一种智能餐厅服务机器人的制作方法

本发明涉及智能送餐机器人领域，特别涉及一种智能餐厅服务机器人。

背景技术：

随着科技的进步和时代的发展，机器人和人工智能更多的进入了人们的生活，送餐机器人因其相比人工低廉的成本和高科技的定位越来越受到餐厅的青睐，现有的送餐机器人五花八门，但大多均采用磁轨导航定位，铺设成本高，且后期如果改变餐厅布局，送餐机器人的可行动范围就受到了限制。更重要的是，现有的餐厅机器人均无自主避障功能，在餐厅这种较为复杂的环境下，实用性较差，因此，提供一种新的送餐机器人，能够在餐厅内全方位自由移动，不受磁轨或餐厅布局的限制，尤其是可以自主避障，就显得尤为必要。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种智能餐厅服务机器人，能够在餐厅内全方位运动，不受磁轨影响，能自主避障，运行效率高，智能性高，具有很好的实用性，值得大范围推广。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种智能餐厅服务机器人，有一壳体1，壳体1底部为一个可移动底盘2，所述可移动底盘2设有驱动轮21和从动轮22，其中两轮为驱动轮21，其他为从动轮22；驱动轮21由电机驱动，从动轮22为万向轮；壳体1前后靠上位置布置有摄像头5及3d视觉成像传感器4；壳体1四周排列有上下两层超声波传感器3，用于测距和避障；壳体1顶部设置有食物托盘6，食物托盘6上部设置有可上下活动的盖体7；壳体1中部一侧向内凹进形成一盛放物品的空腔9；系统通过可充电锂电池组10供电；

还包括有：主控硬件模块11及实时定位及自动导航模块；自动避障功能模块；自动充电模块；语音识别及对话模块；其中：

主控硬件模块：采用cortex-a15作为主控芯片，操作系统为linux，ubuntu16.04版本，功能软件采用c++开发；采用usb3.0接口接收摄像头的图像数据，配置wifi模块用于和服务器通讯；

实时定位及自动导航模块：用于机器人的定位，行走路径规划及自动导航，由定位标签，摄像头，服务器及其地图管理软件构成，首先在机器人目标环境中建立定位标签信息，定位标签分为带有编码信息的专用标签，和无编码的普通标签；通过对目标环境及上述定位标签的测绘，确定定位标签坐标及机器人行走的通道信息，从而在安装于服务器的地图管理软件上建立目标环境地图；

摄像头用于在机器人行走过程中拍摄环境图像，从中识别出定位标签，并计算出定位标签在图像中的像素坐标；通过该预标定得到的映射关系，计算出机器人相对于标签的坐标；再将识别出的标签与地图中标签进行匹配，获得该标签在地图中的坐标，结合机器人相对于该标签的坐标，即可计算出机器人在地图中的坐标，完成机器人的实时定位；

在机器人接到指令时，通过a*算法，计算从当前位置到达目标位置的最优路径；在机器人运行时，导航模块根据所得路径及实时定位系统的数据，给出机器前进、后退和转向的指令；

自动避障功能模块；由两套各安装于机器人正面和背面的3d视觉成像传感器、一组沿机器人外壳周边布置的超声波测距传感器及避障算法模块构成；所述3d视觉成像传感器拍摄具有深度信息的图像，由此构建空间三维数字模型，进而判断该空间是否存在影响机器人前进或后退的障碍物，以及障碍物周边空间宽度是否可供机器人通过；如果有障碍物，但侧边有可通过的空间，避障算法模块设定避障路径，使机器人从障碍物边上绕行通过；如果有障碍物且其周边也不可通过，则将此点设为阻塞点，并启动导航算法，重新规划路径；3d视觉成像传感器的可靠成像范围是0.5～3米，超声波测距传感器的探测范围为0～0.5米，弥补3d视觉成像传感器的测量盲区；超声波传感器器沿机器人外壳周边分两层布置，每层安装有6～8个，覆盖机器人周边360°0.5m范围内的所有区域。

