一种多功能的通用移动机器人底盘及其应用方法与流程

本发明涉及一种多功能的通用移动机器人底盘及其应用方法。

背景技术：

随着科学技术的进步,对于机器人技术的研究越来越受到人们的重视和关注。相比较双足机器人而言,轮式移动机器人在移动速度,运行稳定性,应用范围,承载能力等多个方面都具有明显的优势,而轮式机器人最为关键的部分则为移动底盘部分。但现有的轮式移动底盘大多没有搭载上位机，并且存在功能单一，不能进行二次开发等问题。

技术实现要素：

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是现有的轮式移动底盘大多没有搭载上位机，并且存在功能单一，不能进行二次开发等问题。

本发明的具体实施方案是：一种多功能的通用移动机器人底盘，包括底板及设置于底板上方的支撑板，所述支撑板上方设置有面板，所述面板前侧固定有麦克风，所述面板中部具有激光雷达，所述支撑板前侧设置有深度相机，支撑板后侧设置有音箱，所述底板下方设置有一对滚轮及设置于滚轮前侧的万向轮，所述一对滚轮之间具有一对分别驱动各个滚轮转动的驱动电机，所述底板上固定有陀螺仪、蓝牙模块及电源系统。

进一步的，所述底板上设置有控制驱动电机启闭的电机驱动模块，所述底板侧部向下延伸有用于固定驱动电机的电机支架，所述滚轮经联轴器与驱动电机的输出轴固定连接。

进一步的，所述电源系统包括锂电池、稳压模块及调压模块。

进一步的，所述底板的中部具有下底部凹陷用于放置锂电池的电池支撑架，所述锂电池的周侧设置有固定于底板上的z型支撑架，所述z型支撑架的顶部固定有位于支撑板下方的固定台面。

进一步的，所述固定台面上具有jetsontk1开发板，所述jetsontk1开发板上设置有无线网卡、蓝牙接收器，所述jetsontk1开发板与激光雷达、深度相机、音箱、麦克风连接，并搭载有蓝牙接收器及无线网卡。

进一步的，所述底板上还固定有stm32单片机及固定于驱动电机后侧的编码器，所述stm32单片机与jetsontk1开发板串口通信连接，所述stm32单片机与陀螺仪、蓝牙模块、编码器、电机驱动模块连接，所述锂电池经稳压模块及调压模块分别与jetsontk1开发板、编码器、直流电机、电机驱动模块连接。

进一步的，所述底板、支撑板、面板及固定台面具有多个安装孔。

进一步的，所述底板与面板之间具有一个或一个以上的支撑板，所述底板与支撑板之间、支撑板与面板之间设置固定连接有支撑柱，所述支撑柱每层具有四个或四个以上，所述支撑柱与底板、支撑板或面板之间通过螺纹连接或销孔配合连接。

本发明还包括一种多功能的通用移动机器人底盘应用方法，包括利用如权利要求6所述的一种多功能的通用移动机器人底盘，具体包括以下方式：

（1）stm32单片机给双路电机驱动模块相应的驱动信号与pwm信号，电机驱动模块驱动电机运转，实现调速、前进、后退等运动，两滚轮差速转动，万向轮作为从动轮，实现转向运动。驱动电机运转时编码器采集数据并发送给stm32单片机；stm32单片机通过串口采集六轴陀螺仪的加速度与角度数据，并与编码器数据进行融合计算出里程计信息，其中包含线速度、x轴坐标、y轴坐标、偏航角等信息，并发送给jetsontk1；

（2）jetsontk1开发板移植ros机器人操作系统，通过串口通信实现与stm32单片机互相发送、接收数据；jetsontk1开发板通过移植谷歌公司的cartographer开源算法，使用stm32单片机发送来的陀螺仪和编码器数据融合的里程计信息来定位和估算出底盘相对上一时刻的位置；jetsontk1开发板与激光雷达通过usb连接，采集激光雷达的数据，再通过激光雷达采集的测距数据来不断纠正移动底盘的位置，并建立地图，最终实现二维地图的建立；

