CN110605723A - 一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，承重轮位于该机器人的最下端，且承重轮的前端固定安装有循迹系统，该机器人的中间位置安装有用于显示信息的LCD显示屏，且该机器人的上端为机械臂，所述机械臂上安装有USB摄像头，且机械臂与LCD显示屏中间的位置安装有菜品托盘，本发明所述的一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，通过核心控制和所有模块工作积木式设计可以减少功能冗余和节约生产成本，模块之间相互独立，模块间通信需要通过核心模块，模块与核心模块的接口简单易用，并易于故障排查与维修，通过运用数据分析方法来分析用户所反馈的信息以及用户的订单信息，为管理者对餐厅的管理提供更有效的建议。

Description

一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人

技术领域

本发明属于机械领域，特别涉及一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人。

背景技术

如今，机器人自动化已成为许多领域的主流趋势，服务机器人应运而生，但服务机器人通常作为个体存在，这使得它们难以执行大型协作任务，如大型酒店管理、市场导购、食堂餐饮服务、工厂货物搬运和医疗护理等。主要原因是服务机器人无法与其他机器人进行交互，众所周知，人类的社会性能够在很大程度上提高工作的效率，这给我们带来了许多令人惊叹的奇迹，但这一性质并不存在于最近的机器人系统。此外，目前机器人的功能大多单一或冗余，如只能清扫垃圾的扫地机器人以及全能型的类人机器人，前者价格较低，后者价格昂贵，很多用户或许只需要两三个功能，如果购买前者，可能需要两三台才能满足，如果购买后者，很多功能或许用不到，这就不太划算。况且，现有机器人只能完成机械性的任务，并没有一个完整的数据共享平台以便进行大数据分析，为此，我们提出一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，该机器人由机械臂、菜品托盘、避障系统、PIXY摄像头、音响、承重轮、循迹系统、USB摄像头、餐盘放置处、LCD显示屏构成，所述承重轮位于该机器人的最下端，且承重轮的前端固定安装有循迹系统，该机器人的中间位置安装有用于显示信息的LCD显示屏，且该机器人的上端为机械臂，所述机械臂上安装有USB摄像头，且机械臂与LCD显示屏中间的位置安装有菜品托盘，所述菜品托盘上开设有餐盘放置处，所述菜品托盘的下端安装有避障系统，且避障系统的中间加装有一个PIXY摄像头，所述PIXY摄像头的下方安装有两个音响。

优选的，所述承重轮的数量为四个，其为圆柱形结构。

优选的，四个所述承重轮的外表面开设有槽纹。

优选的，所述餐盘放置处为一个凹面方形结构，且其数量为三个。

优选的，所述机械臂的内部中心贯穿设置有转轴，该转轴上固定安装有搅拌片，且搅拌片的形状为螺旋型。

优选的，所述避障系统分别位于PIXY摄像头的两侧。

优选的，该机器人的内部嵌入控制模块、移动APP模块、arm模块、视觉模块、语音模块、管理界面模块和用户界面模块，并且机器人控制模块、移动APP模块、机械臂模块视觉模块、语音模块、管理员接口模块、VIP服务模块、用户接口模块与FDR机器人系统进行连接，使FDR机器人具有更多的空间来满足任务需求，所述控制模块包含Ardunio、不同类型的传感器、电机和稳定的机器人机械结构，所述视觉模块模块基于OpenCV，且其包含USB摄像头和Raspberry pi的核心代码，用户接口模块包含了一个GUI，它可以显示FDR系统中有什么功能，并可展示所有食物的剩余量，这可以帮助用户做出更好的点餐选择。

优选的，该机器人利用人工智能和云计算实现用户和FDR系统之间进行单独交互，该机器人具备基于电机电流实时反馈的避障系统和能同时运输多个菜品的传送装备，该传送装备包括菜品托盘与承重轮，且该人工智能和云计算包括以下步骤：

步骤一、根据云计算算法，机器人在每个机器人轮上测得的力的强度和大于阈值的机器人决定轮子运动轨迹，FDR个体在各个情形下进行集群任务，寻找特别的顾客，被餐厅所了解，在拥挤的环境下给用户安排预留座位，作为引导者，带领客户到指定的座位；

