專利名稱：開放智能計(jì)算構(gòu)架的家用多功能小型服務(wù)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠自動(dòng)完成多項(xiàng)家庭生活服務(wù)的小型非擬人機(jī)器人。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)軟硬件的進(jìn)步和發(fā)展，家用服務(wù)型機(jī)器人已經(jīng)開始進(jìn)入到人們的現(xiàn)實(shí)生活。家用服務(wù)型機(jī)器人包括各種在家庭中為人們提供服務(wù)的機(jī)器人，其中有擬人的人形機(jī)器人，也有一般的能夠自動(dòng)完成某項(xiàng)家政任務(wù)的小型機(jī)器人，典型的如以家庭地面清潔為主的吸塵器機(jī)器人和草坪自動(dòng)修整為主的除草機(jī)機(jī)器人，它們因?yàn)榈土膬r(jià)格而在歐美等地廣受歡迎。
機(jī)器人吸塵器市場(chǎng)的開拓者—美國(guó)iRobot公司的家用吸塵機(jī)器人產(chǎn)品累計(jì)銷售已達(dá)到200萬(wàn)臺(tái)，每年利潤(rùn)增長(zhǎng)率在20％以上。另外，國(guó)內(nèi)外各大家用電器企業(yè)也開始進(jìn)行類似產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。這種構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低廉(約300美金)，同時(shí)具有一定實(shí)用性兼趣味性的機(jī)器人產(chǎn)品正在快速進(jìn)入人們的日常生活。
但是，目前現(xiàn)有的家用服務(wù)型機(jī)器人作為家用服務(wù)型機(jī)器人的初期作品，有著智能化水平不高、功能單一等缺陷。本發(fā)明中的智能型家用服務(wù)機(jī)器人克服了上述缺陷，同時(shí)保持了低成本的特性，是一款更強(qiáng)大、更實(shí)用，并能提供多種家庭(家政)服務(wù)的高智能低成本的移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品，具有良好的發(fā)展前景和巨大的市場(chǎng)空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種智能化程度高、生產(chǎn)成本低的家用多功能小型服務(wù)機(jī)器人。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的家用多功能小型服務(wù)機(jī)器人，采用開放智能系統(tǒng)構(gòu)架，具備在線的軟件更新和功能擴(kuò)展的能力，是一個(gè)能全面提供家政服務(wù)的移動(dòng)機(jī)器人。系統(tǒng)構(gòu)架中，在物理上分離的智能運(yùn)算和傳感采集的特點(diǎn)使其能夠利用家庭中計(jì)算資源——個(gè)人電腦，因而相對(duì)于傳統(tǒng)的家用服務(wù)機(jī)器人，具備計(jì)算能力高、智能高、成本低等特點(diǎn)。
本發(fā)明主要包括如下幾個(gè)部分(1) 一個(gè)移動(dòng)底座。所述移動(dòng)底座包含輪子、電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并加載可充電電池，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)和向左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在移動(dòng)底座下部接近地面的部分還設(shè)有一個(gè)能夠打掃和吸取地面垃圾的清掃裝置。
(2)一個(gè)視頻傳感器和紅外發(fā)射模塊，該模塊由一個(gè)數(shù)字視頻攝像頭、一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成，視頻攝像頭能旋轉(zhuǎn)240度。
(3)一個(gè)避障傳感器模塊，它包括一個(gè)碰撞傳感檢測(cè)器和三個(gè)紅外測(cè)距傳感器。
(4)一個(gè)聲音采集和發(fā)音模塊。它包括一個(gè)由2～4個(gè)麥克風(fēng)組成的麥克風(fēng)陣列和一個(gè)揚(yáng)聲器。麥克風(fēng)陣列負(fù)責(zé)檢測(cè)聲源的方向并對(duì)來(lái)自聲源的人聲進(jìn)行增強(qiáng)。
(5)一個(gè)感知和執(zhí)行代理模塊。它由一塊嵌入式控制單元和無(wú)線傳輸單元構(gòu)成，嵌入式控制單元的軟硬件負(fù)責(zé)采集來(lái)自視頻傳感器模塊、避障傳感器模塊、聲音采集模塊的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行初步加工和編碼，實(shí)時(shí)通過無(wú)線傳輸單元傳送給智能計(jì)算模塊；同時(shí)從智能計(jì)算模塊通過無(wú)線連接接收控制指令，代理控制移動(dòng)底座的運(yùn)動(dòng)、紅外信號(hào)的發(fā)射以及各種動(dòng)作和行為。
