CN105798922B - 一种家庭服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种家庭服务机器人，所述的家庭服务机器人采用层积式结构，由下至上分别为第一层平台( 1)、第二层平台( 2)、第三层平台( 3)、第四层平台( 4) 以及第五层平台( 5)，各个平台之间通过连接支架相连接。在最顶层即第五层平台的颈部的自由度关节上安装有人机交互装置作为头部，实现人机交互内容，在第三层平台设置声音传感器实时采集声音信号，第四层平台设置激光扫描仪实时扫描，在底盘即第一层平台上使用直流电机驱动车轮以及定位轮来对机器人进行定位，实现了面向全年龄段的高交互体验，且机器人不会发生误判断。

Description

一种家庭服务机器人

技术领域

本发明关于人工智能技术领域，特别是关于智能家居家庭服务机器人，具体的讲是一种家庭服务机器人。

背景技术

近年来，随着机器人技术的高速发展，服务型的机器人日益融入到人类的生活当中。机器人不仅仅局限于照顾留居家中的老人，而是从孩子到大人，甚至无人在家的空室，均需要类似于管家的机器人给予相应对接的服务。

专利号为201520234145.8、名称为一种家庭服务机器人专利中，描述了针对年轻人外出工作，留居家中需要照顾老人的一种服务机器人。该机器人采用伺服电机驱动四个转向轮，携带有摄像头，体感，超声波传感器，激光雷达，机械手。主要可以在家中实施避障，通过摄像头观察采集物品信息，使用机械手抓取物品递交给家中的老人。

由于对机器人的功能要求越来越高，目前无论是市面上出现的产品还是上述专利文献中提及的服务机器人，均是以特定的一类人群为对象的，无法涵盖整个年龄段的人群(该人群中不包含如婴幼儿这种需要特殊照顾的人群)。

因此，如何研究和开发出一种新的方案，其可以针对任何年龄段的人群与其发生对话，听从指令行动，提升产品质量是本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种家庭服务机器人，该机器人采用层积式结构设计，从下往上共分为五层平台，各个平台之间用支架相连接，在最顶层即第五层平台的颈部的自由度关节上安装有人机交互装置作为头部，实现人机交互内容，在第三层平台设置声音传感器实时采集声音信号，第四层平台设置激光扫描仪实时扫描，在底盘即第一层平台上使用直流电机驱动车轮以及定位轮来对机器人进行定位，实现了面向全年龄段的高交互体验，且机器人不会发生误判断。

本发明的目的是，提供一种家庭服务机器人，所述的家庭服务机器人采用层积式结构，由下至上分别为第一层平台1、第二层平台2、第三层平台3、第四层平台4以及第五层平台5，各个平台之间通过连接支架相连接，

所述的第三层平台3设置有声音传感器31，用于实时采集声音信号；

所述的第四层平台4设置有激光扫描仪41，用于实时扫描所述的家庭服务机器人所处的空间，生成对应的地图；

所述的第五平台5设置有人机交互装置，用于采集用户输入的指令信号；

所述的第二层平台2设置有下位机23，用于根据所述的指令信号、声音信号以及所述的地图输出动作指令；

所述的第一平台1设置有直流电机17，与所述的直流电机17相连接的电机驱动板16、车轮14以及定位轮19；

所述的直流电机17通过所述的电机驱动板16接收所述的动作指令，根据所述的动作指令驱动所述的车轮14，以带动所述的定位轮19滚动，进而使得所述的家庭服务机器人移动；

所述的第五平台5还包括与所述的人机交互装置相连接的颈部传动关节，用于根据所述的动作指令进行转动。

在本发明的优选实施方式中，所述的第二层平台2还包括与所述的下位机23相连接的陀螺仪24，用于当所述的家庭服务机器人倾斜时，向所述的下位机23发送倾斜信号。

在本发明的优选实施方式中，所述的第一平台1前部还配置有碰撞传感器15，在所述的第一平台1与所述第二层平台2相连接的连接支架上还设置有第一超声波传感器13，所述的连接支架上设置有安装孔，用于调整所述超声波传感器13的安装位置。