步骤二、运用云计算原理，根据顾客喜欢的音乐、图片、言语、俚语、笑话数据，记忆顾客的饮食习惯、兴趣爱好，运用机器学习寻找和识别食物。

优选的，该管理员接口模块包括一个网站，向管理员显示用户点餐信息及反馈内容，并由FDR机器人的摄像头对餐厅环境进行监控，管理员接口模块构成的网络由三部分组成，发送数据、接收数据与放入数据库、所有设备的互连，且将树莓派作为内部网络的通讯中心，连接到android app上，android app连接到机器人上，数据库通过同一个树莓派的WiFi网络连接。

优选的，FDR机器人方法的步骤如下:

a.用户登录手机APP进行点餐；

b.用户进入FDR机器人的运动范围；

c.FDR机器人检测可行范围内的人脸；

d.当FDR检测到人的时候，机器人会发出语音讯息，并请求用户出示他们的手机；

e.如果FDR机器人从手机上识别出这种颜色，它会说相关指令；

f.用户完成订购后，手机APP将数据推送到FDR服务器后台。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，

A.便捷与高效

毫无疑问，手工工作是世界上最好的事情，但当人们在一个漫长而乏味的过程中会感到疲劳。不仅如此，对于重复很多次的事情，人们不会一遍又一遍地做同样的事情，比如打食物。当人们疲劳时，效率会降低，否则自动员工在最近的食堂是非常重要的。如果不停电，机器人就不会感到累，也不会感到单调，它可以一直保持高精度和高效率。

B.高度集成模块化

FDR系统是高度集成模块化的机器人系统，它由树莓派中心和许多模块组成，这些模块可以很容易地与树莓派连接起来，完成它们的工作。现在，机器人的功能太过冗余了。有时人们可能想让机器人打扫房间，但要花很长时间才能在功能菜单中找到它。FDR解决了这个问题，如果我们想要在食堂使用它来帮助用户点餐时，将机器人控制模块、手机APP模块、机械臂模块、视觉模块、语音模块、管理员接口模块和GUI模块与模块核心(搭载FDR系统的树莓派)连接起来；如果我们想在酒店使用它来帮助客户导航，连接机器人控制模块、导航模块、手机APP模块、视觉模块、语音模块、管理员接口模块、GUI模块和模块核心(搭载FDR系统的树莓派)。

通过简单的计算公式，我们可以很容易地实现某些函数:

xxx机器人＝核心模块(搭载FDR系统的树苺派)+xxx模块+xxx模块+...

这个想法类似于积木，给用户更多的空间。客户不会犹豫应该选择购买哪种机器人，而是只需要只要购买核心和任何他们想要的模块，就满足客户的需求。在这种观念下，人们只需要购买一个核心模块(搭载FDR系统的树莓派)和需要的模块，就可以组成能够实现不同功能的机器人。

C.机器人协同平台

FDR系统由一个服务和多个带有FDR系统的机器人组成，为FDR机器人之间的交互提供了一种提高服务质量的途径。该平台可以将工作进行动态规划(运用最优化算法，路径规划算法，机器学习等一系列可提升机器人群体工作效率的方法)，使得完成该工作的效率最大化。

D.数据共享平台

该平台可为管理者对FDR服务端的数据进行大数据分析，这将方便管理者对餐厅的管理，如预测不同季节不同日期餐厅所需准备的菜肴种类、菜品数量、食物的味道等方面。

附图说明

图1为本发明一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人的整体结构示意图。

图2为本发明一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人的正视图。

图3为本发明一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人的侧视图。

图4为本发明一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人的俯视图。

图5为FDR机器人个体结构图。

图6为APP页面结构图。

图7手机应用使用方法。

图8机械臂工作流程图。

图9视觉模块工作图。

图10管理员界面结构图。

图11FDR GUI工作流程图。

图12为Demo图例。

图13为利用人工智能和云计算实现用户和FDR系统之间进行单独交互示意图。

图中：机械臂1、菜品托盘2、避障系统3、PIXY摄像头4、音响5、承重轮6、循迹系统7、USB摄像头8、餐盘放置处9、LCD显示屏10。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1-13所示，一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，该机器人由机械臂1、菜品托盘2、避障系统3、PIXY摄像头4、音响5、承重轮6、循迹系统7、USB摄像头8、餐盘放置处9、LCD显示屏10构成，所述承重轮6位于该机器人的最下端，且承重轮6的前端固定安装有循迹系统7，该机器人的中间位置安装有用于显示信息的LCD显示屏10，且该机器人的上端为机械臂1，所述机械臂1上安装有USB摄像头8，且机械臂1与LCD显示屏10中间的位置安装有菜品托盘2，所述菜品托盘2上开设有餐盘放置处9，所述菜品托盘2的下端安装有避障系统3，且避障系统3的中间加装有一个PIXY摄像头4，所述PIXY摄像头4的下方安装有两个音响5。