(6) 一個(gè)智能計(jì)算模塊。該模塊由一臺(tái)家用電腦(或其他高級(jí)電腦)和無(wú)線通信單元構(gòu)成硬件單元，以智能總控、行為規(guī)劃、機(jī)器視覺通信控制等軟件程序?yàn)橛?jì)算單元，作為機(jī)器人的大腦來(lái)智能控制機(jī)器人。
(7)一個(gè)拖拽模塊。它由機(jī)器人本體上的電控開合式掛鉤和用來(lái)盛放物品的小拖車組成。
(8)一個(gè)充電模塊。為機(jī)器人提供低壓直流的電源輸入，并能夠被機(jī)器人自動(dòng)感知。
本發(fā)明的機(jī)器人能夠從事多種家庭服務(wù)應(yīng)用，能夠讓使用者享受到全面的服務(wù)，就像有一個(gè)專用的“服務(wù)生”一樣。本智能家用機(jī)器人還具有基本的視覺和聽覺，能讓使用者更輕松的控制和使用。下面介紹了幾種基本的應(yīng)用功能。
1.語(yǔ)音交流和控制功能機(jī)器人能夠根據(jù)使用者的口語(yǔ)命令，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能，能夠分辨出使用者所在的大概方位。這樣用戶可以呼叫機(jī)器人的名字，讓機(jī)器人做一件事情，比如遙控家電，或者給自己拿些東西過來(lái)。
2.基于視覺的智能地面清潔功能機(jī)器人具有基本的視覺系統(tǒng)，能夠通過采集的視頻，分辨出哪一片地面是干凈的，哪里是有垃圾需要打掃的，然后根據(jù)看到的情況，主動(dòng)過去將垃圾清理。這是一種動(dòng)態(tài)的智能的衛(wèi)生保持能力，與傳統(tǒng)的吸塵器盲目的隨機(jī)打掃完全不同，具有高效率，低能耗，低干擾的特性，就像人類的清潔工作者一樣，可以在家庭，或展館、酒店大堂等場(chǎng)所，承擔(dān)衛(wèi)生清潔保持的工作。
3.遙控不同類型家電的功能本發(fā)明的機(jī)器人還配備了可以調(diào)整方向，和攝像頭具有同步指向的紅外線發(fā)射器。它可以通過軟件，錄制各種家電遙控器的遙控命令的編碼。然后在用戶的要求下，機(jī)器人能夠自動(dòng)移動(dòng)到能夠指向到對(duì)應(yīng)家電的位置，然后通過對(duì)攝像頭采集的視頻信號(hào)的視覺特征處理，找出目標(biāo)家電，在攝像頭發(fā)現(xiàn)這個(gè)家電的同時(shí)，紅外發(fā)射器也指向了該家電，然后發(fā)出對(duì)應(yīng)命令的紅外信號(hào)，完成對(duì)該家電的操作和控制。也就是說(shuō)，用戶可以不需要對(duì)家居做任何智能化改造的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家電的各種智能化操作和控制。用戶不用移動(dòng)腳步，只用口頭交代，本發(fā)明的機(jī)器人就能夠?qū)φ麄€(gè)家庭的各種可遙控電器進(jìn)行遙控。
4.運(yùn)送物品功能機(jī)器人上裝備了電動(dòng)開合裝置，并且配備了對(duì)應(yīng)的小拖車。機(jī)器人能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺處理找到并且對(duì)準(zhǔn)小車的把手，讓開合裝置扣住小車，然后根據(jù)用戶的指令，將小車拖動(dòng)到家中的某個(gè)位置。小車上可以放置垃圾桶、拖鞋、果盤等家用器具。這樣，用戶可以讓機(jī)器人像一個(gè)服務(wù)生一樣幫自己在家里傳遞東西，為客人服務(wù)。
除了上述的最常見的家庭服務(wù)功能以外，由于本發(fā)明中的智能家用機(jī)器人開放式計(jì)算框架的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人具有了很強(qiáng)的功能擴(kuò)展?jié)摿?，并能夠通過互聯(lián)網(wǎng)等渠道獲得應(yīng)用功能的不斷更新，具有容納更多服務(wù)功能的潛力。


圖1本發(fā)明系統(tǒng)組成原理圖。
圖2本發(fā)明機(jī)器人移動(dòng)模組結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明的開放式智能計(jì)算構(gòu)架圖。
圖4本發(fā)明的電路控制框圖。
