[0001] 本
发明是
申请号为2014107073997、申请日为2014年11月27日、
发明名称为“实现智能化越障的服务机器人”的
专利的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种实现智能化越障的服务机器人。
背景技术
[0003] 服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，可以分为专业领域服务机器人和个人/家庭服务机器人，服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。
[0004] 数据显示，目前，世界上至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已涉足服务型机器人开发。在日本、北美和欧洲，迄今已有7种类型计40余款服务型机器人进入实验和半商业化应用。近年来，全球服务机器人市场保持较快的增长速度，全球人口的老龄化带来大量的问题，例如对于老龄人的看护，以及医疗的问题，这些问题的解决带来大量的财政负担。由于服务机器人所具有的特点使之能够显著的降低财政负担，因而服务机器人能够被大量的应用。
[0005] 但是，
现有技术中的服务机器人存在以下
缺陷:(I)测距模式单一，仅仅凭着红外线测距或
超声波测距中的一种测距方式进行前方障碍物的测距，往往会因为测距设备的
精度问题，导致测距不够准确；(2)越障不够智能化，服务机器人在前进过程中经常会碰到障碍物，现有技术中一般采取停止等待指令或仅仅根据障碍物高度进行越障，前者导致服务机器人工作效率低下，后者在障碍物纵向过长的情况下难于成功越障。
[0006] 因此，需要一种新的实现智能化越障的服务机器人，能够提高前方障碍物测距的准确性，同时能够准确测量到前方障碍物的横向、竖向和纵向三个方向的尺寸，从而根据前方障碍物的实际情况，确定不同的自动越障方式，保障服务机器人的正常服务操作。
发明内容
[0007] 为了解决上述问题，本发明提供了一种实现智能化越障的服务机器人，改造现有的服务机器人结构，引入
超声波测障和红外线测障结合的方式，以提高前方障碍物测量精度，另外，引入
图像识别技术确定前方障碍物的横向、竖向和纵向三个方向的尺寸，以决定采用跨越障碍物、绕行障碍物或等待指令三种越障模式的一种，使得服务机器人的正常工作受到的干扰最小，提高服务机器人的工作效率和服务效果。
[0008] 根据本发明的一方面，提供了一种实现智能化越障的服务机器人，所述服务机器人包括，可伸缩机构、红外线
传感器、摄像机、
图像处理器和ARM 9型号的主
控制器，所述可伸缩机构在竖直方向可伸缩，所述红外线传感器用于检测前方障碍物距离所述服务机器人的红外线前向距离，所述摄像机位于所述可伸缩机构上，用于拍摄前方的障碍物图像，所述图像处理器与所述摄像机连接，用于对所述障碍物图像进行图像处理，所述
主控制器与所述可伸缩机构、所述红外线传感器、所述摄像机和所述图像处理器分别连接，基于所述红外线前向距离决定是否启动所述摄像机与所述图像处理器，并基于图像处理结果控制所述可伸缩机构的伸缩动作。
[0009] 更具体地，在所述实现智能化越障的服务机器人中，所述服务机器人还包括，驱动机构，用于驱动所述服务机器人，包括直流无刷
电动机、减速器、
电机驱动器、两个电机驱动
车轮和两个万向轮，所述两个万向轮为两个前轮，所述两个电机驱动车轮为两个后轮；用户输入设备，根据用户的操作，接收用户输入的预定前向距离
阈值、预定高度阈值、竖向尺寸阈值、纵向尺寸阈值、横向尺寸阈值、障碍物上限灰度阈值和障碍物下限灰度阈值，所述障碍物上限灰度阈值和所述障碍物下限灰度阈值用于将图像中的障碍物目标与图像背景分离；
存储器，与所述用户输入设备连接，以接收并存储所述预定前向距离阈值、所述预定高度阈值、所述竖向尺寸阈值、所述纵向尺寸阈值、所述横向尺寸阈值、所述障碍物上限灰度阈值和所述障碍物下限灰度阈值；
超声波传感器，位于所述服务机器人的正前方，包括超声波发射器、超声波接收器和超声波运算器，所述超声波发射器用于发射超声波，所述超声波接收器用于接收经过前方障碍物反射回来的超声波，所述超声波运算器与所述超声波发射器和所述超声波接收器分别连接，用于基于超声波发射接收时间差和超声波传播速率，计算前方障碍物距离所述服务机器人的超声波障碍物距离；所述可伸缩机构接收所述主控制器发送的伸缩量以进行竖直方向的伸缩动作，并在检测到完成所述伸缩量后发出伸缩结束
信号；所述红外线传感器位于所述服务机器人的正前方，还包括红外线发射
二极管、红外线接收二极管和红外线运算器，所述红外线发射二极管发射红外线信号，当在前向方向遇到前方障碍物时，将红外线信号反射回来被所述红外线接收二极管接收，所述红外线运算器与所述红外线发射二极管和红外线接收二极管分别连接，基于红外线信号发射接收的时间差和红外线信号的传播速度，计算距离前方障碍物的红外线前向距离；所述图像处理器包括小波滤波单元、灰度化处理单元、障碍物识别单元和尺寸计算单元，所述小波滤波单元与所述摄像机连接以接收所述障碍物图像，基于小波滤波