在本发明的优选实施方式中，所述的碰撞传感器15为三个，所述的第一超声波传感器13为六个。

在本发明的优选实施方式中，所述的碰撞传感器15相邻之间的夹角呈120度，且每个所述的碰撞传感器15上设置有两个行程开关151。

在本发明的优选实施方式中，所述的人机交互装置包括Kinect53以及与所述的Kinect53相连接的平板电脑51，所述的第五平台5还包括与所述的平板电脑51相连接的万能尺寸支架52，用于调整所述平板电脑51的安装位置。

在本发明的优选实施方式中，所述的颈部传动关节包括内旋外旋单元6、通过云台54与所述的内旋外旋单元6相连接的伸展屈曲单元7。

在本发明的优选实施方式中，所述的内旋外旋单元6包括外壁套筒61、固定在所述外壁套筒61中的舵机62以及轴承64，所述的舵机62用于根据所述的动作指令，驱动所述的轴承64以带动所述的云台54左右旋转。

在本发明的优选实施方式中，所述的内旋外旋单元6还包括设置在所述的舵机62下部的第一角度传感器63。

在本发明的优选实施方式中，所述的伸展屈曲单元7包括步进电机71、与所述的步进电机71相搭配的一丝杠72、与所述的丝杠72相连接的连接块73、与所述的连接块73相连接的导轨滑块74、旋转连杆75，所述的旋转连杆75驱动负载支架77，所述的伸展屈曲单元7还设置有第二角度传感器76。

在本发明的优选实施方式中，所述的第一平台1的后部设置有充电触点11以及电池12，当所述电池12的电量达到下限值时，所述的电池12向所述的下位机23发送充电信号。

在本发明的优选实施方式中，所述的第二层平台2的后方设置有红外接收发射器21以及第二超声波传感器22，所述的家庭服务机器人还包括充电桩0，所述的充电桩0设置有红外发射器01以及弹簧触点02，所述的红外发射器01用于发出红外信号，所述的红外接收发射器21用于接收所述的红外信号，并将所述的红外信号发送至所述的下位机23，所述的第二超声波传感器22用于向所述的下位机23发送超声波信号，所述的下位机23用于根据所述的充电信号、超声波信号以及红外信号输出充电动作指令，驱使所述的家庭服务机器人通过所述的充电触点11与所述的弹簧触点02向所述的电池12进行充电。

在本发明的优选实施方式中，所述的红外接收发射器21为五个，按45度角均匀分布。

在本发明的优选实施方式中，所述的第三层平台3还设置有电源适配器32。

本发明的有益效果在于，提供了一种家庭服务机器人，该机器人采用层积式结构设计，从下往上共分为五层平台，各个平台之间用支架相连接，安装简单，结构稳定，高效维护，在最顶层即第五层平台的颈部的自由度关节上安装有人机交互装置作为头部，实现了面向全年龄段的高交互体验，在第三层平台设置声音传感器实时采集声音信号，第四层平台设置激光扫描仪实时扫描，在底盘即第一层平台上使用两个直流电机驱动两个车轮外加一个定位轮来对机器人三点定位，并在前方有三个碰撞传感器，支架处有五个均布的超声波传感器来避障，可以检测到较低的障碍物，机器人不会发生误判断。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的正面图；

图2为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的背面图；

图3为本发明提供的实施例中机器人整体的硬件架构图；

图4为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第一层平台的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第二层平台的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第三层平台的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第四层平台的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第五层平台的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第五层平台中的内旋外旋单元的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人中第五层平台的伸展屈曲单元的示意图。

