家庭送水服务机器人系统及其动作方法
【专利摘要】本发明公开了一种家庭送水服务机器人系统及其动作方法，属于家庭服务机器人领域，所述家庭送水服务机器人系统包括指令接受装置、主控制系统、视觉系统、导航定位系统、执行机构以及用于远程受控的操作装置，所述主控制系统分别与所述指令接受装置、视觉系统及导航定位系统连接，所述执行机构与导航定位系统连接，其中：所述指令接受装置用于接受控制指令；所述主控制系统用于所述控制指令的处理、任务的规划和调度以及各系统的控制；所述视觉系统和导航定位系统用于室内导航定位和对任务目标的识别与定位；所述执行机构用于抓取和放置任务目标。本发明在接受使用者的喝水控制指令后能够完成一项完整的送水任务，能够更好的为使用者提供服务。
【专利说明】
家庭送水服务机器人系统及其动作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及家庭服务机器人领域，具体涉及一种家庭送水服务机器人系统及其动 作方法。
【背景技术】
[0002] "十二五"期间中国人口老龄化加速发展，人口老龄化形势更加严峻，逐步呈现出 老龄化、高龄化、空巢化加速发展的三个新特征。人口老龄化的加速必然导致老龄人口健康 问题凸显，高龄、失能和患病老年人的照料护理问题，更应该得到社会的普遍关注。
[0003] 随着近几年智能机器人技术的不断进步，家庭服务机器人行业也得到了快速的发 展。目前各类家庭服务机器人在家庭中功能比较齐全，但并不能为患者或老年人提供更好 的服务，也不能很好的在无人干涉下自主完成某一项任务。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种家庭送水服务机器人系统及其动作方法，其 在接受使用者的喝水控制指令后能够完成一项完整的送水任务。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
[0006] -种家庭送水服务机器人系统，包括指令接受装置、主控制系统、视觉系统、导航 定位系统、执行机构以及用于远程受控的操作装置，所述主控制系统分别与所述指令接受 装置、视觉系统及导航定位系统连接，所述执行机构与导航定位系统连接，其中：
[0007] 所述指令接受装置用于接受控制指令；
[0008] 所述主控制系统用于所述控制指令的处理、任务的规划和调度以及各系统的控 制；
[0009] 所述视觉系统和导航定位系统用于室内导航定位和对任务目标的识别与定位；
[0010] 所述执行机构用于抓取和放置任务目标。
[0011] 进一步的，所述指令接受装置在接受到所述控制指令后均有一个反馈过程，即所 述控制指令确认的过程。
[0012] 进一步的，所述主控制系统具有接受时间预约的功能，所述执行机构包括多自由 度的机械臂以及设置于所述机械臂末端的机械手。
[0013] 进一步的，所述导航定位系统内设置有用于初始定位所述任务目标的射频识别装 置。
[0014] 进一步的，所述家庭送水服务机器人系统还包括电源管理系统和与所述主控制系 统连接的显示装置，所述电源管理系统为各个系统、运动及执行机构提供能源，所述电源管 理系统为自主充电方式;所述显示装置用于显示所述控制指令和任务。
[0015] 进一步的，所述家庭送水服务机器人系统还包括自动烧水、定量取水装置，所述自 动烧水、定量取水装置包括水加热装置、冷却装置、水保温装置、称重装置和激光液位测量 装置，所述冷却装置分别与水加热装置和水保温装置连接，所述称重装置设置于放置水杯 处的下方，所述激光液位测量装置设置于出水口处。
[0016]上述家庭送水服务机器人系统的动作方法，包括：
[0017]步骤1:所述指令接受装置接受到使用者从所述操作装置发出的喝水指令，并通过 反馈环节完成所述喝水指令的确认；
[0018] 步骤2:所述主控制系统处理所述喝水指令，并完成喝水任务的规划；
[0019] 步骤3:所述导航定位系统对水杯和所述自动烧水、定量取水装置进行导航和定 位，之后所述主控制系统完成家庭送水服务机器人与水杯之间以及水杯与所述自动烧水、 定量取水装置之间的路径规划；
