CN109822596A - 一种服务机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种服务机器人及其控制系统，包括：机器人底盘；机器人机械臂，其通过支撑板连接在机器人底盘上；所述机器人机械臂包括：Y轴机械臂，其底部与支撑板连接；所述Y轴机械臂上设置有可沿Y轴移动的Y轴滑块；X轴机械臂，其上设置有可沿X轴移动的X轴滑块；所述Y轴滑块和X轴滑块连接；用于抓取物体的机械手，其连接在X轴机械臂的一端；视觉模块，其包括：连接在支撑板上的门型架和连接在门型架横梁上的的kinect相机；所述机器人机械臂位于门型架内。本发明的服务机器人及其控制系统不仅有基于自主导航的导盲功能，同时还搭建了基于深度学习技术的物体识别功能、以及机械臂抓取功能，实现帮助盲人拿取目标物品。

Description

一种服务机器人及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种服务机器人及其控制系统。

背景技术

现今已有的电子导盲辅具，一般为电子导引手杖、穿戴式导盲仪、移动式行进辅具等。电子导盲器主要是以测距为基础来实现导盲避障，其缺点就是只能进行小范围单点测距。为了让盲人在行进中能够更加全面的了解前方的障碍物情况，直接知道去往目的地的路径，就需要进行地图构建和定位，以及路径规划和自动避障等，导盲机器人恰能实现这个功能。但通常的助盲机器人是以导盲为主，功能单一，无法帮助盲人识别物品，拿物品，不能满足盲人的生活需求。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种服务机器人，包括：

机器人底盘；

机器人机械臂，其通过支撑板连接在机器人底盘上；所述机器人机械臂包括：

Y轴机械臂，其底部与支撑板连接；所述Y轴机械臂上设置有可沿Y轴移动的Y轴滑块；

X轴机械臂，其上设置有可沿X轴移动的X轴滑块；所述Y轴滑块和X轴滑块连接；

用于抓取物体的机械手，其连接在X轴机械臂的一端；

视觉模块，其包括：连接在支撑板上的门型架和连接在门型架横梁上的的kinect相机；所述机器人机械臂位于门型架内。

优选的是，所述机器人底盘包括：

底板，其上设置有雷达安装孔和悬挂安装孔；所述底板的下方设置有舱体；所述底板的前端和后端均朝外设置有防撞挡板；所述防撞挡板与底板的夹角大于90度；所述支撑板通过四个支撑柱Ⅰ连接在机器人底盘的底板上；

两个悬挂，其分别连接在所述底板的下方并位于舱体的两侧；两个所述悬挂包括：主体板，其上连接四个支撑住Ⅱ；所述主体板的两侧设置有一体成型的限制板；所述四个支撑柱Ⅱ上均套设有减震弹簧；且所述四个支撑柱Ⅱ的顶部设置有支撑柱安装孔；所述四个支撑柱Ⅱ穿过悬挂安装孔后在支撑柱安装孔内采用螺栓或长栓将悬挂连接在底板上；所述限制板表面连接有橡胶垫；

四个车轮，其分别位于两个悬挂的端部；四个所述车轮分别与驱动电机连接，且所述驱动电机通过电机安装座与悬挂连接；所述电机安装座为L型安装座，其一面与悬挂通过螺栓连接固定，另一面与驱动电机连接；所述驱动电机为伺服电机或减速电机；

所述雷达安装孔内连接激光雷达；所述舱体内放置有电源模块和与电源模块连接的车身底板控制板；且所述激光雷达与所述电源模块连接；所述驱动电机均与车身底板控制板连接。

优选的是，所述X轴机械臂包括：

支撑架，其一端连接有挡板Ⅰ，另一端连接有挡板Ⅱ；

安装底板，其连接在支撑架的一端且靠近挡板Ⅰ；

X轴步进电机，其电机轴穿过安装底板后与联轴器连接，且所述联轴器位于安装底板和挡板Ⅰ之间；

丝杆，其与联轴器连接，且所述丝杆与挡板Ⅰ和挡板Ⅱ均可转动连接；所述丝杆上连接X轴滑块；

导轨，其连接在支撑架上；所述X轴滑块通过滑片与导轨可滑动连接；

所述Y轴机械臂包括：

安装基座，其底部安装有Y轴步进电机；

壳体，其连接在安装基座上；所述壳体的两端分别可转动连接有主动轴轮和从动轴轮；且所述主动轮轴与Y轴步进电机的电机轴连接；所述主动轴轮与从动轴轮之间连接有皮带；所述Y轴滑块通过沉头螺钉连接在所述皮带上；所述壳体上连接有壳体盖；

其中，所述X轴机械臂的支撑架与机械手连接；所述安装基座连接在支撑板上。

优选的是，所述丝杆与挡板Ⅰ和挡板Ⅱ的可转动连接方式为：所述挡板Ⅰ和挡板Ⅱ上均安装有轴承，所述丝杆穿过轴承以实现可转动连接；所述滑片的一面与X轴滑块连接，另一面设置为卡槽结构与导轨滑动连接。

优选的是，所述安装基座为T型基座；所述Y轴步进电机安装的T型基座的一侧，所述壳体的一端安装在T型基座的另一侧。

优选的是，所述Y轴滑块为U型滑块；所述U型滑块的内底部的两侧均设置有滑槽；所述壳体的两侧的上端均设置有L型折部，所述L型折部设置在滑槽内以实现Y轴滑块与壳体的可滑动连接。

