CN111309453A - 分布式部署的智能机器人系统 - Google Patents

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沈灿均
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Abstract

本发明涉及机器人系统，尤其涉及分布式部署的智能机器人系统。该系统中，机器人应用通过中间层环境感知相关的机器人通用功能模块获取当前机器人的运行环境以及用户的相关指令，决策出机器人后续的任务与行为，然后通过调用机器人通用功能模块来完成任务和行为的执行。使得机器人应用的开发者无需开发具体的任务和行为执行模块，仅需要实现根据用户指令和机器人运行环境来决策机器人行为的功能代码即可实现应用功能。这使得机器人应用开发者在无机器人功能相关的基础知识下也可进行机器人应用的开发。

Description

分布式部署的智能机器人系统
【技术领域】
本发明涉及机器人系统，尤其涉及分布式部署的智能机器人系统。
【背景技术】
随着科技的不断发展，信息技术，云计算以及人工智能技术的引入和发展，机器人的应用领域也开始从工业领域扩展到医疗、养老、家庭、娱乐以及服务行业等领域上。机器人也从只具备执行简单重复动作的工业机器人发展至拥有环境感知、安全协作与自主决策能力的智能机器人。
而当前机器人的硬件和软件仍无统一标准，各大机器人厂家的机器人系统互不开放，这意味着对于同样的机器人功能与应用需要重复实现，这极大的限制了机器人智能化的发展。
【发明内容】
本发明的旨在解决上述问题而提供一种分布式部署的智能机器人系统，该系统具备组件化、分布式等特点，使得机器人应用的开发者无需开发具体的任务和行为执行模块，仅需要实现根据用户指令和机器人运行环境来决策机器人行为的功能代码即可实现应用功能。
为实现上述目的，本发明的分布式部署的智能机器人系统，包括应用层、中间层和硬件抽象层，应用层由若干机器人应用组成，机器人应用决策机器人的任务与行为；中间层由若干机器人通用功能模块组成，机器人通用功能模块向所述机器人应用提供通用的机器人功能调用接口，同时机器人通用功能模块为机器人应用提供机器人功能，机器人应用通过机器人功能调用接口向机器人通用功能模块下发任务与行为，机器人通用功能模块通过机器人功能完成任务与行为并返回处理结果给机器人应用；硬件抽象层包括若干机器人硬件驱动，且为机器人应用和机器人通用功能模块提供统一的机器人硬件控制接口,机器人应用和机器人通用功能模块均可直接调用机器人硬件抽象层中提供的机器人硬件控制接口；其中，机器人通用功能模块、机器人应用和机器人硬件驱动可分布式部署在网络相通的不同主机上。
进一步的，机器人应用本身还包括可供其它机器人应用使用的功能接口，其他机器人应用可通过该功能接口调用该机器人应用。
进一步的，机器人应用包括根据用户指令到指定地点搜寻指定物体并抓取放置到指定地点的智能抓取应用；机器人通用功能模块包括环境感知模块，识别与定位模块、抓取与放置模块、运动规划模块、语音识别模块、建图与导航模块；硬件抽象层包括机械臂驱动、激光雷达驱动、移动底盘驱动和三维相机驱动。
进一步的，应用层、中间层、硬件抽象层部署在机器人的控制器上，控制器还连接有机器人本体和传感器；机器人本体包括机械臂和移动底盘，机械臂安装在移动底盘上，所述机械臂驱动根据中间层及应用层的指令来驱动机械臂完成运动，以及获取机械臂的状态数据并反馈至中间层及应用层；所述移动底盘驱动根据中间层及应用层指令来驱动移动底盘完成运动，以及获取移动底盘的状态数据上传至中间层及应用层；传感器包括三维相机和激光雷达，三维相机用于识别与定位被抓取物体；激光雷达用于获取环境数据。
进一步的，环境感知模块通过传感器的数据对机器人的运行环境进行建模和感知。
进一步的，识别与定位模块获取三维相机的数据来识别与定位被抓取物体。
进一步的，抓取与放置模块根据环境感知模块构建的环境模型和识别与定位模块得到的目标物体位姿，控制机械臂完成目标物体的抓取和放置。
