自主服务机器人的制作方法

自主服务机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种自主服务机器人，包括轮式机器人本体、机械手、嵌入式视觉模块、WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统和机器人控制板；机械手安装在轮式机器人本体上；嵌入式视觉模块安装在所述机械手的顶部，并与机器人控制板连接，嵌入式视觉模块是用于对外部环境图像信息进行处理；WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统包括WIFI模块和PC机，WIFI模块安装在所述轮式机器人本体内，PC机通过WIFI模块远程向服务机器人发送控制指令；机器人控制板安装在轮式机器人本体上，机器人控制板根据WIFI模块传递过来的控制指令控制轮式机器人本体、机械手和嵌入式视觉模块。本实用新型采用嵌入式视觉模块保证了机器人的服务多样性和稳定性。
【专利说明】自主服务机器人

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及机器人交互及控制【技术领域】，尤其涉及一种自主服务机器人。

【背景技术】
[0002] 服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有意于人类健康的服 务工作，但不包括从事生产的设备。
[0003] 目前，服务机器人都是基于半自动模式下来开展任务，这就必须通过人工来操作 和控制；这也就成为了服务机器人发展的短板。
[0004] 而且，现在自主服务机器人一直都是使用PC机来参与复杂的图像处理，再通过无 线来控制机器人的动作，这样，消耗了大量的传输时间和受到了距离的限制；并且高分辨率 的物体识别技术也是进一步困扰机器人智能化的发展。
[0005] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种自主服务机器人，其将所有的图像处理 过程全部在机器人的本体上完成，从而直接控制机械手和机器人本体来协调工作，实现自 主跟踪对象,锁定对象,分析对象形状，自主完成任务等功能。 实用新型内容
[0006] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种自主服 务机器人。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型提供了 一种自主服务机器人，包括轮式机器人本体 和机械手，其特征在于，所述服务机器人还包括嵌入式视觉模块、WIFI视觉传输及基于PC 机监控与控制系统和机器人控制板；
[0008] 所述机械手安装在所述轮式机器人本体上；
[0009] 所述嵌入式视觉模块安装在所述机械手的顶部，并与所述机器人控制板连接，所 述嵌入式视觉模块是用于对外部环境图像信息进行处理；
[0010] 所述WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统包括WIFI模块和PC机，所述WIFI 模块安装在所述轮式机器人本体内，所述PC机通过所述WIFI模块远程向所述服务机器人 发送控制指令；
[0011] 所述机器人控制板安装在所述轮式机器人本体上，所述机器人控制板根据所述 WIFI模块传递过来的所述控制指令控制所述轮式机器人本体、所述机械手和所述嵌入式视 觉模块。
[0012] 进一步地，所述轮式机器人本体包括四个驱动轮和面板，且所述驱动轮对称地安 装在所述面板的两侧；所述面板上设置有多个固定孔。
[0013] 进一步地，所述机械手采用五自由度铝合金机械手，包括5个微伺服舵机。
[0014] 进一步地，所述服务机器人还包括安装在所述轮式机器人本体上的摄像头和视觉 云台；所述嵌入式视觉模块所处理的所述外部环境图像信息是由所述摄像头所采集的。
[0015] 进一步地，所述嵌入式视觉模块采用嵌入Iinux系统的Propeller P8X32A八核32 位芯片。
[0016] 进一步地，所述机器人控制板包括电机驱动模块和舵机驱动模块。
[0017] 进一步地，所述WIFI模块是路由器。
[0018] 进一步地，所述路由器安装有由Iinux构建的OpenWrt软件。
[0019] 进一步地，所述PC机通过自身安装的WIFIREB0T客户端软件向所述服务机器人发 送控制指令。
[0020] 进一步地，所述机器人控制板采用基于arduino2560的嵌入式控制系统。
[0021] 本实用新型公开了一种小型自主服务机器人解决方案，通过集成嵌入式视觉系统 和移动机械手臂通过无线网络传输利用计算机强大的运算能力协调工作来实现服务的多 样性和智能性，主要涉及领域为服务型机器人，整个系统由嵌入式视觉系统锁定目标，通过 四驱移动平台来跟踪，再通过机械手臂来执行，最后通过WIFI无线设备及时抓取图片和完 成任务的反馈等信息。
[0022] 高分辨率的物体识别技术一直困扰服务机器人进一步智能化的发展难题，以往一 直是使用PC机的参与复杂的图像处理，再通过无线来控制机器人的动作，这样一来消耗了 大量的传输时间和受到了距离的限制，本机器人使用32位8核主芯片作为嵌入式控制器嵌 入Iinux操作系统，所有的图像处理可以在机器人本体上直接识别出来，从而直接控制机 械手和机器人本体来协调工作。