附图标号：

充电桩0

红外发射器01

弹簧触点02

第一平台1

充电触点11

电池12

超声波传感器13

车轮14

碰撞传感器15

行程开关151

电机驱动板16

直流电机17

定位轮19

第二层平台2

红外接收发射器21

第二超声波传感器22

下位机23

陀螺仪24

第三层平台3

声音传感器31

电源适配器32

第四层平台4

激光扫描仪41

第五平台5

平板电脑51

万能尺寸支架52

Kinect53

云台54

内旋外旋单元6

外壁套筒61

舵机62

第一角度传感器63

轴承64

伸展屈曲单元7

步进电机71

丝杠72

连接块73

导轨滑块74

旋转连杆75

第二角度传感器76

负载支架77

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是针对目前市场上的服务机器人，均是以特定的一类人群为对象的，无法涵盖整个年龄段的人群(该人群中不包含如婴幼儿这种需要特殊照顾的人群)。且现存的服务机器人只注重了在机器人腹部或腹部以上的地方布置用于避障的传感器，面对家庭使用中的环境状况下，例如人的鞋子，门槛等低于机器人腹部的地方可能会发生检测不到的情况，而有可能会使得机器人做出误判断的情况，提供了一种家庭服务机器人，其能提供面向全年龄段的高交互体验，且机器人不会发生误判断。

本发明涉及一种面向家庭的服务型机器人，在考虑后期高效率的维护和降低组装工艺的成本问题的前提下，合理设计机器人的结构及传动关节的同时，搭载了诸多传感器，旨在丰富机器人所具备的功能，其中主要功能包括人机交互，智能家居，自动避障，路径规划等。

图1为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的正面图，由图1可知，所述的家庭服务机器人采用层积式结构，由下至上分别为第一层平台1、第二层平台2、第三层平台3、第四层平台4以及第五层平台5，各个平台之间通过连接支架相连接。

现存的服务机器人均采用箱体式，壳体式的分块或整体设计，安装工艺复杂提高了成本，且后期维护或更换零部件时需要将整个壳体卸下才可以，效率低下。而本发明则采用层积式结构设计，不仅组装简单，结构稳定还便于后期高效率的维护和扩张外壳。

图6为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第三层平台的示意图，由图6可知，所述的第三层平台3设置有声音传感器31，用于实时采集声音信号。

图7为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第四层平台的示意图，由图7可知，所述的第四层平台4设置有激光扫描仪41，用于实时扫描所述的家庭服务机器人所处的空间，生成对应的地图。

图8为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第五层平台的示意图，由图8可知，所述的第五平台5设置有人机交互装置，用于采集用户输入的指令信号。

图5为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第二层平台的示意图，由图5可知，所述的第二层平台2设置有下位机23，用于根据所述的指令信号、声音信号以及所述的地图输出动作指令。

图4为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第一层平台的示意图，图2为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的背面图。由图2、图4可知，所述的第一平台1设置有直流电机17，与所述的直流电机17相连接的电机驱动板16、车轮14以及定位轮19。

所述的直流电机17通过所述的电机驱动板16接收所述的动作指令，根据所述的动作指令驱动所述的车轮14，以带动所述的定位轮19滚动，进而使得所述的家庭服务机器人移动。

图8为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第五层平台的示意图，由图8可知，所述的第五平台5还包括与所述的人机交互装置相连接的颈部传动关节，用于根据所述的动作指令进行转动。

如上所述，即为本发明提供的一种家庭服务机器人，该机器人采用层积式结构设计，从下往上共分为五层平台，各个平台之间用支架相连接，在最顶层即第五层平台的颈部的自由度关节上安装有人机交互装置作为头部，实现人机交互内容，在第三层平台设置声音传感器实时采集声音信号，第四层平台设置激光扫描仪实时扫描，在底盘即第一层平台上使用直流电机驱动车轮以及定位轮来对机器人进行定位，实现了面向全年龄段的高交互体验，且机器人不会发生误判断。

在本发明的优选实施方式中，可在所述的第三层平台3的正前方以及正后方分别设置声音传感器31，其作用是机器人听到使用者呼唤自己的时候，联合头部的Kinect做出声音的来源方向的判别，使得机器人转过一定的角度，以面朝着使用者的方向运动。

