时跟随儿童，且当儿童进入自定义危险区时会产生警报来警示家长，增加安全性。

Description

一种儿童室内智能看护系统及其看护方法

技术领域

本发明涉及机器人智能应用领域，具体涉及一种儿童室内智能看护系统及其看护方法。

背景技术

我国人口众多，随着生育政策的调整，儿童数量也随之慢慢增长。儿童出生之后，学龄前的儿童由于智力和身体的发育尚不完全，需要成年人长期陪伴看管。而儿童阶段是运动、语言等能力发展最快的敏感期，其重要性不言而喻，这往往需要家长付出大量的精力和成本。

而作为孩子的监护人，即孩子的父母往往需要工作，无法陪伴的孩子有限，传统的看护孩子的教育方式就变成了由老人或者保姆看护。而保姆看护还存在一定的风险，在个别案例中，客观存在着保姆虐待或者伤害孩童的情况发生，这种情况也影响着家长对于保姆看护这种方式的信心。

随着智能化应用的普及和互联网技术的成熟，作为看护的补充，不少家长会尝试智能机器人的陪伴方式。智能机器人能陪伴在孩子身旁，达到一定程度的人机交互的交流。但是目前市面上的智能机器人，基本都是完成最基础的人机交互功能，例如基本问答，儿歌，故事，也有一部分产品实现了视频对话等功能，这些功能在技术上还处于人机交互的初级阶段，在功能上更侧向于早教娱乐而不是安全看护。

而在看护领域，安全显得尤为重要。根据联合国儿童基金会披露的一组数据，全世界每天平均有2000个家庭因为儿童意外伤害失去孩子，儿童的意外伤害高发年龄集中在1-5岁，并且造成意外伤害的主要原所是家里，这个比例高达43.2％。5岁以下的儿童天性好奇，精力充沛喜欢在家里跑里跑去且并无固定运动轨迹，需要家长时刻陪护。由于家长疏忽，儿童在家中玩耍时从阳台坠下，厨房烫伤，浴缸溺亡的事故时有发生，儿童室内安全问题不容忽视。

发明内容

本发明的目的是提供一种儿童室内智能看护系统及其看护方法，通过机器人对儿童的智能跟随功能和室内环境的地图构建功能，能有效帮助看护人实时跟随儿童，且当儿童进入自定义危险区时会产生警报来警示家长，增加安全性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种儿童室内智能看护系统，包含看护机器人,所述看护机器人包含主处理器、存储装置、行走装置、地图扫描绘制模块、电源模块和智能跟随模块，所述存储装置、所述行走装置、所述地图扫描绘制模块、所述电源模块和所述智能跟随模块均与所述主处理器连接；

所述行走装置用于驱动所述看护机器人的行走和转向；

所述地图扫描绘制模块用于扫描室内环境且生成室内模拟立体地图；

所述存储装置用于存储所述室内模拟立体地图数据；

所述智能跟随模块用于在室内环境中识别出儿童，且驱动所述行走装置跟随儿童。

作为本发明的优选，所述地图扫描绘制模块包含激光测距传感器、碰撞传感器、陀螺仪和里程计。

作为本发明的优选，所述智能跟随模块包含识别单元、控制计算单元和行为运动单元；所述识别单元用于识别儿童；所述控制计算单元根据捕获的实时图像中建立的三围模型中各点深度距离生成控制信号且发送给所述行为运动单元，所述行为运动单元驱动所述行走装置运动和/或转向。

