一種基於視覺的服務機器人平臺的製作方法

2023-05-28 12:42:51

本實用新型涉及一種機器人平臺，具體涉及一種基於視覺的服務機器人平臺，屬於服務機器人技術領域。

背景技術：

目前從事服務機器人產業的各個單位大都還是處於產業發展初期，處於研發平臺或者樣機階段，重複性勞動非常多，沒有形成具有鮮明特色的服務機器人產品；從成果應用上看，服務機器人主要以吸塵器機器人和教育平臺為主，這些現有的服務機器人存在控制方式單一、操作不方便、不靈敏等嚴重的問題；此外，國內市場上缺乏這種具有自動跟隨主人的服務機器人，也缺乏具有自動跟隨拍攝功能的機器人平臺。

技術實現要素：

為解決上述問題，本實用新型提出了一種基於視覺的服務機器人平臺，通過設置電腦主機模塊、自動避障模塊、視覺識別模塊、數字攝像模塊、遙控維護模塊和散熱模塊，實現移動物體目標追蹤，及機器人的自動跟隨和拍攝功能；且可通過網絡連接管理及維護本機器人。

本實用新型的基於視覺的服務機器人平臺，包括機械結構；所述機械結構上安裝有電腦主機模塊、自動避障模塊、視覺識別模塊、數字攝像模塊、遙控維護模塊和散熱模塊；

所述機械結構包括鼓形箱體和底盤；

所述鼓形箱體頂部安裝有可旋轉調節的機械臂；所述機械臂其末端連接有夾具；所述鼓形箱體內部由下至上依次設置有第一至第三層平臺，且每層平臺由連接杆連接並支撐；所述底盤上安裝有兩大輪和兩小輪；兩所述大輪分別通過聯軸器連接一直流無刷電機；所述底盤上開設有多個通風孔；底盤的前後位置對稱設置了兩個小輪，兩小輪不設動力源，把本實用新型的機器人平放在地面時，恰好四個輪子能同時著地；機器人的移動由兩大輪帶動兩小輪移動，從stm32單片機的數字引腳(PA6、PA7引腳)輸出相同頻率且相同正佔空比的PWM脈衝，控制兩大輪等速轉動，實現直線行走；通過stm32單片機的數字引腳輸出相同頻率但不同正佔空比的PWM脈衝，使兩大輪之間產生差速，實現機器人的360°旋轉移動；

所述電腦主機模塊包括電腦主機和stm32單片機；所述電腦主機引出USB線且通過USB轉TTL串口模塊連接至stm32單片機；所述電腦主機設置於第一層平臺和第二層平臺之間；

所述自動避障模塊由三個超聲波傳感器、一溫度計及一arduino單片機組成；所述超聲波傳感器其信號端及溫度計其信號端分別與arduino單片機電連接；所述arduino單片機與stm32單片機通過通信接口電連接；通過對arduino單片機的編程，實現超聲測距，由LM35溫度計測溫，用溫度算出音速，再根據音速算出三個方向上的障礙物距離，當某個方向上的測距值小於預設的避障有效距離值(有效避障距離設置為10cm)，arduino單片機將向stm32單片機發送避障指令，stm32單片機將輸出相適應的PWM脈衝來控制兩個大輪的轉向，繞開障礙物行走；

所述視覺識別模塊包括一kinect視覺體感器；所述kinect視覺體感器設置於鼓形箱體頂部的正前方位置；所述kinect視覺體感器通過USB連接線與電腦主機電連接；基於Kinect for Windows SDK平臺開發,通過編程實現，Kinect視覺體感器前方將會掃描到一個跟蹤區域(前方寬0.4米，長0.8米，高0.4米的立方體)，這個跟蹤區域是由深度攝像頭決定的，在這個跟蹤區域內，Kinect SDK裡的程序將會計算前方有效區域內的物體的形狀中心，然後將其與程序設定的跟蹤中心進行比較，物體形狀中心的距離正向變遠，電腦主機將通過USB轉TTL串口模塊，向stm32單片機發送前進的字符命令；從stm32單片機的數字引腳(PA6、PA7引腳)輸出相同頻率、相同正佔空比且正佔空比被放大的PWM脈衝，進而驅動兩個直流無刷電機帶動兩個大輪同步前進，直到物體的形狀中心與程序設定的跟蹤中心吻合，機器人停止前進；當物體形狀中心的距離發生右偏移，stm32單片機的數字引腳輸出相同頻率但不同正佔空比的PWM脈衝，觸發與大輪連接的左側的直流無刷電機的PWM脈衝的佔空比要比觸發左側的直流無刷電機的PWM脈衝的佔空比大，實現左大輪速度比右大輪速度大，機器人往右邊旋轉，當物體的形狀中心與程序設定的跟蹤中心出現在同一直線上，Kinect再根據物體形狀中心的距離正向變遠或正向靠近，從stm32單片機的數字引腳(PA6、PA7引腳)輸出相同頻率、相同佔空比的PWM脈衝，進而驅動兩個直流無刷電機帶動兩個大輪同步前進或者後退；

