CN109015588A - 减震木质机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减震木质机器人，数据采集层包括Kinect和网络摄像头组，中间层包括路由器和笔记本电脑，控制四轮差动平台运动。Kinect和网络摄像头组均可拆卸地安装在主体框架顶端的驱动转盘上，驱动转盘与笔记本电脑连接以控制Kinect和网络摄像头组同步转动调整朝向。主体框架上位于中间层的位置设为手动升降杆或者伸缩气缸，以调整数据采集层的水平高度。主体框架与四轮差动平台之间形成的空腔内填充有充气垫，充气垫与充气瓶相连通，并且，充气瓶上的电子气阀与笔记本电脑电连以控制是否补充充气。其结构紧凑、组装方便，运动快捷轻盈，减少了通过凹凸不平或者颠簸路段时的震动，避免各零部件之间相互挤压磨损，延长了整体使用寿命。

Description

减震木质机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体地，涉及一种减震木质机器人。

背景技术

随着工业自动化的发展，机器智能受到越来越多的关注，其中智能机器人更是被公认为未来的主流发展方向。

而机器人一旦要移动，就不可避免地涉及到对环境的理解、路径规划、自主定位、避障及防碰撞等，而对环境的理解和机器人自主定位是其他功能的基础，也是首要的研究方向。

现有的研究人员和应用机构使用GPS来实现机器人自主定位，使用人工输入已知的环境地图和建筑物结构图来代替机器人自主学习和构建地图，但是其有如下缺陷：首先，GPS定位只适用于室外环境，不适用于室内场景；其次，民用的GPS定位精度不够，达不到机器人的工作精度要求；接着，人工输入地图的方式不适用于环境会变化的场景，如：道路封堵、有人或物品占到、原有路被挖断等；然后，人工输入地图的方式限制了机器人的工作范围，机器人只能在地图确定的范围内部工作，每换一个工作环境都需要一个准确的地图输入；最后，人工输入地图的方式致使机器人无法工作在没有电子档地图的环境和场景。

介于上述种种的问题，基于视觉的机器人自主定位及环境地图构建成为了智能机器人发展路上一个重要的待解决问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种减震木质机器人，该减震木质机器人结构紧凑、组装方便，运动快捷轻盈，减少了通过凹凸不平或者颠簸路段时的震动，避免各零部件之间相互挤压磨损，延长了整体使用寿命。

为了实现上述目的，本发明提供了一种减震木质机器人，包括木质结构的主体框架和安装在主体框架底端的四轮差动平台，主体框架内部自上而下依次为数据采集层、中间层和电源层；

数据采集层包括Kinect和网络摄像头组，用于机器人采集环境数据；

中间层包括路由器和笔记本电脑，笔记本电脑通过路由器及L型连接线与数据采集层相连，通过串口线与四轮差动平台相连；笔记本电脑能够执行环境理解与认知算法，以控制四轮差动平台运动；

电源层包括蓄电池，用于机器人运行供电；

Kinect和网络摄像头组均可拆卸地安装在主体框架顶端的驱动转盘上，驱动转盘与笔记本电脑连接以控制Kinect和网络摄像头组同步转动调整朝向；

主体框架上位于中间层的位置设为手动升降杆或者伸缩气缸，以调整数据采集层的水平高度；其中，

主体框架与四轮差动平台之间形成的空腔内填充有充气垫，充气垫与充气瓶相连通，并且，充气瓶上的电子气阀与笔记本电脑电连以控制是否补充充气。

优选地，四轮差动平台为四轮独立驱动的平台，并且，驱动轮为表面布设有防滑凸起条的橡胶轮。

优选地，电源层还包括用于直流电转交流电的变换器、接线板、电源线、网络连接线路和多个布线器；其中，

蓄电池为可提供12V80AH电能的锂电池，锂电池输出端经过变换器与接线板相连接；

多个布线器可拆卸地固定在主体框架上，以梳理布置连接在接线板上的电源线以及散落附近的网络连接线路。

优选地，主体框架上位于电源层的位置形成有用于放置蓄电池的支架且支架为前窄后宽的结构。

优选地，支架上竖直向下形成有延伸腿且延伸腿夹持贴靠在四轮差动平台的侧壁上。

优选地，数据采集层底端与中间层底端之间的距离大于笔记本电脑展开后的高度。

优选地，网络摄像头组设置在Kinect上方，由两个并排设置的网络摄像头组成，相互间的位姿不变，经过标定之后构成双目视觉传感设备。

优选地，Kinect的数据通过L转USB转接头直接连至笔记本电脑上的USB3.0接口，用于直接获取彩***、深度视频和红外视频。

优选地，网络摄像头通过双绞线接入路由器，笔记本电脑从路由器接入访问网络摄像头进行视频采集。

根据上述技术方案，本发明主体部分为木制结构，并没有选择使用金属材质焊接或者使用3D打印机打印，原因如下：3D打印技术虽然成型快速，但3D打印机打印的材质比较脆弱，而且由于打印机是一层一层打印的，导致了层间尤其脆弱，这样的结构无法承受蓄电池、笔记本电脑和视觉传感器的重量；而金属材质的结构足以承受所需要的载荷，但金属框架本身的重量较大，再加上笔记本电脑、视觉传感器、蓄电池等设备，总重量超过了四轮差动平台的载荷。故而选择木制结构来实现整体重量减轻，运动快捷轻盈的效果。

