一种陪伴老人户外行走的机器人的制作方法

本发明涉及一种陪伴老人户外行走的机器人，更具体说是涉及一种短无线导航、语音交互、轮式车底技术实现的机器人。

背景技术

青年留学后居住国外越来越多，纷纷邀请父母亲前往国外带孩子；国内城镇化发展快速，青年人从小城市到中等城市、从大城市到一线城市工作居住；爷爷奶奶外公外婆来到这些城市陪伴孙子辈求学或照顾孙子辈；老人们远离家乡乡亲来到他乡其实是很孤独的，需要在户外四处走动以排泄心中苦楚。

在它乡难以遇到伙伴，如果有一个陪伴机器人伴随，也弥补了老人在它乡的无奈与孤寂。

户外四处走动包括来到公园、来到花园、来到超市商店、来到菜市场、来到剧场，如果安排一个机器人陪伴老人前往，该机器人必须行走在街道、行走在斑马线，总之，该机器人从家庭走向社区，从社区走向街道马路与行人车辆交互。

机器人自动行走在社区在街道的技术措施，也是物流机器人、无人驾驶汽车等智能装备共同技术基础，单目视觉、双目视觉、多目视觉、多路毫米雷达形成了物流机器人及无人驾驶汽车自动行走的基础部件；这些自动行走导航用基础部件价格昂贵高达几十万人民币，直接用于陪伴老人户外行走的机器人是不现实的。

在陪伴老人户外行走过程中，如果突出老人为主要地位，让机器人处于辅助角色，走与不走、往哪儿走、走的快慢、走走停停，如果都由老人做主的话，机器人就是跟随老人的行走路线及节拍。

用真实线缆系住宠物狗是老人在社区在街道遛狗的解决方案，由老人拿线缆牵引机器人行走在社区在街道，对于机器人这类智能装备而言也是不现实的。

因此，如何让机器人在不配置多目视觉、多路毫米雷达的前提下，在不拿线缆牵引机器人行走的前提下，还能实现机器人跟随老人的行走路线及节拍行走在社区及街道，是目前迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明涉及一种陪伴老人户外行走的机器人，更具体说是涉及一种短无线导航、语音交互、轮式车底技术实现的机器人。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种陪伴老年人户外行走的机器人，包括

机身，总高度在155cm至165cm之间，四支支撑骨架自上往下分别固定安装头部、挽手部件、向后摆

手部件、储物箱、轮式车底；

头部，为塑料泡沫材质制作而成椭圆体，椭圆体内部固定安装语音麦克风模块；

挽手部件，为向下弯曲状固定手臂、挽手部件与机身支撑骨架结合；

向后摆手部件，为长度在40cm至50cm之间、半径在3cm至5cm之间的、与机身支撑架之间形成向后固定90度垂直结合的轻质塑料泡沫物圆柱体件，向后摆手部件末端安装一对一导航模块的机站模块；

储物箱，为长30cm至40cm之间、宽30cm至40cm之间、高40cm至50cm之间在六面立方体；其中五个立面为封闭安装，上立面边沿与六面立方体接触沿之间为铺设电磁条；

轮式车底，由四只麦克纳姆轮、电机驱动器、车体组成；车体为长宽40cm至50cm之间，高20cm至30cm之间长方体，车体内周配置4个固定洞孔以固定安装存储箱，车体外边四周配置4个固定洞孔以固定安装机身四只支撑架；