优选的是，所述机械手包括：

安装基板，其通过连接架与X轴机械臂的一端连接；所述安装基板上平行设置有两组滑杆固定座，每组滑杆固定座上穿设有一根滑杆以形成平行的两根滑杆；所述平行的两根滑杆的两端穿设有滑片；所述滑片上成对设置有夹取爪；滑片上相对设置的两对夹取爪形成夹取空间；所述夹取爪上设置有橡胶片；所述夹取爪通过夹取爪连接件固定于滑片上；

连接在安装基板上的舵机，其位于平行设置的两组滑杆固定座的中央；所述舵机连接有主舵机传动杆，主舵机传动杆两端分别连接有副舵机传动杆，两个副舵机传动杆分别与滑杆两端的滑片连接；

相机，其连接在安装基板上且位于舵机的上方；

所述滑杆两端安装有用以防止滑片脱落的挡片，挡片通过其具有的螺纹孔与滑杆连接；所述主舵机传动杆设置有连接柱，主舵机传动杆通过连接柱与舵机连接。

本发明还提供一种服务机器人的控制系统，包括：中央主控系统；

分别于中央主控系统耦接的机器人底盘驱动系统、人体跟随系统、机械臂系统、地图构建与定位单元、路径规划与避障单元、物体识别单元、人脸识别单元和语音合成与识别单元。

优选的是，所述控制系统具有三种工作模式，其分别为物品标记模式、自动取物模式和导盲模式；所述三种工作模式采用人脸识别单元和语音合成与识别单元进行调用，其具体调用过程为：首先进行权限验证，进入人脸识别单元，人脸识别单元耦接与中央主控系统，当验证权限通过后，进行待命状态，进入语音合成与识别单元，语音合成与识别单元与中央主控系统耦接；当机器人识别到对应的语音密码，则进入任务菜单模式，机器人通过语音询问，语音合成与识别单元得到任务后，确定其工作模式，机器人开始执行相应任务，最后，任务完成后，机器人状态回到语音唤醒模式。

优选的是，所述物品标记模式的实现过程为：通过语音合成与识别单元选择物品标记模式，机器人启动人体跟随系统，实时计算跟踪速度完成人体跟随，当到达标记物品所在地，通过识别人的手势得到物品方向，通过语音合成与识别单元得到物品名称，将物品位置方向及名称写入本地数据文件中；

所述导盲模式的实现过程为：通过语音合成与识别单元选择导盲模式，机器人进入导盲模式，启动地图构建与定位单元、路径规划与避障单元、语音识别与合成单元，机器人通过语音询问使用者需要去的地点，通过机器人的激光雷达扫描信息，检测自身所在地点，规划全局路径以及局部路径，避开障碍物，使用者扶着机器人前行，机器人到达目的地后通过语音播报，告知使用者已达目的地；

所述自动取物模式的实现过程为：通过语音识别与合成单元选择自动取物模式，机器人进入自动取物模式，启动地图构建与定位单元、路径规划与避障单元、语音识别与合成单元，机器人通过语音播报询问使用者需要的物品，当接收到语音信息时，通过语音合成与识别单元，将物品名称以指令的形式发送到机器人，自动与标记物品进行匹配，匹配成功后，通过导航到达目的地点，机器人调整位姿，调用启动物体识别单元，启用相机，将图像信息与本地权重文件库数据匹配，输出目标物品像素位置，启动机械臂系统，自动调整机械臂的高度及角度，进行物品抓取，抓取物品后，机器人返回使用者处，送回物品。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的机械臂可移植性强，物品抓取准确率高，3自由度机械臂即可实现物品的准确抓取，采用的机器人底盘的减震装置结构简单、实用性高，采用的机器人控制系统实现了机器人的地图构建与定位、路径规划与避障，可以弥补盲人在这方面的缺陷。相比较于传统的助盲辅具，能够更智能的帮助盲人，盲人只需扶着机器人前行，而不用再根据助盲辅具返回的障碍物信息考虑自己应该往哪里走，并担心自己是否走错路。同时，在实现了上述自主导航功能的基础上，再搭建基于深度学习技术的物体识别功能、以及机械臂抓取功能，实现帮助盲人拿取目标物品，而这恰恰是一般导盲辅具所不具备的功能，但其确实是盲人的一项重要生活需求。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明的服务机器人的结构示意图；

图2为本发明的服务机器人的机械臂的结构示意图；

图3为本发明的服务机器人的X轴机械臂和Y轴机械臂的结构示意图

图4为本发明的服务机器人的X轴机械臂的结构示意图；

图5为本发明的服务机器人的X轴机械臂的安装底板的结构示意图；

图6为本发明的服务机器人的X轴机械臂的X轴滑块的结构示意图；

图7为本发明的服务机器人的X轴机械臂的X轴滑块的另一视角的结构示意图；

图8为本发明的服务机器人的Y轴机械臂的结构示意图；

图9为本发明的服务机器人的Y轴机械臂的结构示意图(未安装Y轴滑块)；

图10为本发明的服务机器人的Y轴机械臂的安装基座的结构示意图；

图11为本发明的服务机器人的Y轴机械臂的Y轴滑块的结构示意图；

图12为本发明的服务机器人的Y轴滑块和壳体的连接结构示意图；

图13为本发明的服务机器人的Y轴滑块的平面结构示意图；

图14为本发明的服务机器人的机械手的结构示意图；

图15为本发明的服务机器人的机器人底盘的结构示意图；

图16为本发明的机器人底盘的底板结构示意图；

图17为本发明的机器人底盘的悬挂结构示意图；

图18为本发明的机器人底盘的电机安装座结构示意图；

图19为本发明的服务机器人的视觉模块的结构示意图；

图20是本发明的控制系统的各模块示意图；

图21是本发明的控制系统的语音合成与识别单元示意图；

图22是本发明的控制系统的工作模式示意图；

图23是本发明的控制系统的物品标记模式的启动流图；

图24是本发明的控制系统的导盲模式的启动流图；

图25是本发明的控制系统的自动取物模式的流图。

图26为本发明的机器人底盘的电源模块的供电结构和控制结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1～19示出了本发明的一种服务机器人，包括：

