一種獨立態單球體自平衡運動裝置的製作方法

2024-03-30 09:01:05 1

本發明屬於智慧機器人領域，具體涉及一種全向單球體自平衡人臉識別與追蹤機器人。

背景技術：

在可攜式設備和服務型機器人等行業，運動方式多採用4輪以及以上的多輪驅動方案。採用這種方式可使機器人本體自然保持穩定，但也帶來了機器人本體體積大、轉彎困難等缺點，因而限制了其在空間狹小或需要快速響應等場合的應用。針對上述問題，自平衡獨輪平衡的控制方式被提出，如名稱為「自平衡載人獨輪車系統及控制方法」（公開號為CN102079348A）和名稱為「自平衡載人獨輪車系統」（公開號為2010206501881）的專利文獻，通過使用獨輪系統控制方式來獲取整體系統的動態平衡，雖然整體系統的體積縮小了，但是由於還是採用傳統驅動方式，所以會出現轉彎半徑大、不能立即轉彎等問題。因此這種控制方式在空間狹小或需要快速響應等場合效率較低。而在與用戶交互使用時多採用語音識別控制，不能識別跟隨用戶運動，使得用戶體驗感差，交互方式單一，產品不具有吸引力。

技術實現要素：

本發明的目的在於提出一種全向單球體自平衡人臉識別與追蹤機器人，該機器人用於可移動機器人領域，例如可攜式助力設備行業、醫療機器人行業和服務機器人行業，可解決複雜環境下轉向困難、運動受限、使用體驗感差和交互方式單一等問題。

本發明採用如下技術方案：一種全向單球體自平衡人臉識別與追蹤機器人，主要由運動控制系統、支撐柱、數據處理系統、觸控顯示模塊、二自由度攝像頭系統、伺服電機控制系統、下部圓形水平固定件、中部圓形水平固定件、上部圓形水平固定件、姿態傳感器系統組成；其特徵在於：運動控制系統安裝於下部圓形水平固定件下表面，是整個裝置的運動和支撐部件；伺服電機控制系統置於下部圓形水平固定件上表面；中部圓形水平固定件通過支撐柱固定於下部圓形水平固定件上表面；數據處理系統和姿態傳感器系統置於中部圓形水平固定件上表面；上部圓形水平固定件通過支撐柱安裝於中部圓形水平固定件上表面；觸控顯示模塊和二自由度攝像頭系統分別置於上部圓形水平固定件上表面；

姿態傳感器系統用於檢測整個系統的運動狀態，並將運動狀態數據通過有線或者無線的方式發送給數據處理系統；

數據處理系統分別與姿態傳感器系統、二自由度攝像頭系統、觸控顯示模塊和伺服電機控制系統相連；一方面解析、處理和儲存姿態傳感器系統採集的各種運動狀態數據，計算運動量，並依據相應的控制模型生成相應的控制指令去控制伺服電機控制系統，伺服電機控制系統然後驅動運動控制系統以改變整體系統的位置和狀態，使其保持動態平衡、運動或停止；形成閉環控制模型，從而實現系統的動態平衡；另一方面分析處理來自二自由度攝像頭系統的圖像數據，進行用戶人臉的識別與跟蹤，並在觸控顯示模塊上顯示幫助信息和用戶信息等，實現友好的交互環境；

二自由度攝像頭系統採集實時環境的圖像信息並發送給數據處理系統，數據處理系統分析處理圖像數據，再根據相應的控制模型控制二自由度攝像頭系統中的Y軸旋轉舵機和Z軸旋轉舵機實現人臉的識別和追蹤；

伺服電機控制系統接收數據處理系統的指令，控制運動控制系統中的旋轉伺服電機和水平伺服電機；

運動控制系統根據伺服電機控制系統的控制指令做出相應的運動，通過旋轉運動和水平運動的合成實現整體系統的自平衡；並在自平衡狀態的基礎上分別調節旋轉運動狀態和水平運動狀態實現整體機器人的旋轉運動和水平運動；通過姿態傳感器系統採集當前系統運動狀態數據並反饋給數據處理系統，形成閉環控制模型；

