CN111267065B - 一种基于视觉和语音控制的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于视觉和语音控制的机器人，包括机器人本体、以及控制模块；机器人本体包移动转向机构、升降机构，抓取机构，控制模块包括Arduino主控芯片、OpenMV机器视觉模块、语音模块，Arduino主控芯片与OpenMV机器视觉模块、语音模块通讯连接；本发明结构简单，定位精度高，实用性强，通过将抓取爪设计成凹槽结构以将工件抓取至抓取爪的凹槽内，提高了抓取的质量，同时避免抓取过程中损伤工件；Arduino主控芯片通过PID调控移动转向机构，以实现机器人的移动和转向；通过语音模块接收分辨指令，利用OpenMV机器视觉模块实现机器人自动趋近所挑选的物体，并抵达指定地点，准确性高。

Description

一种基于视觉和语音控制的机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术，尤其是一种基于视觉和语音控制的机器人。

背景技术

随着工业的快速发展，机器人也得到了快速的发展，机器人除被广泛应用于工业制造以外，也被广泛应用于如智能家居，医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域，尽管它们的形态各有不同，但是都要求能精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业，以完成对指定物品的抓取和放置操作，减少人工操作。

机器人技术作为先进制造技术的典型代表，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。

目前，现有的机器人主要处于初级阶段，市场上现有的抓取机器人结构复杂，实用性不强，抓取的质量较低，难以实现机器人的准确控制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于视觉和语音控制的机器人。

本发明的技术方案为：一种基于视觉和语音控制的机器人，包括机器人本体、以及用于控制机器人本体动作的控制模块；

所述的机器人本体包括从下依次分布的下固定板、中固定板、上固定板，所述的下固定板、中固定板、上固定板之间通过多个相应的连接柱连接；

所述的机器人本体还包括设置在下固定板、中固定板之间的移动转向机构、设置于下固定板、中固定板外侧壁上的升降机构，以及设置在升降机构上的抓取机构，所述的升降机构包括升降支架，以及设置于升降支架上的升降驱动机构，所述的抓取机构设置在升降驱动机构机构上；所述的控制模块通过舵机云台设置在升降支架的上端；

所述的控制模块包括Arduino主控芯片、OpenMV机器视觉模块、语音模块，所述的Arduino主控芯片与OpenMV机器视觉模块、语音模块通讯连接；

其中，所述的语音模块采用文本方式编译语音内容，并转换为串口数据，与Arduino主控芯片进行数据传输，通过语音输入，实现控制机器人本体执行不同动作；

所述的Arduino主控芯片将接收到的控制信号输送给OpenMV机器视觉模块；所述的OpenMV机器视觉模块以STM32F427CPU为核心，集成OV7725摄像头芯片，所述的OpenMV机器视觉模块利用其集成的摄像头进行抓取物件的颜色追踪以及位置判定，通过将物件的位置坐标与摄像头的中心位置坐标进行对比后，将物件的准确信息发送给Arduino主控芯片，通过Arduino主控芯片控制机器人本体动作。

优选的，所述的移动转向机构的数量为3个，3个所述的移动转向机构等间距设置在中固定板下端并延伸至下固定板下端。

优选的，每个所述的移动转向机构包括移动转向电机、全向轮，所述的移动转向电机通过L型连接件设置在中固定板下端，所述的全向轮与移动转向电机连接，所述的全向轮向下穿过下固定板，所述的下固定板的外侧壁上开设有多个用于配合全向轮向下延伸的缺口。

优选的，所述的升降支架竖直设置在下固定板、中固定板的外侧壁上，所述的升降支架包括升降固定支架、上固定架、下固定架、导杆，所述的升降固定支架通过相应的三角支架与下固定板、中固定板的外侧壁连接，所述的上固定架、下固定架分别设置在升降固定支架的上下端，并所述的上固定架、下固定架之间连接有一个或2个导杆。

优选的，所述的升降驱动机构包括升降舵机、连杆机构、升降滑座，所述的升降舵机设置在升降固定支架上，所述的升降舵机通过连杆机构与设置在导杆上的升降滑座连接。

优选的，所述的连杆机构包括曲柄、连杆、连接轴，所述的曲柄的一端与升降舵机连接，另一端通过相应的连接轴与连杆的一端连接，所述连杆的另一端通过另一连接轴与升降滑座连接。

