面向家庭服務(wù)的室內(nèi)輪式機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，尤其是一種面向家庭服務(wù)的室內(nèi)輪式機(jī)器人，屬于輪式機(jī)器人的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]輪式機(jī)器人是移動機(jī)器人中最為常見的一種，雖然運動穩(wěn)定性與路況有很大關(guān)系，但是其具有的自重較輕、承載大、機(jī)構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制方便、行走速度快、機(jī)動靈活、工作效率高等優(yōu)點，被大量應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、反恐防暴、家庭、空間探測等領(lǐng)域。
[0003]家庭服務(wù)機(jī)器人能夠代替人類完成家庭服務(wù)工作，主要的工作環(huán)境在室內(nèi)。室內(nèi)環(huán)境路況簡單，輪式機(jī)器人的研究方向主要就不再是運動結(jié)構(gòu)，而是實現(xiàn)智能化和完全自主移動上，可靠、高精度、高適應(yīng)性的機(jī)器人定位技術(shù)就成為了室內(nèi)輪式機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004]目前最具代表性的室內(nèi)輪式機(jī)器人就是在家庭環(huán)境下的掃地機(jī)器人和工業(yè)環(huán)境中的AGV (Automated Guided Vehicle自動導(dǎo)引運輸車)。然而二者各有其特性，掃地機(jī)器人，以美國的iRobot公司的掃地機(jī)器人為例，多采用隨機(jī)尋路算法，沒有室內(nèi)路徑規(guī)劃，而AGV都是有目的性的路徑規(guī)劃，但是其導(dǎo)引方法如磁帶式、色帶式等等，都并不適合在家庭環(huán)境下使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種面向家庭服務(wù)的室內(nèi)輪式機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)緊湊，有效滿足家庭服務(wù)的要求，環(huán)境適應(yīng)能力強，安全可靠。
[0006]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述面向家庭服務(wù)的室內(nèi)輪式機(jī)器人，包括機(jī)器人架體以及位于所述機(jī)器人架體底端用于行走的驅(qū)動輪，所述機(jī)器人架體上還設(shè)有用于控制驅(qū)動輪運動狀態(tài)的運動控制系統(tǒng)以及與所述運動控制系統(tǒng)連接的車載控制器；在機(jī)器人架體上還設(shè)有感知室內(nèi)環(huán)境的環(huán)境感知傳感器，所述環(huán)境感知傳感器包括位于機(jī)器人架體內(nèi)下部的超聲波傳感器、位于所述超聲波傳感器上方的紅外測距儀以及位于所述紅外測距儀上方的激光測距儀，所述超聲波傳感器、紅外測距儀以及激光測距儀均與車載控制器連接;
所述車載控制器對超聲波傳感器檢測的超聲波距離信息、紅外測距儀檢測的紅外距離信息以及激光測距儀檢測的激光距離信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并利用粒子濾波法構(gòu)建地圖；車載控制器在構(gòu)建地圖后，利用自適應(yīng)蒙特卡羅定位法確定位置，并利用A*路徑規(guī)劃方法進(jìn)行路徑規(guī)劃，以通過運動控制系統(tǒng)控制驅(qū)動輪按照規(guī)劃后的路徑運動。
[0007]所述機(jī)器人架體包括位于下部的底盤、位于底盤上方的中間隔板以及位于所述中間隔板上方的托盤；在底盤與中間隔板間設(shè)置用于支撐所述中間隔板的隔板立柱，在中間隔板與托盤間設(shè)置用于支撐所述托盤的托盤立柱；