机器人底盘II；

机器人机械臂I，其通过支撑板41连接在机器人底盘II上；所述机器人机械臂I包括：

Y轴机械臂V，其底部与支撑板41连接；所述Y轴机械臂V上设置有可沿Y轴移动的Y轴滑块16；

X轴机械臂VI，其上设置有可沿X轴移动的X轴滑块24；所述Y轴滑块16和X轴滑块24连接；

用于抓取物体的机械手IV，其连接在X轴机械臂VI的一端；

视觉模块III，其包括：连接在支撑板上41的门型架40和连接在门型架横梁39上的的kinect相机38；所述机器人机械臂I位于门型架40内；所述支撑板41和门型架40通过三角形支架42固定连接；

在这种技术方案中，通过机器人底盘可以将机器人机械臂和视觉模块III移动至指定的位置，并通过Y轴机械臂和X轴机械臂调整机械手的位置，以实现机械手对物品的抓取。

在上述技术方案中，所述机器人底盘II包括：

底板32，其上设置有雷达安装孔32-1和悬挂安装孔32-2；所述底板的下方设置有舱体32-3；所述底板32的前端和后端均朝外设置有防撞挡板32-4；所述防撞挡板与底板的夹角大于90度；所述支撑板41通过四个支撑柱Ⅰ411连接在机器人底盘的底板32上；

两个悬挂37，其分别连接在所述底板32的下方并位于舱32-3体的两侧；两个所述悬挂37包括：主体板37-5，其上连接四个支撑住Ⅱ37-1；所述主体板的两侧设置有一体成型的限制板37-2；所述四个支撑柱Ⅱ37-1上均套设有减震弹簧34；且所述四个支撑柱Ⅱ37-1的顶部设置有支撑柱安装孔37-3；所述四个支撑柱Ⅱ37-1穿过悬挂安装孔32-2后在支撑柱安装孔37-3内采用螺栓或长栓将悬挂连接在底板上；所述限制板表面连接有橡胶垫；

四个车轮33，其分别位于两个悬挂37的端部；四个所述车轮33分别与驱动电机35连接，且所述驱动电机35通过电机安装座36与悬挂连接；所述电机安装座36为L型安装座，其一面36-1与悬挂37上的安装孔37-4通过螺栓连接固定，另一面36-2与驱动电机35连接；所述驱动电机为伺服电机或减速电机；

所述雷达安装孔内连接激光雷达31；所述舱体32-3内放置有电源模块和与电源模块连接的车身底板控制板；且所述激光雷达与所述电源模块连接；所述驱动电机均与车身底板控制板连接。

采用这种技术方案，所述雷达安装孔内连接激光雷达，激光雷达用于识别车身周围的障碍物，安装于底板中心；防撞挡板是整个底盘的防撞装置；限制板主要用于限制轮式机器人在剧烈移动时产生的上下抖动；采用在四个支撑柱上套设减震弹簧，该结构简单易实现，同时该轮式移动机器人底盘结构可以根据不同地面更换相适应的车轮，底盘的移动使用四轮独立驱动，可适应于多种环境地面。

在上述技术方案中，机器人底盘采用轮式独立减震架结构，底盘的电机安装在带有减震弹簧的悬挂上保证了电机的动力尽可能的传输到轮子的同时，减小行进时车体的震动，四个车轮比现有的两动力轮底盘行进速度更快，起停时发生的颠簸更小，重心分布更合理，在机器人作业时可以更快的趋于稳定。

在上述技术方案中，如图26所示，通过电池输入电源至电源模块，经过电源模块中线性稳压电路输出12V、5V直流电源，分别为激光雷达、迷你PC(中央主控系统)、车身底板控制板供电，激光雷达与迷你PC之间通过网口协议进行通信；底层控制板与迷你PC之间通过串口协议通信；底层控制板通过输出4路PWM波控制信号控制四个无刷电调，从而驱动4个驱动电机。

在上述技术方案中，所述X轴机械臂包括：

支撑架29，其一端连接有挡板Ⅰ22，另一端连接有挡板Ⅱ26；

安装底板30，其连接在支撑架29的一端且靠近挡板Ⅰ22；

X轴步进电机20，其电机轴穿过安装底板后与联轴器21连接，且所述联轴器21位于安装底板30和挡板Ⅰ22之间；

丝杆23，其与联轴器21连接，且所述丝杆23与挡板Ⅰ22和挡板Ⅱ26均可转动连接；所述丝杆23上连接有X轴滑块24；

导轨27，其连接在支撑架29上；所述X轴滑块24通过滑片28与导轨27可滑动连接；

所述Y轴机械臂包括：

安装基座11，其底部安装有Y轴步进电机12；

壳体14，其连接在安装基座11上；所述壳体14的两端分别可转动连接有主动轴轮18和从动轴轮19；且所述主动轮轴18与Y轴步进电机12的电机轴连接；所述主动轴轮18与从动轴轮19之间连接有皮带15；

Y轴滑块16，其连接在所述皮带15上；所述壳体14上连接有壳体盖(13,17)，壳体14两端分别设有主动轴轮18和从动轴轮19的轴孔14-1，壳体盖13、17的固定孔14-2，所述壳体盖17和壳体14通过孔17-1和孔14-2用螺栓固定，从动轴19固定在孔14-1上；