[0023] 本实用新型的一种带视觉系统的机器人，采用基于嵌入式视觉模块的边沿特征跟 踪与匹配特征的圆形模型化与中心坐标提取算法来达到动态抓取的准确性和连贯性，并且 能够得到目标坐标控制机械手执行CA时间的最优机械臂轨迹规划算法快速响应动作，再 通过wifi传输到PC机对任务完成进行监控和规划，保证了机器人的服务多样性和稳定性。
[0024] 以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说 明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 图1是本实用新型的自主服务机器人的结构示意图；
[0026] 图2是本实用新型的自主服务机器人的一个较佳实施例的结构示意图；
[0027] 图3本实用新型的自主服务机器人的四轮驱动机器人本体的结构示意图；
[0028] 图4是本实用新型的自主服务机器人的五自由度机械手的结构示意图；
[0029] 图5是本实用新型的自主服务机器人的WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制软 件系统的实现框图；
[0030] 图6是本实用新型的自主服务机器人的软件系统体系结构图。

【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术 方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范 围不限于下述的实施例。
[0032] 本实用新型的自主服务机器人如图1和2所示，包括：轮式机器人本体、五自由度 机械手、嵌入式视觉模块、机器人控制板和WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统。嵌 入式视觉模块用于对外部环境的图像信息进行处理;WIFI视觉传输及基于PC机监控与控 制系统是整个服务机器人的控制系统，还包括WIFI模块，其安装在轮式机器人本体内部， PC机通过WIFI模块远程控制服务机器人的行动。机器人控制板安装在轮式机器人本体上， 其根据WIFI模块传递过来的控制指令控制轮式机器人本体、机械手和嵌入式视觉模块。 [0033] 轮式机器人本体：
[0034] 服务机器人的机器本体常见的有轮式机器人本体和人形机器人本体两种。但是人 形机器人本体由于其结构复杂，而且面对复杂的环境，人形机器人本体容易受到干扰，并且 处理机器人的平衡性也需要占用大量的处理器花费大量的算法进行运算，所以并不可取， 取而代之的是轮式机器人本体。轮式机器人本体包括四个驱动轮和面板，驱动轮对称地安 装在面板的两侧；面板上设置有多个固定孔，以满足以后升级的扩展，且面板的表面进行了 氧化磨砂处理，以起到抗氧化生锈的目的。在本实用新型的一个较佳实施例中，为了增大机 器人的运载能力和爬坡能力采用四轮驱动机器人本体，具体如图3所示，包括四个车轮和 一个面板；四个车轮对称地固定在面板的两侧。
[0035] 四轮驱动机器人本体的主要技术参数为：
[0036] L 车轮直径：120mm ;
[0037] 2.车轮宽度：60mm ;
[0038] 3.平台长度：195mm(车身长度：270mm);
[0039] 4.平台宽度：142mm(车身宽度：280mm);
[0040] 5.平台高度：120mm ;
[0041] 6.平台重量：1280g ;
[0042] 7.底盘距地面距离：26臟；
[0043] 8.电机额定电压：12VDC ;
[0044] 9.电机空载转速：100转/分；
[0045] 10.电机额定转速：90转/分；
[0046] 11.电机齿轮箱长度：19mm ;
[0047] 12.电机额定电流：0· 52A ;
[0048] 13.电机额定转矩：0· 263N. m ;
[0049] 14.电机最大转矩：0· 597N. m。
[0050] 五自由度机械手：
[0051] 机械手安装在轮式机器人本体的面板的固定孔上。机械手是目前在机械人技术 领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以 及太空探索等领域都能见到它的身影。本实用新型采用五自由度铝合金机械手，具体如图 4所示，包括5个精确的微伺服舵机，分别对应于臂、肩、肘、前腕和夹持器五个旋转关节，每 个关节可在规定的范围内活动，其可安装到移动平台用于工作人员可视作业，实时修改控 制指令，随时精确地完成每一项任务。机械手的总体架构使用铝合金钣金材料磨砂氧化处 理机械件加角度舵机构成，角度舵机的控制方式为高脉冲控制信号控制。在本实用新型的 较佳实施例中采用的是32路舵机控制器。
[0052] 32路舵机控制器的主要技术参数为：
[0053] 1、输出通道：32路（脉冲调制输出或TTL电平输出）；
[0054] 2、逻辑供电：6_12VDC或USB供电（具有自恢复保险丝，方便调试时使用）；
[0055] 3、驱动分辨率：0.09° ;
[0056] 4、驱动速度分辨率：0· 09° /秒；
[0057] 5、通讯接口：USB/TTL 串口接口；
