CN102253673A - 基于目标识别技术的家用移动安保机器人 - Google Patents

基于目标识别技术的家用移动安保机器人 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于目标识别技术的家用移动安保机器人，机器人包含以下几个子***：框架、行走***、成像***、传感器***、控制***、无线网络***、目标识别***、通信***以及能源管理***。本发明中的机器人能够自主识别目标点，并能对目标位置进行重点监控，可以定时或随机地监控家中的状况，起到安保、提醒、娱乐、陪伴的作用。

Description

基于目标识别技术的家用移动安保机器人
技术领域
本发明涉及一种智能移动机器人，特别是一种能自主行走，自主识别和检测目标点，并采用无线通信方式将检测结果发到绑定的手机或电脑，并能接收来自手机或电脑的控制指令的家用移动安保机器人，属于服务机器人技术领域。
背景技术
现代的城市家庭邻里多不熟悉，上班时间大都无人在家，当家庭成员全部外出，或者家中留有未成年儿童、病人及行动不便的老人时，安全问题显得尤为重要。当前安保技术的研究很热，出现了众多的监控类产品，常见的有监控摄像头、煤气探测仪、玻璃破碎探测仪器等，并能与小区安检***联网，用于实现非法入侵、火灾等异常情况下的监控和报警。虽然这些常规的小区监控***能起到一定的威慑和防范作用，但还存在着一些不足：一是这种安检***一般配备在新建的高档智能小区，原先建好的小区改造成本高，还会破坏住户的装修；再者这些监控***有一定的死区，也可能会被破坏，而且这些都是固定不动的监控手段，不可能监视到房间的每个角落。
安保机器人能够很好地弥补上述缺陷：机器人可以四处行走，能起到代替人到处观察的作用，可以让机器人定时或者随机地监控关键位置；机器人所具备的智能技术可以实现动态目标抓拍和跟踪，将活动的物体拍照或者录像；机器人还可以将数据存储或者发送到绑定的手机或远程电脑以便主人实时了解家中的情况。即使在已经安装了监控***的家庭，机器人也可以与已有的摄像头、传感器***联网，搜索到异常信息，及时反馈给主人，使已有静态监控***更加有效地发挥作用。
目前有一些研究中提到了适合家庭监控用的机器人***。专利200420053492.2公开了一种带有摄像头、烟雾传感器、玻璃破碎传感器，由单片机控制的保安机器人，可将图像等信息无线传输到集中控制室。专利200520087230.2公开了一种保安机器人上用的GSM通信控制电路。专利CN201010543931.8公开了一种适用于iPhone智能手机与机器人的交互***，能通过智能手机控制机器人的动作。专利CN200920294316.0公开了一种采用GPS定位的巡检机器人，因为定位精度局限，只能应用于户外。专利CN200910199945.X公开了一种通过无线以太网连接的多个家居机器人***，适合于机器人的群体协作。专利CN201010046514.2公开了一种带有摄像头、声音采集器、避障传感器等的多感知机器人***。以上专利均在某一方面涉及了家用安保机器人的实用技术，但都有很大的局限性，没有实现机器人在家庭中的智能定点监控，不能将监控信息实时反馈给用户，不能与其他智能设备联网，实用性差。
本发明旨在解决家用安保机器人实际应用中的关键技术：寻找并定位监控目标，并将监控结果无线传输到手机或带接口的电脑终端，并能采用物联网的方式与其他智能设备联网，使安保机器人能够真正应用于家庭的实时监控。
发明内容
本发明的目的是公开一种基于目标识别技术的家用移动安保机器人，可以自动巡检、自主寻找和定位目标点、对标志位置进行重点扫描，并把巡检信息和图像通过无线通信方式发送到主人的手机或带有接口的电脑终端上。
本发明包括以下几个子***： 框架、行走***、成像***、传感器***、控制***、无线网络***、目标识别***、通信***以及能源管理***。
