技术领域
[0001] 本
发明属于智能
机器人技术领域，具体涉及一种多功能云端服务家居机器人。
背景技术
[0002] 随着
人工智能和
大数据的快速发展，国家工信部提出将推动互联网、大数据、人工智能与制造业深度融合，发展壮大数字经济。当大量数据产生之后，有低成本的
存储器将其存储，有高速的CPU对其进行处理，由此人工智能就能做出接近人类的处理或者判断，提升精准度。同时，采用人工智能的服务作为高附加值服务，成为了获取更多用户的主要因素，而不断增加的用户产生更多的数据，使得人工智能进一步优化，人工智能技术立足于神经网络，同时发展出多层神经网络，从而可以进行深度
机器学习。
[0003] 智能家居机器人属于
家庭自动化系统的组成部分之一，是伴随着人工智能而出现的特种机器人，主要从事家庭服务、维护、保养、修理、运输、监护、儿童教育等工作。而当智能家居机器人应用范围越来越广泛的时候，多种不同类型及不同功能的机器人由此而生。目前的家居机器人功能集成度低，不能在多种模式下进行自主活动，不能很好的满足用户对机器人智能性和多样性的需求。同时，机器人更多时候是以服务或娱乐性质的身份出现在人们生活中，然而仅仅通过设定简单的语音交互实现
人机交互，且机器人不能收集用户日常使用模式的数据，便不能知晓用户的日常生活习惯或偏好，不能预测房主需求，不能安排工作例程。目前智能家居仍处于从手机控制向多控制结合的过渡阶段，手机APP仍是智能家居的主要控制方式。
发明内容
[0004] 为了实现家居机器人的工作模式更加智能化，操作控制方式更加自动化，能够预测房主需求和日常偏好，涵盖多个家居生活场景，本发明提供了一种多功能云端服务家居机器人，其通过人工智能技术开发出来的以语音交互为核心、搭载
手势识别等其它辅助控制方式，通过收集用户日常使用模式的数据，实现多功能联动、智能预测的使用场景，实现以多控制方式结合为主的感应式控制方式。本发明提供的多功能云端服务家居机器人能够应用于以多控制方式结合为主的感应式控制方式的多功能联动、智能预测的多个生活使用场景，以解决上述背景技术中提出的技术问题。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种多功能云端服务家居机器人，其特征在于包括中央处理单元、移动单元、动作指令单元、
数据采集单元、环境监测单元、智能交互单元、远程控制单元、无线通信单元和云端服务单元，其中远程控制单元、环境监测单元、数据采集单元和智能交互单元分别与中央处理单元相连，中央处理单元与无线通信单元、移动单元和动作指令单元相连，云端服务单元与无线通信单元连接。
[0006] 优选的，所述中央处理单元包括电源驱动板、数据前处理及存储器和中央
控制器，以Arduino系列芯片为核心，兼容Arduino 2560GFS Robot WIFI视频小车机器人主芯片Xilinx-XC6SLX9，拥有256个引脚的FBGA封装，以实现集中控制。
[0007] 优选的，所述移动单元包括金属
履带小车和
陀螺仪传感器，动作指令单元包括六
自由度机械臂和旋转装置，六自由度机械臂控制多达32个
舵机，支持RS232及串口通信，方便与其它
单片机结合控制，六自由度机械臂与旋转装置连接，该旋转装置能够实现六自由度机械臂360°旋转。
[0008] 优选的，所述数据采集单元包括
颜色传感器、
超声波测距模
块和红外避障传感器，
颜色传感器采用可编程的彩色
光谱频率的传感器TCS230，颜色传感器的输出
信号为
数字信号且颜色传感器直接与
微处理器连接，能够驱动标准的TTL和CMOS逻辑输入，无需外加A\D转换
电路；
超声波测距模块由超声波发射器、接收器和控制电路三部分组成，为非
接触机械式距离感测，超声波测距模块的测距为2～200cm，
精度最多可达1mm，超声波测距模块测距通过TRIG方式触发，通过给IO口10us的
高电平信号来触发TRIG来触发测距；所述红外避障传感器测量