优选的，所述的抓取机构包括抓取舵机、舵机板、第一连接板、第二连接板、连接杆、第一抓取爪、第二抓取爪，所述的抓取舵机通过舵机板设置在升降滑座上，所述的抓取舵机与第一连接板转动连接，所述的第一连接板与第二连接板的一端连接，所述第二连接板的另一端与一连接杆连接，所述的连接杆上连接有第一抓取爪，所述的第一抓取爪与第二抓取爪采用不完全齿轮啮合的方式连接，并且所述的第一抓取爪、第二抓取爪还与舵机板连接并可相对舵机板转动。

优选的，所述的第一连接板上开设有多个通孔，所述的抓取舵机与第二连接板通过与不同的通孔连接以调整抓取舵机轴与第二连接板之间的间距。

优选的，所述的第一抓取爪、第二抓取爪结构相似，第一抓取爪、第二抓取爪一端均具有一凹槽，另一端均具有相应数量的齿条。

所述的Arduino主控芯片的型号为Arduino Mega2560。

优选的，所述的Arduino主控芯片采用增量式PID控制算法调控移动转向电机。

优选的，所述的OpenMV机器视觉模块利用色域区分物体，通过每个色域的面积大小判别离机器人本体最近的目标物体，再把最近的目标物体的坐标、像素值、高度等数据提取，将目标物体的坐标与OpenMV机器视觉模块的摄像头的中心坐标进行对比，以调整机器人的姿态，使OpenMV机器视觉模块的坐标与目标物体的坐标一致；通过目标物体反馈的像素值调整OpenMV机器视觉模块的舵机云台，从而调节OpenMV机器视觉模块的角度，实时跟踪目标物体；所述的第一抓取爪、第二抓取爪夹取物体后，通过阈值和像素值判断是否夹取到目标物体。

优选的，所述的舵机云台包括OpenMV机器视觉模块固定板、第一云固定架、第二云固定架，云台舵机，所述的第一云固定架、第二云固定架设置在升降固定支架顶端，所述的云台舵机设置在OpenMV机器视觉模块固定板上，并且所述的云台舵机的电机轴绕第一云固定架转动，所述的OpenMV机器视觉模块固定板用一连接轴与第二云固定架连接，从而通过云台舵机调整OpenMV机器视觉模块固定板的角度，进而调整OpenMV机器视觉模块的角度。

本发明的有益效果为：

1、本发明结构简单，实用性强，通过将抓取爪设计成凹槽结构，使得在抓取过程中，易于将工件抓取至抓取爪的凹槽内，从而进一步提高了抓取的质量，同时避免抓取过程中损伤工件；

2、本发明通过采用多个全向轮驱动装置，不仅可以实现机器人的移动，同时可实现机器人的转向；

3、本发明通过采用曲柄和连杆的驱动方式，不仅提升结构的顺畅性，实用性强，而且进一步降低了装置复杂性。

4、本发明能够通过语音模块接收分辨指令，利用Openmv机器视觉模块实现机器人自动趋近所挑选的物体，并抵达指定地点，准确性高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明移动转向机构的结构示意图；

图3本发明升降机构的结构示意图；

图4为本发明抓取机构的结构示意图；

图5为本发明抓取机构正面的结构示意图；

图6为本发明抓取机构反面的结构示意图；

图7为本发明第一抓取爪的结构示意图；

图8为本发明舵机云台的结构示意图；

图9为本发明控制模块的框架图；

图10为本发明的OpenMV机器视觉模块的流程示意图；

图11为本发明Arduino主控芯片的电路图；

图12为本发明OpenMV机器视觉模块的电路图；

图13为本发明语音模块的电路图；

图中，1-下固定板，2-中固定板，3-上固定板，4-移动转向机构，5-升降支架，6-升降驱动机构，7-抓取机构，8-舵机云台；

41-移动转向电机，42-全向轮，43-连接件；

51-升降固定支架，52-上固定架，53-下固定架，54-导杆；

61-升降舵机，62-升降滑座，63-曲柄，64-连杆，65-连接轴；

71-抓取舵机，72-舵机板，73-第一连接板，74-第二连接板，75-连接杆，76-第一抓取爪，77-第二抓取爪，78-凹槽，79-齿条，80-通孔；

81-OpenMV机器视觉模块固定板，82第一云固定架，83-第二云固定架，84-云台舵机；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，一种基于视觉和语音控制的机器人，包括机器人本体、以及用于控制机器人本体动作的控制模块。