自动充电模块，包含安装于地面的充电座，和安装于机器人底盘的充电管理模块，包含电量检测模块，充电过程控制模块；对机器人进行电量监测，充电座状态判断及自动就位充电控制，充电座上设计有两个弹性电极，机器人底盘下设计有两个接触区12，充电系统采用24v低压供电，电量检测模块通过检测电池两端电压，判断是否需要立即充电；如果电压低于预设阈值，则将机器人设为低电量状态，不再接受新的任务，并将导航目标设置为预设的充电座位置；判断机器人进入充电位置后，启动充电过程控制模块进行充电；如果当前为工作时间，则进入快充模式；如果当前为非工作时间段，则进入慢充模式，慢充模式可以冲入更多有效电量，也有利于延长电池寿命；判断电量充满后即进入待命模式，接受工作指令。

语音识别及对话模块，具有自主交流功能。

进一步的，所述实时定位及自动导航模块中，普通标签为目标环境中具有明显特征的物体或图形，包含但不限于地板/瓷砖上的装饰性图案，紧急出口标签等，或特别为导航设计的具有环境友好性的标签，或其他自定义标签；专用标签的编码信息在一个地图中具有唯一性，专用标签起到机器人初始定位和重大误差纠偏功能。

进一步的，所述可移动底盘2前部有一从动轮22，后部有两平行驱动轮21，驱动轮21与从动轮22成三角形；或所述可移动底盘2中部有两驱动轮21，前后有两从动轮22，从动轮22与驱动轮21成菱形或

进一步的，所述可移动底盘2中部有两驱动轮21，前后有多个从动轮22，从动轮22位于驱动轮21两侧并均匀分布。

进一步的，所述可移动底盘2还可配备转向架，驱动轮21安装在转向架上，在应用差速转向机制的同时，控制转向架偏转驱动轮21朝向，使机器人转弯更灵活。

进一步的，所述摄像头5采用1920*1080全高清标准分辨率的摄像头，并可配备150°视角的广角镜头，摄像头数量为两个或多个；具有高帧率或全局曝光功能，帧率不低于60帧/秒；具有cortex-m3和usb3.0接口；

进一步的，所述实时定位及自动导航模块中，可选配置车轮位移传感器和惯导系统增加定位系统的可靠性。

进一步的，所述语音识别及对话模块采用讯飞语音识别及智能语义分析模块。

进一步的，所述的wifi通讯模块，可在2.4g和5g频道自动切换，避免因信道干扰导致的通讯故障。

进一步的，所述盖体通过升降机构8开合，升降机构8由精密滑轨81、精密滑块82、滚珠丝杠83、螺母84、步进电机85及相关附属部件组成，精密滑轨81与精密滑块82配合，螺母固定滚珠丝杠83，步进电机85控制滚珠丝杠83。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

一种智能餐厅服务机器人，能够在餐厅内全方位运动，不受磁轨影响，运行效率高，智能性高，具有很好的实用性，值得大范围推广。

超声波传感器具有较大的扩散角，无法对目标的方位进行精确测定，距离较远时其测量数据无法满足避障的要求，所以本设计采用3d视觉成像传感器和超声波传感器相结合的方式，很好的实现了机器人灵活避障和避免碰撞的功能。

接触区面积较大，可容许充电时机器人位置有一定的偏差，减低机器人定位的精度要求，提高系统可靠性和可用性。

充电系统采用24v低压供电，远低于可对人体造成伤害的电压。

采用本发明食品托盘及盖体的设置很好的防止了机器人行进过程中造成的食物溅撒，避免对经过的行人造成影响，增加了机器人的实用性和稳定性，使本申请机器人更具有市场前景和商业价值。

附图说明

图1为本发明的正面结构示意图。

图2为本发明可移动底盘的结构示意图。

图3为本发明升降机构的结构示意图。

1-壳体，2-可移动底盘，21-驱动轮，22-从动轮，3-超声波传感器，4-3d视觉成像传感器，5-摄像头，6-食品托盘，7-盖体，8-升降机构，9-空腔，10-可充电锂电池组，11-主控硬件模块，12-接触区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：