（3）jetsontk1开发板与深度相机通过usb连接，采集图像信息，通过编程构建ros平台上的人脸识别驱动包，调用opencv库，多次采集人脸图像，完成训练集，实现简易的人脸识别；并且深度相机也可采集图像信息，实时在远程计算机里可视化出移动底盘的视角，jetsontk1开发板上连接有麦克风与音箱。麦克风采集人的语音信息，经过在ros操作系统上自主编程搭建的语音识别、合成系统来完成相关音频处理，再通过图灵语义进行云端库的信息匹配，由音箱发送出音频，最终实现语音交互的功能，同时，通过语义分析，捕捉语音输入信息中的关键词，进行相关键命令的输出,再将输出命令发送至stm32单片机中，stm32单片机发送相应控制信号给电机驱动模块，驱动电机运动，最终实现语音控制移动底盘完成运动；

（4）基于已构建好的先验二维地图ros系统中通过路径规划算法来计算出到达目标位置的最佳路径，并将一系列的速度控制指令发送给stm32单片机，stm32单片机发送相应控制信号给电机驱动模块，驱动电机运动，实现自主导航；导航过程中，结合深度相机的视觉信息，通过动态窗口法来进行局部的路径规划，实现避障。

进一步的，所述jetsontk1开发板搭载有无线网卡、蓝牙接收器，能使用多台计算机通过局域网对移动底盘进行远程控制，实现多机协作完成相应控制，与多台电脑远程通信，多机协作，分布式控制移动机器人底盘；stm32单片机通过串口与设置在底板上的蓝牙模块通信，开启安卓手机蓝牙，通过简易app可对移动底盘的运动部分直接控制，如前进、后退、转向、调速；stm32单片机通过jtag接口连接并安装有液晶显示屏，实时显示移动底盘的里程计和速度信息。

本发明还包括一种多功能的通用移动机器人底盘于家庭移动服务机器人的方法，包括利用如上述的一种多功能的通用移动机器人底盘，具体包括以下方式：

（1）jetsontk1开发板与深度相机通过usb连接，采集图像信息，通过编程构建ros平台上的人脸识别驱动包，调用opencv库，多次采集人脸图像，完成训练集，实现简易的人脸识别。在识别出特定人脸后ros操作系统输出特定指令，将该指令设置为系统开关，实现人脸识别解锁机器人；

（2）jetsontk1开发板上连接有麦克风与音箱，麦克风采集人的语音信息，经过在ros操作系统上自主编程搭建的语音识别、合成系统来完成相关音频处理，再通过图灵语义进行云端库的信息匹配，选择合适的答句进行语音合成，由音箱发送出音频，最终实现语音交互的功能，即人与机器人交流对话；

（3）在家庭环境中，通过语音交互功能可以实现机器人和幼儿、老人进行聊天陪护；并且基于已经建立好的室内二维地图，可以通过语义分析，捕捉语音输入信息中的关键词，在ros操作系统上进行相关键命令的输出,再将输出命令调用来执行自主导航功能，通过路径规划算法来计算出到达目标位置的最佳路径，同时结合深度相机的视觉信息，通过动态窗口法来进行局部的路径规划，实现实时避障；

（4）在导航过程中，ros操作系统将自主导航所需要的速度指令发送至stm32单片机中，stm32单片机发送相应控制信号给电机驱动模块，驱动电机运动，最终实现通过语音控制运动结合自主导航功能，因此在家庭环境中可以实现机器人听从主人语音指令进行指定位置的物品运送；还可以增加相应的红外射频模块，利用语音来控制红外信号，进而控制具有红外开关的家电，实现智能家居。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明并将stm32单片机和jetsontk1开发板上移植的ros机器人操作系统相结合，完成数据的相互发送与接收，具有二维地图建立、自主导航、避障、人脸识别、语音交互、语音控制运动等多种功能。并且引出多个usb外接口与usb转串口数据线以及采用可拆卸支撑平台，可以根据需求自主搭载传感器与上位机，实现二次开发。可安装不同机器人的外壳，自由组合上述的各种功能，即可作为应用于家庭、餐厅等不同环境下的机器人，具有很强的通用性，极大程度节省了开发成本。

