向导机器人的制作方法

专利名称：向导机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种移动机器人，尤其是涉及一种能够识别语音命令并 根据地图为特定人带路的向导机器人。
背景技术：
在大型会展中心或楼宇等公共场所所开展的公共活动中，需要大量的地 理位置提示信息和向导服务人员，尤其对于老人、儿童和视障人士等，更需 要一个自动带领特定人前往特定地点的装置，因而，目前向导机器人已经成 为国内外研究的一个热点。
国外，韩国研制的向导机器人MetRobot可以通过由3个关节组成的胳膊 进行指引方向、握手和打招呼等简单的动作，并且，其在胸部设置了一个12 英寸的液晶触摸屏，通过该触摸屏巿民可以确认路线图和车票等各种地铁使 用信息，也可以得到关于转车方向和出口等问题的解答。曰本NAVIR0B0机器 人象一个小熊玩具，拿在手中可以指示正确方向。国内北航机器人研制中心 研制的"福娃机器人"，可放在奥运场馆的固定位置为观众做临时向导，实 现简单对话。
2008年4月9曰公开的发明专利CN101158584中披露了一种车载GPS的 语音目的地导航实现方法，具体是涉及一种语音识别导航方法，其通过在原 有导航系统中增加一个地名转换系统和语音识别模块，实现了在行车过程中 只需通过驾驶员发出语音指令即可使导航系统自动向目的地导航的目的。该 专利中的导航是使用GPS和语音提示的方法告知驾驶员，但不足之处是GPS 信号受地形影响较大，尤其是有高大障碍物或电磁环境复杂地区等地方，尤 其是室内环境根本无法投入实用。2008年06月11日公开的发明专利 CN101196400中披露了一种语音导航方法、语音导航系统及便携语音导航器，
其中涉及一种语音提示导航方法，具体是首先，便携语音导航器将当前位置信息和语音目的地信息发往导航中心；随后，导航中心根据收到的当前 位置信息和语音目的地信息生成导航路径，并将导航路径发往便携语音导航
器；最后，便携语音导航器根据收到的导航路径生成语音导航指示。也就是
说，其釆用中心-终端方式，结构复杂且无语音识别，终端接受GPS和中心
信息，基本是一个接收器。
综上，目前向导机器人移动性差，主要研究方向位听懂人的语言并回答 提问，因此，需要一种既能听懂人的目的地指令，又可以主动带领特定人前 往目的地，不停给出提示信息的向导机器人。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提 供一种向导机器人，其结构合理、移动性强且具有主动带领和避障能力， 能在语音识别特定人的指令后主动带领人员按设定地图前往目的地。
为解决上述技术问题，本实用新型釆用的技术方案是 一种向导机器人， 其特征在于包括机器人本体以及设置在机器人本体内部的信息釆集、处 理与控制系统；位于所述机器人本体底部的执行机构为底盘以及均勻对称 安装在底盘上的四个全向轮，所述四个全向轮均由安装在各自轮轴上的驱 动电机进行驱动；所述信息釆集、处理与控制系统由信息处理与决策系统 以及分别与信息处理与决策系统相接的地图信息获取及存储系统、图像釆 集系统、传感系统、语音处理系统和运动控制系统组成；所述语音处理系 统由语音提示装置和语音信号拾取、处理及识别装置组成，所述语音信号 拾取、处理及识别装置接信息处理与决策系统，所述语音提示装置和运动 控制系统均由信息处理与决策系统进行控制，执行机构由运动控制系统进 行控制且同时向运动控制系统反馈运行状态信息。
所述机器人本体形状为圆柱体或正多边形柱体，所述正多边形柱体的 正多边形边数不小于8。
