專利名稱：智能移動機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能移動機器人，尤其涉及一種以筆記本電腦作為大腦的智能移動機器人，主要用于智能移動機器人有關技術的研究實驗、交互式科普展覽、機器人足球比賽等。屬于機電智能控制技術領域。
背景技術：
隨著相關科學技術領域的發展，智能移動機器人在強大的潛在需求下成了當前機器人的研究熱點，也使得智能移動機器人相關人才的培養提到了臺面。但是目前缺少成本低廉、結構合理的智能移動機器人作為研究實驗和教學平臺。
從智能移動機器人的決策控制角度分析，如同人類的大腦和小腦的功能分工，大體可以分成兩個層次一是機器人本體執行機構的底層開閉環控制；二是從接收環境信息到根據任務要求進行分析并最終做出決策規劃的高層智能控制，類同于人類大腦的功能層次。
就目前的技術發展而言，一方面，移動機器人本體執行機構的底層開閉環控制技術已經相當成熟。這意味著對于機器人本體執行機構的底層開閉環控制來說，一旦設計完成后，就沒有多少進行系統升級的壓力。另一方面，智能移動機器人的高層智能控制技術還不成熟，研究試驗的復雜程度在逐漸加深，現實是特定計算機的硬件性能不能滿足超過一定復雜程度的高層實時智能控制的要求，這意味著對于機器人的大腦來說，有著根據應用要求選用合適硬件的強大需求。
目前，國內外開發了一些智能移動機器人，以工控機或專用的計算機作為機器人的大腦。2001年上海交通大學也開發出一種以工控機作為大腦的智能移動機器人。在科學研究使用實踐中，復雜智能系統對于機器人大腦的計算能力要求很高。智能移動機器人的一個基本要求是能對環境變化和當前任務做出實時的決策和反應。完成復雜程度不同的實時任務對機器人大腦的分析計算能力的要求不同，這使得對構成機器人大腦的硬件的性能要求各不相同。有些實時任務目前的普通的計算機硬件就能滿足要求，有些則需要高檔的或幾年后的計算機硬件才能滿足要求。而機器人安裝了工控機或專用的計算機作為大腦后，由于硬件結構上的原因，更換大腦極為不便，這限制了用戶應用機器人完成各種層次的研究試驗的能力；另外，用工控機或專用計算機作為大腦，機器人的調試也不太方便。
公開號為CN 1394660A的中國發明專利《全自主型足球機器人及其智能控制系統》，采用主機板作為機器人智能系統的運作硬件基礎，機器人的各功能模塊硬件固定安裝在各分格層內，使得機器人硬件的拆卸維修比較麻煩；也由于用了固定在機器人車體內部的主機板作為智能系統運作的硬件基礎，給系統的升級換代帶來了極大的困難；由于其設計的特點，包括體系結構限制、傳感器配置、通信設備限制等，使得其用途被限制于足球機器人比賽，缺乏通用性。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種新的智能移動機器人，使得機器人的升級換代更為方便，通用性更強。
為實現這樣的目的，本發明的智能移動機器人由車體平臺和機器人大腦兩大部分組成。機器人大腦采用筆記本電腦，連接有無線以太網絡通信設備和通用分組無線業務GPRS轉接卡；車體平臺包含雙輪差速型運動執行機構、下位機、全維視覺傳感器、有向視覺傳感器、超聲波傳感器、里程計、儲能/供電系統等。全維視覺傳感器和全維視覺反射鏡構成全維視覺傳感器系統，豎直安裝在機器人頂部，有向視覺傳感器以斜向下方向安裝在機器人背部，全維視覺和有向視覺的視頻數據線通過通用串行總線USB接口連接到筆記本電腦上。機器人車體周身安裝若干個超聲波傳感器，各超聲波傳感器的分布方式以確保它們的感應范圍相互銜接，超聲波傳感器與設置在車體內部的下位機的I/O口相連。機器人兩側壁安裝的驅動輪與帶減速器的運動執行電機相連，舵輪安裝在機器人底盤后部中間，機器人側壁上的凹槽中插有驅動輪保護板，筆記本電腦通過串口線與設置在車體內部的下位機串口相連，兩個伺服放大器安裝在機器人左右兩內側，分別位于兩個運動執行電機后方并用于驅動運動執行電機，兩運動執行電機分別對稱固定在機器人左右側壁上，兩個編碼器分別連接在兩運動執行電機上，編碼器的編碼線同時連到下位機和相應的伺服放大器上，電池組安裝在運動執行電機后面的機器人空腔內。下位機與儲能/供電系統相連，并留有多個空閑的I/O口，供用戶控制加裝的執行機構使用。