所述數字攝像模塊包括一高清數字攝像機；所述高清數字攝像機設置於鼓形箱體頂面的右側位置；所述高清數字攝像機通過網線與電腦主機電連接；通過網線連接到鼓形箱體裡的電腦主機，並配置數字監控的網絡IP位址，並通過無線WiFi模塊連接網際網路，實現網絡監控的功能；結合前面已實現的自動跟隨功能與網絡監控的功能，可實現自動跟隨拍攝的功能，打造一個智能跟隨拍攝機器人平臺，有效地代替人工拍攝；為多種環境，比如教學平臺、售後服務平臺、車間、家庭等，提供智能拍攝服務；

所述遙控維護模塊由一無線WiFi模塊和一電腦USB藍牙適配器構成；所述無線WiFi模塊設置於鼓形箱體頂面的右方位置；所述USB藍牙適配器設置於鼓形箱體頂面的左方位置；所述無線WiFi模塊和電腦USB藍牙適配器分別與電腦主機電連接；在鼓形箱體的上表面，其左右兩側對稱設置了一個電腦USB藍牙適配器與一個無線WiFi模塊，這兩個模塊連接至電腦主機的USB接口；通過網絡連接管理機器人，由工作檯的電腦請求遠程，可控制服務機器人上的電腦系統，進而發出程序命令以操控和維護該機器人，使得它可以運載物品，如平板電腦或茶杯等，為家庭、辦公室提供娛樂服務；

所述散熱模塊包括一固定於底盤的通風孔上方的散熱風扇，及時將鼓形箱體內的熱量排出；所述散熱風扇與stm32單片機電連接；

所述直流無刷電機通過引出的霍爾線(U、V、W線)與編碼器線(A相線、B相線)連接至雙直流無刷電機智能控制器；所述雙直流無刷電機智能控制器其控制埠與stm32單片機電連接；Stm32單片機用於採集其他模塊信號，轉換成控制指令，最終實現控制兩個大輪的行走模式。

進一步地，所述電腦主機放置於第一層平臺的隔板上；所述stm32單片機、arduino單片機與雙直流無刷電機智能控制器均放置於所述第二層平臺上方。

進一步地，所述機械臂為雙關節式轉動機械臂，其設置有兩個轉動副；所述機械臂設置於鼓形箱體上表面的正中央位置，且與第三層平臺通過多個螺栓連接並且固定。

作為優選的實施方案，三個所述超聲波傳感器設置於距離底盤110mm高的鼓形箱體表面，且居中的所述超聲波傳感器朝向機器人的正前方，另外兩個所述超聲波傳感器分別相對居中的所述超聲波傳感器以順時針方向60°及逆時針方向60°位置固定安裝。

進一步地，所述夾具上夾持有平板電腦；通過遠程控制服務機器人上的電腦主機中的電腦系統，發出程序命令驅動機器人攜帶平板電腦逐漸地往主人的位置靠近，提供休閒娛樂。

本實用新型與現有技術相比較，本實用新型的基於視覺的服務機器人平臺，設計成兩大輪主動式、兩小輪從動式，既能自主保持平衡，又可全方位移動，基於Kinect for Windows SDK平臺的開發，由Kinect視覺體感器的信息感知與判斷，實現移動物體目標追蹤，根據kinect體感器所識別追蹤的目標，輸出相關的指令控制機器人運動，實現機器人自動跟隨的功能；基於本實用新型的機器人智能跟蹤技術與網際網路技術，加裝高清數字攝像頭，實現遠程監控及自動跟隨拍攝的功能，打造一個智能跟隨拍攝機器人平臺，可有效地代替人工拍攝；基於無線WiFi模塊與藍牙適配器的設置，通過手機連接或網絡連接管理機器人，可請求Web應用程式或者使用手機APP操控和維護本機器人，使得它可以運載物品，如平板電腦或茶杯等；利用超聲波測距與溫度補償技術，實現機器人在移動過程中的精確測距與自動避障功能；在底盤的通風孔上方加裝電動散熱風扇，加速鼓形箱體內熱量的散發。