作为本发明的优选，所述识别单元包括人脸识别单元和身高识别单元。

作为本发明的优选，所述地图扫描绘制模块连接有定义模块，所述定义模块用于自定义安全区和危险区，当所述看护机器人识别出儿童进入危险区会启动警示程序。

作为本发明的优选，所述主处理器还连接有语音控制模块，所述语音控制模块可识别儿童的哭声并启动警示程序。

作为本发明的优选，还包含与所述主处理器连接的娱乐模块，所述存储装置中存储有交互数据，所述娱乐模块用于控制播放所述交互数据。

一种儿童室内智能看护系统的使用方法，包含如下步骤：

步骤1：扫描步骤；

通过地图扫描绘制模块在看护机器人在室内行走的过程中，收集到室内数据；

步骤2：地图生成步骤；

通过扫描步骤中收集到的室内数据生成室内地图；

步骤3：定位步骤；

看护机器人定位出自身在所述室内地图中的位置；

步骤4：识别步骤；

看护机器人通过识别人脸数据和身高数据，识别出儿童；

步骤5：智能跟随步骤；

根据儿童的位置、自身的位置和所述室内地图数据，与儿童保持指定距离进行跟随。

作为本发明的优选，在步骤4，识别步骤之后，根据采集到的儿童影像进行三维建模；将采集到的场景图像与所述室内地图进行匹配，匹配成功后获取儿童在室内地图中的位置数据。

作为本发明的优选，在步骤2，地图生成步骤后，还包含用户设置步骤，用户将所述室内地图设成安全区和危险区，当识别到儿童进入危险区时，系统进行警示程序。

本技术方案具备以下优点：

1、本系统的看护机器人和监控客户端可进行实时的数据通信，监控及时。

2、可生成室内地图模型，用户可设置允许儿童活动的安全区和不允许儿童活动的非安全区。

3、可对儿童进行智能跟随，从而达到危险预警的功能。

附图说明

图1是本发明中的看护机器人的各模块示意图；

图2是地图扫描绘制模块的示意图；

图3是智能跟随模块的示意图；

图4是实施例1中应用在手机上的界面示意图。

具体实施方式

以下具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例1，如本文的背景技术中所述，儿童,尤其是5岁以下的儿童看护问题已经是每个家长高度重视的一个问题.即使是家里有家长或者老人在陪伴,往往家长或老人还有家务工作或者其他事由无法一直对孩子进行寸步不离的看护,而就是在这离开的短时间,例如一分钟内,由于儿童自我保护意识的薄弱,也存在发生危险事件或意外事件的可能性.

在本技术方案中,室内智能看护系统所使用到的技术是智能看护机器人.与上个世纪不同,如今,智能看护机器人的研发和应用技术已经基本成熟.机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现.由于传感器，控制，计算机，驱动及材料等领域技术在近年来得到飞速发展，机器人的设计与研究也向第三代机器人——智能机器人迈进。智能机器人带有多种传感器，并且能将多种传感器得到的信息进行有效的过滤、筛选、计算和融合，从而有效低适应变化的环境。由于软件算法的更新，智能机器人还具有很强的自适应、学习能力和自治能力。智能机器人技术涉及到多方面的学科与技术，如在图像处理、模式识别、机器视觉、人工作还能等领域会使用到计算机科学与技术的学科技术，而在运动控制，传感器技术等领域会使用到自动化科技和机械电子技术，它继承了多学科的发展成果，同时它也推动了多学科的发展，代表了高科技的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。

在本实施例中，一种儿童室内智能看护系统在硬件上包含两个部分,一个是上文提到的看护机器人,一个是家长使用的监控客户端。客户端可以安装在用户的手机中，也可以安装在诸如平板电脑、智能手表、PC电脑等硬件设备上。看护机器人上设置有通信模块，比如WIFI模块，用于将看护机器人上的数据传送给监控客户端，无论是实时影像，还是互动数据，还是孩子一定时间内的行动路线数据。

如图1所示，图1绘制的是本实施例中看护机器人的各模块示意图，看护机器人在硬件上设有行走装置，行走装置可以包含驱动装置、调速装置、传动装置、转向轮、驱动轮等常规机械结构，其功能为负责整个看护机器人的转向、制动、前进后退等行进动作。看护机器人还包含电源模块，电源模块可以为看护机器人的各个功能模块提供工作电流，可以为充电电池。而看护机器人是一个概念上的总称，根据市场喜好的不同，外形上可以设计成人形、动物形等，外形外观不做限制。

