CN109531592B - 一种基于视觉slam的图书盘点机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，涉及机械工程技术领域。本发明包括底座，底座一表面开设有安装凹槽，安装凹槽内表面固定连接有移动定位装置，底座一表面固定连接有保护盖，保护盖内表面固定连接有升降编码器，升降编码器轴一端固定连接有传动齿，传动齿轴心处与底座转动连接，底座一表面固定连接有导向柱，导向柱周侧面滑动连接有升降座，升降座周侧面转动连接有套环。本发明通过移动定位装置、升降编码器和旋转编码器分别记录机器人的位移、升降与旋转信息，使得每个定位建图为独立个体，避免了视觉SLAM技术前后深度图匹配产生误差累计，提高了定位的精度，有利于机器人进行图像识别。

Description

一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，具体为一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人。

背景技术

在各大图书馆等收藏阅览图书场所，往往建有高大的书架放置数以百万计的书籍。该类环境的特点是书籍放置密集且流动性大。为了保证及时统计和维护好图书数据库，需要及时对在架图书进行盘点。

目前一般采用的较为先进的方法是由人手持RFID扫描终端定期对图书进行盘点。由于图书馆储存面积大，书架一般较为高大，不仅极大浪费了人力和物力而且盘点精度低下。而现有机器人利用RFID扫描终端进行扫描，则无法识别空置书架，同样进行扫描工作，使得扫描速度降低，若RFID与图书分离，机器人因采集信息有限无法排除，会导致盘点图书发生错误，而采用视觉SLAM技术来实现机器人自动盘点，将大幅度节省盘点时间，提高识别精度；现有视觉SLAM技术均是通过Kinect加识别算法实现的，众所周知，Kinect是一款深度相机，机器人通过Kinect采集每一个像素点的深度信息，将其统一合成深度图像，以此来进行定位、建图和路径规划；但现阶段将视觉SLAM技术运用于图书盘点时具有以下问题：Kinect每次位移或者旋转图像都会发生变化，机器人会利用ICP经典算法来对相机相对姿态估计，将前后两张深度图进行匹配，以此来预估Kinect的位移距离与角度，但这种渐近式的匹配方式，存在着累积噪声，即一旦中间某个深度图出现偏移，剩下的深度图就会多一个误差，并且同类误差会不断累计，当位移量大或者旋转角度大时，该问题会导致机器人无法完成定位与建图。

因此基于视觉SLAM的机器人在盘点图书时会产生定位累计误差是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，通过移动定位装置、升降编码器和旋转编码器的相互配合，解决了基于视觉SLAM的机器人在盘点图书时会产生定位累计误差的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，包括底座，所述底座一表面开设有安装凹槽，所述安装凹槽内表面固定连接有移动定位装置；

所述底座一表面固定连接有保护盖，所述保护盖内表面固定连接有E6B2-CWZ1X1000P/R型号升降编码器，所述升降编码器轴一端固定连接有传动齿，所述传动齿轴心处与底座转动连接；

所述底座一表面固定连接有导向柱，所述导向柱周侧面滑动连接有升降座，所述升降座周侧面转动连接有套环，所述套环一侧面固定连接有旋转电机，所述旋转电机输出轴一端固定连接有橡胶轮，所述橡胶轮周侧面与升降座传动连接，所述套环另一侧固定连接有识别装置；识别装置为Kinect深度相机；

所述旋转电机一表面固定连接有ES38/6-1024BZ型号旋转编码器，所述旋转编码器轴一端固定连接有旋转辊，所述旋转辊周侧面与橡胶轮传动连接；

所述移动定位装置包括装置外壳，所述装置外壳一表面通过四个连接耳与安装凹槽固定连接，所述装置外壳内表面分别固定连接有X轴编码器与Y轴编码器；所述X轴编码器与Y轴编码器均为E6B2-CWZ6C 1000P/R型号编码器。

进一步地，所述装置外壳内表面转动连接有X轴从动辊，所述X轴从动辊一侧面固定连接有X轴传动齿轮，所述X轴传动齿轮周侧面传动连接有X轴从动齿轮，所述X轴从动齿轮轴心处与X轴编码器轴一端固定连接。

进一步地，所述装置外壳内表面转动连接有Y轴从动辊，所述Y轴从动辊一侧面固定连接有Y轴传动齿轮，所述Y轴传动齿轮周侧面传动连接有Y轴从动齿轮，所述Y轴从动齿轮轴心处与Y轴编码器轴一端固定连接。

