CN111645084A - 一种家用智能安防服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家用智能安防服务机器人，包括差分运动底盘、控制硬件模块、升降装置、传感器检测模块以及外壳。差分运动底盘用于控制机器人的移动；控制硬件模块用于底盘电机控制与深度信息的获取；升降装置用于储物箱的升降；传感器检测模块用于检测各种外部信息，检测各种家庭安全隐患并进行反馈，机器人整体用外壳进行包裹。该家用智能安防服务机器人还包括控制系统，用于接收数据、处理数据、远程控制和构建地图。本发明可以自主导航，并且具有很好的自主检测、多功能检测与信息反馈功能。

Description

一种家用智能安防服务机器人

技术领域

本发明属于服务机器人领域，具体的说是一种家用智能安防服务机器人。

背景技术

随着全球工业化的快速发展，科学技术的不断进步，尤其是智能机器人的应用领域不断地拓宽，家用服务机器人已经成为当今世界机器人技术研究的热点。由智能机器人来完成清洁卫生、家电控制、家庭娱乐、报时报警等多种家庭任务。其中，用于某些固定动作的家用服务机器人较为普遍，例如拿放水杯、清洗餐具、打扫卫生等。也有一些家庭娱乐与报时报警的机器人，但是其结构简单，功能单一，只能满足人们在某一方面的需求。在家庭中，安全防范是一个非常重要的问题，但是与安防有关的家用服务机器人却很少，如何有效的检测家庭中的某些安全隐患并及时进行反馈预防，并更好的进行人机交互，必须设计一款具有多功能的家用服务机器人，在基于自主导航的基础上实现多传感器检测，多安全隐患监控，并且提供更好的指令控制与人机交互。

申请号CN201720031788.1中国专利提出了一种家用安防服务机器人，该机器人包括机器人移动平台、安装在机器人移动平台上的机器人躯体、安装在机器人躯体上的机器人手臂、安装在机器人躯体上部的机器人头部、无线通讯装置、嵌入式的安装在机器人躯体前端的人机交互装置、安装在机器人躯体底部的能源装置、安装在机器人躯体后部的灭火装置。该机器人利用底部的能源装置提供动力，移动平台以两轮差分加导向轮组成，完成前进、后退以及任意角度的转弯。安装在机器人躯体上的机器人手臂用于完成某些设定的动作，安装在机器人躯体后部的灭火装置用于起火时的预警与灭火，嵌入式的安装在机器人躯体前端的人机交互装置用于与家庭成员之间的交互，安装在机器人躯体上部的机器人头部主要用于摄像头与传感器的旋转与升降，最后无线通讯装置用于远程控制端的信息反馈与指令下达。该机器人在设计上，首先移动平台的的驱动轮加导向轮的方式在一些家庭环境中运动能力不足，另外该安防机器人的功能较为单一，只是用于灭火这一功能，而无法预防其他的家庭隐患。

同时这些设计多数并不能进行自主导航与检测，家庭服务机器人需要在家庭没有人的时候进行工作，保持工作的流畅性与减少对家庭活动的影响。另外，很多数的设计在安全检测方面并不全，无法检测煤气、水龙头、陌生人、老人状态、烟雾、以及窗户等多方面的隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种家用智能安防服务机器人，该机器人不仅可以自主导航点对点检测家庭各种安全隐患，还可以语音指令控制，完成某些服务。

一种家用智能安防服务机器人，包括差分运动底盘、控制硬件模块、升降装置和传感器检测模块。

所述差分运动底盘位于机器人的底部，用于控制机器人的移动。

所述控制硬件模块设置在差分运动底盘的上方。

所述升降装置设置在控制硬件模块上，升降装置的顶部设置传感器检测模块，所述传感器检测模块用于检测外部信息，传感器检测模块在升降装置的带动下，上下运动。

改家用智能安防服务机器人还包括控制系统，用于接收外部指令，并控制机器人执行相应操作，同时将采集到的信息反馈至远程控制终端；

所述控制系统包括下位机、上位机与远程控制终端；下位机通过接收上位机的运动指令，控制机器人运动，下位机同时将采集到的外部数据反馈给上位机；上位机接收下位机反馈的外部数据，并将相关数据传输给远程控制终端，上位机同时接收远程控制终端发送的控制指令。本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)采用差分运动底盘，运用双侧独立驱动的方式，可实现速度匹配、任意角度转向的功能，另外带传动越障能力较强，可以克服某些突出的障碍物。