所述机器人本体从上至下由顶箱、中箱和底箱三部分组成，图像釆集 系统和传感系统安装在所述顶箱内，信息处理与决策系统、语音处理系统和运动控制系统均安装在所述中箱内，所述执行机构及底盘安装在所述底箱内。
所述顶箱、中箱和底箱之间分别以上隔板和下隔板为界；所述中箱以 中隔板为界分为上下两部分，所述上隔板、中隔板和下隔板均为圆形或正
多边形，所述正多边形边数不小于8;所述上隔板和中隔板之间通过多个 均匀布设在外边缘圆周上的上支柱进行支撑固定，所述中隔板和下隔板之 间通过多个均匀布设在外边缘圆周上的下支柱进行支撑固定。
所述信息处理与决策系统由信息决策与控制模块、与图像釆集系统相 接的图像处理模块以及分别与图像处理模块相接的识别障碍及转弯处理 模块和机器人本体定位模块组成，所述识别障碍及转弯处理模块和机器人 本体定位模块均接信息决策与控制模块，所述机器人本体定位模块与传感 系统相接，所述识别障碍及转弯处理模块接语音提示装置，所述语音信号 拾取、处理及识别装置接信息决策与控制模块；所述地图信息获取及存储 系统分别接图像处理模块、识别障碍及转弯处理模块和信息决策与控制模 块。
所述传感系统由红外传感器、超声传感器以及对所述机器人本体移动 的加速度大小和移动方向进行检测的微型惯表组成。
所述运动控制系统包括对执行机构进行控制的执行机构控制器、分别 由信息处理与决策系统进行控制的基本行为控制模块和逃避行为控制模块。
所述图像釆集系统为带1394接口的视频釆集模块。
所述驱动电机上安装有码盘，所述码盘与运动控制系统相接，所述运 动控制系统与驱动电机间接有驱动器。
所述语音信号拾取、处理及识别装置由语音拾取和处理模块和语音识 别模块组成；所述语音拾取和处理模块为麦克风；所述语音识别模块为依 次相接的麦克风前置放大电路、带通防混叠滤波电路、增益调整电路、音 频A/D转换电路和控制电路组成。本实用新型与现有技术相比具有以下优点，1、结构合理、功能可靠 且完善，其针对目前现有的向导机器人产品移动性差且不具有主动带领和 避障能力等缺陷，提出一种能全方位自主移动向导机器人，在语音识别特 定人的指令后主动带领人员按照设定地图前往目的地，途中还能积极进行 语音提示和避障；2、机器人本体的机械外型采用圆柱体或正多边形柱体 设计，并基于全向轮四轮结构的全方位移动底盘设计，保证了机器人的移
动性、稳定性和防撞性能；3、运动控制系统设计满足执行机构即四个驱 动电机的驱动和精确轮速控制，因而准确执行各种移动指令；4、信息处 理与决策系统为一台嵌入式计算机完成，其通过RS232接口向运动控制系 统传递信息，通过1394接口获取图像釆集系统的图象信息，另外，传感 系统的传感信息和语音处理系统的语音信息均由USB接口获取；5、图象 釆集系统和传感系统感知外界各种图象、距离、加速度等信息，其中，图 象信息识别后与所预先设定的地图比对后得到机器人本体的位置信息、图 象、距离信息等，经综合分析后得到障碍物的具体信息，加速度信息可以 用于机器人自身导航使用。总之，本实用新型能够根据语音指令带领人员 按照一定的路线前往目的地，途中根据图象、超声测距等信息综合判定方 位、障碍等问题并正确作出语音提示和动作，因此，具有极其强大的移动 能力和语音处理能力，为各种不同用途的场馆机器人提供了一个完善的平 台，利于推广应用。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本实用新型的结构框图。
图2为本实用新型的整体原理框图。
图3为本实用新型的整体结构示意图。
图4为本实用新型语音识别模块的原理框图。 附图标记说明具体实施方式
l一信息处理与决策系
统；
4一传感系统；
7—执行机构；
IO—红外传感器；
13 —识别障碍及转弯
处理模块；
16 —逃避行为控制模 块；