进一步地，所述装置外壳内表面固定连接有若干S34ML02G104TFI010型号记忆芯片，记忆芯片数量为五个及以上，用于记录机器人的位移、升降和旋转信息，所述装置外壳内表面固定连接有两个固定轮，所述装置外壳一表面转动连接有滚球，所述滚球位于装置外壳内部的一侧分别与X轴从动辊、Y轴从动辊和两个固定轮传动连接。

进一步地，所述底座一表面固定连接有站立平台，所述站立平台一表面固定连接有电动升缩杆，所述电动升缩杆一端固定连接有控制界面，控制界面为搭载Ryzen 5 2600X处理器的计算机，用于人工操作与合成算法。

进一步地，所述底座两侧均转动连接有驱动轮，所述底座一表面固定连接有两个驱动电机，所述驱动电机输出轴一端固定连接有皮带轮，所述皮带轮周侧面通过传动皮带与驱动轮轴心处传动连接，所述底座两侧均转动连接有从动轮。

进一步地，所述保护盖一表面固定连接有控制器，控制器内部固定连接有PIC18F8680-I/PT型号控制芯片，控制芯片用于控制机器人的自动化电路，控制器内部还固定连接有四个BLD750型号电机驱动器，分别与两个驱动电机、升降电机和旋转电机一一对应，用于驱动机器人的位移、升降与旋转，所述保护盖内表面固定连接有升降电机，所述升降电机输出轴一端固定连接有驱动齿，所述驱动齿周侧面与传动齿传动连接，所述传动齿周侧面传动连接有旋转齿，所述旋转齿轴心处于底座转动连接，所述旋转齿一表面固定连接有升降螺杆，所述升降螺杆周侧面与升降座螺纹连接，所述升降螺杆与导向柱一端均固定连接有限位块。

进一步地，所述底座四周边角处均固定连接有固定杆，所述固定杆一端转动连接有旋转板，所述旋转板一端转动连接有防撞轮，所述旋转板与固定杆连接处螺纹连接有调节螺丝。

本发明具有以下有益效果：

1、该基于视觉SLAM的图书盘点机器人，通过移动定位装置、升降编码器和旋转编码器分别记录机器人的位移、升降与旋转信息，每隔一段距离或角度记录一次，作为单独的定位建图，避免了视觉SLAM技术前后深度图匹配产生误差累计，提高了定位的精度，有利于机器人进行图像识别。

2、该基于视觉SLAM的图书盘点机器人，通过记忆芯片存储每个记录点的状态信息与深度图像，便于机器人修正偏移路线，提高了机器人盘点图书的稳定性。

3、该基于视觉SLAM的图书盘点机器人，通过防撞轮的保护结构，可以防止机器人与障碍物或书架发生碰撞，保障了机器人整体结构的稳定，延长机器人的使用寿命。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人的结构示意图；

图2为图1另一侧的结构示意图；

图3为保护盖内部的结构示意图；

图4为防撞轮的结构示意图；

图5为移动定位装置的结构示意图；

图6为图5的内部结构示意图；

图7为X轴从动辊与Y轴从动辊的结构示意图；

图8为升降座的结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

图中：1-底座，2-移动定位装置，3-安装凹槽，4-保护盖，5-控制器，6-驱动电机，7-皮带轮，8-驱动轮，9-从动轮，10-站立平台，11-电动升缩杆，12-控制界面，13-导向柱，14-升降螺杆，15-升降座，16-限位块，17-升降电机，18-升降编码器，19-驱动齿，20-传动齿，21-旋转齿，22-固定杆，23-旋转板，24-调节螺丝，25-防撞轮，26-套环，27-旋转电机，28-橡胶轮，29-旋转编码器，30-旋转辊，31-识别装置，201-装置外壳，202-连接耳，203-滚球，204-记忆芯片，205-X轴从动辊，206-X轴传动齿轮，207-X轴从动齿轮，208-X轴编码器，209-Y轴从动辊，210-Y轴传动齿轮，211-Y轴从动齿轮，212-Y轴编码器，213-固定轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，包括底座1，底座1一表面开设有安装凹槽3，安装凹槽3内表面固定连接有移动定位装置2；

底座1一表面固定连接有保护盖4，保护盖4内表面固定连接有升降编码器18，升降编码器18轴一端固定连接有传动齿20，传动齿20轴心处与底座1转动连接；

底座1一表面固定连接有导向柱13，导向柱13周侧面滑动连接有升降座15，升降座15周侧面转动连接有套环26，套环26一侧面固定连接有旋转电机27，旋转电机27输出轴一端固定连接有橡胶轮28，橡胶轮28周侧面与升降座15传动连接，套环26另一侧固定连接有识别装置31；

