自主服務機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種自主服務機器人，包括輪式機器人本體、機械手、嵌入式視覺模塊、WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控制系統和機器人控制板；機械手安裝在輪式機器人本體上；嵌入式視覺模塊安裝在所述機械手的頂部，并與機器人控制板連接，嵌入式視覺模塊是用于對外部環境圖像信息進行處理；WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控制系統包括WIFI模塊和PC機，WIFI模塊安裝在所述輪式機器人本體內，PC機通過WIFI模塊遠程向服務機器人發送控制指令；機器人控制板安裝在輪式機器人本體上，機器人控制板根據WIFI模塊傳遞過來的控制指令控制輪式機器人本體、機械手和嵌入式視覺模塊。本實用新型采用嵌入式視覺模塊保證了機器人的服務多樣性和穩定性。
【專利說明】自主服務機器人
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及機器人交互及控制【技術領域】，尤其涉及一種自主服務機器人。
【背景技術】
[0002] 服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有意于人類健康的服 務工作，但不包括從事生產的設備。
[0003] 目前，服務機器人都是基于半自動模式下來開展任務，這就必須通過人工來操作 和控制；這也就成為了服務機器人發展的短板。
[0004] 而且，現在自主服務機器人一直都是使用PC機來參與復雜的圖像處理，再通過無 線來控制機器人的動作，這樣，消耗了大量的傳輸時間和受到了距離的限制；并且高分辨率 的物體識別技術也是進一步困擾機器人智能化的發展。
[0005] 因此，本領域的技術人員致力于開發一種自主服務機器人，其將所有的圖像處理 過程全部在機器人的本體上完成，從而直接控制機械手和機器人本體來協調工作，實現自 主跟蹤對象,鎖定對象,分析對象形狀，自主完成任務等功能。 實用新型內容
[0006] 有鑒于現有技術的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種自主服 務機器人。
[0007] 為實現上述目的，本實用新型提供了 一種自主服務機器人，包括輪式機器人本體 和機械手，其特征在于，所述服務機器人還包括嵌入式視覺模塊、WIFI視覺傳輸及基于PC 機監控與控制系統和機器人控制板；
[0008] 所述機械手安裝在所述輪式機器人本體上；
[0009] 所述嵌入式視覺模塊安裝在所述機械手的頂部，并與所述機器人控制板連接，所 述嵌入式視覺模塊是用于對外部環境圖像信息進行處理；
[0010] 所述WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控制系統包括WIFI模塊和PC機，所述WIFI 模塊安裝在所述輪式機器人本體內，所述PC機通過所述WIFI模塊遠程向所述服務機器人 發送控制指令；
[0011] 所述機器人控制板安裝在所述輪式機器人本體上，所述機器人控制板根據所述 WIFI模塊傳遞過來的所述控制指令控制所述輪式機器人本體、所述機械手和所述嵌入式視 覺模塊。
[0012] 進一步地，所述輪式機器人本體包括四個驅動輪和面板，且所述驅動輪對稱地安 裝在所述面板的兩側；所述面板上設置有多個固定孔。
[0013] 進一步地，所述機械手采用五自由度鋁合金機械手，包括5個微伺服舵機。
[0014] 進一步地，所述服務機器人還包括安裝在所述輪式機器人本體上的攝像頭和視覺 云臺；所述嵌入式視覺模塊所處理的所述外部環境圖像信息是由所述攝像頭所采集的。
[0015] 進一步地，所述嵌入式視覺模塊采用嵌入Iinux系統的Propeller P8X32A八核32 位芯片。
[0016] 進一步地，所述機器人控制板包括電機驅動模塊和舵機驅動模塊。
[0017] 進一步地，所述WIFI模塊是路由器。
