CN109822582B - 一种基于ros的家庭服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ROS的家庭服务机器人，该机器人包括清洁移动平台，躯干，三自由度双臂和二自由度头部，清洁移动平台上装有操作系统为ROS的Linux主机、激光雷达、惯性测量单元、行走组件和清洁组件，二自由度头部包括显示屏、深度相机、麦克风模块和触觉传感器。该机器人通过激光雷达对未知环境构建三维地图，利用ROS的轨迹规划库，在环境中按照要求进行清洁轨迹规划与优化，躲避动、静态障碍；通过头部的显示屏、深度相机和麦克风模块进行人机交互，深度相机获取人的肢体动作信息，头部的触觉传感器能感知是否有人触碰，三自由度双臂能实现类似人类双臂前后上下摆动，能满足家庭娱乐需求，提高了该机器人的智能性与多功能性。

Description

一种基于ROS的家庭服务机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种基于ROS的家庭服务机器人。

背景技术

机器人作为智能化载体和机电产品的典型代表,它是先进制造业的关键支撑装备,也是改善人类生活方式的切入点,是现代社会发展的必然趋势和必然结果。室内清洁和娱乐机器人作为智能家用电器的一种，随着智能家电的普及，越来越受到人们的青睐。目前市面上的清洁机器人与娱乐机器人功能单一，且普遍存在人机交互功能简单及室内清扫效率低且清扫盲区多等问题，所以设计一种既能满足清洁需求也能满足娱乐需求的机器人显得十分重要。

机器人操作系统ROS是构建机器人应用程序的一套软件库和工具库，是编写机器人软件的灵活框架。它是常用机器人工具库、机器人程序库和约定协议的集合,其目的是简化各种机器人平台上创建复杂而鲁棒的机器人行为的任务。机器人操作系统ROS包含驱动程序、先进的算法、强大的机器人开发工具，而且都是开源的。所以，基于ROS操作系统的机器人是一个重要的研究方向。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于ROS的家庭服务机器人，不仅能完成室内清扫的任务，对未知环境构建三维地图并可对清洁轨迹进行规划和优化，躲避动、静态障碍；还能够满足家庭娱乐需求，实现人机交互功能，提高了该机器人的智能性与多功能性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于ROS的家庭服务机器人，包括躯干、第一活动手臂、第二活动手臂、活动头部和清洁移动平台，所述躯干安装在清洁移动平台上，所述第一活动手臂、第二活动手臂分别安装在躯干两侧，所述活动头部通过头部支撑组件安装在躯干上，

所述清洁移动平台包括Linux主机、激光雷达、惯性测量单元、行走组件和清洁组件，

所述激光雷达、惯性测量单元、行走组件和清洁组件均与Linux主机通信，所述惯性测量单元用于获取机器人角速率和加速度，所述行走组件用于驱动机器人移动，所述清洁组件用于室内清扫。

作为优选的技术方案，所述躯干包括第一电机驱动模块、第二电机驱动模块和第三电机驱动模块，

所述第一电机驱动模块、第二电机驱动模块和第三电机驱动模块均与Linux主机相连，用于驱动电机，带动所述活动头部、清洁组件和行走组件动作，

所述躯干还包括第一充电电池、第二充电电池、降压模块、供电板和头部支撑组件；所述供电板通过降压模块给第一充电电池、第二充电电池供电，所述第一充电电池单独给Linux主机供电，第二充电电池给驱动电机供电，所述头部支撑组件用于支撑活动头部和驱动活动头部动作。

作为优选的技术方案，所述头部支撑组件包括第一驱动电机、电机固定架、轴承和轴承座，

所述电机固定架上安装第一驱动电机，所述第一驱动电机与躯干的第一电机驱动模块相连，所述轴承座与轴承的外圈固定连接；所述活动头部包括支撑柱、第一舵机和转动组件，所述支撑柱一端与轴承的内圈固定连接，另一端与第一舵机相连，所述第一舵机与转动组件传动连接，所述转动组件与活动头部外壳相连，所述第一舵机与Linux主机连接通信，

所述头部支撑组件还包括第一限位开关、第二限位开关和限位触碰件，所述限位触碰件与第一驱动电机传动连接，限位触碰件两侧设有第一限位开关和第二限位开关，所述的限位触碰件安装在轴承的内圈。

作为优选的技术方案，所述行走组件包括第二驱动电机、第三驱动电机、第一光电编码器、第二光电编码器、第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮，