其中，所述X轴机械臂的支撑架29与机器人的机械手连接；所述安装基座11连接在支撑板41上。

在上述技术方案中，当需要对机械手进行位置移动时，Y轴步进电机12的电机轴旋转带动主动轮轴18旋转，从而带动皮带15移动，Y轴滑块16进行相应的移动，由于Y轴滑块16与X轴滑块24连接，因此，Y轴滑块16的移动带动X轴机械臂在Y轴方向上移动；同时控制X轴步进电机20旋转，进而带动丝杆23旋转，由于Y轴滑块16与X轴滑块24连接，因此，丝杆和与丝杆连接的支撑架在X轴方向上运动，进而实现机械手在X轴方向上移动。

在上述技术方案中，所述丝杆23与挡板Ⅰ22和挡板Ⅱ26的可转动连接方式为：所述挡板Ⅰ22和挡板Ⅱ26上均安装有轴承25，所述丝杆23穿过轴承25以实现可转动连接；所述滑片28的一面与X轴滑块24连接，另一面设置为卡槽结构28-1与导轨27滑动连接，所述X轴滑块24上设置有孔24-2与滑片进行连接；采用这种方式，滑片与导轨的滑动连接方式更加稳定。

在上述技术方案中，所述安装基座11为T型基座；所述Y轴步进电机12安装的T型基座的一侧，所述壳体14的一端安装在T型基座的另一侧；所述安装基座11上设有Y轴步进电机和壳体盖安装孔11-1，Y轴步进电机的电机轴轴孔11-2和安装基座固定孔11-3。

在上述技术方案中，所述Y轴滑块16为U型滑块；所述U型滑块的内底部的两侧均设置有滑槽16-2；所述壳体14的两侧的上端均设置有L型折部14-3，所述L型折部14-3设置在滑槽16-2内以实现Y轴滑块16与壳体14的可滑动连接，且所述Y轴滑块16上设置有孔16-3，孔16-3与皮带15通过沉头螺钉连接，采用这种方式，通过将Y轴滑块连接在皮带15上，且通过所述L型折部14-3设置在滑槽16-2内以实现Y轴滑块的稳定滑动。

在上述技术方案中，所述Y轴滑块上设置有孔16-1，所述X轴滑块24上设置有孔24-3，通过孔16-1和孔24-3实现Y轴滑块和X轴滑块的连接。

在上述技术方案中，所述X轴滑块24上设置有螺纹孔24-1，丝杆与螺纹孔24-1相匹配连接。

在上述技术方案中，所述安装底板上设置有用于电机固定的电机安装孔30-2，用于电机轴穿过的电机轴孔30-1和用于连接支撑架的支撑架安装孔30-3。

在上述技术方案中，所述机械臂具有以下优点：

(1)机械手安装基座和连接架可以灵活的设计尺寸大小，便于与不同大小机械臂固定。

(2)利用相机进行物品夹取前的位置判定，增加的准确性。

(3)机械手的夹取爪的夹槽设计，便于物品夹取更稳定，且可以在夹槽假装橡胶片，增大夹取摩檫力，保证机械手的可靠性。

(4)机械手的利用舵机进行主要抓取控制方式，结构简单易实现。

(5)机械手的滑杆传动杆可以根据实际的机械手量程或横向移动行程，进行适当的调节舵机传动杆的长度。

(6)Y轴机械臂采用皮带带动滑块方式、X轴机械臂采用丝杆带动滑块的方式，两种方式可以任意搭配进行机械臂的移动。

(7)为了保证X轴和Y轴机械臂滑块移动不超过导轨行程，精确计算步进电机的旋转量避免超过行程。

在上述技术方案中，所述机械手包括：

安装基板1，其通过连接架2与X轴机械臂的一端连接；所述安装基板1上平行设置有两组滑杆固定座3，每组滑杆固定座3上穿设有一根滑杆4以形成平行的两根滑杆；所述平行的两根滑杆的两端穿设有滑片7；所述滑片7上成对设置有夹取爪9；滑片7上相对设置的两对夹取爪9形成夹取空间；所述夹取爪9的夹取爪端口9-1上设置有橡胶片；所述夹取爪9通过夹取爪连接件10固定于滑片7上；

连接在安装基板1上的舵机5，其位于平行设置的两组滑杆固定座3的中央；所述舵机5连接有主舵机传动杆6，主舵机传动杆6两端分别通过连接孔6-4可转动连接有副舵机传动杆6-2，两个副舵机传动杆6-2分别与滑杆两端的滑片连接；

相机8，其连接在安装基板1上且位于舵机5的上方；

所述滑杆4两端安装有用以防止滑片脱落的挡片4-1，挡片4-1通过其具有的螺纹孔与滑杆连接；所述主舵机传动杆6设置有连接柱6-3，主舵机传动杆6通过连接柱6-3与舵机5连接；

在这种技术方案中，相机8识别到待抓取物品位置以及到机械手的距离，待机械手移动到可夹取的范围时，舵机5顺时针旋转，带动主舵机传动杆6转动，从而带动副舵机传动杆6-2拉动滑片7闭合，夹取爪9夹取到物品。在机械手夹取到物品后，将机械手移动至相应的物品放置位置，舵机5逆时针旋转，松开夹取爪9，放置物体，相机5识别到物品到机械手的距离，确保不碰到物品的情况下，移开机械手。

在上述技术方案中，滑杆固定座3用于限定滑杆4的移动方向，并固定于安装基座1，滑杆2作为滑片7移动的导轨；4个滑杆固定座3设有安装孔位3-1，用螺栓与安装基板1固定，2个滑杆固定座3为一组，滑杆4通过滑杆孔3-2，与2个滑杆固定座3连接。