[0020] 步骤4:所述射频识别装置检测到水杯的初始定位后，所述视觉系统进一步进行水 杯的识别定位；
[0021] 步骤5:根据规划后的喝水任务、家庭送水服务机器人与水杯之间、水杯与所述自 动烧水、定量取水装置之间的路径以及所述视觉系统对水杯进一步的识别定位，所述执行 机构在所述主控制系统的控制下抓取水杯并将水杯放置在所述自动烧水、定量取水装置的 出水口处，完成精确定量的取水；
[0022] 步骤6:取水后，所述导航定位系统对家庭送水服务机器人与使用者之间的路径进 行导航和定位，之后所述主控制系统完成家庭送水服务机器人与使用者之间的路径规划， 家庭送水服务机器人在主控制系统的控制下将水送至使用者；
[0023] 步骤7:所述喝水任务完成后，家庭送水服务机器人在主控制系统的控制下将水杯 放置在原来的位置，完成一个控制指令。
[0024] 进一步的，所述步骤3和步骤6中的路径规划，包括：
[0025]步骤a:所述视觉系统实时采集室内环境信息，并进行预处理；
[0026]步骤b:采用边缘检测算法对预处理后的室内环境信息确定障碍物与安全区域的 边缘；
[0027]步骤c:采用边缘延伸原理确定视觉图像中障碍物的特征点；
[0028] 步骤d:采用改进的斥力场模型确定家庭送水服务机器人行驶的安全区域。
[0029] 进一步的，步骤a包括：
[0030] 步骤al:将采集的室内环境信息转换成HSV图像：
[0031 ]设：Max=max(R，G，B) ;Min=min(R，G，B);
[0032]当 Max 辛 Min 时：
[0035]当Max=Min时，即 R=G = B时，
[0037]步骤a2:然后采用中值滤波去除图像噪声：
[0039]其中，W (/,灸）为经过滤波后w(j，k)对应的输出，w(j，k)是图像的灰度值，A表示 图像像素的点集，L表示点集A的个数，T为门限值，w(x，y)表示在A中任意点集(x，y)对应的 像素值。
[0040]进一步的，所述改进的斥力场模型为：
[0042] 其中：Urep(q)为斥力场函数，kr是斥力场增益系数，P为家庭送水服务机器人到所 述视觉图像中障碍物特征点的距离，P0为室内障碍物的斥力场影响的范围。
[0043] 本发明具有以下有益效果：
[0044] 与现有技术相比，本发明的家庭送水服务机器人系统及其动作方法的指令接受装 置可以准确的接受到使用者通过操作装置发送的任务控制指令，并通过主控制系统进行控 制指令的处理、任务的规划和调度，导航定位系统和视觉系统可以实现自主的室内导航和 定位，寻找任务目标，执行机构在主控制系统的控制下实现任务目标的抓取、送回等，有效 地解决了目前家庭送水服务的需求，可以更好的服务使用者等。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明的家庭送水服务机器人系统的原理图；
[0046]图2为本发明的家庭送水服务机器人系统的自动烧水、定量取水装置的原理图； [0047]图3为本发明的家庭送水服务机器人系统动作方法的原理图；
【具体实施方式】
[0048] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。
[0049] -方面，本发明提供一种家庭送水服务机器人系统1，如图1至图3所示，包括指令 接受装置12、主控制系统13、视觉系统14、导航定位系统15、执行机构17以及用于远程受控 的操作装置11，主控制系统13分别与指令接受装置12、视觉系统14及导航定位系统15连接， 执行机构17与导航定位系统15连接，其中：
[0050] 指令接受装置12用于接受控制指令；
[0051] 主控制系统13用于控制指令的处理、任务的规划和调度以及各系统的控制；
[0052] 视觉系统14和导航定位系统15用于室内导航定位和任务目标的识别与定位；
[0053] 执行机构17用于抓取和放置任务目标。
[0054] 本发明的家庭送水服务机器人系统及其动作方法的指令接受装置可以准确的接 受到使用者通过操作装置发送的任务控制指令，并通过主控制系统进行控制指令的处理、 任务的规划和调度，导航定位系统和视觉系统可以实现自主的室内导航和定位，寻找任务 目标，执行机构在主控制系统的控制下实现任务目标的抓取、送回等，有效地解决了目前家 庭送水服务的需求，可以更好的服务使用者等。
