本发明涉及婴儿用品领域，特别涉及一种婴儿自动喂奶系统及方法。
背景技术：
现在职场妈妈们都有这样的经历，白天辛苦上班，晚上还要起来给宝宝喂奶，即使在产假期间，每晚醒来无数次喂奶，也是极其辛苦的事；而且当晚上宝宝醒来，又哭又闹要喝奶时，妈妈们需要一边忙着冲奶粉，一边哄宝宝，非常辛苦麻烦，尤其是寒冷的冬天，父母们需要半夜起来冲泡奶粉，而且既要保证奶的热度，又要保证不能太烫，往往因冲奶粉的时间太长，而使宝宝大哭不止。
为了解决上述问题，现在有一些半自动化的奶粉冲泡装置，通过检测婴儿的哭声判定婴儿需要喝奶，然后奶粉冲泡装置自动冲泡奶粉，而这也仅仅是替代了人工手动冲泡奶粉的步骤，父母们还是需要半夜起来给宝宝喂奶，由于婴儿饿得快，通常一晚需要醒来好几回，这种半自动化的产品并不能完全解决职场父母们的问题。
针对上述存在的问题，本发明提供了一种婴儿自动喂奶系统及方法，完全无需爸妈起床，即可完成婴儿喂奶。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明提出了一种婴儿自动喂奶系统及方法，通过检测婴儿是否醒来，然后自动冲泡奶粉，自动完成喂奶整个过程，无需人为参与。
本发明提供了一种婴儿自动喂奶系统，包括用于供婴儿睡觉的睡眠装置，该系统还包括：
哭声识别装置，用于实时采集环境语音信息，并将采集的语音信息与预先存储的婴儿哭声进行比对，并根据比对结果判断是否是婴儿在哭；
控制装置，用于根据哭声识别装置判断结果，控制其他装置进行相应的操作；
自动冲泡装置，用于根据控制装置的指令，在牛奶瓶中完成牛奶自动冲泡；
面部识别装置，用于在自动冲泡装置冲泡牛奶完毕后，对睡眠装置上已知坐标的局部区域进行面部识别，并根据面部识别结果获取婴儿嘴的坐标位置；
喂奶装置，用于将自动冲泡装置冲泡的牛奶瓶嘴通过三维移动系统中的xy两维移动到所述婴儿嘴对应的坐标位置，并通过接近传感器传感所述牛奶嘴靠近所述婴儿嘴的距离，并实时反馈所述距离给控制装置，通过控制装置控制所述三维移动系统中的另一维移动，使得所述牛奶嘴在z方向上靠近婴儿，直到所述牛奶嘴送入所述婴儿嘴。
优选地，所述哭声识别装置包括依次连接的语音信息采集模块和语音信息处理模块，所述语音信息采集模块实时采集周围环境中的语音信息；所述语音信息处理模块，将获取的语音信息进行语音处理后，与预先存储的婴儿哭声进行比对，若比对结果差异在阈值范围内，则判定婴儿在哭，需要喂奶；若比对结果差异在阈值范围之外，则判定婴儿没哭，无需喂奶，并将判断结果发送给控制装置。
优选地，所述将获取的语音信息进行语音处理后，与预先存储的婴儿哭声进行比对具体包括：将所述处理后的语音信息先分为语音帧，帧长100毫秒，帧移为50毫秒，然后作加汉宁窗处理，最后对每帧语音进行快速傅里叶变换，计算1khz到3khz频率段能量与一帧能量总和之间的比值，将比值与预先存储的婴儿哭声信息进行对比并判断；将对比判断的差值再除预先存储的婴儿哭声信息中帧能量和，判断该结果是否在阈值范围内；设定所述阈值范围为小于30％。
优选地，所述自动冲泡装置根据控制装置指令，自动控制奶块加入奶瓶，并自动控制热水加入奶瓶，通过所述三维移动系统的移动达到混合摇匀牛奶。
优选地，所述自动冲泡装置上设置有温度传感器，用于实时传感所述自动冲泡装置冲泡的牛奶温度，并将结果反馈给控制装置，所述控制装置根据结果判断是否控制喂奶装置进行喂奶。
优选地，所述面部识别装置包括图像获取单元、图像处理单元以及存储单元，所述图像获取单元用于拍摄图像，并将图像发送给图像处理单元，所述图像处理单元对获取的图像进行面部检测和处理，并抓取代表性的面部特征，将获取的图像与已知坐标的初始图像进行比对，获取代表性面部特征的坐标位置，其中，所述代表性的面部特征包括婴儿嘴。