所述的机器人本体包括从下至上依次分布的下固定板1、中固定板2、上固定板3，所述的下固定板1、中固定板2、上固定板3之间通过多个相应的连接柱连接，其中，所述的中固定板2还设置有红外距离传感器，所述的红外距离传感器通过测量与障碍物的距离，避免机器人本体与障碍物发生碰撞。

所述的机器人本体还包括设置在下固定板1、中固定板2之间的移动转向机构4、设置于下固定板1、中固定板2外侧壁缺口上的升降机构，以及设置在升降机构上的抓取机构7，所述的升降机构包括升降支架5，以及设置于升降支架5上的升降驱动机构6，所述的抓取机构7设置在升降驱动机构6上。所述的控制模块通过舵机云台8设置在升降支架5的上端。

优选的，所述的移动转向机构4的数量为3个，3个所述的移动转向机构4等间距设置在中固定板2下端并延伸至下固定板1下端。如图2所示，每个所述的移动转向机构4包括移动转向电机41、全向轮42，所述的移动转向电机41通过L型连接件43设置在中固定板2下端，所述的全向轮42与移动转向电机41连接，所述的全向轮42向下穿过下固定板1，所述的下固定板1的外侧壁上开设有3个用于配合全向轮42向下延伸的缺口。

优选的，如图3所示，所述的升降支架5竖直设置在下固定板1、中固定板2的外侧壁的缺口上，所述的升降支架5包括升降固定支架51、上固定架52、下固定架53、导杆54，所述的升降固定支架51通过相应的三角支架与下固定板1、中固定板2的外侧壁连接，所述的上固定架52、下固定架53分别设置在升降固定支架51的上下端，并且所述的上固定架52、下固定架53之间连接有2个导杆54。

优选的，所述的升降驱动机构6包括升降舵机61、连杆机构、升降滑座62，所述的升降舵机61设置在升降固定支架51上，所述的升降舵机61通过连杆机构与设置在导杆54上的升降滑座62连接。其中，所述的连杆机构包括曲柄63、连杆64、连接轴65，所述的曲柄63的一端与升降舵机61连接，另一端通过相应的连接轴65与连杆64的一端连接，所述连杆64的另一端通过另一连接轴65与升降滑座62连接，所述的升降滑座62通过相应的滑套与导杆62滑动连接，通过升降舵机61驱动连杆机构动作，从而驱动升降滑座62在导杆54上滑动。

优选的，如图4、5、6所示，所述的抓取机构7包括抓取舵机71、舵机板72、第一连接板73、第二连接板74、连接杆75、第一抓取爪76、第二抓取爪77，所述的抓取舵机71通过舵机板72设置在升降滑座62上，所述的第一连接板73上开设有多个通孔80，所述的抓取舵机71与第一连接板73的任意通孔80连接，所述的第二连接板74的一端与第一连接板73的其他通孔80连接。所述的抓取舵机71与第二连接板74通过与不同的通孔80连接以调整抓取舵机轴与第二连接板74之间的间距。从而调整抓取的距离。所述第二连接板74的另一端与一连接杆75连接，所述的连接杆75上连接有第一抓取爪76，所述的第一抓取爪76与第二抓取爪77采用不完全齿轮啮合的方式连接，并且所述的第一抓取爪76、第二抓取爪还77与舵机板72连接并可相对舵机板转动。

优选的，如图7所示，所述的第一抓取爪76、第二抓取爪77的结构相似，第一抓取爪76、第二抓取爪77的一端均具有一凹槽78，另一端均具有相应数量的齿条79，所述的第一抓取爪76、第二抓取爪77的凹槽78形成相应的容置腔，抓取的物体可放置于该容置腔内，避免抓取的物体掉落。

如图8所示，所述的舵机云台8包括OpenMV机器视觉模块固定板81、第一云固定架82、第二云固定架83，云台舵机84，所述的第一云固定架82、第二云固定架83设置在升降固定支架51的顶端，所述的云台舵机84设置在OpenMV机器视觉模块固定板81上，并且所述的云台舵机84的电机轴绕第一云固定架82转动，所述的OpenMV机器视觉模块固定板81的另一端通过一连接轴与第二云固定架83连接，从而通过云台舵机84调整OpenMV机器视觉模块固定板81的角度，从而调整OpenMV机器视觉模块的角度。