所述框架包括机器人的底盘和壳体部分；所述底盘为机器人的支撑部分，下面安装有轮子和传感器；所述壳体部分是传感器及摄像头等部件的装配载体，并且与所述底盘构成一个封闭的腔体；所述腔体内装有电机及驱动机构、控制电路板等部件。
所述行走***为轮式机构，包括轮子、电机、齿轮传动机构；所述轮子包含2个主动轮，2个导向轮；所述电机为驱动主动轮的直流伺服电机，由控制***进行驱动，采用差动驱动方式，实现机器人的直线行走和转弯动作；所述齿轮传动机构包括驱动轴和齿轮系，将电机的转动传输到主动轮上。
所述成像***包括一个***头、两个微型电机构成的可控两自由度旋转云台机构、智能感光及灯光***；所述***头可采用CCD或者CMOS摄像头；所述云台机构包括两个电机及相应的传动机构，在水平和垂直方向上旋转，以使摄像头能够拍到各个角度的图像；所述智能感光及灯光***包括感光器件及电路、LED机器开关电路，能够感应周围的光线，并在低照度时打开摄像头周围的LED，以便在黑暗环境中获取清晰的图像。
所述传感器***安装在机器人的壳体周围和底盘上，包括底盘上的防跌传感器、悬空传感器、装在外壳上的避障传感器、碰撞环、烟雾传感器、人体热释电传感器、拾音器等；所述防跌传感器安装在机器人底盘的前后位置，当机器人某一部分悬浮于楼梯、台阶等位置时，传感器将探测到垂直距离信息，发出信号到控制***，使机器人停止向前走或向后退，避免机器人从楼梯等高处跌落；所述轮子悬空传感器安装在轮子上，当任何一个轮子不着地面时即发出信号到控制***，使机器人停止或改变当前的运动方向，防止机器人从楼梯等高处跌落；所述避障传感器装在机器人外壳的周围，可采用红外或者超声传感器，使机器人能够识别周围物体离自身的远近，发出信号到控制***，控制机器人的运动方向及速度，避免发生碰撞；所谓碰撞环装在机器人外壳的前部，当机器人意外地碰上其他物体时起作用，发出信号向控制***，使停止向前走的动作；所述烟雾传感器装在机器人外壳上，感应周围一氧化碳和甲烷的浓度，当浓度超限时向控制***发出信号，控制***将会启动相关的报警等任务；所述人体热释电传感器装在机器人的外壳上，当有人靠近时会向控制***发出信号，控制***将根据此信号启动相关的进程；所述拾音器固定于机器人的外壳的前部，可以采集到周围的声音，并发给控制***。
所述控制***包括控制电路板及控制软件；所述控制电路板安装在机器人的底盘上，由壳体包裹在腔体内；所述控制软件为嵌入式操作***，烧录在所述控制电路板上的芯片内，包含了对机器人自主行走、任务设定、报警通信、传感器信息采集、图像获取及传输、目标识别及跟踪等算法。
所述无线网络***安装于机器人的壳体内，采用ZigBee等通信方式与其他设备进行通信，其他设备可以是同类型的机器人、带有无线网络的其他设施如家电等。
所述目标识别***采用RF或其他技术，识别固定于特定位置的标签或其他类型的标识物，并控制成像***对特定区域进行拍照。
所述通信***采用GSM、GPRS、CDMA等无线通信器件，装于机器人的腔体内，与所述控制电路板相连，可以与绑定的手机号码进行短信联系，发送和接受消息；也可以与装有专用接口的电脑通信，将图像等信息发送到电脑上。
所述能源管理***包括可充电电池、自动充电机构、充电器、电源管理电路及软件；所述可充电电池为镍氢电池或锂电池，安装在机器人的腔体内，与所述控制电路板相连，为整个机器人***供电；所述自动充电机构安装在机器人外壳上，与固定的充电器之间进行通信，机器人能随时找到充电器自行充电，充满电后有任务要执行时自动移开；所述充电器包括与插座相连的充电器及充电座，所述充电座上装有识别***，机器人能够找到充电座的位置，并能准确地坐在充电座上进行充电；所述电源管理电路及软件装在所述控制电路板上，在不同的模式下进行不同的电源分配，以达到节能的目的。
本发明的工作方式如下：