在主体结构的设计过程中，根据设备的数量、种类、需求、尺寸等因素将主体结构分为三层，即电源层、中间层和数据采集层，中间层的笔记本电脑是硬件平台的核心，即机器人的大脑，它通过路由器及L型连接线管理着上层的数据采集模块，执行着环境理解与认知算法，并通过串口线控制着下层四轮差动平台的运动。由此可见，该减震木质机器人结构紧凑、组装方便，运动过程中稳定性更高。

同时，Kinect和网络摄像头组均可拆卸地安装在主体框架顶端的驱动转盘上，驱动转盘与笔记本电脑连接以控制Kinect和网络摄像头组同步转动调整朝向。这样，在机器人运动至操作空间后，无需频繁地整体移动，可以在原地通过驱动转盘旋转来调整Kinect和网络摄像头组的取像方向，使得采集的图像信号更加广范、更加全面，还可以减少四轮差动平台带动整机不停移动切换角度所消耗的电能，使得该减震木质机器人的续航能力更强。

该机器人的最上方是数据采集传感器层，因为本平台采用的是可见光和红外光传感器，不能被遮挡和干扰，因而放在了最上层。而当机器人前进过程中遇到较高障碍物又无法绕过去的时候，受高度无法调整的局限性，造成取像不利。为了解决整个技术难题，主体框架上位于中间层的位置设为手动升降杆或者伸缩气缸，以调整数据采集层的水平高度。这样，遇到无法逾越的障碍时，手动或者自动调节数据采集层的视频采集高度，实现操作的顺利完成。进一步地，为了使得Kinect不挡住构成双目视觉的网络摄像机组，还可以将网络摄像机组额外增高了10厘米。

由于主体框架架设在四轮差动平台上并跟随一起运动，当四轮差动平台行驶在凹凸不平或者颠簸路面时，主体框架会上下频繁抖动，一旦抖动幅度过大或者频率过高会使得原本的木质结构松动，甚至是垮掉，严重影响机器人的继续使用。为此，在主体框架与四轮差动平台之间形成的空腔内填充充气垫，充气垫与充气瓶相连通，并且，充气瓶上的电子气阀与笔记本电脑电连以控制是否补充充气。这样，通过笔记本电脑控制气阀动态补充气体，使得充气垫在机器人运行过程中始终保持充盈，上下两端紧紧抵靠在主体框架和四轮差动平台上，利用柔软的充气垫来缓冲掉二者之间的挤压力，最大可能地减小了主体框架的抖动和磨损，保证了结构完整性，延长使用寿命。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明提供的一种实施方式中的减震木质机器人的结构示意图；

图2是根据本发明提供的一种实施方式中减震木质机器人的四轮差动平台结构示意图。

附图标记说明

1-主体框架 2-四轮差动平台

3-Kinect 4-路由器

5-笔记本电脑 6-蓄电池

7-接线板 8-支架

9-延伸腿 10-网络摄像头

11-驱动转盘 12-充气垫

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、前、后”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1，本发明提供一种减震木质机器人，包括木质结构的主体框架1和安装在主体框架1底端的四轮差动平台2(如图2所示)，主体框架1内部自上而下依次为数据采集层、中间层和电源层；

数据采集层包括Kinect3和网络摄像头组，用于机器人采集环境数据；

中间层包括路由器4和笔记本电脑5，笔记本电脑5通过路由器4及L型连接线与数据采集层相连，通过串口线与四轮差动平台2相连；笔记本电脑5能够执行环境理解与认知算法，以控制四轮差动平台2运动；