[0058] 6、串口波特率：2400、9600、38· 4Κ、115· 2K ;
[0059] 7、控制方式：即时、定时、定速控制等；
[0060] 8、提供4个模拟/数字信号输入端子，可设为静止或者锁存；
[0061] 9、舵机控制模式：单舵机控制、群舵机控制；
[0062] 10、提供ISP程序下载接口，可供二次开发；
[0063] 11、尺寸：58· 5X76. 2mm。
[0064] 嵌入式视觉模块：
[0065] 在本实用新型中，采用parallax公司的Propeller P8X32A八核32位芯片嵌入 Iinux系统，在Iinux系统上运行OPENCV图像处理库驱动0V7665摄像头来实现；把常用 的算法全部以函数的方式写好，外部可以通过串口总线来调用指令来调用模块中的功能模 块，这样做可以把视觉处理等复杂功能可以内置在一个集成模块中。
[0066] 其主要技术参数为：
[0067] VGA 分辨率：（640 X 480) RGB565/YUV655color sensor ;
[0068] 图像处理速率：10帧；
[0069] 原始图像可存储到Flash卡上，存储尺寸为（640:320:160:80) X (480:240:120:6 〇)；
[0070] 支持均值，中值，标准方差，阈值设定；
[0071] 支持 FAT16/32 格式的 USD/USDHC/USDXC flash 卡；
[0072] 两路舵机控制；
[0073] TTL UART 输出（最高达到 115200baud、19200bps 为默认值）。
[0074] 嵌入式视觉模块为一个独立的模块，安装在机械手的顶部，其通过连接线与机器 人控制板连接，同时，通过USB接口连接到无线路由器上。机器人控制板通过调用相对应的 指令来控制本模块，进一步提高了系统的稳定性和处理速度。
[0075] WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统：
[0076] 本实用新型的WiFi视觉传输是以WiFi无线网络为数据传输载体，实现实时控制、 音视频传输和图像采集等功能的智能系统。
[0077] WiFi是一种无线局域网运用技术，其出现以来，凭借组网方便、易于扩展等特点， 有着广泛的应用前景。而无线接入和高速传输是WiFi的主要技术优点，WiFi技术与机器 人技术的结合便产生了 WiFi Robot。WiFi Robot是集远程无线通讯、音视频传输、数据采 集、多向机械云台、灯光控制、环境检测、超声波测距、红外壁障、超声波领航、动力四驱、摄 像头云台等功能为一体的多功能智能遥感机器人，以WiFi网络作为数据传输平台，以高速 MCU为数据处理中心，可通过电脑、智能手机、平板电脑等设备进行远程控制，并可拓展更多 功能。
[0078] 本实用新型的WIFI视觉传输的基本原理为：
[0079] 操作员在操作终端通过WiFi无线网络连接到轮式机器人本体内置的WiFi模块 上，并向其发出相关操作指令，WiFi模块接收指令并传递给机器人控制板，机器人控制板通 过控制电路让机器人执行相应的指令；同时，安装在机器人上的各种传感器和摄像头可以 通过WiFi网络将数据反向传递给操作终端，从而实现上下行控制及双向通信，以便操作员 实时了解机器人周围的环境，并根据环境情况发出指令控制机器人执行特定的任务，实现 交互式操作，图5为系统整体实现框图。
[0080] 电路硬件设计：
[0081] 电路硬件包括车体部分、路由器、摄像头及云台和机器人控制板。
[0082] (1)车体部分：车体部分包括4个12V/120转直流电机和电池组，电机两两并联， 相当于驱动两个电机。并且为了方便电池充放电，设置了充放电电路，只需拨动开关即可实 现充放电操作。电池组电源12V，可多个并联使用，为机器人提高持久动力。
[0083] (2)摄像头及视觉云台：摄像头选择高质量高清摄像头进行监控，摄像头满足 0°?180°水平，0°?180°上下旋转，可以远程打开或关闭。摄像头型号为索尼PS2,通 讯接口为USB协议；云台由2个MG995数字舵机及其他辅助材料构成。
[0084] (3)路由器（WiFi模块）：WiFi模块采用TP - LINK全新推出的150Mbit. s-1迷你 型3G无线路由器。该路由器具有尺寸小，供电电压低的特点；其供电电压只有5V，且支持 OpenWrt。OpenWrt是一个基于Linux的开源路由固件，提供了一个完全可写的文件系统及 软件包管理，对支持OpenWrt的路由器刷机后，其相当于一个Linux小系统。路由器选择 OpenWrt作为操作系统，将USB摄像头采集的现场图片发给远端的PC控制终端，并将上位机 发出的命令通过串口转发给单片机控制系统。
[0085] (4)机器人控制板：主要包括电源模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、下载串口、 单片机电路、红外壁障、车灯控制以及数据通信接口等。
