CN109968365A - 一种机器人控制系统、控制系统的控制方法以及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人控制系统。该机器人控制系统包括：主控制器板、运动控制及传感器板、电机驱动板、传感器模块、供电电源模块、麦克风阵列和降噪板、扬声器及功放板以及摄像头模块；所述传感器模块用于传感器信息采集，并与所述运动控制及传感器板连接反馈传感器数据；所述麦克风阵列和降噪板用于声音采集及声源定位，并与所述主控制器板连接；所述扬声器及功放板与所述主控制器板连接用于音频输出；所述摄像头模块与所述主控制器板连接用于视觉和图像采集；所述主控制器板、运动控制及传感器板及电机驱动板相互连接。本发明还提供了一种机器人控制系统的控制方法以及机器人。

Description

一种机器人控制系统、控制系统的控制方法以及机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机器人控制系统、控制系统的控制方法以及机器人。

背景技术

儿童教育问题始终是关系到国计民生的热点话题。随着二胎政策的放开，延迟退休政策的出台以及人民生活水平不断提高等因素的影响，儿童教育机器人的市场不断扩大，产品的需求也与日俱增。随着机器人控制器性能的不断提高以及人工智能技术、传感器技术及电机驱动技术的不断发展，儿童教育机器人的市场前景必将一片光明。

然而，目前市场上儿童教育机器人及智能硬件产品较多，但交互体验却不能满足消费者对于智能机器人的产品需求。一些机器人生产厂商为了追求短期的利益，压缩研发成本，对人机交互、人工智能等前沿技术的投入不足，导致大多数的机器人产品更像一个会移动的平板电脑，对儿童教育机器人的推广和普及带来了限制。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种机器人控制系统。所述机器人控制系统包括：主控制器板、运动控制及传感器板、电机驱动板、传感器模块、供电电源模块、麦克风阵列和降噪板、扬声器及功放板以及摄像头模块；所述传感器模块用于传感器信息采集，并与所述运动控制及传感器板连接反馈传感器数据；所述麦克风阵列和降噪板用于声音采集及声源定位，并与所述主控制器板连接；所述扬声器及功放板与所述主控制器板连接用于音频输出；所述摄像头模块与所述主控制器板连接用于视觉和图像采集；所述主控制器板、运动控制及传感器板及电机驱动板相互连接；所述供电电源模块为所述机器人控制系统供电。

在一些实施例中，所述电源模块包括电池及无线充电模块。

在一些实施例中，所述传感器模块包括有害气体传感器、烟雾报警器、PM2.5传感器及温湿度传感器，所述传感器模块通过通信接口与运动控制及传感器板连接。

在一些实施例中，所述主控制器板上设置有模拟的音频输入、输出接口；

所述主控制器板通过所述模拟音频输入接口连接麦克风输入及降噪板；

所述主控制器板通过所述模拟音频输出接口连接扬声器及功放板。

在一些实施例中，所述摄像头模块包括单目摄像头和深度摄像头。

在一些实施例中，所述摄像头模块通过USB接口与所述主控制器板连接。

在一些实施例中，所述机器人控制系统还包括移动终端，所述移动终端与主控制器板连接用于机器人遥控。

在一些实施例中，所述移动终端通过无线网络与所述主控制器板连接。

本发明还提供了一种机器人控制系统的控制方法，所述机器人控制系统的控制方法包括以下步骤：摄像头模块收集人物的清晰人脸图像；对人脸图像对应的人物的名字进行录入；主控制器板通过人脸识别和特征提取算法提取每位人物的特征值；当启动基于人工智能的交互功能时，通过摄像头模块采集小朋友的人脸图像；主控制器板对图像进行人脸识别及特征提取；与图像库中的人脸图像特征值进行逐一比对，获取图像特征最接近的人物的名字；扬声器及功放板播放出人物的名字。

本发明还提供了一种机器人，所述机器人包括如前所述的机器人控制系统。

本发明的技术效果：本发明提供的机器人控制系统提供了一套完整的机器人控制系统硬件方案，且机器人能够基于人脸识别及特征匹配认识每一位人物，与人物亲密的双语互动，机器人甚至可以通过识别孩子的性别为人物定制不同的交互内容，提高了教育机器人的交互体验。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的机器人的主视结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的机器人的俯视结构示意图；

图3为本发明一个实施例的机器人控制系统的结构框图；

图4为本发明一个实施例的机器人控制系统的控制方法流程图；

图5为本发明另一个实施例的机器人控制系统的控制方法流程图。

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参考图3所示，是本发明提供的一种机器人控制系统。所述机器人控制系统包括：主控制器板、运动控制及传感器板、电机驱动板、传感器模块、供电电源模块、麦克风阵列和降噪板、扬声器及功放板以及摄像头模块；所述传感器模块用于传感器信息采集，并与所述运动控制及传感器板连接反馈传感器数据；所述麦克风阵列和降噪板用于声音采集及声源定位，并与所述主控制器板连接；所述扬声器及功放板与所述主控制器板连接用于音频输出；所述摄像头模块与所述主控制器板连接用于视觉和图像采集；所述主控制器板、运动控制及传感器板及电机驱动板相互连接；所述供电电源模块为所述机器人控制系统供电。