本發明的智能移動機器人中，機器人大腦負責采集處理視覺信號、負責與外界對象(包括其它機器人)的通信和高層決策等任務。機器人大腦接收有向視覺傳感器和全維視覺傳感器系統捕捉的視覺信息，進一步融合視覺信息、超聲波傳感器信息、里程計信息和儲能信息得到環境感知，然后將作出的行為決策指令通過串口下達給下位機執行。同時可通過無線以太網絡通信設備或GPRS轉接卡接受外來指令和進行機器人間的通信，然后根據任務要求做出決策，并將決策通告給其它機器人或監控站。
本發明的智能移動機器人中，下位機以數字信號處理器DSP板為基礎構成，負責機器人的運動執行電機等執行機構的底層控制；還負責采集獲取里程計信息、超聲波傳感器信息和儲能狀態等。下位機根據機器人大腦的指令要求，確定其當前任務若是狀態信息查詢指令，負責向機器人大腦反饋有關狀態信息；若是運動執行指令，下位機負責向伺服放大器發出控制信號。下位機以1毫秒為周期采樣編碼器信號，其一方面將采集到的編碼器信號應用到運動執行機構的底層閉環控制，另一方面通過一定的算法將采集到編碼器信號進行累計獲得里程計信息，包括直線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度等信息。下位機負責控制超聲波傳感器的輪流點火，并采集超聲波傳感器信息。下位機采樣并處理獲得機器人的儲能狀態信息。下位機通過串口將獲得的里程計信息、超聲波傳感器信息和儲能狀態以及機器人狀態信息上傳給機器人大腦。
本發明的機器人可以通過無線以太網絡通信設備與其它機器人進行通信聯系，也可以通過該無線網絡通信設備連接到因特網中。機器人也可以通過GPRS卡接入公共電話網，既允許機器人之間通過公共電話網系統進行通信，也允許通過公共電話網系統對機器人進行遙控。這使得機器人具備了在受到監控的情況下進行郊野戶外活動的能力，拓展了智能機器人技術研究的實驗應用范圍。
本發明應用筆記本電腦作為機器人的大腦，允許在幾秒鐘時間內把機器人的大腦拆下，編寫好軟件后再在幾秒鐘時間內將大腦輕松裝上去做實驗。本發明使得智能移動機器人能夠根據應用要求輕松更換其大腦的能力。
本發明的智能移動機器人可用于移動機器人科學研究實驗，也可用其來開展交互式的機器人科普展覽活動，加裝踢球護球機構，還可用于自主式機器人足球比賽。
圖1是本發明智能移動機器人的外觀側向示意圖。
圖1中，1是筆記本電腦，2是有向視覺傳感器，3是全維視覺傳感器，4是全維視覺反射鏡，3和4構成了全維視覺硬件系統，5是超聲波傳感器，6是驅動輪，7是舵輪，8是驅動輪保護板，9是機器人大腦與下位機間的串口線，10是儲能狀態指示燈，11是保險絲，12是充電器插頭，13是視覺傳感器電源線，14是視覺傳感器視頻數據線。
圖2是本發明智能移動機器人的外觀前向示意圖。
圖2中，1是筆記本電腦，2是有向視覺傳感器，3是全維視覺傳感器，4是全維視覺反射鏡，3和4構成了全維視覺傳感器系統，5是超聲波傳感器，6是驅動輪，7是舵輪，8是驅動輪保護板，9是機器人大腦與下位機間的串口線，13是視覺傳感器電源線，14是視覺傳感器視頻數據線，15是伺服放大器，16是運動執行電機，17是編碼器，18是電池組。
圖3是本發明智能移動機器人的系統主要功能模塊構成示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步的描述。