智能看护系统使用的第一步首先是扫描步骤，如图1所示，设有地图扫描绘制模块与主处理器连接。主处理器是看护机器人的核心计算处理部件，也是本方案中的核心智能控制模块，作为主要数据处理的部件。而地图扫描绘制模块中包含了数量众多，功能各异的处理器，用于搜集室内房间的信息数据。如图2所示，包含了激光测距传感器、碰撞传感器、陀螺仪、里程计等传感装置。进一步的，还可以包含诸如超声雷达传感器、电子罗盘传感器、GPS定位器等部件。其中，激光测距传感器，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离，在本案中，可以实时记录目标，例如墙壁或者障碍物与看护机器人的距离。而碰撞传感器相当一个微动控制开关，其工作状态可取决于碰撞时加速度的大小。在本案中，可使用机械式或电子式两种，当检测到看护机器人碰撞到障碍物时，可产生制动信号，并进行数据保存。陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，陀螺仪可以对转动、偏转的动作做很好的测量。即可以检测看护机器人的转向动作。而里程计和加速度计可以得到看护机器人的里程计数据和加速度数据。

这些传感装置可以设在看护机器人的地盘部分，多个处理器互相协作，同步采集并处理信息，通过定位和计算，将所采集到的数据发送给主处理器，由主处理器进行分析和处理来构建房间地图。另一方面，除了构建地图，本身看护机器人还可设有GPS定位器，进行实时定位。在这个过程中，主处理器根据激光测距传感器获取的精准距离信息以及陀螺仪方向数据、里程计数据、加速度计数据等全方位数据进行计算，通过算法可以实时构建房间地图，并准确知道自己在地图上的位置。在传感器的配合下，够知室内地面物体分布，识别障碍物。本文中所指的算法，主要采用了SLAM算法，Simultaneous Localization andMapping，即时定位与地图构建技术。这种算法支持机器人在定位的同时建立环境地图，机器人从未知环境的未知地点出发，在运动过程中通过重复观测到地图特征，例如墙角、柱子，来定位自身位置和姿态，再根据自身位置增量式的构建地图，从而达到同时定位和地图构建的目的。近年来，SLAM算法也越来越成熟，SLAM被运用在美国NASA火星车、Google无人驾驶汽车等高科技项目中。

至此，通过主处理器和地图扫描绘制模块和GPS定位器，就完成了步骤二地图生成步骤和步骤三定位步骤。

如图1所示，还设有定义模块，定义模块的作用是用户可浏览系统生成的室内地图进行危险程度的界限设定，例如，将房间设置成安全区域，而将阳台设置成非安全区域。不同的界限设定可以匹配不同的警示策略，例如当孩子进入非安全区域，看护机器人就会进行报警来提示家长。进一步的，系统还可以使用定义模块对非安全区域进行分层，例如分成一级非安全区域和二级非安全区域，对应的警示策略也不同。一级非安全区域如卫生间，孩子容易滑倒，危险程度不大，只需要进行普通报警即可。二级非安全区域例如阳台或者厨房，容易坠楼或者烫伤，危险程度高，报警提示可设置的更为响亮，同时匹配醒目的在用户的客户端上弹出提示来加强警示。

随后，进入步骤4，识别步骤，识别步骤是本技术方案的一个关键步骤，也是之后智能跟随步骤的一个前提。如图1和图3所示，在看护机器人上设有智能跟随模块，智能跟随模块上又包含有识别模块。在软件功能上，识别模块可分为人脸识别单元和身高识别单元，在硬件实现上，均可以采用如今已经成熟的3D摄像头。与传统的摄像头相比，3D摄像机有深度，而普通摄像机只是二维的是没有深度的，也就是每一个景象都是平面的，只是平面的连续播放；而3D因为有深度，看到的景象和眼睛所看到的景深是类似的，从这个层面上说，3D摄像头的识别能力要优于普通摄像头。