所述的第二驱动电机和第三驱动电机均与躯干的第二电机驱动模块连接，所述的第二驱动电机通过第一光电编码器与第一驱动轮传动连接，所述的第三驱动电机通过第二光电编码器与第二驱动轮传动连接，

所述第一光电编码器、第二光电编码器与清洁移动平台的Linux主机相连，所述第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮呈三角形布置安装，所述第一驱动轮和第二驱动轮的轴线互相重合。

作为优选的技术方案，所述清洁组件包括滚刷、集尘箱、第一联轴器、第二联轴器、第一扇形刷、第二扇形刷、第六驱动电机、第五驱动电机和第四驱动电机，

所述滚刷安装在集尘箱进尘口前端，所述滚刷的中心轴与第六驱动电机传动连接，

所述第六驱动电机与躯干的第一电机驱动模块连接，所述第五驱动电机和第四驱动电机与躯干的第三电机驱动模块连接，

所述第一扇形刷通过第一联轴器与第五驱动电机相连，所述第二扇形刷通过第二联轴器与第四驱动电机相连。

作为优选的技术方案，所述滚刷可拆卸，滚刷表面采用螺旋状刷毛。

作为优选的技术方案，所述活动头部包括显示屏、深度相机、麦克风模块和触觉传感器，

所述显示屏安装在活动头部外壳上，所述深度相机安装在显示屏上侧，所述麦克风模块安装在活动头部两侧，所述触觉传感器安装在活动头部顶部，所述显示屏、深度相机、麦克风模块和触觉传感器通过串口与Linux主机进行通信。

作为优选的技术方案，所述第一活动手臂包括第一固定件、第二固定件、第三固定件、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第一旋转组件、第二旋转组件和第三旋转组件，

所述第一固定件一端安装在躯干一侧，另一端连接第二舵机，第二舵机与第一旋转组件通过螺钉连接，第一旋转组件与第二旋转组件通过螺栓连接，第二旋转组件与第三舵机通过螺钉连接，第三舵机与第二固定件连接，第二固定件与第三固定件通过螺栓连接，第三固定件与第四舵机相连，第四舵机与第三旋转组件通过螺钉连接，

所述第二舵机、第三舵机、第四舵机与Linux主机进行通信，所述第二活动手臂的结构与第一活动手臂相同。

作为优选的技术方案，机器人安装有喇叭，所述喇叭与Linux主机相连，所述Linux主机装有ROS操作系统。

作为优选的技术方案，所述第一活动手臂、第二活动手臂均采用三自由度手臂，所述活动头部采用二自由度头部。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用了激光雷达构建三维地图的技术方案，解决了传统扫地机器人无法根据室内环境规划清扫路径的技术问题，使得机器人可以根据当前室内环境优化清扫轨迹路线。

(2)本发明采用了ROS的轨迹规划库的技术方案，解决了路径优化的技术问题，实现了在躲避动/静态障碍物的同时，规划出用时最少的清扫路径的目的。

(3)本发明采用了多种传感信息来进行人机交互的技术方案，通过安装在头部的触觉传感器能感知是否有人触碰，同时通过活动头部的显示屏、深度相机和麦克风模块进行人机交互，在语言和触屏控制两种交互方式的基础上，还可以利用深度相机识别某些特定动作实现肢体动作与机器人进行交互的效果。