19一电机二； 22—码盘一 25—码盘四
28—语音识别模块；
31 —下隔板；
34—全向轮一
37—全向轮四
40—驱动器一
43—驱动器四
46—增益调整电路； 49一上隔板。
如图1、图2所示:
2—地图信息获取及存 储系统；
5—语音处理系统； 8—视频釆集模块；
ll一超声传感器； 14一机器人本体自定位
模块；
17—执行机构控制器；
20—电机三; 23—码盘二； 26—语音提示装置；
29—信息决策与控制模 块；
32 —上支柱；
35—全向轮二；
38—底盘；
41一驱动器二；
44一麦克风前置放大电
路；
47—音频A/D转换电路；
3—图像釆集系统；
6—运动控制系统；
9一微型惯表；
12 —图像处理模块；
15 —基本行为控制模
块；
18—电机一；
21 —电机四;
24—码盘三;
27—语音拾取和处理模
块；
30—中隔板；
33—下支柱；
36—全向轮三;
39—电源；
42—驱动器三；
45 —带通防混叠滤波电
路；
48—控制电路；
本实用新型包括机器人本体以及设置在机器人本体 内部的信息釆集、处理与控制系统。其中，位于所述机器人本体底部的执 行机构7为底盘38以及均匀对称安装在底盘38上的四个全向轮，所述四个全向轮均由安装在各自轮轴上的驱动电机进行驱动。所述信息采集、处 理与控制系统由信息处理与决策系统1以及分别与信息处理与决策系统1 相接的地图信息获取及存储系统2、图像釆集系统3、传感系统4、语音处
理系统5和运动控制系统6组成。其中，语音处理系统5由语音提示装置 26和语音信号拾取、处理及识别装置组成。所述语音信号拾取、处理及识 别装置接信息处理与决策系统1，语音提示装置26和运动控制系统6均由 信息处理与决策系统1进行控制，而执行机构7由运动控制系统6进行控 制且同时向运动控制系统6反馈运行状态信息。
本实施例中，图像釆集系统3为带1394接口的视频采集模块8，其通 过1 394接口向信息处理与决策系统1传送所釆集的机器人当前当前所处位 置周侧的视频信息。而传感系统4由红外传感器10、超声传感器11以及 对所述机器人本体移动的加速度大小和移动方向进行检测的微型惯表9组 成。其中，红外传感器IO对距离机器人本体当前所处位置50cm以内的近 距离范围内的障碍物以及地形信息进行釆集，而超声传感器11对距离机 器人本体当前所处位置50cm-3m以内的及远距离范围内的障碍物以及地形 信息进行釆集。另外，传感系统4通过USB接口向信息处理与决策系统1 传送其所采集的信息。
信息处理与决策系统1由信息决策与控制模块29、与图像采集系统3 相接的图像处理模块12以及分别与图像处理模块12相接的识别障碍及转 弯处理模块13和机器人本体定位模块14组成。所述地图信息获取及存储 系统2分别接图像处理模块12、识别障碍及转弯处理模块13和信息决策 与控制模块29。其中，所述识别障碍及转弯处理模块13和机器人本体定 位模块14均接信息决策与控制模块29;而机器人本体定位模块14与传感 系统4相接，具体是机器人本体定位模块14分别与微型惯表9、红外传感 器10和超声传感器11相接。机器人本体定位模块14通过对传感系统4 所传入的传感器信号进行分析处理，并结合图像采集系统3所传送的机器 人本体当前所处位置的图像信息，最终完成机器人本体的准确定位。所述识别障碍及转弯处理模块13综合地图信息获取及存储系统2所传入的预 先设定的地图信息和图像采集系统3所传送的机器人本体当前所处位置的 图像信息，完成对周围障碍物的识别以及转弯等具体判断。
