基於目標識別技術的家用移動安保機器人的製作方法

2023-07-22 17:49:26

專利名稱：基於目標識別技術的家用移動安保機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能移動機器人，特別是一種能自主行走，自主識別和檢測目標點，並採用無線通信方式將檢測結果發到綁定的手機或電腦，並能接收來自手機或電腦的控制指令的家用移動安保機器人，屬於服務機器人技術領域。
背景技術：
現代的城市家庭鄰裡多不熟悉，上班時間大都無人在家，當家庭成員全部外出，或者家中留有未成年兒童、病人及行動不便的老人時，安全問題顯得尤為重要。當前安保技術的研究很熱，出現了眾多的監控類產品，常見的有監控攝像頭、煤氣探測儀、玻璃破碎探測儀器等，並能與小區安檢系統聯網，用於實現非法入侵、火災等異常情況下的監控和報警。 雖然這些常規的小區監控系統能起到一定的威懾和防範作用，但還存在著一些不足一是這種安檢系統一般配備在新建的高檔智能小區，原先建好的小區改造成本高，還會破壞住戶的裝修；再者這些監控系統有一定的死區，也可能會被破壞，而且這些都是固定不動的監控手段，不可能監視到房間的每個角落。安保機器人能夠很好地彌補上述缺陷機器人可以四處行走，能起到代替人到處觀察的作用，可以讓機器人定時或者隨機地監控關鍵位置；機器人所具備的智能技術可以實現動態目標抓拍和跟蹤，將活動的物體拍照或者錄像；機器人還可以將數據存儲或者發送到綁定的手機或遠程電腦以便主人實時了解家中的情況。即使在已經安裝了監控系統的家庭，機器人也可以與已有的攝像頭、傳感器系統聯網，搜索到異常信息，及時反饋給主人， 使已有靜態監控系統更加有效地發揮作用。目前有一些研究中提到了適合家庭監控用的機器人系統。專利200420053492. 2 公開了一種帶有攝像頭、煙霧傳感器、玻璃破碎傳感器，由單片機控制的保安機器人，可將圖像等信息無線傳輸到集中控制室。專利200520087230. 2公開了一種保安機器人上用的 GSM通信控制電路。專利CN201010M3931. 8公開了一種適用於iPhone智慧型手機與機器人的交互系統，能通過智慧型手機控制機器人的動作。專利CN20092(^94316. 0公開了一種採用GPS定位的巡檢機器人，因為定位精度局限，只能應用於戶外。專利CN200910199945. X 公開了一種通過無線乙太網連接的多個家居機器人系統，適合於機器人的群體協作。專利 CN201010046514. 2公開了一種帶有攝像頭、聲音採集器、避障傳感器等的多感知機器人系統。以上專利均在某一方面涉及了家用安保機器人的實用技術，但都有很大的局限性，沒有實現機器人在家庭中的智能定點監控，不能將監控信息實時反饋給用戶，不能與其他智能設備聯網，實用性差。本實用新型旨在解決家用安保機器人實際應用中的關鍵技術尋找並定位監控目標，並將監控結果無線傳輸到手機或帶接口的電腦終端，並能採用物聯網的方式與其他智能設備聯網，使安保機器人能夠真正應用於家庭的實時監控。
發明內容[0006]本實用新型的目的是公開一種基於目標識別技術的家用移動安保機器人，可以自動巡檢、自主尋找和定位目標點、對標誌位置進行重點掃描，並把巡檢信息和圖像通過無線通信方式發送到主人的手機或帶有接口的電腦終端上。本實用新型包括以下幾個子系統框架、行走系統、成像系統、傳感器系統、控制系統、無線網絡系統、目標識別系統、通信系統以及能源管理系統。所述框架包括機器人的底盤和殼體部分；所述底盤為機器人的支撐部分，下面安裝有輪子和傳感器；所述殼體部分是傳感器及攝像頭等部件的裝配載體，並且與所述底盤構成一個封閉的腔體；所述腔體內裝有電機及驅動機構、控制電路板等部件。