旋转电机27一表面固定连接有旋转编码器29，旋转编码器29轴一端固定连接有旋转辊30，旋转辊30周侧面与橡胶轮28传动连接；

移动定位装置2包括装置外壳201，装置外壳201一表面通过四个连接耳202与安装凹槽3固定连接，装置外壳201内表面分别固定连接有X轴编码器208与Y轴编码器212。

其中，装置外壳201内表面转动连接有X轴从动辊205，X轴从动辊205一侧面固定连接有X轴传动齿轮206，X轴传动齿轮206周侧面传动连接有X轴从动齿轮207，X轴从动齿轮207轴心处与X轴编码器208轴一端固定连接。

其中，装置外壳201内表面转动连接有Y轴从动辊209，Y轴从动辊209一侧面固定连接有Y轴传动齿轮210，Y轴传动齿轮210周侧面传动连接有Y轴从动齿轮211，Y轴从动齿轮211轴心处与Y轴编码器212轴一端固定连接。

其中，装置外壳201内表面固定连接有五个记忆芯片204，装置外壳201内表面固定连接有两个固定轮213，装置外壳201一表面转动连接有滚球203，滚球203位于装置外壳201内部的一侧分别与X轴从动辊205、Y轴从动辊209和两个固定轮213传动连接。

其中，底座1一表面固定连接有站立平台10，站立平台10一表面固定连接有电动升缩杆11，电动升缩杆11一端固定连接有控制界面12。

其中，底座1两侧均转动连接有驱动轮8，底座1一表面固定连接有两个驱动电机6，驱动电机6输出轴一端固定连接有皮带轮7，皮带轮7周侧面通过传动皮带与驱动轮8轴心处传动连接，底座1两侧均转动连接有从动轮9。

其中，保护盖4一表面固定连接有控制器5，保护盖4内表面固定连接有升降电机17，升降电机17输出轴一端固定连接有驱动齿19，驱动齿19周侧面与传动齿20传动连接，传动齿20周侧面传动连接有旋转齿21，旋转齿21轴心处于底座1转动连接，旋转齿21一表面固定连接有升降螺杆14，升降螺杆14周侧面与升降座15螺纹连接，升降螺杆14与导向柱13一端均固定连接有限位块16。

其中，底座1四周边角处均固定连接有固定杆22，固定杆22一端转动连接有旋转板23，旋转板23一端转动连接有防撞轮25，旋转板23与固定杆22连接处螺纹连接有调节螺丝24。

本实施例的具体应用分为两个阶段：

记忆阶段：使用人员站立于站立平台10上，利用控制平台12控制电动伸缩杆11至合适高度，再利用控制平台12控制机器人进行移动，机器人每位移50cm或升降10cm或旋转5°时控制器5中的控制芯片控制识别装置31进行图像采集，采集的信息传输至控制界面12中的处理器，计算合成图像后存储在记忆芯片204中；其中，控制界面12发送控制指令，控制指令传输至控制器5内部的控制芯片中，控制芯片再利用电机驱动器分别控制驱动电机6、升降电机17和旋转电机27，驱动电机6启动带动皮带轮7旋转，皮带轮7带动一个驱动轮8旋转，两个驱动电机6分别控制两个驱动轮8，同方向时使得机器人前进后退、反向向时控制机器人旋转；当机器人位移时，滚球203因与地面接触发生滚动，滚球203分别带动X轴从动辊205、Y轴从动辊209和两个固定轮213旋转，X轴从动辊205依次带动X轴传动齿轮206、X轴从动齿轮207和X轴编码器208，Y轴从动辊209依次带动Y轴传动齿轮210、Y轴从动齿轮211和Y轴编码器212，X轴编码器208和Y轴编码器212将旋转的信息传输至记忆芯片204中储存；升降电机17启动带动驱动齿19旋转，驱动齿19依次带动传动齿20、旋转齿21和升降编码器18，旋转齿21带动升降螺杆14旋转，升降螺杆14带动升降座进行升降，升降编码器18将升降的旋转信息传输至记忆芯片204中储存；旋转电机27启动带动橡胶轮28旋转，橡胶轮28周侧面与升降座15发生摩擦，带动旋转电机27和套环26旋转，橡胶轮28同时带动旋转辊30旋转，旋转编码器29将旋转辊30的旋转信息传输至记忆芯片204中储存；识别装置31每采集图像记录一次，控制器5控制记忆芯片204记录相对应的位移信息、升降信息与旋转信息，每次记录点都作为单独的定位建图，再基于图像识别算法利用识别装置31对图书进行扫描识别，获取图书信息后再盘点记录；这里的图像识别算法指的是现有图像文字识别算法，该阶段针对单一盘点场景只需进行一次。