如图1-3所示，一种智能餐厅服务机器人，有一壳体1，壳体1底部为一个可移动底盘2，所述可移动底盘2设有驱动轮21和从动轮22，其中两轮为驱动轮21，其他为从动轮22；驱动轮21由电机驱动，从动轮22为万向轮；壳体1前后靠上位置布置有摄像头5及3d视觉成像传感器4；壳体1四周排列有上下两层超声波传感器3，用于测距和避障；壳体1顶部设置有食物托盘6，食物托盘6上部设置有可上下活动的盖体7；壳体1中部一侧向内凹进形成一盛放物品的空腔9；系统通过可充电锂电池组10供电；

还包括有：主控硬件模块11及实时定位及自动导航模块；自动避障功能模块；自动充电模块；语音识别及对话模块；其中：

主控硬件模块：采用cortex-a15作为主控芯片，操作系统为linux，ubuntu16.04版本，功能软件采用c++开发；采用usb3.0接口接收摄像头的图像数据，配置wifi模块用于和服务器通讯；

实时定位及自动导航模块：用于机器人的定位，行走路径规划及自动导航，由定位标签，摄像头，服务器及其地图管理软件构成，首先在机器人目标环境中建立定位标签信息，定位标签分为带有编码信息的专用标签，和无编码的普通标签；通过对目标环境及上述定位标签的测绘，确定定位标签坐标及机器人行走的通道信息，从而在安装于服务器的地图管理软件上建立目标环境地图；

摄像头用于在机器人行走过程中拍摄环境图像，从中识别出定位标签，并计算出定位标签在图像中的像素坐标；通过该预标定得到的映射关系，计算出机器人相对于标签的坐标；再将识别出的标签与地图中标签进行匹配，获得该标签在地图中的坐标，结合机器人相对于该标签的坐标，即可计算出机器人在地图中的坐标，完成机器人的实时定位；

在机器人接到指令时，通过a*算法，计算从当前位置到达目标位置的最优路径；在机器人运行时，导航模块根据所得路径及实时定位系统的数据，给出机器前进、后退和转向的指令；

自动避障功能模块；由两套各安装于机器人正面和背面的3d视觉成像传感器、一组沿机器人外壳周边布置的超声波测距传感器及避障算法模块构成；所述3d视觉成像传感器拍摄具有深度信息的图像，由此构建空间三维数字模型，进而判断该空间是否存在影响机器人前进或后退的障碍物，以及障碍物周边空间宽度是否可供机器人通过；如果有障碍物，但侧边有可通过的空间，避障算法模块设定避障路径，使机器人从障碍物边上绕行通过；如果有障碍物且其周边也不可通过，则将此点设为阻塞点，并启动导航算法，重新规划路径；3d视觉成像传感器的可靠成像范围是0.5～3米，超声波测距传感器的探测范围为0～0.5米，弥补3d视觉成像传感器的测量盲区；超声波传感器器沿机器人外壳周边分两层布置，每层安装有6～8个，覆盖机器人周边360°0.5m范围内的所有区域。

自动充电模块，包含安装于地面的充电座，和安装于机器人底盘的充电管理模块，包含电量检测模块，充电过程控制模块；对机器人进行电量监测，充电座状态判断及自动就位充电控制，充电座上设计有两个弹性电极，机器人底盘下设计有两个接触区12，充电系统采用24v低压供电，电量检测模块通过检测电池两端电压，判断是否需要立即充电；如果电压低于预设阈值，则将机器人设为低电量状态，不再接受新的任务，并将导航目标设置为预设的充电座位置；判断机器人进入充电位置后，启动充电过程控制模块进行充电；如果当前为工作时间，则进入快充模式；如果当前为非工作时间段，则进入慢充模式，慢充模式可以冲入更多有效电量，也有利于延长电池寿命；判断电量充满后即进入待命模式，接受工作指令。