(2)具有自主导航点对点的检测模式，在整个家庭环境的地图中，设置不同的检测点，在不同的点对应不同的检测传感模块，设置一定的巡检次数以保证家庭安防隐患的实时监测。

(3)具有多种检测功能，包括煤气泄漏、水龙头漏水、着火浓烟、老人身体状态、陌生人进入等多种安全隐患，均有很好的检测与反馈。

附图说明

图1为本发明的外部结构图。

图2为本发明的前侧结构示意图。

图3为本发明的左侧结构示意图。

图4为本发明差分运动底盘结构示意图。

图5为本发明控制硬件放置层安装分布图。

图6为本发明升降层结构示意图。

图7为本发明传感器检测层结构示意图。

图8为本发明传感器检测层传感器容纳盒安装分布图。

图9为本发明控制系统示意图。

具体实施方式

结合图1、2、3，本发明公开了一种家用智能安防服务机器人，包括整体结构与控制系统两部分，结构包括差分运动底盘A、控制硬件模块B、升降装置C、传感器检测模块D和外壳E；控制系统包括下位机、上位机和远程控制端。

整体结构方面，所述差分运动底盘A，采用双侧独立驱动的方式，驱动轮、从动轮与张紧轮组成同步带传动，可实现速度匹配、任意角度转向以及减少载荷冲击的影响。所述控制硬件模块B，用于设置控制系统所需的各种控制元件，包括电池、电机驱动器、工控主板以及高频激光雷达。所述升降装置C，用于部分储物箱的升降，包括升降电机、储物箱。所述传感器检测模块D，用于检测外部信息，设置各种检测传感器以及辅助检测装置，包括俯仰云台、传感器容纳盒、可燃气体检测模块、高清摄像头、人体红外传感器、麦克风阵列、嵌入式控制板、声音检传感器、烟雾传感器。控制系统方面，所述下位机，以嵌入式控制板为核心，包括控制底盘电机运动、采集里程计数据和各种检测传感器数据。所述上位机，以工控主板为核心，与底层控制通过串口连接，用于接收底层反馈的里程计数据和传感器数据，并且采集激光雷达的深度信息用于SLAM数据融合建图，利用导航功能包进行实时地图构建与导航。所述远程控制端，为PC端，与上位机通过局域网进行连接与数据传输，主要用于远程地图构建与导航，指令下放与实时监测。所述差分运动底盘A位于机器人的底部，采用同步带传动，用于机器人的前进、后退以及转弯等动作；控制硬件模块B用于设置控制系统所需的部分硬件，对称分布，该层设置在差分运动底盘A上面，通过钢板隔开，并用铜柱支撑；升降装置C控制储物箱的升降，设置在控制控制硬件模块B上面，通过钢板隔开，利用支架支撑所需空间；传感器检测模块D用于检测外部信息，传感器检测模块D在升降装置C的带动下，上下运动，外壳E包裹在整体机器人骨架的外面。

结合图4，所述差分运动底盘A包括对称设置的两套驱动装置，两套驱动装置结构相同，均包括主带轮连接件A-1、轴A-2、车轮A-3、带轮连接法兰A-4、第一铜套A-5、减速器A-6、电机A-7、减速器连接件A-8、轴承座A-9、车轮法兰A-10、车轮挡圈A-11、带轮A-12、同步带A-13、从带轮连接件A-14、第二铜套A-15、轴端挡圈A-16、张紧轮A-17；差分运动底盘A还包括防撞条A-18和固定底板A-19。

以右侧驱动装置为例，所述主带轮连接件A-1、减速器连接件A-8、从带轮连接件A-14均固定在固定底板A-19上，电机A-7的输出端与减速器A-6相连,二者固定在减速器连接件A-8上，减速器轴伸出端与带轮A-12键连接，带轮A-12的一侧设置第一铜套A-5，用于防止带轮左移，带轮A-12另一侧与带轮连接法兰A-4相固连，带轮连接法兰A-4与轴承座A-9内圈相紧靠，用于防止带轮右移；带轮连接法兰A-4还与轴A-2键连接，用于带动轴A-2旋转；

轴承座A-9固连在主带轮连接件A-1上，轴A-2穿过轴承座A-9并与车轮法兰A-10键连接，车轮法兰A-10通过螺纹与车轮A-3连接，用于防止车轮外窜，车轮挡圈A-11设置在轴的外端并通过螺钉固定在轴上A-2；

