一种用于家庭智能监控服专利名称 务的多感知机器人 专利发明人或设计人 技术问题联系人 姓名 技术交底书撰写人 电话 E-mail 所属技术领域 机器人、自动化
1、本发明要解决的技术问题是什么？
本发明涉及服务监控机器人，尤其涉及在家庭环境中进行智能监控及服务的机器人。
本发明实时提取家庭环境中的各种信息，主要包括声音、图像、烟雾、煤气、障碍等信息，进行声音定位、人脸识别、异常事件报警。本发明主要包括行进装置、声音采集模块、图像处理模块、烟雾煤气检测装置、障碍检测模块、手机报警模块、发声模块和控制装置。本发明主要用于家庭的服务监控，当家中无人时负责对非法闯入等异常事件进行检测，当家中有人时负责老人小孩的监护，并能通过手机模块及时向主人报告家中的最新情况。本发明能够一方面将人们从日常的繁重劳动中解放出 来，另一方面能够照看陪伴老人，保障家庭安全，对即将进入老龄化的中国来说显得尤为重要。
2、详细介绍技术背景,并描述已有的与本发明最相近似的实现方案。
目前在世界范围研发的家庭服务机器人主要集中在家政服务机器人和一些具有特定功能的服务机器人，家政机器人需要具有处理复杂事务的能力，一般具有可以抓取物件的机械结构。而具有特定功能的服务机器人，如扫地机器人、娱乐机器人等，根据功能不同，具有特殊的结构，与本发明相差较远。视频监控领域主要应用于固定摄像头，多应用在公共场所的异常事件监测。
另外，国内外相关的机器人研究包括，日本本田公司研究人员研发出一款“Asimo”机器人，它不仅可以招待客人，还懂得团队协作，与其他机器人“同事”分担任务。德国斯图加特市弗劳恩霍弗制造工程与自动化学院也在进行家政服务机器人的探索，并制造了Care-O-Bot 3样机，能够识别抓取物品，提供家政服务。另外，还有北京塔米智能开发的，具有家庭娱乐和安全巡逻的塔米118A型网络智能机器人。
现有的与家庭监控相关专利主要集中在各个专用领域的子系统实现，与视频监控机器人的研究内容相近的专利有我国在2007授予的一项发明专利[1]，描述了具有多功能的智能化的能够代替人完成家政服务工作的机器人，进行防盗监测、安全检查、清洁卫生、物品搬运、家电控制，以及家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、家用统计等工作。发明专利[2]，通过基于嵌入式的手持设备控制机器人完成监控任务。在2008授予的一项发明专利[3]，实现的是远程监控系统，系统服务器接收来自移动终端的访问请求，服务器通过建立的连接接收来自监控终端的监控点的当前实时图像，并将当前实时图像转发给移动终端。专利[4]主要描述具有人脸识别功能的机器人，将摄像装置摄取的人脸图像与预先存储的人脸图像进行比较，以识别所摄取的人脸图像。
[1]家政服务机器人，申请号/专利号：200610032660，发明设计人：肖南峰
[2]一种基于嵌入式系统的手持机器人运动监控平台，申请号/专利号： 200710177186，发明设计人： 刘峰;王
启宁;谢广明;王龙
[3]监控实现方法及系统、系统服务器，申请号/专利号： 200810125299，发明设计人： 金志强;董爱平;陈琪 [4]具有人脸识别的智能机器人，申请号/专利号： 200720077448，发明设计人：陈振雄;杨舟;李娜;皮小平
（包括两部分：背景技术及现有技术方案，应详细介绍，以不需再去看文献即可领会该技术内容为准，如果现有技术出自专利、期刊、书籍，则提供出处）
3、现有技术的缺点是什么？针对这些缺点，说明本发明的目的。
现有的家庭服务机器人的异常识别能力有限，无法对家庭环境进行全方位的监控，比如塔米机器人的安防功能侧重无人时的巡逻和监控，有家庭成员时主要提供家庭娱乐功能和健康检测功能。具有抓取物件机械结构的机器人，如Asimo，Care-O-Bot等，主要提供家政服务，能够完成复杂的动作和丰富的功能，但其结构复