圖中標(biāo)號(hào)1.驅(qū)動(dòng)輪 2.紅外測(cè)距傳感器 3.碰撞檢測(cè)傳感器 4.單自由度指向控制模塊 5.數(shù)字視頻采集設(shè)備(攝像頭) 6.紅外信號(hào)發(fā)射器 7.麥克風(fēng)陣列 8.半透明外罩9.嵌入式控制板 10.無(wú)線傳輸模塊 11.電動(dòng)開合裝置 12.掛合接口 13.充電接口 14.從動(dòng)輪 15.清掃裝置 16.移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊 17.咪頭(拾音器) 18.處理器 19.存儲(chǔ)器 20.總線 21.模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 22.GPIO輸入輸出控制模塊 23.放大器 24.電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 25.直流電機(jī)A 26.直流電機(jī)B 27.直流電機(jī)C 28.霍爾元件 29.USB總線控制器 30.數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可分為兩大模組1.移動(dòng)/執(zhí)行/感知 硬模組此模組主要由感知單元、執(zhí)行單元和數(shù)據(jù)處理/代理節(jié)點(diǎn)組成。
如圖1和2所示，由數(shù)字視頻采集設(shè)備攝像頭5、麥克風(fēng)陣列7、碰撞檢測(cè)傳感器3、紅外測(cè)距傳感器2構(gòu)成感知單元，分別完成數(shù)字視頻采集、數(shù)字音頻的多路實(shí)時(shí)采集和碰撞檢測(cè)、落差檢測(cè)的功能。攝像頭采集的數(shù)字視頻以JPEG的格式存儲(chǔ)和傳輸，音頻采集以PCM格式的數(shù)據(jù)流向后傳送給數(shù)據(jù)處理/代理節(jié)點(diǎn)，碰撞檢測(cè)傳感器能夠檢測(cè)在正面發(fā)生的碰撞，紅外測(cè)距傳感器則在機(jī)器人的最邊緣處，垂直向下檢測(cè)與地面的距離，然后將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送到數(shù)據(jù)處理代理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加工和轉(zhuǎn)發(fā)。
由攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)控制器4、紅外信號(hào)發(fā)射器6、電控開合掛鉤11、移動(dòng)底盤16和清潔裝置15構(gòu)成執(zhí)行單元。其中攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)控制器4能夠控制攝像頭和紅外發(fā)射器的在垂直平面上的指向，具有一個(gè)自由度；紅外信號(hào)發(fā)射器6能夠發(fā)射遙控普通家用電器的紅外命令信號(hào)；電控開合掛鉤11能夠根據(jù)來(lái)自智能計(jì)算模組的命令，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候鎖掛住或釋放小拖車；運(yùn)動(dòng)底座16根據(jù)智能計(jì)算模組的命令帶動(dòng)整個(gè)移動(dòng)模組在平面上靈活運(yùn)動(dòng)，能夠直線前進(jìn)、后退，能夠原地轉(zhuǎn)向；清潔裝置能夠根據(jù)來(lái)自智能模組的命令，完成不同程度的地面清潔功能，針對(duì)不同的垃圾進(jìn)行吸、掃、洗等操作。
數(shù)據(jù)代理節(jié)點(diǎn)以一塊低功耗的嵌入式控制板9為基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理和分發(fā)軟件，實(shí)時(shí)地讀取來(lái)自傳感器單元的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理和封裝后通過無(wú)線模塊10傳輸給智能計(jì)算模組中的對(duì)應(yīng)處理軟件單元；同時(shí)也不斷接收來(lái)自智能計(jì)算軟模組中的命令流，將其解碼后，分發(fā)給執(zhí)行單元中的各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.智能計(jì)算軟模組如圖1和圖3所示，主要由能夠運(yùn)行在一般家用電腦上的智能運(yùn)算軟件包和無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成智能計(jì)算軟模組。軟件包中的主要模塊有視覺信息處理，聽覺信息處理，家庭地圖管理，智能任務(wù)處理，更新和下載服務(wù)支持。
(1)視覺信息處理模塊根據(jù)硬模組采集的視頻流，在連續(xù)圖像中搜索垃圾、特定標(biāo)識(shí)符、人臉等對(duì)象，并對(duì)其分類后送給智能任務(wù)處理模塊；(2)聽覺信息處理根據(jù)多路實(shí)時(shí)的音頻流，計(jì)算出聲源位置，并進(jìn)一步對(duì)其降噪后進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別處理，然后將處理后的結(jié)果送給智能任務(wù)處理模塊；