从动轮端，从动端轴承座固连带轮连接件A-14上，从动轴穿过从动端轴承座并与车轮法兰键连接，车轮法兰通过螺纹与从动车轮连接，从动端带轮与从动轴键连接，从动端带轮的一端设置第二铜套A-15，第二铜套A-15与从动端轴承座内圈相紧靠，在从动端带轮的另一侧设置轴端挡圈A-16并用螺钉固定在轴上；

同步带A-13套在带轮A-12和从动端带轮上，在同步带A-13的中间用张紧轮A-17张紧，用于减少同步带A-13滑动，在固定底板A-19外圈设置防撞条A-18，用于减少撞击时的损害。

结合图5，所述控制硬件模块B包括驱动器B-1、电池支架B-2、电池B-3、高频激光雷达B-4、工控主板B-5、固定底板B-6；

所述驱动器B-1、工控主板B-5固定在固定底板B-6上，电池B-3尚在电池支架B-2内，电池支架B-2通过螺栓与固定底板B-6连接，高频激光雷达B-4通过胶水粘在固定底板B-6上，工控主板B-5设置在电池B-3与高频激光雷达B-4之间，控制硬件模块B上的控制元件对称分布，控制硬件模块B设置在差分运动底盘A上面，通过钢板隔开，并用铜柱支撑。结合图6，所述升降装置C包括伸缩电机C-1、储物箱C-2、抽屉外轨C-3、抽屉内轨C-4、固定底座C-5、顶板支架C-6、伸缩杆底板C-7；

所述伸缩杆底板C-7固定在控制硬件模块上方，伸缩电机C-1固定在伸缩杆底板C-7上，伸缩电机C-1与储物箱C-2通过螺栓连接，用于驱动储物箱C-2升降，抽屉外轨C-3与抽屉内轨C-4组成一组抽屉滑动导轨，其中抽屉外轨C-3固定在外壳上，抽屉内轨C-4固定在储物箱C-2的外侧，抽屉滑动导轨用于实现储物箱的升降运动，固定底座C-5固连在伸缩杆底板C-7上，顶板支架C-6固定在固定底座C-5上，二者组成支撑杆，用于连接控制硬件模块B和传感器检测模块D，所述支撑杆的数量为三组。

结合图7、8，所述传感器检测模块D包括支撑螺柱D-1、气体传感器支架D-2、可燃气体检测模块D-3、传感器容纳盒D-4、云台D-5、顶板D-6、声音传感器D-7、高清摄像头D-8、人体红外传感器D-9、麦克风阵列D-10、嵌入式控制板D-11和烟雾传感器D-12；

所述传感器检测模块D主要用于各种传感器的放置，其中声音传感器D-7、高清摄像头D-8、人体红外传感器D-9、麦克风阵列D-10、嵌入式控制板D-11和烟雾传感器D-12均设置在传感器容纳盒D-4中，声音传感器D-7、高清摄像头D-8、人体红外传感器D-9固定在传感器容纳盒D-4的侧面，麦克风阵列D-10固定在传感器容纳盒D-4的顶面，嵌入式控制板D-11固定在传感器容纳盒D-4的底面，传感器容纳盒D-4固定在云台D-5上，云台D-5通过螺栓连接固定在顶板D-6上，顶板D-6的两侧用支撑螺柱D-1固定气体传感器支架D-2，并与可燃气体检测模块D-3通过螺栓连接。结合图9，为机器人控制系统的组成，控制系统用于接收外部指令，并控制机器人执行相应操作，同时将采集到的信息反馈至远程控制终端。

控制系统主要分为下位机、上位机、远程控制端三部分。其中，下位机以嵌入式控制板为核心，比如STM32系列，用于控制底盘电机的运动，通过接收上位机的运动指令，利用差分运动学模型将机器人的线速度与角速度转化为两个驱动电机的转速，控制机器人的移动。除此以外，下位机还接收电机里程计数据和人体红外测温模块、可燃气体检测模块、声音传感器、烟雾传感器等传感器的数据反馈给上位机进行处理；上位机与下位机通过串口进行通信，遵守相同的串口通信协议，上位机以工控主板为核心，以Linux系统为操作系统，以ROS系统为算法平台，连接激光雷达、麦克风阵列与高清摄像头，上位机接收激光雷达所测得的深度信息与下位机所反馈的里程计数据用于SLAM融合建图，利用ROS系统导航功能包进行实时地图构建与导航，接收麦克风语音信息用于ROS机器人指令控制，接收高清摄像头视频信息反馈给远程控制端,接收各种传感器信息进行处理并反馈给下位机进行处理；远程控制端以PC端为主，与上位机通过局域网进行连接与数据传输，主要用于上位机地图构建与导航的显示以及传感器检测结构的显示，并连接控制手柄，对下位机发送指令，控制机器人的运动与传感器信息的反馈。