在一些实施例中，所述电源模块包括电池及无线充电模块。

在一些实施例中，所述传感器模块包括有害气体传感器、烟雾报警器、PM2.5传感器及温湿度传感器，所述传感器模块通过通信接口与运动控制及传感器板连接。

在一些实施例中，所述主控制器板上设置有模拟的音频输入、输出接口；

所述主控制器板通过所述模拟音频输入接口连接麦克风输入及降噪板；

所述主控制器板通过所述模拟音频输出接口连接扬声器及功放板。

在一些实施例中，所述摄像头模块包括单目摄像头和深度摄像头。

在一些实施例中，所述摄像头模块通过USB接口与所述主控制器板连接。

在一些实施例中，所述机器人控制系统还包括移动终端，所述移动终端10与主控制器板连接用于机器人遥控。

在一些实施例中，所述移动终端通过无线网络与所述主控制器板连接。

本发明还提供了一种机器人，所述机器人包括如前所述的机器人控制系统。

下面结合具体的实施例对本发明提供的机器人控制系统和机器人进行说明。

如图1和图2所示，是本发明提供的一种机器人，例如是一种基于人工智能的儿童教育机器人。

所述机器人由头部1、躯干2、底盘8和移动轮系构成。机器人的主控制器板41安装于机器人的底盘8上；机器人相关的传感器模块20固定在机器人的外壳上；移动终端10通过WIFI与机器人的主控制器板41相连，能够遥控机器人作出相应的动作。

机器人的头部1装有麦克风阵列及降噪板11、两个全频扬声器13及一个单目摄像头12。其中，麦克风阵列及降噪板11包括环形麦克风阵列板和降噪板。环形麦克风阵列板安装于机器人头顶位置，用于音频数据的采集，并能够实现声源的定位功能；降噪板位于麦克风阵列板的下方，用于将麦克风阵列的多路音频信号转换为单通道的模拟量信号，并将信号提供给主控制器板41进行语义的识别；扬声器及功放板13包括两个全频扬声器。两个全频扬声器安装于机器人头部1的两侧，用于语义合成后的音频输出。

所述摄像头模块30包括单目摄像头12和深度摄像头21。单目摄像头12安装于头部1正面偏上的位置，用于人脸识别及表情识别等图像信息的采集；机器人头部1具有两个自由度，分别由两个直流有刷电机驱动，使机器人头部可以沿上下和左右方向摆动，通过摆动配合单目摄像头12完成人脸识别及表情识别功能。

机器人的躯干2中包含上电开关22，Kinect深度摄像头21，所述传感器模块2包括环境传感器23-26及声呐传感器31-35，并固定在机器人躯干部分的外壳上。上电开关22位于机器人的背部，通过控制按键的时长确定按键的功能。短按上电开关22可以启动机器人，长按上电开关2时间达3秒以上则为机器人断电。Kinect深度摄像头21安装于机器人胸前，基于激光导航的原理构建地图，并实现机器人的自主导航功能。由于深度摄像头21在500mm范围内存在视觉盲区，需要声呐传感器31-35辅助进行近距离范围内的测距，实现机器人的自主导航及避障功能。通过对声呐传感器安装高度及测距范围的测算，机器人的正面需要安装3个声呐传感器31-33，背面需安装2个声呐传感器34-35，这样能够达到测距及避障的最佳效果。环境传感器包括有害气体传感器23、烟雾报警器24、PM2.5传感器25及温湿度传感器26，安装于机器人背部，并采用网罩遮挡。有害气体传感器23能够检测甲醛、苯、一氧化碳等有害气体的浓度；烟雾报警器24用于检测丙烷及烟雾浓度；PM2.5传感器25通过粒子计数原理检测直径1um以上的灰尘颗粒物；温湿度传感器26采用模拟量输出，定时采集环境温度及湿度数据。以上环境传感器用于监测机器人周边环境信息，提供安全监控及危险报警功能。