优选地，所述面部识别装置采用人工神经训练算法对多位婴儿进行了面部识别，并生成有面部图像的训练集，作为系统自带的面部识别训练集存储在所述存储单元。
优选地，所述系统在使用时，可以根据用户需求，对自家婴儿进行面部识别，并根据已有神经网络的训练集，对比检测出该婴儿的代表性面部特征，用户对检测的所述代表性面部特征进行判断，并可人为手动修改为正确的检测位置，并将上述检测位置的结果作为第一对比值存储在存储单元。
优选地，所述面部识别装置在获取图像后，先将获取的图像与第一对比值进行比对，从而正确检测出婴儿代表性面部特征所在位置；如果无法获取到代表性面部特征时，再将该图像与系统自带的面部识别训练集进行对比，从而获取婴儿代表性面部特征所在位置。
除此以外，本发明还提供一种基于上述婴儿自动喂奶系统进行自动喂奶的方法，包括以下步骤：
婴儿睡在带有婴儿自动喂奶系统的睡眠装置上；
哭声识别装置实时采集环境语音信息，并将采集的语音信息与预先存储的婴儿哭声进行比对，并根据比对结果判断是否是婴儿在哭；
通过控制装置根据哭声识别装置的判断结果，控制其他装置进行相应的操作；
通过自动冲泡装置根据控制装置的指令，在牛奶瓶中完成牛奶自动冲泡；
在自动冲泡装置冲泡牛奶完毕后，通过面部识别装置对睡眠装置上已知坐标的局部区域进行面部识别，并根据面部识别结果获取婴儿嘴的坐标位置；
将自动冲泡装置冲泡的牛奶瓶嘴通过三维移动系统中的xy两维移动到所述婴儿嘴对应的坐标位置，并通过接近传感器传感所述牛奶嘴靠近所述婴儿嘴的距离，并实时反馈所述距离给控制装置，通过控制装置控制所述三维移动系统中的另一维移动，使得所述牛奶嘴在z方向上靠近婴儿，直到所述牛奶嘴送入所述婴儿嘴。
与现有技术相比，本发明所述婴儿自动喂奶系统及方法有益效果包括：
(1)本发明提供的婴儿自动喂奶系统可以自动检测是否婴儿在哭，并能准确判断是否是自己婴儿在哭；
(2)本发明提供的自动喂奶系统可以完全无需人工参与，可以全自动完成婴儿的喂奶，完全释放妈妈们的压力，提高生活效率和质量。
(3)本发明提供的自动冲泡装置无需人为参与，可以自动完成牛奶的冲泡，完全解放妈妈们的双手。
本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一婴儿自动喂奶系统的原理示意图；
图2为本发明实施例二自动冲泡装置的结构示意图；
图3为本发明实施例二自动冲泡装置中第一开关的工作原理示意图；
图4为本发明实施例三喂奶装置的结构示意图；
图5为本发明实施例三喂奶装置中传动丝杠机构的结构示意图；
图6为本发明实施例四中图像识别原理示意图；
附图说明：1-婴儿床，2-床底板，3-支架，4-床围栏，5-螺杆，6-螺母，7-导杆，8-奶瓶，9-水平丝杆螺母块，10-垂直丝杆螺母块，11-升降机构，12-固定环，13-滚珠丝杠，14-轴承；101-控制装置，102-哭声识别装置，103-面部识别装置，104-自动冲泡装置，105-喂奶装置；201-负导线，202-正导线，203-奶块盒，204-第一开关，205-固定架，206-导水管，207-第二开关，208-保温瓶，209-温度传感器，210-牛奶块，211-第一开关孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本具体实施方式提供具有自动喂奶功能的喂奶系统，如图1所示，为本发明实施例一婴儿自动喂奶系统的结构示意图，该婴儿自动喂奶系统，包括用于供婴儿睡觉的婴儿床1，该系统还包括：
哭声识别装置102，用于实时采集环境语音信息，并将采集的语音信息与预先存储的婴儿哭声进行比对，并根据比对结果判断是否是婴儿在哭；
控制装置101，用于根据哭声识别装置102判断结果，控制其他装置进行相应的操作；
自动冲泡装置104，用于根据控制装置101的指令，在牛奶瓶中进行牛奶自动冲泡；