综上所述，本发明的智能安防服务机器人以差分轮式底盘为基础，搭建控制硬件模块、升降装置和传感器检测模块，再以外壳包裹，整个机器人可以在家庭环境中自主运动，带传动越障能力较强，可以克服某些突出的障碍物。整个机器人以自主导航为基础，以多传感器检测为主线，以指令控制为辅助控制，通过点对点式的机器人导航检测，通过采集信息-信息反馈-指令下达的方式检测家庭中的多种安全隐患问题，包括煤气或天然气泄露、水龙头漏水、着火浓烟、老人身体状态以及陌生人进入等安全问题，及时发现隐患并预防，为家庭提供更好的服务。

Claims (10)

1.一种家用智能安防服务机器人，其特征在于，包括差分运动底盘(A)、控制硬件模块(B)、升降装置(C)和传感器检测模块(D)；

所述差分运动底盘(A)位于机器人的底部，用于控制机器人的移动；

所述控制硬件模块(B)设置在差分运动底盘(A)的上方；

所述升降装置(C)设置在控制硬件模块(B)上，升降装置(C)的顶部设置传感器检测模块(D)，所述传感器检测模块(D)用于检测外部信息，传感器检测模块(D)在升降装置(C)的带动下，上下运动。

2.根据权利要求1所述的家用智能安防服务机器人，其特征在于，还包括控制系统，用于接收外部指令，并控制机器人执行相应操作，同时将采集到的信息反馈至远程控制终端；

所述控制系统包括下位机、上位机与远程控制终端；下位机通过接收上位机的运动指令，控制机器人运动，下位机同时将采集到的外部数据反馈给上位机；上位机接收下位机反馈的外部数据，并将相关数据传输给远程控制终端，上位机同时接收远程控制终端发送的控制指令。

3.根据权利要求2所述的家用智能安防服务机器人，其特征在于，下位机以嵌入式控制板为核心，用于控制底盘电机的运动，通过接收上位机的运动指令，利用差分运动学模型将机器人的线速度与角速度转化为两个驱动电机的转速，控制机器人移动，下位机还接收电机里程计数据和各项传感器数据并反馈给上位机进行处理；

上位机以工控主板为核心，采用Linux操作系统，以ROS系统为算法平台，连接激光雷达、麦克风阵列与高清摄像头，上位机接收激光雷达所测得的深度信息与下位机所反馈的里程计数据用于SLAM融合建图，同时利用ROS系统导航功能包进行实时地图构建与导航，接收麦克风语音信息用于ROS机器人指令控制，接收高清摄像头视频信息反馈给远程控制端,接收各种传感器信息进行处理并反馈给下位机进行处理。

4.根据权利要求2所述的家用智能安防服务机器人，其特征在于，所述差分运动底盘(A)包括对称设置的两套驱动装置，两套驱动装置结构相同，均包括主带轮连接件(A-1)、轴(A-2)、车轮(A-3)、带轮连接法兰(A-4)、第一铜套(A-5)、减速器(A-6)、电机(A-7)、减速器连接件(A-8)、轴承座(A-9)、车轮法兰(A-10)、车轮挡圈(A-11)、带轮(A-12)、同步带(A-13)、从带轮连接件(A-14)、第二铜套(A-15)、轴端挡圈(A-16)、张紧轮(A-17)；

所述主带轮连接件(A-1)、减速器连接件(A-8)、从带轮连接件(A-14)均固定在固定底板(A-19)上，电机(A-7)的输出端与减速器(A-6)相连,二者固定在减速器连接件(A-8)上，减速器轴伸出端与带轮(A-12)键连接，带轮(A-12)的一侧设置第一铜套(A-5)，用于防止带轮侧移，带轮(A-12)另一侧与带轮连接法兰(A-4)相固连，带轮连接法兰(A-4)与轴承座(A-9)内圈相紧靠，用于防止带轮侧移；带轮连接法兰(A-4)还与轴(A-2)键连接，用于带动轴(A-2)旋转；

轴承座(A-9)固连在主带轮连接件(A-1)上，轴(A-2)穿过轴承座(A-9)并与车轮法兰(A-10)键连接，车轮法兰(A-10)通过螺纹与车轮(A-3)连接，用于防止车轮外窜，车轮挡圈(A-11)设置在轴的外端并通过螺钉固定在轴上(A-2)；