语音识别及对话模块，具有自主交流功能。

进一步的，所述实时定位及自动导航模块中，普通标签为目标环境中具有明显特征的物体或图形，包含但不限于地板/瓷砖上的装饰性图案，紧急出口标签等，或特别为导航设计的具有环境友好性的标签，或其他自定义标签；专用标签的编码信息在一个地图中具有唯一性，专用标签起到机器人初始定位和重大误差纠偏功能。

进一步的，所述可移动底盘2前部有一从动轮22，后部有两平行驱动轮21，驱动轮21与从动轮22成三角形；或所述可移动底盘2中部有两驱动轮21，前后有两从动轮22，从动轮22与驱动轮21成菱形或

进一步的，所述可移动底盘2中部有两驱动轮21，前后有多个从动轮22，从动轮22位于驱动轮21两侧并均匀分布。

进一步的，所述可移动底盘2还可配备转向架，驱动轮21安装在转向架上，在应用差速转向机制的同时，控制转向架偏转驱动轮21朝向，使机器人转弯更灵活。

进一步的，所述摄像头5采用1920*1080全高清标准分辨率的摄像头，并可配备150°视角的广角镜头，摄像头数量为两个或多个；具有高帧率或全局曝光功能，帧率不低于60帧/秒；具有cortex-m3和usb3.0接口；

进一步的，所述实时定位及自动导航模块中，可选配置车轮位移传感器和惯导系统增加定位系统的可靠性。

进一步的，所述语音识别及对话模块采用讯飞语音识别及智能语义分析模块。

进一步的，所述的wifi通讯模块，可在2.4g和5g频道自动切换，避免因信道干扰导致的通讯故障。

进一步的，所述盖体通过升降机构8开合，升降机构8由精密滑轨81、精密滑块82、滚珠丝杠83、螺母84、步进电机85及相关附属部件组成，精密滑轨81与精密滑块82配合，螺母固定滚珠丝杠83，步进电机85控制滚珠丝杠83。

本发明的工作原理为：

实际工作中：一个可移动底盘及驱动系统，三轮也可设计为4～6轮结构，其中两轮为驱动轮，其他为从动轮。驱动轮为电机驱动的定向轮，也可配备可控转向架，从动轮为普通万向脚轮。驱动轮为定向轮时，机器人利用两轮差速实现转向，即控制两个驱动轮转速不同，机器人将向速度较低的轮子一侧转弯。配备控制可控转向架时，驱动轮安装在转向架上，在应用差速转向机制的同时，控制转向架偏转驱动轮朝向，使机器人转弯更灵活。

一个食品存放托盘和自动开启的保护罩，所述托盘具有自主平衡结构，可在机器人转弯、快速启停、颠簸或撞击时，防食物尤其是其中的液体溅撒出容器。保护罩起到保温及卫生防护功能，同时防止在运送高温食品时对人造成意外烫伤，起到安全防护功能。

一套实时定位及自动导航系统。在地面粘贴定位标签，定位标签分为带有编码信息的专用标签，和无编码的普通标签。通过对目标环境及上述定位标签进行测绘，在上位机软件(即安装于服务器的地图管理软件)建立目标环境的地图，地图信息中除包含用于实时定位的标签外，还包含通道信息。上述无编码的标签一般为目标环境中具有明显特征的物体或图形，包含但不限于地板/瓷砖上的装饰性图案，紧急出口标签等，或特别为导航设计的具有环境友好性的标签，也可以是任何自定义标签。上述有编码的标签的编码信息在一个地图中具有唯一性，只需少量布置，起到机器人初始定位和重大误差纠偏功能。机器人装备有摄像头，摄像头在机器人行走过程中拍摄环境图像，从中设别出定位标签，并计算出标签在图像中的像素坐标。通过上述预标定得到的映射关系，即可计算出机器人相对于标签的坐标。将识别出的标签与地图中标签进行匹配，获得该标签在地图中的坐标，结合机器人相对于该标签的坐标，即可计算出机器人在地图中的坐标，完成机器人的实时定位。在机器人接到指令时，通过a*算法，计算从当前位置到达目标位置的最优路径。在机器人运行时，导航模块根据所得路径及实时定位系统的数据，给出机器前进、后退和转向的指令。