承重轮6的数量为四个，其为圆柱形结构；四个所述承重轮6的外表面开设有槽纹；餐盘放置处9为一个凹面方形结构，且其数量为三个；机械臂1的内部中心贯穿设置有转轴，该转轴上固定安装有搅拌片，且搅拌片的形状为螺旋型；避障系统3分别位于PIXY摄像头4的两侧。

需要说明的是，如图5-6所示，将机器人控制模块、移动APP模块、机械臂模块视觉模块、语音模块、管理员接口模块、VIP服务模块、用户接口模块与FDR机器人系统进行了连接，使FDR机器人有了更多的空间来满足任务需求，应用FDR机器人方法的步骤如下:

a.用户登录手机APP进行点餐

b.用户进入FDR机器人的运动范围

c.FDR机器人检测可行范围内的人脸

d.当FDR检测到人的时候，机器人会说一些话，并请求用户出示他们的手机

e.如果FDR机器人能从手机上识别出这种颜色，它会说“谢谢！”，然后用手臂给用户想要的食物，否则它会说“你在哪里！”。

f.用户完成订购后，手机APP会将数据推送到FDR服务器后台。

目前，FDR机器人有六个模块可用；它们分别是机器人控制模块、移动APP模块、arm模块、视觉模块、语音模块、管理界面模块和用户界面模块。

机器人控制模块

该模块为FDR机器人运动模块，包含Ardunio、不同类型的传感器、电机和稳定的机器人机械结构。该模块中有一个独立运行的系统和一个从模块到Raspberry pi的接口，用于FDR核心与单个模块之间的通信。该模块能对速度和方向进行精准的控制，并通过传感器发送的数据给FDR服务器后端来安排整个FDR机器人集群的运动方向和速度，确保FDR不会干扰到人，并提高FDR机器人集群整体的工作效率。

手机应用模块

该手机应用提供了一个菜品菜单，用户可以选择并将其放入购物车。同时，APP可以生成包含点餐信息以及桌号信息的单色图片，且能被FDR机器人检测到。此外，APP与FDR服务器后端连接，可以方便地将数据发送到管理员接口模块。

如图7所示，手机应用使用时，打开手机APP，进入点餐页面，有一些页面供您选择食物，如早餐，午餐，晚餐等，并将中意的菜品加入购物车，进入登入页面，结束点餐后进入登录页面，需求信息为顾客的手机号，表号，点餐后的食物。当进入正确的数字时，将显示“成功！！”回到最后一页，如果写错了，就会显示“请检查并重试！！”。

单色图片页面，该页面包含了用户的点餐内容，桌号，手机号等内容，用于FDR机器人识别，并将菜品传递到用户手中，用户前往FDR机器人处取餐，用户用餐完后进行评价，反馈内容可包括：菜品的满意度，对菜品的建议等，APP回到主页面；

图8为机械臂工作流程图，这个模块提供了一个灵巧的机械臂来执行微妙的任务，例如抓取一个给定的对象并将其放置在一个给定的位置。此外，机械臂可以在空闲的时候随着音乐跳动。在此版本中，这个模块用于将特定的餐盘传递给用户。

图9为视觉模块工作图，该模块基于OpenCV，包含USB摄像头和Raspberrypi的核心代码，为满足不同用户的需求提供了广泛的环境。在这个版本中，该模块的主要功能是检测人脸并反馈给树莓派。在未来，我们将增加一些功能，如机器视觉，诊断系统等；

图10为管理员界面结构图，该模块包括一个网站，向管理员显示用户点餐信息及反馈内容，并可以由FDR机器人的摄像头对餐厅环境进行监控。该网站还提供了数据可视化工具，可以以图表的形式显示点餐数据，并预测下一次应该为用户群体烹饪哪些食物以及菜量。未来，我们将增加一些大数据分析工具和训练有素的神经网络来进行准确预测。

到目前为止，整个网络由三部分组成。一个是发送数据，一个是接收数据并将其放入数据库，最后一个是所有设备的互连。这里我们的树莓派作为内部网络的通讯中心，连接到android app上。这个app连接到机器人上，同时我们的数据库也是通过同一个树莓派的WiFi网络连接的。在流程图中，我们看到移动设备通过接收订单和评论作为反馈信息与数据库进行通信。MySQL数据库包含两个不同的数据库，即数据1和数据2。数据1处理来自用户的订单，数据2处理来自食物用户的反馈。另一方面，一个在通过Arduino控制的旋转电机上的USB摄像头也连接到树莓派上，他获取的图像可从网络接口上传至FDR服务端上。对于HTML-PHP站点的实际结构，我们看到的第一个页面和站点都是索引页面，其中既有app下载链接，也有控制页面链接。如果登录数据没有问题，管理员将进行的操作可以是:

