CN110815245A - 用于迎宾的服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于迎宾的服务机器人，其包括：基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘；基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节，安装在全方位移动底盘上；躯干及头部，固定安装在腰部关节的上端；两个协作机械臂，对称安装在躯干及头部的两侧；两个机械手，分别安装在协作机械臂的末端。迎宾服务机器人腰部可以在一定范围内实现六自由度运动，增加了机器人的灵活性和仿人程度，能够实现鞠躬动作，能够模拟人类行走过程中的躯干摆动动作，还能够模拟人类的扭腰动作。在增加机器人的灵活性和仿人程度的同时，机器人的体积并没有明显增加。由此，能提高用于迎宾的服务机器人的仿人程度，提高用于迎宾的服务机器人的服务质量和被服务对象的满意程度。

Description

用于迎宾的服务机器人

技术领域

本发明涉及智能服务机器人领域，尤其涉及一种用于迎宾的服务机器人。

背景技术

随着科技的发展，机器人已经不仅仅被局限在工业生产线中，而是逐步进入了人们的日常生活当中，物流机器人、扫地机器人等都是非常典型的代表。同时，服务机器人作为机器人家族中主要用来直接与人类进行交互的一种新型机器人，具有较大的应用前景，在当前人工智能发展热潮的带动之下，有了一定程度的发展。

服务机器人，理想情况下是完全参考真实的人的服务进行工作，包括人的语言、动作、表情等。但是实际上由于当前机器人控制技术的限制，完全的仿人机器人自由度过多，控制极为复杂，实现的难度非常高。

目前已公开的服务机器人中具有腰部关节的很少，缺少腰部关节直接影响机器人的仿真程度，导致机器人表现过度刚硬，使得服务质量和被服务对象的满意程度较低。于2019年1月1日公布的中国发明专利申请CN109108934A公开了一种基于麦克纳姆轮的导游服务机器人，包括底盘及固定在底盘上的机器人本体，这种机器人仅能完成头部及手臂的基本动作。其他一些机器人的腰部自由度则很少，例如于2016年11月30日授权公告的中国实用新型专利申请CN205734880U公开了一种用于科技馆迎宾的机器人移动装置，引入了单自由度腰部关节，但仿人程度仍然出于较低的程度，存在一定的提升空间。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于迎宾的服务机器人，其能提高用于迎宾的服务机器人的仿人程度，提高用于迎宾的服务机器人的服务质量和被服务对象的满意程度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于迎宾的服务机器人，其包括：基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘；基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节，安装在全方位移动底盘上；躯干及头部，固定安装在腰部关节的上端；两个协作机械臂，对称安装在躯干及头部的两侧；两个机械手，分别安装在协作机械臂的末端。

在一实施例中，基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘包括四个基于麦克纳姆轮的驱动单元、三个底盘激光雷达、底盘本体、电源及控制器，三个底盘激光雷达安装在底盘本体上。

在一实施例中，底盘本体为中空结构，用于放置电源及控制器。

在一实施例中，各驱动单元包括联轴器、麦克纳姆轮、连接法兰、连接轴、安装架、驱动电机，安装架固定安装在底盘本体的底面上，驱动电机固定安装在安装架上，联轴器的一端与驱动电机的输出轴连接，联轴器的另一端与连接轴的一端连接，连接轴的另一端与连接法兰连接，连接法兰固定安装在麦克纳姆轮上。

在一实施例中，四个麦克纳姆轮均布在底盘本体底面的左前方、左后方、右前方、右后方，以任意三个麦克纳姆轮的中心作为顶点的三角形都是直角三角形。

在一实施例中，基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节包括：静平台，固定安装在底盘本体的顶面，静平台中心与底盘本体中心重合；动平台，位于静平台的上方；六个球铰，设置在静平台的上表面；六个卧式虎克铰，设置于动平台的下表面；六根支链，各支链为直线驱动单元，各支链的上端通过卧式虎克铰与动平台连接，各支链的下端通过球铰与静平台连接。

在一实施例中，各支链为电机直线驱动单元、液压直线驱动单元或气压直线驱动单元。

在一实施例中，各支链包括套筒与滑杆，套筒套接在滑杆外，套筒通过对应的球铰与静平台连接；滑杆通过对应的卧式虎克铰与动平台连接。

在一实施例中，躯干及头部固定安装在动平台上。

在一实施例中，躯干及头部包括躯干及头部本体、可触摸显示屏、摄像头模块和顶部激光雷达，躯干及头部内部整合有语音交互模块，躯干及头部前方内嵌有表情管理模块，其中，可触摸显示屏和摄像头模块内嵌在躯干及头部前方，顶部激光雷达安装在躯干及头部本体的正上方。