角度为35°，有效测量范围在2～30cm之间，超声波测距模块的检测距离通过电位器进行调节，顺
时针旋转电位器增加测量距离，逆时针旋转电位器减少测量距离。
[0009] 优选的，所述环境监测单元包括火焰传感器、
气体传感器和高清摄像机，其中火焰传感器
工作温度为-25～85℃，该火焰传感器可探测60°及以下的角度，能够探测热源和火源，能够探测的热源
波长在760～1100纳米范围内，其中探测灵敏度在红光附近达到最大，火焰传感器特设固定安装孔M3方便易用；所述气体传感器采用热学式气体传感器，它对所有可燃气体的响应有广谱性，对
环境温度、湿度影响不敏感，
输出信号近线性，且其结构简单，成本低，计量准确，响应快速，寿命较长。
[0010] 优选的，所述智能交互单元包括M6
语音识别模块和
图像处理模块，其中M6语音识别模块由Arduino控
制芯片、功率
放大器和麦克
风组成；所述图像处理模块由高清摄像机、图像捕捉卡、图像处理设备和显示器组成，采用
机器视觉作为语音交互的辅助。
[0011] 优选的，所述远程控制单元采用的是MTK7620N方案芯片，2T2R双天线、2.4GHZ双天线高度集合而成的WLAN处理方案，系统结构以MTK7620N为核心，搭配ANT1、ANT2匹配电路，配置USB分叉线，EEPROM数据传输
接口，采用5V直流
电压供电，内存32M，闪存8M，具备USB2.0、百兆网口、串口、I/O 口、reset按键、DC插头及电源
开关诸多接口方便使用，晶振频率20MHz，工作
频率范围在2.402-2.48GHz之间。
[0012] 优选的，所述机器人系统所选舵机为随动机构，若检测到舵机没有在原定
位置，则会向所
指定的位置移动；若舵机已经处于指
定位置，则不进行其它动作，保持当前位置；由于HG0680舵机不能直接获取目标的当前位置，所以需要提供PWM信号，控制系统是一个目标规划系统，控制PWM所需的宽度2ms（2ms/250=8us），得到PWM信号为1度/8us，目标规划系统的特征在于舵机的满足追随特性；首先系统舵机处在A处的位置不做任何动作，接着CPU发出B点所在位置的坐标的PWM信号，收到坐标后，舵机从A点坐标向B点移动；其中CPU发出B点的位置的信号后，需要一段时间的等待，同时在这段时间舵机动作转向B点，最后进行舵机ω值测定和计算。
[0013] 优选的，所述无线通信单元包括GSM通信模块，该GSM通信模块在环境监测单元发现异常时，可以通过短信给主人报警。
[0014] 优选的，所述云端服务单元包括电脑端上位机、手机app
操作系统和操纵器。
[0015] 本发明通过人工智能技术开发出来的以语音交互为核心、搭载手势识别等其他辅助控制方式，通过收集用户日常使用模式的数据，实现多功能联动、智能预测的多个生活使用场景，实现以多控制方式结合为主的感应式控制方式。
附图说明
[0016] 图1是本发明
实施例中多功能云端服务家居机器人的装置组成及信息传递图；图2是本发明实施例中多功能云端服务家居机器人未交互状态下的装置组成及
硬件结构图；
图3是本发明实施例中多功能云端服务家居机器人的智能交互状态下的信息交互图；
图4是本发明实施例中多功能云端服务家居机器人的舵机转速原理图；
图5是本发明实施例中多功能云端服务家居机器人的舵机ω值测定
流程图；
图6是本发明实施例中多功能云端服务家居机器人的超声波测距模块的控制电路图；
图7是本发明实施例中多功能云端服务家居机器人的动作指令单元操作流程图。
具体实施方式
[0017] 下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。提供下面的详细的描述以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本
申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、
