實現智能化越障的服務機器人的製作方法與工藝

2023-05-12 11:20:56

實現智能化越障的服務機器人本發明是申請號為2014107073997、申請日為2014年11月27日、發明名稱為「實現智能化越障的服務機器人」的專利的分案申請。技術領域本發明涉及機器人控制領域，尤其涉及一種實現智能化越障的服務機器人。

背景技術：
服務機器人是機器人家族中的一個年輕成員，可以分為專業領域服務機器人和個人/家庭服務機器人，服務機器人的應用範圍很廣，主要從事維護保養、修理、運輸、清洗、保安、救援、監護等工作。數據顯示，目前，世界上至少有48個國家在發展機器人，其中25個國家已涉足服務型機器人開發。在日本、北美和歐洲，迄今已有7種類型計40餘款服務型機器人進入實驗和半商業化應用。近年來，全球服務機器人市場保持較快的增長速度，全球人口的老齡化帶來大量的問題，例如對於老齡人的看護，以及醫療的問題，這些問題的解決帶來大量的財政負擔。由於服務機器人所具有的特點使之能夠顯著的降低財政負擔，因而服務機器人能夠被大量的應用。但是，現有技術中的服務機器人存在以下缺陷：(1)測距模式單一，僅僅憑著紅外線測距或超聲波測距中的一種測距方式進行前方障礙物的測距，往往會因為測距設備的精度問題，導致測距不夠準確；(2)越障不夠智能化，服務機器人在前進過程中經常會碰到障礙物，現有技術中一般採取停止等待指令或僅僅根據障礙物高度進行越障，前者導致服務機器人工作效率低下，後者在障礙物縱向過長的情況下難於成功越障。因此，需要一種新的實現智能化越障的服務機器人，能夠提高前方障礙物測距的準確性，同時能夠準確測量到前方障礙物的橫向、豎向和縱向三個方向的尺寸，從而根據前方障礙物的實際情況，確定不同的自動越障方式，保障服務機器人的正常服務操作。

技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提供了一種實現智能化越障的服務機器人，改造現有的服務機器人結構，引入超聲波測障和紅外線測障結合的方式，以提高前方障礙物測量精度，另外，引入圖像識別技術確定前方障礙物的橫向、豎向和縱向三個方向的尺寸，以決定採用跨越障礙物、繞行障礙物或等待指令三種越障模式的一種，使得服務機器人的正常工作受到的幹擾最小，提高服務機器人的工作效率和服務效果。根據本發明的一方面，提供了一種實現智能化越障的服務機器人，所述服務機器人包括，可伸縮機構、紅外線傳感器、攝像機、圖像處理器和ARM9型號的主控制器，所述可伸縮機構在豎直方向可伸縮，所述紅外線傳感器用於檢測前方障礙物距離所述服務機器人的紅外線前向距離，所述攝像機位於所述可伸縮機構上，用於拍攝前方的障礙物圖像，所述圖像處理器與所述攝像機連接，用於對所述障礙物圖像進行圖像處理，所述主控制器與所述可伸縮機構、所述紅外線傳感器、所述攝像機和所述圖像處理器分別連接，基於所述紅外線前向距離決定是否啟動所述攝像機與所述圖像處理器，並基於圖像處理結果控制所述可伸縮機構的伸縮動作。更具體地，在所述實現智能化越障的服務機器人中，所述服務機器人還包括，驅動機構，用於驅動所述服務機器人，包括直流無刷電動機、減速器、電機驅動器、兩個電機驅動車輪和兩個萬向輪，所述兩個萬向輪為兩個前輪，所述兩個電機驅動車輪為兩個後輪；用戶輸入設備，根據用戶的操作，接收用戶輸入的預定前向距離閾值、預定高度閾值、豎向尺寸閾值、縱向尺寸閾值、橫向尺寸閾值、障礙物上限灰度閾值和障礙物下限灰度閾值，所述障礙物上限灰度閾值和所述障礙物下限灰度閾值用於將圖像中的障礙物目標與圖像背景分離；存儲器，與所述用戶輸入設備連接，以接收並存儲所述預定前向距離閾值、所述預定高度閾值、所述豎向尺寸閾值、所述縱向尺寸閾值、所述橫向尺寸閾值、所述障礙物上限灰度閾值和所述障礙物下限灰度閾值；超聲波傳感器，位於所述服務機器人的正前方，包括超聲波發射