算法对所述障碍物图像执行滤波处理以输出滤波图像，所述灰度化处理单元连接所述小波滤波单元以对所述滤波图像进行灰度化处理，输出灰度化图像，所述障碍物识别单元与所述灰度化处理单元和所述存储器分别连接，将所述灰度化图像中灰度值在所述障碍物上限灰度阈值和所述障碍物下限灰度阈值之间的
像素识别并组成障碍物目标子图像，所述尺寸计算单元与所述障碍物识别单元连接，以基于所述障碍物目标子图像计算所述障碍物目标子图像中前方障碍物的横向尺寸、竖向尺寸和纵向尺寸；所述主控制器与所述可伸缩机构、所述驱动机构、所述存储器、所述超声波传感器、所述红外线传感器、所述摄像机和所述图像处理器分别连接，当接收到的超声波障碍物距离和红外线前向距离不相匹配时，发出测距错误信号，控制所述驱动机构停止驱动所述服务机器人，当接收到的超声波障碍物距离和红外线前向距离相匹配且红外线前向距离小于等于所述预定前向距离阈值时，启动所述摄像机和所述图像处理器，在所述竖向尺寸小于所述预定高度阈值时，直接进入智能化越障模式，在所述竖向尺寸大于等于所述预定高度阈值时，关闭所述摄像机和所述图像处理器，基于所述竖向尺寸控制所述可伸缩机构的竖直方向的伸缩量，直到接收到所述可伸缩机构发出的伸缩结束信号后，启动所述摄像机和所述图像处理器，进入智能化越障模式；无线通信设备，与所述主控制器连接，用于将测距错误信号或障碍物报警信号通过
移动通信网络发送到用户的移动终端上；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竖向尺寸小于等于所述竖向尺寸阈值且纵向尺寸小于等于所述纵向尺寸阈值时，进入机器跨越模式，在接收到的竖向尺寸小于等于所述竖向尺寸阈值且纵向尺寸大于所述纵向尺寸阈值且横向尺寸小于等于所述横向尺寸阈值时，或在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸小于等于所述横向尺寸阈值时，进入机器绕过模式，在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸大于所述横向尺寸阈值时，发送障碍物报警信号。
[0010] 更具体地，在所述实现智能化越障的服务机器人中，所述无线通信设备还用于接收用户的移动终端无线发送的控制指令，以通过所述主控制器控制所述驱动机构对所述服务机器人的驱动。
[0011] 更具体地，在所述实现智能化越障的服务机器人中，所述无线通信设备通过移动通信网络与所述用户的移动终端建立双向无线通信链路。
[0012] 更具体地，在所述实现智能化越障的服务机器人中，所述移动通信网络为GPRS移动通信网络、3G移动通信网络和4G移动通信网络中的一种。
[0013] 更具体地，在所述实现智能化越障的服务机器人中，还包括，可充电锂
电池，为所述服务机器人提供供电电源，并与所述主控制器连接以在所述主控制器控制下为所述服务机器人提供节电管理。
[0014] 更具体地，在所述实现智能化越障的服务机器人中，所述服务机器人为修理机器人、运输机器人、清洗机器人、保安机器人、救援机器人和监护机器人中的一种。
附图说明
[0015] 以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中:
[0016] 图1为根据本发明实施方案示出的实现智能化越障的服务机器人的结构方
框图。
具体实施方式
[0017] 下面将参照附图对本发明的实现智能化越障的服务机器人的实施方案进行详细说明。
[0018] 机器人(Robot)，指的是自动执行工作的机器装置。他既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以
人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
[0019] 机器人分为两大类，即
工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多
自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括:服务机器人、
水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、
农业机器人、机器人化机器等。
[0020] 服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。国际机器人联合会经过多年的搜集