将机器人与手机或远程电脑绑定，在需要重点监控的位置贴好标签，比如窗户、阳台的门、楼梯口等；随后让机器人随机在房间里行走，熟悉环境并找到每个标签的位置；设置好机器人的监控模式、监控时间和频率，离开房间；机器人按照设置好的方式定时启动监控程序，检测每一个标志点处的情况，并把图像无线发送到主人手机或电脑上；在做重点监控的同时，机器人随时采集烟雾、声音、人物等信息，并将这些信息发送到主人手机或电脑上；机器人还可以与智能家电、固定的监控***通过物联网的方式相互通信；机器人也可以接收主人手机或者电脑发出的控制信息，进行例行之外的任务。
本发明的有益效果是：提出了一个能够自主识别目标点，并能对目标位置进行重点监控的智能移动机器人***，应用在家庭环境中，可以定时或随机地监控家中的状况，感应煤气泄漏、异响、外人非法入侵、老人小孩跌倒等，并抓拍图像，将其采集的图像、传感器等信息通过无线发送到绑定的手机或远程电脑终端。机器人具有自我防护安全***，不会摔下楼梯，碰伤自己或者碰坏家具。机器人具有自主充电***，可以自己寻找充电器，没有任务或者电量不足时自行充电。
机器人还可以陪伴留在家中的病人、老人和孩童，定时提醒服药、学习等，并能在发生异常情况，比如老人跌倒等意外发生时及时向主人报警。机器人也可以作为幼儿及儿童早期教育的工具，提供相应的课件，寓教于乐，并可开放部分接口，提供给编程爱好者，自主开发一些程序，增强功能。机器人还可以具有事务提醒、夜灯、对话沟通、主人识别、智能宠爱等增值功能。本发明中的机器人能够作为家庭中的一员，起到安保、提醒、娱乐、陪伴的作用。
附图说明
图1  是本发明***架构方框示意图；
图2  是本发明壳体部分示意图；
图3  是本发明底盘部分示意图；
图4  是本发明底盘设置的行走***结构示意图；
图5  是本发明成像***部分示意图；
图6  是本发明传感器***结构方框图；
图7  是本发明电路***示意图；
图8  是本发明电源***示意图；
图9  是本发明自主充电***示意图。
具体实施方式
下面结合附图用实施例来对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。
根据附图1，本发明基于目标识别技术的家用移动安保机器人由框架1、行走***2、成像***3、传感器***4、控制***5、无线网络***6、目标识别***7、通信***8以及能源管理***9等几个重要部分构成。
根据附图2，框架1包括机器人的底盘11和壳体12两大部分，由PVC等材料加工而成。壳体12与底盘11构成一个封闭的腔体，底盘11与壳体12之间通过卡扣连接，方便装配和拆卸。壳体12上安装有碰撞环46，避障传感器43、成像***3、烟雾传感器44、拾音器45和人体热释电传感器47等。成像***3安装在壳体12的上部或前部。
根据附图3和4，底盘11呈圆形（也可呈椭圆型），底部装配有主动轮21、导向轮22、设置在轮子21和22中间的防跌传感器41，轮子的底部的悬空检测传感器42等。底盘的中部具有一个可打开的电池盖111，电池舱内装有电池91，电池91固定在底盘内部的腔内。在由壳体12与底盘11构成的封闭腔体内装有行走***2的两个电机23及齿轮传动机构24和控制***5中的控制电路板51等部件。
行走***2为轮式机构，包括2个主动轮21、2个导向轮22、2个驱动电机23、2个齿轮传动机构24，均固定在底盘11上。电机23为驱动主动轮的直流伺服电机，与控制***5的控制电路板51相连，由控制***5进行驱动，采用差动驱动方式，实现机器人的直线行走和转弯动作。齿轮传动机构24为齿轮系，将电机的转动传输到主动轮上。
根据附图5，成像***3包括一个***头31、旋转机构32，俯仰机构33，智能感光及灯光***34及外壳等构成。***头31可采用CCD或者CMOS摄像头。旋转机构32包括一个直流电机及相应的传动机构，以垂直方向为轴旋转，俯仰机构33包括一个直流电机及相应的传动机构，为前后的摆动。旋转机构32和俯仰机构33构成两自由度的云台，以使摄像头能够拍到各个角度的图像。智能感光及灯光***34包括感光器件及电路和LED及其开关电路，能够感应周围的光线，并在低照度时打开摄像头周围的LED，以便在黑暗环境中获取清晰的图像。