器、超聲波接收器和超聲波運算器，所述超聲波發射器用於發射超聲波，所述超聲波接收器用於接收經過前方障礙物反射回來的超聲波，所述超聲波運算器與所述超聲波發射器和所述超聲波接收器分別連接，用於基於超聲波發射接收時間差和超聲波傳播速率，計算前方障礙物距離所述服務機器人的超聲波障礙物距離；所述可伸縮機構接收所述主控制器發送的伸縮量以進行豎直方向的伸縮動作，並在檢測到完成所述伸縮量後發出伸縮結束信號；所述紅外線傳感器位於所述服務機器人的正前方，還包括紅外線發射二極體、紅外線接收二極體和紅外線運算器，所述紅外線發射二極體發射紅外線信號，當在前向方向遇到前方障礙物時，將紅外線信號反射回來被所述紅外線接收二極體接收，所述紅外線運算器與所述紅外線發射二極體和紅外線接收二極體分別連接，基於紅外線信號發射接收的時間差和紅外線信號的傳播速度，計算距離前方障礙物的紅外線前向距離；所述圖像處理器包括小波濾波單元、灰度化處理單元、障礙物識別單元和尺寸計算單元，所述小波濾波單元與所述攝像機連接以接收所述障礙物圖像，基於小波濾波算法對所述障礙物圖像執行濾波處理以輸出濾波圖像，所述灰度化處理單元連接所述小波濾波單元以對所述濾波圖像進行灰度化處理，輸出灰度化圖像，所述障礙物識別單元與所述灰度化處理單元和所述存儲器分別連接，將所述灰度化圖像中灰度值在所述障礙物上限灰度閾值和所述障礙物下限灰度閾值之間的像素識別並組成障礙物目標子圖像，所述尺寸計算單元與所述障礙物識別單元連接，以基於所述障礙物目標子圖像計算所述障礙物目標子圖像中前方障礙物的橫向尺寸、豎向尺寸和縱向尺寸；所述主控制器與所述可伸縮機構、所述驅動機構、所述存儲器、所述超聲波傳感器、所述紅外線傳感器、所述攝像機和所述圖像處理器分別連接，當接收到的超聲波障礙物距離和紅外線前向距離不相匹配時，發出測距錯誤信號，控制所述驅動機構停止驅動所述服務機器人，當接收到的超聲波障礙物距離和紅外線前向距離相匹配且紅外線前向距離小於等於所述預定前向距離閾值時，啟動所述攝像機和所述圖像處理器，在所述豎向尺寸小於所述預定高度閾值時，直接進入智能化越障模式，在所述豎向尺寸大於等於所述預定高度閾值時，關閉所述攝像機和所述圖像處理器，基於所述豎向尺寸控制所述可伸縮機構的豎直方向的伸縮量，直到接收到所述可伸縮機構發出的伸縮結束信號後，啟動所述攝像機和所述圖像處理器，進入智能化越障模式；無線通信設備，與所述主控制器連接，用於將測距錯誤信號或障礙物報警信號通過移動通信網絡發送到用戶的移動終端上；其中，在所述主控制器的智能化越障模式中，所述主控制器在接收到的豎向尺寸小於等於所述豎向尺寸閾值且縱向尺寸小於等於所述縱向尺寸閾值時，進入機器跨越模式，在接收到的豎向尺寸小於等於所述豎向尺寸閾值且縱向尺寸大於所述縱向尺寸閾值且橫向尺寸小於等於所述橫向尺寸閾值時，或在接收到的豎向尺寸大於所述豎向尺寸閾值時且接收到的橫向尺寸小於等於所述橫向尺寸閾值時，進入機器繞過模式，在接收到的豎向尺寸大於所述豎向尺寸閾值時且接收到的橫向尺寸大於所述橫向尺寸閾值時，發送障礙物報警信號。更具體地，在所述實現智能化越障的服務機器人中，所述無線通信設備還用於接收用戶的移動終端無線發送的控制指令，以通過所述主控制器控制所述驅動機構對所述服務機器人的驅動。更具體地，在所述實現智能化越障的服務機器人中，所述無線通信設備通過移動通信網絡與所述用戶的移動終端建立雙向無線通信鏈路。更具體地，在所述實現智能化越障的服務機器人中，所述移動通信網絡為GPRS移動通信網絡、3G移動通信網絡和4G移動通信網絡中的一種。更具體地，在所述實現智能化越障的服務機器人中，還包括，可充電鋰電池，為所述服務機器人提供供電電源，並與所述主控制器連接以在所述主控制器控制下為所述服務機器人提供節電管理。更具體地，在所述實現智能化越障的服務機器人中，所述服務機器人為修理機器人、運輸機器人、清洗機器人、保安機器人、救援機器人和監護機器人中的一種。