[0018] 進一步地，所述路由器安裝有由Iinux構建的OpenWrt軟件。
[0019] 進一步地，所述PC機通過自身安裝的WIFIREB0T客戶端軟件向所述服務機器人發 送控制指令。
[0020] 進一步地，所述機器人控制板采用基于arduino2560的嵌入式控制系統。
[0021] 本實用新型公開了一種小型自主服務機器人解決方案，通過集成嵌入式視覺系統 和移動機械手臂通過無線網絡傳輸利用計算機強大的運算能力協調工作來實現服務的多 樣性和智能性，主要涉及領域為服務型機器人，整個系統由嵌入式視覺系統鎖定目標，通過 四驅移動平臺來跟蹤，再通過機械手臂來執行，最后通過WIFI無線設備及時抓取圖片和完 成任務的反饋等信息。
[0022] 高分辨率的物體識別技術一直困擾服務機器人進一步智能化的發展難題，以往一 直是使用PC機的參與復雜的圖像處理，再通過無線來控制機器人的動作，這樣一來消耗了 大量的傳輸時間和受到了距離的限制，本機器人使用32位8核主芯片作為嵌入式控制器嵌 入Iinux操作系統，所有的圖像處理可以在機器人本體上直接識別出來，從而直接控制機 械手和機器人本體來協調工作。
[0023] 本實用新型的一種帶視覺系統的機器人，采用基于嵌入式視覺模塊的邊沿特征跟 蹤與匹配特征的圓形模型化與中心坐標提取算法來達到動態抓取的準確性和連貫性，并且 能夠得到目標坐標控制機械手執行CA時間的最優機械臂軌跡規劃算法快速響應動作，再 通過wifi傳輸到PC機對任務完成進行監控和規劃，保證了機器人的服務多樣性和穩定性。
[0024] 以下將結合附圖對本實用新型的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說 明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是本實用新型的自主服務機器人的結構示意圖；
[0026] 圖2是本實用新型的自主服務機器人的一個較佳實施例的結構示意圖；
[0027] 圖3本實用新型的自主服務機器人的四輪驅動機器人本體的結構示意圖；
[0028] 圖4是本實用新型的自主服務機器人的五自由度機械手的結構示意圖；
[0029] 圖5是本實用新型的自主服務機器人的WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控制軟 件系統的實現框圖；
[0030] 圖6是本實用新型的自主服務機器人的軟件系統體系結構圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術 方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范 圍不限于下述的實施例。
[0032] 本實用新型的自主服務機器人如圖1和2所示，包括：輪式機器人本體、五自由度 機械手、嵌入式視覺模塊、機器人控制板和WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控制系統。嵌 入式視覺模塊用于對外部環境的圖像信息進行處理;WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控 制系統是整個服務機器人的控制系統，還包括WIFI模塊，其安裝在輪式機器人本體內部， PC機通過WIFI模塊遠程控制服務機器人的行動。機器人控制板安裝在輪式機器人本體上， 其根據WIFI模塊傳遞過來的控制指令控制輪式機器人本體、機械手和嵌入式視覺模塊。 [0033] 輪式機器人本體：
[0034] 服務機器人的機器本體常見的有輪式機器人本體和人形機器人本體兩種。但是人 形機器人本體由于其結構復雜，而且面對復雜的環境，人形機器人本體容易受到干擾，并且 處理機器人的平衡性也需要占用大量的處理器花費大量的算法進行運算，所以并不可取， 取而代之的是輪式機器人本體。輪式機器人本體包括四個驅動輪和面板，驅動輪對稱地安 裝在面板的兩側；面板上設置有多個固定孔，以滿足以后升級的擴展，且面板的表面進行了 氧化磨砂處理，以起到抗氧化生銹的目的。在本實用新型的一個較佳實施例中，為了增大機 器人的運載能力和爬坡能力采用四輪驅動機器人本體，具體如圖3所示，包括四個車輪和 一個面板；四個車輪對稱地固定在面板的兩側。