附圖說明

圖1是本實用新型的整體結構示意圖。

圖2是本實用新型的正視結構示意圖。

圖3是本實用新型的仰視結構示意圖。

圖4是本實用新型的控制電路原理圖。

附圖中的各部件標註：1-超聲波傳感器；2-連接杆；3-大輪；4-底盤；5-小輪；6-散熱風扇；7-第一層平臺；8-電腦主機；9-第二層平臺；10-平板電腦；11-夾具；12-USB藍牙適配器；13-機械臂；14-kinect視覺體感器；15-第三層平臺；16-高清數字攝像機；17-無線WiFi模塊；18-鼓形箱體；19-通風孔；U1-stm32單片機；U2-arduino單片機；U3-雙直流無刷電機智能控制器；M-直流無刷電機；L-溫度計；A-USB轉TTL串口模塊。

具體實施方式

如圖1至圖4所示，本實用新型的基於視覺的服務機器人平臺，包括機械結構；所述機械結構上安裝有電腦主機模塊、自動避障模塊、視覺識別模塊、數字攝像模塊、遙控維護模塊和散熱模塊；

所述機械結構包括鼓形箱體18和底盤4；

所述鼓形箱體18頂部安裝有可旋轉調節的機械臂13；所述機械臂13其末端連接有夾具11；所述鼓形箱體18內部由下至上依次設置有第一至第三層平臺7、9、15，且每層平臺由連接杆2連接並支撐；所述底盤4上安裝有兩大輪3和兩小輪5；兩所述大輪3分別通過聯軸器連接一直流無刷電機M；所述底盤4上開設有多個通風孔19；

所述電腦主機模塊包括電腦主機8和stm32單片機U1；所述電腦主機8引出USB線且通過USB轉TTL串口模塊A連接至stm32單片機U1；所述電腦主機8設置於第一層平臺7和第二層平臺9之間；

所述自動避障模塊由三個超聲波傳感器1、一溫度計L及一arduino單片機U2組成；所述超聲波傳感器1其信號端及溫度計其信號端分別與arduino單片機電連接；所述arduino單片機U2與stm32單片機U1通過通信接口電連接；

所述視覺識別模塊包括一kinect視覺體感器14；所述kinect視覺體感器14設置於鼓形箱體18頂部的正前方位置；所述kinect視覺體感器14通過USB連接線與電腦主機8電連接；

所述數字攝像模塊包括一高清數字攝像機16；所述高清數字攝像機16設置於鼓形箱體18頂面的右側位置；所述高清數字攝像機16通過網線與電腦主機8電連接；

所述遙控維護模塊由一無線WiFi模塊17和一電腦USB藍牙適配器12構成；所述無線WiFi模塊17設置於鼓形箱體18頂面的右方位置；所述USB藍牙適配器12設置於鼓形箱體18頂面的左方位置；所述無線WiFi模塊17和電腦USB藍牙適配器12分別與電腦主機8電連接；

所述散熱模塊包括一固定於底盤4的通風孔19上方的散熱風扇6；所述散熱風扇6與stm32單片機U1電連接；

所述直流無刷電機M通過引出的霍爾線與編碼器線連接至雙直流無刷電機智能控制器U3；所述雙直流無刷電機智能控制器U3其控制埠與stm32單片機U1電連接。

所述電腦主機8放置於第一層平臺7的隔板上；所述stm32單片機U1、arduino單片機U2與雙直流無刷電機智能控制器U3均放置於所述第二層平臺9上方。

所述機械臂13為雙關節式轉動機械臂，其設置有兩個轉動副；所述機械臂13設置於鼓形箱體18上表面的正中央位置，且與第三層平臺15通過多個螺栓連接並且固定。

三個所述超聲波傳感器1設置於距離底盤110mm高的鼓形箱體18表面，且居中的所述超聲波傳感器1朝向機器人的正前方，另外兩個所述超聲波傳感器1分別相對居中的所述超聲波傳感器1以順時針方向60°及逆時針方向60°位置固定安裝。

所述夾具11上夾持有平板電腦10。

本實用新型的基於視覺的服務機器人平臺工作原理如下：

底盤的前後位置對稱設置了兩個小輪，兩小輪不設動力源，把本實用新型的機器人平放在地面時，恰好四個輪子能同時著地；機器人的移動由兩大輪帶動兩小輪移動，從stm32單片機的數字引腳(PA6、PA7引腳)輸出相同頻率且相同正佔空比的PWM脈衝，控制兩大輪等速轉動，實現直線行走；通過stm32單片機的數字引腳輸出相同頻率但不同正佔空比的PWM脈衝，使兩大輪之間產生差速，實現機器人的360°旋轉移動；