在本发明的优选实施方式中，可以在所述的第四层平台放置一个360度激光扫描仪41。该仪器可以无死角的扫描出房间的地图并同时可以让机器人判定其自身在该地图中的位置，并且伴随着机器人在房间中巡航的过程中将整个房间的地图扫描出来，并通过使用者对房间的标定，机器人可以通过地图分别记录卧室，客厅等所在区域范围，这样使用者呼唤在另一个房间中的机器人的时候，机器人可以通过地图做出最优路径规划，使得其到达使用者身边。另外，该360度激光扫描仪41通过实时对房间进行的扫描，可以对突然出现的或是家具有所移动的障碍物做出即时判断，联合底盘处的碰撞传感器15和超声波传感器13来共同找出最优解，使得机器人做出正确的规避动作。

图5为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第二层平台的示意图，由图5可知，在本发明的优选实施方式中，所述的第二层平台2还包括与所述的下位机23相连接的陀螺仪24，用于当所述的家庭服务机器人倾斜时，向所述的下位机23发送倾斜信号，此处的倾斜信号包括了机器人此时的行走位置与姿态信息。当下位机收到陀螺仪发过来的倾斜信号后，会首先在下位机中进行一个运算和判断，即判别目前的倾斜角度是不是会导致机器人摔倒的危险角度，如果不是，就继续向前走；如果是的话，下位机就会发信号给第一平台的电机驱动板，驱动电机不要再继续向前进了，而是让电机回退回来，到刚才未发生倾斜前的状态，然后再重新运算规划路径避开眼前的这个斜坡，做绕行处理。也即，在本发明的其他实施方式中，所述的第二层平台2设置的下位机23用来控制机器人的各种传感器、地盘运动等功能，陀螺仪24提供行走位置与姿态信息，进一步矫正行走姿态和里程。

图4为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第一层平台的示意图，由图4可知，在本发明的优选实施方式中，所述的第一平台1前部还配置有碰撞传感器15，在所述的第一平台1与所述第二层平台2相连接的连接支架上还设置有第一超声波传感器13，所述的连接支架上设置有安装孔，用于调整所述超声波传感器13的安装位置。特别是左右尽头侧的两个超声波传感器13设置在PU轮14的正上方，是保证PU轮14在行进过程中不受到障碍物影响而发生PU轮14损坏等情况。

在本发明的优选实施方式中，所述的碰撞传感器15为三个，所述的第一超声波传感器13为六个。

在本发明的优选实施方式中，所述的碰撞传感器15相邻之间的夹角呈120度，且每个所述的碰撞传感器15上设置有两个行程开关151(图4未绘制)，使得机器人可以精确的知道是碰到了哪一个传感器上的哪一个位置。例如在其碰到障碍物的时候，机器人先做后退动作，然后转弯，其中若是左碰撞传感器接收到信号后发出让机器人右转的命令以避开障碍物，其余类似。

在本发明的优选实施方式中，在底盘上可使用两个直流电机17驱动两个车轮外加一个定位轮来对机器人实现三点定位。具体的，车轮可为PU轮。机器人的后方安装的定位轮19，为了使得机器人的重心保持在PU轮14和定位轮19所组成的三角形之内，机器人的整体架构的重心均在该三角形内，使得机器人具备很好的稳定性。

现有技术中的服务机器人只注重了在机器人腹部或腹部以上的地方布置用于避障的传感器，面对家庭使用中的环境状况下，例如人的鞋子，门槛等低于机器人腹部的地方可能会发生检测不到的情况，而有可能会使得机器人做出误判断。本发明针对这一情况在机器人的底盘部分即第一层平台上均布了碰撞传感器，使得机器人不会发生误判断。

由图4可知，所述的碰撞传感器15相邻之间的夹角可呈120度，且每个所述的碰撞传感器15上设置有两个行程开关151(图4未绘制)，使得机器人可以精确的知道是碰到了哪一个传感器上的哪一个位置。例如在其碰到障碍物的时候，机器人先做后退动作，然后转弯，其中若是左碰撞传感器接收到信号后发出让机器人右转的命令以避开障碍物，其余类似。