在上述技术方案中，滑片7设有滑杆移动孔位7-1，舵机传动杆连接孔位7-2，爪子连接件安装孔位7-3。滑片7在舵机传动杆连接孔位7-2通过用螺栓连接副舵机传动杆6-2。滑片7在爪子连接件安装孔位7-3通过用螺栓固定爪子连接件10；夹取爪9使用螺栓固定于爪子连接件的爪子固定孔位10-1。

如图20～25所示，本发明还提供一种服务机器人的控制系统，包括：中央主控系统51；

分别于中央主控系统耦接的机器人底盘驱动系统43(底层驱动系统)、人体跟随系统44、机械臂系统45、地图构建与定位单元46、路径规划与避障单元47、物体识别单元48、人脸识别单元49和语音合成与识别单元50；

其中，所述底层驱动系统用于驱动所述机器人移动，所述底层驱动系统43使用4轮差速独立驱动，包括4个车轮33，通过4个驱动电机35进行驱动，由STM32开发版控制，使4个车轮33以相同的转速转动，从而保证机器人能够前进；当需要机器人后退时，控制4个驱动电机35以相反的方向同步运转，从而驱动车轮33以相同的转速反向转动，使机器人直线后退；当机器人需要转弯时，控制4个驱动电机35产生转速差，即可实现转弯；

所述机械臂系统，耦接于物体识别单元，当物体识别单元反馈的识别物品名称与目标物品一致时，机械臂运转，对物品进行抓取；所述机械臂系统45的整体装置使用了STM32F407ZGT6单片机、Y轴步进电机12、X轴步进电机20、舵机5、碰撞开关以及VL53L0激光测距传感器(或USB相机)反馈装置(或相机8)，总体可实现机械臂系统45的移动和对物体的抓取；抓取时，先根据物体识别单元的图像数据，用于上下自由度的步进电机调整机械臂高度，完毕后，用于前后自由度的步进电机控制丝杆的前进与后退；步进电机接收到电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移或直线位移；舵机控制夹取装置，采用PWM波直接控制角度：接收机发出信号给舵机，驱动舵机开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂(主舵机传动杆6、副舵机传动杆6-2)，旋转到一定的角度，同时由位置检测器(可变电阻)送回信号，判断是否已经到达定位，实现对物品的夹取；VL53L0激光测距传感器(或USB相机)检测前方是否有物体，激光二极管对准目标发射激光脉冲，若前方有目标，则激光经目标反射，反射后的激光向各方向散射，部分散射光返回到VL53L0激光测距传感器(或USB相机)的接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上(一种内部具有放大功能的光学传感器)，该二极管能够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。机械臂通电后首先进行初始化，丝杆向前伸展小短距离，然后向后收缩小短距离。当接收到顶层传送过来的抓取命令时，步进电机驱动丝杆向前，同时VL5 3L0激光测距传感器开始进行前方物体进行距离的测定，若检测到前方较近距离处有物体时，舵机转动一定的角度，实现对物品的夹取。夹取到物品后，步进电机驱动丝杆向后，回到抓取前的位置；

上述过程的具体实现方式：即Y轴步进电机12控制丝杆23的伸缩；舵机5控制夹取装置，采用PWM波直接控制角度，实现对物品的夹取；VL53L0激光测距传感器(或USB相机)反馈装置(或相机8)测定前方物体距机械臂系统45的距离；机械臂系统45通电后首先进行初始化，丝杆23向前伸展，然后向后收缩。当接收到顶层传送过来的抓取命令时，丝杆23开始伸展，同时VL53L0激光测距传感器(或USB相机)(或相机8)返回测距数据，若检测到前方近处有物体时，由舵机5控制机械手IV实现对物品的夹取，夹取到物品后，丝杆23收缩，触碰到后方的碰撞开关后向前伸展一定距离，释放物品，若检测到前方没有物体时，则机械臂系统45回到原处。

所述人体跟随系统44对人体骨架进行识别，锁定特定目标，并对目标进行跟踪。人体跟随系统44耦接于中央主控系统51，当中央主控系统51发布命令启动，则人体跟随系统44启动，当人体举起双手，则启动机器人跟随，当人体平举双手，机器人停止跟随。具体控制方法包括如下：

(1)采用Kinect相机38进行骨架识别，利用红外信息，产生3D深度图像，Kinect相机38采用分割策略来将人体从背景环境中区分出来，在后面的处理流程中仅仅转送人体图像，以减轻体感计算量，接下来Kinect相机38会通过机器学习对分割图像进行人体部位辨别，得到最有可能是人体关节点的二十个点，最后根据追踪到的20个关节点来生成一幅骨架系统；

(2)采用激光雷达31进行跟随，激光雷达31会先在当前位置发出激光并接收反射光束，解析得到距离信息，而后激光雷达31的激光发射器会转过一个角度分辨率对应的角度再次重复这个过程，之后对得到的所有数据进行聚类，相邻两个激光距离小于阈值，为同一类，接下来对聚类结果进行分析判断，得到可能的人腿位置，并根据上一次的速度和位置预测排除一些人腿，最终将距离预测位置最近的位置作为人腿的位置，计算得到跟踪速度，然后通过底层驱动系统43对人体进行跟随。