语音云ai服务器,为第三方ai平台，接受客户上传的语音文件，及时识别并回传对话语音文件至客户；

其特征在于，它还包括一对一导航模块、向后摆手部件末端、轮式车底电机驱动器、红外避障模块、主控单元、语音麦克风模块，

所述一对一导航模块由机站模块与标签模块组成，机站模块安装于所述向后摆手部件末端、标签模块佩带于老年人左手腕；

所述轮式车底电机驱动器输出端口与麦克纳姆轮连接，所述轮式车底电机驱动器通过串行数据线与所述主控单元连接；

所述机站模块通过串行数据线与与所述主控单元连接；

所述语音麦克风模块由麦克风采集模块及语音播放器组成，所述语音麦克风模块固定安装于所述头部，

所述麦克风采集模块通过串行数据线与所述主控单元连接；

所述红外避障模块由24支开关型红外避障传感器及红外主模块组成；

所述红外避障传感器固定安装于所述轮式车底的车体四周上边沿；所述红外主模块通过通过串行数据线与所述主控单元连接；

所述主控单元为工业控制计算机，配置wifi模块、4g模块、多回路串行及usb接口，支持tcp\ip通讯；

所述主控单元与语音云ai服务器无线连接；

所述主控单元输出回路与所述存储箱电磁条回路连接；

所述主控单元语音播放端口与语音麦克风模块的语音播放器连接；

所述主控单元配置为执行如下操作：

在完成语音云ai服务器注册之后，采集麦克风模块语音文件上传至语音云ai服务器，通过语音播放端口播放语音云ai服务器回传的对话语音文件；

实时计算标签模块与基站模块之间的距离及角度，实时采集红外主模块上传数据形成机器人轮式车底四周障碍实时状态，依据所述距离与角度、四周障碍实时状态，通过串行数据线下达指令至轮式车底电机驱动器，操控轮式车底在并肩行走、前后行走、驻留停靠之间切换。

作为优选，所述24支开关型红外避障传感器按照15度间隔布局在所述轮式车底长方体上侧面边沿。

作为优选，所述并肩行走措施为保持所述距离及角度不变，该距离是指标签模块与机站模块之间距离，范围在70cm至120cm之间；该角度是标签模块与机站模块位置关系投射到oxy直角坐标系下与ox轴之间夹角，机器人在老人右侧并肩时，该夹角为145度，误差为5度；机器人在老人左侧并肩时，该夹角为90度，误差为5度。

作为优选，所述前后行走措施为保持距离及角度范围不变，该距离是指标签模块与机站模块之间距离，范围在130cm以上；该角度是指标签模块与机站模块位置关系投射到oxy直角坐标系下与ox轴之间夹角，该角度范围是指在30度至160度之间，误差5度。

作为优选，所述轮式车底在并肩行走、前后行走、驻留停靠之间切换措施为：

(1)当机器人与老人之间并肩行走而无任何障碍时，继续并肩行走；

(2)当机器人与老人之间并肩行走出现障碍时，从并肩行走切换至前后行走；

(3)当前后行走过程中街道左侧、正面、右侧无障碍时；从前后行走切换回并肩行走；

(4)当标签模块关机，及标签模块与机站模块之间10cm时，机器人驻留停靠。

作为优选，所述标签模块配置开机关机按键。

作为优选，所述主控单元输出回路高电平则接通电磁条电源回路；主控单元输出回路低电平则切断电磁条电源回路。

作为优选，所述机器人主控单元输出回路在当标签模块关机时，输出高电平；在标签模块与机站模块距离小于10cm时，输出低电平。

本发明具有的优点和积极效果是：在它乡暂住照看孙子辈的老人，是社会发展的一个越来越大的特别群体，本发明通过机站模块安装于向后摆手部件、跟随标签佩带于老人手腕实现机器人跟随老人路线及节拍行走；通过语音云ai服务器实现老人与机器人之间不断丰富的聊天交流，通过配置储物箱，机器人装运老人采购物品。因此，本发明机器人在不配置视觉、多路毫米雷达的前提下，在低成本制作以满足了居住它乡的老人陪伴其户外漫步聊天、购物方面具有积极效果。

附图说明

图1为本发明机器人部件组成示意图

图2为本发明机器人数据信息交互系统组成图

图3a为本发明机器人沿无障碍道路行走示意图

图3b为本发明机器人沿右侧障碍道路行走示意图

图3c为本发明机器人沿左侧障碍道路行走示意图

图3d为本发明机器人沿两侧障碍道路行走示意图

图3e为本发明机器人沿马路过街人行道行走示意图

图4本发明机器人驻留、并肩行走、前后行走转换流程图

图5为本发明机器人与语音云ai服务器数据交互流程图

图中：11-机身、12-头部、13-挽手部件、14-向后摆手部件、15-机站模块、16-轮式车底、

17-储物箱、18-主控单元、40-储物箱启闭、41-语音播放器、42-麦克风模块、43-轮式车底驱动器、

45-红外避障模块、46-标签模块、100-语音云ai服务器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-图5，一种陪伴老人户外行走的机器人是以图1所示机器人部件为实施基础的；是在如图2所示的数据信息交互系统框架下运行的；