进一步的，运动规划模块根据环境感知模块构建出来的环境模型和机械臂当前状态，规划一条机械臂从起点到目标点的无碰撞轨迹。
进一步的，语音识别模块采集音频数据识别成文字，并识别其意图。
进一步的，建图与导航模块从激光雷达和三维相机获取数据来完成地图的构建，并控制移动底盘运动至目标点。
本发明的贡献在于提供了一种分布式部署的智能机器人系统，该系统中，机器人应用通过中间层环境感知模块获取当前机器人的运行环境以及用户的相关指令，决策出机器人后续的任务与行为，然后通过调用机器人通用功能模块来完成任务和行为的执行。使得机器人应用的开发者无需开发具体的任务和行为执行模块，仅需要实现根据用户指令和机器人运行环境来决策机器人行为的功能代码即可实现应用功能。这使得机器人应用开发者在无机器人功能相关的基础知识下也可进行机器人应用的开发。这在一定程度上可降低机器人应用的开发门槛，提高了机器人应用的开发效率，并且有利于引入广大的软件工程师参与进智能机器人应用的开发中，有利于机器人应用的多样性。
【附图说明】
图1是本发明智能机器人系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种机器人系统结构示意图。
图3是本发明实例提供的一种机器人结构示意图。
图4是本发明实施例提供的机器人系统分布式部署的结构示意图。
图5本发明实施例提供的一种机器人应用流程图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
实施例1
如图1-5所示，本实施例的分布式部署的智能机器人系统，包括应用层100、中间层200和硬件抽象层300，应用层100由若干机器人应用组成，机器人应用决策机器人的任务与行为；中间层200由若干机器人通用功能模块组成，机器人通用功能模块向所述机器人应用提供通用的机器人功能调用接口201，同时机器人通用功能模块为机器人应用提供机器人功能，机器人应用通过机器人功能调用接口201向机器人通用功能模块下发任务与行为，机器人通用功能模块通过机器人功能完成任务与行为并返回处理结果给机器人应用；硬件抽象层300包括若干机器人硬件驱动，且为机器人应用和机器人通用功能模块提供统一的机器人硬件控制接口301,机器人应用和机器人通用功能模块均可直接调用机器人硬件抽象层中提供的机器人硬件控制接口301；机器人通用功能模块、机器人应用和机器人硬件驱动可分布式部署在网络相通的不同主机上。
该种实施方式可将机器人应用、机器人通用功能模块、机器人硬件驱动分层剥离开来，机器人通用功能模块、机器人应用和机器人硬件驱动可分布式部署在网络相通的不同主机上，使得机器人应用的开发者无需开发具体的任务和行为执行模块，仅需要实现根据用户指令和机器人运行环境来决策机器人行为的功能代码即可实现应用功能。这使得机器人应用开发者在无机器人功能相关的基础知识下也可进行机器人应用的开发。这在一定程度上可降低机器人应用的开发门槛，提高了机器人应用的开发效率，并且有利于引入广大的软件工程师参与进智能机器人应用的开发中，有利于机器人应用的多样性。
机器人应用和机器人通用功能模块均可直接调用机器人硬件抽象层中提供的机器人硬件控制接口301，该种方式也可在一定程度上提高开发的灵活性，可实现机器人应用对机器人硬件驱动的直接调用。
实施例2
如图1所示，机器人应用本身还包括可供其它机器人应用使用的功能接口102，其他机器人应用可通过该功能接口102调用该机器人应用。这样实现了不同机器人应用之间相互调用的功能，扩展了机器人系统的适用范围。
实施例3