所述地图构建与定位单元46：地图的构建采用ROS gmapping包，gmapping包采用了粒子滤波算法，提供基于激光的SLAM(同时定位和地图建立)，节点名为slam_gmapping。使用slam_gmapping，可以从移动机器人收集的激光和位姿关系数据创建二维栅格地图。机器人定位采ROS amcl包，amcl是移动机器人在2D环境中的概率定位系统。它实现了自适应(或KLD采样)蒙特卡罗定位方法，其使用粒子滤波器来针对已知的地图跟踪机器人的位姿。该节点使用激光扫描数据和激光雷达地图来工作。amcl接收基于激光的地图，激光扫描和tf变换消息，并输出位姿估计。

所述路径规划与避障单元47：导航与路径规划是机器人研究中的重要部分。一般机器人在陌生的环境下需要使用激光传感器(或者深度传感器转换成激光数据)，先进行地图建模，然后在根据建立的地图进行导航与实时的路径规划，路径规划使用move_base包提供了一个动作的实现，在ROS的导航中，首先会通过全局路径规划，计算出机器人到目标位置的全局路线。这一功能是navfn这个包实现的。navfn通过Dijkstra最优路径的算法，计算costmap上的最小路径，作为机器人的全局路线。在地图上给定一个目move_base将会规划出路径并使机器人避开障碍物从而到达目标。move_base节点将全局导航和局部导航链接在一起以完成其导航任务。全局导航用于建立到地图上最终目标或一个远距离目标的路径，局部导航用于建立到近距离目标和为了临时躲避障碍物的路径。

所述物体识别单元48：物体检测采用的yolov3算法，用于分析处理USB相机8的图像信息，并与本地权重文件库进行比对判断，从而识别物品，并输出物品的名字及像素坐标。

所述人脸识别单元49：首先通过相机将人脸特征采集并生成数据及人名保存到文件中。当数据录入成功后，会生成一张被采集者的图片被保存。进行检测时，屏幕显示检测结果。当程序检测到人脸特征与本地数据库匹配，则框出人脸并在左上角显示人名，若人脸特征与本地数据库匹配无对应结果，则框出人脸，不显示人名。

所述语音合成与识别单元50用于将文本合成为音频文件并播报，也可以接收麦克风录音数据进行语言特征识别，反馈语音对应的文本信息；所述语音合成与识别单元50使用科大讯飞的语音包，将文本合成音频文件进行播放；识别时通过话筒录音音频文件，再对音频做识别处理得到对应文本。

在上述技术方案中，所述服务机器人的控制系统的工作流程为：

(1)机器人启动即主程序启动，机器人会立即进入人脸识别验证状态，通过语音识别与合成单元，提示使用者面对相机进行验证，人脸检测，搜索照片以查找任何脸部(检测到人脸会用框框出)，面部识别，将检测到并处理过的面部与已知面部的数据库进行比较，以确定该人是谁(在绿框外部显示为红色文本)然后图像处理会清除面部图像以便于识别。当识别到面部特征以后，将与本地权重文件对比，匹配成功即识别通过，会有语音提示：验证通过，反之提示：验证失败；

(2)人脸识别验证通过后，机器人进入待命状态，此时机器人处于语音唤醒模式，当机器人听到唤醒词时，机器人启动进入任务菜单模式，当机器人进入菜单模式，通过语音询问任务，使用者告诉机器人任务后，开始执行相应任务，任务完成后，机器人恢复到语音唤醒模式。目前开发的机器人任务菜单有三项，分别是物品标记(mark)、自动取物(catch)、导盲(navigation)，括号内为任务对应的语音识别词；

(3)当使用者说到物品标记时，机器人自动进入物品标记模式，打开Kinect v1.0深度相机，使用者举起双手，则机器人自动启动人体跟随系统，通过算法识别人体骨架，然后采用单线激光雷达雷达得到距离信息，预测人腿位置并计算跟踪速度实现人体跟随，当到达标记物品所在地时，通过平举双手或者语音告诉机器人物品的名字，机器人则自动进行标记；

(4)当使用者说到导盲时，机器人自动进入导盲模式，启动地图构建与定位单元、路径规划与避障单元、语音识别与合成单元，机器人通过语音询问使用者需要去的地点，然后打开单线激光雷达，检测自身所在地点，计算全局路径，规划局部路径，轻松避开障碍物，使用者扶住机器人，机器人到达目的地后通过语音播报，告诉使用者已到达目的地；

(5)当使用者说到取物时，机器人自动进入自动取物模式，启动地图构建与定位单元、路径规划与避障单元、语音识别与合成单元，机器人通过语音播报询问使用者需要的物品，当接收到语音信息时，通过语音合成与识别，将物品名称以指令的形式发送到机器人，自动与标记物品进行匹配，匹配成功后，通过导航到达目的地点，机器人调整姿态，同时启动物体识别单元，USB相机打开，对周围物品进行扫描，将扫描物品与本地权重文件对比，匹配成功后自动锁定，传回像素位置，启动机械臂系统，自动调整机械臂高度与角度，向前抓取时通过VL53L0激光测距识别抓取成功与否，抓取到物品时，机器人自动返回使用者处，传递物品。

其中，更具体的来说，

本发明有三种工作模式，分别是物品标记模式54、自动取物模式55、导盲模式56。工作模式主要用人脸识别单元49和语音合成与识别单元50调用。

首先进行权限验证(人脸识别)52，进入人脸识别单元49，人脸识别单元49耦接与中央主控系统51。当验证权限(人脸识别)52通过后，进行待命状态(语音唤醒)53，进入语音合成与识别单元50，与中央主控系统51耦接。当机器人识别到对应的语音密码，则进入任务菜单模式，机器人通过语音询问，语音合成与识别单元50得到任务后，确定其工作模式，机器人开始执行相应任务；最后，任务完成后，机器人状态回到语音唤醒模式。