本發明智能移動機器人的結構如圖1所示，主要由機器人大腦和機器人車體組成。為方便拆卸，作為機器人大腦的筆記本電腦1安放在移動機器人的背部。無線以太網絡通信設備和GPRS轉接卡插接在筆記本電腦1上。有向視覺傳感器2以朝斜前下方的方向安裝在機器人背部前方。全維視覺傳感器3和全維視覺反射鏡4構成的全維視覺傳感器系統豎直安裝在機器人車體背部，有向視覺傳感器2和全維視覺傳感器系統通過視覺傳感器視頻數據線14連接到筆記本電腦1的USB接口，并通過插接在車體頂部的視覺傳感器電源線13與電源連接。在機器人車體上蓋板下方的車體周身安裝若干個超聲波傳感器5，各超聲波傳感器的分布方式以確保它們的感應范圍相互銜接為準，超聲波傳感器5與設置在車體內部的下位機的I/O口相連。兩個驅動輪6分別安裝在機器人兩側壁，并分別與兩個帶減速器的運動執行電機相連。舵輪7安裝在機器人底盤后部中間，它是一隨動輪，起支撐車體作用。機器人側壁上的凹槽中插有驅動輪保護板8，可在機器人需要維修時方便地將其拔出。筆記本電腦1通過串口線9與下位機串口相連。機器人側壁面板上安裝四個不同顏色的發光二極管10及兩個保險絲插座11，分別用于指示供電儲能系統的供電電平，以及內部供電和外接電源供電的短路保護。側壁面板上還安裝有電池組充電插頭12。
圖2是本發明智能移動機器人結構的外觀前向示意圖。由圖2可見，作為機器人大腦的筆記本電腦1安放在移動機器人的背部。機器人車體的前側下部開口，以方便用戶安裝附加的執行結構。有向視覺傳感器2和全維視覺傳感器系統3、4均安裝在機器人車體的背部。有向視覺傳感器2和全維視覺傳感器系統通過視覺傳感器視頻數據線14連接到筆記本電腦1的USB接口，并通過插接在車體頂部的視覺傳感器電源線13與電源連接。在機器人車體上蓋板下方的車體周身安裝若干個超聲波傳感器5，各超聲波傳感器的感應范圍相互銜接。筆記本電腦1通過串口線9與設置在車體內部的下位機串口相連。本發明采用雙輪差速型運動執行機構，其中，機器人兩側壁的驅動輪6與帶減速器的運動執行電機16直接相連，起支撐車體作用的舵輪7安裝在機器人底盤后部中間。機器人側壁上的凹槽中插有驅動輪保護板8。兩個伺服放大器15安裝在機器人左右兩內側，分別位于兩個運動執行電機16后方并用于驅動運動執行電機16。兩運動執行電機16分別對稱固定在機器人左右側壁上，位置處于中前部，使得機器人的重心靠近兩運動執行電機軸線但又在其后方一定距離。兩個編碼器17分別連接在兩運動執行電機16上，編碼器17的編碼線同時連到下位機和相應的伺服放大器15上。電池組18安裝在運動執行電機16后面的機器人空腔內。兩運動執行電機16中間和前方為空腔，用戶可在此空腔內安裝附加的執行機構，比如應用于機器人足球比賽時可安裝踢護球機構。
本發明的智能移動機器人中，供電儲能系統的電源板位于電池組18后方、舵輪7上方的機器人車體內部空腔。下位機和其它的一些電路板安裝在機器人車體上蓋板下方，電池組18上方的隔層內。
圖3是本發明智能移動機器人的系統主要功能模塊構成示意圖。本發明的智能移動機器人中，機器人大腦以筆記本電腦1為硬件基礎，連接有無線以太網絡通信設備和GPRS轉接卡。機器人大腦通過USB接口連接機器人車體上的全維視覺傳感器系統和有向視覺傳感器的視頻數據線。機器人大腦通過RS232串行接口與下位機相連。下位機以DSP板為基礎構成。下位機的I/O口與運動執行機構中的伺服放大器15相連，伺服放大器15驅動運動執行電機16，安裝在運動執行電機上的編碼器17通過碼盤反饋線連到伺服放大器15和下位機。機器人車體上安裝有超聲波傳感器5，超聲波傳感器5與下位機的I/O口相連。下位機與儲能/供電系統相連，并留有多個空閑的I/O口，供用戶控制加裝的執行機構使用。
本發明中的機器人大腦負責與外界的通信、全維視覺傳感器系統3、4和有向視覺傳感器2的信息獲取和處理、環境與自身狀態感知、系統決策工作等。下位機負責執行機構的底層控制、里程計信息獲取、超聲波傳感器5的控制與信息處理，以及供電系統儲能情況的檢測估計等。
本發明通過無線以太網絡設備和GPRS轉接卡與外界通信。通過這兩種通信設備，機器人可以與其它機器人進行通信交互，也可以與系統管理工作站進行交互，接收人的命令，還可以接入因特網。通過GPRS轉接卡，機器人能夠接入GSM網等公共電話網，使得機器人之間能夠通過公共電話網系統進行通信，也允許通過公共電話網系統對機器人進行遠程配置和遙控，這對于應用本發明所述的智能移動機器人進行戶外的科學研究實驗極有幫助。