面部识别装置103，用于在自动冲泡装置104冲泡牛奶完毕后，对婴儿床上已知坐标的局部区域进行面部识别，并根据面部识别结果获取婴儿嘴的坐标位置。
喂奶装置105，用于将自动冲泡装置104冲泡的牛奶瓶嘴通过三维移动系统中的两维移动到所述婴儿嘴对应的坐标位置，并通过接近传感器传感所述牛奶嘴靠近所述婴儿嘴的距离，并实时反馈所述距离给控制装置，通过控制装置控制所述三维移动系统中的另一维移动，直到所述牛奶嘴送入所述婴儿嘴。
进一步地，所述哭声识别装置102包括依次连接的语音信息采集模块和语音信息处理模块，所述语音信息采集模块实时采集周围环境中的语音信息；所述语音信息处理模块，将获取的语音信息进行语音处理后，比如，所述语音信息处理模块将采集到的语音信息去除环境音，并将处理后的语音信息与预先存储的婴儿哭声进行比对，若比对结果差异在阈值范围内，则判定婴儿在哭，需要喂奶；若比对结果差异在阈值范围之外，则判定婴儿没哭，无需喂奶，并将判断结果发送给控制装置101。
所述比对包括对语音信息的音调进行比对、将声音大小进行比对和将声音变化的趋势进行比对；将处理后的语音信息与所述预先存储的婴儿哭声信息进行对比具体包括：将所述处理后的语音信息先分为语音帧，帧长100毫秒，帧移为50毫秒，然后作加汉宁窗处理，例如可以为：w(n)＝0.5*(1-cos(2*pi*n/(n-1)))，最后对每帧语音进行快速傅里叶变换，计算1khz到3khz频率段能量与一帧能量总和之间的比值，将比值与预先存储的婴儿哭声信息进行对比并判断；将对比判断的差值再除预先存储的婴儿哭声信息一帧能量和，判断该结果是否在阈值范围内；优选地，设定所述阈值范围小于30％；这也就是说，如果判断结果小于30％，说明检测的语音信息比较接近预先存储的婴儿哭声，则判定婴儿在哭，否则则不是，并将所述判断结果发送给所述控制装置101。
进一步地，所述控制装置101在接收到哭声识别装置102的判断结果后，控制自动冲泡装置104进行相应的操作；
自动冲泡装置104，用于根据控制装置101的指令，在牛奶瓶中进行牛奶自动冲泡，具体操作如下：
如图2所示，为本发明实施例二自动冲泡装置冲泡牛奶的结构示意图，所述自动冲泡装置104包括奶瓶8，负导线201，正导线202，奶块盒203，第一开关204，固定架205，导水管206，第二开关207，保温瓶208，温度传感器209，所述奶瓶8为瓶底揭开的金属材质制作的奶瓶，其可拆卸地安装在固定环12上。
所述保温瓶208用于盛装开水，其上设置有固定架205，用于固定奶块盒203，所述奶块盒203为固定塑料件，其中装有多块牛奶块210，每一块牛奶块210与40ml温水混合，即可配出适合婴儿吸收的牛奶；所述奶块盒203上设置有第一开关孔211，并在旁边与其相配套设置有第一开关204，用于控制奶块盒203中每一块牛奶块210的滑出；
优选地，如图3所示，所述第一开关204为继电器或者电机控制的木棍，在牛奶块210未掉出来前，所述木棍穿过所述奶块盒203上的第一开关孔211，并通过按压的方式将所述奶块盒203中的第一块牛奶块210控制在出口边缘，未滑出；一旦第一开关204接收到控制装置的指令，比如：婴儿醒来需要自动冲泡牛奶时，第一开关204会控制所述木棍松开，朝远离所述第一块牛奶块的方向移动，并迅速往回移动，此时，第一块牛奶块已经随着重力的影响掉出奶块盒203，掉入到所述奶瓶8中；第二块牛奶块随着重力下滑，待它滑到所述第一块牛奶块原来停留的位置时，所述第一开关已经迅速回来，并穿过所述第一开关孔211，将所述第二块牛奶块按压在所述奶块盒203的壁上；
所述第一开关开合的时间设置为牛奶块往下做自由落体运动所经过一个牛奶块的高度的时间，具体地，所述牛奶块高度为h，当地重力加速度为g，则设置第一开关开合的时间t1为：
