一种牵引导航自主移动机器人的制作方法

本发明属于自动控制机器人领域，具体涉及一种牵引导航自主移动机器人。

背景技术：

进入二十一世纪，各个国家老龄化越来越严重，占人口比重越来越高，多数老人存在双腿无力、行走不便问题，同时老龄化使得年轻子女的生活压力增大。其次，世界卫生组织估计全世界有盲人4000万到4500万，低视力是盲人的3倍，约1.4亿人。对于以上两种人群而言，生活当中有许多不便之处。比如他们单独在家时，一些简单的取放物品的过程，甚至是行走都会变成很困难的问题。因此，室内牵引导航移动式自主机器人能最大程度的帮助他们。

随着机器人的不断发展，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人深入生产、生活和社会的各个部分。各种传感器在机器人上的应用不仅能够提高机器人工作的准确性，还能够增加其功能多样性。机器人能够识别语音指令，自主完成工作，而且能够与人共同协作完成任务。机械臂在机器人上的应用也愈发成熟。但是目前用于室内牵引导航的移动式机器人还具有功能简单、精度不高、机械手臂调节不便、夹取范围窄、空间利用率低等一系列问题。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种功能多样，操作简单，适合家用，通过摄像头以及传感器实现导航与避障功能，通过改变机械臂形态实现抓取以及牵引功能，通过行走模块实现全方位移动，通过储物机构可存放或搬运物品的室内牵引导航移动式自主机器人。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种牵引导航自主移动机器人，包括机器视觉模块、机器人主体、信息处理与控制模块、机械臂、行走模块、储物机构和语音模块；所述机器人主体包括从上至下依次连接的机器人头部、机器人身体和机器人底座，两只机械臂分别安装于机器人身体两侧，储物机构与信息处理与控制模块安装于机器人身体内部；机器视觉模块和语音模块安装于机器人头部；行走模块安装于机器人底座底部；

所述机器人身体顶部固定有机器人头部基座，机器人头部旋转电机一端与机器人头部基座固定，另一端通过联轴器与机器人头部连接；

所述机器视觉模块包括双目摄像机、光线传感器和照明设备；双目摄像机角度调整电机一端与机器人头部内部固定，另一端通过联轴器与双目摄像机连接；双目摄像机用于拍摄局部三维环境照片，实现机器人行走过程的导航定位与实物抓取过程的物体识别、定位功能；光线传感器安装在双目摄像机周围，用于检测周围环境光线亮度，能够识别障碍物信息，以及判定障碍物的物理状态，进而控制照明设备的工作；所述照明设备安装于双目摄像机周围，当周围环境光线低至影响双目摄像机成像时开始工作；所述机器视觉模块可接收信息处理与控制模块输入的目的地信息，进而通过双目摄像机拍摄局部三维环境照片，获取当前的位置并自动规划路线，导航过程中能够自动规避障碍物并重新制定路线；此外，机器视觉模块可接收信息处理与控制模块的实物抓取信息，进而拍摄局部三维环境图像，识别被抓取物品，控制机械臂抓取物品；

所述语音模块包括扬声器和麦克风；所述扬声器和麦克风安装在机器人头部内部；麦克风用于接收目的地信号、储物盒伸出与复位信号、实物抓取信号等；机器人在接收到信息处理与控制模块的信号后，通过扬声器发出相应语音提醒；

所述行走模块包括由超声波传感器和加速度传感器构成的传感器单元，以及由电机固定底板、麦克纳姆轮驱动电机和麦克纳姆轮构成的行走机构；四个麦克纳姆轮与其对应的麦克纳姆轮驱动电机通过各自联轴器连接，麦克纳姆轮驱动电机固定在电机固定底板上，电机固定底板固定在机器人底座上；超声波传感器和加速度传感器均安装在机器人底座内部，配合光线传感器，可以准确实时对周围环境进行感知；

所述储物机构包括储物盒、辅助滑轨、直线电机和固定基座；所述储物机构安装在机器人身体内部，辅助滑轨水平固定于机器人身体内部，储物盒置于辅助滑轨上，能够沿辅助滑轨前后滑动；固定基座固定在机器人身体内部凹槽中，直线电机的输出轴一端固定在固定基座上，另外一端固定在机器人身体上，直线电机主体部分与储物盒固定；直线电机在接收信息处理与控制模块发送的存储或者取用物品的信号时工作，能够使储物盒在水平方向伸出或者复位；