(3)家庭地圖管理模塊根據(jù)來(lái)自碰撞傳感器和紅外測(cè)距的數(shù)據(jù)，結(jié)合特定標(biāo)識(shí)符的視覺識(shí)別結(jié)果，動(dòng)態(tài)地生成和修正家庭的地圖；(4)更新和下載服務(wù)支持模塊定期的向互聯(lián)網(wǎng)查詢是否有新的或強(qiáng)化的功能軟件，自動(dòng)管理這些新功能的升級(jí)和穩(wěn)定運(yùn)行；此軟件包通過無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，與執(zhí)行/移動(dòng)/感知硬模塊協(xié)作，是整個(gè)機(jī)器人的大腦，能夠控制機(jī)器人在家庭中智能化的完成各種任務(wù)，而機(jī)器人的硬件平臺(tái)由于不用負(fù)擔(dān)大量的智能運(yùn)算，在成本、能耗、體積上的要求都得以大幅度的降低。
圖2、圖3進(jìn)一步說(shuō)明了本發(fā)明機(jī)器人的軟硬件結(jié)構(gòu)。
圖2中，移動(dòng)底座由2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪1，2個(gè)從動(dòng)輪14，一個(gè)清掃裝置15，充電電池和充電接口13組成。其中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪通過差速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向移動(dòng)。
攝像頭5和紅外信號(hào)發(fā)射器6綁定在一起，具有一致的指向，掛載在指向控制模塊4上。指向控制模塊4具有一個(gè)自由度，能夠在垂直面上調(diào)整攝像頭和紅外信號(hào)發(fā)射器的指向，從而使它們指向目標(biāo)，該模塊由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、減速器、霍爾元件和運(yùn)行在嵌入式控制板上的控制軟件組成，能夠較精確的達(dá)到各個(gè)指向角度。
麥克風(fēng)陣列7由3個(gè)指向性咪頭17，放大電路23和模數(shù)轉(zhuǎn)換21組成。咪頭在水平面上呈等邊三角形裝載在機(jī)器人外罩上，其相互間的水平指向夾角均為120度，指向的仰角為20～30度。
電控開合裝置11由一塊電磁開關(guān)和控制電路組成?？刂齐娐方邮諄?lái)自嵌入式主控板9的數(shù)字信號(hào)，然后控制電磁開關(guān)的開合，完成對(duì)小拖車把手的掛合和釋放。
無(wú)線傳輸模塊10采用標(biāo)準(zhǔn)的802.11/g的無(wú)線適配器，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接或熱點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)智能計(jì)算軟模組和移動(dòng)/執(zhí)行/感知硬模組間的高速率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。
半透明外罩8采用有機(jī)玻璃制成，能夠保護(hù)內(nèi)部的電子設(shè)備不受傷害和設(shè)備的內(nèi)部清潔，同時(shí)能夠讓攝像頭采集到外部的圖像，紅外信號(hào)發(fā)射器6能夠?qū)⒓t外信號(hào)傳輸?shù)酵獠俊?br> 參照?qǐng)D2，各部件的安裝位置描述如下(1)驅(qū)動(dòng)輪1和從動(dòng)輪14安裝在機(jī)器人的最下方，和地面接觸，能夠帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的移動(dòng)/感知/執(zhí)行模組移動(dòng)；(2) 移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊16在輪組的支撐下略高于地面(下部離地面約4～8公分)，厚度約在8～12公分，負(fù)責(zé)承載其他的部件；
