一种具有电梯搭乘功能的服务机器人

一种具有电梯搭乘功能的服务机器人
(一)技术领域
1.本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种具有电梯搭乘功能的服务机器人
(二)

背景技术：

2.随着智能化社会的发展，智能机器人已经应用到了日常生活的各个领域。但是目前机器人自主搭乘电梯实现跨楼层工作的技术并未成熟，大多数机器人对电梯的操控并不是由机器人自身来完成的，而是通过机器人与电梯控制柜进行通信来实现，但电梯公司的梯控协议各不相同，所以这种方法不具有通用性，且改造成本高。因此为了实现机器人跨楼层工作，设计出能够像人一样自主对电梯进行操控从而实现电梯搭乘的机器人具有重要意义。
(三)

技术实现要素：

3.本发明是提供一种具有电梯搭乘功能的服务机器人
4.本发明所采用的技术方案为：一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，包括移动底盘、控制盒、雷达放置平台、作业装置、支撑平台、支撑装置、上位机jetson agx xavier、rplidar-a2激光雷达、intel realsense d455深度相机、触摸屏、内螺纹支撑板、内螺纹支撑柱、底层供电单元和上层供电单元；所述控制盒、雷达放置平台、作业装置、支撑平台、支撑装置、上位机jetson agx xavier、rplidar-a2激光雷达、intel realsense d455深度相机、触摸屏和底层供电单元均安装在移动底盘上，所述雷达放置平台安装在移动底盘上，所述支撑平台、rplidar-a2激光雷达安装在雷达放置平台上，所述作业装置、支撑装置、上位机jetson agx xavier、intel realsense d455深度相机、触摸屏均安装在支撑平台上；所述intel realsense d455深度相机、触摸屏安装在支撑装置上；底层供电单元与移动底盘连接，上层供电单元分别与上位机jetson agx xavier、作业装置、触摸屏、rplidar-a2激光雷达和intel realsense d455深度相机相连。
5.所述移动底盘包括移动底座和导向轮，移动底座的内腔设有直流减速电机、驱动电机模块、旋转编码器模块以及两个12v的电源，该两个12v的电源构成的底层供电单元，在移动底座两侧设计有底层供电单元安装座用来安装底层供电单元，使布局更加合理、美观。导向轮具体为全向轮，全向轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有多个轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直，全向轮数量为3个，两两之间夹角成120度，使移动底盘可以原地旋转并向任意方向进行移动。
6.所述控制盒安装在移动底座之上，控制盒开有5cm的孔与移动底座相通，方便移动底座内的线连接到控制盒中，将线路隐藏，更加美观。控制盒中安装有一块控制板，一个分压模块，一个24v的电源，控制板上还设有扬声器、六轴陀螺仪、惯性测量单元。控制板由移动底座内的供电单元经分压模块降压后供电，控制盒中的24v电源给作业装置、上位机jetson agx xavier、rplidar-a2激光雷达、intel realsense d455深度相机、触摸屏供电。
xavier7、rplidar-a2激光雷达8、intel realsense d455深度相机9、触摸屏10、底层供电单元11和上层供电单元12；所述控制盒2、雷达放置平台3、作业装置4、支撑平台5、支撑装置6、上位机jetson agx xavier7、rplidar-a2激光雷达8、intel realsense d455深度相机9、触摸屏10、底层供电单元11和上层供电单元12均安装在移动底盘上；所述雷达放置平台3安装在移动底盘1上，所述支撑平台5、rplidar-a2激光雷达8安装在雷达放置平台3上，所述作业装置4、支撑装置6、上位机jetson agx xavier7、intel realsense d455深度相机9、触摸屏10均安装在支撑平台5上；所述intel realsense d455深度相机7、触摸屏10安装在支撑装置6上；底层供电单元11与移动底盘1连接，上层供电单元12分别与上位机jetson agx xavier7、作业装置4、触摸屏10、rplidar-a2激光雷达8和intel realsense d455深度相机9相连，所述供电单元都包括锂电池与稳压模块，锂电池与稳压模块连接且锂电池经稳压模块稳压后为各部件提供电能，提高供电稳定性，所述供电单元都安装有移动电源充电插口，可使用外部电源对锂电池进行充电。
