开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人制造技术

本发明专利技术属于机器人技术领域，具体涉及一种小型的具有高度智能的家用服务型机器人。机器人整体由移动／执行／感知硬件模组和智能运算软件模组组成，硬件模组和软件模组通过视觉信息和其他传感器信息构成闭环控制，具有拟人的控制特性，能够模仿人的完成任务的能力，小巧的体型和功耗能够保证机器人在复杂的家庭环境中进行服务。本发明专利技术将复杂的智能计算软件功能和家用服务机器人的小型移动／执行／感知平台在物理上分离，使机器人具备机器视觉、听觉、高度智能规划和功能扩展的能力，能够完成高度智能化的地面清洁工作，能够根据主人的口语命令控制家里的各种家电，能够根据口语指示为主人运送果盘、茶水、拖鞋、垃圾桶等小型家用器具。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人
，具体涉及一种能够自动完成多项家庭生活服务的小型非拟人机器人。
技术介绍
随着机器人技术和计算机技术软硬件的进步和发展，家用服务型机器人已经开始进入到人们的现实生活。家用服务型机器人包括各种在家庭中为人们提供服务的机器人，其中有拟人的人形机器人，也有一般的能够自动完成某项家政任务的小型机器人，典型的如以家庭地面清洁为主的吸尘器机器人和草坪自动修整为主的除草机机器人，它们因为低廉的价格而在欧美等地广受欢迎。机器人吸尘器市场的开拓者—美国iRobot公司的家用吸尘机器人产品累计销售已达到200万台，每年利润增长率在20％以上。另外，国内外各大家用电器企业也开始进行类似产品的研发和生产。这种构造简单，成本低廉(约300美金)，同时具有一定实用性兼趣味性的机器人产品正在快速进入人们的日常生活。但是，目前现有的家用服务型机器人作为家用服务型机器人的初期作品，有着智能化水平不高、功能单一等缺陷。本专利技术中的智能型家用服务机器人克服了上述缺陷，同时保持了低成本的特性，是一款更强大、更实用，并能提供多种家庭(家政)服务的高智能低成本的移动机器人产品，具有良好的发展前景和巨大的市场空间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种智能化程度高、生产成本低的家用多功能小型服务机器人。本专利技术设计的家用多功能小型服务机器人，采用开放智能系统构架，具备在线的软件更新和功能扩展的能力，是一个能全面提供家政服务的移动机器人。系统构架中，在物理上分离的智能运算和传感采集的特点使其能够利用家庭中计算资源——个人电脑，因而相对于传统的家用服务机器人，具备计算能力高、智能高、成本低等特点。本专利技术主要包括如下几个部分(1) 一个移动底座。所述移动底座包含轮子、电机和传动机构，并加载可充电电池，能够实现前进和向左右旋转运动，在移动底座下部接近地面的部分还设有一个能够打扫和吸取地面垃圾的清扫装置。(2)一个视频传感器和红外发射模块，该模块由一个数字视频摄像头、一个红外发射管和一个电机驱动单元组成，视频摄像头能旋转240度。(3)一个避障传感器模块，它包括一个碰撞传感检测器和三个红外测距传感器。(4)一个声音采集和发音模块。它包括一个由2～4个麦克风组成的麦克风阵列和一个扬声器。麦克风阵列负责检测声源的方向并对来自声源的人声进行增强。(5)一个感知和执行代理模块。它由一块嵌入式控制单元和无线传输单元构成，嵌入式控制单元的软硬件负责采集来自视频传感器模块、避障传感器模块、声音采集模块的数据并对其进行初步加工和编码，实时通过无线传输单元传送给智能计算模块；同时从智能计算模块通过无线连接接收控制指令，代理控制移动底座的运动、红外信号的发射以及各种动作和行为。(6) 一个智能计算模块。该模块由一台家用电脑(或其他高级电脑)和无线通信单元构成硬件单元，以智能总控、行为规划、机器视觉通信控制等软件程序为计算单元，作为机器人的大脑来智能控制机器人。(7)一个拖拽模块。它由机器人本体上的电控开合式挂钩和用来盛放物品的小拖车组成。(8)一个充电模块。为机器人提供低压直流的电源输入，并能够被机器人自动感知。本专利技术的机器人能够从事多种家庭服务应用，能够让使用者享受到全面的服务，就像有一个专用的“服务生”一样。本智能家用机器人还具有基本的视觉和听觉，能让使用者更轻松的控制和使用。下面介绍了几种基本的应用功能。1.语音交流和控制功能机器人能够根据使用者的口语命令，执行对应的功能，能够分辨出使用者所在的大概方位。这样用户可以呼叫机器人的名字，让机器人做一件事情，比如遥控家电，或者给自己拿些东西过来。2.基于视觉的智能地面清洁功能机器人具有基本的视觉系统，能够通过采集的视频，分辨出哪一片地面是干净的，哪里是有垃圾需要打扫的，然后根据看到的情况，主动过去将垃圾清理。