(3)清掃裝置15嵌入在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的正下方；(4)碰撞檢測(cè)傳感器3安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的正前方邊緣處，檢測(cè)來(lái)自正面的碰撞；(5)紅外測(cè)距傳感器2安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的正前方邊緣處，檢測(cè)正面是否有懸空；(6)單自由度指向控制模塊4安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的上部靠前的部位，帶動(dòng)加載設(shè)備前后轉(zhuǎn)動(dòng)；(7)數(shù)字視頻采集設(shè)備5和紅外信號(hào)發(fā)射器6綁定后安裝在單自由度指向控制模塊4上，由指向控制模塊帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；(8)嵌入式控制板9安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊上部靠后的位置，并按照?qǐng)D3中的方式連接各傳感器和執(zhí)行設(shè)備；(9)半透明外罩8安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的上方，罩住了數(shù)字視頻采集設(shè)備5、紅外信號(hào)發(fā)射器6、指向控制模塊4以及嵌入式控制板9，保證這些設(shè)備的安全和內(nèi)部清潔；(10)麥克風(fēng)陣列7按照前述的陣列構(gòu)成分散安裝在半透明外罩的中部；(11)無(wú)線傳輸模塊10裝載在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的后部，外罩8的外部；(12)充電接口13安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的最后方的下部；(13)電動(dòng)開合裝置11安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的最后方的上部，并向后伸展出約4～10公分的長(zhǎng)度；(14)專配小拖車與其他模塊分離，但可以通過電動(dòng)開合裝置11控制掛合接口12咬合其把手與移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)合，其把手上設(shè)置了視覺標(biāo)識(shí)符號(hào)。
參照?qǐng)D4，機(jī)器人的電路連接和設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式如下(1)嵌入式控制板9以處理器18為核心，通過系統(tǒng)總線20，連接存儲(chǔ)器19，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊21，GPIO輸入輸出模塊22和USB總線控制器29和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊30等各個(gè)模塊，使控制板能夠滿足模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、GPIO輸入輸出、USB連接和數(shù)據(jù)預(yù)處理的要求；(2)麥克風(fēng)陣列7由3個(gè)咪頭(拾音器)17和對(duì)應(yīng)的放大器23構(gòu)成，采集的信號(hào)經(jīng)過放大后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供處理器處理；(3)紅外測(cè)距傳感器2的信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)處理；(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板24通過GPIO接收系統(tǒng)控制信號(hào)，通過調(diào)整輸出的電壓電流控制各個(gè)直流電機(jī)25、26、27的運(yùn)轉(zhuǎn)，其中直流電機(jī)A和直流電機(jī)B帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，直流電機(jī)C調(diào)整攝像頭5和紅外發(fā)射器6的指向；
(5)霍爾元件28通過GPIO向系統(tǒng)反饋直流電機(jī)C的運(yùn)轉(zhuǎn)位置和速度；(6)碰撞傳感器3通過GPIO向系統(tǒng)傳送碰撞檢測(cè)的數(shù)據(jù)；(7)紅外發(fā)射器6接收從數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊30輸出的調(diào)制信號(hào)放大后發(fā)射紅外信號(hào)，控制各種家電；(8)數(shù)字視頻采集設(shè)備(攝像頭)5和無(wú)線傳輸模塊10通過USB總線控制器29的接口連接到控制板。
權(quán)利要求