整理，给了服务机器人一个初步的定义:服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，他能完成有意于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。这里，我们把其他一些贴近人们生活的机器人也列入其中。
[0021] 现有技术中的服务机器人需要过多的人为干涉，例如远程发送指令或现场发送指令，才能完成服务机器人的通过各种障碍物，进行各种服务，自动化水平不高。
[0022] 本发明的实现智能化越障的服务机器人，通过两种不同测距结果进行比较，以获得更准确的前方障碍物距离，同时，通过图像识别技术确定前方障碍物的各种尺寸，并自适应采取合适的越障方案，减少人为操作，提高了服务机器人的自动化程度。
[0023] 图1为根据本发明实施方案示出的实现智能化越障的服务机器人的结构方框图，所述服务机器人包括:ARM9主控制器1、可伸缩机构2、驱动机构3、红外线传感器4、超声波传感器5、无线通信设备6、摄像机7、图像处理器8、存储器9、用户输入设备10和供电设备Ilo ARM9主控制器I与可伸缩机构2、驱动机构3、红外线传感器4、超声波传感器5、无线通信设备6、摄像机7、图像处理器8、存储器9、用户输入设备10和供电设备11分别连接，摄像机7与图像处理器8连接，存储器9和用户输入设备10连接，供电设备11采用可充电锂电池，为所述服务机器人提供供电电源。
[0024] 所述可伸缩机构2在竖直方向可伸缩，所述红外线传感器4用于检测前方障碍物距离所述服务机器人的红外线前向距离，所述摄像机7位于所述可伸缩机构2上，用于拍摄前方的障碍物图像，所述图像处理器8用于对所述障碍物图像进行图像处理，所述主控制器I基于所述红外线前向距离决定是否启动所述摄像机7与所述图像处理器8，并基于图像处理结果控制所述可伸缩机构2的伸缩动作。
[0025] 接着，继续对本发明的实现智能化越障的服务机器人的具体结构进行进一步的说明。
[0026] 在所述服务机器人中，所述可伸缩机构2接收所述主控制器I发送的伸缩量以进行竖直方向的伸缩动作，并在检测到完成所述伸缩量后发出伸缩结束信号。
[0027] 所述驱动机构3，用于驱动所述服务机器人，驱动机构3包括直流无刷电动机、减速器、电机驱动器、两个电机驱动车轮和两个万向轮，所述两个万向轮为两个前轮，所述两个电机驱动车轮为两个后轮。
[0028] 所述红外线传感器4位于所述服务机器人的正前方，还包括红外线发射二极管、红外线接收二极管和红外线运算器，所述红外线发射二极管发射红外线信号，当在前向方向遇到前方障碍物时，将红外线信号反射回来被所述红外线接收二极管接收，所述红外线运算器与所述红外线发射二极管和红外线接收二极管分别连接，基于红外线信号发射接收的时间差和红外线信号的传播速度，计算距离前方障碍物的红外线前向距离。
[0029] 所述超声波传感器5，位于所述服务机器人的正前方，包括超声波发射器、超声波接收器和超声波运算器，所述超声波发射器用于发射超声波，所述超声波接收器用于接收经过前方障碍物反射回来的超声波，所述超声波运算器与所述超声波发射器和所述超声波接收器分别连接，用于基于超声波发射接收时间差和超声波传播速率，计算前方障碍物距离所述服务机器人的超声波障碍物距离。
[0030] 所述用户输入设备10，用于根据用户的操作，接收用户输入的预定前向距离阈值、预定高度阈值、竖向尺寸阈值、纵向尺寸阈值、横向尺寸阈值、障碍物上限灰度阈值和障碍物下限灰度阈值，所述障碍物上限灰度阈值和所述障碍物下限灰度阈值用于将图像中的障碍物目标与图像背景分离。
[0031] 所述存储器9，与所述用户输入设备10连接，以接收并存储所述预定前向距离阈值、所述预定高度阈值、所述竖向尺寸阈值、所述纵向尺寸阈值、所述横向尺寸阈值、所述障碍物上限灰度阈值和所述障碍物下限灰度阈值。
[0032] 所述图像处理器8包括小波滤波单元、灰度化处理单元、障碍物识别单元和尺寸计算单元，所述小波滤波单元与所述摄像机7连接以接收所述障碍物图像，基于小波滤波算法对所述障碍物图像执行滤波处理以输出滤波图像，所述灰度化处理单元连接所述小波滤波单元以对所述滤波图像进行灰度化处理，输出灰度化图像，所述障碍物识别单元与所述灰度化处理单元和所述存储器9分别连接，将所述灰度化图像中灰度值在所述障碍物上限灰度阈值和所述障碍物下限灰度阈值之间的像素识别并组成障碍物目标子图像。
[0033] 在所述图像处理器8中，所述尺寸计算单元与所述障碍物识别单元连接，以基于所述障碍物目标子图像计算所述障碍物目标子图像中前方障碍物的横向尺寸、竖向尺寸和纵向尺寸。
[0034] 所述主控制器I执行以下控制，当接收到的超声波障碍物距离和红外线前向距离不相匹配时，发出测距错误信号，控制所述驱动机构3停止驱动所述服务机器人，当接收到的超声波障碍物距离和红外线前向距离相匹配且红外线前向距离小于等于所述预定前向距离阈值时，启动所述摄像机7和所述图像处理器8，在所述竖向尺寸小于所述预定高度阈值时，直接进入智能化越障模式，在所述竖向尺寸大于等于所述预定高度阈值时，关闭所述摄像机7和所述图像处理器8，基于所述竖向尺寸控制所述可伸缩机构2的竖直方向的伸缩量，直到接收到所述可伸缩机构2发出的伸缩结束信号后，启动所述摄像机7和所述图像处理器9，进入智能化越障模式。