如图9所示，所述的控制模块包括Arduino主控芯片、OpenMV机器视觉模块、语音模块，所述的Arduino主控芯片与OpenMV机器视觉模块、语音模块通讯连接。其中，所述的Arduino主控芯片的型号为Arduino Mega2560。其电路框架图如图11所示。其具有多路数字输入输出端口、多个PWM脉宽调制接口，以改变频率及占空比，并有若干串口通信。

其中，所述的语音模块采用文本方式编译语音内容，并转换为串口数据，与Arduino主控芯片进行数据传输，通过语音输入，实现控制机器人本体执行不同动作，其电路框架图如图13所示；

所述的Arduino主控芯片将接收到的控制信号输送给OpenMV机器视觉模块；所述的OpenMV机器视觉模块为现有技术中已存在的模块，本实施例利用该模块对目标物件进行搜寻。所述的OpenMV机器视觉模块以STM32F427CPU为核心，集成OV7725摄像头芯片，其电路框架图如图12所示；本实施例利用OpenMV机器视觉模块集成的摄像头进行抓取物件的颜色追踪以及位置判定，通过将物件的位置坐标与摄像头的中心位置坐标进行对比后，将物件的准确信息发送给Arduino主控芯片，通过Arduino主控芯片控制机器人本体动作。

优选的，如图10所示，本实施例所述的OpenMV机器视觉模块利用色域区分物体，通过每个色域的面积大小判别离机器人本体最近的目标物体，再把最近的目标物体的坐标、像素值、高度等数据提取，将目标物体的坐标与OpenMV机器视觉模块的摄像头的中心坐标进行对比，以调整机器人的姿态，使OpenMV机器视觉模块的坐标与目标物体的坐标一致；通过目标物体反馈的像素值调整OpenMV机器视觉模块的舵机云台，调节OpenMV机器视觉模块的角度，实时跟踪目标物体；所述的第一抓取爪、第二抓取爪夹取物体后，通过预设的阈值和像素值判断是否夹取到目标物体，在成功抓取目标物体之后，OpenMV机器视觉模块寻找视觉基准系统(AprilTag)指定地点，将物体放置指定位置。

优选的，所述的Arduino主控芯片采用增量式PID控制算法调控移动转向电机，所述的移动转向电机为带有霍尔编码器的电机，电源选择12V供电，降压模块为DC-DC。

本实施例的控制流程如下：

①语音模块接收到语音下达的指令，语音模块将指令转化为字符，发送给Arduino主控芯片；

②Arduino主控芯片接收到语音模块发送过来的指令后，对指令进行区分，执行不同动作：用户也可以通过手机蓝牙操控机器人、视觉模块智能识别抓取指定物体，并可通过液晶屏显示当前机器人车速；

③OpenMV机器视觉模块接收到Arduino主控芯片指令，寻找指定颜色的物体，将物体X、Y坐标、物体的像素值、面积等数据进行处理分析，最后把处理之后的数据发送给Arduino主控芯片，由Arduino主控芯片驱动电机，移动至物体面前；

④由OpenMV机器视觉模块判定机器人是否移动至目标物体，抓取爪可抓取的范围内，若是，可发送指令给Arduino主控芯片，执行机械手抓取；否则将重新移动机器人直至物体在抓取范围内，若抓错物体，机械手将放下被抓错物体，并重新寻找目标物体；

⑤在成功抓取目标物体之后，Arduino主控芯片寻找视觉基准系统(AprilTag)指定地点，将物体放置指定位置。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种基于视觉和语音控制的机器人，其特征在于：包括机器人本体、以及用于控制机器人本体动作的控制模块；

所述的机器人本体包括从下至上依次分布的下固定板、中固定板、上固定板，所述的下固定板、中固定板、上固定板之间通过多个相应的连接柱连接；

所述的机器人本体还包括设置在下固定板、中固定板之间的移动转向机构、设置于下固定板、中固定板外侧壁上的升降机构，以及设置在升降机构上的抓取机构，所述的升降机构包括升降支架，以及设置于升降支架上的升降驱动机构，所述的抓取机构设置在升降驱动机构上；所述的控制模块通过舵机云台设置在升降支架的上端；

所述的移动转向机构包括移动转向电机、与移动转向电机连接的全向轮；

所述的升降驱动机构包括升降舵机、连杆机构、升降滑座，所述的升降舵机设置在升降支架上，所述的升降舵机通过连杆机构与升降滑座连接；

所述的抓取机构包括抓取舵机、舵机板、联动机构、抓取爪，所述的抓取舵机通过舵机板设置在升降滑座上，所述的抓取舵机通过联动机构与抓取爪连接；

所述的联动机构包括第一连接板、第二连接板、连接杆，所述的第一连接板上开设有多个通孔，所述的抓取舵机与第一连接板的任意一个通孔连接，所述的第二连接板的一端与第一连接板的其他任意一个通孔连接，所述第二连接板的另一端与一连接杆连接；