优选地，保温瓶208，用于盛装开水，在所述保温瓶208下侧开设有孔，并通过导水管206流入奶瓶8。所述导水管206上设置有第二开关207，用于控制导水管206中的开水流入奶瓶8的关断和打开；所述第二开关207被控制装置101控制；当控制装置101接收到需要喂奶的信号后，发送指令给所述第二开关207，控制所述第二开关207打开，并在固定时间后，关闭所述第二开关207，所述时间为导水管中流出的水为40ml时的时间，由于导水管内径的截面积可以计算出来，为s平方米，导水管水流的速度根据经验或者根据导水管制作厂商的经验可以获知为v米/秒，由此可计算出所述第二开关207每次打开的时间t2为：
所述固定环为前、后两部分金属半环组成，所述前、后半环为金属材料制成，通过两个塑料卡扣连接形成圆环，并固定所述奶瓶8在升降机构11上，其中，所述前半环通过正导线202连接电源正极和第三开关210，所述后半环通过负导线201连接电源负极，前、后半环之间被卡扣的塑料件隔开；
优选地，所述奶瓶8上设置有温度传感器209，所述温度传感器209设置在奶瓶8靠近奶嘴附近的奶瓶说那个，用于传感奶瓶的温度，当控制装置101控制第一开关204和第二开关207分别打开所述t1和t2时间后，控制装置101开始收集温度传感器209传感的温度值，当所述温度在30-35度时，启动喂奶装置105开始进行喂奶。
当所述温度传感器209传感的温度值低于30度时，控制装置101控制第三开关210闭合，此时，电源的正、负极通过正导线和负导线直接加载在前、后半环上，并通过前后半环直接加载在奶瓶上，所述奶瓶由高电阻金属材料制成，如合金导电材料，因此，通电后，奶瓶在正负极电源的作用下，直接发热，从而给牛奶加热；所述温度传感器209实时传感所述奶瓶温度，并反馈给所述控制装置，当传感所述温度高于40度时控制第三开关210打开，停止加热。
在另一实施例中，本发明实施例三提供一种三维移动的自动喂奶装置105，参照图4～图5，该喂奶装置105包括婴儿床1，所述婴儿床四个边角上固定有支架3，支架3上安装有床围栏4，床围栏4包括有四根构架，所述床围栏4中任意两相对的构架下端均设置有传动丝杠机构，传动丝杠机构包括螺杆5和螺母6，螺杆5设置在两相邻的支架3之间，螺母6位于螺杆5上，螺母6与螺杆5相互配合，通过转动螺杆5，控制奶瓶在y方向上移动；此外，相对两螺母6之间连接有至少两根水平平行的导杆7，导杆7上设置有滑座，所述滑座包括有水平丝杆螺母块9以及与其固定连接的垂直丝杆螺母块10，水平丝杆螺母块9与导杆7配合，用于控制奶瓶在x方向上移动，垂直丝杆螺母块10顶端安装有升降机构11，升降机构11包括有升降电机以及升降杆，升降电机安装在升降杆顶端，升降杆与垂直丝杆螺母块10相配合，用于控制奶瓶在z方向上移动，升降杆上活动设置有用于固定所述奶瓶8的固定环12。所述螺杆5、导杆7均连接有电机。
具体地，如图5所示，传动丝杠机构由滚珠丝杠13、支架3、床围栏4、螺杆5、螺母6、导杆7和轴承14组成，其中两边的支架3还可以作为左、右限位块，滚珠丝杠13通过左限位块和右限位块固定在床围栏4，螺母6通过电机在滚珠丝杠13上移动。传动丝杠机构可以是普通螺旋副，也可以是精密高速滚珠丝杠副。
进一步地，所述螺母6的上端和下端对称设置有两根与之配合的螺杆5，两螺杆5在竖直方向上平行。
所述螺杆5连接着步进电机，导杆7连接着直线电机，升降电机12为步进电机，步进电机与直线电机均与控制装置101连接，根据控制装置101的指令进行动作，从而控制奶瓶8到达指定坐标。
在本实施例中，通过步进电机能够带动导杆7与螺杆5的转动，从而实现滑座与螺母6分别在x、y方向上的移动，调整步进电机的转速则可以控制导杆7与螺杆5的进给量，进而控制奶瓶8在xy平面的坐标，并且升降机构11也连接有步进电机，完全可以实现奶瓶8在z轴向上的线性位移，通过对对所述平台三个维度方向的结构设计，实现了奶瓶8在空间三个维度的移动，各电机也交由控制装置101来控制，实现全自动喂奶。