1.一種開放智能計(jì)算構(gòu)架的家用多功能小型服務(wù)機(jī)器人，其特征在于由以下幾個(gè)部分組成(1)一個(gè)移動(dòng)底座，所述移動(dòng)底座包含輪子、電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并加載可充電電池，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)和向左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在移動(dòng)底座下部接近地面的部分還設(shè)有一個(gè)能夠打掃和吸取地面垃圾的清掃裝置；(2)一個(gè)視頻傳感器和紅外發(fā)射模塊，該模塊由一個(gè)數(shù)字視頻攝像頭、一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成，視頻攝像頭能旋轉(zhuǎn)240度；(3)一個(gè)避障傳感器模塊，它包括一個(gè)碰撞傳感檢測(cè)器和三個(gè)紅外測(cè)距傳感器；(4)一個(gè)聲音采集和發(fā)音模塊，它包括一個(gè)由2～4個(gè)麥克風(fēng)組成的麥克風(fēng)陣列和一個(gè)揚(yáng)聲器，麥克風(fēng)陣列負(fù)責(zé)檢測(cè)聲源的方向并對(duì)來(lái)自聲源的人聲進(jìn)行增強(qiáng)；(5)一個(gè)感知和執(zhí)行代理模塊，它由一塊嵌入式控制單元和無(wú)線傳輸單元構(gòu)成，嵌入式控制單元的軟硬件負(fù)責(zé)采集來(lái)自視頻傳感器模塊、避障傳感器模塊、聲音采集模塊的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行初步加工和編碼，實(shí)時(shí)通過無(wú)線傳輸單元傳送給智能計(jì)算模塊；同時(shí)從智能計(jì)算模塊通過無(wú)線連接接收控制指令，代理控制移動(dòng)底座的運(yùn)動(dòng)、紅外信號(hào)的發(fā)射以及各種動(dòng)作和行為；(6)一個(gè)智能計(jì)算模塊，該模塊由一臺(tái)家用電腦和無(wú)線通信單元構(gòu)成硬件單元，以智能總控、行為規(guī)劃、機(jī)器視覺通信控制等軟件程序?yàn)橛?jì)算單元，作為機(jī)器人的大腦來(lái)智能控制機(jī)器人；(7)一個(gè)拖拽模塊，它由機(jī)器人本體上的電控開合式掛鉤和用來(lái)盛放物品的小拖車組成；(8)一個(gè)充電模塊，為機(jī)器人提供低壓直流的電源輸入，并能夠被機(jī)器人自動(dòng)感知；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開放智能計(jì)算構(gòu)架的家用多功能小型服務(wù)機(jī)器人，其特征在于由數(shù)字視頻采集設(shè)備攝像頭(5)、麥克風(fēng)陣列(7)、碰撞檢測(cè)傳感器(3)、紅外測(cè)距傳感器(2)構(gòu)成感知單元，分別完成數(shù)字視頻采集、數(shù)字音頻的多路實(shí)時(shí)采集和碰撞檢測(cè)、落差檢測(cè)的功能；攝像頭采集的數(shù)字視頻以JPEG的格式存儲(chǔ)和傳輸，音頻采集以PCM格式的數(shù)據(jù)流向后傳送給數(shù)據(jù)處理/代理節(jié)點(diǎn)，碰撞檢測(cè)傳感器能夠檢測(cè)在正面發(fā)生的碰撞，紅外測(cè)距傳感器則在機(jī)器人的最邊緣處，垂直向下檢測(cè)與地面的距離，然后將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送到數(shù)據(jù)處理代理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加工和轉(zhuǎn)發(fā)；由攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)控制器(4)、紅外信號(hào)發(fā)射器(6)、電控開合掛鉤(11)、移動(dòng)底盤(16)和清潔裝置(15)構(gòu)成執(zhí)行單元，其中攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)控制器(4)能夠控制攝像頭和紅外發(fā)射器的在垂直平面上的指向，具有一個(gè)自由度；紅外信號(hào)發(fā)射器(6)能夠發(fā)射遙控普通家用電器的紅外命令信號(hào)；電控開合掛鉤(11)能夠根據(jù)來(lái)自智能計(jì)算模組的命令，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候鎖掛住或釋放小拖車；運(yùn)動(dòng)底座(16)根據(jù)智能計(jì)算模組的命令帶動(dòng)整個(gè)移動(dòng)模組在平面上靈活運(yùn)動(dòng)，能夠直線前進(jìn)、后退，能夠原地轉(zhuǎn)向；清潔裝置能夠根據(jù)來(lái)自智能模組的命令，完成不同程度的地面清潔功能，針對(duì)不同的垃圾進(jìn)行吸、掃、洗等操作；數(shù)據(jù)代理節(jié)點(diǎn)以一塊低功耗的嵌入式控制板(9)為基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