[0055] 进一步的，指令接受装置12可以接受多种控制指令，例如，可以接受通过脑机接口 系统、语音、手势等发出的控制指令。
[0056] 优选的，指令接受装置12在接受到控制指令19后均可以有一个反馈过程，即控制 指令确认的过程。控制指令的确认对于家庭送水服务机器人来说就是一个任务的确认环 节，以确保任务的准确性，例如，当指令接受装置12接受脑机接口系统发出的控制指令时， 可以通过"斜视"的方法进行确认，所接受的控制指令及任务在显示装置18上显示后，使用 者向左"斜视"可表示为家庭送水服务机器人识别任务正确，确认;使用者向右"斜视"可表 示为家庭送水服务机器人识别任务错误，取消；当使用者通过语音进行识别控制指令时，家 庭送水服务机器人接受语音任务，并重复该任务进行确认，如果识别任务正确，使用者可通 过显示装置18进行确认，也可通过语音提示"正确"进行确认;如果识别任务错误，使用者可 通过显示装置18进行取消，也可通过语音提示"取消"进行取消。
[0057] 作为本发明的一种改进，主控制系统13优选具有接受时间预约的功能，执行机构 17可以包括多自由度的机械臂以及设置于机械臂末端的机械手。主控制系统13的时间预约 功能可以定时向使用者提供或提醒热水或者药，避免使用者忘记按时喝水或吃药等;机械 臂和机械手用于抓取和放置任务目标等。
[0058] 进一步的，室内导航定位系统15内可以设置有用于初始定位任务目标的射频识别 装置16。室内导航定位系统15在视觉系统14的协助下可以进行室内导航，射频识别装置16 可以实现家庭送水服务机器人系统1对任务目标的识别与定位，以及视觉的准确识别定位。
[0059] 优选的，家庭送水服务机器人系统1还可以包括电源管理系统（未示出）和与主控 制系统13连接的显示装置18,电源管理系统可以为各个系统、运动及执行机构17提供能源， 电源管理系统为自主充电方式；显示装置18用于显示控制指令和任务目标。电源管理系统 具有低压保护、报警等功能，低压时可以进行低压保护，并通过报警提示电量过低，停止家 庭送水服务机器人的任务，自主行走到"充电室"进行自主充电，以确保家庭送水服务机器 人停止且在室内无法移动；显示装置18可以协助控制指令的反馈，以及任务的确认。
[0060]作为本发明的另一种改进，家庭送水服务机器人系统1还可以包括自动烧水、定量 取水装置19,自动烧水、定量取水装置19可以包括水加热装置191、冷却装置192、水保温装 置193、称重装置194和激光液位测量装置195,冷却装置192分别与水加热装置191和水保温 装置193连接，称重装置194设置于放置水杯处的下方，激光液位测量装置195设置于出水口 处。
[0061 ]水加热装置191是在水温低于设定温度或热水接出后凉水自动注入时，自动开启 烧水功能，当水烧开时，自行关闭，以保证水加热装置191中的水以及给水保温装置193供给 的水始终为开水;冷却装置192主要用于对刚注入时的开水进行降温，当水保温装置193中 有热水注入时，自动开启冷却装置192，使热水冷却至设定温度，当水保温装置193中的水低 于设定温度时，自动开启保温功能，以保证取水的时候始终是适宜的温度，这样家庭送水服 务机器人在进行取水时，保证接出的水为恒温适宜的，可以直接饮用。
[0062]水杯采用统一重量、同一形状的水杯，以保证水杯的重量和高度到激光液位测量 装置195的距离一致;称重装置194用于测量注入水杯中水的重量，保证每次注入水的重量 相等，防止水的溢出；称重装置194和激光液位测量装置195均是防止水的溢出，优先级相 同，也就是称重装置194和激光液位测量装置195只要有一个首先到达设定值均关闭注水功 能并停止注水，防止水的溢出。
[0063]另一方面，提供一种对家庭送水服务机器人系统1的动作方法，包括：
[0064]步骤1:指令接受装置12接受到使用者从操作装置11发出的喝水指令21，并通过反 馈环节完成喝水指令的确认，确保接受到的喝水指令的准确性；