在一实施例中，协作机械臂为六自由度机械臂，协作机械臂内置有力检测和力反馈系统。

本发明的有益效果如下：

本发明采用基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘能够实现迎宾服务机器人的全方位移动，引入基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节，迎宾服务机器人腰部可以在一定范围内实现六自由度运动，增加了机器人的灵活性和仿人程度，能够实现鞠躬动作，能够模拟人类行走过程中的躯干摆动动作，还能够模拟人类的扭腰动作。在迎宾过程中，能够依据成人和儿童等不同被服务对象的身高调整机器人的身高。在增加机器人的灵活性和仿人程度的同时，腰部关节的体积并没有明显增加。由此，能提高用于迎宾的服务机器人的仿人程度，提高用于迎宾的服务机器人的服务质量和被服务对象的满意程度。

附图说明

图1是根据本发明的用于迎宾的服务机器人整体结构的示意图；

图2是根据本发明的全方位移动底盘结构的示意图；

图3是根据本发明的腰部关节结构的示意图；

图4是根据本发明的躯干及头部结构的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘 23球铰

11基于麦克纳姆轮的驱动单元 24卧式虎克铰

111联轴器 25支链

112麦克纳姆轮 251套筒

113连接法兰 252滑杆

114连接轴 3躯干及头部

115安装架 躯干及头部本体

116驱动电机 32显示屏

12底盘激光雷达 33摄像头模块

13底盘本体 34顶部激光雷达

2基于Stewart并联机构的腰部关节 4协作机械臂

21静平台 5机械手

22动平台

具体实施方式

附图示出本发明的实施例，且将理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施，因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本发明。

在本申请的描述中，除非另有规定或说明，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接，或信号连接；“连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等指示方向的方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。

下面参照附图详细说明根据本发明的用于迎宾的服务机器人。

参照图1，本发明的用于迎宾的服务机器人包括：基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘1、基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2、躯干及头部3、两个协作机械臂4以及两个机械手5

基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2安装在全方位移动底盘1上；躯干及头部3固定安装在腰部关节2的上端；两个协作机械臂4对称安装在躯干及头部3的两侧；两个机械手5分别安装在协作机械臂4的末端。协作机械臂4为六自由度机械臂，协作机械臂4内置有力检测和力反馈系统。基于这种结构，能够在较大程度上模拟人类肢体结构

参照图1和图2，基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘1包括四个基于麦克纳姆轮的驱动单元11、三个底盘激光雷达12、底盘本体13、电源及控制器，三个底盘激光雷达12安装在底盘本体13上。其中，底盘本体13底面有安装孔，用来安装基于麦克纳姆轮的驱动单元11。底盘本体13为中空结构，用于放置电源及控制器。控制器本质上是机器人内部搭载的一台微型计算机，用来处理传感器得到的数据并且根据程序作出决策。在安装相应软件驱动的基础上，控制器可以直接通过串行通讯或者直接USB通讯的方式与各个传感器进行信息交互，并且可以直接发送控制信号给各个执行机构的驱动器，从而实现对整体机器人动作的控制。在正常工作情况下，机器人的传感器数据处理以及决策得到控制信号等过程都是在该控制器完成。

参照图2，四个基于麦克纳姆轮的驱动单元11均包括联轴器111、麦克纳姆轮112、连接法兰113、连接轴114、安装架115、驱动电机116。四个麦克纳姆轮112均布在底盘本体13底面的左前方、左后方、右前方、右后方，以任意三个麦克纳姆轮112的中心作为顶点的三角形都是直角三角形。

安装架115固定安装在底盘本体13的底面上，驱动电机116固定安装在安装架115上，联轴器111的一端与驱动电机116的输出轴连接，联轴器111的另一端与连接轴114的一端连接，连接轴114的另一端与连接法兰113连接，连接法兰113固定安装在麦克纳姆轮112上，从而实现驱动电机116到麦克纳姆轮112的动力传递。四个基于麦克纳姆轮的驱动单元11的不同运动组合可以实现移动底盘的前进、后退、转弯等不同形式的运动。驱动电机116与控制器通信连接。