31.进一步地，所述移动底盘1包括移动底座1-1和导向轮13，移动底座1-1的内腔设有直流减速电机、驱动电机模块、旋转编码器模块以及两个12v的电源构成的底层供电单元11，在移动底座两侧设计有底层供电单元安装座用来安装底层供电单元。导向轮13具体为全向轮，全向轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有多个轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直，全向轮数量为3个，两两之间夹角成120度，使移动底盘1可以原地旋转并向任意方向进行移动。控制盒2安装在移动底座1-1之上，控制盒开有5cm的孔与移动底座1-1相通，方便移动底座1-1内的线连接到控制盒2中，将线路隐藏，更加美观，且控制盒与移动底座通过2-1螺栓连接块连接，该连接方式使得移动底座与控制盒连接更加稳固。
32.进一步地，所述控制盒2中安装有一块控制板，一个分压模块，一个24v的电源，控制板上还设有扬声器、六轴陀螺仪、惯性测量单元。控制板具体为stm32控制板，该控制板由移动底座内的供电单元经分压模块降压后供电，控制盒中的24v的电源为上层供电单元12，上层供电单元12给作业装置4、上位机jetson agx xavier7、rplidar-a2激光雷达8、intel realsense d455深度相机9、触摸屏10供电。
33.进一步地，所述雷达放置平台3与移动底盘1通过内螺纹支撑板固定相连，所述支撑平台5与雷达放置平台3通过内螺纹支撑柱固定相连。
34.进一步地，所述支撑装置6由4040铝型材和铝板组装而成，结构简单且稳固，并且还可通过移动4040铝型材上配套直角件来自由地调整该支撑装置的位置。
35.进一步地，所述作业装置4包括滑动模组4-1和点击机构4-2，滑动模组4-1具体包括60型材高速密闭同步导轨滑台模组4-3和伺服直流电机4-4，滑动模组4-1可上下运动，运动范围为0～500mm,该导轨同步带采用高刚度铝合金做机体，运行速度快，最高可到3m/s，且具有高等级机械效率，摩擦系数小，噪音低；点击机构4-2具体为微型电动直流伸缩推拉杆，可进行伸缩运动，活动范围为0～150mm；由此来进行电梯按钮选择作业。
36.进一步地，支撑装置6上安装有触摸屏10和intel realsense d455深度相机9。触摸屏10具体为分辨率为1980*1080的11.6寸电容触摸高清工业触摸屏，反应灵敏；intel realsense d455深度相机9精度非常高且具有立体视觉并新增有惯性测量单元，能够让摄像头在移动情况下获得深度信息、改善深度感知。
37.进一步地，带有ros系统的上位机jetson agx xavier与控制板、rplidar-a2激光雷达、intel realsense d455深度相机、触摸屏相连。触摸屏用于人机交互，上位机jetson agx xavier可以实时获取rplidar-a2激光雷达、intel realsense d455深度相机的数据并实时知道该机器人的位姿。控制板与驱动电机模块、六轴陀螺仪、惯性测量单元、作业装置以及上位机jetson agx xavier相连，负责控制底盘的运动和作业装置的动作以及与上位机jetson agx xavier进行通信。
38.进一步地，rplidar-a2激光雷达安装在雷达放置平台上，带有ros系统的上位机jetson agx xavier通过融合rplidar-a2激光雷达、六轴陀螺仪和惯性测量单元获取移动底盘的位姿信息，建立2d栅格地图并规划目标路径，实现移动底盘的自主导航与避障。本发明通过gmapping算法实时构建室内环境地图，gmapping算法是一个基于2d激光雷达使用rao-blackwellized particle filters算法完成2d珊格地图构建的室内定位与导航技术算法，在室内环境中，gmapping算法计算量少且地图精度高。通过ros navigation实现导航与避障，ros navigation通过map_server加载现有地图，因ros navigation没有建图功能且默认只支持2维地图，所以ros navigation可与gmapping完美结合实现实时建图、导航与避障功能。
39.进一步地，本发明电梯按钮识别基于yolov5网络。yolov5网络是现今最先进的目标检测模型，具有推理速度快的优势。
40.进一步地，本发明在识别的基础上获取intel realsense d455深度相机的深度信息从而知道识别物体的空间位置。