目前开发的任务菜单有三项，分别是物品标记(mark)、自动取物(catch)、导盲(navigation)，括号内为任务对应的语音识别单词。音合成与识别单元50还可以用作语音提示各个方面，可随时被调用。

其中，物品标记模式的具体过程为：

通过语音合成与识别单元50选择物品标记模式56，机器人启动人体跟随系统44，kinect相机38返回深度图像，采用openni手势库和nite骨架相结合识别人体骨架及目标动作，单线激光雷达31数据通过聚类算法得到的人腿位置，将kinect相机38和单线激光雷达31得到的人体位置进行校准，实时计算跟踪速度完成人体跟随，当到达标记物品所在地，通过识别人的手势得到物品方向，通过语音合成与识别单元50得到物品名称，将物品位置方向及名称写入本地数据文件中。采用上述方式，可以使机体能够始终与使用者保持在一个合适的距离范围和角度范围内。物品标记通过人体手势进行，当人体举起左手，机器人对左边进行标记，举右手则对右边进行标记，此模块配合语音合成与识别单元完成对物品位置方向及名称的标记。

其中，导盲模式的具体过程为：

通过语音合成与识别单元50选择导盲模式56，机器人进入导盲模式56，启动地图构建与定位单元46、路径规划与避障单元47、语音识别与合成单元50，机器人通过语音询问使用者需要去的地点，通过单线激光雷达31扫描信息，检测自身所在地点，规划全局路径以及局部路径，避开障碍物，使用者扶着机器人前行，机器人到达目的地后通过语音播报，告知使用者已达目的地。

其中，自动取物模式的具体过程为：

通过语音识别与合成单元50选择自动取物模式55，机器人进入自动取物模式55，启动地图构建与定位单元46、路径规划与避障单元47、语音识别与合成单元50，机器人通过语音播报询问使用者需要的物品，当接收到语音信息时，通过语音合成与识别单元50，将物品名称以指令的形式发送到机器人，自动与标记物品进行匹配，匹配成功后，通过导航到达目的地点，机器人调整位姿，调用启动物体识别单元50，启用USB相机8，将图像信息与本地权重文件库数据匹配，输出目标物品像素位置，启动机械臂系统45，自动调整机械臂的高度及角度，向前抓取时通过VL53L0激光测距(或USB相机8)识别抓取是否成功，抓取物品后，机器人返回使用者处，送回物品。

物体识别单元48耦接于路径规划与避障单元47，当到达目标物品处，启动物体识别单元48，通过USB相机8对周围物体进行识别。机械臂系统45与物体识别单元48耦接，当物体识别单元48检测到对应物品，启动机械臂系统进行抓取。

本发明的一种移动式服务机器人、它能够在室内为盲人拿物品。当盲人需要某个物品时，只需告诉机器人所需物品，机器人就会自动去物品对应的地点，识别找到物品后，通过机械臂抓到物品并返回盲人身旁，极大地方便了盲人的生活。

同时机器人还能进行智能式的导盲，它不仅能检测到当前周围障碍物，还能根据事先扫描建立的地图感知不在周围的障碍物，进行路径规划并导航，途中能够避开新出现的障碍物。盲人不需要像使用其它导盲辅具那样要根据导盲辅具反馈的障碍物信息考虑如何走，担心走错路，而只需要扶着机器人前行。解决了目前导盲辅具无法大范围收集障碍物信息，进行智能路径规划的问题。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的服务机器人及其控制系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种服务机器人，其特征在于，包括：

机器人底盘；

机器人机械臂，其通过支撑板连接在机器人底盘上；所述机器人机械臂包括：

Y轴机械臂，其底部与支撑板连接；所述Y轴机械臂上设置有可沿Y轴移动的Y轴滑块；

X轴机械臂，其上设置有可沿X轴移动的X轴滑块；所述Y轴滑块和X轴滑块连接；

用于抓取物体的机械手，其连接在X轴机械臂的一端；

视觉模块，其包括：连接在支撑板上的门型架和连接在门型架横梁上的的kinect相机；所述机器人机械臂位于门型架内。

2.如权利要求1所述的服务机器人，其特征在于，所述机器人底盘包括：

底板，其上设置有雷达安装孔和悬挂安装孔；所述底板的下方设置有舱体；所述底板的前端和后端均朝外设置有防撞挡板；所述防撞挡板与底板的夹角大于90度；所述支撑板通过四个支撑柱Ⅰ连接在机器人底盘的底板上；

两个悬挂，其分别连接在所述底板的下方并位于舱体的两侧；两个所述悬挂包括：主体板，其上连接四个支撑住Ⅱ；所述主体板的两侧设置有一体成型的限制板；所述四个支撑柱Ⅱ上均套设有减震弹簧；且所述四个支撑柱Ⅱ的顶部设置有支撑柱安装孔；所述四个支撑柱Ⅱ穿过悬挂安装孔后在支撑柱安装孔内采用螺栓或长栓将悬挂连接在底板上；所述限制板表面连接有橡胶垫；

四个车轮，其分别位于两个悬挂的端部；四个所述车轮分别与驱动电机连接，且所述驱动电机通过电机安装座与悬挂连接；所述电机安装座为L型安装座，其一面与悬挂通过螺栓连接固定，另一面与驱动电机连接；所述驱动电机为伺服电机或减速电机；

