一種帶視覺系統的服務機器人的製作方法

2023-04-29 18:01:46

一種帶視覺系統的服務機器人的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種帶視覺系統的服務機器人，包括機器人車體及安裝在其上方機械手，所述機器人車體內裝有機器人控制車體運動和機械手動作的控制系統，所述機器人車體內還裝有嵌入式視覺跟蹤系統和WIFI通信模塊，視覺跟蹤系統的攝像頭通過雲臺安裝在機械手上，WIFI通信模塊實現控制系統、視覺跟蹤系統與上位機的數據與指令的無線傳輸。本實用新型在服務機器人上採用嵌入式視覺跟蹤系統，利用攝像頭進行視覺跟蹤，並利用WIFI通信模塊與上位機實現視覺傳輸，以WIFI無線網絡為數據傳輸載體，實現實時控制、音視頻傳輸和圖像採集等功能的智能系統，本實用新型所述的服務機器人可用於在反恐偵查、戰場C4ISR系統、消防救災、生命探測等民用及軍事領域。
【專利說明】一種帶視覺系統的服務機器人

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及服務機器人，特別涉及一種帶視覺系統的服務機器人。

【背景技術】
[0002] 針對目前服務機器人都是基於半自動模式下開展任務，這使得需要人的參與控 制，這成了服務機器人發展的短板，尤其是高解析度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機的參與複雜的圖像處理，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。 實用新型內容
[0003] 為克服上述現有技術的缺陷與不足，本實用新型提供一種帶視覺系統的服務機器 人。
[0004] 本實用新型所採用的技術方案是：
[0005] -種帶視覺系統的服務機器人，包括機器人車體及安裝在其上方機械手，所述機 器人車體內裝有機器人控制車體運動和機械手動作的控制系統，所述機器人車體內還裝有 嵌入式視覺跟蹤系統和WIFI通信模塊，視覺跟蹤系統的攝像頭通過雲臺安裝在機械手上， WIFI通信模塊實現控制系統、視覺跟蹤系統與上位機的數據與指令的無線傳輸。
[0006] 具體的，所述機器人車體裝有四個車輪，每個車輪由一個直流電機驅動，四個直流 電機由可充電電池供電。
[0007] 優選的，所述雲臺包括兩個數字舵機，攝像頭可在雲臺上可水平0°?180°、上 下0°?180°旋轉。
[0008] 優選的，所述機械手為五自由度機械手，由五個微伺服舵機組成，分別對應於臂、 肩、肘、前腕和夾持器的五個旋轉關節。
[0009] 優選的，所述控制系統包括單片機及分別與其連接的直流電機驅動電路、舵機驅 動電路、下載串口以及數據通信接口。
[0010] 優選的，所述機器人車體上還裝有受控制系統控制的燈光裝置。
[0011] 優選的，所述嵌入式視覺跟蹤系統採用採用PropellerP8X32A八核32位晶片嵌入 linux系統，在linux系統上運行0PENCV圖像處理庫驅動攝像頭，完成視頻採集，數據傳輸、 轉發。
[0012] 進一步優選的，所述上位機採用數據包格式傳送指令到機器人WIFI模塊，WIFI模 塊通過解包機制把數據包解開，通過串口發送到單片機並通過各驅動模塊執行燈光控制、 拍照和機器人運動操作。
[0013] 優選的、所述上位機的軟體客戶端包括主窗口和配置窗口，主窗口包括視頻顯示 區及控制按鈕，用於顯示回傳視頻和控制機器人運動，配置窗口完成WIFI無線網絡及機器 人控制指令自定義鍵值的配置。
[0014] 優選的，所述上位機利用無線網卡通過Socket發送數據包到WIFI模塊。
[0015] 本實用新型在服務機器人上採用嵌入式視覺跟蹤系統，利用攝像頭進行視覺跟 蹤，並利用WIFI通信模塊與上位機實現視覺傳輸，以WIFI無線網絡為數據傳輸載體，實現 實時控制、音視頻傳輸和圖像採集等功能的智能系統，本實用新型所述的服務機器人可用 於在反恐偵查、戰場C4ISR系統、消防救災、生命探測等民用及軍事領域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本實用新型所述的服務機器人的立體示意圖；
[0017] 圖2是本實用新型所述的服務機器人的側視圖；
[0018] 圖3是本實用新型的系統整體實現框圖；
[0019] 圖4是本實用新型的電機驅動電路的實施例原理圖；
[0020] 圖5是本實用新型的舵機驅動電路的實施例原理圖；
[0021] 圖6是本實用新型的軟體系統體系結構示意圖。