所述机械臂包括机械臂基座、肩臂旋转伺服电机、旋转肩臂、大臂扩张伺服电机、大臂1段、大臂直线电机、大臂2段、小臂旋转伺服电机、小臂1段、小臂2段旋转伺服电机、小臂2段、牵引扶手、机械爪旋转伺服电机和机械爪；

所述机械臂通过机械臂基座与机器人身体连接，肩臂旋转伺服电机一端与机械臂基座固定，另一端通过联轴器与旋转肩臂连接，旋转肩臂尾端安装有大臂扩张伺服电机，大臂扩张伺服电机通过联轴器与大臂1段连接，大臂1段内部镂空，大臂1段通过大臂直线电机与大臂2段连接，大臂2段尾端安装有小臂旋转伺服电机，小臂旋转伺服电机通过联轴器与小臂1段连接，小臂1段尾端有一电机槽，小臂2段旋转伺服电机固定于电机槽内，另一端通过联轴器与小臂2段连接，牵引扶手固定在小臂2段，小臂2段内部有一长凹槽，机械爪与机械爪旋转伺服电机通过联轴器连接安装于长凹槽末端，通过尺寸上的配合，机械爪可旋转隐藏于长凹槽内；

所述信息处理与控制模块置于储物盒上方，用来处理双目摄像机采集的三维环境图像，并结合传感器单元感知的实时信息，进行规划路径或者完成障碍规避；所述信息处理与控制模块可接收语音模块指令，控制机器视觉模块、行走模块、机械臂、储物机构和语音模块。

进一步地，所述机器人头部旋转电机采用可水平方向360°旋转的伺服电机，实现机器人头部在水平方向的360°旋转，并通过机器视觉模块采集360°全方位图像。

进一步地，四个麦克纳姆轮配有独立的麦克纳姆轮驱动电机，可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，能够更加方便的实现避障，提高了机器人的通过性。

进一步地，所述机械爪为二爪式机械手爪，安装于小臂末端，用于夹持物品。

进一步地，所述大臂直线电机包括直线圆导轨固定法兰、步进电机、直线圆导轨、辅助支撑杆固定法兰和辅助支撑杆；所述直线圆导轨通过直线圆导轨固定法兰与大臂1段固定，步进电机穿过直线圆导轨，初始状态下置于靠近直线圆导轨固定法兰处，两个辅助支撑杆一端和步进电机固定，另一端通过各自的辅助支撑杆固定法兰与大臂2段连接。

一种牵引导航自主移动机器人的导航牵引方法，该方法包括以下步骤：

当语音模块接收到目的地信号后，将其传送到信息处理与控制模块，控制机器视觉模块、行走模块工作，通过双目摄像机拍摄局部三维环境照片，获取当前的位置并自动规划路线，导航过程中通过光线传感器、超声波传感器、加速度传感器和双目摄像机实时感知周围环境，可自动规避障碍物并重新制定路线；

机器人到达目的地后：语音模块接受夹取物品信息，并将信号传送至信息处理与控制模块，控制双目摄像机拍摄局部三维环境照片，通过信息处理与控制模块识别被抓取目标，将其坐标信息发送到信息处理与控制模块，控制机械臂各旋转电机工作，也可控制大臂直线电机工作，使得大臂伸长，增大夹取物品的范围，机械臂就位后，控制机械爪抓取目标物品；

信息处理与控制模块根据物品的外观尺寸的判断，控制储物机构的伸出与否，如果尺寸合适，可控制储物机构底部的直线电机工作，使储物盒与辅助滑轨轻松伸出与复位，将物品暂时存放在储物盒内，也可通过语音模块输入相关指令，进而控制储物盒的伸出与复位，便于存放或者搬运物品；