所述雷达安装孔内连接激光雷达；所述舱体内放置有电源模块和与电源模块连接的车身底板控制板；且所述激光雷达与所述电源模块连接；所述驱动电机均与车身底板控制板连接。

3.如权利要求1所述的服务机器人，其特征在于，所述X轴机械臂包括：

支撑架，其一端连接有挡板Ⅰ，另一端连接有挡板Ⅱ；

安装底板，其连接在支撑架的一端且靠近挡板Ⅰ；

X轴步进电机，其电机轴穿过安装底板后与联轴器连接，且所述联轴器位于安装底板和挡板Ⅰ之间；

丝杆，其与联轴器连接，且所述丝杆与挡板Ⅰ和挡板Ⅱ均可转动连接；所述丝杆上连接X轴滑块；

导轨，其连接在支撑架上；所述X轴滑块通过滑片与导轨可滑动连接；

所述Y轴机械臂包括：

安装基座，其底部安装有Y轴步进电机；

壳体，其连接在安装基座上；所述壳体的两端分别可转动连接有主动轴轮和从动轴轮；且所述主动轮轴与Y轴步进电机的电机轴连接；所述主动轴轮与从动轴轮之间连接有皮带；所述Y轴滑块通过沉头螺钉连接在所述皮带上；所述壳体上连接有壳体盖；

其中，所述X轴机械臂的支撑架与机械手连接；所述安装基座连接在支撑板上。

4.如权利要求3所述的服务机器人，其特征在于，所述丝杆与挡板Ⅰ和挡板Ⅱ的可转动连接方式为：所述挡板Ⅰ和挡板Ⅱ上均安装有轴承，所述丝杆穿过轴承以实现可转动连接；所述滑片的一面与X轴滑块连接，另一面设置为卡槽结构与导轨滑动连接。

5.如权利要求3所述的服务机器人，其特征在于，所述安装基座为T型基座；所述Y轴步进电机安装的T型基座的一侧，所述壳体的一端安装在T型基座的另一侧。

6.如权利要求3所述的服务机器人，其特征在于，所述Y轴滑块为U型滑块；所述U型滑块的内底部的两侧均设置有滑槽；所述壳体的两侧的上端均设置有L型折部，所述L型折部设置在滑槽内以实现Y轴滑块与壳体的可滑动连接。

7.如权利要求1所述的服务机器人，其特征在于，所述机械手包括：

安装基板，其通过连接架与X轴机械臂的一端连接；所述安装基板上平行设置有两组滑杆固定座，每组滑杆固定座上穿设有一根滑杆以形成平行的两根滑杆；所述平行的两根滑杆的两端穿设有滑片；所述滑片上成对设置有夹取爪；滑片上相对设置的两对夹取爪形成夹取空间；所述夹取爪上设置有橡胶片；所述夹取爪通过夹取爪连接件固定于滑片上；

连接在安装基板上的舵机，其位于平行设置的两组滑杆固定座的中央；所述舵机连接有主舵机传动杆，主舵机传动杆两端分别连接有副舵机传动杆，两个副舵机传动杆分别与滑杆两端的滑片连接；

相机，其连接在安装基板上且位于舵机的上方；

所述滑杆两端安装有用以防止滑片脱落的挡片，挡片通过其具有的螺纹孔与滑杆连接；所述主舵机传动杆设置有连接柱，主舵机传动杆通过连接柱与舵机连接。

8.一种服务机器人的控制系统，其特征在于，包括：中央主控系统；

分别于中央主控系统耦接的机器人底盘驱动系统、人体跟随系统、机械臂系统、地图构建与定位单元、路径规划与避障单元、物体识别单元、人脸识别单元和语音合成与识别单元。

9.如权利要求8所述的服务机器人的控制系统，其特征在于，所述控制系统具有三种工作模式，其分别为物品标记模式、自动取物模式和导盲模式；所述三种工作模式采用人脸识别单元和语音合成与识别单元进行调用，其具体调用过程为：首先进行权限验证，进入人脸识别单元，人脸识别单元耦接与中央主控系统，当验证权限通过后，进行待命状态，进入语音合成与识别单元，语音合成与识别单元与中央主控系统耦接；当机器人识别到对应的语音密码，则进入任务菜单模式，机器人通过语音询问，语音合成与识别单元得到任务后，确定其工作模式，机器人开始执行相应任务，最后，任务完成后，机器人状态回到语音唤醒模式。

10.如权利要求9所述的服务机器人的控制系统，其特征在于，所述物品标记模式的实现过程为：通过语音合成与识别单元选择物品标记模式，机器人启动人体跟随系统，实时计算跟踪速度完成人体跟随，当到达标记物品所在地，通过识别人的手势得到物品方向，通过语音合成与识别单元得到物品名称，将物品位置方向及名称写入本地数据文件中；

所述导盲模式的实现过程为：通过语音合成与识别单元选择导盲模式，机器人进入导盲模式，启动地图构建与定位单元、路径规划与避障单元、语音识别与合成单元，机器人通过语音询问使用者需要去的地点，通过机器人的激光雷达扫描信息，检测自身所在地点，规划全局路径以及局部路径，避开障碍物，使用者扶着机器人前行，机器人到达目的地后通过语音播报，告知使用者已达目的地；

所述自动取物模式的实现过程为：通过语音识别与合成单元选择自动取物模式，机器人进入自动取物模式，启动地图构建与定位单元、路径规划与避障单元、语音识别与合成单元，机器人通过语音播报询问使用者需要的物品，当接收到语音信息时，通过语音合成与识别单元，将物品名称以指令的形式发送到机器人，自动与标记物品进行匹配，匹配成功后，通过导航到达目的地点，机器人调整位姿，调用启动物体识别单元，启用相机，将图像信息与本地权重文件库数据匹配，输出目标物品像素位置，启动机械臂系统，自动调整机械臂的高度及角度，进行物品抓取，抓取物品后，机器人返回使用者处，送回物品。