驅(qū)動輪位于底盤的下方，超聲波傳感器采用陣列方式安裝于底盤上，激光測距儀安裝于中間隔板的上表面，紅外測距儀采用陣列方式安裝于中間隔板的下表面。
[0008]驅(qū)動輪對稱分布于底盤的下方，運動控制系統(tǒng)包括運動控制器以及用于獨立驅(qū)動每個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置包括驅(qū)動電機(jī)以及與所述驅(qū)動電機(jī)連接的電機(jī)驅(qū)動器，所述驅(qū)動電機(jī)固定于底盤的下表面，且驅(qū)動電機(jī)的輸出軸上設(shè)置電機(jī)帶輪，所述電機(jī)帶輪通過傳動帶與減速機(jī)的輸入軸連接，驅(qū)動輪與減速機(jī)的輸出軸連接；
電機(jī)驅(qū)動器位于底盤上，且電機(jī)驅(qū)動器與運動控制器連接，且運動控制器還與驅(qū)動電機(jī)上的電機(jī)碼盤連接。
[0009]所述底盤上還設(shè)有輔助輪，所述輔助輪通過輔助輪架安裝于底盤上，輔助輪與驅(qū)動輪均位于底盤的下方，且輔助輪與驅(qū)動輪在底盤上呈間隔分布。
[0010]所述車載控制器以及運動控制器均位于中間隔板上，且在所述中間隔板上還設(shè)有麥克風(fēng)，所述麥克風(fēng)與車載控制器連接。
[0011]所述托盤上設(shè)有攝像頭以及用于進(jìn)行交互的人機(jī)界面，所述攝像頭、人機(jī)界面均與車載控制器連接。
[0012]所述運動控制器還與陀螺儀以及行程開關(guān)連接。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點:車載控制器對超聲波傳感器檢測的超聲波距離信息、紅外測距儀檢測的紅外距離信息以及激光測距儀檢測的激光距離信息進(jìn)行融合并提取直線特征，采用粒子濾波方式能構(gòu)建所需的室內(nèi)地圖，避免現(xiàn)有室內(nèi)機(jī)器人需要安裝定位路標(biāo)以及需要預(yù)置地圖等缺點，提高環(huán)境適應(yīng)能力；利用自適應(yīng)蒙特卡羅定位法確定位置，并利用A*路徑規(guī)劃方法進(jìn)行路徑規(guī)劃，使機(jī)器人在室內(nèi)的運動更具有目的性，通過人機(jī)界面能實現(xiàn)所需的人機(jī)交互，安全可靠。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明移去托盤后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明移去中間隔板后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明驅(qū)動輪以及驅(qū)動裝置在底盤上的分布示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0019]附圖標(biāo)記說明:1-底盤、2-執(zhí)行層、3-感知層、4-控制層、5-負(fù)載層、6_隔板立柱、7-中間隔板、8-托盤、9-攝像頭、10-輔助輪、11-電機(jī)驅(qū)動器、12-托盤立柱、13-驅(qū)動輪、14-驅(qū)動輪架、15-超聲波傳感器、16-運動控制器、17-車載控制器、18-麥克風(fēng)、19-激光測距儀、20-電池組、21-電源管理模塊、22-紅外測距儀、23-驅(qū)動電機(jī)、24-聯(lián)軸器、25-電機(jī)帶輪架、26-傳動帶、27-減速機(jī)、28-輔助輪架、29-電機(jī)帶輪、30-電機(jī)碼盤、31-陀螺儀以及32-行程開關(guān)。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021]如圖1、圖2、圖3和圖4所不:為了有效滿足家庭服務(wù)的要求，提尚環(huán)境適應(yīng)能力，本發(fā)明包括機(jī)器人架體以及位于所述機(jī)器人架體底端用于行走的驅(qū)動輪13，所述機(jī)器人架體上還設(shè)有用于控制驅(qū)動輪13運動狀態(tài)的運動控制系統(tǒng)以及與所述運動控制系統(tǒng)連接的車載控制器17 ;在機(jī)器人架體上還設(shè)有感知室內(nèi)環(huán)境的環(huán)境感知傳感器，所述環(huán)境感知傳感器包括位于機(jī)器人架體內(nèi)下部的超聲波傳感器15、位于所述超聲波傳感器15上方的紅外測距儀22以及位于所述紅外測距儀22上方的激光測距儀19，所述超聲波傳感器15、紅外測距儀22以及激光測距儀19均與車載控制器17連接；
