CN218938828U - 一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人，属于智能机器人技术领域，解决了现有的机器人由于需要大量传感器进行定位、识别、感知等功能，导致机器人成本高、体积庞大的问题，本实用新型包括机架，所述机架上部安装有顶板，机架底部安装有运动系统，所述顶板上分别安装有深度视觉相机、摄像头、激光雷达和控制系统，顶部的底部连接有驱动板，所述驱动板与控制系统连接，所述控制系统包括小型计算机和内存卡。本实用新型的机器人可应用于安防巡检机器人、快递机器人、送餐机器人、扫地机器人、洗地机器人、灭火机器人、物流机器人、迎宾机器人、外卖机器人等各类工业和服务机器人。

Description

一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人

技术领域

本实用新型属于智能机器人技术领域,具体涉及一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人。

背景技术

机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器。机器人具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。

目前各类工业机器人、服务型机器人已经广泛应用于社会生产、生活的各个方面，为生产生活带来了极大的便捷。其中应用最广泛的是应用于各类搬运、巡检、清扫等应用场景的机器人设备。在机器人设计开发领域中，机器人自动行走系统是各类机器人产品开发的重点，直接影响机器人行走路线规划、自动导航、自动巡航等功能，该自动行走系统多为轮式结构，根据应用场景不同可使用多种底盘结构，该类自行走底盘搭载摄像头、机械臂、清洁装置等设备后，将直接转化为各类工业、服务类机器人。

现有的机器人产品为实现视觉导航功能，搭载了大量激光传感器、红外传感器、超声波传感器、碰撞传感器等辅助设备进行目标定位、物体识别、距离感知等功能，造成机器人价格高昂，体积庞大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：

为解决现有的机器人由于需要大量传感器进行定位、识别、感知等功能，导致机器人成本高、体积庞大的问题，提供一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人，包括机架，所述机架上部安装有顶板，机架底部安装有运动系统，所述顶板上分别安装有深度视觉相机、摄像头、激光雷达和控制系统，顶部的底部连接有驱动板，所述驱动板与控制系统连接，所述控制系统包括小型计算机和内存卡。

进一步地，所述运动系统包括底盘，所述底盘与机架底部连接，底盘上安装有至少两个车轮，底盘底部安装有万向轮，所述车轮均连接有减速电机，所述减速电机安装于底盘上。

进一步地，所述运动系统包括底盘，所述底盘与机架底部连接，底盘上安装有至少两条履带，底盘底部安装有万向轮，所述履带连接有减速电机。

进一步地，所述底盘与顶板之间连接有多根立柱，所述底盘上安装有电池，所述电池与减速电机、控制系统、驱动板、激光雷达、深度视觉相机和摄像头均电性连接。

进一步地，所述驱动板上安装有陀螺仪传感器和单片机，驱动板与所述小型计算机之间通过USB数据连接线连接。

进一步地，所述顶板上还安装有麦克风、超声传感器和语音识别器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过激光雷达和深度视觉相机等深度视觉导航设备，融合了Gmapping SLAM、Hector SLAM、Karto SLAM、Cartographer SLAM、深度摄像头建图等多种导航算法进行地图构建和导航，使得机器人系统在不同环境和应用场景中可找到最佳导航算法，从整体导航系统结构出发，解决了现有技术导航算法单一、应用场景单一的缺点，避免了不同场景需要多个不同辅助传感器进行导航的缺点，结构尺寸更小、导航更精准、成本更低。

2、本实用新型驱动系统可用于阿克曼转向、2轮差速转向、坦克履带、麦克纳姆轮等4种不同底盘，使得机器人系统可全天候、全地形运动，解决了现有技术只能在单一地形使用的缺点。

3、本实用新型的机器人系统可进行多点巡航、深度摄像头跟随、超声波跟随、雷达跟随、PID视觉单点巡线、TEB算法导航等多种应用开发，满足用户进行不同场景应用切换、应用扩展等方面的需求。

附图说明

图1为本实用新型的结构图；

图2为本实用新型机器人的硬件控制原理图。

图中标记：1-机架，2-控制系统，3-驱动板，4-运动系统，5-激光雷达，6-深度视觉相机，7-摄像头，8-电池，11-顶板，12-立柱，13-底盘。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的基本技术方案为一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人，如图1所示，包括机架，所述机架上部安装有顶板，机架底部安装有运动系统，所述顶板上分别安装有深度视觉相机、摄像头、激光雷达和控制系统，顶部的底部连接有驱动板，所述驱动板与控制系统连接，所述控制系统包括小型计算机和内存卡。

控制系统可使用NIVIDA Jetson Nano小型计算机，该计算机支持边缘AI应用程序和设备开发，并搭载深度学习、计算机视觉、图形、多媒体加速库，有助于机器人各类算法的开发。该小型计算机将搭载Ubuntu操作系统，自主安装melodic版本ROS系统，主要进行ROS机器人控制系统开发及视觉识别、自主建图和导航路径决策等功能的开发。

该机器人可利用Gmapping SLAM、Hector SLAM、Karto SLAM、Cartographer SLAM、深度摄像头建图等多种算法进行地图构建，机器人可基于所构建地图进行自主导航和行走路径规划，按照规划路径和规划点位进行多点巡航、深度摄像头跟随、超声波跟随、雷达跟随、PID视觉单点巡线、TEB算法导航。