所述的抓取爪包括相互配合的第一抓取爪和第二抓取爪，所述的第一抓取爪套设在连接杆上，所述的第一抓取爪与第二抓取爪采用不完全齿轮啮合的方式连接，并且所述的第一抓取爪、第二抓取爪还与舵机板连接并可相对舵机板转动；

所述的第一抓取爪、第二抓取爪结构相似，第一抓取爪、第二抓取爪一端均具有一凹槽，另一端均具有相应数量的齿；

所述的控制模块包括Arduino主控芯片、OpenMV机器视觉模块、语音模块，所述的Arduino主控芯片与OpenMV机器视觉模块、语音模块通讯连接；

其中，所述的语音模块采用文本方式编译语音内容，并转换为串口数据，与Arduino主控芯片进行数据传输，通过语音输入机器人本体的控制命令；

所述的Arduino主控芯片将接收到的控制信号输送给OpenMV机器视觉模块；所述的OpenMV机器视觉模块以STM32F427CPU为核心，集成OV7725摄像头芯片，所述的OpenMV机器视觉模块利用其集成的摄像头对抓取物件的进行颜色追踪以及位置判定，通过将目标物件的位置坐标与摄像头的中心位置坐标进行对比后，将物件的准确信息发送给Arduino主控芯片，通过Arduino主控芯片控制机器人本体动作；

所述的OpenMV机器视觉模块利用色域区分物体，通过每个色域的面积大小判别离机器人本体最近的目标物体，再把最近的目标物体的坐标、像素值、高度数据提取，将目标物体的坐标与OpenMV机器视觉模块的摄像头的中心坐标进行对比，以调整机器人的姿态，使OpenMV机器视觉模块的坐标与目标物体的坐标一致；通过目标物体反馈的像素值调整OpenMV机器视觉模块的舵机云台，调节OpenMV机器视觉模块的角度，实时跟踪目标物体；所述的第一抓取爪、第二抓取爪夹取物体后，通过阈值和像素值判断是否夹取到目标物体；

所述的舵机云台包括OpenMV机器视觉模块固定板、第一云固定架、第二云固定架、 云台舵机，所述的第一云固定架、第二云固定架设置在升降固定支架顶端，所述的云台舵机设置在OpenMV机器视觉模块固定板上，并且所述的云台舵机的电机轴与第一云固定架转动连接，所述的OpenMV机器视觉模块固定板通过一连接轴与第二云固定架连接，从而通过云台舵机调整OpenMV机器视觉模块固定板的角度，从而调整OpenMV机器视觉模块的角度。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉和语音控制的机器人，其特征在于：所述的移动转向机构的数量为3个，3个所述的移动转向机构等间距设置在中固定板下端并延伸至下固定板下端。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉和语音控制的机器人，其特征在于：所述的移动转向电机通过L型连接件设置在中固定板下端，所述的全向轮向下穿过下固定板，所述的下固定板的外侧壁上开设有多个用于配合全向轮向下延伸的缺口。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉和语音控制的机器人，其特征在于：所述的升降支架竖直设置在下固定板、中固定板的外侧壁的缺口上，所述的升降支架包括升降固定支架、上固定架、下固定架、导杆，所述的升降固定支架通过相应的三角支架与下固定板、中固定板的外侧壁连接，所述的上固定架、下固定架分别设置在升降固定支架的上下端，并且所述的上固定架、下固定架之间连接有一个或2个导杆，所述的升降舵机设置在升降固定支架，并且所述的升降滑座与导杆滑动连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉和语音控制的机器人，其特征在于：所述的连杆机构包括曲柄、连杆、连接轴，所述的曲柄的一端与升降舵机连接，另一端通过相应的连接轴与连杆的一端连接，所述连杆的另一端通过另一连接轴与升降滑座连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于视觉和语音控制的机器人，其特征在于：所述的Arduino主控芯片的型号为Arduino Mega2560。

7.根据权利要求6所述的一种基于视觉和语音控制的机器人，其特征在于：所述的Arduino主控芯片采用增量式PID控制算法调控移动转向电机。

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