[0035] 四輪驅動機器人本體的主要技術參數為：
[0036] L 車輪直徑：120mm ;
[0037] 2.車輪寬度：60mm ;
[0038] 3.平臺長度：195mm(車身長度：270mm);
[0039] 4.平臺寬度：142mm(車身寬度：280mm);
[0040] 5.平臺高度：120mm ;
[0041] 6.平臺重量：1280g ;
[0042] 7.底盤距地面距離：26臟；
[0043] 8.電機額定電壓：12VDC ;
[0044] 9.電機空載轉速：100轉/分；
[0045] 10.電機額定轉速：90轉/分；
[0046] 11.電機齒輪箱長度：19mm ;
[0047] 12.電機額定電流：0· 52A ;
[0048] 13.電機額定轉矩：0· 263N. m ;
[0049] 14.電機最大轉矩：0· 597N. m。
[0050] 五自由度機械手：
[0051] 機械手安裝在輪式機器人本體的面板的固定孔上。機械手是目前在機械人技術 領域中得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置，在工業制造、醫學治療、娛樂服務、軍事以 及太空探索等領域都能見到它的身影。本實用新型采用五自由度鋁合金機械手，具體如圖 4所示，包括5個精確的微伺服舵機，分別對應于臂、肩、肘、前腕和夾持器五個旋轉關節，每 個關節可在規定的范圍內活動，其可安裝到移動平臺用于工作人員可視作業，實時修改控 制指令，隨時精確地完成每一項任務。機械手的總體架構使用鋁合金鈑金材料磨砂氧化處 理機械件加角度舵機構成，角度舵機的控制方式為高脈沖控制信號控制。在本實用新型的 較佳實施例中采用的是32路舵機控制器。
[0052] 32路舵機控制器的主要技術參數為：
[0053] 1、輸出通道：32路（脈沖調制輸出或TTL電平輸出）；
[0054] 2、邏輯供電：6_12VDC或USB供電（具有自恢復保險絲，方便調試時使用）；
[0055] 3、驅動分辨率：0.09° ;
[0056] 4、驅動速度分辨率：0· 09° /秒；
[0057] 5、通訊接口：USB/TTL 串口接口；
[0058] 6、串口波特率：2400、9600、38· 4Κ、115· 2K ;
[0059] 7、控制方式：即時、定時、定速控制等；
[0060] 8、提供4個模擬/數字信號輸入端子，可設為靜止或者鎖存；
[0061] 9、舵機控制模式：單舵機控制、群舵機控制；
[0062] 10、提供ISP程序下載接口，可供二次開發；
[0063] 11、尺寸：58· 5X76. 2mm。
[0064] 嵌入式視覺模塊：
[0065] 在本實用新型中，采用parallax公司的Propeller P8X32A八核32位芯片嵌入 Iinux系統，在Iinux系統上運行OPENCV圖像處理庫驅動0V7665攝像頭來實現；把常用 的算法全部以函數的方式寫好，外部可以通過串口總線來調用指令來調用模塊中的功能模 塊，這樣做可以把視覺處理等復雜功能可以內置在一個集成模塊中。
[0066] 其主要技術參數為：
[0067] VGA 分辨率：（640 X 480) RGB565/YUV655color sensor ;
[0068] 圖像處理速率：10幀；
[0069] 原始圖像可存儲到Flash卡上，存儲尺寸為（640:320:160:80) X (480:240:120:6 〇)；
[0070] 支持均值，中值，標準方差，閾值設定；
[0071] 支持 FAT16/32 格式的 USD/USDHC/USDXC flash 卡；
[0072] 兩路舵機控制；
[0073] TTL UART 輸出（最高達到 115200baud、19200bps 為默認值）。
[0074] 嵌入式視覺模塊為一個獨立的模塊，安裝在機械手的頂部，其通過連接線與機器 人控制板連接，同時，通過USB接口連接到無線路由器上。機器人控制板通過調用相對應的 指令來控制本模塊，進一步提高了系統的穩定性和處理速度。