杂，主要完成一些特定的任务，不是针对家庭安全监控设计的。现有针对家庭应用的监控系统主要由可移动摄像头和固定摄像头组成，只是完成简单的人工监控功能，或者单纯实现人脸识别系统，智能化程度有限，并且无法感知周围其他信息，不能对家庭环境进行综合分析，从而进行全方位的监控服务。
本发明是基于自主移动平台，具有视觉、听觉、嗅觉等多个传感器，能够进行多感知融合，并能够进行人脸识别和异常事件监测的家庭监控机器人，与上述的其他发明相比，首先是家庭监控能力的提升，提供老人监护和无人值守的全方位家庭监控功能；其次，能够通过多种传感器感知家庭环境信息，从而对家庭进行更为全面的监控；并且具有比较稳定、效率更高的优点。
（客观评价，现有技术的缺点是针对于本发明的优点来说的，本发明不能解决的缺点不必写；基于本发明能解决的问题写出发明的目的）
4、本发明技术方案的基本内容。
本发明针对家庭环境中的应用，提供了一种能够感知环境信息，进行智能监控和服务的机器人，全身安装多种传感器，能够采集包括声音，图像，烟雾，煤气等各种信号，是一种融合了造型技术、机械、 电子、传感器、计算机软件硬件和人工智能等众多先进技术的机电一体化系统。
本发明的运动系统主要由两轮驱动单元和一个万向轮组成，这种经典结构可以使得机器人能够实现前进后退左右转动等各种功能。机器人的两个眼球是CMOS摄像头，可将实时采集的图像传输到机器人内部的上位机进行处理。家用监控机器人还能通过人脸识别系统识别家里的主人，对他的到来表示欢迎，如果发现陌生人进行声音提示并通知主人，并根据设定跟踪陌生人。机器人带有4通道的声音采集模块，能够对周围环境声音进行监测，并进行定位。机器人也可以对家中发生的异常事件进行监控，当主人不在家时，机器人可以根据指定的路线隔一段时间在室内进行巡逻与监控，并绕开路线上出现的障碍物，当发现门窗破损、陌生人闯入、煤气泄漏、空气质量下降、发生火灾等时就会报警或相应提示，并通过异常声音迅速定位事发地点，帮助主人处理出现的异常情况，同时，机器人通过GSM网络给主人发出彩信通知。
5、本发明技术方案的详细阐述。
功能描述
家庭环境包括有人和无人两种情况，有人时机器人需要对主人和陌生人进行人脸识别，对家里的主人，对其到来表示欢迎，如果发现陌生人进行声音提示并将信息发送到主人的手机，并根据设定跟踪陌生人。同时，监控家庭成员可能出现的异常状况，如老人、小孩的跌倒，并及时通知主人。对于家中无人的环境，机器人根据制定的路线进行巡逻，并绕开障碍物，当出现异常声音、有毒气体泄漏等异常情况时，能够及时通知主人。
结构描述
本发明主要涉及上述环境中的智能家庭服务监控机器人，包括行进装置、声音采集模块、图像处理模块、烟雾煤气检测装置、障碍检测模块、手机报警模块、发声模块和控制装置，整体组成结构如图1所示，
图像处理模块主控装置发声装置声音定位模块行进装置彩信模块烟雾检测装置障碍检测装置
图1 智能家庭服务监控机器人组成结构
各组成部分的连接及机构设置如图2所示。
所述机器人本体外部造型为鹅的形象，包括底盘移动装置和头部动作装置，另外接有摄像头、声音采集器、彩信模块、扬声器等交互设备。
所述移动装置由底盘控制器、电机驱动器、避障传感器组成，另外装有移动平台所需的锂电池、3个轮子，包括2个驱动轮和1个万向轮。主控制装置通过串口向底盘控制器发送控制命令，控制电机进行相应动作，并对障碍信号进行处理。
所述头部动作装置由3个舵机和1个继电器组成，1个舵机负责控制机器人脖子的转动，2个舵机控制眼球（摄像头的转动），1个继电器控制机器人的嘴部动作。
头部动作控制张嘴继电器控制脖子转动舵机控制眼睛转动头部控制器舵机USB摄像头USB声音采集器RS232扬声器主控制装置RS232彩信模块RS232底盘控制器移动装置电机驱动器避障传感器烟雾传感器