人脸识别单元用于识别儿童的脸部特征，但在某些场合，例如画面中有多个人脸，或者看护儿童背对着摄像头，此时身高识别单元就可以做一个较好的补充，可以识别出儿童的身高特征，人脸识别单元和身高识别单元共同配合工作可以极大的增加识别的正确率。

随后，进入步骤5，也是本技术方案的一个核心步骤，智能跟随步骤。在该步骤中，如图3所示，识别单元将捕捉到的人脸和身高的图像数据一并传输给看护机器人的控制计算单元，控制计算单元根据用户人脸和身高进行儿童三维模型的建模，此外，3D摄像头同时采集场景图像，采集到的场景图像数据与之前步骤2中生成的室内地图数据进行模型匹配，若是不匹配，表示场景图像数据采集有误，系统会进行重新采集，若是匹配，则进入下一步计算。下一步计算是计算儿童对应的三维模型相对于市内地图中的距离和方位数据，有了这个数据，控制计算发出控制信号给行为运动单元，给出具体的前进速度、前进方位、前进角度的数据，随后行为行动单元控制看护机器人的行走装置做出相应的行走动作，从而完成对儿童的自动智能跟随。

如图4所示，图4是当上文所述的监控客户端为安装在家长手机上的APP的一个界面效果，界面中手机上可显示上文中叙述的已经生成的室内地图的二维俯视示意图。在界面中央的小圆点表示此时看护机器人的实时位置，而图中左上方的大圆点表示此时看护儿童的实时位置。在手机APP下方有三个选项按钮，分别是视频、看护、娱乐三个功能，当用户点击视频，可以看到现场的实时视频，即看护机器人上的3D摄像头捕捉到的实时图像，通过通信模块，即WIFI模块传送而来。当用户点击看护按钮，就启动了智能跟随模式，看护机器人就会根据上文叙述的技术方案对看护儿童进行智能跟随。而看护机器人与儿童之间的距离可以通过用户实现进行系统设定或者实时调整。防止看护机器人与儿童距离过近会牵绊孩子的脚步反而影响儿童的安全性。而娱乐按钮则是看护机器人的人机交互的娱乐功能。如图1所示，看护机器人设有存储装置，存储装置可以是系统内置的ROM，或者是允许用于插拔的SD卡，TF卡等常规存储卡，上面可存储有动画片、儿歌、英语、音乐、游戏等素材。

通过上文的叙述，本实施例具备如下技术效果，

首先，用户可通过地图扫描绘制模块，进行室内环境的扫描，并形成地图数据存储在看护机器人的存储装置中；

其次，看护机器人设有人脸识别单元和身高识别单元，可以对儿童的脸部五官特征和其身高特征进行识别，即使儿童在图像中非正脸位置，抑或在图像中存在多个人物也能进行正确识别。

再次，看护机器人可对儿童进行自动跟随，只要儿童进入到预设的非安全区中，机器人即可进入警示模式，对家长发送警示信号。

最后，看护机器人通过通信模块与家长的监控客户端连接，家长可以实时点击按钮启动机器人的跟随模式，也可以监控现场的视频画面。

在这样的技术方案下，即使是家长只有一个家长，家长可以在书房办公或者在厨房忙碌，手旁放置一个手机来监控孩子的位置情况，当儿童进入阳台或者其他危险区域被看护机器人所捕获，看护机器人发出即时警告信号，家长可以第一时间跑出书房或厨房来保护孩子。