图8为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第五层平台的示意图，由图8可知，所述的人机交互装置包括Kinect53以及与所述的Kinect53相连接的平板电脑51，所述的第五平台5还包括与所述的平板电脑51相连接的万能尺寸支架52，用于调整所述平板电脑51的安装位置。现有技术中的服务机器人均是以特定人群为目的而开发的，功能上无法满足全年龄段人群的需求，本发明中的服务机器人采用人机交互装置，可以针对任何年龄段的人群与其发生对话，听从指令行动。具体的，所述的人机交互装置包括Kinect53以及平板电脑51。即在最顶层的颈部的2自由度关节之上安装有Kinect和平板电脑作为头部，实现主要的人机交互内容。

在本发明的优选实施方式中，所述的颈部传动关节包括内旋外旋单元6、通过云台54与所述的内旋外旋单元6相连接的伸展屈曲单元7。具体的，第五层平台中安装有颈部传动关节，颈部传动关节分别为±60度的内旋外旋单元6和伸展屈曲单元7，它们之间通过云台54相连接。这两个单元的联合动作使得机器人头部像人一般灵活可动，在听到使用者的呼叫后，机器人对声音传来的方向做出判断，并像人一样先回过头来，然后再调整姿势整体转向，朝着使用者行进，或是跟随主人前进，大大提高了对人的交互体验。颈部关节还搭载有Kinect53和平板电脑51。其中Kinect53的作用有：进行人脸识别，判断是家庭住户的时候会通过平板电脑51发出不同的问候语，判断是陌生人的时候可以通过家庭住户来进行注册来分类为住户的亲戚或朋友，如果没有注册的时候则将其拍照并发送与住户来判断。另外Kinect53还会根据使用者的不同手势判别使得机器人执行前进后退停止等动作。而平板电脑51则通过万能尺寸支架52调整合适的安装位置，使得其作为上位机来完成人机交互的最主要部分，如语音播报、日程提醒、室内巡逻、聊天、人脸识别与拍照、手势识别、老人跌倒检测、智能家居控制等等一系列功能。

图9为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第五层平台中的内旋外旋单元的示意图，由图9可知，在本发明的优选实施方式中，所述的内旋外旋单元6包括外壁套筒61、固定在所述外壁套筒61中的舵机62以及轴承64，所述的舵机62用于根据所述的动作指令，驱动所述的轴承64以带动所述的云台54左右旋转。

在本发明的优选实施方式中，所述的内旋外旋单元6还包括设置在所述的舵机62下部的第一角度传感器63，主要给下位机23反馈机器人意外掉电后再上电的位置信息。下位机即可根据该单元的位置信息调整动作指令。

伸展屈曲单元在整个头部运动中不仅要负载起整个头部中所有元器件的重量，还要在运动中保持足够的稳定尽量不发生振动，还要在人机交互时保证Kinect53和平板电脑51的屏幕要准确对正至使用者，因此是颈部关节中最重要的一个核心部分。图10为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人中第五层平台的伸展屈曲单元的示意图，由图10可知，在本发明的优选实施方式中，所述的伸展屈曲单元7包括步进电机71、与所述的步进电机71相搭配的一丝杠72、与所述的丝杠72相连接的连接块73、与所述的连接块73相连接的导轨滑块74、旋转连杆75，所述的旋转连杆75驱动负载支架77，所述的伸展屈曲单元7还设置有第二角度传感器76。

也即，所述的伸展屈曲单元7采用步进电机71来驱动，由于该步进电机71步距角较高，因此搭配使用在负载下可承受足够弯曲应力的一丝杠72，使得可以精密控制其行走位置来达到颈部准确与使用者对正的目的。所述的丝杠72上设置有连接块73，所述的连接块73连接两侧的导轨与滑块74以及旋转连杆75，其在抬头和低头的运动过程中会在丝杠72上来回做往复运动，同时步进电机71也会随之做上下摆动。所述的旋转连杆75传递扭矩至头部回转中心，驱动负载支架77来带动头部旋转。由于整个伸展屈曲单元处于开环状态之下，故加入特制的角度传感器即第二角度传感器76作为该单元的负反馈，将头部的角度信息发送至下位机23，下位机即可根据该单元的角度信息调整动作指令。

图4为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第一层平台的示意图，由图4可知，在本发明的优选实施方式中，所述的第一平台1的后部设置有充电触点11以及电池12，当所述电池12的电量达到下限值时，所述的电池12向所述的下位机23发送充电信号。