所述行走系統為輪式機構，包括輪子、電機、齒輪傳動機構；所述輪子包含2個主動輪，2個導向輪；所述電機為驅動主動輪的直流伺服電機，由控制系統進行驅動，採用差動驅動方式，實現機器人的直線行走和轉彎動作；所述齒輪傳動機構包括驅動軸和齒輪系， 將電機的轉動傳輸到主動輪上。所述成像系統包括一個微型攝像頭、兩個微型電機構成的可控兩自由度旋轉雲臺機構、智能感光及燈光系統；所述微型攝像頭可採用CCD或者CMOS攝像頭；所述雲臺機構包括兩個電機及相應的傳動機構，在水平和垂直方向上旋轉，以使攝像頭能夠拍到各個角度的圖像；所述智能感光及燈光系統包括感光器件及電路、LED機器開關電路，能夠感應周圍的光線，並在低照度時打開攝像頭周圍的LED，以便在黑暗環境中獲取清晰的圖像。所述傳感器系統安裝在機器人的殼體周圍和底盤上，包括底盤上的防跌傳感器、 懸空傳感器、裝在外殼上的避障傳感器、碰撞環、煙霧傳感器、人體熱釋電傳感器、拾音器等；所述防跌傳感器安裝在機器人底盤的前後位置，當機器人某一部分懸浮於樓梯、臺階等位置時，傳感器將探測到垂直距離信息，發出信號到控制系統，使機器人停止向前走或向後退，避免機器人從樓梯等高處跌落；所述輪子懸空傳感器安裝在輪子上，當任何一個輪子不著地面時即發出信號到控制系統，使機器人停止或改變當前的運動方向，防止機器人從樓梯等高處跌落；所述避障傳感器裝在機器人外殼的周圍，可採用紅外或者超聲傳感器，使機器人能夠識別周圍物體離自身的遠近，發出信號到控制系統，控制機器人的運動方向及速度，避免發生碰撞；所謂碰撞環裝在機器人外殼的前部，當機器人意外地碰上其他物體時起作用，發出信號向控制系統，使停止向前走的動作；所述煙霧傳感器裝在機器人外殼上，感應周圍一氧化碳和甲烷的濃度，當濃度超限時向控制系統發出信號，控制系統將會啟動相關的報警等任務；所述人體熱釋電傳感器裝在機器人的外殼上，當有人靠近時會向控制系統發出信號，控制系統將根據此信號啟動相關的進程；所述拾音器固定於機器人的外殼的前部，可以採集到周圍的聲音，並發給控制系統。所述控制系統包括控制電路板及控制軟體；所述控制電路板安裝在機器人的底盤上，由殼體包裹在腔體內；所述控制軟體為嵌入式作業系統，燒錄在所述控制電路板上的晶片內，包含了對機器人自主行走、任務設定、報警通信、傳感器信息採集、圖像獲取及傳輸、 目標識別及跟蹤等算法。所述無線網絡系統安裝於機器人的殼體內，採用ZigBee等通信方式與其他設備進行通信，其他設備可以是同類型的機器人、帶有無線網絡的其他設施如家電等。所述目標識別系統採用RF或其他技術，識別固定於特定位置的標籤或其他類型的標識物，並控制成像系統對特定區域進行拍照。
5[0015]所述通信系統採用GSM、GPRS、CDMA等無線通信器件，裝於機器人的腔體內，與所述控制電路板相連，可以與綁定的手機號碼進行簡訊聯繫，發送和接受消息；也可以與裝有專用接口的電腦通信，將圖像等信息發送到電腦上。所述能源管理系統包括可充電電池、自動充電機構、充電器、電源管理電路及軟體；所述可充電電池為鎳氫電池或鋰電池，安裝在機器人的腔體內，與所述控制電路板相連，為整個機器人系統供電；所述自動充電機構安裝在機器人外殼上，與固定的充電器之間進行通信，機器人能隨時找到充電器自行充電，充滿電後有任務要執行時自動移開；所述充電器包括與插座相連的充電器及充電座，所述充電座上裝有識別系統，機器人能夠找到充電座的位置，並能準確地坐在充電座上進行充電；所述電源管理電路及軟體裝在所述控制電路板上，在不同的模式下進行不同的電源分配，以達到節能的目的。本實用新型的工作方式如下將機器人與手機或遠程電腦綁定，在需要重點監控的位置貼好標籤，比如窗戶、陽臺的門、樓梯口等；隨後讓機器人隨機在房間裡行走，熟悉環境並找到每個標籤的位置；設置好機器人的監控模式、監控時間和頻率，離開房間；機器人按照設置好的方式定時啟動監控程序，檢測每一個標誌點處的情況，並把圖像無線發送到主人手機或電腦上；在做重點監控的同時，機器人隨時採集煙霧、聲音、人物等信息，並將這些信息發送到主人手機或電腦上；機器人還可以與智能家電、固定的監控系統通過物聯網的方式相互通信；機器人也可以接收主人手機或者電腦發出的控制信息，進行例行之外的任務。