激光雷达可采用思岚A1激光雷达，测量范围半径为0.15米至12米，主要进行雷达数据读取、驱动开发和SLAM导航建模等工作。

深度识别摄像头可采用奥比中光astra pro深度相机，该摄像机工作范围为0.6米至8米，基本满足各类场景需求，可通过USB将相机识别数据与控制系统进行直接通信，主要用于RGBD导航、视觉跟随、视觉识别、视觉巡线等功能。

实施例1

在基本技术方案的基础上，所述运动系统包括底盘，所述底盘与机架底部连接，底盘上安装有至少两个车轮，底盘底部安装有万向轮，所述车轮均连接有减速电机，所述减速电机安装于底盘上。

实施例2

在基本技术方案的基础上，所述运动系统包括底盘，所述底盘与机架底部连接，底盘上安装有至少两条履带，底盘底部安装有万向轮，所述履带连接有减速电机。

除上述底盘结构外，还可搭载阿克曼转向、麦克纳姆轮等不同底盘以适应不同应用场景、地形地貌等需求。

实施例3

在实施例2或3的基础上，所述底盘与顶板之间连接有多根立柱，所述底盘上安装有电池，所述电池与减速电机、控制系统、驱动板、激光雷达、深度视觉相机和摄像头均电性连接。

实施例4

在基本技术方案的基础上，所述驱动板上安装有陀螺仪传感器和单片机，驱动板与所述小型计算机之间通过USB数据连接线连接。

驱动板基于STM32单片机，驱动板MCU将选用STM32F103RCT6，板载MPU6050 IMU角速度陀螺仪传感器，支持4路直流电机闭环驱动控制，一路超声波传感器控制，两路舵机驱动控制，一路温湿度传感器，一路蓝牙控制，SWD固件程序烧录口，其余IO接口以排针、串口线等方式引出以供用户二次开发使用，相关硬件控制原理如图2所示。驱动板主要进行电源控制、IMU数据读取、电机驱动开发、舵机驱动开发等工作，与控制系统之间采用串口通信转USB通信的方式进行数据交互，驱动板主要作用为将上位机的决策进行有效执行。

图2中各硬件模块控制原理如下：

本实用新型的机器人是通过电机驱动、IMU姿态数据采集、超声波、编码器等模块采集硬件模块的实际数据（如电机转速、IMU数据、超声波数据、编码器数据等）。

Kinematics差速运动学模型是控制核心，负责根据各类数据和硬件模块的实际数据驱动四个电机转动，以实现机器人根据要求进行行进和转弯等动作。

Serial串口为各类数据的汇总口，所有数据均通过串口传输至Kinematics差速运动学模型。

电机驱动为四个电机的总驱动模块，向四个电机下达转速指令，四个电机根据转速指令数据进行转动。

IMU提供机器人实时姿态和方向、行进距离等数据，Kinematics差速运动学模型根据IMU数据向四个电机下达转速指令，以保证机器人按照指定路径行进。

超声波测距向Kinematics差速运动学模型提供实时周边障碍物情况，Kinematics差速运动学模型根据此数据实时调整四个电机转速以实现避障等功能。

编码器计数主要向Kinematics差速运动学模型提供运动距离数据，Kinematics差速运动学模型根据编码计数器和电机转速计算机器人实际行进距离。

PID算法根据传统PID控制理论，辅助进行电机转速调节。

机器人可实现利用蓝牙、wifi等设备连接的远程控制，远程控制设备下达指令后，Kinematics差速运动学模型根据指令和四个电机的实际转速，对四个电机的转速进行调节，以完成远程下达的指定指令。

机器人可通过5G等网络连接至servo云端控制服务器，servo云端控制服务器通过5G网络向串口下发控制指令，Kinematics差速运动学模型根据指令和四个电机的实际转速，对四个电机的转速进行调节，以完成云端下达的指定指令。

实施例5

在基本技术方案的基础上，所述顶板上还安装有麦克风、超声传感器和语音识别器。

本实用新型的机器人搭载OpenCV、Dlib、TensorFlow等多种人工智能算法图像，具备图像处理、语音处理等功能，可进行人脸检测、人体检测、色块检测、语音识别等功能开发，支持多种人脸识别算法和目标检测与分类算法

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人，包括机架，所述机架上部安装有顶板，机架底部安装有运动系统，其特征在于，所述顶板上分别安装有深度视觉相机、摄像头、激光雷达和控制系统，顶部的底部连接有驱动板，所述驱动板与控制系统连接，所述控制系统包括小型计算机和内存卡，所述顶板上还安装有麦克风、超声传感器和语音识别器。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人，其特征在于，所述运动系统包括底盘，所述底盘与机架底部连接，底盘上安装有至少两个车轮，底盘底部安装有万向轮，所述车轮均连接有减速电机，所述减速电机安装于底盘上。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人，其特征在于，所述运动系统包括底盘，所述底盘与机架底部连接，底盘上安装有至少两条履带，底盘底部安装有万向轮，所述履带连接有减速电机。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人，其特征在于，所述底盘与顶板之间连接有多根立柱，所述底盘上安装有电池，所述电池与减速电机、控制系统、驱动板、激光雷达、深度视觉相机和摄像头均电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光与视觉识别导航的多功能机器人，其特征在于，所述驱动板上安装有陀螺仪传感器和单片机，驱动板与所述小型计算机之间通过USB数据连接线连接。

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