觸控顯示模塊與數據處理系統相連，顯示相關的交互信息、幫助信息和各種產品的推廣信息等，形成良好的交互界面。

進一步的，所述二自由度攝像頭系統由攝像頭、Y軸旋轉舵機、Z軸旋轉舵機、Y軸旋轉舵機固定架、Z軸旋轉舵機固定件和舵機支撐柱構成；所述攝像頭安裝於Y軸旋轉舵機舵盤上，通過控制Y軸旋轉舵機實現攝像頭的俯仰角度的控制；Y軸旋轉舵機通過Y軸旋轉舵機固定架安裝於Z軸旋轉舵機舵盤上，通過控制Z軸旋轉舵機實現攝像頭的左右角度的控制；Z軸旋轉舵機通過舵機支撐柱和Z軸旋轉舵機固定件固定於上部圓形水平固定件。

進一步的，所述運動控制系統包含獨立態單球體模塊、旋轉運動摩擦輪、旋轉伺服電機固定件、旋轉伺服電機、彈簧減震模塊、水平運動摩擦輪、水平伺服電機固定件、水平伺服電機、圓形固定件和阻礙式夾具；所述獨立態單球體模塊安裝於最底部，是整個系統的運動部分；旋轉運動摩擦輪安裝於旋轉伺服電機主軸部分，整體通過旋轉伺服電機固定件安裝於圓形固定件外緣下表面，其中旋轉運動摩擦輪與獨立態單球體模塊相切；所述水平運動摩擦輪安裝於水平伺服電機主軸部分，整體通過水平伺服電機固定件安裝於圓形固定件上表面，其中水平運動摩擦輪與獨立態單球體模塊相切；彈簧減震模塊均勻垂直安裝於圓形固定件外緣上表面；阻礙式夾具通過阻礙式夾具固定件均勻安裝於圓形固定件下表面邊緣，阻礙式夾具由阻礙式夾具滑動球體、阻礙式夾具彈片和阻礙式夾具固定件組成，其中阻礙式夾具滑動球體與獨立態單球體模塊接觸相切。

進一步的，所述獨立態單球體模塊形狀為一球體，處於獨立態，為整體系統提供行走運動部件，是水平伺服電機和旋轉伺服電機的控制對象。

進一步的，所述旋轉運動摩擦輪安裝於旋轉伺服電機主軸部分，整體使用旋轉伺服電機固定件安裝於圓形固定件表面，控制下方的獨立態單球體模塊做旋轉運動。

進一步的， 所述水平運動摩擦輪安裝於水平伺服電機主軸部分，整體使用水平伺服電機固定件安裝於圓形固定件表面，控制下方的獨立態單球體模塊做水平運動；水平運動摩擦輪為整體系統提供水平運動的動力，在進行旋轉運動的過程中，水平運動摩擦輪與獨立態單球體模塊接觸面少，且兩部件相切點為球體最頂點，與旋轉軸共線，因此水平運動摩擦輪對機器人的旋轉運動影響基本沒有；

進一步的，所述彈簧減震模塊為上部結構提供支撐與減小震動；所述圓形固定件位於獨立態單球體模塊頂部，其作用為固定阻礙式夾具、水平伺服電機、旋轉伺服電機、彈簧減震模塊。

進一步的，所述旋轉運動摩擦輪由旋轉輪內輪與旋轉運動輪表面橡膠構成，並且旋轉運動輪表面橡膠一部分形成旋轉運動輪表面間斷結構，該結構在獨立態單球體模塊做水平運動時將因旋轉運動輪表面橡膠非間斷面的摩擦而處於獨立態單球體模塊正上方，以使得此時旋轉運動摩擦輪與獨立態單球體模塊處於分離狀態，即此時旋轉運動摩擦輪與獨立態單球體模塊之間沒有摩擦力，使得旋轉運動摩擦輪不影響整體系統做水平運動。