附图说明

图1为本发明实例的结构示意图；

图2为本发明实例的结构示意图；

图3为本发明实例的原理结构框图；

其中图中：10-底板，20-支撑板，30-面板，110-滚轮，120-万向轮，130-电机支架，140-电池支撑架，141-z型支撑架，150-固定台面，40-nvidiajetsont1开发板，401-麦克风，402-激光雷达，403-深度相机，404-音箱，50-stm32单片机，501-驱动电机，502-电机驱动模块，503-编码器，504-陀螺仪，505-蓝牙模块，601-锂电池，602-稳压及调压模块，70-支撑柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

参考图1至图2，一种多功能的通用移动机器人底盘，包括底板10及设置于底板10上方的支撑板20，所述支撑板20上方设置有面板30。

本实施例中，所述底板10与面板30之间具有一个或一个以上的支撑板20，所述底板10与支撑板20之间、支撑板20与面板30之间设置固定连接有支撑柱70，所述支撑柱70每层具有四个或四个以上，所述支撑柱与底板、支撑板或面板之间通过螺纹连接或销孔配合连接。本实施例中，所述底板10、支撑板20、面板30及固定台面具有多个安装孔，可以自主添加模块，多个支撑柱连接可以自由调整高度例如通过采用螺纹连接的方式增加支撑柱的数量从而提高支撑柱的高度，最终实现支撑平台、底板、面板的层层搭建。

所述底板下方设置有一对滚轮110及设置于滚轮前侧的万向轮120，所述一对滚轮120之间具有一对分别驱动各个滚轮转动的驱动电机501，本实施例中，所述的底板10设置有控制驱动电机501启闭的电机驱动模块502，所述底板侧部向下延伸有用于固定驱动电机501的电机支架130，所述滚轮110经联轴器与驱动电机501的输出轴固定连接。本实施例中的驱动电机为直流有刷电机，万向轮120与底板10连固定，并调节高度与滚轮110高度保持一致，保证底盘水平放置。底板10采用不锈钢，具有较好的综合力学性能，所有连接均通过螺栓紧固。

底盘上还固定有有stm32单片机50、陀螺仪504、蓝牙模块及电源系统,编码器503安装于驱动电机501尾部，所述电源系统包括锂电池601、稳压及调压模块602。

为了实现结构的紧凑和保证底盘的稳固，本实施例中，所述底板10的中部具有下底部凹陷用于放置锂电池的电池支撑架140，所述锂电池的周侧设置有固定于底板上的z型支撑架141。

所述z型支撑架141的顶部固定有位于支撑板下方的固定台面150，锂电池601引出充电接口与电源开关，并连接至稳压、调压模块602，为整个移动机器人底盘供电。

所述面板30前侧固定有麦克风401，所述面板中部具有激光雷达402，所述支撑板前侧设置有深度相机403，支撑板后侧设置有音箱404。本发明中所述的深度相机403指的是如kinect、华硕xtionpro等具有较高分辨率的深度相机。

固定台面150上具有jetsontk1开发板40，所述jetsontk1开发板40上设置有无线网卡、蓝牙接收器，所述jetsontk1开发板40与麦克风401、激光雷达402、深度相机403、音箱404、无线网卡、蓝牙接收器连接。

本发明实例的原理结构如图3所示，stm32单片机50程序采用c语言编写，jetsontk1开发板40中ros机器人操作系统的程序采用c++语言编写：

本实施例中，stm32单片机50给双路电机驱动模块502（分别控制两个驱动电机）相应的驱动信号与pwm信号，电机驱动模块502驱动电机501运转，实现调速、前进、后退等运动。移动底盘采用三轮结构，两滚轮110差速转动，万向轮120作为从动轮，实现转向运动。驱动电机501运转时编码器503采集数据并发送给stm32单片机50。

stm32单片机50通过串口采集六轴陀螺仪504的加速度与角度数据。

stm32单片机50通过串口与设置在底板上的蓝牙模块505通信，开启安卓手机蓝牙，通过简易app可对移动底盘的运动部分直接控制，如前进、后退、转向、调速。

本实施例中，jetsontk1开发板40中移植ros机器人操作系统，通过串口通信实现与stm32单片机60互相发送、接收数据。

jetsontk1开发板40与激光雷达402通过usb连接，采集激光雷达402的数据。ros系统中，通过移植谷歌公司的cartographer开源算法，使用stm32单片机50发送来的陀螺仪802和编码器503数据融合的里程计信息来定位和估算出底盘相对上一时刻的位置，然后通过激光雷达402采集的测距数据来不断纠正移动底盘的位置，并建立地图，最终实现二维地图的建立。