附圖說明以下將結合附圖對本發明的實施方案進行描述，其中：圖1為根據本發明實施方案示出的實現智能化越障的服務機器人的結構方框圖。具體實施方式下面將參照附圖對本發明的實現智能化越障的服務機器人的實施方案進行詳細說明。機器人(Robot)，指的是自動執行工作的機器裝置。他既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智慧技術制定的原則綱領行動。機器人的任務是協助或取代人類工作的工作，例如生產業、建築業，或是危險的工作。機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用於非製造業並服務於人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人、機器人化機器等。服務機器人的應用範圍很廣，主要從事維護保養、修理、運輸、清洗、保安、救援、監護等工作。國際機器人聯合會經過多年的搜集整理，給了服務機器人一個初步的定義：服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，他能完成有意於人類健康的服務工作，但不包括從事生產的設備。這裡，我們把其他一些貼近人們生活的機器人也列入其中。現有技術中的服務機器人需要過多的人為幹涉，例如遠程發送指令或現場發送指令，才能完成服務機器人的通過各種障礙物，進行各種服務，自動化水平不高。本發明的實現智能化越障的服務機器人，通過兩種不同測距結果進行比較，以獲得更準確的前方障礙物距離，同時，通過圖像識別技術確定前方障礙物的各種尺寸，並自適應採取合適的越障方案，減少人為操作，提高了服務機器人的自動化程度。圖1為根據本發明實施方案示出的實現智能化越障的服務機器人的結構方框圖，所述服務機器人包括：ARM9主控制器1、可伸縮機構2、驅動機構3、紅外線傳感器4、超聲波傳感器5、無線通信設備6、攝像機7、圖像處理器8、存儲器9、用戶輸入設備10和供電設備11。ARM9主控制器1與可伸縮機構2、驅動機構3、紅外線傳感器4、超聲波傳感器5、無線通信設備6、攝像機7、圖像處理器8、存儲器9、用戶輸入設備10和供電設備11分別連接，攝像機7與圖像處理器8連接，存儲器9和用戶輸入設備10連接，供電設備11採用可充電鋰電池，為所述服務機器人提供供電電源。所述可伸縮機構2在豎直方向可伸縮，所述紅外線傳感器4用於檢測前方障礙物距離所述服務機器人的紅外線前向距離，所述攝像機7位於所述可伸縮機構2上，用於拍攝前方的障礙物圖像，所述圖像處理器8用於對所述障礙物圖像進行圖像處理，所述主控制器1基於所述紅外線前向距離決定是否啟動所述攝像機7與所述圖像處理器8，並基於圖像處理結果控制所述可伸縮機構2的伸縮動作。接著，繼續對本發明的實現智能化越障的服務機器人的具體結構進行進一步的說明。在所述服務機器人中，所述可伸縮機構2接收所述主控制器1發送的伸縮量以進行豎直方向的伸縮動作，並在檢測到完成所述伸縮量後發出伸縮結束信號。所述驅動機構3，用於驅動所述服務機器人，驅動機構3包括直流無刷電動機、減速器、電機驅動器、兩個電機驅動車輪和兩個萬向輪，所述兩個萬向輪為兩個前輪，所述兩個電機驅動車輪為兩個後輪。所述紅外線傳感器4位於所述服務機器人的正前方，還包括紅外線發射二極體、紅外線接收二極體和紅外線運算器，所述紅外線發射二極體發射紅外線信號，當在前向方向遇到前方障礙物時，將紅外線信號反射回來被所述紅外線接收二極體接收，所述紅外線運算器與所述紅外線發射二極體和紅外線接收二極體分別連接，基於紅外線信號發射接收的時間差和紅外線信號的傳播速度，計算距離前方障礙物的紅外線前向距離。