[0075] WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控制系統：
[0076] 本實用新型的WiFi視覺傳輸是以WiFi無線網絡為數據傳輸載體，實現實時控制、 音視頻傳輸和圖像采集等功能的智能系統。
[0077] WiFi是一種無線局域網運用技術，其出現以來，憑借組網方便、易于擴展等特點， 有著廣泛的應用前景。而無線接入和高速傳輸是WiFi的主要技術優點，WiFi技術與機器 人技術的結合便產生了 WiFi Robot。WiFi Robot是集遠程無線通訊、音視頻傳輸、數據采 集、多向機械云臺、燈光控制、環境檢測、超聲波測距、紅外壁障、超聲波領航、動力四驅、攝 像頭云臺等功能為一體的多功能智能遙感機器人，以WiFi網絡作為數據傳輸平臺，以高速 MCU為數據處理中心，可通過電腦、智能手機、平板電腦等設備進行遠程控制，并可拓展更多 功能。
[0078] 本實用新型的WIFI視覺傳輸的基本原理為：
[0079] 操作員在操作終端通過WiFi無線網絡連接到輪式機器人本體內置的WiFi模塊 上，并向其發出相關操作指令，WiFi模塊接收指令并傳遞給機器人控制板，機器人控制板通 過控制電路讓機器人執行相應的指令；同時，安裝在機器人上的各種傳感器和攝像頭可以 通過WiFi網絡將數據反向傳遞給操作終端，從而實現上下行控制及雙向通信，以便操作員 實時了解機器人周圍的環境，并根據環境情況發出指令控制機器人執行特定的任務，實現 交互式操作，圖5為系統整體實現框圖。
[0080] 電路硬件設計：
[0081] 電路硬件包括車體部分、路由器、攝像頭及云臺和機器人控制板。
[0082] (1)車體部分：車體部分包括4個12V/120轉直流電機和電池組，電機兩兩并聯， 相當于驅動兩個電機。并且為了方便電池充放電，設置了充放電電路，只需撥動開關即可實 現充放電操作。電池組電源12V，可多個并聯使用，為機器人提高持久動力。
[0083] (2)攝像頭及視覺云臺：攝像頭選擇高質量高清攝像頭進行監控，攝像頭滿足 0°?180°水平，0°?180°上下旋轉，可以遠程打開或關閉。攝像頭型號為索尼PS2,通 訊接口為USB協議；云臺由2個MG995數字舵機及其他輔助材料構成。
[0084] (3)路由器（WiFi模塊）：WiFi模塊采用TP - LINK全新推出的150Mbit. s-1迷你 型3G無線路由器。該路由器具有尺寸小，供電電壓低的特點；其供電電壓只有5V，且支持 OpenWrt。OpenWrt是一個基于Linux的開源路由固件，提供了一個完全可寫的文件系統及 軟件包管理，對支持OpenWrt的路由器刷機后，其相當于一個Linux小系統。路由器選擇 OpenWrt作為操作系統，將USB攝像頭采集的現場圖片發給遠端的PC控制終端，并將上位機 發出的命令通過串口轉發給單片機控制系統。
[0085] (4)機器人控制板：主要包括電源模塊、電機驅動模塊、舵機驅動模塊、下載串口、 單片機電路、紅外壁障、車燈控制以及數據通信接口等。
[0086] 電機驅動模塊包括一個驅動芯片和一個單片機。其中驅動芯片是采用英飛凌公司 的BTS7960直流電刷電機驅動芯片，其具有大電流MOSFET半橋結構。該芯片具有較高的集 成度和足夠的輸出能力，并在能耗方面具有優勢。在集成化和小型化的電機控制系統中，適 合作為理想的電機驅動芯片。BTS7960與單片機組成的H電機驅動單元。由于所采用驅動 芯片是半橋，因此需要采用兩片以構成全橋實現電機的正反轉。單片機是用于控制驅動芯 片：單片機產生2路PWM輸出作為兩片BTS7960的控制信號，同時要求PWM0、PWM1不能同時 為高電平。采用定時器輸出硬件PWM脈沖，使得單片機CPU只在改變PWM占空比時參與運 算，這樣可大幅減輕系統運算負擔和PWM軟件編程成本。