【具體實施方式】
[0022] 為了便於本領域技術人員理解，下面將結合附圖以及實施例對本實用新型進行進 一步詳細描述。
[0023] 如圖1、2和3所示，本實用新型所揭示的帶視覺系統的服務機器人，包括機器人車 體及安裝在其上方的機械手，所述機器人車體內裝有機器人控制車體運動和機械手動作的 控制系統，所述機器人車體內還裝有嵌入式視覺跟蹤系統和WIFI通信模塊，視覺跟蹤系統 的攝像頭通過雲臺安裝在機械手上，WIFI通信模塊實現控制系統、視覺跟蹤系統與上位機 的數據與指令的無線傳輸。
[0024] 所述車體採用全鋁合金鈑金模型，面板上設計有多用途固定孔，滿足以後升級的 擴展，表面為氧化磨砂處理，可以起到抗氧化生鏽等，車體裝有4個車輪，內部主要由4個 12V/120轉直流電機和電池組構成，電機兩兩並聯，相當於驅動兩個電機，增大機器人的運 載能力和爬坡能力。為方便電池充放電，設計了充放電電路，只需撥動開關即可實現充放電 操作。電池組電源12V，可多個並聯使用，為機器人提高持久動力。
[0025] 機械手採用五自由度鋁合金機械手，由五個精確的微伺服舵機組成，分別對應於 臂、肩、肘、前腕、夾持器五個旋轉關節，每個關節可在規定的範圍內活動，其可安裝到移動 平臺用於工作人員可視作業，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 高脈衝控制信號控制，對應的有32路舵機控制器。
[0026] 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。雲臺 由2個MG995數字舵機及其他輔助材料構成。
[0027] WIFI模塊採用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 於Linux的開源路由固件，提供了一個完全可寫的文件系統及軟體包管理，對支持OpenWrt 的路由器刷機後，其相當於一個Linux小系統。路由器選擇OpenWrt作為作業系統，將USB 攝像頭採集的現場圖片發給遠端的PC控制終端，並將上位機發出的命令通過串口轉發給 單片機控制系統。
[0028] 控制系統主要包括電源模塊、電機驅動、舵機驅動、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。電機驅動採用英飛凌公司的BTS7960直流電刷電機驅 動晶片，其具有大電流M0SFET半橋結構。晶片具有較高的集成度和足夠的輸出能力，並在 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晶片。
[0029] 圖4為BTS7960與單片機組成的Η電機驅動單元。由於所採用驅動晶片是半橋，因 此需要採用兩片以構成全橋實現電機的正反轉。單片機產生2路PWM輸出作為兩片BTS7960 的控制信號，同時要求PWM〇、PWMl不能同時為高電平。採用定時器輸出硬體PWM脈衝，使得 單片機CPU只在改變PWM佔空比時參與運算，這樣可大幅減輕系統運算負擔和PWM軟體編 程成本。
[0030] 圖5為舵機驅動方案電路圖。為保證較高的電源利用率，舵機驅動採用LM2596開 關型穩壓晶片實現，它可以提供3A以上電流，驅動強勁。由於舵機型號為MG995,其工作電 壓為5. 0V?7. 0V.因此舵機驅動晶片選擇了可調LM2596-ADJ晶片，其輸出電壓Vout=Vref (1. 0+R2/R1)，其中，Vref=l. 23V為晶片內部參考電壓。
[0031] 嵌入式視覺跟蹤系統採用parallax公司的Propeller P8X32A八核32位晶片嵌 入linux系統，在linux系統上運行0PENCV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複雜功能可以內置在一個集成模塊中。
[0032] 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 圖像採集等功能的智能系統。經測試，該機器人可用於在反恐偵查、戰場C4ISR系統、消防 救災、生命探測等民用及軍事領域。
[0033] 操作員在操作終端通過WIFI無線網絡連接到小車內置的WIFI模塊上，並向其發 出相關操作指令，WIFI模塊接收指令並傳遞給內置的單片機，單片機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，並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。
[0034] 本實用新型的軟體系統體系結構如圖6所示，作業系統採用OpenWrt，此部分在路 由器刷機部分完成，主要完成視頻採集、數據傳輸、轉發等功能。上位機軟體控制燈光控制、 拍照、實時控制機器人運動等行為。下位機軟體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，軟體部分包括通信協議，客戶端控 制軟體和下位機軟體。在此主要介紹通信協議和上位機的開發。
[0035] 通信協議上位機採用數據包格式傳送指令，也可以採用單字符的形式發送，由於 單字符通信方式幹擾較大，因此採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並通過控制模塊執行相關操作。其協議規定如表1所示。
[0036] 表1通信協議規定
[0037]

