面向家庭服务的室内轮式机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机器人，尤其是一种面向家庭服务的室内轮式机器人，属于轮式机器人的技术领域。
【背景技术】
[0002]轮式机器人是移动机器人中最为常见的一种，虽然运动稳定性与路况有很大关系，但是其具有的自重较轻、承载大、机构简单、驱动和控制方便、行走速度快、机动灵活、工作效率高等优点，被大量应用于工业、农业、反恐防暴、家庭、空间探测等领域。
[0003]家庭服务机器人能够代替人类完成家庭服务工作，主要的工作环境在室内。室内环境路况简单，轮式机器人的研究方向主要就不再是运动结构，而是实现智能化和完全自主移动上，可靠、高精度、高适应性的机器人定位技术就成为了室内轮式机器人的关键技术。
[0004]目前最具代表性的室内轮式机器人就是在家庭环境下的扫地机器人和工业环境中的AGV (Automated Guided Vehicle自动导引运输车)。然而二者各有其特性，扫地机器人，以美国的iRobot公司的扫地机器人为例，多采用随机寻路算法，没有室内路径规划，而AGV都是有目的性的路径规划，但是其导引方法如磁带式、色带式等等，都并不适合在家庭环境下使用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种面向家庭服务的室内轮式机器人，其结构紧凑，有效满足家庭服务的要求，环境适应能力强，安全可靠。
[0006]按照本发明提供的技术方案，所述面向家庭服务的室内轮式机器人，包括机器人架体以及位于所述机器人架体底端用于行走的驱动轮，所述机器人架体上还设有用于控制驱动轮运动状态的运动控制系统以及与所述运动控制系统连接的车载控制器；在机器人架体上还设有感知室内环境的环境感知传感器，所述环境感知传感器包括位于机器人架体内下部的超声波传感器、位于所述超声波传感器上方的红外测距仪以及位于所述红外测距仪上方的激光测距仪，所述超声波传感器、红外测距仪以及激光测距仪均与车载控制器连接;
所述车载控制器对超声波传感器检测的超声波距离信息、红外测距仪检测的红外距离信息以及激光测距仪检测的激光距离信息进行数据融合，并利用粒子滤波法构建地图；车载控制器在构建地图后，利用自适应蒙特卡罗定位法确定位置，并利用A*路径规划方法进行路径规划，以通过运动控制系统控制驱动轮按照规划后的路径运动。
[0007]所述机器人架体包括位于下部的底盘、位于底盘上方的中间隔板以及位于所述中间隔板上方的托盘；在底盘与中间隔板间设置用于支撑所述中间隔板的隔板立柱，在中间隔板与托盘间设置用于支撑所述托盘的托盘立柱；
驱动轮位于底盘的下方，超声波传感器采用阵列方式安装于底盘上，激光测距仪安装于中间隔板的上表面，红外测距仪采用阵列方式安装于中间隔板的下表面。
[0008]驱动轮对称分布于底盘的下方，运动控制系统包括运动控制器以及用于独立驱动每个驱动轮转动的驱动装置，所述驱动装置包括驱动电机以及与所述驱动电机连接的电机驱动器，所述驱动电机固定于底盘的下表面，且驱动电机的输出轴上设置电机带轮，所述电机带轮通过传动带与减速机的输入轴连接，驱动轮与减速机的输出轴连接；
电机驱动器位于底盘上，且电机驱动器与运动控制器连接，且运动控制器还与驱动电机上的电机码盘连接。
[0009]所述底盘上还设有辅助轮，所述辅助轮通过辅助轮架安装于底盘上，辅助轮与驱动轮均位于底盘的下方，且辅助轮与驱动轮在底盘上呈间隔分布。
[0010]所述车载控制器以及运动控制器均位于中间隔板上，且在所述中间隔板上还设有麦克风，所述麦克风与车载控制器连接。
[0011]所述托盘上设有摄像头以及用于进行交互的人机界面，所述摄像头、人机界面均与车载控制器连接。
[0012]所述运动控制器还与陀螺仪以及行程开关连接。
[0013]本发明的优点:车载控制器对超声波传感器检测的超声波距离信息、红外测距仪检测的红外距离信息以及激光测距仪检测的激光距离信息进行融合并提取直线特征，采用粒子滤波方式能构建所需的室内地图，避免现有室内机器人需要安装定位路标以及需要预置地图等缺点，提高环境适应能力；利用自适应蒙特卡罗定位法确定位置，并利用A*路径规划方法进行路径规划，使机器人在室内的运动更具有目的性，通过人机界面能实现所需的人机交互，安全可靠。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的结构示意图。