电源层包括蓄电池6，用于机器人运行供电；

Kinect3和网络摄像头组均可拆卸地安装在主体框架1顶端的驱动转盘11上，驱动转盘11与笔记本电脑5连接以控制Kinect3和网络摄像头组同步转动调整朝向；

主体框架1上位于中间层的位置设为手动升降杆或者伸缩气缸，以调整数据采集层的水平高度；其中，

主体框架1与四轮差动平台2之间形成的空腔内填充有充气垫12，充气垫12与充气瓶相连通，并且，充气瓶上的电子气阀与笔记本电脑5电连以控制是否补充充气。

通过上述技术方案，该机器人的主体框架1为木制结构，并没有选择使用金属材质焊接或者使用3D打印机打印，原因如下：3D打印技术虽然成型快速，但3D打印机打印的材质比较脆弱，而且由于打印机是一层一层打印的，导致了层间尤其脆弱，这样的结构无法承受蓄电池6、笔记本电脑5和视觉传感器的重量；而金属材质的结构足以承受所需要的载荷，但金属框架本身的重量较大，再加上笔记本电脑5、视觉传感器、蓄电池6等设备，总重量超过了四轮差动平台2的载荷。故而选择木制结构来实现整体重量减轻，运动快捷轻盈的效果。

在主体结构的设计过程中，根据设备的数量、种类、需求、尺寸等因素将主体结构分为三层，即电源层、中间层和数据采集层，中间层的笔记本电脑5是硬件平台的核心，即机器人的大脑，它通过路由器4及L型连接线管理着上层的数据采集模块，执行着环境理解与认知算法，并通过串口线控制着下层四轮差动平台2的运动。由此可见，该减震木质机器人结构紧凑、组装方便，运动过程中稳定性更高。

同时，Kinect3和网络摄像头组均可拆卸地安装在主体框架1顶端的驱动转盘11上，驱动转盘11与笔记本电脑5连接以控制Kinect3和网络摄像头组同步转动调整朝向。这样，在机器人运动至操作空间后，无需频繁地整体移动，可以在原地通过驱动转盘11旋转来调整Kinect3和网络摄像头组的取像方向，使得采集的图像信号更加广范、更加全面，还可以减少四轮差动平台2带动整机不停移动切换角度所消耗的电能，使得该减震木质机器人的续航能力更强。

该机器人的最上方是数据采集传感器层，因为本平台采用的是可见光和红外光传感器，不能被遮挡和干扰，因而放在了最上层。而当机器人前进过程中遇到较高障碍物又无法绕过去的时候，受高度无法调整的局限性，造成取像不利。为了解决整个技术难题，主体框架1上位于中间层的位置设为手动升降杆或者伸缩气缸，以调整数据采集层的水平高度。这样，遇到无法逾越的障碍时，手动或者自动调节数据采集层的视频采集高度，实现操作的顺利完成。进一步地，为了使得Kinect3不挡住构成双目视觉的网络摄像机组，还可以将网络摄像机组额外增高了10厘米。

由于主体框架1架设在四轮差动平台2上并跟随一起运动，当四轮差动平台2行驶在凹凸不平或者颠簸路面时，主体框架1会上下频繁抖动，一旦抖动幅度过大或者频率过高会使得原本的木质结构松动，甚至是垮掉，严重影响机器人的继续使用。为此，在主体框架1与四轮差动平台2之间形成的空腔内填充充气垫12，充气垫12与充气瓶相连通，并且，充气瓶上的电子气阀与笔记本电脑5电连以控制是否补充充气。这样，通过笔记本电脑5控制气阀动态补充气体，使得充气垫12在机器人运行过程中始终保持充盈，上下两端紧紧抵靠在主体框架1和四轮差动平台2上，利用柔软的充气垫12来缓冲掉二者之间的挤压力，最大可能地减小了主体框架1的抖动和磨损，保证了结构完整性，延长使用寿命。

在本实施方式中，为了防止该减震木质机器人在运动过程中打滑，优选地，四轮差动平台2为四轮独立驱动的平台，并且，驱动轮为表面布设有防滑凸起条的橡胶轮。

机器人的能源供给目前仍然采用的是蓄电池6，它是机器人结构中重量最大的部件，考虑到机器人整体运动的平稳性，该设备越低越好，这样可以便于降低机器人的整体中心，有助于提高运动的稳定性，防止倾倒；同时，为了尽量减少层数，将能合并的部件部署在同一层，因此，优选电源层还包括用于直流电转交流电的变换器、接线板7、电源线、网络连接线路和多个布线器；其中，

蓄电池6为可提供12V80AH电能的锂电池(该电池足够支撑整个机器人平台在户外连续工作几个小时，而且，其重量也比较轻，在四轮差动平台2可接受的负载范围之内)，锂电池输出端经过变换器与接线板7相连接；

多个布线器可拆卸地固定在主体框架1上，以梳理布置连接在接线板7上的电源线以及散落附近的网络连接线路。

在结构设计的时候，电源层向下延伸出了几个延伸腿9，利用四轮差动平台2的四边进行防滑处理，防止主体结构在四轮差动平台2上滑动。同时，放置蓄电池6的支架8使用前窄后宽的机构，防止蓄电池6在支架8上前后滑动。故此设计主体框架1上位于电源层的位置形成有用于放置蓄电池6的支架8且支架8为前窄后宽的结构。