本實用新型的有益效果是提出了一個能夠自主識別目標點，並能對目標位置進行重點監控的智能移動機器人系統，應用在家庭環境中，可以定時或隨機地監控家中的狀況，感應煤氣洩漏、異響、外人非法入侵、老人小孩跌倒等，並抓拍圖像，將其採集的圖像、傳感器等信息通過無線發送到綁定的手機或遠程電腦終端。機器人具有自我防護安全系統， 不會摔下樓梯，碰傷自己或者碰壞家具。機器人具有自主充電系統，可以自己尋找充電器， 沒有任務或者電量不足時自行充電。機器人還可以陪伴留在家中的病人、老人和孩童，定時提醒服藥、學習等，並能在發生異常情況，比如老人跌倒等意外發生時及時向主人報警。機器人也可以作為幼兒及兒童早期教育的工具，提供相應的課件，寓教於樂，並可開放部分接口，提供給編程愛好者，自主開發一些程序，增強功能。機器人還可以具有事務提醒、夜燈、對話溝通、主人識別、智能寵愛等增值功能。本實用新型中的機器人能夠作為家庭中的一員，起到安保、提醒、娛樂、陪伴的作用。

圖1是本實用新型系統架構方框示意圖；圖2是本實用新型殼體部分示意圖；圖3是本實用新型底盤部分示意圖；圖4是本實用新型底盤設置的行走系統結構示意圖；圖5是本實用新型成像系統部分示意圖；圖6是本實用新型傳感器系統結構方框圖；圖7是本實用新型電路系統示意圖；[0028]圖8是本實用新型電源系統示意圖；圖9是本實用新型自主充電系統示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖用實施例來對本實用新型的具體實施方式
作出進一步的詳細說明。根據附圖1，本實用新型基於目標識別技術的家用移動安保機器人由框架1、行走系統2、成像系統3、傳感器系統4、控制系統5、無線網絡系統6、目標識別系統7、通信系統 8以及能源管理系統9等幾個重要部分構成。根據附圖2，框架1包括機器人的底盤11和殼體12兩大部分，由PVC等材料加工而成。殼體12與底盤11構成一個封閉的腔體，底盤11與殼體12之間通過卡扣連接，方便裝配和拆卸。殼體12上安裝有碰撞環46，避障傳感器43、成像系統3、煙霧傳感器44、拾音器45和人體熱釋電傳感器47等。成像系統3安裝在殼體12的上部或前部。根據附圖3和4，底盤11呈圓形(也可呈橢圓型)，底部裝配有主動輪21、導向輪 22、設置在輪子21和22中間的防跌傳感器41，輪子的底部的懸空檢測傳感器42等。底盤的中部具有一個可打開的電池蓋111，電池艙內裝有電池91，電池91固定在底盤內部的腔內。在由殼體12與底盤11構成的封閉腔體內裝有行走系統2的兩個電機23及齒輪傳動機構M和控制系統5中的控制電路板51等部件。行走系統2為輪式機構，包括2個主動輪21、2個導向輪22、2個驅動電機23、2個齒輪傳動機構M，均固定在底盤11上。電機23為驅動主動輪的直流伺服電機，與控制系統 5的控制電路板51相連，由控制系統5進行驅動，採用差動驅動方式，實現機器人的直線行走和轉彎動作。齒輪傳動機構M為齒輪系，將電機的轉動傳輸到主動輪上。根據附圖5，成像系統3包括一個微型攝像頭31、旋轉機構32，俯仰機構33，智能感光及燈光系統34及外殼等構成。微型攝像頭31可採用CCD或者CMOS攝像頭。旋轉機構32包括一個直流電機及相應的傳動機構，以垂直方向為軸旋轉，俯仰機構33包括一個直流電機及相應的傳動機構，為前後的擺動。旋轉機構32和俯仰機構33構成兩自由度的雲臺，以使攝像頭能夠拍到各個角度的圖像。智能感光及燈光系統34包括感光器件及電路和 LED及其開關電路，能夠感應周圍的光線，並在低照度時打開攝像頭周圍的LED，以便在黑暗環境中獲取清晰的圖像。