(4)本发明采用了三自由度双臂的技术方案，解决了机器人动作反馈单一的问题，丰富了机器人的动作互动方案。

附图说明

图1为本发明基于ROS的家庭服务机器人的整体结构图；

图2为本发明基于ROS的家庭服务机器人的二自由度头部结构剖视图；

图3为本发明基于ROS的家庭服务机器人的躯干结构剖视图；

图4为本发明基于ROS的家庭服务机器人的移动清洁平台结构示意图；

图5为本发明基于ROS的家庭服务机器人的行走组件结构示意图；

图6是本发明基于ROS的家庭服务机器人的清洁部件结构示意图；

图7是本发明基于ROS的家庭服务机器人的三自由度手臂结构示意图；

图8是本发明基于ROS的家庭服务机器人的控制系统框图。

其中，1-二自由度头部，2-躯干，3-第一活动手臂，4-清洁移动平台，5-第二活动手臂，6-触觉传感器，7-深度相机，8-显示屏，9-第一舵机，10-支撑柱，11-转动组件，12-麦克风模块，13-头部外壳，14-躯干外壳，15-轴承座，16-第一限位开关，17-限位触碰件，18-电机固定架，19-第一驱动电机，20-第一电机驱动模块，21-降压模块，22-供电板，23-第二电机驱动模块，24-第三电机驱动模块，25-喇叭，26-第一充电电池，27-第二充电电池，28-第二限位开关，29-轴承，30-移动清洁平台外壳，31-惯性测量单元，32-行走组件，33-清洁部件，34-激光雷达，35-Linux主机，36-第一驱动轮，37-第一光电编码器，38-第一电机固定架，39-第二驱动电机，40-万向轮，41-第二驱动轮，42-第二光电编码器，43-第二电机固定架，44-第三驱动电机，45-第六驱动电机，46-集尘箱，47-第一扇形刷，48-第一联轴器，49-第五驱动电机，50-第二扇形刷，51-第二联轴器，52-第四驱动电机，53-第一固定件，54-第二舵机，55-第一旋转组件，56-第二旋转组件，57-第三舵机，58-第二固定件，59-第三固定件，60-第四舵机，61-第三旋转组件，62-头部支撑组件，63-滚刷。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例提供一种于ROS的家庭服务机器人，包括躯干2、第一活动手臂3、第二活动手臂5、二自由头部1和清洁移动平台4，所述躯干5安装在清洁移动平台4上，所述第一活动手臂3、第二活动手臂5分别安装在躯干2两侧，所述二自由头部1通过头部支撑组件62安装在躯干2上。

如图1、2所示，所述的二自由度头部1的头部外壳13上装有显示屏8；所述的显示屏8上方装有深度相机7，获取人的肢体动作信息；所述的头部外壳13的左右两侧设有麦克风模块12，顶部设有触觉传感器6，通过语音交互及触摸感应可有效加强人机交互功能；所述的显示屏8、深度相机7、麦克风模块12及触觉传感器6与Linux主机35通过USB串口进行通信。

如图2、3所示，并结合图1，躯干2的中间位置上装有头部支撑组件62；头部支撑组件62包括第一驱动电机19、电机固定架18、轴承29和轴承座15，电机固定架18上安装第一驱动电机19，第一驱动电机19与躯干的第一电机驱动模块20相连，轴承座15安装在轴承29的外圈；活动头部1包括支撑柱10、第一舵机9和转动组件11，支撑柱10一端与轴承29的内圈固定连接，另一端与第一舵机9相连，第一舵机9与转动组件11传动连接，转动组件11与头部外壳13相连，第一舵机9与Linux主机35进行通信。

如图3所示，头部支撑组件62还包括第一限位开关16、第二限位开关28和限位触碰件17，所述限位触碰件17与第一驱动电机19传动连接，限位触碰件两侧设有第一限位开关16和第二限位开关28，限位触碰件17安装在轴承29的内圈。

如图3所示，头部支撑组件62后方设有供电板22和降压模块21，左侧设有第一充电电池26、第二充电电池27，所述供电板22通过降压模块21给第一充电电池26、第二充电电池27供电，第一充电电池26单独给Linux主机供电，第一充电电池26采用24V充电电池，第二充电电池27给底座的驱动电机和驱动滚刷的电机供电，第二充电电池采用12V充电电池，所述的躯干外壳14上装有喇叭25；所述的供电板22与Linux主机35和喇叭26电连接。

如图4所示，并结合图1，清洁移动平台4包括底板、移动清洁平台外壳30、行走组件33和清洁组件32、激光雷达34、惯性测量单元31和Linux主机35，所述的Linux主机35安装在底板上端面中间，前方装有激光雷达34，采集位置环境中的点云信息，构建三维地图，后方设有惯性测量单元31，可用于获取机器人三轴姿态角(或角速率)以及加速度；所述的底板下端面上设有清洁部件32和行走组件33；所述的Linux主机35发送的命令驱动行走组件32按所规划的路径行走，同时启动清洁部件33开始执行清扫功能。

如图5所示，并结合图4，行走组件32包括第二驱动电机39、第三驱动电机44、第一电机固定架38、第二电机固定架43、第一光电编码器37、第二光电编码器42、第一驱动轮36、第二驱动轮41和万向轮40，所述的第二驱动电机39和第三驱动电机44与第二电机驱动模块23电连接；所述的第二驱动电机39的输出轴通过第一光电编码器37与第一驱动轮36传动连接；所述的第三驱动电机44的输出轴通过第二光电编码器42与第二驱动轮41传动连接；所述第一电机固定架38将第二驱动电机39固定在清洁移动平台底板，所述第二电机固定架43将第三驱动电机44固定在清洁移动平台底板，所述第一驱动轮36、第二驱动轮41和万向轮40呈三角形布置安装，所述第一驱动轮36和第二驱动轮41的轴线互相重合，所述的万向轮40设置在第一驱动轮36和第二驱动轮41前方，辅助扫地机器人行走移动。