[0065]步骤2:主控制系统13处理喝水指令21，并完成喝水任务的规划，主控制系统处理 喝水指令21后，接受喝水任务，进一步进行喝水任务的解析以及调度，以此完成喝水任务的 规划；
[0066] 步骤3:导航定位系统15和视觉系统14对水杯和自动烧水、定量取水装置19进行导 航和定位，之后主控制系统13完成家庭送水服务机器人与水杯之间以及水杯与自动烧水、 定量取水装置19之间的路径规划，以确保家庭送水服务机器人能够准确的判断水杯和自动 烧水、定量取水装置19的位置；
[0067] 步骤4:射频识别检测装置16检测到水杯的初始定位后，视觉系统14进一步进行水 杯的识别定位，此步骤对于水杯的识别定位是为了执行机构17能够准确的抓取水杯；
[0068] 步骤5:根据规划后的喝水任务、家庭送水服务机器人与水杯之间、水杯与自动烧 水、定量取水装置19之间的路径以及视觉系统14对水杯进一步的识别定位，执行机构17在 主控制系统13的控制下抓取水杯并将水杯放置在自动烧水、定量取水装置19的出水口处， 完成精确定量的取水；
[0069] 步骤6:取水后，导航定位系统15对家庭送水服务机器人与使用者之间的路径进行 导航和定位，并完成家庭送水服务机器人与使用者之间的路径规划，之后家庭送送水服务 机器人在主控制系统13的控制下将水送至使用者；
[0070] 步骤7:喝水任务完成后，家庭送送水服务机器人在主控制系统13的控制下将水杯 放置在原来的位置，完成一个控制指令。
[0071] 使用者采用操作装置11将喝水任务指令发出后，在家庭送水服务机器人系统的各 系统、执行机构之间相互协调工作，共同完成送水的任务。家庭送水服务机器人系统也可以 实现定时送药等功能。
[0072] 优选的，步骤3和步骤6中的路径规划，可以包括：
[0073]步骤a:视觉系统14实时采集室内环境信息，并进行预处理；
[0074]步骤b:采用边缘检测算法对预处理后的室内环境信息确定障碍物与安全区域的 边缘，边缘检测算法可以检测到障碍物的边缘曲线，能够将障碍物与安全区域很好地区分 开来；
[00"75]步骤c:采用边缘延伸原理确定视觉图像中障碍物的特征点；
[0076]步骤d:采用改进的斥力场模型确定家庭送水服务机器人行驶的安全区域，改进的 斥力场模型能够解决人工势场法中存在的局部极小值问题以及目标点不可达的问题，确保 家庭送水服务机器人行驶的安全区域的准确性。
[0077] 进一步的，步骤a还可以包括：
[0078]步骤al:将采集的室内环境信息转换成HSV图像：
[0079] 设：Max=max(R，G，B) ;Min=min(R，G，B);
[0080] 当 Max 辛 Min 时：
[0082]当 Max=Min 时，BPR=G = B 时，
[0084]将采集的室内环境信息转换成HSV图像可以对其更容易地处理，方便调整其饱和 度和亮度。
[0085]步骤a2:然后采用中值滤波去除图像噪声：
[0087]其中，诼（./, O为经过滤波后w(j，k)对应的输出，w(j，k)是图像的灰度值，A表示 图像像素的点集，L表示点集A的个数，T为门限值，w(x，y)表示在A中任意点集(x，y)对应的 像素值。中值滤波方法运算简单而且速度较快，在去除图像噪声的同时能够很好地保护图 像边缘，使图像较好地复原。
[0088]优选的，改进的斥力场模型为：
[0090]其中：Urep(q)为斥力场函数，kr是斥力场增益系数，P为家庭送水服务机器人到所 述视觉图像中障碍物特征点的距离，Po为室内障碍物的斥力场影响的范围。
[0091]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种家庭送水服务机器人系统，其特征在于，包括指令接受装置、主控制系统、视觉 系统、导航定位系统、执行机构以及用于远程受控的操作装置，所述主控制系统分别与所述 指令接受装置、视觉系统及导航定位系统连接，所述执行机构与导航定位系统连接，其中： 所述指令接受装置用于接受控制指令； 所述主控制系统用于所述控制指令的处理、任务的规划和调度以及各系统的控制； 所述视觉系统和导航定位系统用于室内导航定位和对任务目标的识别与定位； 所述执行机构用于抓取和放置任务目标。