点餐频率页面(JSON格式)

点餐频率页面(图表格式)

主视图页面

反馈数据页面

监控中心

其中，主视图页面有重置选项，其功能是导出已有数据或清空数据库，一旦我们点击重置选项，我们将有15秒的窗口来完成我们的任务，然后我们被发送回主索引页踢出我们的会话，一旦这发生，我们需要再次登录。

图11为FDR GUI工作流程图，本模块分为另一个主界面和若干个子界面，主界面包含机器人目前拥有的所有功能，在选择功能前，需要确保相对应的模块已连接，在选择完功能后，可退出至主界面进行重新选择。界面设计在产品中占据了很重要的位置，主界面如同手机，一个个的子界面(功能)如同应用，用户可以选择安装与否，这样可以极大地简化了用户的操作以及在购买此产品时用户的忧虑(功能单一或冗余)。

VIP服务是即将添加到FDR机器人的功能之一，其主要功能为对特殊人群提供更为优质的用户体验。VIP服务的主要实现功能的模块为视觉模块，这需要模块具有人脸精准识别的功能(在项目组最近发表的一篇文章中，展示了一种计算力廉价的方法，可能对人脸识别有着效果)。在这种模式下，FDR机器人如顾客朋友一样，可以给顾客的孩子讲故事，也可以谈论他喜欢的话题。VIP服务能够提供的功能有：预约桌位，用户伴侣，菜品讲解与推荐，聊天和点歌等功能。此类功能的实现需要VIP用户提前注册，并录入相关生物信息，如人脸特征，指纹等特征，还需提供一些个人信息，如会员号，手机号等。在FDR机器人协同平台检测到有VIP用户接入时，将提前为VIP用户安排座椅，提供充足的菜品进行选择，以及针对VIP用户的日常口味进行推荐，以达到VIP用户更高的用户需求；

我们将机器人控制模块、移动APP模块、机械臂模块视觉模块、语音模块、管理员接口模块、VIP服务模块、用户接口模块与FDR机器人系统进行了连接，使FDR机器人有了更多的空间来满足任务需求。应用FDR机器人方法的步骤如下:

a.用户登录手机APP进行点餐

b.用户进入FDR机器人的运动范围

c.FDR机器人检测可行范围内的人脸

d.当FDR检测到人的时候，机器人会说一些话，并请求用户出示他们的手机

e.如果FDR机器人能从手机上识别出这种颜色，它会说“谢谢！”，然后用手臂给用户想要的食物，否则它会说“你在哪里！”

f.用户完成订购后，手机APP会将数据推送到FDR服务器后台。

图13为利用人工智能和云计算实现用户和FDR系统之间进行单独交互示意图，该机器人具备新颖的基于电机电流实时反馈的避障系统和能同时运输多个菜品的传送装备。根据上述提到的算法，机器人在每个机器人轮上测得的力的强度和大于阈值的机器人将决定是转弯还是继续前进，在本设计中，人工智能和云计算的理念意味着用户和FDR系统之间进行单独交互，FDR个体在各个情形下都是进行集群任务，寻找特别的顾客，被餐厅所了解(普通顾客)，在拥挤的环境下给用户安排预留座位，作为引导者，带领客户到指定的座位，运用云计算原理，根据顾客喜欢的音乐、图片、言语、俚语、笑话等数据，记忆顾客的饮食习惯、兴趣爱好，运用机器学习寻找和识别食物；