如图6所示，并结合图4，清洁部件33由滚刷63、集尘箱46、第一联轴器48、第二联轴器51、第一扇形刷47、第二扇形刷50、第六驱动电机45、第五驱动电机49和第四驱动电机52共同组成；所述第六驱动电机45与躯干的第一电机驱动模块20连接，所述的第五驱动电机49和第四驱动电机52与第三电机驱动模块24电连接；所述第一扇形刷47通过第一联轴器48与第五驱动电机49相连，所述第二扇形刷50通过第二联轴器51与第四驱动电机52相连。所述的滚刷63与集尘箱46的前端可拆卸连接；所述的滚刷63表面设有螺旋状的刷毛。

在本实施例中，Linux主机35通过控制三个电机驱动模块，驱动六个电机，实现清扫、直线移动、原地转向、差速转向及机器人头部转动等功能，通过激光雷达构建的三维地图，实时测量判断扫地机器人底座清扫过程中是否遇到障碍物，检测到障碍物时采用缓慢的速度进行同时通过读取两个光电编码器的脉冲数，可计算出两个驱动轮的转速，进而控制扫地机器人底座的运行速度。Linux主机35运行ROS系统，自身成为一个ROS节点，Linux主机35通过通信接口传输对清洁移动平台的控制命令。

如图7所示，并结合图1，第一活动手臂3和第二活动手臂5均是由三个舵机、三个固定件和三个旋转组件组成，所述的第一固定件53一端安装在躯干2的一侧，另一端安装第二舵机54；所述的第二舵机54的舵盘上的孔与第一旋转组件55的通孔通过螺钉固定在一起；所述的第一旋转组件55通过通孔与第二旋转组件56进行螺栓连接；所述的第二旋转组件56上的通孔与第三舵机57舵盘上的孔通过螺钉固定在一起；所述的第三舵机57底部安装有第二固定件58；所述的第二固定件58通过通孔与第三固定件59进行螺栓连接；所述的第三固定件59上装有第四舵机60；所述的第四舵机60舵盘上的孔与第三旋转组件61上的通孔通过螺钉固定在一起，三个舵机通过导线与供电板电连接，并通过信号线与Linux主机35进行通信，接收到信号后完成指定的动作。所述第二活动手臂结构与第一活动手臂相同，所述第一活动手臂、第二活动手臂均采用三自由度手臂，其中，机器人机构能够独立运动的关节数目，称为机器人机构的运动自由度，简称自由度。

如图8所示，并结合图1、2、3、4、6、7，Linux主机35通过USB串口与触觉传感器6、深度相机7、麦克风模块12、舵机和显示屏8进行通信，获取和发送指令，并通过USB串口与各个电机驱动模块、光电编码器和激光雷达34进行通信，控制机器人按规划的路径移动并完成清扫任务，同时躲避动、静态障碍。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于ROS的家庭服务机器人，其特征在于，包括躯干、第一活动手臂、第二活动手臂、活动头部和清洁移动平台，所述躯干安装在清洁移动平台上，所述第一活动手臂、第二活动手臂分别安装在躯干两侧，所述活动头部通过头部支撑组件安装在躯干上，

所述清洁移动平台包括Linux主机、激光雷达、惯性测量单元、行走组件和清洁组件，

所述激光雷达、惯性测量单元、行走组件和清洁组件均与Linux主机通信，所述惯性测量单元用于获取机器人角速率和加速度，所述行走组件用于驱动机器人移动，所述清洁组件用于室内清扫；

所述躯干包括第一电机驱动模块、第二电机驱动模块和第三电机驱动模块，

所述第一电机驱动模块、第二电机驱动模块和第三电机驱动模块均与Linux主机相连，用于驱动电机，带动所述活动头部、清洁组件和行走组件动作，

所述躯干还包括第一充电电池、第二充电电池、降压模块、供电板和头部支撑组件；所述供电板通过降压模块给第一充电电池、第二充电电池供电，所述第一充电电池单独给Linux主机供电，所述第二充电电池给驱动电机供电，所述头部支撑组件用于支撑活动头部和驱动活动头部动作；