如图1-4所示，机器人应用包括根据用户指令到指定地点搜寻指定物体并抓取放置到指定地点的智能抓取应用101；机器人通用功能模块包括环境感知模块202，识别与定位模块203、抓取与放置模块204、运动规划模块205、语音识别模块206、建图与导航模块207；硬件抽象层包括机械臂驱动302、激光雷达驱动303、移动底盘驱动304和三维相机驱动305。应用层100、中间层200、硬件抽象层300部署在机器人的控制器401上，控制器401还连接有机器人本体402和传感器403；机器人本体402包括机械臂404和移动底盘405，所述机械臂驱动302根据中间层200及应用层100的指令来驱动机械臂404完成运动，以及获取机械臂404的状态数据并反馈至中间层200及应用层100；所述移动底盘驱动304根据中间层200及应用层100指令来驱动移动底盘405完成运动，以及获取移动底盘405的状态数据上传至中间层200及应用层100；传感器403包括三维相机406和激光雷达407，三维相机406用于识别与定位被抓取物体；激光雷达407用于获取环境数据。环境感知模块202通过获取激光雷达407数据对机器人的运行环境进行感知和建模。识别与定位模块203获取三维相机406的数据来识别与定位被抓取物体。抓取与放置模块204根据环境感知模块202构建的环境模型和识别与定位模块203得到的目标物体位姿，并控制机械臂404来完成物体的抓取和放置。运动规划模块205根据环境感知模块202构建出来的环境模型，规划机器人从起点到目标点的一条无碰撞轨迹。语音识别模块206采集音频数据识别成文字，并识别其意图。建图与导航模块207从激光雷达407和三维相机406获取数据来完成地图的构建，并控制移动底盘405运动至目标点。
智能抓取机应用101可以根据用户指令到指定地点搜寻指定物体并抓取放置到指定地点的机器人应用。其所有功能均通过调用上述中间层200的机器人通用功能模块实现。该应用只负责获取和处理用户指令，以及根据需求调用相关机器人通用功能模块。
实施例4
如图4所示，本实施例中，主机1上部署智能抓取应用101和语音识别模块206，主机2上部署环境感知模块202、识别与定位模块203、抓取与放置模块204、运动规划模块205以及建图与导航模块207，主机3部署机械臂驱动302、移动底盘驱动304、激光雷达驱动303、三维相机驱动305，三个主机间处于可互通网络环境中。
如图5所示，利用智能抓取应用101抓取目标物体的流程如下：
1、应用启动；该应用为根据用户指令到指定地点搜寻指定物体并抓取放置到指定地点的智能抓取应用101；通过控制器101直接启动。
2、等待用户下达指令；通过语音识别模块206采集音频数据并解析用户意图得到用户指令。
3、判断用户是否下达抓取目标指令；如果是则进入步骤4，如果没有则返回步骤2；
4、机器人导航运动至目标地点；建图与导航模块207从激光雷达407和三维相机406获取数据来完成机器人当前位置的定位，并控制移动底盘405运动至目标点。
5、检测目标地点是否存在目标物体；如果存在则进入步骤6，如果不存在则进入步骤10；识别与定位模块203获取三维相机406的数据来识别与定位被抓取物体。
6、控制机械臂404抓取目标物体；环境感知模块202通过获取激光雷达407数据和三维相机406对机器人的运行环境感知和建模；抓取与放置模块204根据环境感知模块202构建的环境模型和识别与定位模块203得到的目标物体位姿并生成抓取位姿；运动规划模块205根据环境感知模块202构建出来的环境模型和抓取与放置模块204生成的抓取位姿，规划机械臂从起点到抓取位姿的一条无碰撞轨迹；抓取与放置模块204控制机械臂404执行由运动规划模块205规划得到的无碰撞轨迹来完成目标物体的抓取，并控制机械臂404来完成物体的抓取和放置。
7、判断是否抓取成功，如果抓取成功则进入步骤8，如果不成功则进入步骤10。
8、机器人导航运动至目标点；建图与导航模块207从激光雷达407和三维相机406获取数据来完成机器人当前位置的定位，并控制移动底盘405运动至目标点。
9、控制机械臂104放置目标物体到预定位置；环境感知模块202通过获取激光雷达407数据和三维相机406对机器人的运行环境进行感知和建模；运动规划模块205根据环境感知模块202构建出来的环境模型和预设的物体放置位姿，规划机械臂从起点到放置位姿的一条无碰撞轨迹；抓取与放置模块204控制机械臂404执行由运动规划模块205规划得到的无碰撞轨迹来完成目标物体的放置。
