轮式智能自主移动服务机器人

摘要

本发明一种轮式智能自主移动服务机器人，分为上部和设置于底盘上的下部，包括：控制系统、运动机构、嵌入式单板计算机、云台摄像机和传感器；运动机构，通过电机驱动和/或控制器进行控制；工控机，通过串口连接电机驱动和/或控制器；云台摄像机，通过串口控制云台摄像机的方位和角度，提供机器人周围的环境信息，并将其采集的信息通过图像采集卡连接到嵌入式计算机；传感器设置在机器人的上部与下部，通过信息处理后连接到嵌入式计算机；机器人上部和下部通过上连接板和下连接板进行折叠连接，在上下连接板之间设有横向折叠轴和/或抽插；本机器人能够根据超声传感器实现自主避障，提高了在一些非人造环境中的定位导航以及地图构建的能力。

权利要求

1.一种轮式智能自主移动服务机器人，分为上部和设置于底盘上的下部，包括：控制系统、运动机构、工控机、云台摄像机和传感器；其特征在于：所述的运动机构，通过电机驱动和/或控制器进行控制；

嵌入式计算机，通过串口连接电机驱动和/或控制器；

所述的云台摄像机，通过串口控制云台摄像机的方位和角度，提供机器人周围的环境信息，并将其采集的信息通过图像采集卡连接到嵌入式计算机；

所述的传感器设置在机器人的上部与下部，通过信息处理后连接到嵌入式计算机；

所述的机器人上部和下部通过上连接板和下连接板进行折叠连接，在上下连接板之间设有横向折叠轴和抽插。

2.根据权利要求1所述的轮式智能自主移动服务机器人，其特征在于：传感器分布为下部五个构成半圆，机器人上部的两个传感器并排。

3.根据权利要求1所述的轮式智能自主移动服务机器人，其特征在于：机器人下部的传感器分布在平分180°的五个棱柱上，各自占据36°的范围。

4.根据权利要求1所述的轮式智能自主移动服务机器人，其特征在于：底盘左右两侧安装有光电编码器、减速器的直流有刷伺服电机，在驱动轮轴线的中垂线上各安装一个万向的随动轮。

说明书

轮式智能自主移动服务机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及机电一体化和计算机技术的智能移动服务机器人平台，特别涉及一种具有自主性的智能移动机器人。

背景技术

[0002] 美国、德国、英国等欧美发达国家在服务机器人产品研制开发方面起步于20世纪70年代中期，他们开发的工作站式机器人和搭载式机器人是当时进入市场比较成功的服务机器人之一。20世纪90年代初，欧盟提出了TIDE计划，旨在促进帮助技术研发以满足社会和工业要求，改进残疾人和老年人的生活质量，提高欧洲工业和服务业市场的发展水平。进入21世纪，法国科学院和德国联邦研究会分别提出Bobea、GURP计划，积极推动服务机器人的研究.美国政府对于服务机器人的支持集中在作战机器人、反恐机器人方面，推出的“护士助手”机器人，在医院广泛应用。

[0003] 在我国，机器人技术研究本身起步较晚，智能服务机器人的研究与世界先进水平有很大的差距。近年来，随着人工智能技术研究的广泛深入，我国对服务机器人技术的理论研究正逐渐深入，随着经济的发展和老龄化人口的剧增，对于服务机器人的需求也越来越大。为此，2005年6月，国家科技部高新技术与产业化司就国家863计划先进制造和自动化技术领域邀请有关企业、业内专家在北京召开了“服务机器人”发展战略研讨会。专家组针对国内需求进行分析，考虑到我国现实的技术基础，提出了“十一五”期间服务机器人的发展目标，国内不少科研机构开始着手于这一方面的研究。2007年4月，哈尔滨工业大学继研制出智能服务机器人“青青”后，又研制出一种新型智能服务机器人，这种机器人可以自主避障，自由行走，而且可以与人简单对话，在国内属于领先水平。但它的活动范围十分有限，离高智能化的目标相距甚远。