[0086] 电机驱动模块包括一个驱动芯片和一个单片机。其中驱动芯片是采用英飞凌公司 的BTS7960直流电刷电机驱动芯片，其具有大电流MOSFET半桥结构。该芯片具有较高的集 成度和足够的输出能力，并在能耗方面具有优势。在集成化和小型化的电机控制系统中，适 合作为理想的电机驱动芯片。BTS7960与单片机组成的H电机驱动单元。由于所采用驱动 芯片是半桥，因此需要采用两片以构成全桥实现电机的正反转。单片机是用于控制驱动芯 片：单片机产生2路PWM输出作为两片BTS7960的控制信号，同时要求PWM0、PWM1不能同时 为高电平。采用定时器输出硬件PWM脉冲，使得单片机CPU只在改变PWM占空比时参与运 算，这样可大幅减轻系统运算负担和PWM软件编程成本。
[0087] 舵机驱动模块采用LM2596开关型稳压芯片。线性稳压器具有输出电压恒定或可 调、稳压精度高的优点，但是由于其线性调整工作方式在工作中会造成较大的"热损失"，导 致其电源利用率不高、工作效率低下，不易达到便携式设备对低功耗的要求。因此为保证较 高的电源利用率，舵机驱动模块采用LM2596开关型稳压芯片实现，它可以提供3A以上电 流，驱动强劲。由于舵机型号为MG995,其工作电压为5. OV?7. 0V.因此舵机驱动芯片选择 了可调 LM2596-ADJ 芯片，其输出电压 Vout = Vref (I. 0+R2/R1)，其中，Vref = I. 23V 为芯 片内部参考电压。
[0088] 软件设计
[0089] 软件部分是机器人智能化的体现，它控制WiFiRobot所有的运行状态。整个软件 系统体系结构如图6所示，包括：路由器、上位机软件和下位机软件。路由器操作系统采用 OpenWrt，此部分在路由器刷机部分完成，主要完成视频采集、数据传输、转发等功能。上位 机软件控制灯光控制、拍照、实时控制机器人运动等行为。下位机软件通过接收来自上位机 的命令，从而执行相应操作。而连接上位机和下位机之间的纽带就是通信协议，软件部分包 括通信协议，客户端控制软件和下位机软件。在此主要介绍通信协议和上位机的开发。
[0090] 通信协议上位机采用数据包格式传送指令，也可以采用单字符的形式发送，由于 单字符通信方式干扰较大，因此采用数据包格式传送指令，包头用0XFF，包尾用0XFF，无校 验位。上位机利用无线网卡通过Socket发送数据包到路由器，路由器通过解包机制把数据 包解开，通过串口发送到单片机并通过控制模块执行相关操作。其协议规定如表1所示。
[0091] 表1通信协议规定
[0092]

【权利要求】
1. 一种自主服务机器人，包括轮式机器人本体和机械手，其特征在于，所述服务机器人 还包括嵌入式视觉模块、WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统和机器人控制板； 所述机械手安装在所述轮式机器人本体上； 所述嵌入式视觉模块安装在所述机械手的顶部，并与所述机器人控制板连接，所述嵌 入式视觉模块是用于对外部环境图像信息进行处理； 所述WIFI视觉传输及基于PC机监控与控制系统包括WIFI模块和PC机，所述WIFI模 块安装在所述轮式机器人本体内，所述PC机通过所述WIFI模块远程向所述服务机器人发 送控制指令； 所述机器人控制板安装在所述轮式机器人本体上，所述机器人控制板根据所述WIFI 模块传递过来的所述控制指令控制所述轮式机器人本体、所述机械手和所述嵌入式视觉模 块。
2. 如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述轮式机器人本体包括四个驱动轮 和面板，且所述驱动轮对称地安装在所述面板的两侧；所述面板上设置有多个固定孔。
3. 如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述机械手采用五自由度铝合金机械 手，包括5个微伺服舵机。
4. 如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述服务机器人还包括安装在所述轮 式机器人本体上的摄像头和视觉云台；所述嵌入式视觉模块所处理的所述外部环境图像信 息是由所述摄像头所采集的。
5. 如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述嵌入式视觉模块采用嵌入linux系 统的Propeller P8X32A八核32位芯片。
6. 如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述机器人控制板包括电机驱动模块 和舵机驱动模块。
7. 如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述WIFI模块是路由器。
8. 如权利要求7所述的自主服务机器人，其中，所述路由器安装有由linux构建的 OpenWrt 软件。
9. 如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述PC机通过自身安装的WIFIREBOT 客户端软件向所述服务机器人发送控制指令。
10. 如权利要求1所述的自主服务机器人，其中，所述机器人控制板采用基于 arduino2560的嵌入式控制系统。
【文档编号】B25J5/00GK204209679SQ201420453259
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】谭立新, 张卫兵, 邓知辉, 罗坚, 李刚成, 肖成 申请人:湖南信息职业技术学院