【權利要求】
1. 一種帶視覺系統的服務機器人，包括機器人車體及安裝在其上方的機械手，所述機 器人車體內裝有機器人控制車體運動和機械手動作的控制系統，其特徵在於：所述機器人 車體內還裝有嵌入式視覺跟蹤系統和WIFI通信模塊，視覺跟蹤系統的攝像頭通過雲臺安 裝在機械手上，WIFI通信模塊實現控制系統、視覺跟蹤系統與上位機的數據與指令的無線 傳輸。
2. 根據權利要求1所述的帶視覺系統的服務機器人，其特徵在於：所述機器人車體裝 有四個車輪，每個車輪由一個直流電機驅動，四個直流電機由可充電電池供電。
3. 根據權利要求2所述的帶視覺系統的服務機器人，其特徵在於：所述雲臺包括兩個 數字舵機，攝像頭可在雲臺上可水平0°?180°、上下0°?180°旋轉。
4. 根據權利要求3所述的帶視覺系統的服務機器人，其特徵在於：所述機械手為五自 由度機械手，由五個微伺服舵機組成，分別對應於臂、肩、肘、前腕和夾持器的五個旋轉關 節。
5. 根據權利要求4所述的帶視覺系統的服務機器人，其特徵在於：所述控制系統包括 單片機及分別與其連接的直流電機驅動電路、舵機驅動電路、下載串口以及數據通信接口。
6. 根據權利要求5所述的帶視覺系統的服務機器人，其特徵在於：所述機器人車體上 還裝有受控制系統控制的燈光裝置。
7. 根據權利要求6所述的帶視覺系統的服務機器人，其特徵在於：所述嵌入式視覺跟 蹤系統採用Propeller P8X32A八核32位晶片嵌入linux系統，在linux系統上運行OPENCV 圖像處理庫驅動攝像頭，完成視頻採集，數據傳輸、轉發。
8. 根據權利要求7所述的帶視覺系統的服務機器人，其特徵在於：所述上位機採用數 據包格式傳送指令到機器人WIFI模塊，WIFI模塊通過解包機制把數據包解開，通過串口發 送到單片機並通過各驅動模塊執行燈光控制、拍照和機器人運動操作。
9. 根據權利要求8所述的帶視覺系統的服務機器人，其特徵在於：所述上位機利用無 線網卡通過Socket發送數據包到WIFI模塊。
【文檔編號】B25J5/00GK204054037SQ201420111228
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年3月13日 優先權日:2014年3月13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