CN110238858A - 一种多感知智能看护机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多感知智能看护机器人，其包括机器人本体、主控装置、以及均与主控装置相连的行进装置、声音采集模块、图像处理模块、异常气体检测模块、障碍检测模块、彩信模块和发声模块；主控装置内部还集成有人脸识别模块、异常行为检测模块、陌生人跟随模块、异常声音定位模块；机器人本体与底盘移动装置和头部动作装置相连，底盘移动装置包括行走轮、底盘控制器、电机驱动器、避障传感器，头部动作装置包括负责控制机器人脖子和眼球转动的舵机、控制嘴部动作的继电器。本发明能够采集包括声音、图像、烟雾、煤气等各种信号，通过多种传感器感知环境信息，能更为全面的监控周围环境，监控能力大大提升。

Description

一种多感知智能看护机器人

技术领域

本发明涉及服务类机器人技术领域，尤其涉及一种多感知智能看护机器人。

背景技术

随着科技的发展，机器人已经开始进入人们的日常生活中。但是现有较多的是家政服务式机器人，其存在一定的缺点：家庭服务机器人的异常识别能力有限，无法对所处环境进行全方位的监控，现有针对家庭应用的监控系统主要由可移动摄像头和固定摄像头组成，只是完成简单的人工监控功能，或者单纯实现人脸识别系统，智能化程度有限，并且无法感知周围其他信息，不能对家庭环境进行综合分析，从而进行全方位的监控服务。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种多感知智能看护机器人，其基于自主移动平台，具有视觉、听觉、嗅觉等多个传感器，能够采集包括声音、图像、烟雾、煤气等各种信号，能够进行多感知融合，并能够娱乐服务的功能。

为解决现有技术中存在的问题，采用的具体技术方案是：

一种多感知智能看护机器人，其包括机器人本体、设于机器人本体内的主控装置、以及均与所述主控装置相连的行进装置、声音采集模块、图像处理模块、异常气体检测模块、障碍检测模块、彩信模块和发声模块；所述主控装置内部还集成有人脸识别模块、异常行为检测模块、陌生人跟随模块、异常声音定位模块。所述机器人本体的外部造型为鹅的造型，其与底盘移动装置和头部动作装置相连，并外接有摄像头、声音采集器、彩信模块、扬声器等交互设备。所述底盘移动装置包括行走轮、底盘控制器、电机驱动器、避障传感器，另外装有移动平台所需的锂电池；所述头部动作装置包括负责控制机器人脖子和机器人眼球转动的舵机、控制机器人的嘴部动作的继电器，舵机有3个，1个舵机负责控制机器人脖子的转动，2个舵机控制眼球（摄像头的转动）。

优选的方案，所述行走轮包括2个驱动机器人行走的驱动轮和1个用于转向的万向轮，这种经典结构可以使得机器人能够实现前进、后退、左右转动等各种功能。

进一步优选的方案，所述主控装置通过串口与所述底盘控制器相连，并向底盘控制器发送控制命令；所述底盘控制器与电机驱动器相连，并控制电机驱动器进行相应动作，以及对障碍信号做出处理。

更进一步优选的方案，所述人脸识别模块由摄像头及监控算法组成，其通过肤色匹配、人眼检测方式定位人脸，并通过监控算法在确保人脸识别率的情况下提高处理监控速度。

再进一步优选的方案，所述异常行为检测模块由摄像头、转动舵机和监控算法组成，通过帧差检测运动物体上半身，判断摔倒、跌落、跑步的异常行为。

所述陌生人跟随模块由广角摄像头、转动舵机和跟随算法组成，所述广角摄像头用于提供较大的视角以利于跟踪，其通过舵机进行控制摄像头转动并及时跟踪外界变化。

所述异常声音定位模块由声音采集装置和声音处理装置组成，声音采集装置采集声音数据，通过程序定位出转向角度，驱动电机进行相应动作。

所述声音采集装置由4个全方向的麦克风组成，4个全方向的麦克风安装于机器人底盘的四周。能够对周围环境声音进行监测，并进行定位。

所述异常气体检测模块由烟雾煤气传感器独立工作，其随机器人本体的移动，监测周围环境的异常气体状态。

机器人眼球为两个CMOS摄像头，可将实时采集的图像传输到机器人内部的上位机进行处理。

通过采用上述方案，本发明的一种多感知智能看护机器人与现有技术相比，其技术效果在于：

1）本发明全身安装多种传感器，能够采集包括声音、图像、烟雾、煤气等各种信号，是一种融合了造型技术、机械、 电子、传感器、计算机软件硬件和人工智能等众多先进技术的机电一体化系统。