该机器人部件由机身、头部、挽手部件、向后摆手部件、轮式车底、红外避障模块、储物箱、主控单元、语音麦克风模块组成；

该数据信息交互系统由三个部分组成：

第一部分为语音云ai服务器，为第三方语音云ai平台，用于对机器人的语音及时识别与对话回应；

第二部分为机器人主控单元，采集感知部件并操控执行部件；

第三部分为机器人各感知部件及执行部件。

以下对本发明技术方案实施例进行一一介绍。

一、机器人各组成部件

如图1所示，本发明机器人的机身11自地面到头部至高点总高度在155cm至165cm之间，自上往下分别是：头部12、挽手部件13、向后摆手部件14、主控单元18、储物箱17、轮式车底16，语音麦克风模块安装于头部。头部12、挽手部件13、向后摆手部件14为轻质塑料泡沫物部件，机身自上往下在110cm范围内仅仅包括基本骨架以支撑头部12、挽手部件13、向后摆手部件14；主控单元18、储物箱17、轮式车底16在机身下部45cm至55cm范围内，重量方面轮式车底16最大、其次是储物箱17、然后是主控单元18；在此结构配置下，本机器人90％重量在离地45cm内，重心在30cm之下，确保在每小时10公里行走速度下，机器人稳定稳健。

挽手部件13为向下弯曲状固定手臂、挽手部件13与机身支撑架结合。

向后摆手部件14为机器人另外一个手臂一个关节，该关节为长度在40cm至50cm之间、半径在3cm至5cm之间的轻质塑料泡沫物圆柱体件，该圆柱体件与机身支撑架之间形成向后固定90度垂直结合；向后摆手部件14末端安装一对一导航模块的机站模块。

储物箱17为固定安装在轮式车底之上的长30cm至40cm之间、宽30cm至40cm之间、高40cm至50cm之间在六面立方体；六面立方体五个立面为封闭安装，上立面边沿与六面立方体接触沿之间为电磁条，通电后上立面边沿与六面立方体接触沿电磁条互相铁吸合；断电后释放磁性，手动自由拉起与放下上立面。

轮式车底为配置四只麦克纳姆轮的全向移动车底，由电机驱动器输出端口驱动麦克纳姆轮全向移动行走；电机驱动器串行数据线与主控单元连接，接受主控单元下达的驱动命令。

轮式车底内部各部件封装为长宽为40cm至50cm之间，高度20cm至30cm之间长方体内；轮式车底内周配置4个固定洞孔以固定安装存储箱，轮式车底外边四周配置4个固定洞孔以固定安装机身支撑架。

由厚度在1cm至2cm塑料泡沫件贴补机身支撑、头部、挽手部件、向后摆手部件之间间隙，使机器人上下左右前后如一整体，仅在存储箱后侧面留有空隙空间。

至此，通过以上部件建构了高度在155cm至165cm之间的人形状机器人，其轮式车底可全向移动行走，其头部语音麦克风模块可与外部交流。

二、一对一导航

一对一导航模块由机站模块及标签模块组成，机站模块安装于向后摆手部件末端、标签模块佩带于老人左手手腕。基站模块通过接受标签模块发出的无线信号测距和计算角度，标签模块发射信号给基站。

基站模块尺寸：76×42×3mm

标签模块尺寸：12×29×2mm

电源：dc5v

工作温度：-20度至80度

通信距离：20米

定位角度：120度

精确度：无遮挡情况下，角度误差5度，测距误差20cm。

老人与机器人之间相对关系：

向后摆手部件位于机器人右手臂部位，标签模块佩带于老人左手手腕。老人左手摆动过程中，其标签模块与机站模块之间距离呈现为波形曲线，波峰与波谷对应手臂摆动前摆至前点及后摆至后点；标签模块与机站模块之间距离呈现波形曲线，以下规定标签模块与机站模块之间距离为机站模块与手臂摆动前摆至前点时标签模块之间瞬间距离；当老人手臂不前后摆动时，标签模块与机站模块之间距离呈现为折线线段。