机器人底盘8安装部件包括主控制器板41，电源模块7，双轮驱动电机61、62。控制板卡包括主控制器板41、运动控制及传感器板42、头部电机驱动板43及电机驱动板40。主控制器板41采用高性能的嵌入式系统平台处理器，实现视觉导航、视觉应用、人机交互、运动决策及各种数据信息的融合功能；运动控制及传感器板42用于采集传感器信息、运动控制指令的转发及状态的反馈，将运动控制指令通过数据总线传递给电机驱动板卡。电机驱动板包括头部电机驱动板卡43和底盘电机驱动板卡44，所述头部电机驱动板卡43和底盘电机驱动板卡44为相同的硬件板卡，分别用于驱动头部和底盘的各两个电机，并负责里程数据的反馈。机器人电源模块7包括：一块大容量锂电池、电池充电接口、无线充电控制板卡及电磁感应充电线圈。机器人提供有线充电和无线充电两种充电方式，无线充电线圈位于机器人底部，应用视觉导航功能，机器人可自行寻找无线充电装置，移动到充电装置的正上方并完成电源的无线充电功能。双轮的驱动电机61、62为直流无刷电机，具有霍尔传感器和增量编码器，通过电流和位置的反馈实现电机的闭环控制。

机器人的运动轮系包括两个主动轮51、52及随动轮53。主动轮51、52的尺寸由机器人的移动速度和越障能力决定。两个主动轮51、52由两个直流无刷电机驱动，并能够分别进行控制。随动轮53为一个万向轮，无需电机驱动，与主动轮51、52共同支撑机器人的机械结构，保证机器人的平衡，且方便机器人的移动及转向。

图3为本发明机器人的硬件结构图。其中包括主控制器板41、运动控制及传感器板42、电机驱动板40、用于传感器信息采集的传感器模块20、供电电源模块7、用于声音采集及生源定位的麦克风阵列和降噪板11、用于音频输出的扬声器及功放板13、用于视觉和图像采集的摄像头模块30以及用于机器人遥控的移动终端10。主控制器板41、运动控制及传感器板42及电机驱动板40组成控制系统，安装于机器人底盘上，采用统一的数据总线连接在一起，便于提升数据和控制指令的传输速度；电源模块7包括电池及无线充电模块，通过电源转换为各板卡供电；传感器模块20包括有害气体传感器、烟雾报警器、PM2.5传感器及温湿度传感器，通过各自的通信接口与运动控制及传感器板42连接，定时采集并反馈传感器数据；主控制器板上提供模拟的音频输入、输出接口：模拟音频输入接口连接麦克风输入及降噪板11，负责音频数据的采集；模拟音频输出接口连接扬声器及功放板13，音频数据的播放功能；摄像头模块30包括单目摄像头和深度摄像头，用于图像和视觉信息的采集，通过USB接口与主控制器板41连接，实现视觉导航和视觉应用功能；移动终端10通过无线网络与主控制器板41连接，安装应用软件后可作为机器人的遥控器，接收机器人反馈的图像及语音信息，还可通过云端为机器人下载应用程序软件。

本发明机器人的主要应用领域为幼儿园等幼儿教育机构，针对这一领域，基于人工智能算法为机器人定制了一些特色功能。机器人人脸识别及交互功能使机器人通过采集人脸图像和特征匹配说出该图像对应的小朋友的名字，如图4所示，本发明还提供了一种机器人控制系统的控制方法，所述机器人控制系统的控制方法包括以下步骤：

步骤401、摄像头模块收集人物的清晰人脸图像；该步骤具体可为：通过手机移动终端或者机器人的单目摄像头收集班级中小朋友的清晰人脸图像。机器人摄像头采集的人脸图像能够和移动终端中的人脸图像通过手动方式进行同步；

步骤402、对人脸图像对应的人物的名字进行录入；该步骤具体可为：由幼儿园老师在移动终端通过专用应用软件对人脸图像对应的小朋友的名字进行录入，并将标记后的图像及信息回传给机器人；

步骤403、主控制器板通过人脸识别和特征提取算法提取每位人物的特征值；该步骤具体可为：机器人的主控制器板卡通过人脸识别和特征提取算法提取每位小朋友的特征值，如有多幅同一小朋友的图像可以计算特征值范围及典型值；

步骤404、当启动基于人工智能的交互功能时，通过摄像头模块采集小朋友的人脸图像；该步骤具体可为：启动基于人工智能的交互功能，通过机器人的单目摄像头采集小朋友的人脸图像；

步骤405、主控制器板对图像进行人脸识别及特征提取；

步骤406、与图像库中的人脸图像特征值进行逐一比对，获取图像特征最接近的人物的名字；该步骤具体可为：与图像库中的人脸图像特征值进行逐一比对，获取图像特征最接近的小朋友的名字；

步骤407、扬声器及功放板播放出人物的名字。该步骤具体可为：机器人向小朋友打招呼问好，并说出小朋友的名字。

此外，在说出小朋友的名字后，机器人还能够获取小朋友的语言反馈，在语义识别后，如果收到的反馈是识别错误则标记采集的图像，反馈到移动终端，由老师进行重新标记。重新标记后对图像进行特征提取，对该小朋友的特征值进行修正。这样通过识别错误后的特征值修正不断提高图像识别的正确率。