[0015]图2为本发明移去托盘后的结构示意图。
[0016]图3为本发明移去中间隔板后的结构示意图。
[0017]图4为本发明驱动轮以及驱动装置在底盘上的分布示意图。
[0018]图5为本发明运动控制系统的结构框图。
[0019]附图标记说明:1-底盘、2-执行层、3-感知层、4-控制层、5-负载层、6_隔板立柱、7-中间隔板、8-托盘、9-摄像头、10-辅助轮、11-电机驱动器、12-托盘立柱、13-驱动轮、14-驱动轮架、15-超声波传感器、16-运动控制器、17-车载控制器、18-麦克风、19-激光测距仪、20-电池组、21-电源管理模块、22-红外测距仪、23-驱动电机、24-联轴器、25-电机带轮架、26-传动带、27-减速机、28-辅助轮架、29-电机带轮、30-电机码盘、31-陀螺仪以及32-行程开关。
【具体实施方式】
[0020]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0021]如图1、图2、图3和图4所不:为了有效满足家庭服务的要求，提尚环境适应能力，本发明包括机器人架体以及位于所述机器人架体底端用于行走的驱动轮13，所述机器人架体上还设有用于控制驱动轮13运动状态的运动控制系统以及与所述运动控制系统连接的车载控制器17 ;在机器人架体上还设有感知室内环境的环境感知传感器，所述环境感知传感器包括位于机器人架体内下部的超声波传感器15、位于所述超声波传感器15上方的红外测距仪22以及位于所述红外测距仪22上方的激光测距仪19，所述超声波传感器15、红外测距仪22以及激光测距仪19均与车载控制器17连接；
所述车载控制器17对超声波传感器15检测的超声波距离信息、红外测距仪22检测的红外距离信息以及激光测距仪19检测的激光距离信息进行数据融合，并利用粒子滤波法构建地图；
车载控制器17在构建地图后，利用自适应蒙特卡罗定位法确定位置，并利用A*路径规划方法进行路径规划，以通过运动控制系统控制驱动轮13按照规划后的路径运动。
[0022]具体地，超声波传感器15、激光测距仪19以及红外测距仪22在机器人架体的不同高度，从而能实现对不同高度障碍物的检测，提高车载控制器17对障碍物的判断能力。车载控制器17对超声波传感器15检测的超声波距离信息、红外测距仪22检测的红外距离信息以及激光测距仪19检测的激光距离信息进行融合并提取直线特征，采用粒子滤波方式能构建所需的室内地图，避免现有室内机器人需要安装定位路标以及需要预置地图等缺点，提高环境适应能力。车载控制器17可以采用现有常用的微处理设备，车载控制器17用于控制整个机器人的工作状态。
[0023]具体实施时，利用激光测距仪19检测的激光距离信息建立地图的数据量少，性能稳定，是目前最流行的地图构建方式。近年来，Rao-Blackwellized粒子滤波已经被证实为一种有效的同时定位与地图构建(SLAM)方法。对于仅采用激光测距仪19的激光距离信息构建地图的方式，在遇到透光的玻璃门，或者光的反射性不好的障碍物时，容易造成构建地图不正确的情况，本发明对超声波传感器15检测的超声波距离信息、红外测距仪22检测的红外距离信息以及激光测距仪19检测的激光距离信息进行融合并提取直线特征，来纠正在仅采用激光距离信息不能正确测得障碍数据时的构建地图错误的情况。在激光测距仪19检测的激光距离信息与超声波传感器15检测的超声距离信息相差很大时，选择采用超声波传感器15检测的超声距离信息，虽然超声波传感器15检测超声距离信息的精确性不如激光测距仪19检测的激光距离信息，但在这种特殊情况下能够在一定程度上保证地图的正确性。在采用粒子滤波构建地图时，本发明的车载控制器17采用了自适应技术来降低粒子数目，不仅考虑机器人的移动，而且考虑最近的观测值来计算精确的粒子分布，大大降低了不确定性机器人的姿态滤波器在预测步骤中的不确定性。此外，有选择性的进行重采样，有效降低了粒子耗散对算法的影响，具体过程为本技术领域人员所熟知，具体不再赘述。
[0024]进一步地，所述机器人架体包括位于下部的底盘4、位于底盘4上方的中间隔板7以及位于所述中间隔板7上方的托盘8 ;在底盘4与中间隔板7间设置用于支撑所述中间隔板7的隔板立柱6，在中间隔板7与托盘8间设置用于支撑所述托盘8的托盘立柱12 ;
驱动轮13位于底盘4的下方，超声波传感器15采用阵列方式安装于底盘4上，激光测距仪19安装于中间隔板7