(1)并肩行走、机器人在右侧：如图3a所示，在空旷道路上，老人与机器人之间可或左或右并肩。

(2)如图3b所示，机器人在老人右侧与老人并肩行走，机站模块与标签模块之间距离在70cm至110cm之间，机站模块与标签模块角度投影在直角系下为135度，偏差5度。

(3)并肩行走、机器人在左侧：如图3c所示，机器人在老人左侧与老人并肩行走，机站模块与标签模块之间距离在70cm至110cm之间，机站模块与标签模块角度投影在直角系下为90度左右，偏差5度。

(4)前后行走、老人在前，机器人在后：如图3d所示，老人在前，机器人在后，老人与机器人之间前后行走，机站模块与标签模块之间距离在大于120cm之间，机站模块与标签模块角度投影在直角系下为45度至135度之间，偏差5度。

二、避让障碍

在轮式车底长方体上侧面沿前侧面、后侧面、左侧面、右侧面按照15度间隔布设一支红外避障传感器，机器人布设24支开关型红外避障传感器，红外避障传感器视区范围为沿红外避障传感器中心线左右侧15度、半径2米的扇形；视区范围内无遮挡输出为低电平、有遮挡输出高电平；

红外避障模块由24支开关型红外避障传感器组成及红外主模块组成，红外主模块通过串行数据线与主控单元连接；

24支开关型红外避障传感器数据传输报文编号规则为：轮式车底长方体沿前侧面、右侧面、后侧面、左侧面顺时针排列，0编号为前侧面居中红外避障传感器。

老人引领机器人行走过程中，老人在红外避障传感器一个视区范围形成遮挡，

当并肩行走机器人在右侧时，老人遮挡视区出现在轮式车底长方体左侧面及前左侧面；

当并肩行走机器人在左侧时，老人遮挡视区出现在轮式车底长方体右侧面及前右侧面；

当红外避障传感器出现老人遮挡视区之外遮挡，从并肩行走切换为前后行走。

如图3b所示出现右行道路遮挡；

如图3c所示出现左行道路遮挡；

如图3d所示出现左行及右行道路同时遮挡。

如图3a及图3e，红外避障传感器仅仅出现老人遮挡视区。

三、机器人行走

如图2所示，机器人主控单元是机器人核心部件。

主控单元为工业控制计算机，配置wifi模块、4g模块、多回路串行及usb接口，支持tcp\ip通讯；

机站模块通过串行数据线与主控单元连接，红外主模块通过通过串行数据线与主控单元连接，轮式车底电机驱动器通过串行数据线与主控单元连接。

主控单元采集机站模块上传的佩带在老人左手手腕的标签模块数据，实时计算标签模块与基站模块之间的距离及角度；

主控单元采集红外主模块上传的24支开关型红外避障传感器的状态，形成机器人轮式车底四周障碍实时资讯；

主控单元通过串行数据线下达指令至轮式车底电机驱动器，操控轮式车底全向调整角度与行走节拍。

如图3a、3b、3c、3d、3e所示，因为不可克服的障碍总会出现在街道马路上，因此老人与机器人在街道行走过程中相互位置关系是不断变化的。

如图4所示，主控单元按照以下措施操控机器人轮式车底如下：

(1)采集红外避障左侧、正面、右侧(240度弧)障碍实时状态；

(2)当机器人与老人之间并肩行走而无任何障碍时，继续并肩行走；

(3)当机器人与老人之间并肩行走出现障碍时，从并肩行走切换至前后行走；

(4)当前后行走过程中街道左侧、正面、右侧无障碍时；从前后行走切换回并肩行走；

切换过程中，如果上一次并肩行走是机器人在老人之右并肩，则优选切换为机器人在老人之左并肩；

如果上一次并肩行走是机器人在老人之左并肩，则优选切换为机器人在老人之右并肩；

(5)当并肩行走过程中，街道左侧、正面、右侧无障碍时，保持距离及角度不变以继续保持并肩行走；

该距离是指标签模块与机站模块之间距离，范围在70cm至120cm之间；

该角是标签模块与机站模块位置关系投射到oxy直角坐标系下与ox轴之间夹角，机器人在老人右侧并肩时，该夹角为145度，误差为5度；机器人在老人左侧并肩时，该夹角为90度，误差为5度；