语音模块接受牵引信息后，将信号传送至信息处理与控制模块，控制机械臂各旋转电机工作，将两只机械臂对接组合，小臂需要保证处于水平位置，牵引扶手需要保证朝向被牵引者方向，如果被牵引者认为扶手高度太矮，可通过语音模块传达提高牵引扶手指令，此时信息处理与控制模块控制机械臂的大臂直线电机工作，伸长大臂，提高牵引扶手的高度，并再次使两只机械臂对接处于牵引形态；被牵引者握住牵引扶手后，可通过语音模块输入目的地信号，实现导航，完成牵引。

本发明的有益效果：

1、本发明机器人由于采用了可变式机械手臂，大臂内部安装有直线电机，可使大臂伸长缩短，实现更广的夹取范围，同时也能使牵引扶手可调整高度，让不同身高的人群使用起来更加舒适。机械手臂在一般状态下能够有效夹取实物，通过左、右机械臂对接可成为牵引扶手，在室内可牵引家中老人或者盲人，集夹取、牵引功能于一体，不仅降低了空间利用率，而且使得机器人的结构更加紧凑，功能更加全面；

2、储物盒可在接收信息后伸出、复位，能够帮助存放或搬运物品，有效利用了机器人的内部空间，给使用者提供便利；行走机构采用四个麦克纳姆轮，并且配有独立驱动电机，可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，能够更加方便的实现避障，适合家用；

3.利用两个ccd摄像头组成双目摄像头，配合光线传感器、超声波传感器和加速度传感器，可以准确实时对周围环境进行感知，进而引导机器人轨迹规划与自主导航。

附图说明

图1是机器人系统模块框图；

图2是机器人的主视图；

图3是一般形态下机器人的整体结构简易图；

图4是牵引形态下机器人的整体结构简易图；

图5是机器人的内部结构主视图；

图6是机器人的内部结构测视图；

图7是机械臂的主视图；

图8是大臂直线电机的主视图；

图中：1、机器视觉模块，2、机器人主体，3、信息处理与控制模块，4、机械臂，5、行走模块，6、储物机构，7、语音模块，1.1、双目摄像机，1.2、光线传感器，1.3、照明设备，1.4、双目摄像机角度调整电机，2.1、机器人头部，2.2.1、机器人头部旋转电机，2.2、机器人身体，2.3、机器人底座，4.1、机械臂基座，4.2、肩臂旋转伺服电机，4.3、旋转肩臂，4.4、大臂扩张伺服电机，4.5、大臂1段，4.6、大臂直线电机，4.6.1、直线圆导轨固定法兰，4.6.2、步进电机，4.6.3、直线圆导轨，4.6.4、辅助支撑杆固定法兰，4.6.5、辅助支撑杆，4.7、大臂2段，4.8、小臂旋转伺服电机，4.9、小臂1段，4.10、小臂2段旋转伺服电机，4.11、小臂2段，4.12、牵引扶手，4.13、机械爪旋转伺服电机，4.14、机械爪，5.1、超声波传感器，5.2、加速度传感器，5.3、电机固定底板，5.4、麦克纳姆轮驱动电机，5.5、麦克纳姆轮，6.1、储物盒，6.2、辅助滑轨，6.3、直线电机，6.4、固定基座，7.1、扬声器和麦克风。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明提供的一种牵引导航自主移动机器人，包括机器视觉模块1、机器人主体2、信息处理与控制模块3、机械臂4、行走模块5、储物机构6和语音模块7；所述机器人主体2包括从上至下依次连接的机器人头部2.1、机器人身体2.2和机器人底座2.3，两只机械臂4分别安装于机器人身体2.2两侧，储物机构6与信息处理与控制模块3安装于机器人身体2.2内部；机器视觉模块1和语音模块7安装于机器人头部2.1；行走模块5安装于机器人底座2.3底部。

如图5、图6所示，所述机器人身体2.2顶部固定有机器人头部基座，机器人头部旋转电机2.1.1一端与机器人头部基座固定，另一端通过联轴器与机器人头部2.1连接，机器人头部旋转电机2.1.1采用可水平方向360°旋转的伺服电机，实现机器人头部2.1在水平方向的360°旋转，并通过机器视觉模块1采集360°全方位图像。