实施例2，与实施例1相比，增加了哭声预警和或分贝预警的功能。为了防止个别地区产生的极端案例，即保姆对孩童进行打骂或者虐待的行为，可被看护机器人即时捕捉到。

看护机器人上设有语音接收单元，可设置其分辨哭声，当看护机器人捕捉到哭声信号时，即可立刻进入报警模式，将当前视频录制保存并立刻发送到家长的监控客户端上。

具体的语音接收单元包含儿童哭声识别模块，其包括音频采集模块、音频处理模块和音频判断模块。其中，音频采集模块实时采集音频信息，音频处理模块将采集到的音频信息进行FFT变换，统计得到的基频频率和能量波形；音频判断模块，根据得到的基频频率和能量波形，判断所述音频是否为哭声，判断为哭声之后，进入报警模式。

出了儿童哭声识别模块，语音接收模块还包含分贝识别模块，当采集到的音频信息的音量分贝值高于预设值，即现场非常吵闹的时候，也可进入报警模式，进一步提高保姆看护孩子的安全性和监控有效性。

Claims (10)

1.一种儿童室内智能看护系统，包含看护机器人,其特征在于：所述看护机器人包含主处理器、存储装置、行走装置、地图扫描绘制模块、电源模块和智能跟随模块，所述存储装置、所述行走装置、所述地图扫描绘制模块、所述电源模块和所述智能跟随模块均与所述主处理器连接；

所述行走装置用于驱动所述看护机器人的行走和转向；

所述地图扫描绘制模块用于扫描室内环境且生成室内模拟立体地图；

所述存储装置用于存储所述室内模拟立体地图数据；

所述智能跟随模块用于在室内环境中识别出儿童，且驱动所述行走装置跟随儿童。

2.根据权利要求1所述的一种儿童室内智能看护系统，其特征在于：所述地图扫描绘制模块包含激光测距传感器、碰撞传感器、陀螺仪和里程计。

3.根据权利要求1所述的一种儿童室内智能看护系统，其特征在于：所述智能跟随模块包含识别单元、控制计算单元和行为运动单元；所述识别单元用于识别儿童；所述控制计算单元根据捕获的实时图像中建立的三围模型中各点深度距离生成控制信号且发送给所述行为运动单元，所述行为运动单元驱动所述行走装置运动和/或转向。

4.根据权利要求3所述的一种儿童室内智能看护系统，其特征在于：所述识别单元包括人脸识别单元和身高识别单元。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种儿童室内智能看护系统，其特征在于：所述地图扫描绘制模块连接有定义模块，所述定义模块用于自定义安全区和危险区，当所述看护机器人识别出儿童进入危险区会启动警示程序。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种儿童室内智能看护系统，其特征在于：所述主处理器还连接有语音控制模块，所述语音控制模块可识别儿童的哭声并启动警示程序。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种儿童室内智能看护系统，其特征在于：还包含与所述主处理器连接的娱乐模块，所述存储装置中存储有交互数据，所述娱乐模块用于控制播放所述交互数据。

8.一种儿童室内智能看护系统的使用方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1：扫描步骤；

通过地图扫描绘制模块在看护机器人在室内行走的过程中，收集到室内数据；

步骤2：地图生成步骤；

通过扫描步骤中收集到的室内数据生成室内地图；

步骤3：定位步骤；

看护机器人定位出自身在所述室内地图中的位置；

步骤4：识别步骤；

看护机器人通过识别人脸数据和身高数据，识别出儿童；

步骤5：智能跟随步骤；

根据儿童的位置、自身的位置和所述室内地图数据，与儿童保持指定距离进行跟随。

9.根据权利要求8所述的一种儿童室内智能看护系统的使用方法，其特征在于：在步骤4，识别步骤之后，根据采集到的儿童影像进行三维建模；将采集到的场景图像与所述室内地图进行匹配，匹配成功后获取儿童在室内地图中的位置数据。

10.根据权利要求8所述的一种儿童室内智能看护系统的使用方法，其特征在于：在步骤2，地图生成步骤后，还包含用户设置步骤，用户将所述室内地图设成安全区和危险区，当识别到儿童进入危险区时，系统进行警示程序。