[0087] 舵機驅動模塊采用LM2596開關型穩壓芯片。線性穩壓器具有輸出電壓恒定或可 調、穩壓精度高的優點，但是由于其線性調整工作方式在工作中會造成較大的"熱損失"，導 致其電源利用率不高、工作效率低下，不易達到便攜式設備對低功耗的要求。因此為保證較 高的電源利用率，舵機驅動模塊采用LM2596開關型穩壓芯片實現，它可以提供3A以上電 流，驅動強勁。由于舵機型號為MG995,其工作電壓為5. OV?7. 0V.因此舵機驅動芯片選擇 了可調 LM2596-ADJ 芯片，其輸出電壓 Vout = Vref (I. 0+R2/R1)，其中，Vref = I. 23V 為芯 片內部參考電壓。
[0088] 軟件設計
[0089] 軟件部分是機器人智能化的體現，它控制WiFiRobot所有的運行狀態。整個軟件 系統體系結構如圖6所示，包括：路由器、上位機軟件和下位機軟件。路由器操作系統采用 OpenWrt，此部分在路由器刷機部分完成，主要完成視頻采集、數據傳輸、轉發等功能。上位 機軟件控制燈光控制、拍照、實時控制機器人運動等行為。下位機軟件通過接收來自上位機 的命令，從而執行相應操作。而連接上位機和下位機之間的紐帶就是通信協議，軟件部分包 括通信協議，客戶端控制軟件和下位機軟件。在此主要介紹通信協議和上位機的開發。
[0090] 通信協議上位機采用數據包格式傳送指令，也可以采用單字符的形式發送，由于 單字符通信方式干擾較大，因此采用數據包格式傳送指令，包頭用0XFF，包尾用0XFF，無校 驗位。上位機利用無線網卡通過Socket發送數據包到路由器，路由器通過解包機制把數據 包解開，通過串口發送到單片機并通過控制模塊執行相關操作。其協議規定如表1所示。
[0091] 表1通信協議規定
[0092]
【權利要求】
1. 一種自主服務機器人，包括輪式機器人本體和機械手，其特征在于，所述服務機器人 還包括嵌入式視覺模塊、WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控制系統和機器人控制板； 所述機械手安裝在所述輪式機器人本體上； 所述嵌入式視覺模塊安裝在所述機械手的頂部，并與所述機器人控制板連接，所述嵌 入式視覺模塊是用于對外部環境圖像信息進行處理； 所述WIFI視覺傳輸及基于PC機監控與控制系統包括WIFI模塊和PC機，所述WIFI模 塊安裝在所述輪式機器人本體內，所述PC機通過所述WIFI模塊遠程向所述服務機器人發 送控制指令； 所述機器人控制板安裝在所述輪式機器人本體上，所述機器人控制板根據所述WIFI 模塊傳遞過來的所述控制指令控制所述輪式機器人本體、所述機械手和所述嵌入式視覺模 塊。
2. 如權利要求1所述的自主服務機器人，其中，所述輪式機器人本體包括四個驅動輪 和面板，且所述驅動輪對稱地安裝在所述面板的兩側；所述面板上設置有多個固定孔。
3. 如權利要求1所述的自主服務機器人，其中，所述機械手采用五自由度鋁合金機械 手，包括5個微伺服舵機。
4. 如權利要求1所述的自主服務機器人，其中，所述服務機器人還包括安裝在所述輪 式機器人本體上的攝像頭和視覺云臺；所述嵌入式視覺模塊所處理的所述外部環境圖像信 息是由所述攝像頭所采集的。
5. 如權利要求1所述的自主服務機器人，其中，所述嵌入式視覺模塊采用嵌入linux系 統的Propeller P8X32A八核32位芯片。
6. 如權利要求1所述的自主服務機器人，其中，所述機器人控制板包括電機驅動模塊 和舵機驅動模塊。
7. 如權利要求1所述的自主服務機器人，其中，所述WIFI模塊是路由器。
8. 如權利要求7所述的自主服務機器人，其中，所述路由器安裝有由linux構建的 OpenWrt 軟件。
9. 如權利要求1所述的自主服務機器人，其中，所述PC機通過自身安裝的WIFIREBOT 客戶端軟件向所述服務機器人發送控制指令。
10. 如權利要求1所述的自主服務機器人，其中，所述機器人控制板采用基于 arduino2560的嵌入式控制系統。
【文檔編號】B25J5/00GK204209679SQ201420453259
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】譚立新, 張衛兵, 鄧知輝, 羅堅, 李剛成, 肖成 申請人:湖南信息職業技術學院