理和分發(fā)軟件，實(shí)時(shí)地讀取來(lái)自傳感器單元的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理和封裝后通過無(wú)線模塊(10)傳輸給智能計(jì)算模組中的對(duì)應(yīng)處理軟件單元；同時(shí)也不斷接收來(lái)自智能計(jì)算軟模組中的命令流，將其解碼后，分發(fā)給執(zhí)行單元中的各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開放智能計(jì)算構(gòu)架的家用多功能小型服務(wù)機(jī)器人，其特征在于由能夠運(yùn)行在一般家用電腦上的智能運(yùn)算軟件包和無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成智能計(jì)算軟模組，軟件包中的模塊有視覺信息處理、聽覺信息處理、家庭地圖管理、智能任務(wù)處理、更新和下載服務(wù)支持；(1)視覺信息處理模塊根據(jù)硬模組采集的視頻流，在連續(xù)圖像中搜索垃圾、特定標(biāo)識(shí)符、人臉，并對(duì)其分類后送給智能任務(wù)處理模塊；(2)聽覺信息處理根據(jù)多路實(shí)時(shí)的音頻流，計(jì)算出聲源位置，并進(jìn)一步對(duì)其降噪后進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別處理，然后將處理后的結(jié)果送給智能任務(wù)處理模塊；(3)家庭地圖管理模塊根據(jù)來(lái)自碰撞傳感器和紅外測(cè)距的數(shù)據(jù)，結(jié)合特定標(biāo)識(shí)符的視覺識(shí)別結(jié)果，動(dòng)態(tài)地生成和修正家庭的地圖；(4)更新和下載服務(wù)支持模塊定期向互聯(lián)網(wǎng)查詢是否有新的或強(qiáng)化的功能軟件，自動(dòng)管理這些新功能的升級(jí)和穩(wěn)定運(yùn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開放智能計(jì)算構(gòu)架的家用多功能小型服務(wù)機(jī)器人，其特征在于各部件的安裝位置描述如下(1)驅(qū)動(dòng)輪(1)和從動(dòng)輪(14)安裝在機(jī)器人的最下方，和地面接觸，能夠帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的移動(dòng)/感知/執(zhí)行模組移動(dòng)；(2)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊(16)在輪組的支撐下略高于地面，厚度約在8～12公分，負(fù)責(zé)承載其他的部件；(3)清掃裝置(15)嵌入在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的正下方；(4)碰撞檢測(cè)傳感器(3)安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的正前方邊緣處，檢測(cè)來(lái)自正面的碰撞；(5)紅外測(cè)距傳感器(2)安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的正前方邊緣處，檢測(cè)正面是否有懸空；(6)單自由度指向控制模塊(4)安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的上部靠前的部位，帶動(dòng)加載設(shè)備前后轉(zhuǎn)動(dòng)；(7)數(shù)字視頻采集設(shè)備(5)和紅外信號(hào)發(fā)射器(6)綁定后安裝在單自由度指向控制模塊(4)上，由指向控制模塊帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；(8)嵌入式控制板(9)安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊上部靠后的位置；(9)半透明外罩(8)安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的上方，罩住了數(shù)字視頻采集設(shè)備(5)、紅外信號(hào)發(fā)射器(6)、指向控制模塊(4)以及嵌入式控制板(9)，保證這些設(shè)備的安全和內(nèi)部清潔；(10)麥克風(fēng)陣列(7)按照前述的陣列構(gòu)成分散安裝在半透明外罩的中部；(11)無(wú)線傳輸模塊(10)裝載在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的后部，外罩(8)的外部；(12)充電接口(13)安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