所述超聲波傳感器5，位於所述服務機器人的正前方，包括超聲波發射器、超聲波接收器和超聲波運算器，所述超聲波發射器用於發射超聲波，所述超聲波接收器用於接收經過前方障礙物反射回來的超聲波，所述超聲波運算器與所述超聲波發射器和所述超聲波接收器分別連接，用於基於超聲波發射接收時間差和超聲波傳播速率，計算前方障礙物距離所述服務機器人的超聲波障礙物距離。所述用戶輸入設備10，用於根據用戶的操作，接收用戶輸入的預定前向距離閾值、預定高度閾值、豎向尺寸閾值、縱向尺寸閾值、橫向尺寸閾值、障礙物上限灰度閾值和障礙物下限灰度閾值，所述障礙物上限灰度閾值和所述障礙物下限灰度閾值用於將圖像中的障礙物目標與圖像背景分離。所述存儲器9，與所述用戶輸入設備10連接，以接收並存儲所述預定前向距離閾值、所述預定高度閾值、所述豎向尺寸閾值、所述縱向尺寸閾值、所述橫向尺寸閾值、所述障礙物上限灰度閾值和所述障礙物下限灰度閾值。所述圖像處理器8包括小波濾波單元、灰度化處理單元、障礙物識別單元和尺寸計算單元，所述小波濾波單元與所述攝像機7連接以接收所述障礙物圖像，基於小波濾波算法對所述障礙物圖像執行濾波處理以輸出濾波圖像，所述灰度化處理單元連接所述小波濾波單元以對所述濾波圖像進行灰度化處理，輸出灰度化圖像，所述障礙物識別單元與所述灰度化處理單元和所述存儲器9分別連接，將所述灰度化圖像中灰度值在所述障礙物上限灰度閾值和所述障礙物下限灰度閾值之間的像素識別並組成障礙物目標子圖像。在所述圖像處理器8中，所述尺寸計算單元與所述障礙物識別單元連接，以基於所述障礙物目標子圖像計算所述障礙物目標子圖像中前方障礙物的橫向尺寸、豎向尺寸和縱向尺寸。所述主控制器1執行以下控制，當接收到的超聲波障礙物距離和紅外線前向距離不相匹配時，發出測距錯誤信號，控制所述驅動機構3停止驅動所述服務機器人，當接收到的超聲波障礙物距離和紅外線前向距離相匹配且紅外線前向距離小於等於所述預定前向距離閾值時，啟動所述攝像機7和所述圖像處理器8，在所述豎向尺寸小於所述預定高度閾值時，直接進入智能化越障模式，在所述豎向尺寸大於等於所述預定高度閾值時，關閉所述攝像機7和所述圖像處理器8，基於所述豎向尺寸控制所述可伸縮機構2的豎直方向的伸縮量，直到接收到所述可伸縮機構2發出的伸縮結束信號後，啟動所述攝像機7和所述圖像處理器9，進入智能化越障模式。所述服務機器人還包括，無線通信設備6，與所述主控制器1連接，用於將測距錯誤信號或障礙物報警信號通過移動通信網絡發送到用戶的移動終端上。其中，在所述主控制器1的智能化越障模式中，所述主控制器1在接收到的豎向尺寸小於等於所述豎向尺寸閾值且縱向尺寸小於等於所述縱向尺寸閾值時，進入機器跨越模式，在接收到的豎向尺寸小於等於所述豎向尺寸閾值且縱向尺寸大於所述縱向尺寸閾值且橫向尺寸小於等於所述橫向尺寸閾值時，或在接收到的豎向尺寸大於所述豎向尺寸閾值時且接收到的橫向尺寸小於等於所述橫向尺寸閾值時，進入機器繞過模式，在接收到的豎向尺寸大於所述豎向尺寸閾值時且接收到的橫向尺寸大於所述橫向尺寸閾值時，發送障礙物報警信號。其中，所述無線通信設備6還可以用於接收用戶的移動終端無線發送的控制指令，以通過所述主控制器1控制所述驅動機構3對所述服務機器人的驅動，所述無線通信設備6可選擇通過移動通信網絡與所述用戶的移動終端建立雙向無線通信鏈路，所述移動通信網絡可為GPRS移動通信網絡、3G移動通信網絡和4G移動通信網絡中的一種，以及所述可充電鋰電池為所述服務機器人提供供電電源，並與所述主控制器1連接以在所述主控制器1控制下為所述服務機器人提供節電管理，所述服務機器人可為修理機器人、運輸機器人、清洗機器人、保安機器人、救援機器人和監護機器人中的一種。另外，小波濾波算法是基於小波分析的一種算法，小波分析是一種新興的數學分支，他是泛函數、Fourier分析、調和分析、數值分析的結合體；在應用領域，特別是在信號處理、圖像處理、語音處理以及眾多非線性科學領域，他被認為是繼Fourier分析之後的又一有效的時頻分析方法。