41.进一步地，本发明完成了电梯数据集的制作并将yolov5网络模型封装成了ros节点，使通信都在ros系统下进行，大大地节省了时间，提高了机器人的执行效率。
42.进一步的，本发明结合了激光雷达导航和视觉识别技术，进行了传感器融合，完成了一个完善的自主搭乘电梯的方案，同时也考虑到人机交互的便利性，触摸屏安装的高度适合，人们可以直接在触摸屏上进行操作。
43.进一步地，所述机器人的工作流程为：机器人通过室内定位与导航技术移动至电梯位置点；机器人通过intel realsense d455深度相机结合基于yolov5网络的ros节点完成按键识别、电梯门开关状态识别；机器人根据电梯门开关状态识别结果进行作业，当电梯门处于关闭状态时，机器人会移动到相应位置控制滑动模组和点击装置动作，按照预定程序选择电梯上行或下行按钮，完成之后再返回至电梯位置点进行等待，等待的时间本发明预设为2分钟，2分钟之后电梯门还是处于关闭状态，则机器人会重复上述动作，即机器人会移动到相应位置控制滑动模组和点击装置动作，按照预定程序点击电梯上行或下行按钮，完成之后再返回至电梯位置点进行等待，当电梯门处于打开状态时，机器人会通过intel realsense d455深度相机识别电梯内的人数确定是否进入，本发明设定临界人数为5，当人数大于5时，机器人继续等待，当人数小于等于5时，机器人选择进入，并一边进入一边通过扬声器播报：“小心碰撞，注意让行”；进入电梯后，机器人会原地旋转并通过intel realsense d455深度相机结合基于yolov5网络的ros节点完成按键识别以及结合intel realsense d455深度相机的深度信息确定识别对象的空间位置，再移动至相应位置按照预定程序选择楼层按键并通过二自由度作业机构完成按钮点击操作；机器人完成点击操作之后会移动到相应位置并通过intel realsense d455深度相机结合基于yolov5网络的ros节
点识别电梯内显示屏上的数字来确定目标楼层同时结合intel realsense d455深度相机的深度信息判断电梯门开关状态；当达到目标楼层且电梯门处于打开状态时，机器人离开电梯。
44.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，包括移动底盘、控制盒、雷达放置平台、作业装置、支撑平台、支撑装置、上位机jetson agx xavier、rplidar-a2激光雷达、intelrealsense d455深度相机、触摸屏、内螺纹支撑板、内螺纹支撑柱、底层供电单元和上层供电单元；所述控制盒、雷达放置平台安装在移动底盘上，所述支撑平台、rplidar-a2激光雷达安装在雷达放置平台上，所述作业装置、支撑装置、上位机jetson agx xavier、intel realsense d455深度相机、触摸屏均安装在支撑平台上；所述intel realsense d455深度相机、触摸屏安装在支撑装置上；底层供电单元与移动底盘相连，上层供电单元分别与上位机jetson agx xavier、作业装置、触摸屏、rplidar-a2激光雷达和intelrealsense d455深度相机相连；所述移动底盘包括移动底座和导向轮，移动底座的内腔设有直流减速电机、驱动电机模块、旋转编码器模块以及两个12v的电源构成的底层供电单元，在移动底座两侧设计有底层供电单元安装座用来安装底层供电单元；导向轮具体为全向轮，全向轮包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有多个轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直，全向轮数量为3个，两两之间夹角成120度，使移动底盘可以原地旋转并向任意方向进行移动。控制盒安装在移动底座之上，控制盒开有5cm的孔与移动底座相通，方便移动底座内的线连接到控制盒中，将线路隐藏，更加美观。控制盒中安装有一块控制板，一个分压模块，一个24v的电源，控制板上还设有扬声器、六轴陀螺仪、惯性测量单元；控制板由移动底座内的供电单元经分压模块降压后供电，控制盒中的大电源给作业装置、上位机jetson agx xavier、rplidar-a2激光雷达、intel realsense d455深度相机、触摸屏供电。2.根据权利要求1所述的一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，所述二自由度作业装置包括滑动模组和点击机构，滑动模组可上下运动，运动范围为0～500mm；点击机构可进行伸缩运动，活动范围为0～150mm；由此来进行按电梯按钮选择作业。