自动化阶段；该阶段主要以记忆芯片204记录的单独定位建图进行自动化模拟，控制流程与记忆阶段保持一致，控制器5中的控制芯片按照记忆阶段的盘点路线进行重复操作，自动化盘点过程中，若有障碍物干扰机器人偏离规定路线，控制器5中的控制芯片控制X轴编码器208、Y轴编码器212、升降编码器18和旋转编码器29记录所有偏移信息，偏移信息传输至记忆芯片204中，控制器5中的控制芯片按照记忆芯片204中偏移信息再控制驱动电机6、升降电机17和旋转电机27驱动机器人恢复既定路线，继续盘点；防撞轮25可以防止机器人与书架发生碰撞，通过调节螺丝24可以调节旋转板23的旋转角度，然后拧紧调节螺丝24固定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，包括底座(1)，其特征在于：

所述底座(1)一表面开设有安装凹槽(3)，所述安装凹槽(3)内表面固定连接有移动定位装置(2)；

所述底座(1)一表面固定连接有保护盖(4)，所述保护盖(4)内表面固定连接有升降编码器(18)，所述升降编码器(18)轴一端固定连接有传动齿(20)，所述传动齿(20)轴心处与底座(1)转动连接；

所述底座(1)一表面固定连接有导向柱(13)，所述导向柱(13)周侧面滑动连接有升降座(15)，所述升降座(15)周侧面转动连接有套环(26)，所述套环(26)一侧面固定连接有旋转电机(27)，所述旋转电机(27)输出轴一端固定连接有橡胶轮(28)，所述橡胶轮(28)周侧面与升降座(15)传动连接，所述套环(26)另一侧固定连接有识别装置(31)；

所述旋转电机(27)一表面固定连接有旋转编码器(29)，所述旋转编码器(29)轴一端固定连接有旋转辊(30)，所述旋转辊(30)周侧面与橡胶轮(28)传动连接；

所述移动定位装置(2)包括装置外壳(201)，所述装置外壳(201)一表面通过若干连接耳(202)与安装凹槽(3)固定连接，所述装置外壳(201)内表面分别固定连接有X轴编码器(208)与Y轴编码器(212)；

所述装置外壳(201)内表面转动连接有X轴从动辊(205)，所述X轴从动辊(205)一侧面固定连接有X轴传动齿轮(206)，所述X轴传动齿轮(206)周侧面传动连接有X轴从动齿轮(207)，所述X轴从动齿轮(207)轴心处与X轴编码器(208)轴一端固定连接；

所述装置外壳(201)内表面转动连接有Y轴从动辊(209)，所述Y轴从动辊(209)一侧面固定连接有Y轴传动齿轮(210)，所述Y轴传动齿轮(210)周侧面传动连接有Y轴从动齿轮(211)，所述Y轴从动齿轮(211)轴心处与Y轴编码器(212)轴一端固定连接；

所述装置外壳(201)内表面固定连接有一记忆芯片(204)，所述装置外壳(201)内表面固定连接有若干固定轮(213)，所述装置外壳(201)一表面转动连接有滚球(203)，所述滚球(203)位于装置外壳(201)内部的一侧分别与X轴从动辊(205)、Y轴从动辊(209)和若干固定轮(213)传动连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，其特征在于，所述底座(1)一表面固定连接有站立平台(10)，所述站立平台(10)一表面固定连接有电动升缩杆(11)，所述电动升缩杆(11)一端固定连接有控制界面(12)。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，其特征在于，所述底座(1)两侧均转动连接有驱动轮(8)，所述底座(1)一表面固定连接有若干驱动电机(6)，所述驱动电机(6)输出轴一端固定连接有皮带轮(7)，所述皮带轮(7)周侧面通过传动皮带与驱动轮(8)轴心处传动连接，所述底座(1)两侧均转动连接有从动轮(9)。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，其特征在于，所述保护盖(4)一表面固定连接有控制器(5)，所述保护盖(4)内表面固定连接有升降电机(17)，所述升降电机(17)输出轴一端固定连接有驱动齿(19)，所述驱动齿(19)周侧面与传动齿(20)传动连接，所述传动齿(20)周侧面传动连接有旋转齿(21)，所述旋转齿(21)轴心处于底座(1)转动连接，所述旋转齿(21)一表面固定连接有升降螺杆(14)，所述升降螺杆(14)周侧面与升降座(15)螺纹连接，所述升降螺杆(14)与导向柱(13)一端均固定连接有限位块(16)。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉SLAM的图书盘点机器人，其特征在于，所述底座(1)四周边角处均固定连接有固定杆(22)，所述固定杆(22)一端转动连接有旋转板(23)，所述旋转板(23)一端转动连接有防撞轮(25)，所述旋转板(23)与固定杆(22)连接处螺纹连接有调节螺丝(24)。

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