CN105035197B - 基于手势控制的球型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手势控制的球型机器人。包括用于构成球体的球壳、用于将人的手势变化转换为控制信号的手势控制模块、用于控制球型机器人的中央处理器模块、用于中央处理器模块与手势控制模块进行无线通讯的无线传输模块、用于启动球型机器人运动的开关模块、用于为以上模块提供电能的电池。本发明具有结构简单、行动迅速、转向灵活、运动效率高、维护方便等优点，可广泛应用于儿童智力开发、休闲娱乐、未知领域探测等。

Description

基于手势控制的球型机器人

技术领域

本发明涉及球型机器人技术，特别是一种手势控制的球型机器人。

背景技术

近年来，一种新型的行走机器人-球型机器人的研究开始引起机器人研究者的注意，球型机器人的出现是人类研究行走机构上的一次突破。作为一种新型的行走机器人，它具有全方位运动、适应环境能力强等优点，引起了越来越多的研究人员的关注，并在科学研究、抢险、军事和日常生活中具有广泛的应用前景。

现在球型机器人的研究分为两种：一种是轮式驱动球型机器人，另一种是轮辐式球型机器人。但是轮式驱动球型机器人存在轮与球体间的滑动问题以及轮对球壳的支撑力造成的球体变形问题，而轮辐式球型机器人虽然真正实现了球型机器人的全方位运动，但设计和安装要求较高，各种传感装置或其他设备的安装会影响机器人的运动，其运动学和动力学建模也较复杂、控制比较困难，目前还没有精确的控制模型。

由此可见，在现有技术中，球型机器人虽然实现了全方位运动，但设计和安装要求较高，各种传感装置或其他设备的安装会影响机器人的运动，其运动学和动力学建模也较复杂、控制比较困难，目前还没有精确的控制模型。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于设计一种控制简单、能够实现全方位运动的球型机器人。其具有全方位运动特性，另外还具有结构简单、原理清晰的特点。无论在控制上还是在价格上都很好的满足了机器人广泛应用的要求。并且凭借其新颖性与趣味性可以预见其有广阔的机器人市场。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种手势控制的球型机器人，其特征在于，所述球型机器人包括中央处理器模块、开关模块、动力模块、无线传输模块、手势控制模块、电池、驱动模块、稳压模块组、传感器模块、音乐模块、灯光模块；其中，

中央处理器模块，用于接收传感器检测到的信号和手势控制模块发出的信号，处理相关信号，控制灯光模块、音乐模块、驱动模块和动力模块，所述中央处理器模块由单片机组成。

开关模块，用于控制整个系统电路的通断，所述开关模块由自锁拨动开关构成，通过引线接至球内壁的槽孔上。

动力模块，用于为球体各个方向的运动提供动力，执行所述中央处理器模块传输的控制信号。

无线传输模块，用于通过无线数据传输实现人机互动以及进行球的中央处理器模块和手势控制模块中央处理器之间的通讯。

手势控制模块，用于将所述传感器模块检测到的手势变化信号，通过所述无线传输模块将该信号传输给球内中央处理器模块，实现人球互动。

灯光模块，用于接收球内中央处理器模块发送的控制信号来调节灯光闪烁。

音乐模块，用于接收球内中央处理器模块发送的控制信号来控制音乐的播放。

电池，用于为中央处理器模块、开关模块、驱动模块、无线传输模块、手势控制模块、传感器模块、音乐模块、灯光模块供电。

稳压模块组，用于将电池电压转换为5V与3.3V电压，为中央处理器模块、驱动模块、无线传输模块、手势控制模块、传感器模块、音乐模块、灯光模块供电。

传感器模块，用于将物体的空间位置变化转换为电信号，定时的将检测到的数据信息传输给中央处理器模块，由所述中央处理器模块处理数据并执行相应的动作达到传感器的检测效果，所述传感器模块为用于检测姿态的传感器模块。

动力模块由控制转向的电机模块、控制平衡的电机模块、控制前进的电机模块构成；其中，

控制前进的电机模块包括前进电机、前进电机套、摆杆、摆锤；前进电机安装于前进电机套内，前进电机轴与摆杆相连，摆杆与摆锤相连，从而通过前进电机的转动可以实现球的前进或后退。