修改和等同物将变得清楚。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将变得清楚的那样改变。
[0018] 下面的具体结构或功能描述是示例性的，以仅描述示例，并且示例的范围不限于在本
说明书中提供的描述。本领域的普通技术人员可对其进行各种改变和修改。
[0019] 如图1至3所示，给出本发明所述的多功能云端服务家居机器人，包括中央处理单元3、移动单元8、动作指令单元9、数据采集单元5、环境监测单元4、智能交互单元6、远程控制单元2、无线通信单元7以及云端服务单元1。
[0020] 所述云端服务单元1与远程控制单元2相连，用于在手动模式下将电脑端上位机、手机app操作系统、操纵器通过远程控制单元2来操纵机器人，实现人与机器间的数据信息传递。
[0021] 所述远程控制单元2与中央处理单元3相连，用于实现WIFI连接；优选的远程控制单元采用的是MTK7620N方案芯片，2T2R双天线、2.4GHZ双天线高度集合而成的WLAN处理方案，系统结构以MTK7620N为核心，搭配ANT1、ANT2匹配电路，配置USB分叉线，EEPROM数据传输接口，采用5v直流电压供电，内存32M，闪存8M，具备USB2.0、百兆网口、串口、I/O口、reset按键、DC插头及电源开关等诸多接口方便使用，晶振频率20MHZ，工作频率范围在2.402-2.48GHz之间。
[0022] 所述环境监测单元4与中央处理单元3相连，用于将监测到的周围环境信息发送给中央控制单元3；环境监测单元4包括用于检测是否有火源产生的火焰传感器401，用于检测室内是否有易燃易爆等气体
泄漏的热学式气体传感器402，其关键部件为涂有燃烧催化剂的惠斯通电桥，以及用于拍摄和监控移动视频信息的高清摄像机403；优选的火焰传感器401工作温度为-25～85℃，传感器可探测60°及以下的角度，能够探测热源和火源，能探测的热源的波长在760～1100纳米范围内，其中探测灵敏度在红光附近达到最大，传感器特设固定安装孔M3方便易用。
[0023] 所述数据采集单元5与中央处理单元3相连，用于机器人在执行动作过程中采集到的环境信息发送给中央处理单元3；数据采集单元5包括用于使机器人能自主避障的红外避障传感器502，用于测量物体方位距离的超声波测距传感器503，以及用于识别物体颜色的颜色传感器501；优选的红外避障传感器502测量角度为 35°，有效测量范围在 2～30cm之间，模块的检测距离通过电位器进行调节，顺时针旋转电位器增加测量距离，逆时针旋转电位器减少测量距离；优选的超声波测距传感器503由超声波发射器、接收器、控制电路三部分组成，为非接触机械式距离感测，它的测距为2—200cm，精度最多可达1mm，模块测距通过TRIG方式触发，通过给IO口10us 的高电平信号来触发TRIG来触发测距；优选的颜色传感器501采用可编程的彩色光谱的频率的传感器TCS230，颜色传感器501的输出信号为数字信号且传感器直接与微处理器连接，能够驱动标准的TTL和CMOS逻辑输入，不需要外加A\D转换电路。
[0024] 所述智能交互单元6与中央处理单元3相连，用于实现人机互动；智能交互单元6包括用于识别语言指令的M6语音识别模块，用于实现机器视觉的图像处理模块；优选的M6语音识别模块由Arduino控制芯片605、
功率放大器606、麦克风607组成，使用语音智能识别技术，先识别发出语音的人而并非先执行其中所蕴含的指令信息；优选的图像处理模块由高清摄像机601、图像捕捉卡602、图像处理设备603以及显示器604，采用图像处理技术进行手势识别。语音交流是更倾向于日常的交流方式，通过人类的语言给机器下指令，从而完成自己的目的，而无需进行其他操作，这一过程将更为自然，同时语音交互在特定的场景中具有优势，比如远程操纵、在行车过程中等，能够实现在特定场景中解放双手的作用，在家居相对封闭的环境中，语音识别成为主流的人机交互方式，采用机器视觉、手势识别交互方式成为语音交互的辅助。