[0004] 但是，随着计算机技术和人工智能技术的进一步发展，智能移动服务机器人的研究不可否认的成为机器人研究的一个重要领域，成为研究领域的热点，研究方向主要包括机器视觉、多传感器融合技术，机器人的导航与定位技术、自主人-机协作、人-机交互等，而这些研究内容都需要一个开放性和可靠性较高的实验平台，来对这些方法和理论加以实践证明，所以开发以家庭服务和高校实用的具有高可靠性、开放性的机器人实验平台具有很大市场潜力和研究意义。

[0005] 轮式智能自主移动机器人的关键技术主要包括，基于机器视觉的导航定位和运动物体跟踪、基于机器人平台的语音交互技术、移动机器人的控制技术、机器人运动机构的控制技术，传感器技术等等。

[0006] 机器视觉是一门相当前沿的科技，也是人工智能研究的热点，也是机器人获得大量周围环境信息的传感器，机器视觉运算过程中数据量较大，实时性较差，影响了机器视觉的实际应用，且好多基于路标的机器视觉导航系统采用人工路标的方法，实用性也较差。 [0007] 发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种利用机器视觉实时定位导航的方法，利用该方法实时的得到机器人所在周围环境的拓扑地图，主要通过机器人在环境中漫游时利用机器视觉对周围环境的自然显著性路标进行识别，构建拓扑节点，形成环境的拓扑地图。 [0009] 本发明是采用以下技术手段实现的：

[0010] 一种轮式智能自主移动服务机器人，分为上部和设置于底盘上的下部，包括：控制系统、运动机构、嵌入式单板计算机、云台摄像机和传感器；运动机构，通过电机驱动和/或控制器进行控制；工控机，通过串口连接电机驱动和/或控制器；云台摄像机，通过串口控制云台摄像机的方位和角度，提供机器人周围的环境信息，并将其采集的信息通过图像采集卡连接到嵌入式单板计算机；传感器设置在机器人的上部与下部，通过信息处理后连接到嵌入式计算机；机器人上部和下部通过上连接板和下连接板进行折叠连接，在上下连接板之间设有横向折叠轴和/或抽插；

[0011] 前述的传感器分布为下部五个构成半圆，上面两个并排。

[0012] 前述的传感器分布在平分180°的五个棱柱上，各自占据36°的范围。 [0013] 前述的底盘左右两侧安装有光电编码器、减速器的直流有刷伺服电机，在驱动轮轴线的中垂线上各安装一个万向的随动轮。

[0014] 本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

[0015] 本发明机器人能够根据超声传感器实现自主避障，在环境中漫游，同时通过云台摄像头记录周围环境信息，构建环境的拓扑地图，也可以实现特定目标的识别和跟踪，此外， 本机器人具有良好的人机交互性功能，可以通过机器人自身携带的麦克进行语音控制，以及进行简短对话和自我介绍等。提高了在一些非人造环境中的定位导航以及地图构建的能力，使得机器人的活动范围有室内走向更为宽广的室外，这也为机器人更好的服务于人类提供了理论基础和一些方法。

附图说明

[0016] 图1是本发明轮式智能自主移动服务机器人整体外观图；

[0017] 图2是本发明轮式智能自主移动服务机器人的折叠机构；

[0018] 图3是本发明轮式智能自主移动服务机器人的控制系统示意框图。 具体实施方式

[0019] 如图1所示，轮式智能自主移动服务机器人ROBUT-I属于通用服务型机器人实验平台，主要机器人超声传感器由上下两部分构成，下部由5个超声传感器构成半圆环(图中部件7)，可以实现前方180°范围内的障碍物探测，由于家庭服务机器人本身较高，所以有可能遇到空中障碍物，所以在机器人上部也安装了两个并列的超声传感器(图中部件6)，已实现对高空障碍物的判断和躲避。