同时，所述识别障碍及转弯处理模块13接语音提示装置26，在自主 带领途中，通过语音提示装置26积极进行相应的语音提示。所述语音信 号拾取、处理及识别装置由语音拾取和处理模块27和语音识别模块28组 成。其中，语音拾取和处理模块27为麦克风。结合图4,语音识别模块 28为依次相接的麦克风前置放大电路44、带通防混叠滤波电路45、增益 调整电路46、音频A/D转换电路47和控制电路48组成。另外，语音信号 拾取、处理及识别装置接信息决策与控制模块29。
综上，语音识别模块28的工作过程是语音信号经过语音拾取和处理 模块27即麦克风拾音后，经过放大、滤波和增益调整后转换为数字信号，再 经控制电路48后输入至嵌入式计算机即信息处理与决策系统1中，由控制电 路48进行语音识别，并将识别结果输送至信息处理与决策系统1并进行保 存。其语音识别的具体步骤为a.预处理，语音信号数字化和加窗滤波；b. 特征提取，抽取反应语音本质的特征参数，形成特征矢量序列；c.语音模型 库，从一个或多个讲话者多次重复讲话中提取的语音参数模板；d.模式匹配, 把输入语音的特征参数与语音模型库进行比较分析，得到识别结果。
结合图3，所述机器人本体为圆柱体形状或正多边形柱体形状，所述 正多边形柱体的正多边形边数不小于8。本实施例中，机器人本体为正八 边形柱体，并且机器人本体从上至下由顶箱、中箱和底箱三部分组成。所 述顶箱、中箱和底箱之间分别以上隔板49和下隔板31为界；所述中箱以 中隔板30为界分为上下两部分，所述上隔板49、中隔板30和下隔板31 均为圆形或正多边形，所述正多边形边数不小于8,本实施例中，中隔板 30和下隔板31均为正八边形，而上隔板49为圆形；所述上隔板49和中 隔板30之间通过八个均匀布设在外边缘圆周上的上支柱32进行支撑固 定，所述中隔板30和下隔板31之间通过八个均匀布设在外边缘圆周上的下支柱33进行支撑固定。其中，图像采集系统3和传感系统4安装在所 述顶箱内，信息处理与决策系统1、语音处理系统5和运动控制系统6均 安装在所述中箱内，所述执行机构7及底盘38安装在所述底箱内。所述 运动控制系统6包括对执行机构7进行控制的执行机构控制器17、分别由 信息处理与决策系统1进行控制的基本行为控制模块15和逃避行为控制模 块16。具体是信息决策与控制模块29、语音处理系统5和运动控制系 统6安装在中箱的下部分，除信息决策与控制模块29之外的信息处理与决 策系统1的其他部分安装在中箱的上部分。安装在底箱中的四个全向轮即 全向轮一 34、全向轮二 35、全向轮三36和全向轮四37的驱动电机上均 安装有码盘，并且所述码盘均与运动控制系统6相接并向运动控制系统6 反馈各全向轮驱动电机的转速以及转动方向信号；另外，运动控制系统6 与各驱动电机间均接有驱动器，也就是说，运动控制系统6分别通过驱动 器一 40、驱动器二 41、驱动器三42和驱动器四43对四个驱动电机进行 驱动；而对各用电单元进行供电的电源39也安装在底箱内。
本实用新型的工作过程是首先，通过地图信息获取及存储系统2将所 预先设定的地图信息传送至信息处理与决策系统1;信息处理与决策系统1 是核心部分且为一台嵌入式计算机，其从图像釆集系统3、传感系统4等语 音处理系统5等部分获取各种机器人本体的运行信息，并进过综合判断和处 理后控制运动控制系统6完成对执行机构7即机械底盘38运动的控制；而 运动控制系统6通过R S 2 3 2接口接收信息处理与决策系统1发来的执行命令， 并将其处理为四个驱动电机可接收的电压信号去控制相应的电机运行，同时 通过安装在相应驱动电机上的码盘获取电机的执行速度和方向并修正为输出 的电压信号反馈至运动控制系统6,从而达到闭环控制电机直到符合执行命 令的要求；执行机构7为底盘38以及均匀对称安装在底盘38上的四个全 向轮，而四个全向轮均由安装在各自轮轴上的驱动电机进行驱动，通过运 动控制系统6控制执行机构7的四个电机和相应的码盘，以完成带动整个机 器人本体行走的功能；另外，语音处理系统5通过即语音获取和处理模块27即麦克风接收信号，再通过语音识别模块28给出语音识别结果，之后再将识 别结果传送至给信息处理与决策系统l，同时，语音提示装置26接受来自于