图5为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第二层平台的示意图，由图5可知，在本发明的优选实施方式中，所述的第二层平台2的后方设置有红外接收发射器21以及第二超声波传感器22。在本发明的优选实施方式中，所述的红外接收发射器21为五个，按45度角均匀分布。

图6为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的第三层平台的示意图，由图6可知，在本发明的优选实施方式中，所述的第三层平台3还设置有电源适配器32。该层中还可设置一些部件多余的走线。

图1为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的正面图，图2为本发明实施例提供的一种家庭服务机器人的背面图，由图1、图2可知，所述的家庭服务机器人还包括充电桩0，所述的充电桩0设置有红外发射器01以及弹簧触点02。

当机器人的电量不足的时候，所述的红外发射器01用于发出红外信号，所述的红外接收发射器21用于接收所述的红外信号，并将所述的红外信号发送至所述的下位机23，所述的第二超声波传感器22用于向所述的下位机23发送超声波信号，所述的下位机23用于根据所述的充电信号、超声波信号以及红外信号输出充电动作指令，驱使所述的家庭服务机器人通过所述的充电触点11与所述的弹簧触点02向所述的电池12进行充电。

也即，当机器人的电量不足的时候，五个红外接收发射器21会开始捕捉充电桩0中处于狭缝处的另外一个红外发射器01发射来的红外信号，捕捉到红外信号以后，这五个红外接收发射器21会相互作用发出指令使得机器人调整姿态，最终以正对着充电桩0的方向前进。当机器人的充电触点11接触到充电桩的弹簧触点02的时候，开始充电过程。因此，本发明提供的家庭服务机器人拥有自动充电的功能。

如上所述，本发明提供了一种面向全年龄段的高交互体验的服务机器人。该机器人采用层积式结构设计，从下往上共分为5层平台，平台之间用支架相连接，安装简单结构稳定，便于维护。在最顶层(即第五层平台)的颈部的2自由度关节之上安装有Kinect和平板电脑来作为头部，实现主要的人机交互内容。在底盘(即第一层平台)上使用两个直流电机驱动两个车轮外加一个定位轮来对机器人三点定位，底盘前方有3个碰撞传感器，支架处有5个均布的超声波传感器，主要做避障使用；第二层平台中均布有5个自动充电用的红外发射接收装置和陀螺仪及主控芯片；第三层平台前后各一个声音传感器并放置多余的走线及适配器等；第四层平台中安装有360度激光扫描仪，主要做地图构建及路径规划和避障使用；第5层平台安装有2自由度的颈部关节，支撑着头部来实现内旋外旋和伸展屈曲动作。与现有技术的家庭服务机器人相比，拥有丰富的功能和很高的集成度。

图3为本发明提供的实施例中机器人整体的硬件架构图，由图3可知，该服务机器人主要有以下特点：

1、整体采用层积式结构设计，且通过有限元分析采用最优承重支架选材及结构搭建，使得机器人组装简单，结构稳定，便于后期维护或是***扩张外壳；

2、通过下位机控制多种传感器，融合采集来的多重数据做出优化处理，来达到联合高精度避障的效果；

3、通过激光扫描仪对机器人的自我路径规划以及对不同房间进行的地图构建，使得由使用者通过语音交互或触摸屏可以对机器人上位机发出行进指令，机器人可根据该命令走行至任意房间中任何指定位置；

4、使用者可对机器人发出指令来控制室内的智能家居，该部分由机器人将信号无线传递给充电桩中的智能网关，再由智能网关来控制室内的智能家居；

5、该机器人拥有庞大且鲁棒性的软件架构，使得使用者可通过触摸屏，语音及手势来完成与机器人丰富的人机交互功能，诸如语音播报、日程提醒、室内巡逻、聊天、人脸识别与拍照、手势识别、老人跌倒检测、智能家居控制等。