VIP服务是即将添加到FDR机器人的功能之一，其主要功能为对特殊人群提供更为优质的用户体验。VIP服务的主要实现功能的模块为视觉模块，这需要模块具有人脸精准识别的功能(在项目组最近发表的一篇文章中，展示了一种计算力廉价的方法，可能对人脸识别有着效果)。在这种模式下，FDR机器人如顾客朋友一样，可以给顾客的孩子讲故事，也可以谈论他喜欢的话题。VIP服务能够提供的功能有：预约桌位，用户伴侣，菜品讲解与推荐，聊天和点歌等功能。此类功能的实现需要VIP用户提前注册，并录入相关生物信息，如人脸特征，指纹等特征，还需提供一些个人信息，如会员号，手机号等。在FDR机器人协同平台检测到有VIP用户接入时，将提前为VIP用户安排座椅，提供充足的菜品进行选择，以及针对VIP用户的日常口味进行推荐，以达到VIP用户更高的用户需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，该机器人由机械臂(1)、菜品托盘(2)、避障系统(3)、PIXY摄像头(4)、音响(5)、承重轮(6)、循迹系统(7)、USB摄像头(8)、餐盘放置处(9)、LCD显示屏(10)构成，其特征在于，所述承重轮(6)位于该机器人的最下端，且承重轮(6)的前端固定安装有循迹系统(7)，该机器人的中间位置安装有用于显示信息的LCD显示屏(10)，且该机器人的上端为机械臂(1)，所述机械臂(1)上安装有USB摄像头(8)，且机械臂(1)与LCD显示屏(10)中间的位置安装有菜品托盘(2)，所述菜品托盘(2)上开设有餐盘放置处(9)，所述菜品托盘(2)的下端安装有避障系统(3)，且避障系统(3)的中间加装有一个PIXY摄像头(4)，所述PIXY摄像头(4)的下方安装有两个音响(5)。

2.根据权利要求1所述的一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，其特征在于：所述承重轮(6)的数量为四个，其为圆柱形结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，其特征在于：四个所述承重轮(6)的外表面开设有槽纹。

4.根据权利要求1所述的一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，其特征在于：所述餐盘放置处(9)为一个凹面方形结构，且其数量为三个。

5.根据权利要求1所述的一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，其特征在于：所述机械臂(1)的内部中心贯穿设置有转轴，该转轴上固定安装有搅拌片，且搅拌片的形状为螺旋型。

6.根据权利要求1所述的一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，其特征在于：所述避障系统(3)分别位于PIXY摄像头(4)的两侧。

7.根据权利要求1所述的一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，其特征在于：该机器人的内部嵌入控制模块、移动APP模块、arm模块、视觉模块、语音模块、管理界面模块和用户界面模块，并且机器人控制模块、移动APP模块、机械臂模块视觉模块、语音模块、管理员接口模块、VIP服务模块、用户接口模块与FDR机器人系统进行连接，使FDR机器人具有更多的空间来满足任务需求，所述控制模块包含Ardunio、不同类型的传感器、电机和稳定的机器人机械结构，所述视觉模块模块基于OpenCV，且其包含USB摄像头和Raspberry pi的核心代码，用户接口模块包含了一个GUI，它可以显示FDR系统中有什么功能，并可展示所有食物的剩余量，这可以帮助用户做出更好的点餐选择。

8.根据权利要求1所述的一种高度集成模块化设计的分布式系统嵌入式机器人，该机器人利用人工智能和云计算实现用户和FDR系统之间进行单独交互，其特征在于：该机器人具备基于电机电流实时反馈的避障系统(3)和能同时运输多个菜品的传送装备，该传送装备包括菜品托盘(2)与承重轮(6)，且该人工智能和云计算包括以下步骤：

步骤一、根据云计算算法，机器人在每个机器人轮上测得的力的强度和大于阈值的机器人决定轮子运动轨迹，FDR个体在各个情形下进行集群任务，寻找特别的顾客，被餐厅所了解，在拥挤的环境下给用户安排预留座位，作为引导者，带领客户到指定的座位；

步骤二、运用云计算原理，根据顾客喜欢的音乐、图片、言语、俚语、笑话数据，记忆顾客的饮食习惯、兴趣爱好，运用机器学习寻找和识别食物。

9.根据权利要求7所述的管理员接口模块，其特征在于，该管理员接口模块包括一个网站，向管理员显示用户点餐信息及反馈内容，并由FDR机器人的摄像头对餐厅环境进行监控，管理员接口模块构成的网络由三部分组成，发送数据、接收数据与放入数据库、所有设备的互连，且将树莓派作为内部网络的通讯中心，连接到android app上，android app连接到机器人上，数据库通过同一个树莓派的WiFi网络连接。

10.根据权利要求1所述的嵌入式机器人的使用方法，其特征在于，FDR机器人方法的步骤如下:

a.用户登录手机APP进行点餐；

b.用户进入FDR机器人的运动范围；

c.FDR机器人检测可行范围内的人脸；

d.当FDR检测到人的时候，机器人会发出语音讯息，并请求用户出示他们的手机；

e.如果FDR机器人从手机上识别出这种颜色，它会说相关指令；

f.用户完成订购后，手机APP将数据推送到FDR服务器后台。