控制转向的电机模块包括转向电机、滑块、滑槽、转向电机套；滑槽位于所述前进电机套内，滑块放置于滑槽内，并可在滑槽内滑动；转向电机安装于转向电机套内，转向电机轴与滑块固连在一起，从而通过转向电机的转动可以实现球的转向。

控制平衡的电机模块包括平衡电机、平衡电机套、齿条、挡板、齿轮；齿条放置于前进电机套内，挡板放置于前进电机套内，齿轮放置于齿条与挡板之间，并可以沿齿条前进或后退；平衡电机安装于平衡电机套内，平衡电机轴与齿轮固连在一起，从而通过平衡电机的转动可以实现球的平衡运动。

驱动模块，用于为前进电机、转向电机、平衡电机提供电流，使前进电机、转向电机、平衡电机达到一定的转速。

综上所述，本发明所述一种手势控制的球型机器人外部结构包括拨动开关和球形外壳；中央处理器模块用于处理相关信号，控制灯光模块，音乐模块，动力模块和驱动模块；开关模块用于控制整个系统电路的通断；动力模块用于为球型机器人提供动力；无线传输模块用于通过无线数据传输实现人机互动以及进行球的中央处理器模块和手势控制模块中央处理器之间的通讯；电池用于为中央处理器模块、开关模块、动力模块、无线传输模块、手势控制模块、驱动模块、传感器模块、音乐模块、灯光模块供电。因此，本发明具有结构简单、使用方便的特点。另外，本发明采用的中央处理器模块、开关模块、动力模块、无线传输模块、手势控制模块、电池、驱动模块、稳压模块组、传感器模块、音乐模块、灯光模块可靠性均较高，故本发明具有较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明机械结构原理图1。

图2为本发明机械结构原理图2。

图3为本发明机械结构原理图3。

图4为本发明的电路工作总体流程图。

图5为本发明所述驱动模块的组成结构示意图。

图6为本发明所述稳压模块组的组成结构示意图。

图7为本发明无线传输模块的工作示意图。

图8为本发明无线传输模块的组成结构示意图。

图9为本发明音乐播放模块的组成结构示意图。

图10为本发明传感器模块的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步地详细描述。

请参阅图1、图2及图3，本发明所述球型机器人包括球壳1和设置于球壳1内的内部结构主体2。

内部结构主体2设置于球壳1内，主体包括电机组21、配重组22、电机套组23、核心控制板24和电池25。

电机组21包括平衡电机211、前进电机212和转向电机213，平衡电机211维持球体运动时的平稳性，前进电机212为球体运动提供动力，转向电机负责球体的转向运动，可以使球体实现任意方向的运动。

配重组22包括摆杆221和摆锤222，两组摆杆221与摆锤222组成的配重对称安装于前进电机212的两侧，配重的摆动可以使球产生重心偏移，而重心偏移为球体运动提供动力。

电机套组23包括平衡电机套231、驱动电机套232和转向电机套233，平衡电机套231固定平衡电机211，一端与内球壳相连；转向电机套233固定转向电机213，一端与内球壳相连；驱动电机套232除了固定前进电机212外，在其左右两侧还分别固定有电池25和核心控制板24，上下两头分别设有滑槽2321、滑块2322、齿轮2323、齿槽2324，滑槽和滑块与转向电机213相结合完成球体的转向功能，齿轮和齿槽与平衡电机211相结合来保持球体运动时的平稳性。

核心控制板24固定在驱动电机套232的一侧，核心控制板24上集成有电源转换模块，开关模块，运动和磁场检测集成模块，驱动模块4，无线传输模块6，蓝牙通讯调试模块，中央处理器模块3，以及灯光模块2和音乐模块5。为其供电后，中央处理器模块通过驱动模块控制电机以及控制发光二极管和音乐播放器来分别实现球体的运动、灯光闪烁效果和音乐的播放。