[0020] 该机器人的另一个特点是机器人采用折叠机构，如图2所示，这样这机器人搬运和储藏过程中可以方便的折叠，有利于搬运和储藏；该机器人的运动机构由两个驱动轮和两个万向从动轮构成，驱动轮由集成了减速器和编码器的电机驱动，为了保证机器人在通过坑洼地面时仍然能够保持较好的抓地力，设计了悬挂系统，这样可以始终保持驱动轮的抓地性，机器人的驱动方式采用两轮的差分驱动，驱动轮为图1中的部件2，可以随意的前进后退，迅速的改变方向，也可以围绕自身质心以零半径自转，这样就可以在狭窄的地方出入自如，机器人的外形如图1所示，主要是服务机器人，底盘的结构很适合服务机器人，重心较低，运行起来较平稳，手部抓持东西不会对整个机器人的重心产生太大影响，更有利于机器人的稳定性。此外，机器人的控制系统采用分布式结构，机器人的传感器数据处理，伺服运动控制都由各自独立的DSP并行处理，这样有利于增强机器人的实时性，以便对周围环境的复杂情况做出快速的反应，增强机器人的安全性。

[0021] 机器人的下半部分采用轮式移动平台，上半部分采用类人形，这样可以充分发挥轮式结构的易控制性和人形结构操作能力强的特点，也符合服务机器人为人服务的目的，为了解决机器人有可能被半高的障碍物阻挡(比如说很大的四腿桌子)，可能下部的超声传感器探测不到桌子腿，这样机器人有可能从桌子下面过去，这样，就会发生危险，为了避免这种情况发生，我们对机器人传感器的布置进行了特殊的设计，近乎形成了一个空间的网，上部布置的两个传感器可以用来解决上述的情况，下部的传感器分布在五个独立的铁板上，这五个铁板将180°的角分成五部分每个角度为36°，如图1部件7所示。 [0022] 如图2所示，图示为轮式智能自主移动服务机器人ROBUT-I的折叠机构，其中下连接板8用来和底盘连接，而上连接板11用来和机器人上半身进行连接，折叠原理是主要通过折叠轴的抽插(图2中的部件9)实现活动部件(图2部件10)的活动和固定，本设计将旋转轴和固定销结合在一起实现了旋转轴，是旋转轴具有旋转轴和固定销的功能。这样不仅简化了结构，而且使用起来更加便捷。

[0023] 图3所示为本发明轮式智能自主移动服务机器人包括：运动机构、传感器系统、语音系统、电源系统、视觉系统、监控系统等。具体的电子系统的实现如下： [0024] 电源：ROBUT-I提供电力的电源由两块12V的铅蓄电池串联提供，其容量为12Ah，基本能够保证，驱动电机的电压为12～36V之间，机器人的外围设备(显示器、超声传感器、云台摄像机)的工作电压是12V和5V，由两块电池转换电压之后提供。 [0025] 嵌入式单板计算机：采用intel965GM的芯片组、T6500的处理器和1G的内存，性能高并且功耗低，该工控机配有两个千兆网卡、PC104+的数据总线，该工控机通过串口连接传感器系统、电机驱动/控制器和控制云台摄像机的俯仰角度、旋转角度和自动变焦等参数。

[0026] DC电机驱动/控制器：电机控制系统由一块运动控制卡和两个伺服驱动器组成。上位机通过RS-422串口发送前进、后退、旋转等指令给运动控制卡，然后运动控制卡控制伺服驱动器解调脉宽调制信号，控制电机的转动速度和方向。从而驱动运动机构实现各种动作，保证机器人任务的完成。

[0027] 云台摄像头和图像采集卡：云台摄像头采集的环境信息通过图像采集卡传回给上位机，利用上位机强大的数据处理和运算功能来处理图像数据，增强了机器人反应的实时性，并且可以完成识别等较为复杂的算法。