jetsontk1开发板40与深度相机403通过usb连接，采集图像信息。通过编程构建ros平台上的人脸识别驱动包，调用opencv库，多次采集人脸图像，完成训练集，实现简易的人脸识别。并且深度相机403也可采集图像信息，实时在远程计算机里可视化出移动底盘的视角。

jetsontk1开发板40上连接有麦克风401与音箱404。麦克风401采集人的语音信息，经过在ros操作系统上自主编程搭建的语音识别、合成系统来完成相关音频处理，再通过图灵语义进行云端库的信息匹配，由音箱404发送出音频，最终实现语音交互的功能。同时，通过语义分析，捕捉语音输入信息中的关键词，进行相关键命令的输出,再将输出命令发送至stm32单片机50中，stm32单片机50发送相应控制信号给电机驱动模块502，驱动电机501运动，最终实现语音控制移动底盘完成运动。

基于已构建好的先验二维地图，ros系统中通过路径规划算法来计算出到达目标位置的最佳路径，并将一系列的速度控制指令发送给stm32单片机50，stm32单片机50发送相应控制信号给电机驱动模块502，驱动电机501运动，实现自主导航。导航过程中，结合深度相机403的视觉信息，通过动态窗口法（dwa）来进行局部的路径规划，实现避障。

jetsontk1开发板40通过与无线网卡、蓝牙接收器连接，能使用多台计算机通过局域网对移动底盘进行远程控制，实现多机协作完成相应控制，与多台电脑远程通信，多机协作，分布式控制移动机器人底盘。stm32单片机50通过jtag接口连接、安装液晶显示屏，实时显示移动底盘的里程计和速度信息。

上述实施例可以应用于家庭移动服务机器人。jetsontk1开发板40与深度相机403通过usb连接，采集图像信息。通过编程构建ros平台上的人脸识别驱动包，调用opencv库，多次采集人脸图像，完成训练集，实现简易的人脸识别。在识别出特定人脸后ros操作系统输出特定指令，将该指令设置为系统开关，实现人脸识别解锁机器人。jetsontk1开发板40上连接有麦克风401与音箱404。麦克风401采集人的语音信息，经过在ros操作系统上自主编程搭建的语音识别、合成系统来完成相关音频处理，再通过图灵语义进行云端库的信息匹配，选择合适的答句进行语音合成，由音箱404发送出音频，最终实现语音交互的功能，即人与机器人交流对话。在家庭环境中，通过语音交互功能可以实现机器人和幼儿、老人进行聊天陪护。并且基于已经建立好的室内二维地图，可以通过语义分析，捕捉语音输入信息中的关键词，在ros操作系统上进行相关键命令的输出,再将输出命令调用来执行自主导航功能，通过路径规划算法来计算出到达目标位置的最佳路径，同时结合深度相机403的视觉信息，通过动态窗口法（dwa）来进行局部的路径规划，实现实时避障。在导航过程中，ros操作系统将自主导航所需要的速度指令发送至stm32单片机50中，stm32单片机50发送相应控制信号给电机驱动模块502，驱动电机501运动，最终实现通过语音控制运动结合自主导航功能，因此在家庭环境中可以实现机器人听从主人语音指令进行指定位置的物品运送等。还可以增加相应的红外射频模块，利用语音来控制红外信号，进而控制具有红外开关的家电，实现智能家居。使人机交互方式更为便捷、灵活、智能化。另外还可以应用于送餐机器人。增加相应的取餐传感器模块与托盘，结合自主导航功能，即可实现指定餐桌位置的机器人送餐功能，在顾客取餐后，取餐传感器返回相应信号给机器人，执行返航。并且语音交互功能能够引起顾客兴趣，吸引客源。

发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

以上实施例中所述电机、电机支架、编码器、滚轮、电机驱动机构以及电池支架、音箱、支撑柱为镜像或多个并列设置，故只在图中标记出单个。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。