小波變換與Fourier變換相比，是一個時間和頻域的局域變換，因而能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能對函數或信號進行多尺度細化分析，解決了Fourier變換不能解決的許多困難問題。另外，機器人，指的是一般由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統和複雜機械等組成的系統。執行機構，即機器人本體，其臂部一般採用空間開鏈連杆機構，其中的運動副(轉動副或移動副)常稱為關節，關節個數通常即為機器人的自由度數。根據關節配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節坐標式等類型。出於擬人化的考慮，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部(夾持器或末端執行器)和行走部(對於移動機器人)等。驅動裝置，是驅使執行機構運動的機構，按照控制系統發出的指令信號，藉助於動力元件使機器人進行動作。他輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有採用液壓、氣動等驅動裝置。檢測裝置，是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據需要反饋給控制系統，與設定信息進行比較後，對執行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用於檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節的位置、速度、加速度等，並將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環控制。一類是外部信息傳感器，用於獲取有關機器人的作業對象及外界環境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種「感覺」，向智能化發展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋迴路，從而將大大提高機器人的工作精度。控制系統，一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散(級)式控制，即採用多臺微機來分擔機器人的控制，如當採用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用於負責系統的管理、通訊、運動學和動力學計算，並向下級微機發送指令信息；作為下級從機，各關節分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現給定的運動，並向主機反饋信息。根據作業任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續軌跡控制和力(力矩)控制。採用本發明的實現智能化越障的服務機器人，針對現有服務機器人的測距模式單一、越障效率較低的技術問題，結合利用超聲波技術和紅外線技術以提高前方目標測距的精度，同時，更全面地獲得障礙物的更多尺寸信息，基於尺寸信息調整圖像採集設備的位置，在準確的尺寸信息的基礎上自適應地採用不同越障方案，實現服務機器人的智能化越障，減少人工幹預。可以理解的是，雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例並非用以限定本發明。對於任何熟悉本領域的技術人員而言，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。