本發明中下位機由DSP板構成，一方面負責采集兩個編碼器17的反饋數據并處理獲得里程計信息，負責獲取采集超聲波傳感器5的信息等傳感器信息和儲能/供電系統的儲能狀態等機器人狀態信息，另一方面負責實施對機器人的運動執行電機16等執行機構的底層控制。下位機在收到機器人大腦1的指令要求后，確定其當前任務，然后根據任務做出相應反應若收到的是狀態信息查詢指令，下位機負責向機器人大腦1反饋有關的狀態信息；若收到的是運動執行指令，下位機根據編碼器17的反饋信號，負責向伺服放大器15發出合適的控制信號。下位機以1毫秒為周期采樣兩個編碼器17的信號，一方面通過一定的算法將采集到編碼器17的信號進行累計獲得里程計信息，包括直線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度等信息；另一方面將采集到的編碼器17的信號應用到運動執行機構的底層閉環控制。下位機負責控制超聲波傳感器5的輪流點火，并采集處理超聲波傳感器5的反饋信息。下位機采樣并處理獲得機器人的儲能/供電系統的儲能狀態信息。下位機通過串口將獲得的里程計信息、超聲波傳感器信息和儲能狀態以及機器人狀態信息上傳給機器人大腦1。
本發明的機器人自帶大容量24V可充電電池組，使得機器人能夠獨立連續工作4小時以上，能保證許多種科學實驗和交互式科普展覽活動的連續進行。此外還留有多個24V電源接頭，以給用戶添加的執行機構提供能量。機器人儲能/供電系統具有電池組過放保護和短路過流保護等功能，并由機器人大腦隨時監控機器人的自身儲能情況，通過LED指示燈給出當前的儲能水平的直觀指示。
權利要求
1.一種智能移動機器人，包括機器人大腦和機器人車體，其特征在于采用筆記本電腦(1)作為機器人大腦，筆記本電腦(1)上插接無線以太網絡通信設備和通用分組無線業務轉接卡，有向視覺傳感器(2)以及由全維視覺傳感器(3)和全維視覺反射鏡(4)構成的全維視覺傳感器系統通過視覺傳感器視頻數據線(14)與筆記本電腦(1)的USB接口連接，機器人車體周身安裝若干個超聲波傳感器(5)，各超聲波傳感器的分布方式以確保它們的感應范圍相互銜接，超聲波傳感器(5)與設置在車體內部的下位機的I/O口相連，兩個驅動輪(6)分別安裝在機器人兩側壁，并分別與兩個帶減速器的運動執行電機(16)相連，舵輪(7)安裝在機器人底盤后部中間，機器人側壁上的凹槽中插有驅動輪保護板(8)，筆記本電腦(1)通過串口線(9)與下位機串口相連，兩個伺服放大器(15)安裝在機器人左右兩內側，分別位于兩個運動執行電機(16)后方并用于驅動運動執行電機(16)，兩運動執行電機(16)分別對稱固定在機器人左右側壁上，兩個編碼器(17)分別連接在兩運動執行電機(16)上，編碼器(17)的編碼線同時連到下位機和相應的伺服放大器(15)上，電池組(18)安裝在運動執行電機(16)后面的機器人空腔內，下位機與儲能/供電系統相連，并留有多個空閑的I/O口，供用戶控制加裝的執行機構使用。
全文摘要
一種智能移動機器人，包括車體平臺和機器人大腦兩大部分，采用筆記本電腦作為機器人大腦，其上連接有無線以太網絡通信設備和通用分組無線業務GPRS轉接卡，機器人設置有向視覺傳感器、由全維視覺傳感器和全維視覺反射鏡構成的全維視覺傳感器系統，以及分布在車體周身的超聲波傳感器，機器人大腦負責采集處理視覺信號，負責與外界對象的通信和高層決策，下位機負責機器人執行機構的底層控制，并將采樣獲得的里程計信息、超聲波傳感器信息和儲能狀態信息上傳給機器人大腦。本發明的智能移動機器人可用于移動機器人科學研究實驗，也可用于交互式的機器人科普展覽活動，加裝踢球護球機構還可用于自主式機器人足球比賽。
文檔編號B25J13/00GK1586826SQ20041005304
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月22日 優先權日2004年7月22日
發明者羅真, 曹其新, 陳衛東, 繆壽洪, 黃彥文, 徐化 申請人:上海交通大學