在另一实施例中，本发明实施例四提供一种图像识别定位装置，具体原理示意图请参见图4和图6；所述面部识别装置103，用于在自动冲泡装置104冲泡牛奶完毕后，对婴儿床上已知坐标的局部区域进行面部识别，并根据面部识别结果获取婴儿嘴的坐标位置；
优选地，所述面部识别装置103包括图像获取单元、图像处理单元以及存储单元，所述图像获取单元用于拍摄图像，并将图像发送给图像处理单元，所述图像处理单元对获取的图像进行面部检测和处理，并抓取代表性的面部特征，比如嘴，将获取的图像与已知坐标的初始图像进行比对，获取代表性面部特征的坐标位置。
其中，该面部检测是使用面部检测算法执行的，在此之前，所述面部识别装置103进行了多次训练，采用人工神经训练算法对成千上百位婴儿进行了面部识别，并生成有面部图像的训练集，作为系统自带的面部识别训练集，存储在存储单元；且购买该婴儿自动喂奶系统的用户买回去后，首次需要对婴儿进行面部识别，并根据已有神经网络的训练集，对比检测出该婴儿的代表性面部特征，用户对检测的所述代表性面部特征进行判断，比如判断通过首次面部识别检测出来的婴儿嘴是否是正确的，若不正确，则可以人为手动修改为正确的位置，若正确，则可以直接使用该结果；并将上述检测结果作为第一对比值存储在存储单元；优选地，所述首次面部识别可以进行多次，并在婴儿处于不同的面部表情时分别进行，这样，就能存储到所述婴儿在哭、笑、正常状态下的正确检测结果，并作为第一对比值存储在存储单元。
通过首次获取了婴儿面部检测结果后，后续每一次面部识别时，先将获取的图像与第一对比值进行比对，从而正确检测出婴儿代表性面部特征所在位置，包括婴儿嘴所在的位置；如果无法获取到代表性面部特征时，再将该图像与系统自带的面部识别训练集进行对比，从而获取婴儿代表性面部特征所在位置。
设置所述图像获取单元位于所述婴儿床1的床头位置的正中央上方一定距离，在该距离拍摄时，所述图像获取单元正好拍摄所述婴儿床1的床头位置全貌。图像获取单元在该位置固定不动，图像获取单元10预先拍摄有空床时婴儿床1的床头位置的全貌图像，并自定义了每一个位置的坐标，具体如图6左图所示，图6的坐标为图4中婴儿床1的床头位置的坐标，并将该结果存储在存储单元；后续控制装置101给出指示需要自动喂奶时，启动图像获取单元对所述婴儿床的床头位置进行拍照获取图像，如图6的右边所示，获取婴儿头部在该床头坐标位置图，并通过人脸识别检测到婴儿嘴，将该图与左图的已知坐标点的空白图像进行比较，获知婴儿嘴的坐标位置，因此，将图6中的右边图像与左边图像进行比较，即可确定图6中婴儿嘴上的每一点的坐标值，取其中一点a，比如中间的一点，作为定位点，则通过对比即可获取a点的坐标值(x1,y1)。
下一步，控制装置101根据所述获取的a点的坐标值(x1,y1)，控制三维移动的自动喂奶装置105中与x向传动轴和y向转动轴相匹配的伺服电机进行转动，控制所述奶瓶8到达三维空间中的xy方向坐标系中的(x1,y1)点，在这整个过程中，z方向的电机不动，一直控制奶瓶在xy平面内移动。
此后，启动接近传感器301，传感所述奶瓶8靠近婴儿嘴的距离，并将所述距离发送给控制装置101；所述控制装置101控制所述奶瓶8往靠近婴儿的方向垂直向下；所述接近传感器安装在奶瓶正面靠近奶嘴位置，当所述接近传感器传感到所述婴儿嘴离接近传感器的距离只有奶嘴长度的距离时，再往下慢慢靠近，直到哭声识别装置检测到婴儿哭声停止或者往下再移动3-4cm则停止。
本发明提供的自动喂奶系统可以完全无需人工参与，可以全自动完成婴儿的喂奶，完全释放妈妈们的压力，提高生活效率和质量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。