進一步的，所述阻礙式夾具由下部阻礙式夾具滑動球體、中部阻礙式夾具彈片和上部阻礙式夾具固定件構成，置於圓形固定件表面，共同控制著獨立態單球體模塊的位置與運動。

本發明的優點：該全向單球體自平衡人臉識別與追蹤機器人運動方式靈活和不受狹窄空間的影響，能在狹小空間內方便地進行原地360度方向的快速運動；與用戶交互方式靈活自由，應用範圍廣，可廣泛應用於服務機器人行業、醫療機器人行業和可攜式助力設備等多個行業；節能環保，採用電控方式，實現零汙染，適應未來發展的需求。

附圖說明

圖1是本發明整體系統的框架圖。

圖2為本發明整體系統的結構正視圖。

圖3為本發明整體系統的結構側視圖。

圖4為本發明運動控制系統的整體結構正視圖。

圖5為本發明運動控制系統的夾具結構側視圖。

圖6為本發明的二自由度攝像頭系統結構側視圖。

附圖標記說明：1—運動控制系統；2—支撐柱；3—數據處理系統；4—觸控顯示模塊；5—二自由度攝像頭系統；6—伺服電機控制系統；7—下部圓形水平固定件；8—中部圓形水平固定件；9—上部圓形水平固定件；10—姿態傳感器系統；101—獨立態單球體模塊；102—旋轉運動摩擦輪；102A—旋轉運動輪表面橡膠；102B—旋轉輪內輪；102C—旋轉運動輪表面間斷結構；103—旋轉伺服電機固定件；104—旋轉伺服電機；105—彈簧減震模塊；106—水平運動摩擦輪；107—水平伺服電機固定件；108—水平伺服電機；109—圓形固定件；110—阻礙式夾具；110A—阻礙式夾具滑動球體；110B—阻礙式夾具彈片；110C—阻礙式夾具固定件；501—舵機支撐柱；502—Y軸旋轉舵機；503—攝像頭；504—Y軸旋轉舵機固定架；505—Z軸旋轉舵機固定件；506—Z軸旋轉舵機。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，本發明設計的全向單球體自平衡人臉識別與追蹤機器人，包括姿態傳感器系統10、數據處理系統3、二自由度攝像頭系統5、伺服電機控制系統6、運動控制系統1和觸控顯示模塊4；

數據處理系統3可以是計算機或嵌入式設備或其它能進行計算處理的裝置，它一方面用於實時讀取、處理和儲存姿態傳感器系統10採集的各種運動姿態數據，並結合當前系統狀態與相關算法控制伺服電機控制系統6，以此實現控制運動控制系統1的狀態來實現整個機器人運動狀態的控制；另一方面數據處理系統3分析處理來自二自由度攝像頭系統5的圖像數據，計算出當前用戶的位置信息，如角度、方位和距離等，再結合歷史數據得到當前用戶的變化量，進而控制二自由度攝像頭系統5裡面的運動部件實現用戶的人臉識別與追蹤等要求；

姿態傳感器系統10包含多種運動狀態傳感器，例如三軸陀螺儀、角度傳感器、速度/加速度傳感器等傳感器，該系統實時反饋當前機器人的運動狀態給數據處理系統3，以此使數據處理系統3能夠實時調節機器人運動狀態並最終在設計點周圍趨於平衡；

二自由度攝像頭系統5實時將環境的圖像數據傳輸給數據處理系統3，並且根據數據處理系統3傳輸的控制指令改變Y軸旋轉舵機502與Z軸旋轉舵機506分別在Y和Z軸上的轉動量，進而實現用戶的人臉識別與追蹤等要求；

伺服電機控制系統6接收來自數據處理系統3的控制指令，進而控制運動系統1中的水平伺服電機108與旋轉伺服電機104的運動狀態；

運動控制系統1由伺服電機控制系統6接收數據處理系統3的控制指令驅動，是整個裝置的運動和支撐部件；運動控制系統1根據數據處理系統3的控制指令做出相應的運動，通過旋轉運動和水平運動的合成實現整體系統的自平衡；並在自平衡狀態的基礎上分別調節旋轉運動狀態和水平運動狀態實現整體系統的旋轉運動和水平運動；