(6)在前后行走过程中，街道继续呈现障碍时，保持距离及角度范围不变的条件下避开障碍继续前行以跟随老人；该保持角度范围不变是指标签模块与机站模块位置关系投射到oxy直角坐标系下与ox轴之间夹角在30度至160度之间。

(7)当标签模块关机时，机器人驻留停靠；

(8)标签模块与机站模块之间位置投影到oxy直角坐标系，当标签模块负轴时及标签模块与机站模块之间距离小于10cm时，机器人驻留停靠。

四、机器人操控存储箱

储物箱为长30cm至40cm之间、宽30cm至40cm之间、高40cm至50cm之间在六面立方体；其中五个立面为封闭安装，上立面边沿与六面立方体接触沿之间为铺设电磁条；储物箱下立面四个角固定安装在轮式车底长方体上侧面。

主控单元输出回路与电磁条电源回路连接；主控单元输出回路高电平则接通电磁条电源回路使得上立面边沿与六面立方体接触沿之间为铺设电磁条互相吸合，达到锁定储物箱效果；主控单元输出回路低电平则切断电磁条电源回路使得上立面边沿与六面立方体接触沿之间为铺设电磁条互相释放，人工手动随意拉开或关闭储物箱上立面，达成放置物品至储物箱或从储物箱拿取物品效果。

当标签模块关机时，机器人主控单元输出回路输出高电平；当标签模块与机站模块距离小于10cm时，机器人主控单元输出回路输出低电平。

五、语音云ai服务器支撑老人与机器人之间聊天

国内外知名公司如微软、谷歌、百度、科大讯飞提供第三方语音云ai平台，该类平台至少包括两个主要功能：其一是对客户上传的语音文件进行实时识别以形成文本文件；其二是设置问答、对答、聊天资源库，不断积累客户资讯及利用综合资源库，回传对话语音文件至客户。

如图5所示，本发明机器人主控单元通过wifi模块、4g模块与语音云ai服务器无线数据连接。

机器人通过主控单元在注册语音云ai服务器注册，成为语音云ai服务器客户。

机器人行走过程中，机器人通过主控单元自动登录语音云ai服务器并保持在线链接；

主控单元设置专用线程上传来自麦克风模块实时录音文件至语音云ai服务器，

主控单元设置另一个线通过语音播放端口播放语音云ai服务器回传的对话语音文件。

七、机器人驻留、等待、行走转换流程图

标签模块设置开机关机按键。

如图4所示，当标签模块关机时，无论机器人处于何地，机器人立即切换至驻留停靠状态。

当机器人返回居家，当机器人过斑马线马路，当老人进店购物时，老人须关闭标签模块。

机器人处于驻留停靠状态过程中，主控单元锁定存储箱、关闭与语音云ai服务器无线数据连接。

当老人须带领机器人出门时，老人佩带标签模块并打开标签模块开机按键。

当老人过斑马线马路时，老人先按标签模块关机按键，老人然后独自一个行走至中间缓冲区域或直接行走至马路对侧；老人再按标签模块开机按键，机器人在标签模块引导下自行穿过斑马线马路；

当老人预备进超市商店菜市场购物时，在合适地点老人按标签模块关机按键，机器人则驻留停靠该地点直到检测到标签模块数据；老人手腕标签模块直接接触机站模块时打开标签模块开机按键，此时，主控单元释放存储箱电磁条，但主控单元继续保持驻留停靠状态，以让老人放置物品至存储箱。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启发下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出许多形式，这些均属于本发明保护范围之内。