信息处理与决策系统l的命令发出相应的语音提示信息；图像釆集系统3由 具有1394接口的视频釆集模块8完成，其可获取360度全景图象并传输给信 息处理与决策系统1;传感系统4获取微型惯表9、红外传感器10、超声传 感器11等传感器信息，并将所釆集获取的信息进行处理后通过USB接口传输 给信息处理与决策系统1。
综上，整个机械结构设计为圆柱型，保证机器人本体在碰撞时不会翻倒， 提高稳定性。底盘38上的四个全向轮呈90度对称布置，既保证了机器人运 行的平稳性，又具有向任意方向行走均无需转向的特点，具有全方位自由移 动特点。本实施例中，所述底盘38为正方形，四个全向轮分别安装在底盘 38的四个顶角上。另外，按照机械结构划分为底箱、中箱和顶箱，其中底箱 为动力系统，驱动电机、驱动器、电源39以及轮系的控制与驱动电路等均可 安装在底箱内。本实施例中，运动控制系统6安装在中箱内，与运动控制系 统6相接的驱动器安装在底箱内。而中箱为主要系统容器，主要安装信息处 理与决策系统1和语音处理系统5。为了便于机器人调试，中箱应便于拆卸。 在中箱两侧面有开孔，以便将开关、按钮及接插口等引出到机箱侧面。另夕卜， 机箱前后门小斜面上开散热孔，机箱整体靠钼壳体传导和自然通风散热。而 信息处理与决策系统l即计算机的板卡除侧面螺钉固定外，在板卡上方增加 压板梁、压板柱压紧固定板卡。顶箱内安装图像釆集系统3和传感系统4, 本巿实施例中，顶箱为圆柱形简体，在其前侧正中及相邻左右侧均设置有用 以安装超声传感器11、红外传感器10与微型惯表9的圆孔；而顶箱的面板 上方安装摄像头、无线网卡等。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限 制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更 以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求1. 一种向导机器人，其特征在于包括机器人本体以及设置在机器人本体内部的信息采集、处理与控制系统；位于所述机器人本体底部的执行机构(7)为底盘(38)以及均匀对称安装在底盘(38)上的四个全向轮，所述四个全向轮均由安装在各自轮轴上的驱动电机进行驱动；所述信息采集、处理与控制系统由信息处理与决策系统(1)以及分别与信息处理与决策系统(1)相接的地图信息获取及存储系统(2)、图像采集系统(3)、传感系统(4)、语音处理系统(5)和运动控制系统(6)组成；所述语音处理系统(5)由语音提示装置(26)和语音信号拾取、处理及识别装置组成，所述语音信号拾取、处理及识别装置接信息处理与决策系统(1)，所述语音提示装置(26)和运动控制系统(6)均由信息处理与决策系统(1)进行控制，执行机构(7)由运动控制系统(6)进行控制且同时向运动控制系统(6)反馈运行状态信息。
2. 按照权利要求1所述的向导机器人，其特征在于所述机器人本体 形状为圆柱体或正多边形柱体，所述正多边形柱体的正多边形边数不小于 8。
3. 按照权利要求l或2所述的向导机器人，其特征在于所述机器人 本体从上至下由顶箱、中箱和底箱三部分组成，图像釆集系统(3)和传 感系统(4)安装在所述顶箱内，信息处理与决策系统(1)、语音处理系 统(5)和运动控制系统(6)均安装在所述中箱内，所述执行机构(7) 及底盘(38)安装在所述底箱内。