觸摸顯示模塊4接收來自數據處理系統3的顯示數據，例如用戶數據、幫助信息和推廣信息等；

進一步，如圖2和圖3所示，所述運動控制系統1安裝於下部圓形水平固定件7下表面，是整個裝置的運動和支撐部件；伺服電機控制系統6置於下部圓形水平固定件7上表面；中部圓形水平固定件8通過支撐柱2固定於下部圓形水平固定件7上表面；數據處理系統3和姿態傳感器系統10置於中部圓形水平固定件8上表面；上部圓形水平固定件9通過支撐柱2安裝於中部圓形水平固定件8上表面；觸控顯示模塊4和二自由度攝像頭系統5分別置於上部圓形水平固定件9上表面；

進一步，如圖6所示，二自由度攝像頭系統5包括舵機支撐柱501、Y軸旋轉舵機502、攝像頭503、Y軸旋轉舵機固定架504、Z軸旋轉舵機固定件505和Z軸旋轉舵機506；

所述攝像頭503安裝於Y軸旋轉舵機502舵盤上，通過控制Y軸旋轉舵機502實現攝像頭503的俯仰角度的控制；Y軸旋轉舵機502通過Y軸旋轉舵機固定架504安裝於Z軸旋轉舵機506舵盤上，通過控制Z軸旋轉舵機506實現攝像頭503的左右角度的控制；Z軸旋轉舵機506通過舵機支撐柱501和Z軸旋轉舵機固定件505固定於上部圓形水平固定件9；

進一步，如圖4和圖5，運動控制系統1包含獨立態單球體模塊101、旋轉運動摩擦輪102、旋轉伺服電機固定件103、旋轉伺服電機104、彈簧減震模塊105、水平運動摩擦輪106、水平伺服電機固定件107、水平伺服電機108、圓形固定件109和阻礙式夾具110；

所述獨立態單球體模塊101安裝於最底部，是整個系統的運動部分；旋轉運動摩擦輪102安裝於旋轉伺服電機104主軸部分，整體通過旋轉伺服電機固定件103安裝於圓形固定件109外緣下表面，其中旋轉運動摩擦輪102由旋轉運動輪表面橡膠102A和旋轉輪內輪102B組成，並在表面形成旋轉運動輪表面間斷結構102C，其中旋轉運動摩擦輪102與獨立態單球體模塊101相切；所述水平運動摩擦輪106安裝於水平伺服電機108主軸部分，整體通過水平伺服電機固定件107安裝於圓形固定件109上表面，其中水平運動摩擦輪106與獨立態單球體模塊101相切；彈簧減震模塊105均勻垂直安裝於圓形固定件109外緣上表面；阻礙式夾具110通過阻礙式夾具固定件110C均勻安裝於圓形固定件109下表面邊緣，阻礙式夾具110由阻礙式夾具滑動球體110A、阻礙式夾具彈片110B和阻礙式夾具固定件110C，其中阻礙式夾具滑動球體110A與獨立態單球體模塊101接觸相切；

實例：

為了使本發明所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚，以下結合附圖及實例，對本發明做進一步詳細說明。本實例中選擇嵌入式設備作為所述數據處理系統3，所述姿態傳感器系統10可以採用現有的三軸陀螺儀，角度傳感器等檢測傳感器或檢測裝置；所述數據處理系統3與二自由度攝像頭系統5之間通過有線的方式進行數據傳輸；所述姿態傳感器系統10與數據處理系統3之間通過無線方式進行數據傳輸；所述數據處理系統3與所述伺服電機控制系統6以及伺服電機控制系統6與運動控制系統1之間通過有線方式進行數據傳輸；數據處理系統3與觸控顯示模塊4之間通過有線的方式進行數據的傳輸；

所述二自由度攝像頭系統5中的旋轉部件為Y軸旋轉舵機502和Z軸旋轉舵機506，分別控制攝像頭503的Y軸和Z軸旋轉。其中以攝像頭水平時角度為0度計算Y軸旋轉角度為-45度到+60度，Z軸旋轉角度為-90到+90度；Y軸旋轉舵機502和Z軸旋轉舵機506都選用金屬舵機，優點在於可提高旋轉角度的精確度，實現對用戶人臉識別和追蹤的精確定位；