图2 智能家庭服务监控机器人结构设置
监控系统描述
所述机器人异常监测系统由人脸识别、异常行为检测、陌生人跟随、异常声音、异常气体检测5个部分组成。 （1）人脸识别
所述人脸识别模块集成与主控制装置中，由摄像头及监控算法实现，通过肤色匹配、人眼检测等多种方式定位人脸，在确保人脸识别率的情况下提高处理监控速度。整体过程如图3所示，首先通过肤色检测是否有人脸，并获取肤色掩码，如果肤色面积大于二分之一，则认为被遮蔽，机器人进行提醒。否则根据人眼定位出人脸位置，进行识别，将获取人脸信息与数据库信息比对，判断是已知人脸还是未知人脸，如果已知人脸第一次进入，则机器人向其打招呼，如果是未知人脸第一次进入，则向其询问，并通
过短信通知主人。如果超出1秒没有识别，优先通过肤色匹配寻找人脸，如果超过10秒则认为人脸丢失。
Y需要注册人脸？N通过肤色检测是否有人脸，并获取肤色掩码进行下一次识别进行人脸注册肤色面积大于½?NY根据人眼定位人脸位置，进行识别摄像头被遮蔽进行下一次识别Y是否识别出人脸？YN已知人脸未知人脸超过1s尝试通过肤色匹配跟踪人脸人脸是否刚进入？Y进行下一次识别人脸是否刚进入？Y进行下一次识别超过10s则认为人脸离开进行下一次识别向主人打招呼询问陌生人
图3 人脸识别过程
（2）异常行为检测
所述异常行为检测模块集成于主控制装置中，由摄像头、转动舵机和监控算法实现，通过帧差检测运动物体上半身，判断摔倒、跌落、跑步等异常行为。
（3）陌生人跟随
所述陌生人跟随模块集成于主控制装置中，由广角摄像头、转动舵机和跟随算法组成，所述广角摄像头能够提供较大的视角以利于跟踪，通过舵机进行控制摄像头转动及时跟踪外界变化。工作流程如下，首先使用普通摄像头进行人脸识别，如果定位到人脸并识别出是数据库中的未知对象，可以根据设定进入跟踪模式。根据人脸识别定位出来的位置信息，提取陌生人的上半身特征，利用广角镜头的宽视野特性，随时跟踪陌生人的动向。同时，可以判断出陌生人的距离信息，驱动机器人与陌生人保持1米左右距离。
N普通摄像头进行人脸识别陌生人进入，选择跟踪模式？Y提取上半身外形特征广角摄像头跟随陌生人运动，保持1米左右距离 图4 陌生人跟踪过程
（4）异常声音定位
所述异常声音定位模块由声音采集装置和声音处理程序组成，通过声音采集器采集4个通道的声音数据，通过程序定位出转向角度，驱动电机进行相应动作。
实施过程中，所述声音采集器由4个全方向的麦克风组成，安装于底盘四周，如图所示，4个通道的标号为0，1，2，3。每个通道采样数据为2048个数据，采样频率10000Hz。
140cm20331cm
图5 声音采集通道结构
（5）异常气体检测
所述异常气体检测部分，由烟雾煤气传感器独立工作，随机器人本体移动监测周围家庭环境的异常气体状态，如果检测到烟雾或可燃性气体则发出警报。
多感知融合
本发明是具有多感知的家庭监控系统，需要通过对环境多种信号的感知进行综合分析，根据任务优先级确定机器人的行动方案。所述智能监控机器人的任务分为3类，一是机器人本体的移动，包括避障、底盘动作、头部动作；一是监控部分，包括视频监控和声音监控；一是发送部分，主要是彩信发送。根据各任务的特点，可以制定出优先级，机器人根据优先级进行处理。
任务 避障 头部动作 底盘动作 视频监控 运行特点 中断 受控 受控 连续采集数据，进行计算 声音定位 连续采集数据，并及时做出响应 彩信 一次运行任务，发送时需要等待信号响应 实施过程中，由于机器人自身的安全考虑，将避障功能的优先级放在首位，在转向或者运行的过程中，及时对障碍信号做出响应。由于底盘动作时，轮子的运动会发出声音，为了让声音定位算法对转动过程的本体声音不响应，应让底盘动作的优先级高于声音定位。异常声音信号往往是突发性的，因此需要对此及时做出响