3.根据权利要求1所述的一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，所述支撑装置上安装有触摸屏和intel realsense d455深度相机，intel realsense d455深度相机具有立体视觉并新增有惯性测量单元，能够让摄像头在移动情况下获得深度信息。4.根据权利要求1所述的一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，上位机jetson agx xavier与控制板、rplidar-a2激光雷达、intel realsense d455深度相机、触摸屏相连。触摸屏用于人机交互，上位机jetson agx xavier可以实时获取rplidar-a2激光雷达、intel realsense d455深度相机的数据并实时知道该机器人的位姿。控制板与驱动电机模块、六轴陀螺仪、惯性测量单元、作业装置以及上位机jetson agx xavier相连，负责控制底盘的运动和作业装置的动作以及与上位机jetson agx xavier进行通信。5.根据权利要求1所述的一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，，雷达安装在雷达放置平台上，带有ros系统的上位机jetson agx xavier通过融合rplidar-a2激光雷达、六轴陀螺仪和惯性测量单元获取移动底盘的位姿信息，建立2d栅格地图并规划目标路径，实现移动底盘的自主导航与避障。6.根据权利要求1所述的一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，本发明电梯按钮识别基于yolov5网络。7.根据权利要求1所述的一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，本发明在识别的基础上获取intel realsense d455深度相机的深度信息从而知道识别物体的空间
位置。8.根据权利要求1所述的一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，本发明完成了电梯数据集的制作并将yolov5网络模型封装成了ros节点，使通信都在ros系统下进行，大大地节省了时间，提高了机器人的执行效率。9.根据权利要求1所述的一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，其特征在于，本发明所述机器人自主搭乘电梯的工作流程为：所述机器人通过室内定位与导航技术到达电梯门口；所述机器人通过intel realsense d455深度相机结合基于yolov5网络的ros节点完成按键识别、电梯门开关状态识别；所述机器人根据电梯门开关状态识别结果进行作业，若电梯门处于关闭状态则机器人移动到相应位置通过二自由度作业装置点击电梯上行或下行按键再返回到电梯门口，若电梯门处于打开状态则机器人进入电梯；所述机器人通过基于yolov5网络的ros节点完成按键识别以及结合intel realsense d455深度相机的深度信息确定识别对象的空间位置，通过二自由度作业机构可完成按钮点击操作；所述机器人通过基于yolov5网络的ros节点识别电梯内显示屏上的数字来确定目标楼层并结合intel realsense d455深度相机的深度信息来判断电梯门开关状态；所述机器人到达目标楼层且电梯门打开，机器人离开电梯。

技术总结
本发明涉及一种具有电梯搭乘功能的服务机器人，包括移动底盘、控制盒、雷达放置平台、作业装置、支撑平台、支撑装置、上位机JetsonAGXXavier、RPLIDAR-A2激光雷达、IntelRealSenseD455深度相机、触摸屏、内螺纹支撑板、内螺纹支撑柱、底层供电单元和上层供电单元；本发明通过室内定位与导航技术可实现自主导航，通过基于YOLOV5网络的ROS节点完成按键识别、电梯门开关状态识别以及结合IntelRealSenseD455深度相机的深度信息可确定识别对象的空间位置，通过二自由度作业机构可完成按钮点击操作，并能自主选择楼层、开关门、操控电梯运行，实现完全自主的电梯搭乘。实现完全自主的电梯搭乘。实现完全自主的电梯搭乘。


技术研发人员：张东波 汪平 罗江涛 周志刚
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2023/10/8