[0035] 所述服务机器人还包括，无线通信设备6，与所述主控制器I连接，用于将测距错误信号或障碍物报警信号通过移动通信网络发送到用户的移动终端上。
[0036] 其中，在所述主控制器I的智能化越障模式中，所述主控制器I在接收到的竖向尺寸小于等于所述竖向尺寸阈值且纵向尺寸小于等于所述纵向尺寸阈值时，进入机器跨越模式，在接收到的竖向尺寸小于等于所述竖向尺寸阈值且纵向尺寸大于所述纵向尺寸阈值且横向尺寸小于等于所述横向尺寸阈值时，或在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸小于等于所述横向尺寸阈值时，进入机器绕过模式，在接收到的竖向尺寸大于所述竖向尺寸阈值时且接收到的横向尺寸大于所述横向尺寸阈值时，发送障碍物报警信号。
[0037] 其中，所述无线通信设备6还可以用于接收用户的移动终端无线发送的控制指令，以通过所述主控制器I控制所述驱动机构3对所述服务机器人的驱动，所述无线通信设备6可选择通过移动通信网络与所述用户的移动终端建立双向无线通信链路，所述移动通信网络可为GPRS移动通信网络、3G移动通信网络和4G移动通信网络中的一种，以及所述可充电锂电池为所述服务机器人提供供电电源，并与所述主控制器I连接以在所述主控制器I控制下为所述服务机器人提供节电管理，所述服务机器人可为修理机器人、运输机器人、清洗机器人、保安机器人、救援机器人和监护机器人中的一种。
[0038]另外，小波滤波算法是基于小波分析的一种算法，小波分析是一种新兴的数学分支，他是泛函数、Fourier分析、调和分析、数值分析的结合体；在应用领域，特别是在
信号处理、图像处理、语音处理以及众多非线性科学领域，他被认为是继Fourier分析之后的又一有效的时频分析方法。
小波变换与Fourier变换相比，是一个时间和频域的局域变换，因而能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，解决了 Fourier变换不能解决的许多困难问题。
[0039]另外，机器人，指的是一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成的系统。
[0040] 执行机构，即
机器人本体，其臂部一般采用空间开链
连杆机构，其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直
角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为
基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或
末端执行器)和行走部(对于
移动机器人)等。
[0041] 驱动装置，是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动
力元件使机器人进行动作。他输入的是
电信号，输出的是线、
角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、
伺服电机等，此外也有采用液压、
气动等驱动装置。
[0042] 检测装置，是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类:一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的
位置、速度、
加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。
[0043] 控制系统，一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散(级)式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。
[0044] 采用本发明的实现智能化越障的服务机器人，针对现有服务机器人的测距模式单一、越障效率较低的技术问题，结合利用超声波技术和红外线技术以提高前方目标测距的精度，同时，更全面地获得障碍物的更多尺寸信息，基于尺寸信息调整
图像采集设备的位置，在准确的尺寸信息的
基础上自适应地采用不同越障方案，实现服务机器人的智能化越障，减少人工干预。
[0045] 可以理解的是，虽然本发明已以较佳
实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或
修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