在图3中，声音采集模块即为第五层平台上安装的平板电脑中的麦克风。触摸显示屏指的是第五层平台的颈部2自由度关节上安装的平板电脑(该平板电脑本身就是触屏的)。图像采集模块指的是Kinect中的红外检测器和深度摄像头。制图定位导航模块指的是360度激光扫描仪。手持终端指的是客户手机或ipad等等当中安装的与该机器人相关的APP。WIFI路由模块指的是客户自己家中安装的无线网络，通过该网络联系起机器人、手持终端和智能家居。上位机即为第五层平台的平板电脑。下位机即为第二层平台的机器人主控芯片，即下位机。音响模块即为第五层平台的平板电脑中的扬声器。电源模块即为电池和电池自身携带的电量检测芯片。自动充电模块分别位于两个地方，其一是充电桩中的红外发射器和弹簧触点；其二是机器人第二层平台背部阵列的5个红外接收器及第二超声波传感器，和第一层平台中的正负极触点。听声辩位模块分别指的是第三层平台前后的声音传感器和Kinect中的声音阵列，其中第三平台前后的声音传感器主要是粗略的判别声音源来自机器人前面还是背后，而Kinect中的声音阵列则是比较精确地判别声音传递过来的角度。电机驱动模块即为第一层平台中两个电机及其电机驱动板。自动避障模块即为碰撞传感器、第一超声波传感器和360激光扫描仪之间的联合运作。

本发明提供的服务机器人所采用的人机交互***可以针对任何年龄段的人群与其发生对话，听从指令行动。本发明还将智能家居与安防***融于一体，目前市面上鲜有可以服务于家居和安防的机器人，例如通过对机器人发出打开窗帘的命令使得机器人发出信号将窗帘打开，亦或是在无人在家的空室中进行巡逻，发现陌生人进行拍照并发送与主人等等。现存的服务机器人只注重了在机器人腹部或腹部以上的地方布置用于避障的传感器，面对家庭使用中的环境状况下，例如人的鞋子，门槛等低于机器人腹部的地方可能会发生检测不到的情况，而有可能会使得机器人做出误判断。本发明针对这一情况在机器人的底盘部分均布了碰撞传感器，使得机器人不会发生误判断。

现存的服务机器人多数在听声辨位这项人机交互体验上还比较生硬，即检测到声音后只是做出转弯向目标前进的动作。而本发明中充分考虑提高机器人于人的交互体验，在听到使用者的呼叫后，机器人对声音传来的方向做出判断，并像人一样先回过头来，然后再调整姿势整体转向，朝着使用者行进，或是跟随主人前进。

现存的服务机器人均采用箱体式，壳体式的分块或整体设计，安装工艺复杂提高了成本，且后期维护或更换零部件时需要将整个壳体卸下才可以，效率低下。而本发明则采用层积式结构设计，不仅组装简单，结构稳定还便于后期高效率的维护和扩张外壳。

本发明的关键点和欲保护点是：

1)层积式结构设计；

2)360度激光扫描仪，碰撞传感器和超声波传感器的联合高精度自主避障；

3)利用360度激光扫描仪来实时创建地图并做出最优路径规划；

4)接触式自动充电***；

5)听声辩位***；

6)2自由度颈部传动关节；

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)在近地面的底盘处安装了碰撞传感器可以检测到较低的障碍物；

2)拥有自动充电的功能；

3)使用陀螺仪来进一步矫正行走姿态和里程；

4)拥有听声辨位功能；

5)使用360度激光扫描仪来无死角实时创建地图并做出最优路径规划，且和碰撞传感器与超声波传感器联合判别障碍物，使得机器人高精度的规避障碍物；

6)使用2自由度颈部传动关节，提高用户的人机体验，并携带有Kinect和平板电脑来做出更好的人机交互功能；

7)层积式结构设计，安装简单，结构稳定，高效维护。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个家庭服务机器人的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种家庭服务机器人，其特征是，所述的家庭服务机器人采用层积式结构，由下至上分别为第一层平台(1)、第二层平台(2)、第三层平台(3)、第四层平台(4)以及第五层平台(5)，各个平台之间通过连接支架相连接，