所述头部支撑组件包括第一驱动电机、电机固定架、轴承和轴承座，

所述电机固定架上安装第一驱动电机，所述第一驱动电机与躯干的第一电机驱动模块相连，所述轴承座与轴承的外圈固定连接，所述活动头部包括支撑柱、第一舵机和转动组件，所述支撑柱一端与轴承的内圈固定连接，另一端与第一舵机相连，所述第一舵机与转动组件传动连接，所述转动组件与活动头部外壳相连，所述第一舵机与Linux主机连接通信，

所述头部支撑组件还包括第一限位开关、第二限位开关和限位触碰件，所述限位触碰件与第一驱动电机传动连接，限位触碰件两侧设有第一限位开关和第二限位开关，所述限位触碰件安装在轴承的内圈；

所述清洁组件包括滚刷、集尘箱、第一联轴器、第二联轴器、第一扇形刷、第二扇形刷、第六驱动电机、第五驱动电机和第四驱动电机，

所述滚刷安装在集尘箱进尘口前端，所述滚刷的中心轴与第六驱动电机传动连接，

所述第六驱动电机与躯干的第一电机驱动模块连接，所述第五驱动电机和第四驱动电机与躯干的第三电机驱动模块连接，

所述第一扇形刷通过第一联轴器与第五驱动电机相连，所述第二扇形刷通过第二联轴器与第四驱动电机相连；

所述的Linux主机安装在底板上端面中间，前方装有激光雷达，采集位置环境中的点云信息，构建三维地图，后方设有惯性测量单元，用于获取机器人三轴姿态角或角速率以及加速度；所述的底板下端面上设有清洁部件和行走组件；所述的Linux主机发送的命令驱动行走组件按所规划的路径行走，同时启动清洁部件开始执行清扫功能；

Linux主机通过控制电机驱动模块，驱动电机，实现清扫、直线移动、原地转向、差速转向及机器人头部转动的功能，通过激光雷达构建的三维地图，实时测量判断扫地机器人底座清扫过程中是否遇到障碍物，检测到障碍物时采用缓慢的速度进行同时通过读取两个光电编码器的脉冲数，计算出两个驱动轮的转速，进而控制扫地机器人底座的运行速度；Linux主机运行ROS系统，自身成为一个ROS节点，Linux主机通过通信接口传输对清洁移动平台的控制命令；

所述活动头部包括显示屏、深度相机、麦克风模块和触觉传感器，

所述显示屏安装在活动头部外壳上，所述深度相机安装在显示屏上侧，所述麦克风模块安装在活动头部两侧，所述触觉传感器安装在活动头部顶部，所述显示屏、深度相机、麦克风模块和触觉传感器通过串口与Linux主机进行通信；

Linux主机通过USB串口与触觉传感器、深度相机、麦克风模块、舵机和显示屏进行通信，获取和发送指令，并通过USB串口与各个电机驱动模块、光电编码器和激光雷达进行通信，控制机器人按规划的路径移动并完成清扫任务，同时躲避动、静态障碍。

2.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征在于，所述行走组件包括第二驱动电机、第三驱动电机、第一光电编码器、第二光电编码器、第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮，

所述的第二驱动电机和第三驱动电机均与躯干的第二电机驱动模块连接，所述的第二驱动电机通过第一光电编码器与第一驱动轮传动连接，所述的第三驱动电机通过第二光电编码器与第二驱动轮传动连接，

所述第一光电编码器、第二光电编码器与清洁移动平台的Linux主机相连，所述第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮呈三角形布置安装，所述第一驱动轮和第二驱动轮的轴线互相重合。

3.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征在于，所述滚刷可拆卸，滚刷表面采用螺旋状刷毛。

4.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征在于，所述第一活动手臂包括第一固定件、第二固定件、第三固定件、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第一旋转组件、第二旋转组件和第三旋转组件，

所述第一固定件一端安装在躯干一侧，另一端连接第二舵机，第二舵机与第一旋转组件通过螺钉连接，第一旋转组件与第二旋转组件通过螺栓连接，第二旋转组件与第三舵机通过螺钉连接，第三舵机与第二固定件连接，第二固定件与第三固定件通过螺栓连接，第三固定件与第四舵机相连，第四舵机与第三旋转组件通过螺钉连接，

所述第二舵机、第三舵机、第四舵机与Linux主机进行通信，所述第二活动手臂的结构与第一活动手臂相同。

5.根据权利要求1-4任一项所述的家庭服务机器人，其特征在于，机器人安装有喇叭，所述喇叭与Linux主机相连，所述Linux主机装有ROS操作系统。

6.根据权利要求1-4任一项所述的家庭服务机器人，其特征在于，所述第一活动手臂、第二活动手臂均采用三自由度手臂，所述活动头部采用二自由度头部。

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