2）本发明与现有技术相比，其能够通过多种传感器感知环境信息，从而可以进行更为全面的监控周围环境，其监控能力大大提升，提供了无人值守的全方位监控功能。

3）本发明整体造型适合家庭环境，内部机械装置简单，稳定性高，执行效率高，并且具有比较稳定、效率更高的优点。

4）本发明具有实时人脸识别、异常行为及声音检测和异常气体检测的功能，并根据其结果进行相应处理，跟随陌生人并及时通知主人，对家庭环境进行全方位的监控。

5）本发明可以随时将所处环境的信息传送至手机端，可以起到陪伴和看护的功能，解放了日常繁琐的劳作，同时可对幼儿进行启蒙教育。

附图说明

图1为本发明多感知智能看护机器人的组成结构示意图；

图2为本发明多感知智能看护机器人的结构设置；

图3为本发明多感知智能看护机器人的人脸识别过程流程图；

图4为本发明多感知智能看护机器人的陌生人跟踪过程流程图；

图5为本发明多感知智能看护机器人的声音采集通道结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明可以模拟发声,远程对话或故事,并可以实时提取所处环境中的各种信息，主要包括声音、图像、烟雾、煤气、障碍等信息，进行声音定位、人脸识别、异常事件报警。其主要用于婴幼儿的娱乐,以及在不同场景的看护功能，可以随时将所处环境的信息传送至手机端。本发明可以起到陪伴和看护的功能,解放了日常繁琐的劳作,同时可对幼儿进行启蒙教育。

如图1所示，本发明多感知智能看护机器人包括机器人本体、设于机器人本体内的主控装置、以及均与所述主控装置相连的行进装置、声音采集模块、图像处理模块、异常气体检测模块、障碍检测模块、彩信模块和发声模块。

各组成部分的连接及机构设置如图2所示，所述机器人本体外部造型为鹅的形象，包括底盘移动装置和头部动作装置，另外接有摄像头、声音采集器、彩信模块、扬声器等交互设备。

所述移动装置由底盘控制器、电机驱动器、避障传感器组成，另外装有移动平台所需的锂电池、3个轮子，包括2个驱动轮和1个万向轮。主控制装置通过串口向底盘控制器发送控制命令，控制电机进行相应动作，并对障碍信号进行处理。

所述头部动作装置由3个舵机和1个继电器组成，1个舵机负责控制机器人脖子的转动，2个舵机控制眼球（摄像头的转动），1个继电器控制机器人的嘴部动作。

本发明包括有监控系统，即异常检测系统，所述机器人异常监测系统由人脸识别、异常行为检测、陌生人跟随、异常声音、异常气体检测5个部分组成。

（1）、人脸识别

所述人脸识别模块集成于主控制装置中，由摄像头及监控算法实现，通过肤色匹配、人眼检测等多种方式定位人脸，在确保人脸识别率的情况下提高处理监控速度。整体过程如图3所示，首先通过肤色检测是否有人脸，并获取肤色掩码，如果肤色面积大于二分之一，则认为被遮蔽，机器人进行提醒。否则根据人眼定位出人脸位置，进行识别，将获取人脸信息与数据库信息比对，判断是已知人脸还是未知人脸，如果是已知人脸第一次进入，则机器人向其打招呼，如果是未知人脸第一次进入，则向其询问，并通过短信通知主人。如果超出1秒没有识别，优先通过肤色匹配寻找人脸，如果超过10秒则认为人脸丢失。

（2）、异常行为检测

所述异常行为检测模块集成于主控制装置中，由摄像头、转动舵机和监控算法实现，通过帧差检测运动物体上半身，判断摔倒、跌落、跑步等异常行为。

（3）、陌生人跟随

所述陌生人跟随模块集成于主控制装置中，由广角摄像头、转动舵机和跟随算法组成，所述广角摄像头能够提供较大的视角以利于跟踪，通过舵机进行控制摄像头转动及时跟踪外界变化。工作流程如如图4所示，首先使用普通摄像头进行人脸识别，如果定位到人脸并识别出是数据库中的未知对象，可以根据设定进入跟踪模式。根据人脸识别定位出来的位置信息，提取陌生人的上半身特征，利用广角镜头的宽视野特性，随时跟踪陌生人的动向。同时，可以判断出陌生人的距离信息，驱动机器人与陌生人保持1米左右距离。

（4）、异常声音定位

所述异常声音定位模块由声音采集装置和声音处理程序组成，通过声音采集器采集4个通道的声音数据，通过程序定位出转向角度，驱动电机进行相应动作。

实施过程中，所述声音采集器由4个全方向的麦克风组成，安装于底盘四周，如图5所示，4个通道的标号为0，1，2，3。每个通道采样数据为2048个数据，采样频率10000Hz。

（5）、异常气体检测

所述异常气体检测部分，由烟雾煤气传感器独立工作，随机器人本体移动监测周围家庭环境的异常气体状态，如果检测到烟雾或可燃性气体则发出警报。

本发明是具有多感知的家庭监控系统，需要通过对环境多种信号的感知进行综合分析，根据任务优先级确定机器人的行动方案。所述智能监控机器人的任务分为3类：一是机器人本体的移动，包括避障、底盘动作、头部动作；一是监控部分，包括视频监控和声音监控；一是发送部分，主要是彩信发送。如下表所示，根据各任务的特点，可以制定出优先级，机器人根据优先级进行处理。