所述的第三层平台(3)设置有声音传感器(31)，用于实时采集声音信号；

所述的第四层平台(4)设置有激光扫描仪(41)，用于实时扫描所述的家庭服务机器人所处的空间，生成对应的地图；

所述的第五平台(5)设置有人机交互装置，用于采集用户输入的指令信号；

所述的第二层平台(2)设置有下位机(23)，用于根据所述的指令信号、声音信号以及所述的地图输出动作指令；

所述的第一平台(1)设置有直流电机(17)，与所述的直流电机(17)相连接的电机驱动板(16)、车轮(14)以及定位轮(19)；

所述的直流电机(17)通过所述的电机驱动板(16)接收所述的动作指令，根据所述的动作指令驱动所述的车轮(14)，以带动所述的定位轮(19)滚动，进而使得所述的家庭服务机器人移动；

所述的第五平台(5)还包括与所述的人机交互装置相连接的颈部传动关节，用于根据所述的动作指令进行转动；

所述的人机交互装置包括Kinect(53)以及与所述的Kinect(53)相连接的平板电脑(51)，所述的第五平台(5)还包括与所述的平板电脑(51)相连接的万能尺寸支架(52)，用于调整所述平板电脑(51)的安装位置；所述的颈部传动关节包括内旋外旋单元(6)、通过云台(54)与所述的内旋外旋单元(6)相连接的伸展屈曲单元(7)。

2.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的第二层平台(2)还包括与所述的下位机(23)相连接的陀螺仪(24)，用于当所述的家庭服务机器人倾斜时，向所述的下位机(23)发送倾斜信号。

3.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的第一平台(1)前部还配置有碰撞传感器(15)，在所述的第一平台(1)与所述第二层平台(2)相连接的连接支架上还设置有第一超声波传感器(13)，所述的连接支架上设置有安装孔，用于调整所述超声波传感器(13)的安装位置。

4.根据权利要求3所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的碰撞传感器(15)为三个，所述的第一超声波传感器(13)为六个。

5.根据权利要求4所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的碰撞传感器(15)相邻之间的夹角呈120度，且每个所述的碰撞传感器(15)上设置有两个行程开关(151)。

6.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的内旋外旋单元(6)包括外壁套筒(61)、固定在所述外壁套筒(61)中的舵机(62)以及轴承(64)，所述的舵机(62)用于根据所述的动作指令，驱动所述的轴承(64)以带动所述的云台(54)左右旋转。

7.根据权利要求6所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的内旋外旋单元(6)还包括设置在所述的舵机(62)下部的第一角度传感器(63)。

8.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的伸展屈曲单元(7)包括步进电机(71)、与所述的步进电机(71)相搭配的一丝杠(72)、与所述的丝杠(72)相连接的连接块(73)、与所述的连接块(73)相连接的导轨滑块(74)、旋转连杆(75)，所述的旋转连杆(75)驱动负载支架(77)，所述的伸展屈曲单元(7)还设置有第二角度传感器(76)。

9.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的第一平台(1)的后部设置有充电触点(11)以及电池(12)，当所述电池(12)的电量达到下限值时，所述的电池(12)向所述的下位机(23)发送充电信号。

10.根据权利要求9所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的第二层平台(2)的后方设置有红外接收发射器(21)以及第二超声波传感器(22)，所述的家庭服务机器人还包括充电桩(0)，所述的充电桩(0)设置有红外发射器(01)以及弹簧触点(02)，所述的红外发射器(01)用于发出红外信号，所述的红外接收发射器(21)用于接收所述的红外信号，并将所述的红外信号发送至所述的下位机(23)，所述的第二超声波传感器(22)用于向所述的下位机(23)发送超声波信号，所述的下位机(23)用于根据所述的充电信号、超声波信号以及红外信号输出充电动作指令，驱使所述的家庭服务机器人通过所述的充电触点(11)与所述的弹簧触点(02)向所述的电池(12)进行充电。

11.根据权利要求10所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的红外接收发射器(21)为五个，按45度角均匀分布。

12.根据权利要求1所述的家庭服务机器人，其特征是，所述的第三层平台(3)还设置有电源适配器(32)。