参照图3，基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2包括：静平台21、动平台22、六个球铰23、六个卧式虎克铰24、六根支链25。其中，静平台21固定安装在底盘本体13的顶面，静平台21中心与底盘本体13中心重合；动平台22，位于静平台21的上方；球铰23设置在静平台21的上表面；卧式虎克铰24设置于动平台22的下表面；各支链25包括套筒251与滑杆252，套筒251套接在滑杆252外，套筒251通过对应的球铰23与静平台21连接；滑杆252通过对应的卧式虎克铰24与动平台22连接。各支链25为直线驱动单元，各支链25的上端通过卧式虎克铰24与动平台23连接，各支链25的下端通过球铰23与静平台21连接。在机器人腰部关节2的相同载荷要求下，对支链25的驱动能力的要求相对较低，该支链25可以采用现有的电机驱动、液压驱动、气压驱动等方式进行驱动，对应的驱动机构(电机驱动、液压驱动、气压驱动等机构)根据控制器以串行通讯的方式发出的控制信号驱动各支链25执行相应动作。

动平台22可以在一定范围内实现六自由度运动，能够实现腰部的俯仰运动、侧摆运动和沿竖直轴的旋转运动，充分增加了基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2的自由度，增加了机器人的灵活性和仿人程度，能够实现鞠躬动作，能够模拟人类行走过程中的躯干摆动动作，还能够模拟人类的扭腰动作(例如基于各支链25相对球铰23和/或卧式虎克铰24转动)。同时可以利用Stewart并联机构沿竖直方向的移动动态(即六个支链25的各滑杆252相对对应的套筒251同时回缩或外伸)调整机器人的身高，从而在迎宾过程中，能够依据成人和儿童等不同被服务对象的身高调整机器人的身高。在增加机器人的灵活性和仿人程度的同时，腰部关节的体积并没有明显增加。动平台22由六根支链25支撑，具有较大的刚度和结构稳定性，同时具有优良的载荷-质量比，在相同自重和体积下具有非常高的承载能力，在优化机器人结构，缩小体积过程中具有一定启发作用。六根支链25并联布置，位置状态误差不具有累加性，误差小，精度高，并且易于计算机器人运动逆解。

参照图1和图4，躯干及头部3固定安装在动平台26上。躯干及头部3包括躯干及头部本体31、可触摸显示屏32、摄像头模块33和顶部激光雷达34，可触摸显示屏32和摄像头模块33内嵌在躯干及头部3前方，顶部激光雷达34安装在躯干及头部本体31的正上方，获取机器人头部高度的周围环境信息，构建该高度上的地图信息。躯干及头部3内部整合有语音交互模块，躯干及头部3前方内嵌有表情管理模块。语音交互模块可以实现基本的语言交流。通过可触摸显示屏32上信息的输入输出以及机器人表情的管理实现服务过程中与被服务对象视觉上的交互，同时增加趣味性。其中，可触摸显示屏32、摄像头模块33和顶部激光雷达34、语音交互模块、表情管理模块等均与控制器通信连接。

在地图及实时传感器数据的基础上，机器人自主进行路径规划。摄像头模块33完成人脸及手势识别等功能。可触摸显示屏32可以直接通过触摸的方式提供被服务对象需要的信息，同时，机器人还具有表情管理功能，表情管理功能提供在服务过程中机器人的表情，增加人机互动的亲切感和互动感。

实际工作过程中，基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘1、基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2、躯干及头部3、两个协作机械臂4、两个机械手5协同配合，共同完成迎宾工作，其工作步骤如下：启动机器人后，基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘1上安装的三个底盘激光雷达12机器人全方位移动底盘1高度上的周围环境地图，躯干及头部3顶部的顶部激光雷达34直接获取头部高度的地图数据，将多个激光雷达获取的数据融合后建立周围环境地图并确定自身位置，确定被服务对象之后，根据路径规划算法规划出合理全局路径；控制器向驱动电机116发出控制信号，控制四个基于麦克纳姆轮的驱动单元11的运动实现机器人的全方位移动，并躲避机器人内部地图之外的障碍，如行走中的人等。到达被服务对象一定范围内之后，机器人停止移动；摄像头模块33获取被服务对象与本机器人的相对姿态(一般为相对高度)，通过控制基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2调整至合适位置，同时，进行人脸识别、表情管理、手势识别等，并通过语音交互与可触摸显示屏32提供所需信息；进一步的，基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2、两个协作机械臂4及两个机械手5协同配合，共同完成握手、指路即鞠躬等动作，从而实现更高层次的动作上的交互，提升服务体验。