根据附图6，传感器***4安装在机器人的壳体12周围和底盘11上，包括安装在底盘11上的防跌传感器41、轮子悬空检测传感器42以及装在壳体12的避障传感器43、烟雾检测传感器44，拾音器45、碰撞环46和人体热释电传感器47等。防跌传感器41安装在底盘11的前后左右位置，在四个轮子21和22的中间均匀分布，当机器人的某部分悬浮于楼梯、台阶等位置时，防跌传感器41将探测到垂直距离信息，发出信号到控制***5，使机器人停止向前走或向后退，避免机器人从楼梯等高处跌落。轮子悬空检测传感器42安装在轮子21和22的底部，当任何一个轮子不着地面时即发出信号到控制***5，使机器人停止或改变当前的运动方向，防止机器人从楼梯等高处跌落。避障传感器装43在壳体12的周围，壳体一周可均布安装4个或4个以上，采用红外或者超声传感器，使机器人能够识别周围物体离自身的远近，发出信号到控制***5，控制机器人的运动方向及速度，避免发生碰撞。烟雾传感器44装在壳体12上，感应周围一氧化碳和甲烷的浓度，当浓度超限时向控制***发出信号，控制***5将会启动相关的报警等任务。拾音器45固定于壳体12的前部，可以采集到周围的声音，并发给控制***5。人体热释电传感器47装在壳体12上，当有人靠近时会向控制***发出信号，控制***5将根据此信号启动相关的进程。碰撞环46装在壳体12的前部，当机器人意外地碰上其他物体时起作用，发出信号向控制***5，使停止向前走的动作。
根据附图7，控制***5包括控制电路板51及控制软件。控制电路板51固定在机器人的底盘11上，由壳体12包裹在腔体内。控制软件为嵌入式操作***，烧录在控制电路板51上的芯片内，包含了对机器人自主行走、任务设定、报警通信、传感器信息采集、图像获取及传输、目标识别及跟踪等算法模块，其算法模块可以根据不同功能剪裁和扩展。
无线网络***6安装于机器人的壳体内，主要包括一个无线通信模块61及相关的固定件。无线通信模块61固定在壳体12上，并通过导线与控制电路板51相连，由其提供电源并受其控制。无线通信模块61采用ZigBee等通信器件与其他设备进行通信，其他设备可以是同类型的机器人、带有无线网络的其他设施如家电等。
目标识别***7包括一个以上贴在目标处的标签及识别标签的射频器件71。射频器件71固定在壳体12上，并通过导线与控制电路板51相连，由其提供电源并受其控制。射频器件71采用RFID技术，识别固定于特定位置的标签，并控制成像***3对特定区域进行拍照。
通信***8主要包括1个以上的无线通信模块81（GSM/GPRS/CDMA），装于机器人的腔体内，与控制电路板51相连，由其供电并受其控制。无线通信模块81可以设置与手机号码或带有通信接口的远程电脑终端绑定，通过发送和接收消息的方式将检测到的图像及传感器信息发送至手机或电脑终端，并接收从手机或电脑发来的命令。
根据附图8和9，能源管理***9包括可充电的电池91、自动充电机构92、充电器93、电源管理电路及软件94。可充电的电池91为镍氢电池或锂电池，安装在机器人的腔体内，与控制电路板51相连，为整个机器人***供电；自动充电机构92安装在机器人外壳上，与固定的充电器93之间进行通信，机器人能随时找到充电器自行充电，充满电后有任务要执行时自动移开。电源管理电路及软件94装在控制电路板51上，在不同的模式下进行不同的电源分配，以达到节能的目的。充电器93包括与AC插座相连的充电器931及充电座932。充电座932上装有识别***，机器人能够找到充电座的位置，并能准确地坐在充电座上进行充电。
本实施例仅是用于说明本发明的实施技术方案而非限制，本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但不脱离本发明的宗旨和范围的，均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于目标识别技术的家用移动安保机器人，机器人包含以下几个子***： 框架、行走***、成像***、传感器***、控制***、无线网络***、目标识别***、通信***以及能源管理***；