根据无线信号 较小 较小 根据转动角度 较大 较大 响应时间 快 快 根据指令响应 根据环境因素 数据量 小 无 无 大 运算量 小 无 无 大 应，而不能让计算量大的人脸识别占据了系统的运行时间。根据彩信发送的特点，发送的过程跟信号强度有关，并且属于一次运行任务，而不像声音采集模块需要对声音进行连续的采集，因此需要降低其优先级。因此将任务优先级从高到低设定为避障、底盘动作、声音定位、人脸识别、头部动作、彩信。
（本部分为专利申请最重要的部分，需要详细提供，专利必须是一个技术方案，应该阐述发明目的是通过什么技术手段来实现的，不能只有原理，也不能只做功能介绍；因此发明中每一功能的实现都要有相应的技术实现方案；所有英文缩写都应有中文注释；必须结合流程图、原理框图、电路图、时序图等附图进行说明，每个图都应有对应的文字详细的描述，以别人不看附图即可明白技术方案为准；同时附图中的关键词或方框图中的注释都尽量用中文；方法专利都应该提供一个流程图，并提供相关的系统装置。）
6、本发明的关键点和欲保护点是什么？
1)一种用于家庭智能监控服务的多感知机器人，具有人脸识别，异常行为、声音和气体监控功能的多感知自
主移动机器人，其特征在于包括
用于机器人移动的行进装置，具有自主移动功能，能够在多种模式下工作，包括跟随模式，巡逻模式和异常行为处理模式；
感知装置，在普通家庭的环境内感知一项或多项如下信息：感知周围环境的视觉信息、检测到行走路线周围的障碍、感知异常声音、检测家庭的有害气体；
控制装置，包括头部控制装置、底盘控制装置和主控装置；对所述感知装置接收到的多种感知信号进行综合分析处理，发出指令控制所述的执行装置完成相应的工作；
执行装置，接收智能感知装置的信号和指令输入，完成机器人一项或多项以下任务，进行人脸识别，向主人问好，对陌生人发出警告，跟踪人脸移动，识别异常行为，识别异常声音，发送短信和彩信，检测有害气体并报警；
信息发送装置，通过GSM网络发出短信或者彩信到用户； 遥控装置，通过无线遥控器发出信号，并传送到控制装置。
2)根据权利1所述的家庭监控机器人，其特征在与所述的感知装置，由一个用于人脸识别的摄
像头，一个用于陌生人跟随和异常检测的广角摄像头，用于检测障碍物的红外传感器，用于声音定位的声音采集卡，用于异常气体检测的气体传感器，所述的红外传感器、气体传感器与底盘控制器连接，摄像头、声音采集卡与PC主机连接。
3)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于所述控制装置，由底盘控制器、头部控
制器、主控制器组成。底盘控制器、头部控制器分别与主控制器（PC）连接，主控制器加载有人脸识别和异常检测核心算法。
4)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于所述执行装置，由扬声器、报警装置和
四个自由度的头部结构组成，所述扬声器PC连接，所述报警装置与有害气体检测装置连接，所述四个自由度的头部结构由3个直流舵机和1个继电器组成，头部结构动作包括：眼睛两自由度转动（左右转动和上下翻动），嘴巴张合一个自由度（配合扬声器发声）和脖子转动一个自由度。所述舵机和继电器与所述头部控制器连接。
5)根据权利要求1或2所述的家庭监控机器人，其特征在于所述摄像头安装于机器人头部，并可
由舵机控制转动，所述舵机与头部控制器连接。
6)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于所述信息发送装置，由GSM彩信发送装
置组成，所述彩信发送装置与主控制器连接。
7)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于所述人脸识别装置，通过摄像头与PC连