所述机器视觉模块1包括双目摄像机1.1、光线传感器1.2和照明设备1.3；双目摄像机角度调整电机1.4一端与机器人头部2.1内部固定，另一端通过联轴器与双目摄像机1.1连接；双目摄像机1.1用于拍摄局部三维环境照片，实现机器人行走过程的导航定位与实物抓取过程的物体识别、定位功能，必要时可通过双目摄像机角度调整电机1.4调整双目摄像机1.1角度，增大拍摄范围；光线传感器1.2安装在双目摄像机1.1周围，用于检测周围环境光线亮度，能够更加精确识别障碍物信息，以及判定障碍物的物理状态，进而控制照明设备1.3的工作；所述照明设备1.3安装于双目摄像机1.1周围，当周围环境光线低至影响双目摄像机1.1成像时开始工作。所述机器视觉模块1可接收信息处理与控制模块3输入的目的地信息，进而通过双目摄像机1.1拍摄局部三维环境照片，获取当前的位置并自动规划路线，导航过程中可自动规避障碍物并重新制定路线；此外，机器视觉模块1可接收信息处理与控制模块3的实物抓取信息，进而拍摄局部三维环境图像，识别被抓取物品，控制机械臂4抓取物品。

所述语音模块7包括扬声器和麦克风7.1；所述扬声器和麦克风7.1安装在机器人头部2.1内部；麦克风用于接收目的地信号、储物盒伸出与复位信号、实物抓取信号等；机器人在接收到信息处理与控制模块3的信号后，通过扬声器发出相应语音提醒。

所述行走模块5包括由超声波传感器5.1和加速度传感器5.2构成的传感器单元，以及由电机固定底板5.3、麦克纳姆轮驱动电机5.4和麦克纳姆轮5.5构成的行走机构；四个麦克纳姆轮5.5与其对应的麦克纳姆轮驱动电机5.4通过各自联轴器连接，麦克纳姆轮驱动电机5.4固定在电机固定底板5.3上，电机固定底板5.3固定在机器人底座2.3上，四个麦克纳姆轮5.5配有独立的麦克纳姆轮驱动电机5.4，可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，能够更加方便的实现避障，提高了机器人的通过性；超声波传感器5.1和加速度传感器5.2均安装在机器人底座2.3内部，配合光线传感器1.2，可以准确实时对周围环境进行感知，提高避让性。

所述储物机构6包括储物盒6.1、辅助滑轨6.2、直线电机6.3和固定基座6.4；所述储物机构6安装在机器人身体2.2内部，辅助滑轨6.2水平固定于机器人身体2.2内部，储物盒6.1置于辅助滑轨6.2上，能够沿辅助滑轨6.2前后滑动；固定基座6.4固定在机器人身体2.2内部凹槽中，直线电机6.3的输出轴一端固定在固定基座6.4上，另外一端固定在机器人身体2.2上，直线电机6.3主体部分与储物盒6.1固定；直线电机6.3在接收信息处理与控制模块3发送的存储或者取用物品的信号时工作，能够使储物盒6.1在水平方向伸出或者复位。

如图7所示，所述机械臂4包括机械臂基座4.1、肩臂旋转伺服电机4.2、旋转肩臂4.3、大臂扩张伺服电机4.4、大臂1段4.5、大臂直线电机4.6、大臂2段4.7、小臂旋转伺服电机4.8、小臂1段4.9、小臂2段旋转伺服电机4.10、小臂2段4.11、牵引扶手4.12、机械爪旋转伺服电机4.13和机械爪4.14。

所述机械臂4通过机械臂基座4.1与机器人身体2.2连接，肩臂旋转伺服电机4.2一端与机械臂基座4.1固定，另一端通过联轴器与旋转肩臂4.3连接，旋转肩臂4.3尾端安装有大臂扩张伺服电机4.4，大臂扩张伺服电机4.4通过联轴器与大臂1段4.5连接，大臂1段4.4内部镂空，大臂1段4.4通过大臂直线电机4.6与大臂2段4.7连接，大臂2段4.7尾端安装有小臂旋转伺服电机4.8，小臂旋转伺服电机4.8通过联轴器与小臂1段4.9连接，小臂1段4.9尾端有一电机槽，小臂2段旋转伺服电机4.10固定于电机槽内，另一端通过联轴器与小臂2段4.11连接，牵引扶手4.12固定在小臂2段4.11，小臂2段4.11内部有一长凹槽，机械爪4.14与机械爪旋转伺服电机4.13通过联轴器连接安装于长凹槽末端，通过尺寸上的配合，机械爪4.14可旋转隐藏于长凹槽内；更具体地，所述机械爪4.14为二爪式机械手爪，安装于小臂末端，用于夹持物品。各个关节由伺服电机构成，能够实现多个自由度的自由旋转运动；机械臂大臂有两段，通过直线电机将两段大臂连接，能够使大臂伸长或者缩短，增加机械臂的夹取物品范围，同时也能使牵引扶手可调整高度，让不同身高的人群使用起来更加舒适；小臂有一可隐藏机械爪的槽，机械爪可旋转隐藏于小臂中，进而便于左、右机械手臂实现对接，成为牵引扶手，家中老人或者盲人可握住安装在小臂上的扶手，由机器人牵引他们行走，实现牵引功能。