通過對arduino單片機的編程，實現超聲測距，由LM35溫度計測溫，用溫度算出音速，再根據音速算出三個方向上的障礙物距離，當某個方向上的測距值小於預設的避障有效距離值(有效避障距離設置為10cm)，arduino單片機將向stm32單片機發送避障指令，stm32單片機將輸出相適應的PWM脈衝來控制兩個大輪的轉向，繞開障礙物行走；

基於Kinect for Windows SDK平臺開發,通過編程實現，Kinect視覺體感器前方將會掃描到一個跟蹤區域(前方寬0.4米，長0.8米，高0.4米的立方體)，這個跟蹤區域是由深度攝像頭決定的，在這個跟蹤區域內，Kinect SDK裡的程序將會計算前方有效區域內的物體的形狀中心，然後將其與程序設定的跟蹤中心進行比較，物體形狀中心的距離正向變遠，電腦主機將通過USB轉TTL串口模塊，向stm32單片機發送前進的字符命令；從stm32單片機的數字引腳(PA6、PA7引腳)輸出相同頻率、相同正佔空比且正佔空比被放大的PWM脈衝，進而驅動兩個直流無刷電機帶動兩個大輪同步前進，直到物體的形狀中心與程序設定的跟蹤中心吻合，機器人停止前進；當物體形狀中心的距離發生右偏移，stm32單片機的數字引腳輸出相同頻率但不同正佔空比的PWM脈衝，觸發與大輪連接的左側的直流無刷電機的PWM脈衝的佔空比要比觸發左側的直流無刷電機的PWM脈衝的佔空比大，實現左大輪速度比右大輪速度大，機器人往右邊旋轉，當物體的形狀中心與程序設定的跟蹤中心出現在同一直線上，Kinect再根據物體形狀中心的距離正向變遠或正向靠近，從stm32單片機的數字引腳(PA6、PA7引腳)輸出相同頻率、相同佔空比的PWM脈衝，進而驅動兩個直流無刷電機帶動兩個大輪同步前進或者後退；

通過網線連接到鼓形箱體裡的電腦主機，並配置數字監控的網絡IP位址，並通過無線WiFi模塊連接網際網路，實現網絡監控的功能；結合前面已實現的自動跟隨功能與網絡監控的功能，可實現自動跟隨拍攝的功能，打造一個智能跟隨拍攝機器人平臺，有效地代替人工拍攝；為多種環境，比如教學平臺、售後服務平臺、車間、家庭等，提供智能拍攝服務；

在鼓形箱體的上表面，其左右兩側對稱設置了一個電腦USB藍牙適配器與一個無線WiFi模塊，這兩個模塊連接至電腦主機的USB接口；通過網絡連接管理機器人，由工作檯的電腦請求遠程，可控制服務機器人上的電腦系統，進而發出程序命令以操控和維護該機器人，使得它可以運載物品，如平板電腦或茶杯等，為家庭、辦公室提供娛樂服務；

通過散熱風扇和通風孔及時將鼓形箱體內的熱量排出；

直流無刷電機通過引出的霍爾線(U、V、W線)與編碼器線(A相線、B相線)連接至雙直流無刷電機智能控制器；且雙直流無刷電機智能控制器其控制埠與stm32單片機電連接；Stm32單片機用於採集其他模塊信號，轉換成控制指令，最終實現控制兩個大輪的行走模式；

其中，採用兩大輪、兩小輪的移動機構，由兩大輪帶動兩小輪，具有360°旋轉及全方位移動的優勢；

鼓形箱體前方設置120°廣角的三個超聲波模塊，具有自動避障的功能，超聲測距系統加設溫度補償模塊，使得該避障系統的靈敏度高、穩定性好，系統受幹擾的因子少；

基於kinect體感技術的開發，具有識別自動跟蹤的智能技術，可以識別前方區域移動物體的相對位置，進而執行相對應的命令指示，如跟著主人走，增加了人工智慧，操作方便；

由WiFi模塊與藍牙模塊組成的遙控維護系統，可實現網絡管理該機器人，具有多種控制方式；通過遠程操控該服務機器人，可用於運載物品，如平板電腦或水杯等；

加裝高清數字攝像頭，使機器人連接網際網路，可實現遠程監控及自動跟隨拍攝的功能；特別是自動跟隨拍攝功能的實現，打造了一個智能跟隨拍攝機器人平臺，有效地代替了人工拍攝，實現智能跟蹤拍攝；

適用於多種環境，如教學平臺、售後服務平臺、車間、家庭等，監視某一個人的各種活動或全程直播特定人員的技術動作講解，特別是車間教學、售後技術服務，具有很好的應用前景。

上述實施例，僅是本實用新型的較佳實施方式，故凡依本實用新型專利申請範圍所述的構造、特徵及原理所做的等效變化或修飾，均包括於本實用新型專利申請範圍內。