所述車載控制器17對超聲波傳感器15檢測的超聲波距離信息、紅外測距儀22檢測的紅外距離信息以及激光測距儀19檢測的激光距離信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并利用粒子濾波法構(gòu)建地圖；
車載控制器17在構(gòu)建地圖后，利用自適應(yīng)蒙特卡羅定位法確定位置，并利用A*路徑規(guī)劃方法進(jìn)行路徑規(guī)劃，以通過運動控制系統(tǒng)控制驅(qū)動輪13按照規(guī)劃后的路徑運動。
[0022]具體地，超聲波傳感器15、激光測距儀19以及紅外測距儀22在機(jī)器人架體的不同高度，從而能實現(xiàn)對不同高度障礙物的檢測，提高車載控制器17對障礙物的判斷能力。車載控制器17對超聲波傳感器15檢測的超聲波距離信息、紅外測距儀22檢測的紅外距離信息以及激光測距儀19檢測的激光距離信息進(jìn)行融合并提取直線特征，采用粒子濾波方式能構(gòu)建所需的室內(nèi)地圖，避免現(xiàn)有室內(nèi)機(jī)器人需要安裝定位路標(biāo)以及需要預(yù)置地圖等缺點，提高環(huán)境適應(yīng)能力。車載控制器17可以采用現(xiàn)有常用的微處理設(shè)備，車載控制器17用于控制整個機(jī)器人的工作狀態(tài)。
[0023]具體實施時，利用激光測距儀19檢測的激光距離信息建立地圖的數(shù)據(jù)量少，性能穩(wěn)定，是目前最流行的地圖構(gòu)建方式。近年來，Rao-Blackwellized粒子濾波已經(jīng)被證實為一種有效的同時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)方法。對于僅采用激光測距儀19的激光距離信息構(gòu)建地圖的方式，在遇到透光的玻璃門，或者光的反射性不好的障礙物時，容易造成構(gòu)建地圖不正確的情況，本發(fā)明對超聲波傳感器15檢測的超聲波距離信息、紅外測距儀22檢測的紅外距離信息以及激光測距儀19檢測的激光距離信息進(jìn)行融合并提取直線特征，來糾正在僅采用激光距離信息不能正確測得障礙數(shù)據(jù)時的構(gòu)建地圖錯誤的情況。在激光測距儀19檢測的激光距離信息與超聲波傳感器15檢測的超聲距離信息相差很大時，選擇采用超聲波傳感器15檢測的超聲距離信息，雖然超聲波傳感器15檢測超聲距離信息的精確性不如激光測距儀19檢測的激光距離信息，但在這種特殊情況下能夠在一定程度上保證地圖的正確性。在采用粒子濾波構(gòu)建地圖時，本發(fā)明的車載控制器17采用了自適應(yīng)技術(shù)來降低粒子數(shù)目，不僅考慮機(jī)器人的移動，而且考慮最近的觀測值來計算精確的粒子分布，大大降低了不確定性機(jī)器人的姿態(tài)濾波器在預(yù)測步驟中的不確定性。此外，有選擇性的進(jìn)行重采樣，有效降低了粒子耗散對算法的影響，具體過程為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，具體不再贅述。
[0024]進(jìn)一步地，所述機(jī)器人架體包括位于下部的底盤4、位于底盤4上方的中間隔板7以及位于所述中間隔板7上方的托盤8 ;在底盤4與中間隔板7間設(shè)置用于支撐所述中間隔板7的隔板立柱6，在中間隔板7與托盤8間設(shè)置用于支撐所述托盤8的托盤立柱12 ;
驅(qū)動輪13位于底盤4的下方，超聲波傳感器15采用陣列方式安裝于底盤4上，激光測距儀19安裝于中間隔板7