4. 按照权利要求3所述的向导机器人，其特征在于所述顶箱、中箱 和底箱之间分别以上隔板(49)和下隔板(31)为界；所述中箱以中隔板(30) 为界分为上下两部分，所述上隔板(49)、中隔板(30)和下隔板(31) 均为圆形或正多边形，所述正多边形边数不小于8;所述上隔板(49) 和中隔板(30)之间通过多个均匀布设在外边缘圆周上的上支柱(32)进 行支撑固定，所述中隔板(30)和下隔板(31)之间通过多个均匀布设在 外边缘圆周上的下支柱(33)进行支撑固定。
5. 按照权利要求1或2所述的向导机器人，其特征在于所述信息处 理与决策系统(1)由信息决策与控制模块(29)、与图像釆集系统(3) 相接的图像处理模块(12)以及分别与图像处理模块(12)相接的识别障 碍及转弯处理模块(13)和机器人本体定位模块(14)组成，所述识别障 碍及转弯处理模块(13)和机器人本体定位模块(14)均接信息决策与控 制模块(29)，所述机器人本体定位模块(14)与传感系统(4)相接， 所述识别障碍及转弯处理模块(13)接语音提示装置(26)，所述语音信 号拾取、处理及识别装置接信息决策与控制模块(29);所述地图信息获 取及存储系统(2)分别接图像处理模块(12)、识别障碍及转弯处理模 块"3)和信息决策与控制模块(29)。
6. 按照权利要求l或2所述的向导机器人，其特征在于所述传感系 统(4)由红外传感器(10)、超声传感器(11)以及对所述机器人本体 移动的加速度大小和移动方向进行检测的微型惯表(9)组成。
7. 按照权利要求l或2所述的向导机器人，其特征在于所述运动控 制系统(6)包括对执行机构(7)进行控制的执行机构控制器(17)、分 别由信息处理与决策系统(1)进行控制的基本行为控制模块(15)和逃避 行为控制模块(16)。
8. 按照权利要求l或2所述的向导机器人，其特征在于所述图像釆 集系统(3)为带1394接口的视频釆集模块(8)。
9. 按照权利要求l或2所述的向导机器人，其特征在于所述驱动电 机上安装有码盘，所述码盘与运动控制系统(6)相接，所述运动控制系 统(6)与驱动电机间接有驱动器。
10. 按照权利要求l或2所述的向导机器人，其特征在于所述语音信 号拾取、处理及识别装置由语音拾取和处理模块(27 )和语音识别模块(28 ) 组成；所述语音拾取和处理模块(27)为麦克风；所述语音识别模块(28) 为依次相接的麦克风前置放大电路(44)、带通防混叠滤波电路(45)、 增益调整电路(46)、音频A/D转换电路(47)和控制电路(48)组成。
专利摘要本实用新型公开了一种向导机器人，包括机器人本体及设置在机器人本体内部的信息采集、处理与控制系统；机器人本体的执行机构为底盘及均匀对称安装在底盘上的四个全向轮；信息采集、处理与控制系统由信息处理与决策系统及分别与其相接的地图信息获取及存储系统、图像采集系统、传感系统、语音处理系统和运动控制系统组成；语音处理系统由语音提示装置和语音信号拾取、处理及识别装置组成，语音提示装置和运动控制系统均由信息处理与决策系统控制，执行机构由运动控制系统控制且向运动控制系统反馈运行状态信息。本实用新型结构合理、移动性强且具有主动带领和避障能力，能在语音识别特定人的指令后主动带领人员按设定地图前往目的地。
文档编号G01C21/28GK201242685SQ20082002999
公开日2009年5月20日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者刘延飞, 孙大卫, 宋海涛, 张国良, 斌 敬, 琦 田, 陈林鹏 申请人:中国人民解放军第二炮兵工程学院