以该迎宾服务机器人鞠躬动作过程为例，具体实现过程如下：摄像头模块33将获取到的图像信息发送到位于底盘本体13内的控制器中，控制器对该图像信息进行处理，得到需要完成鞠躬任务的命令，并且将该命令分解为基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2的各支链25直线驱动单元驱动电机的控制信号，该信号包含电机的转动方向、速度及位置等信息，最终该控制信号作用于各个直线驱动单元的驱动电机，从而各个直线驱动单元按照一定规律伸缩(具体地，例如图1的前面三个支链25中的滑杆252相对套筒251回缩和/或图1的后面三个支链25中的滑杆252相对套筒251外伸)，实现基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节2的运动，最终完成迎宾服务机器人的鞠躬动作。

上面详细的说明描述多个示范性实施例，但本文不意欲限制到明确公开的组合。因此，除非另有说明，本文所公开的各种特征可以组合在一起而形成出于简明目的而未示出的多个另外组合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于迎宾的服务机器人，其特征在于，包括：

基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘(1)；

基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节(2)，安装在全方位移动底盘(1)上；

躯干及头部(3)，固定安装在腰部关节(2)的上端；

两个协作机械臂(4)，对称安装在躯干及头部(3)的两侧；

两个机械手(5)，分别安装在协作机械臂(4)的末端。

2.根据权利要求1所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，基于麦克纳姆轮的全方位移动底盘(1)包括四个基于麦克纳姆轮的驱动单元(11)、三个底盘激光雷达(12)、底盘本体(13)、电源及控制器，三个底盘激光雷达(12)安装在底盘本体(13)上。

3.根据权利要求2所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，底盘本体(13)为中空结构，用于放置电源及控制器。

4.根据权利要求2所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，

各驱动单元(11)包括联轴器(111)、麦克纳姆轮(112)、连接法兰(113)、连接轴(114)、安装架(115)、驱动电机(116)，

安装架(115)固定安装在底盘本体(13)的底面上，驱动电机(116)固定安装在安装架(115)上，联轴器(111)的一端与驱动电机(116)的输出轴连接，联轴器(111)的另一端与连接轴(114)的一端连接，连接轴(114)的另一端与连接法兰(113)连接，连接法兰(113)固定安装在麦克纳姆轮(112)上。

5.根据权利要求4所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，四个麦克纳姆轮(112)均布在底盘本体(13)底面的左前方、左后方、右前方、右后方，以任意三个麦克纳姆轮(112)的中心作为顶点的三角形都是直角三角形。

6.根据权利要求1所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，基于Stewart并联机构的六自由度腰部关节(2)包括：

静平台(21)，固定安装在底盘本体(13)的顶面，静平台(21)中心与底盘本体(13)中心重合；

动平台(22)，位于静平台(21)的上方；

六个球铰(23)，设置在静平台(21)的上表面；

六个卧式虎克铰(24)，设置于动平台(22)的下表面；

六根支链(25)，各支链(25)为直线驱动单元，各支链(25)的上端通过卧式虎克铰(24)与动平台(23)连接，各支链(25)的下端通过球铰(23)与静平台(21)连接。

7.根据权利要求6所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，各支链(25)为电机直线驱动单元、液压直线驱动单元或气压直线驱动单元。

8.根据权利要求6所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，

各支链(25)包括套筒(251)与滑杆(252)，

套筒(251)套接在滑杆(252)外，套筒(251)通过对应的球铰(23)与静平台(21)连接；

滑杆(252)通过对应的卧式虎克铰(24)与动平台(22)连接。

9.根据权利要求6所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，躯干及头部(3)固定安装在动平台(26)上。

10.根据权利要求1所述的用于迎宾的服务机器人，其特征在于，

躯干及头部(3)包括躯干及头部本体(31)、可触摸显示屏(32)、摄像头模块(33)和顶部激光雷达(34)，

躯干及头部(3)内部整合有语音交互模块，躯干及头部(3)前方内嵌有表情管理模块，其中，

可触摸显示屏(32)和摄像头模块(33)内嵌在躯干及头部(3)前方，顶部激光雷达(34)安装在躯干及头部本体(31)的正上方。

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