电池25固定在驱动电机套232的另一侧。

本发明所述手势控制的球型机器人在工作时，核心控制板24通过驱动模块4控制前进电机212正、反旋转带动配重组22旋转，配重组22的旋转运动使内部结构主体2重心发生变化进而使球型机器人前进和后退；核心控制板24控制平衡电机211旋转来轻微的调节内部结构主体2的重心使球体运动时保持平稳；核心控制板24控制转向电机213旋转来改变内部结构主体2的姿态，使球体可以360°方向运动。具体地，核心控制板24通过无线接收模块接收手势感应器上无线发送模块发送的手势指令后，通过驱动模块4控制平衡电机211、前进电机212和转向电机213的旋转进而驱动球体平稳的运动。

图4为本发明所述电路工作总体流程图。如图4所示，手势控制模块11感应到手势变化后将手势变化转换为电信号，然后通过无线传输模块6与中央处理器模块3进行通信，中央处理器模块3处理信号后发送给驱动模块4来驱动电机组21使球型机器人运动，电池25通过5V稳压模块9与3.3V稳压模块8分别为中央处理器模块3、无线传输模块6、传感器模块7、手势控制模块11、灯光模块2、音乐模块5供电。

图5为本发明所述驱动模块的组成结构示意图。如图5所示，驱动模块由两片驱动芯片41和三个保护电阻组成。由于每个驱动芯片41可以驱动两个电机，其驱动方式完全相同，本图只是其中一个驱动电机的原理图。驱动芯片的输入1、输入3与中央处理器模块直接相连，输入2经保护电阻R1与中央处理器模块相连，输出端与平衡电机211相连，驱动芯片的使能端接5V电源、电源端接7.2V电源，接地端接地。

图6为本发明所述稳压模块组的组成结构示意图。如图6所示，稳压模块组包括3.3V稳压模块8和5V稳压模块9，其中3.3V稳压模块8包括3.3V稳压芯片、电容C₁、电容C₂、电容C₃和电容C₄。稳压芯片的输入端与电容C₁、C₂一端相连并连接7.2V电压，电容C₁、C₂的另一端接地；同样稳压芯片的输出端与电容C₃、C₄一端相连并连接5V电压，电容C₃、C₄的另一端接地。其中5V稳压模块9包括5V稳压芯片、电容C₅、电容C₆、电容C₇和电容C₈，其电路连接方式与3.3V稳压模块8的连接方式相同。

图7为本发明无线传输模块组的工作示意图。如图7所示，中央处理器模块3可以与第一无线通讯模块61进行信号的相互传输，第一无线通讯模块61可以与第二无线通讯模块62进行信号的无线传输，第二无线通讯模块62再与手势控制模块11相互通信，从而达到了中央处理器模块3与手势控制模块11之间的相互通信功能。

图8为本发明无线传输模块的组成结构示意图。如图8所示，无线传输模块6包括第一无线通讯模块61、第二无线通讯模块62，其中第一无线通讯模块61和第二无线通讯模块62均由集成无线芯片组成。第一无线通讯模块61的信号端与中央处理器模块3连接，可以相互通信；时钟端与中央处理器模块3连接，由中央处理器模块3提供时钟脉冲；电源端接5V电压，接地端接地；信号接收发射端与第二无线通讯模块62的信号接收发射端通过无线进行相互通信；第二无线通讯模块62的电源端与接地端分别接5V电压和地；信号端与手势控制模块11连接，可以相互通信；时钟端与手势控制模块11连接。因此无线传输模块组通过收发无线信号将中央处理器模块3与手势控制模块11联系起来。

图9为本发明音乐播放模块的组成结构示意图。如图9所示，音乐播放模块包括音乐芯片，电阻R₂、R₃，电容C₉、C₁₀、C₁₁、C₁₂，小喇叭。中央处理器模块3与电容C₁₁连接，电容C₁₁与可变电阻R₃连接，可变电阻R₃的一端接音乐芯片的输入口，另一端与电阻R₂连接，电阻R₂通过C₉与C₁₀的一端连接，此端同时连接到音乐芯片的输出口，C₁₀的另一端与小喇叭连接，小喇叭一端接地，音乐芯片的其中一个电源端直接接3.3V电压，另一个电源端通过电容C₁₂接3.3V电压，接地端均接地。这样就达到了中央处理器模块3控制音乐播放的功能。