接，进行人脸的定位、识别和跟踪。
8)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于所述异常行为检测装置，通过摄像头与
PC连接，进行跌倒等异常行为检测和分析。
9)根据权利要求1或6所述的家庭监控机器人，其特征在于所述机器人底盘和脖子能随着人脸的
移动进行跟踪转动。
10)根据权利要求1或2所述的家庭监控机器人，其特征在于所述图像采集装置，由2个摄像头组
成，1个摄像头用于人脸识别，1个摄像头用于异常行为检测。
11)根据权利要求1或2所述的家庭监控机器人，其特征在于所述声音采集装置，由4个全方向麦
克风组成，分别安装在前后左右4个方向。
12)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于所述人脸识别功能、异常行为检测功
能、异常声音定位功能和避障功能，能够根据需要，由主控制器进行取舍。
13)根据权利要求1或4所述的家庭监控机器人，其特征在于所述扬声器置于机器人头部。 14)根据权利要求1或4所述的家庭监控机器人，其特征在于所述头部动作嘴巴张合由1个继电器
和磁铁组成。
15)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于所述机器人外壳采用鹅的造型，材料为
塑料。
16)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于运动装置由2个直流伺服电机、1个万向
轮构成、1个电机驱动电路构成；其中，所述的2个直流电机通过所述的直流电机驱动电路与所述装置连接。所述的1个万向轮独立安装在家庭监控机器人底座的正前方。
17)根据权利要求1所述的家庭监控机器人，其特征在于采用2个锂聚合物电池驱动，1个电池与
底盘控制器、头部控制器、GSM彩信装置连接，1个电池与直流电机连接。
（发明内容部分提供的是为完成一定功能的完整技术方案，本部分是提炼出技术方案的关键创新点，列出1、2、3...，以提醒代理人注意，便于专利代理人撰写权利要求书。）
7、与第2条所属的最好的现有技术相比，本发明有何优点？
与现有最好技术相比，本发明的优点在于：
1．本发明实现了实时人脸识别、异常行为及声音检测和异常气体检测，并根据其结果进行相应处理，跟随陌生人并及时通知主人，对家庭环境进行全方位的监控；
2．本发明整体造型适合家庭环境，内部机械装置简单，稳定性高，执行效率高；
3. 本发明实现了多感知的综合分析，融合了视觉、听觉、嗅觉的传感器，实现多模态异常事件报警。
（效果一定要结合发明内容的技术方案来描述，做到有理有据；也可以对应本发明所要解决的技术问题来描述，一定是采用本发明技术方案带来的效果；效果可以是降低成本，提高了效率等。）
8、本发明是否经过实验、模拟、使用而证明可行，结果如何？
本发明已经通过实验，并已研制出样机，效果很理想。和设计的预期一致。
9、本发明的变更设计（替代方案）及其它用途：
（如果有，请尽量详细写明，内容的提供可以扩大专利的保护范围，防止他人绕过本技术去实现同样的发明目的；“替代方案”可以是部分结构、器件、方法步骤的替代，也可以是完整技术方案的替代。）
10、附图及说明
每幅图都应有相应的附图说明
写技术交底书需注意：
1.英文缩写有中文译文，避免使用英文单词。
2.全文对同一事务的叫法应统一，避免出现一种东西多种叫法。 3.专利法规定：
1）专利必须是一个技术方案，应该阐述发明目的是通过什么技术方案来实现的，不能只有原理，也不能只做功能介绍；
2）专利必须充分公开，以本领域技术人员不需付出创造性劳动即可实现为准。
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