这是一种动态的智能的卫生保持能力，与传统的吸尘器盲目的随机打扫完全不同，具有高效率，低能耗，低干扰的特性，就像人类的清洁工作者一样，可以在家庭，或展馆、酒店大堂等场所，承担卫生清洁保持的工作。3.遥控不同类型家电的功能本专利技术的机器人还配备了可以调整方向，和摄像头具有同步指向的红外线发射器。它可以通过软件，录制各种家电遥控器的遥控命令的编码。然后在用户的要求下，机器人能够自动移动到能够指向到对应家电的位置，然后通过对摄像头采集的视频信号的视觉特征处理，找出目标家电，在摄像头发现这个家电的同时，红外发射器也指向了该家电，然后发出对应命令的红外信号，完成对该家电的操作和控制。也就是说，用户可以不需要对家居做任何智能化改造的情况下，能够实现对家电的各种智能化操作和控制。用户不用移动脚步，只用口头交代，本专利技术的机器人就能够对整个家庭的各种可遥控电器进行遥控。4.运送物品功能机器人上装备了电动开合装置，并且配备了对应的小拖车。机器人能够根据计算机视觉处理找到并且对准小车的把手，让开合装置扣住小车，然后根据用户的指令，将小车拖动到家中的某个位置。小车上可以放置垃圾桶、拖鞋、果盘等家用器具。这样，用户可以让机器人像一个服务生一样帮自己在家里传递东西，为客人服务。除了上述的最常见的家庭服务功能以外，由于本专利技术中的智能家用机器人开放式计算框架的设计，使机器人具有了很强的功能扩展潜力，并能够通过互联网等渠道获得应用功能的不断更新，具有容纳更多服务功能的潜力。附图说明图1本专利技术系统组成原理图。图2本专利技术机器人移动模组结构示意图。图3本专利技术的开放式智能计算构架图。图4本专利技术的电路控制框图。图中标号1.驱动轮 2.红外测距传感器 3.碰撞检测传感器 4.单自由度指向控制模块 5.数字视频采集设备(摄像头) 6.红外信号发射器 7.麦克风阵列 8.半透明外罩9.嵌入式控制板 10.无线传输模块 11.电动开合装置 12.挂合接口 13.充电接口 14.从动轮 15.清扫装置 16.移动驱动模块 17.咪头(拾音器) 18.处理器 19.存储器 20.总线 21.模数转换模块 22.GPIO输入输出控制模块 23.放大器 24.电机驱动板 25.直流电机A 26.直流电机B 27.直流电机C 28.霍尔元件 29.USB总线控制器 30.数模转换模块具体实施方式下面结合附图和实施例进一步描述本专利技术。如图1所示，整个系统可分为两大模组1.移动/执行/感知 硬模组此模组主要由感知单元、执行单元和数据处理/代理节点组成。如图1和2所示，由数字视频采集设备摄像头5、麦克风阵列7、碰撞检测传感器3、红外测距传感器2构成感知单元，分别完成数字视频采集、数字音频的多路实时采集和碰撞检测、落差检测的功能。摄像头采集的数字视频以JPEG的格式存储和传输，音频采集以PCM格式的数据流向后传送给数据处理/代理节点，碰撞检测传感器能够检测在正面发生的碰撞，红外测距传感器则在机器人的最边缘处，垂直向下检测与地面的距离，然后将这些数据统一传送到数据处理代理节点进行加工和转发。由摄像头转动控制器4、红外信号发射器6、电控开合挂钩11、移动底盘16和清洁装置15构成执行单元。其中摄像头转动控制器4能够控制摄像头和红外发射器的在垂直平面上的指向，具有一个自由度；红外信号发射器6能够发射遥控普通家用电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人，其特征在于由以下几个部分组成：　　　　（１）一个移动底座，所述移动底座包含轮子、电机和传动机构，并加载可充电电池，能够实现前进和向左右旋转运动，在移动底座下部接近地面的部分还设有一个能够打扫和吸取地面垃圾的清扫装置；　　　　（２）一个视频传感器和红外发射模块，该模块由一个数字视频摄像头、一个红外发射管和一个电机驱动单元组成，视频摄像头能旋转２４０度；　　　　（３）一个避障传感器模块，它包括一个碰撞传感检测器和三个红外测距传感器；　　　　（４）一个声音采集和发音模块，它包括一个由２～４个麦克风组成的麦克风阵列和一个扬声器，麦克风阵列负责检测声源的方向并对来自声源的人声进行增强；　　　　（５）一个感知和执行代理模块，它由一块嵌入式控制单元和无线传输单元构成，嵌入式控制单元的软硬件负责采集来自视频传感器模块、避障传感器模块、声音采集模块的数据并对其进行初步加工和编码，实时通过无线传输单元传送给智能计算模块；同时从智能计算模块通过无线连接接收控制指令，代理控制移动底座的运动、红外信号的发射以及各种动作和行为；　　　　（６）一个智能计算模块，该模块由一台家用电脑和无线通信单元构成硬件单元，以智能总控、行为规划、机器视觉通信控制等软件程序为计算单元，作为机器人的大脑来智能控制机器人；　　　　（７）一个拖拽模块，它由机器人本体上的电控开合式挂钩和用来盛放物品的小拖车组成；　　　　（８）一个充电模块，为机器人提供低压直流的电源输入，并能够被机器人自动感知；。...