10、机器人导航运动至起点；建图与导航模块207从激光雷达407和三维相机406获取数据来完成机器人当前位置的定位，并控制移动底盘405运动至起点。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.分布式部署的智能机器人系统，包括应用层、中间层和硬件抽象层，其特征在于：
应用层由若干机器人应用组成，机器人应用决策机器人的任务与行为；
中间层由若干机器人通用功能模块组成，机器人通用功能模块向所述机器人应用提供通用的机器人功能调用接口，同时机器人通用功能模块为机器人应用提供机器人功能，机器人应用通过机器人功能调用接口向机器人通用功能模块下发任务与行为，机器人通用功能模块通过机器人功能完成任务与行为并返回处理结果给机器人应用；
硬件抽象层包括若干机器人硬件驱动，且为机器人应用和机器人通用功能模块提供统一的机器人硬件控制接口,机器人应用和机器人通用功能模块均可直接调用机器人硬件抽象层中提供的机器人硬件控制接口；
其中，机器人通用功能模块、机器人应用和机器人硬件驱动可分布式部署在网络相通的不同主机上。
2.如权利要求1所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：机器人应用本身还包括可供其它机器人应用使用的功能接口，其他机器人应用可通过该功能接口调用该机器人应用。
3.如权利要求2所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：机器人应用包括根据用户指令到指定地点搜寻指定物体并抓取放置到指定地点的智能抓取应用；
机器人通用功能模块包括环境感知模块，识别与定位模块、抓取与放置模块、运动规划模块、语音识别模块、建图与导航模块；
硬件抽象层包括机械臂驱动、激光雷达驱动、移动底盘驱动和三维相机驱动。
4.如权利要求3所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：应用层、中间层、硬件抽象层部署在机器人的控制器上，控制器还连接有机器人本体和传感器；
机器人本体包括机械臂和移动底盘，机械臂安装在移动底盘上，所述机械臂驱动根据中间层及应用层的指令来驱动机械臂完成运动，以及获取机械臂的状态数据并反馈至中间层及应用层；所述移动底盘驱动根据中间层及应用层指令来驱动移动底盘完成运动，以及获取移动底盘的状态数据上传至中间层及应用层；
传感器包括三维相机和激光雷达，三维相机用于识别与定位被抓取物体；激光雷达用于获取环境数据。
5.如权利要求4所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：环境感知模块通过传感器的数据对机器人的运行环境进行建模和感知。
6.如权利要求5所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：识别与定位模块获取三维相机的数据来识别与定位被抓取物体。
7.如权利要求6所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：抓取与放置模块根据环境感知模块构建的环境模型和识别与定位模块得到的目标物体位姿，控制机械臂完成目标物体的抓取和放置。
8.如权利要求7所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：运动规划模块根据环境感知模块构建出来的环境模型和机械臂当前状态，规划一条机械臂从起点到目标点的无碰撞轨迹。
9.如权利要求8所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：语音识别模块采集音频数据识别成文字，并识别其意图。
10.如权利要求9所述的分布式部署的智能机器人系统，其特征在于：建图与导航模块从激光雷达和三维相机获取数据来完成地图的构建，并控制移动底盘运动至目标点。
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