请参阅图5，为本发明另一个实施例的机器人控制系统的控制方法流程图。基于人脸识别和特征提取功能，机器人可通过表情识别和智能筛选将孩子在幼儿园高兴和哭闹的图片通过云端服务器发送到家长的手机软件中，方便家长随时连接孩子的状况，该功能的实现包括如下步骤：

步骤501、机器人的单目摄像头采集小朋友的人脸图像；

步骤502、通过人脸识别和特征匹配功能确认小朋友的名字；

步骤503、提取人脸图像眉毛、眼睛、嘴部等局部部位的特征值；

步骤504、通过与预设表情特征值的比对及智能筛选方法，提取高兴及哭闹的表情图像；

步骤505、将表情图像以图片方式通过云端服务器推送给该小朋友家长，家长手机中预装的应用软件能够接收孩子的表情图片；

步骤506、家长通过软件查看图片，并可通过手机与机器人进行远程网络连接，查看机器人单目摄像头拍摄的实时监控视频。

作为改进方案，可考虑在手机软件中开放更多的功能，家长可通过手机软件中的指令控制机器人寻找自己的孩子，并通过手机内置的麦克风与孩子进行远程语音对话。

本发明从幼儿教育的角度出发，提供了一套完整的机器人控制系统硬件方案，采用集总式的设计结构，板卡间的通信采用统一的接口，减少板卡数量的同时提供更多的功能。硬件控制板卡包括主控制器板、运动控制及传感器板及电机驱动板。且将人工智能技术应用于幼儿教育领域，为少年儿童定制了多种实用功能，丰富机器人的人机交互体验。这些功能包括：通过人脸识别和特征匹配可以让机器人说出小朋友的名字并主动和小朋友打招呼；通过表情识别及智能筛选技术记录孩子在幼儿园的精彩瞬间，并将图片推送到家长的手机；通过手机录入或语音录入孩子一天的课程安排，机器人可根据课程的时间定时提醒孩子按时上下课。此外，机器人的功能还包括基于机器视觉的自主导航，自主避障，温湿度、气体等环境状态监控，中英双语对话，幼儿教育等。本发明采用高性能的嵌入式系统平台作为视觉及图像的专用处理器，基于该处理器制作主控制器板，并在主控制器板上实现数据的融合及控制的决策；根据传感器采集和中断响应时间的实时性要求，选择嵌入式微控制器作为运动控制及传感器板的控制器芯片，实现传感器采集和运动控制指令转发。根据板卡驱动能力及尺寸要求，选择相同的双轴驱动板卡分别驱动头部和底盘的电机。板卡间的通信采用相同的接口，在尽量减少板卡数量、缩小板卡面积的同时保证视觉导航及应用功能的顺利实现。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机器人控制系统，其特征在于，包括：

主控制器板、运动控制及传感器板、电机驱动板、传感器模块、供电电源模块、麦克风阵列和降噪板、扬声器及功放板以及摄像头模块；

所述传感器模块用于传感器信息采集，并与所述运动控制及传感器板连接反馈传感器数据；

所述麦克风阵列和降噪板用于声音采集及声源定位，并与所述主控制器板连接；

所述扬声器及功放板与所述主控制器板连接用于音频输出；

所述摄像头模块与所述主控制器板连接用于视觉和图像采集；

所述主控制器板、运动控制及传感器板及电机驱动板相互连接；

所述供电电源模块为所述机器人控制系统供电。

2.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述电源模块包括电池及无线充电模块。

3.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括有害气体传感器、烟雾报警器、PM2.5传感器及温湿度传感器，所述传感器模块通过通信接口与运动控制及传感器板连接。

4.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述主控制器板上设置有模拟的音频输入、输出接口；

所述主控制器板通过所述模拟音频输入接口连接麦克风输入及降噪板；

所述主控制器板通过所述模拟音频输出接口连接扬声器及功放板。

5.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述摄像头模块包括单目摄像头和深度摄像头。

6.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述摄像头模块通过USB接口与所述主控制器板连接。

7.根据权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，还包括移动终端，所述移动终端与主控制器板连接用于机器人遥控。

8.根据权利要求7所述的机器人控制系统，其特征在于，所述移动终端通过无线网络与所述主控制器板连接。

9.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的机器人控制系统。

10.一种机器人控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

摄像头模块收集人物的清晰人脸图像；

对人脸图像对应的人物的名字进行录入；

主控制器板通过人脸识别和特征提取算法提取每位人物的特征值；

当启动基于人工智能的交互功能时，通过摄像头模块采集小朋友的人脸图像；

主控制器板对图像进行人脸识别及特征提取；

与图像库中的人脸图像特征值进行逐一比对，获取图像特征最接近的人物的名字；

扬声器及功放板播放出人物的名字。