对应的从动轮端，从动端轴承座固连带轮连接件(A-14)上，从动轴穿过从动端轴承座并与车轮法兰键连接，车轮法兰通过螺纹与从动车轮连接，从动端带轮与从动轴键连接，从动端带轮的一端设置第二铜套(A-15)，第二铜套(A-15)与从动端轴承座内圈相紧靠，在从动端带轮的另一侧设置轴端挡圈(A-16)并用螺钉固定在轴上；

同步带(A-13)套在带轮(A-12)和从动端带轮上，在同步带(A-13)的中间用张紧轮(A-17)张紧，用于减少同步带(A-13)滑动；

在固定底板(A-19)外圈设置防撞条(A-18)。

5.根据权利要求2所述的家用智能安防服务机器人，其特征在于，所述控制硬件模块(B)包括驱动器(B-1)、电池支架(B-2)、电池(B-3)、高频激光雷达(B-4)、工控主板(B-5)、固定底板(B-6)；

所述驱动器(B-1)、工控主板(B-5)固定在固定底板(B-6)上，电池(B-3)安装在电池支架(B-2)内，电池支架(B-2)通过螺栓与固定底板(B-6)连接，高频激光雷达(B-4)固定在底板(B-6)上。

6.根据权利要求5所述的家用智能安防服务机器人，其特征在于，所述控制硬件模块(B)的高频激光雷达(B-4)通过胶水粘在固定底板(B-6)上，工控主板(B-5)设置在电池(B-3)与高频激光雷达(B-4)之间。

7.根据权利要求2所述的家用智能安防服务机器人，其特征在于，还包括外壳(E)，所述外壳(E)包裹在整体机器人骨架的外面。

8.根据权利要求7所述的家用智能安防服务机器人，其特征在于，所述升降装置(C)包括伸缩电机(C-1)、储物箱(C-2)、抽屉外轨(C-3)、抽屉内轨(C-4)、固定底座(C-5)、顶板支架(C-6)、伸缩杆底板(C-7)；

所述伸缩杆底板(C-7)固定在控制硬件模块上方，伸缩电机(C-1)固定在伸缩杆底板(C-7)上，伸缩电机(C-1)与储物箱(C-2)通过螺栓连接，用于驱动储物箱(C-2)升降，抽屉外轨(C-3)与抽屉内轨(C-4)组成一组抽屉滑动导轨，其中抽屉外轨(C-3)固定在外壳内侧，抽屉内轨(C-4)固定在储物箱(C-2)的外侧，抽屉滑动导轨用于实现储物箱的升降运动，固定底座(C-5)固连在伸缩杆底板(C-7)上，顶板支架(C-6)固定在固定底座(C-5)上，二者组成支撑杆，用于连接控制硬件模块(B)和传感器检测模块(D)，所述支撑杆的数量为三组。

9.根据权利要求2所述的一种家用智能安防服务机器人，其特征在于，所述传感器检测模块(D)包括支撑螺柱(D-1)、气体传感器支架(D-2)、可燃气体检测模块(D-3)、传感器容纳盒(D-4)、俯仰云台(D-5)、顶板(D-6)、声音传感器(D-7)、高清摄像头(D-8)、人体红外传感器(D-9)、麦克风阵列(D-10)、嵌入式控制板(D-11)和烟雾传感器(D-12)；

所述声音传感器(D-7)、高清摄像头(D-8)、人体红外传感器(D-9)、麦克风阵列(D-10)、嵌入式控制板(D-11)和烟雾传感器(D-12)均设置在传感器容纳盒(D-4)中，声音传感器(D-7)、高清摄像头(D-8)、人体红外传感器(D-9)、烟雾传感器(D-12)固定在传感器容纳盒(D-4)的侧面，麦克风阵列(D-10)固定在传感器容纳盒(D-4)的顶面，嵌入式控制板(D-11)固定在传感器容纳盒(D-4)的底面，传感器容纳盒(D-4)设置在云台(D-5)上，云台(D-5)通过螺栓连接固定在顶板(D-6)上，顶板(D-6)的两侧用支撑螺柱(D-1)固定气体传感器支架(D-2)，并与可燃气体检测模块(D-3)通过螺栓连接。

10.根据权利要求5所述的家用智能安防服务机器人，其特征在于，所述控制硬件模块(B)的控制元件对称分布，控制硬件模块(B)设置在差分运动底盘(A)上面，通过钢板隔开，并用铜柱支撑。

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