根據附圖6，傳感器系統4安裝在機器人的殼體12周圍和底盤11上，包括安裝在底盤11上的防跌傳感器41、輪子懸空檢測傳感器42以及裝在殼體12的避障傳感器43、煙霧檢測傳感器44，拾音器45、碰撞環46和人體熱釋電傳感器47等。防跌傳感器41安裝在底盤11的前後左右位置，在四個輪子21和22的中間均勻分布，當機器人的某部分懸浮於樓梯、臺階等位置時，防跌傳感器41將探測到垂直距離信息，發出信號到控制系統5，使機器人停止向前走或向後退，避免機器人從樓梯等高處跌落。輪子懸空檢測傳感器42安裝在輪子21和22的底部，當任何一個輪子不著地面時即發出信號到控制系統5，使機器人停止或改變當前的運動方向，防止機器人從樓梯等高處跌落。避障傳感器裝43在殼體12的周圍，殼體一周可均布安裝4個或4個以上，採用紅外或者超聲傳感器，使機器人能夠識別周圍物體離自身的遠近，發出信號到控制系統5，控制機器人的運動方向及速度，避免發生碰撞。煙霧傳感器44裝在殼體12上，感應周圍一氧化碳和甲烷的濃度，當濃度超限時向控制系統發出信號，控制系統5將會啟動相關的報警等任務。拾音器45固定於殼體12的前部， 可以採集到周圍的聲音，並發給控制系統5。人體熱釋電傳感器47裝在殼體12上，當有人靠近時會向控制系統發出信號，控制系統5將根據此信號啟動相關的進程。碰撞環46裝在殼體12的前部，當機器人意外地碰上其他物體時起作用，發出信號向控制系統5，使停止向前走的動作。根據附圖7，控制系統5包括控制電路板51及控制軟體。控制電路板51固定在機器人的底盤11上，由殼體12包裹在腔體內。控制軟體為嵌入式作業系統，燒錄在控制電路板51上的晶片內，包含了對機器人自主行走、任務設定、報警通信、傳感器信息採集、圖像獲取及傳輸、目標識別及跟蹤等算法模塊，其算法模塊可以根據不同功能剪裁和擴展。無線網絡系統6安裝於機器人的殼體內，主要包括一個無線通信模塊61及相關的固定件。無線通信模塊61固定在殼體12上，並通過導線與控制電路板51相連，由其提供電源並受其控制。無線通信模塊61採用ZigBee等通信器件與其他設備進行通信，其他設備可以是同類型的機器人、帶有無線網絡的其他設施如家電等。目標識別系統7包括一個以上貼在目標處的標籤及識別標籤的射頻器件71。射頻器件71固定在殼體12上，並通過導線與控制電路板51相連，由其提供電源並受其控制。 射頻器件71採用RFID技術，識別固定於特定位置的標籤，並控制成像系統3對特定區域進行拍照。通信系統8主要包括1個以上的無線通信模塊81 (GSM/GPRS/CDMA)，裝於機器人的腔體內，與控制電路板51相連，由其供電並受其控制。無線通信模塊81可以設置與手機號碼或帶有通信接口的遠程電腦終端綁定，通過發送和接收消息的方式將檢測到的圖像及傳感器信息發送至手機或電腦終端，並接收從手機或電腦發來的命令。根據附圖8和9，能源管理系統9包括可充電的電池91、自動充電機構92、充電器 93、電源管理電路及軟體94。可充電的電池91為鎳氫電池或鋰電池，安裝在機器人的腔體內，與控制電路板51相連，為整個機器人系統供電；自動充電機構92安裝在機器人外殼上， 與固定的充電器93之間進行通信，機器人能隨時找到充電器自行充電，充滿電後有任務要執行時自動移開。電源管理電路及軟體94裝在控制電路板51上，在不同的模式下進行不同的電源分配，以達到節能的目的。充電器93包括與AC插座相連的充電器931及充電座 932。充電座932上裝有識別系統，機器人能夠找到充電座的位置，並能準確地坐在充電座上進行充電。本實施例僅是用於說明本實用新型的實施技術方案而非限制，本領域的技術人員應當理解，對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，但不脫離本實用新型的宗旨和範圍的，均應涵蓋在本實用新型的權利要求保護範圍之內。