任务	运行特点	响应时间	数据量	运算量
					避障	中断	快	小	小
头部动作	受控	快	无	无
					底盘动作	受控	根据指令响应	无	无
视频监控	连续采集数据，进行计算	根据环境因素	大	大
					声音定位	连续采集数据，并及时做出响应	根据转动角度	较大	较大
彩信	一次运行任务，发送时需要等待信号响应	根据无线信号	较小	较小

实施过程中，由于机器人自身的安全考虑，将避障功能的优先级放在首位，在转向或者运行的过程中，及时对障碍信号做出响应。由于底盘动作时，轮子的运动会发出声音，为了让声音定位算法对转动过程的本体声音不响应，应让底盘动作的优先级高于声音定位。异常声音信号往往是突发性的，因此需要对此及时做出响应，而不能让计算量大的人脸识别占据了系统的运行时间。根据彩信发送的特点，发送的过程跟信号强度有关，并且属于一次运行任务，而不像声音采集模块需要对声音进行连续的采集，因此需要降低其优先级。因此将任务优先级从高到低设定为避障、底盘动作、声音定位、人脸识别、头部动作、彩信。

本发明全身安装多种传感器，能够采集包括声音，图像，烟雾，煤气等各种信号，是一种融合了造型技术、机械、 电子、传感器、计算机软件硬件和人工智能等众多先进技术的机电一体化系统。

机器人也可以对发生的异常事件进行监控，家庭环境包括有人和无人两种情况：家里有人时，机器人需要对主人和陌生人进行人脸识别，对家里的主人，对其到来表示欢迎，如果发现陌生人进行声音提示并将信息发送到主人的手机，并根据设定跟踪陌生人。同时，监控家庭成员可能出现的异常状况，如老人、小孩的跌倒，并及时通知主人。对于家中无人的环境，机器人根据制定的路线进行巡逻，并绕开障碍物，当出现异常声音、有毒气体泄漏等异常情况时，能够及时通知主人。当主人不在家时，机器人可以根据指定的路线隔一段时间在室内进行巡逻与监控，并绕开路线上出现的障碍物，当发现门窗破损、陌生人闯入、煤气泄漏、空气质量下降、发生火灾等时就会报警或相应提示，并通过异常声音迅速定位事发地点，帮助主人处理出现的异常情况，同时，机器人可通过WIFI网络给主人发出相关视讯通知。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多感知智能看护机器人，其特征在于，其包括机器人本体、设于机器人本体内的主控装置、以及均与所述主控装置相连的行进装置、声音采集模块、图像处理模块、异常气体检测模块、障碍检测模块、彩信模块和发声模块；所述主控装置内部还集成有人脸识别模块、异常行为检测模块、陌生人跟随模块、异常声音定位模块；所述机器人本体与底盘移动装置和头部动作装置相连，所述底盘移动装置包括行走轮、底盘控制器、电机驱动器、避障传感器，所述头部动作装置包括负责控制机器人脖子和机器人眼球转动的舵机、控制机器人的嘴部动作的继电器。

2.根据权利要求1所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，所述行走轮包括2个驱动机器人行走的驱动轮和1个用于转向的万向轮。

3.根据权利要求1所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，所述主控装置通过串口与所述底盘控制器相连，并向底盘控制器发送控制命令；所述底盘控制器与电机驱动器相连，并控制电机驱动器进行相应动作，以及对障碍信号做出处理。

4.根据权利要求1所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，所述人脸识别模块由摄像头及监控算法组成，其通过肤色匹配、人眼检测方式定位人脸，并通过监控算法在确保人脸识别率的情况下提高处理监控速度。

5.根据权利要求1所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，所述异常行为检测模块由摄像头、转动舵机和监控算法组成，通过帧差检测运动物体上半身，判断摔倒、跌落、跑步的异常行为。

6.根据权利要求1所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，所述陌生人跟随模块由广角摄像头、转动舵机和跟随算法组成，所述广角摄像头用于提供较大的视角以利于跟踪，其通过舵机进行控制摄像头转动并及时跟踪外界变化。

7.根据权利要求1所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，所述异常声音定位模块由声音采集装置和声音处理装置组成，声音采集装置采集声音数据，通过程序定位出转向角度，驱动电机进行相应动作。

8.根据权利要求7所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，所述声音采集装置由4个全方向的麦克风组成，4个全方向的麦克风安装于机器人底盘的四周。

9.根据权利要求1所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，所述异常气体检测模块由烟雾煤气传感器独立工作，其随机器人本体的移动，监测周围环境的异常气体状态。

10.根据权利要求1所述的一种多感知智能看护机器人，其特征在于，机器人眼球为CMOS摄像头。