2. 根据权利要求1所述的家庭送水服务机器人系统，其特征在于，所述指令接受装置在 接受到所述控制指令后均有一个反馈过程，即所述控制指令确认的过程。3. 根据权利要求1所述的家庭送水服务机器人系统，其特征在于，所述主控制系统具有 接受时间预约的功能，所述执行机构包括多自由度的机械臂以及设置于所述机械臂末端的 机械手。4. 根据权利要求1所述的家庭送水服务机器人系统，其特征在于，所述导航定位系统内 设置有用于初始定位所述任务目标的射频识别装置。5. 根据权利要求1至4中任一所述的家庭送水服务机器人系统，其特征在于，所述家庭 送水服务机器人系统还包括电源管理系统和与所述主控制系统连接的显示装置，所述电源 管理系统为各个系统、运动及执行机构提供能源，所述电源管理系统为自主充电方式;所述 显示装置用于显示所述控制指令和任务。6. 根据权利要求5所述的家庭送水服务机器人系统，其特征在于，所述家庭送水服务机 器人系统还包括自动烧水、定量取水装置，所述自动烧水、定量取水装置包括水加热装置、 冷却装置、水保温装置、称重装置和激光液位测量装置，所述冷却装置分别与水加热装置和 水保温装置连接，所述称重装置设置于放置水杯处的下方，所述激光液位测量装置设置于 出水口处。7. 根据权利要求6所述的家庭送水服务机器人系统的动作方法，其特征在于，包括： 步骤1:所述指令接受装置接受到使用者从所述操作装置发出的喝水指令，并通过反馈 环节完成所述喝水指令的确认； 步骤2:所述主控制系统处理所述喝水指令，并完成喝水任务的规划； 步骤3:所述导航定位系统对水杯和所述自动烧水、定量取水装置进行导航和定位，之 后所述主控制系统完成家庭送水服务机器人与水杯之间以及水杯与所述自动烧水、定量取 水装置之间的路径规划； 步骤4:所述射频识别装置检测到水杯的初始定位后，所述视觉系统进一步进行水杯的 识别定位； 步骤5:根据规划后的喝水任务、家庭送水服务机器人与水杯之间、水杯与所述自动烧 水、定量取水装置之间的路径以及所述视觉系统对水杯进一步的识别定位，所述执行机构 在所述主控制系统的控制下抓取水杯并将水杯放置在所述自动烧水、定量取水装置的出水 口处，完成精确定量的取水； 步骤6:取水后，所述导航定位系统对家庭送水服务机器人与使用者之间的路径进行导 航和定位，之后所述主控制系统完成家庭送水服务机器人与使用者之间的路径规划，家庭 送水服务机器人在主控制系统的控制下将水送至使用者； 步骤7:所述喝水任务完成后，家庭送水服务机器人在主控制系统的控制下将水杯放置 在原来的位置，完成一个控制指令。8. 根据权利要求7所述的动作方法，其特征在于，所述步骤3和步骤6中的路径规划，包 括： 步骤a:所述视觉系统实时采集室内环境信息，并进行预处理； 步骤b:采用边缘检测算法对预处理后的室内环境信息确定障碍物与安全区域的边缘； 步骤c:采用边缘延伸原理确定视觉图像中障碍物的特征点； 步骤d:采用改进的斥力场模型确定家庭送水服务机器人行驶的安全区域。9. 根据权利要求8所述的动作方法，其特征在于，步骤a包括： 步骤al:将采集的室内环境信息转换成HSV图像： 设:Max=max(R，G，B) ;Min=min(R，G，B); 当Max辛Min时：当Max=Min时，即 R=G = B 时，步骤a2:然后采用中值滤波去除图像噪声：其中，圾（_/，左）为经过滤波后w(j，k)对应的输出，w(j，k)是图像的灰度值，A表示图像 像素的点集，L表示点集A的个数，T为门限值，w(x，y)表示在A中任意点集(x，y)对应的像素 值。10.权利要求8所述的动作方法，其特征在于，所述改进的斥力场模型为：其中:Urep(q)为斥力场函数，kr是斥力场增益系数，P为家庭送水服务机器人到所述视觉 图像中障碍物特征点的距离，P 0为室内障碍物的斥力场影响的范围。
【文档编号】G05B19/418GK106054829SQ201610369602
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】鲁守银, 张营, 王涛, 周玉成, 高焕兵, 隋首钢
【申请人】山东建筑大学