所述框架包括机器人的底盘和壳体，是其他部件的支撑，其他子***安装于其上；
所述行走***为轮式机构，采用差动驱动方式，安装于机器人所述壳体内，固定于所述底盘上；
所述成像***装在机器人所述壳体的上部或前部；
所述控制***包括控制电路板及控制软件，所述控制电路板安装在机器人腔体内，固定于机器人的底盘及壳体上；所述控制软件在所述控制电路板上的CPU内；
所述传感器***包含多种传感器，安装在机器人所述壳体与所述底盘构成的腔体内、所述控制电路板上、所述底盘和所述壳体之上；   
所述无线网络***安装于机器人所述壳体与所述底盘构成的腔体内，与所述控制电路板相连，固定于所述壳体之上；
所述目标识别***安装于机器人所述壳体与所述底盘构成的腔体内，与所述控制电路板相连，固定于所述壳体之上；
所述通信***安装于机器人所述壳体与所述底盘构成的腔体内，与所述控制电路板相连，固定于所述壳体之上； 
所述能源管理***包括可充电电池、自动充电机构、充电器、电源管理电路及软件；所述可充电电池安装在机器人的腔体内，与所述控制电路板相连；所述自动充电机构安装在机器人外壳上；所述充电器独立于机器人之外，与机器人之间通过无线联系；所述电源管理电路及软件装在所述控制电路板上；
其特征在于机器人工作时的装置和信息路径是：将机器人与手机或远程电脑绑定；在目标点处贴好标签；机器人学习，找到每个标签的位置；设置好机器人的监控模式、时间和频率；机器人按照设置好的方式定时启动监控程序，检测标志点，并把图像及其他信息发送到主人手机或电脑上；在做定点监控的同时，机器人持续采集烟雾、声音和人物信息，并将异常信息发送到主人手机或电脑上；机器人与智能家电、固定的监控***通过物联网的方式相互通信；机器人接收主人手机或者电脑发出的控制信息，中断已经设定的任务或者进行例行之外的任务。
2.根据权利要求 1 所述的基于目标识别技术的家用移动安保机器人，其特征在于：所述成像***具有一个两自由度云台摄像头，可以在水平和垂直方向上旋转，以使摄像头能够拍到各个角度的图像；所述成像***还包含了一个智能感光***，能够自动感应周围的光线，并在低照度时打开摄像头周围的LED，以便机器人在黑暗环境中获取清晰的图像。
3.根据权利要求 1 所述的基于目标识别技术的家用移动安保机器人，其特征在于：所述传感器***包含防跌传感器、悬空传感器、避障传感器、碰撞环、烟雾传感器、人体热释电传感器和拾音器，检测烟雾、人体和声音，保证机器人运行过程中的安全；所述传感器***还可以包含电子罗盘、陀螺仪、加速度传感器和温度传感器。
4.根据权利要求 1 所述的基于目标识别技术的家用移动安保机器人，其特征在于：所述无线网络***采用ZigBee方式与其他设备进行通信，与其他机器人、智能家电和智能报警装置联网，相互传递和共享信息。
5.根据权利要求 1 所述的基于目标识别技术的家用移动安保机器人，其特征在于：所述目标识别***采用RF技术，识别固定于特定位置的标签，并控制成像***对特定区域进行图像及传感器信息采集。
6.根据权利要求 1 所述的基于目标识别技术的家用移动安保机器人，其特征在于：所述通信***采用GSM、GPRS或CDMA通用无线通信器件，与绑定的手机以及带有接口的电脑终端通信，发送和接收消息。
7.根据权利要求 1 所述的基于目标识别技术的家用移动安保机器人，其特征在于：所述能源管理***采用了自主充电技术以及电源管理技术，机器人自行判断充电时机、自主找到充电器，并能在各种状态下采用不同的电源分配，以达到节能的目的。
8.根据权利要求 1 所述的基于目标识别技术的家用移动安保机器人，其特征在于：所述控制***采用嵌入式操作***，包含了对机器人自主行走、任务设定、报警通信、传感器信息采集、图像获取、目标识别及跟踪和无线网络通信算法。
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