图10为本发明传感器模块的组成结构示意图。如图10所示，传感器模块7由集成传感器芯片组成，集成传感器芯片的电源端1与电源端2分别接5V与3.3V电压，接地端接地；中断输出端与中央处理器模块3连接，由中央处理器模块3向集成传感器芯片发送中断信号；数据端与中央处理器模块3连接，集成传感器芯片向中央处理器模块3发送检测数据；时钟端与中央处理器模块3连接，由中央处理器模块3为集成传感器芯片提供时钟脉冲。集成传感器芯片定时将数据信息传输给中央处理器模块，由中央处理器模块处理数据并执行相应的动作以达到集成传感器芯片的检测效果。

综上所述，以上仅为本发明较佳实施方式而已，并非限于本发明的保护范围。凡在本发明精神和方案基础上所做的任何修改和改进等，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于手势控制的球型机器人，其特征在于，所述球型机器人包括传感器模块、无线传输模块、手势控制模块、中央处理器模块、动力模块、开关模块、灯光模块、音乐模块、电池、驱动模块、稳压模块组；其中，

传感器模块，用于将物体的空间位置变化转换为电信号；

无线传输模块，用于无线数据传输，实现球内的中央处理器模块和手势控制模块中央处理器之间的通讯；

手势控制模块，用于将所述传感器模块检测到的手势变化信号，通过所述无线传输模块将该信号传输给球内中央处理器模块，实现人球互动；

中央处理器模块，用于接收所述传感器模块检测到的信号和所述手势控制模块发出的信号，处理相关信号，控制灯光模块、音乐模块、驱动模块和动力模块；

动力模块，用于为球体各个方向的运动提供动力，执行所述中央处理器模块传输的控制信号；

开关模块，用于控制整个系统电路的通断，所述开关模块由自锁拨动开关构成，通过引线接至球内壁的槽孔上；

灯光模块，用于接收球内中央处理器模块发送的控制信号来调节灯光闪烁；

音乐模块，用于接收球内中央处理器模块发送的控制信号来控制音乐的播放；

电池，用于为中央处理器模块、开关模块、驱动模块、无线传输模块、手势控制模块、传感器模块、音乐模块、灯光模块供电；

稳压模块组，用于将电池电压转换为5V与3.3V电压，为中央处理器模块、驱动模块、无线传输模块、手势控制模块、传感器模块、音乐模块、灯光模块供电；

动力模块由控制转向的电机模块、控制平衡的电机模块、控制前进的电机模块构成；其中，

控制前进的电机模块包括前进电机、前进电机套、摆杆、摆锤；前进电机安装于前进电机套内，前进电机轴与摆杆相连，摆杆与摆锤相连，从而通过前进电机的转动可以实现球的前进或后退；

控制转向的电机模块包括转向电机、滑块、滑槽、转向电机套；滑槽位于所述前进电机套内，滑块放置于滑槽内，并可在滑槽内滑动；转向电机安装于转向电机套内，转向电机轴与滑块固连在一起，从而通过转向电机的转动可以实现球的转向；

控制平衡的电机模块包括平衡电机、平衡电机套、齿条、挡板、齿轮；齿条放置于前进电机套内，挡板放置于前进电机套内，齿轮放置于齿条与挡板之间，并可以沿齿条前进或后退；平衡电机安装于平衡电机套内，平衡电机轴与齿轮固连在一起，从而通过平衡电机的转动可以实现球的平衡运动；

驱动模块，用于为前进电机、转向电机、平衡电机提供电流，使前进电机、转向电机、平衡电机达到一定的转速。

2.根据权利要求1所述的基于手势控制的球型机器人，其特征在于，所述中央处理器模块由单片机组成。

3.根据权利要求1所述的基于手势控制的球型机器人，其特征在于，所述无线传输模块为无线通讯模块。

4.根据权利要求1所述的基于手势控制的球型机器人，其特征在于，所述传感器模块为用于检测姿态的传感器模块。