[0025] 所述无线通信单元7、移动单元8、动作指令单元9分别与中央处理单元3相连；无线通信单元7通过GSM模块701可以实现短信报警；移动单元8包括包括金属履带小车802和陀螺仪传感器801，金属履带小车802用于实现机器人精确移动以及对物品或障碍物搬运，陀螺仪传感器801可确定运动物体的方位；动作指令单元9包括旋转装置901以及与其连接的六自由度机械臂902，旋转装置901可实现机械臂360°旋转，六自由度机械臂902用于实现一系列动作指令以及对目标物品的精确夹取。
[0026] 所述中央处理单元3包括电源驱动板301、数据前处理及存储器302和中央控制器303，优选的中央处理单元3以Arduino系列芯片为核心，兼容Arduino 2560GFS Robot WIFI视频小车机器人主芯片Xilinx-XC6SLX9，拥有256个引脚的FBGA封装，以实现集中控制。
[0027] 所述六自由度机械臂902可控制多达32个舵机，支持RS232及串口通信，方便与其他单片机结合控制，利用拨码开关调节，灵活在四个波特率之间调换，既可以用PC机控制，也可以脱机工作，具有极好的灵活机动性。
[0028] 图4是本发明实施例的舵机转速原理图，图5是本发明实施例的ω值测定流程图，系统所选舵机为随动机构，若检测到舵机没有在原定位置，则会向所指定的位置移动；若舵机已经处于指定位置，则不进行其他动作，保持当前位置。由于HG0680舵机不能直接获取目标的当前位置，所以需要提供PWM信号。控制系统是一个目标规划系统，控制PWM所需的宽度2ms（2ms/250=8us）；得到PWM信号为1度/8us。目标规划系统的特征在于舵机的满足追随特性。首先系统舵机处在A处的位置不做任何动作，接着CPU发出B点所在位置的坐标的PWM信号，收到坐标后，舵机从A点坐标向B点移动。其中，CPU发出B点的位置的信号后，需要一段时间的等待，同时在这段时间舵机动作转向B点，最后进行舵机ω值测定和计算。
[0029] 该多功能云端服务家居机器人的一种常用操作方法如图 6所示：机器人启动后，默认状态为自主生活模式，具体的，在自主生活模式下机器人能自动监测环境信息，能够循迹移动，实现与上位机间的信息交流以及与人之间的短信报警通信。打开功能开关后，各个单元模块协调工作实现功能联动，多传感器融合集成，提高系统
感知特征的准确性，系统整体构架设计时加入后推法以及定向技术，保证系统指令发出不会造成各部件间的数据冲突，提高了系统的效率和
稳定性。
[0030] 图6是机器人一种常用的操作方法示例，当打开功能开关后，若要实现机器人对目标物品的自动抓取，可给机器人提供语音指令或动作指令，当机器人识别出所给指令后，会向主人说出“好的”，在抓取目标物体的过程中，金属履带小车802会沿着某一路线前进，同时数据采集单元5会探测周围环境信息，超声波测距传感器503可测量距离为2—200cm的障碍物，精度最多可达1mm，红外避障传感器502将进行自动避障，它的测量角度为 35°，有效测量范围在 2～30cm之间。若前方无障碍物，金属履带小车802到达目标物体位置，由旋转装置901和六自由度机械臂902相配合精确抓取目标物体；若前方有障碍物，则当机器人避开障碍物后到达目标物体位置，对物体抓取，同时颜色传感器501会检测所取目标物体颜色是否正确等，提高抓取的准确性，面对不同的任务，需要根据不同的机械臂运动路径设计不同的动作组，即控制组成不同的舵机动作组合；当机器人返回时，先通过超声波测距传感器503测量主人位置，通过红外避障传感器502到达主人位置，将目标物体递给主人。
[0031] 以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