權利要求1.一種基於目標識別技術的家用移動安保機器人，機器人包含以下幾個子系統框架、行走系統、成像系統、傳感器系統、控制系統、無線網絡系統、目標識別系統、通信系統以及能源管理系統；其特徵在於所述框架包括機器人的底盤和殼體，是其他部件的支撐，其他子系統安裝於其上；所述行走系統為輪式機構，採用差動驅動方式，安裝於機器人所述殼體內，固定於所述底盤上；所述成像系統裝在機器人所述殼體的上部或前部；所述控制系統包括控制電路板及控制軟體，所述控制電路板安裝在機器人腔體內，固定於機器人的底盤及殼體上；所述控制軟體在所述控制電路板上的CPU內；所述傳感器系統包含多種傳感器，安裝在機器人所述殼體與所述底盤構成的腔體內、 所述控制電路板上、所述底盤和所述殼體之上；所述無線網絡系統安裝於機器人所述殼體與所述底盤構成的腔體內，與所述控制電路板相連，固定於所述殼體之上；所述目標識別系統安裝於機器人所述殼體與所述底盤構成的腔體內，與所述控制電路板相連，固定於所述殼體之上；所述通信系統安裝於機器人所述殼體與所述底盤構成的腔體內，與所述控制電路板相連，固定於所述殼體之上；所述能源管理系統包括可充電電池、自動充電機構、充電器、電源管理電路及軟體；所述可充電電池安裝在機器人的腔體內，與所述控制電路板相連；所述自動充電機構安裝在機器人外殼上；所述充電器獨立於機器人之外，與機器人之間通過無線網絡聯繫；所述電源管理電路及軟體裝在所述控制電路板上。
2.根據權利要求1所述的基於目標識別技術的家用移動安保機器人，其特徵在於 所述成像系統包括一個微型攝像頭、兩個微型電機構成的可控兩自由度旋轉雲臺機構、智能感光及燈光系統；所述微型攝像頭採用CCD或者CMOS攝像頭；所述雲臺機構包括兩個電機及相應的傳動機構，在水平和垂直方向上旋轉；所述智能感光及燈光系統包括感光器件及電路、LED機器開關電路。
3.根據權利要求1所述的基於目標識別技術的家用移動安保機器人，其特徵在於 所述傳感器系統安裝在機器人的殼體周圍和底盤上，包括底盤上的防跌傳感器、懸空傳感器、裝在外殼上的避障傳感器、碰撞環、煙霧傳感器、人體熱釋電傳感器、拾音器；所述防跌傳感器安裝在機器人底盤的前後位置，所述輪子懸空傳感器安裝在輪子上，所述避障傳感器裝在機器人外殼的周圍，採用紅外或者超聲傳感器，所述碰撞環裝在機器人外殼的前部， 所述煙霧傳感器裝在機器人外殼上，所述人體熱釋電傳感器裝在機器人的外殼上，所述拾音器固定於機器人的外殼的前部。
4.根據權利要求1所述的基於目標識別技術的家用移動安保機器人，其特徵在於 所述無線網絡系統安裝於機器人的殼體內，採用ZigBee通信方式與其他設備進行通信，所述其他設備為同類型的機器人或帶有無線網絡的家電設備。
5.根據權利要求1所述的基於目標識別技術的家用移動安保機器人，其特徵在於 所述目標識別系統採用RF或其他技術，識別固定於特定位置的標籤或其他類型的標識物， 並控制成像系統對特定區域進行拍照。
6.根據權利要求1所述的基於目標識別技術的家用移動安保機器人，其特徵在於 所述通信系統採用GSM、GPRS、CDMA等無線通信器件，裝於機器人的腔體內，與所述控制電路板相連，與綁定的手機號碼進行簡訊聯繫，發送和接受消息；還與裝有專用接口的電腦通信，將圖像等信息發送到電腦上。
專利摘要本實用新型為一種基於目標識別技術的家用移動安保機器人，機器人包含以下幾個子系統框架、行走系統、成像系統、傳感器系統、控制系統、無線網絡系統、目標識別系統、通信系統以及能源管理系統。本實用新型中的機器人能夠自主識別目標點，並能對目標位置進行重點監控，可以定時或隨機地監控家中的狀況，起到安保、提醒、娛樂、陪伴的作用。
文檔編號G05D1/02GK202145279SQ20112024012
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者盧秋紅, 盧飛宏, 張國偉 申請人:上海合時智能科技有限公司