更具体地，如图8所示，所述大臂直线电机4.6包括直线圆导轨固定法兰4.6.1、步进电机4.6.2、直线圆导轨4.6.3、辅助支撑杆固定法兰4.6.4和辅助支撑杆4.6.5；所述直线圆导轨4.6.3通过直线圆导轨固定法兰4.6.1与大臂1段4.5固定，步进电机4.6.2穿过直线圆导轨4.6.3，初始状态下置于靠近直线圆导轨固定法兰4.6.1处，两个辅助支撑杆4.6.5一端和步进电机4.6.2固定，另一端通过各自的辅助支撑杆固定法兰4.6.4与大臂2段4.7连接。

所述信息处理与控制模块3置于储物盒6.1上方，用来处理双目摄像机1.1采集的三维环境图像，并结合传感器单元感知的实时信息，进行规划路径或者完成障碍规避；所述信息处理与控制模块3可接收语音模块7指令，控制机器视觉模块1、行走模块5、机械臂4、储物机构6和语音模块7。

本发明牵引导航自主移动机器人的工作过程如下：

机器人头部2.1由于安装了机器人头部旋转电机2.1.1，可实现机器人头目2.1的360°水平旋转，增大了机器人的视觉范围，减少了机器人的整体移动问题。

当语音模块7接收到目的地信号后，将其传送到信息处理与控制模块3，控制机器视觉模块1、行走模块5工作，通过双目摄像机1.1拍摄局部三维环境照片，获取当前的位置并自动规划路线，导航过程中通过光线传感器1.2、超声波传感器5.1、加速度传感器5.2和双目摄像机1.1实时感知周围环境，可自动规避障碍物并重新制定路线；

机器人到达目的地后：语音模块7接受夹取物品信息，并将信号传送至信息处理与控制模块3，控制双目摄像机1.1拍摄局部三维环境照片，通过信息处理与控制模块3识别被抓取目标，将其坐标信息发送到信息处理与控制模块3，控制机械臂4各旋转电机工作，必要时，控制大臂直线电机4.6工作，使得大臂伸长，增大夹取物品的范围，机械臂4就位后，控制机械爪4.14抓取目标物品；

信息处理与控制模块3根据物品的外观尺寸的判断，控制储物机构6的伸出与否，如果尺寸合适，可控制储物机构6底部的直线电机6.3工作，使储物盒6.1与辅助滑轨6.2轻松伸出与复位，将物品暂时存放在储物盒6.1内，必要时也可以通过语音模块7输入相关指令，进而控制储物盒6.1的伸出与复位，便于存放或者搬运物品，节省力气也有效的利用了机器人的内部空间；

语音模块7接受牵引信息后，将信号传送至信息处理与控制模块3，控制机械臂4各旋转电机工作，将两只机械臂4对接组合，如图4所示，小臂需要保证处于水平位置，牵引扶手4.12需要保证朝向被牵引者方向，如果被牵引者认为扶手高度太矮，可通过语音模块7传达提高牵引扶手指令，此时信息处理与控制模块3控制机械臂4的大臂直线电机4.6工作，伸长大臂，提高牵引扶手4.12的高度，并再次使两只机械臂4对接处于牵引形态；被牵引者握住牵引扶手4.12后，可通过语音模块7输入目的地信号，实现导航，完成牵引。

上述具体实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。