所述觸控顯示模塊4使用11寸電容式觸控螢幕，使與用戶交互時體驗感更好，並且能夠顯示更多的幫助信息以及推廣信息；

所述伺服電機控制系統6使用專用的伺服電機控制器構成，其分析處理數據處理系統3的指令並驅動相應的運動控制系統1裡面的水平伺服電機108和旋轉伺服電機104；

所述運動系統C中獨立態單球體模塊1由內部硬質非金屬材質與其表面高摩擦力橡膠材質構成，其形狀為一球體，半徑為150mm，安裝於整個裝置最下部；旋轉運動部分由旋轉伺服電機104和旋轉運動摩擦輪102組成，共3組，經夾角132度旋轉伺服電機固定件103均勻120度安裝於3mm厚鋁製圓形固定件109外緣下表面。旋轉輪內輪102B與旋轉運動輪表面橡膠102A通過熱成型技術構成旋轉運動摩擦輪102，並在旋轉運動輪表面橡膠102A上形成旋轉運動輪表面間斷結構102C；彈簧減震模塊105通過固定螺母均勻120度垂直固定於3mm厚鋁製圓形固定件109外緣上表面；阻礙式夾具110由阻礙式夾具滑動球體110A、阻礙式夾具彈片110B和阻礙式夾具固定件110C組成。其中阻礙式夾具固定件110C均勻120度安裝於3mm厚鋁製圓形固定件109外緣下表面。阻礙式夾具110均勻夾住獨立態單球體模塊101，並調節阻礙式夾具滑動球體110A安裝位置，使得阻礙式夾具滑動球體110A與獨立態單球體模塊101接觸相切，阻礙式夾具彈片110B的調節使阻礙式夾具滑動球體110A與獨立態單球體模塊101的接觸處於適中的程度，防止運動的不順暢；水平運動部分由水平運動摩擦輪106和水平伺服電機108經固定螺母組成，並通過夾角90度水平伺服電機固定件107安裝於3mm厚鋁製圓形固定件109中部上表面。

本發明所述全向單球體自平衡人臉識別與追蹤機器人的實例控制方案如下：

平衡狀態（靜止）：姿態傳感器系統10實時檢測機器人姿態，並將姿態數據發送給數據處理系統3，數據處理系統3再根據相應的控制算法生成控制指令並發送給伺服電機控制系統6；伺服電機控制系統6最後控制運動控制系統1裡面相應的水平伺服電機108和旋轉伺服電機104，進而同時控制獨立態單球體模塊101，以控制整體裝置趨於平衡；

水平運動狀態：在數據處理系統3收到水平運動指令後將結合姿態傳感器系統10採集的各類參數數值微調所述運動控制系統1中的旋轉伺服電機104以控制整體裝置保持平衡。同時控制所述運動控制系統1中的水平伺服電機108，以驅動所述下部獨立態單球體模塊101的滾動，從而實現裝置的水平運動.而且獨立態單球體模塊101做水平運動時將因旋轉運動結構摩擦輪表面橡膠非間斷面的摩擦而處於獨立態單球體模塊101正上方，以使得此時旋轉運動摩擦輪102與獨立態單球體模塊101處於分離狀態，即此時旋轉運動摩擦輪102與獨立態單球體模塊101之間沒有摩擦力，使得旋轉運動摩擦輪102不影響機器人做水平運動；

旋轉運動狀態：在數據處理系統3收到旋轉指令後將結合姿態傳感器系統10採集的各類參數數值微調所述運動控制系統101中的水平伺服電機103以使裝置保持平衡，同時控制所述運動控制系統101中的旋轉伺服電機104使下部獨立態單球體模塊1進行旋轉運動，從而實現整體裝置的旋轉運動。而且在進行旋轉運動的過程中，水平運動摩擦輪106與獨立態單球體模塊101接觸面少，且兩部件相切點為球體最頂點，與旋轉軸共線，因此水平運動摩擦輪106對旋轉運動的影響基本沒有。

複雜運動狀態：本裝置可進行複雜運動，從而實現靈活的運動方式，即在進行上述（2）運動時也可同時進行（3）運動，反之亦成立。

以上所述為本發明的較佳實例，但本發明不應該局限於該實例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的範圍。