[0028] 超声传感器和DSP信息处理：ROBUT-I的传感器系统是由下部的五个超声环(图1中部件7)和上面两个并排的超声传感器(图1中部件6)共同构成的空间网、云台摄像机、光电编码器、陀螺仪。加速度计构成。超声传感器主要完成ROBUT-I底盘前方180°和空间正前方的障碍物探测，从而保证机器人不会撞上一些障碍物而损坏，云台摄像机主要完成视觉信息的提取，可以在360°的范围内自由旋转和自动聚焦等功能，可以完成主动视觉定位，导航和运动目标跟随等任务。

[0029] DC电机驱动/控制器：机器人的电机驱动采用基于ARM结构的运动控制卡和两个伺服驱动器构成的，在运动控制卡上集成了陀螺仪和加速度计，主要用于机器人位姿的获取和转向精度的控制，而电机上集成了光电编码器，它主要用来测量机器人相对移动的距离，其信息主要用来构建地图和在机器人导航的定位的完成航迹推算的。 [0030] 人机语音交互模块：为了增强机器人的人机交互性能，我们还开发了人机语音交互模块，在单板嵌入式电脑接有麦克风，主要用于语音命令和信息的接收，可以控制机器人前进后退或旋转一定角度等动作，还可以实现人机之间进行简短的问候或实现机器人的自我介绍等功能。

[0031] 基于自然路标的定位与导航模块：本机器人可以利用自然路标进行导航定位和环境的拓扑地图构建，充分利用视觉传感器信息量大的特点，这也是移动机器人定位和导航的发展趋势，这个系统不再利用人工目标，因此可以在更加复杂和非人造环境进行运动和任务的完成，并能够构建所走过环境的拓扑地图，并可以利用地图实现路径规划和机器人的定位导航等功能。

[0032] 轮式智能自主移动服务机器人整体性能指标：

[0033] 外观：下半部分为运动平台，上半部分为类人机器人，如图1所示。 [0034] 运动平台参数：宽：40cm，长：70cm，高：120cm，重：35kg，负载：20kg。 [0035] 最大直线速度：1m/s，最大角速度：3rad/s，零半径自转。

[0036] 电机：直流有刷伺服电机。

[0037] 轮系结构：两主驱动轮，两平衡论正交布置(图1中部件1和2，其中2为驱动轮，1为随动万向轮)。

[0038] 传感器系统：由五个超声传感器构成的半圆环和两个并排组成的空间阵列(图1中部件6和7，其中部件6为两个并排超声传感器，部件7为五个传感器构成的超声半圆环)，可有效探测机器人底盘前方180°范围和空间正前方的障碍物，并且有独立的DSP处理器，可以减轻上位机数据处理的负担，并可实现传感器数据的实时处理和动作相应；运动控制卡集成了陀螺仪和加速度计，可以有效保证机器人的运动状态和旋转角度的精确性，保证机器人能够按照规划的路径前进。

[0039] 车载主控机：嵌入式单板计算机，core2 T6500处理器，1G RAM，PC104+总线，RS485/422/232串口嵌入式工控机。

[0040] 控制系统：控制系统的核心是嵌入式单板计算机，由嵌入式单板计算机协调和融合各个独立的模块化系统；模块化系统主要包括：传感器系统、运动控制系统和视觉系统等，各个系统通过串口和嵌入式单板计算机进行实时通信。由嵌入式单板计算机融合各个信息进而完成最后的决策。

[0041] 显著性自然路标导航系统：显著性自然路标导航系统可以实现机器人自主在位置环境中漫游，提取环境中显著的自然路标标定节点，构建位置环境的拓扑地图，并能够根据拓扑地图实现环境中的导航和路径规划。

[0042] 语音交互模块：开发人员可以通过机器人身上自身携带的麦克风实现机器人的语音控制以及可以完成人-机器人之间的简短对话，此外，机器人可以做一些简短的自我介绍。

[0043] 移动机器人的操纵可以通过下达的语音指令来实现，传感器系统采用超声传感器、云台摄像机以及光电编码器共同构成，并可以在未知环境中通过视觉传感器来实现环境拓扑地图的构建和基于地图的导航定位以及路径规划，该机器人具有良好的人-机交互功能，可以和人进行简短对话和自我介绍。