高清高速摄像头：为了扩大机器人的视角，提高定位标签的搜索范围，同时确保足够的图像清晰度，需要采用高清摄像头，本发明采用的是1920*1080全高清标准分辨率的摄像头，并配备了150°视角的广角镜头。为覆盖更大区域，可配备两个或多个摄像头。又因为需要在移动中实时拍摄，为避免图像出现拖影或其他失真现象，进而影响到标签识别，需摄像头具有高帧率或全局曝光功能，本发明采用的帧率为60帧/秒。综合上述要求，本发明配备cortex-m3和usb3.0接口以满足大数据量的图像实时处理和传输要求。上述参数及配置仅为本发明的一种实现方式，还可根据标签散布范围和机器人行走速度等因素进行适当调整(并非对本发明保护范围的限制……)。

定位模块：usb3.0接口接收摄像头模块的图像数据。进一步的，为增加定位系统的可靠性，可配置车轮位移传感器和惯导系统。配备wifi接口模块，可与服务器建立无线数据通讯。配备cortex-a15作为主控芯片，采用linux操作系统，ubuntu16.04版本，功能软件采用c++开发，实现图像标定功能、标签识别功能及定位计算功能。

一套自动避障功能系统，包含两套各安装于机器人正面和背面3d视觉成像传感器、一组沿机器人外壳周边布置的超声波测距传感器及避障算法模块。3d视觉成像传感器可拍摄具有深度信息的图像，由此可构建空间三维数字模型，进而判断该空间是否存在影响机器人前进或后退的障碍物，以及障碍物周边空间宽度是否可供机器人通过。如果有障碍物，但侧边有可通过的空间，避障算法模块设定避障路径，使机器人从障碍物边上绕行通过。如果有障碍物且其周边也不可通过，则将此点设为阻塞点，并启动导航算法，重新规划路径。进一步，如果无其他可通行路径，则向服务器发送信息，请求人工干预以排除障碍物。3d视觉成像传感器的可靠成像范围是0.5～3米，0～0.5米为视觉盲区，无法对靠近机器人0.5米范围内障碍物进行检测。超声波测距传感器则覆盖了这一范围，超声波传感器器沿机器人外壳周边分两层布置，每层安装有6～8个，覆盖机器人周边360°0.5m范围内的所有区域。超声波传感器具有较大的扩散角，无法对目标的方位进行精确测定，距离较远时其测量数据无法满足避障的要求，所以本设计采用3d视觉成像传感器和超声波传感器相结合的方式，很好的实现了机器人灵活避障和避免碰撞的功能。

一套自动充电装置，包含安装于地面的充电座，和安装于机器人底盘的充电管理模块(电量监测，充电座状态判断，自动就位充电)。充电座上设计有两个弹性电极，机器人底盘下设计有两个接触区，接触区面积较大，可容许充电时机器人位置有一定的偏差，减低机器人定位的精度要求，提高系统可靠性和可用性。同时，充电系统采用24v低压供电，远低于可对人体造成伤害的电压(具体参见自动充电系统的发明描述)。充电管理模块包含电量检测模块，充电过程控制模块。电量检测模块通过检测电池两端电压，判断是否需要立即充电。如果电压低于预设阈值，则将机器人设为低电量状态，不再接受新的任务，并将导航目标设置为预设的充电座位置。判断机器人进入充电位置后，启动充电过程控制模块进行充电。如果当前为工作时间，则进入快充模式；如果当前为非工作时间段，则进入慢充模式，慢充模式可以冲入更多有效电量，也有利于延长电池寿命。判断电量充满后及进入待命模式，可接受工作指令。

一套语音识别及播放系统，具有自主交流功能。本发明采用讯飞语音识别及智能语义分析模块。

通过wifi通讯模块，与服务器交互。wifi模块可在2.4g和5g频道自动切换，避免因信道干扰导致的通讯故障。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。