进一步地，支架8上竖直向下形成有延伸腿9且延伸腿9夹持贴靠在四轮差动平台2的侧壁上。

作为机器人大脑、控制着整个机器人工作的笔记本电脑5则居中放置，为了便于打开笔记本电脑5进行运行过程中调试，中间部分需要足够的高度，因此中间层需要占据尽量大的空间，优选地，数据采集层底端与中间层底端之间的距离大于笔记本电脑5展开后的高度。

最上方是数据采集传感器层，因为本平台采用的是可见光和红外光传感器，不能被遮挡和干扰，因而放在了最上层。同时，为了使Kinect3不挡住构成双目视觉的网络摄像机组，优选网络摄像头组设置在Kinect3上方，由两个并排设置的网络摄像头10组成，相互间的位姿不变，经过标定之后构成双目视觉传感设备。

Kinect3的数据通过L转USB转接头直接连至笔记本电脑5上的USB3.0接口，用于直接获取彩***、深度视频和红外视频。

网络摄像头10通过双绞线接入路由器4，笔记本电脑5从路由器4接入访问网络摄像头10进行视频采集。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种减震木质机器人，其特征在于，包括木质结构的主体框架(1)和安装在所述主体框架(1)底端的四轮差动平台(2)，所述主体框架(1)内部自上而下依次为数据采集层、中间层和电源层；

所述数据采集层包括Kinect(3)和网络摄像头组，用于机器人采集环境数据；

所述中间层包括路由器(4)和笔记本电脑(5)，所述笔记本电脑(5)通过路由器(4)及L型连接线与所述数据采集层相连，通过串口线与所述四轮差动平台(2)相连；所述笔记本电脑(5)能够执行环境理解与认知算法，以控制所述四轮差动平台(2)运动；

所述电源层包括蓄电池(6)，用于机器人运行供电；

所述Kinect(3)和所述网络摄像头组均可拆卸地安装在所述主体框架(1)顶端的驱动转盘(11)上，所述驱动转盘(11)与所述笔记本电脑(5)连接以控制所述Kinect(3)和所述网络摄像头组同步转动调整朝向；

所述主体框架(1)上位于所述中间层的位置设为手动升降杆或者伸缩气缸，以调整所述数据采集层的水平高度；其中，

所述主体框架(1)与所述四轮差动平台(2)之间形成的空腔内填充有充气垫(12)，所述充气垫(12)与充气瓶相连通，并且，所述充气瓶上的电子气阀与所述笔记本电脑(5)电连以控制是否补充充气。

2.根据权利要求1所述的减震木质机器人，其特征在于，所述四轮差动平台(2)为四轮独立驱动的平台，并且，驱动轮为表面布设有防滑凸起条的橡胶轮。

3.根据权利要求1所述的减震木质机器人，其特征在于，所述电源层还包括用于直流电转交流电的变换器、接线板(7)、电源线、网络连接线路和多个布线器；其中，

所述蓄电池(6)为可提供12V80AH电能的锂电池，所述锂电池输出端经过所述变换器与所述接线板(7)相连接；

多个所述布线器可拆卸地固定在所述主体框架(1)上，以梳理布置连接在所述接线板(7)上的电源线以及散落附近的网络连接线路。

4.根据权利要求3所述的减震木质机器人，其特征在于，所述主体框架(1)上位于所述电源层的位置形成有用于放置所述蓄电池(6)的支架(8)且所述支架(8)为前窄后宽的结构。

5.根据权利要求4所述的减震木质机器人，其特征在于，所述支架(8)上竖直向下形成有延伸腿(9)且所述延伸腿(9)夹持贴靠在所述四轮差动平台(2)的侧壁上。

6.根据权利要求1所述的减震木质机器人，其特征在于，所述数据采集层底端与所述中间层底端之间的距离大于所述笔记本电脑(5)展开后的高度。

7.根据权利要求1所述的减震木质机器人，其特征在于，所述网络摄像头组设置在所述Kinect(3)上方，由两个并排设置的网络摄像头(10)组成，相互间的位姿不变，经过标定之后构成双目视觉传感设备。

8.根据权利要求7所述的减震木质机器人，其特征在于，所述Kinect(3)的数据通过L转USB转接头直接连至所述笔记本电脑(5)上的USB3.0接口，用于直接获取彩***、深度视频和红外视频。

9.根据权利要求7所述的减震木质机器人，其特征在于，所述网络摄像头(10)通过双绞线接入所述路由器(4)，所述笔记本电脑(5)从所述路由器(4)接入访问所述网络摄像头(10)进行视频采集。