【技术特征摘要】
1.一种开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人，其特征在于由以下几个部分组成(1)一个移动底座，所述移动底座包含轮子、电机和传动机构，并加载可充电电池，能够实现前进和向左右旋转运动，在移动底座下部接近地面的部分还设有一个能够打扫和吸取地面垃圾的清扫装置；(2)一个视频传感器和红外发射模块，该模块由一个数字视频摄像头、一个红外发射管和一个电机驱动单元组成，视频摄像头能旋转240度；(3)一个避障传感器模块，它包括一个碰撞传感检测器和三个红外测距传感器；(4)一个声音采集和发音模块，它包括一个由2～4个麦克风组成的麦克风阵列和一个扬声器，麦克风阵列负责检测声源的方向并对来自声源的人声进行增强；(5)一个感知和执行代理模块，它由一块嵌入式控制单元和无线传输单元构成，嵌入式控制单元的软硬件负责采集来自视频传感器模块、避障传感器模块、声音采集模块的数据并对其进行初步加工和编码，实时通过无线传输单元传送给智能计算模块；同时从智能计算模块通过无线连接接收控制指令，代理控制移动底座的运动、红外信号的发射以及各种动作和行为；(6)一个智能计算模块，该模块由一台家用电脑和无线通信单元构成硬件单元，以智能总控、行为规划、机器视觉通信控制等软件程序为计算单元，作为机器人的大脑来智能控制机器人；(7)一个拖拽模块，它由机器人本体上的电控开合式挂钩和用来盛放物品的小拖车组成；(8)一个充电模块，为机器人提供低压直流的电源输入，并能够被机器人自动感知；2.根据权利要求1所述的开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人，其特征在于由数字视频采集设备摄像头(5)、麦克风阵列(7)、碰撞检测传感器(3)、红外测距传感器(2)构成感知单元，分别完成数字视频采集、数字音频的多路实时采集和碰撞检测、落差检测的功能；摄像头采集的数字视频以JPEG的格式存储和传输，音频采集以PCM格式的数据流向后传送给数据处理/代理节点，碰撞检测传感器能够检测在正面发生的碰撞，红外测距传感器则在机器人的最边缘处，垂直向下检测与地面的距离，然后将这些数据统一传送到数据处理代理节点进行加工和转发；由摄像头转动控制器(4)、红外信号发射器(6)、电控开合挂钩(11)、移动底盘(16)和清洁装置(15)构成执行单元，其中摄像头转动控制器(4)能够控制摄像头和红外发射器的在垂直平面上的指向，具有一个自由度；红外信号发射器(6)能够发射遥控普通家用电器的红外命令信号；电控开合挂钩(11)能够根据来自智能计算模组的命令，在适当的时候锁挂住或释放小拖车；运动底座(16)根据智能计算模组的命令带动整个移动模组在平面上灵活运动，能够直线前进、后退，能够原地转向；清洁装置能够根据来自智能模组的命令，完成不同程度的地面清洁功能，针对不同的垃圾进行吸、扫、洗等操作；数据代理节点以一块低功耗的嵌入式控制板(9)为基础，结合嵌入式操作系统和数据处理和分发软件，实时地读取来自传感器单元的数据，并对其进行预处理和封装后通过无线模块(10)传输给智能计算模组中的对应处理软件单元；同时也不断接收来自智能计算软模组中的命令流，将其解码后，分发给执行单元中的各个设备，实现这个机器人的协调运转。3.根据权利要求2所述的开放智能计算构架的家用多功能小型服务机器人，其特征在于由能够运行在一般家用电脑上的智能运算软件包和无线传输模块构成智能计算软模组，软件包中的模块有视觉信息处理、听觉信息处理、家庭地图管理、智能任务处理、更新和下载服务支持；(1)视觉信息处理模块根据硬模组采集的视频流，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林剑峰，白昊昱，杨譞，朱文洁，张文强，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]