的最后方的下部；(13)電動(dòng)開合裝置(11)安裝在移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的最后方的上部，并向后伸展出約4～10公分的長(zhǎng)度；(14)專配小拖車與其他模塊分離，但可以通過電動(dòng)開合裝置(11)控制掛合接口(12)咬合其把手與移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)合，其把手上設(shè)置有視覺標(biāo)識(shí)符號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開放智能計(jì)算構(gòu)架的家用多功能小型服務(wù)機(jī)器人，其特征在于機(jī)器人的電路連接和設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式如下(1)嵌入式控制板(9)以處理器(18)為核心，通過系統(tǒng)總線(20)、連接存儲(chǔ)器(19)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(21)、GPIO輸入輸出模塊(22)和USB總線控制器(29)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(30)，使控制板能夠滿足模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、GPIO輸入輸出、USB連接和數(shù)據(jù)預(yù)處理的要求；(2)麥克風(fēng)陣列(7)由3個(gè)咪頭(17)和對(duì)應(yīng)的放大器(23)構(gòu)成，采集的信號(hào)經(jīng)過放大后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供處理器處理；(3)紅外測(cè)距傳感器(2)的信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)處理；(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板(24)通過GPIO接收系統(tǒng)控制信號(hào)，通過調(diào)整輸出的電壓電流控制3個(gè)直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，其中直流電機(jī)A和直流電機(jī)B帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪(1)轉(zhuǎn)動(dòng)，直流電機(jī)C調(diào)整數(shù)字視頻采集設(shè)備(5)和紅外發(fā)射器(6)的指向；(5)霍爾元件(28)通過GPIO向系統(tǒng)反饋直流電機(jī)C的運(yùn)轉(zhuǎn)位置和速度；(6)碰撞傳感器(3)通過GPIO向系統(tǒng)傳送碰撞檢測(cè)的數(shù)據(jù)；(7)紅外發(fā)射器(6)接收從數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(30)輸出的調(diào)制信號(hào)放大后發(fā)射紅外信號(hào)，控制各種家電；(8)數(shù)字視頻采集設(shè)備(5)和無(wú)線傳輸模塊(10)通過USB總線控制器(29)的接口連接到控制板。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小型的具有高度智能的家用服務(wù)型機(jī)器人。機(jī)器人整體由移動(dòng)/執(zhí)行/感知硬件模組和智能運(yùn)算軟件模組組成，硬件模組和軟件模組通過視覺信息和其他傳感器信息構(gòu)成閉環(huán)控制，具有擬人的控制特性，能夠模仿人的完成任務(wù)的能力，小巧的體型和功耗能夠保證機(jī)器人在復(fù)雜的家庭環(huán)境中進(jìn)行服務(wù)。本發(fā)明將復(fù)雜的智能計(jì)算軟件功能和家用服務(wù)機(jī)器人的小型移動(dòng)/執(zhí)行/感知平臺(tái)在物理上分離，使機(jī)器人具備機(jī)器視覺、聽覺、高度智能規(guī)劃和功能擴(kuò)展的能力，能夠完成高度智能化的地面清潔工作，能夠根據(jù)主人的口語(yǔ)命令控制家里的各種家電，能夠根據(jù)口語(yǔ)指示為主人運(yùn)送果盤、茶水、拖鞋、垃圾桶等小型家用器具。
文檔編號(hào)A47L9/28GK101084817SQ20071004003
公開日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者林劍峰, 白昊昱, 楊譞, 朱文潔, 張文強(qiáng) 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)