CN106814738A - 一种基于体感控制技术的轮式机器人及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于体感控制技术的轮式机器人及其操控方法，轮式机器人主要是采用手势控制技术，其控制系统是由中央处理器模块、信息检测模块、电机驱动模块、电源等组成。本发明利用信息检测模块检测控制者的控制手势并转化成体感数字信号，经由中央处理器模块进行处理，将得到的倾角和倾斜方向转化为控制信号，利用通信模块进行信息传输，通过电机驱动模块驱动直流电机，实现轮式机器人的运动控制。本发明克服了一些机器人操控的复杂性，甚至需要专业人员操控的缺点，提供的一种采用体感控制技术的轮式机器人，操控简单，无需专业人士，经过简单培训就能掌握使用方法。该设计适用范围广，反应灵敏，动作可靠，运行平稳。

Description

一种基于体感控制技术的轮式机器人及其操控方法

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，具体涉及一种基于体感控制技术的轮式机器人及其操控方法。

背景技术

体感技术在于人们可以直接地使用肢体动作，与周边的装置或环境互动，而无需使用任何复杂的控制设备，便可让人民身临其境地与内容做互动。近年来体感技术广泛应用于3D虚拟现实、空间鼠标、游戏手柄、运动监测、健康医疗照护等领域，取得了巨大的发展。

随着科学技术的不断进步，越来越多的科学技术被广泛的运用到我们的日常生活中，智能交通系统的兴起，极大地促进了轮式机器人技术水平的提高，使智能车辆作为未来交通行业的新型产业，被得以更加深入系统的研究和开发。

轮式机器人最适合在那些人类无法工作的环境中工作，它们已经在许多部门获得了广泛的应用，在某些场合中它们可以比人类工作的更好而且成本低廉。将体感技术应用于机器人的设计，改变了传统的机器人运行方式，可以大大提高机器人的运行效率和安全性。

如中国发明专利CN105643590A公开了一种手势控制的轮式移动机器人及其操作方法，手势控制的轮式移动机器人包括移动运行部分和远程控制部分；其中，移动运行部分包括一个三层的铝合金型材架构、Kinect摄像头、嵌入式无风扇工控机、无刷滞留电机控制器、锂电池、两个驱动轮和一个万向轮；无刷直流电机控制器和锂电池被置于三层的铝合金型材架构的底层，两个驱动轮分别安置在三层的铝合金型材架构的底层底盘左右两侧，万向轮安置在三层的铝合金型材架构的底层底盘后方，三个轮子安装在同一水平面并位于同一圆周上，嵌入式无风扇工控机固定在铝合金架构的中间一层，Kinect摄像头固定在三层的铝合金型材架构的最顶层；Kinect摄像头通过USB接口与嵌入式无风扇工控机相连，嵌入式无风扇工控机与无刷直流电机控制器用线路相连，无刷直流电机控制器用线路连接两个驱动轮对应的两个无刷轮毂电机；远程控制部分由一个连接了Leap Motion体感控制器放置于笔记本电脑的正前方；移动运行部分中的嵌入式无风扇工控机通过无线网卡连接到无线路由器，并将其设置为虚拟服务器，通过建立socket套接字与远程控制中的笔记本电脑实现WIFI数据通信。本发明克服了现有的轮式移动机器人技术中不能通过识别远程控制者的手势向机器人发出运动指令，远程控制者与机器人之间的人机交互手段生硬而不自然的缺陷。但是本发明通过Leap Motion体感控制器感测远程控制者手部运动，然后通过远程控制部分中的笔记本电脑向机器人发出运动指令，体感控制不够直接，设备多，信号传输复杂。另有中国发明专利CN105216887A公开了一种便携式遥控代步跟随机器人，包括车体、上盖、体感机构、分别安装在车体两侧的从动轮和带有轮毂电机主动轮；所述的体感机构包括车体上方的四个方向分别设有的一个压力传感器，固定在车体上方并与控制板和加速度传感器连接；所述的压力传感器由应变电阻粘贴在弹性支架上组成，并位于上盖和车体之间，所述的上盖、通过橡胶垫和弹簧螺栓连接在车体上方并与压力传感器相连接，所述车体的前方设有前摄像头、前灯和前超声波传感器，所述车体的后方设有后灯、后摄像头和后超声波传感器，所述左、右两个轮毂电机带有驱动轮。本发明不但可以载人代步同时兼有机器人的遥控、跟随功能，轮式的实施例适合室内和平整路面，履带式的实施例可以通过不平整的路面，带有摆臂的实施例还可以上下楼梯和跨越障碍。但本发明是通过4个压力传感器的压力数值，计算出人体的重心，重心在车体的前后左右决定着机器人的运动方向，通过前后左右压力的差值，决定机器人的方向和速度，控制者是通过脚部给予的压力控制机器人的运动，而不是手势。目前，通过手势控制机器人的运动尚未有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于体感控制技术的轮式机器人及其操控方法，操控简单，适用范围广，反应灵敏，动作可靠，运行平稳。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种基于体感控制技术的轮式机器人，包括驱动轮、驱动轮电机和控制系统，所述控制系统包括中央处理器模块、信息检测模块、电机驱动模块和电源，其中，

所述电源为中央处理器模块、信息检测模块、电机驱动模块供电；

所述信息检测模块检测控制者的控制手势，并将控制手势转化为体感数字信号后传输给中央处理器模块；

所述中央处理器模块接收并处理体感数字信号，转化成驱动指令后传输给电机驱动模块；

所述电机驱动模块根据驱动指令控制驱动轮电机带动驱动轮运动。

其中，所述中央处理器模块包括两个单片微控制器，其中一所述单片微控制器接收并处理来自于信息检测模块的体感数字信号，另一所述单片微控制器向电机驱动模块发送驱动指令。优选的，所述信息检测模块包括数字式加速度传感器。

其中，两所述单片微控制器之间设有用于信号传输的通信模块，所述通信模块由两个配对的无线蓝牙模块组成。

进一步，所述轮式机器人为三轮或四轮机器人。

本发明实施例还提供一种轮式机器人的操控方法，包括如下步骤：

(1)操控者向轮式机器人作出控制手势；

(2)信息检测模块检测将检测到的控制手势转化为体感数字信号，传输给中央处理器模块进行处理；

(3)中央处理器模块将体感数字信号转化成驱动指令，传输给电机驱动模块；

(4)电机驱动模块根据驱动指令控制驱动轮电机带动驱动轮运动，实现轮式机器人的前进、停止、左转和右转。

其中，步骤(2)中，所述体感数字信号包括前倾信号、后倾信号、左倾信号和右倾信号，用以表征控制者的手部倾角和倾斜方向数值。

其中，步骤(2)中，所述信息检测模块为数字式加速度传感器，其加速度测量原理为：

根据力学理论，力在轴上的投影等于力矢量与该轴单位矢量的数量积在三维空间力系中，设力F与X轴、Y轴和Z轴的夹角分别为α、β和γ，则可直接得到力F在X轴、Y轴和Z轴上的投影，

根据力学理论，力与加速度的矢量方程为：

将式(2)代入式(1)，得到加速度在空间力系中的三维投影表达式：

当计算测量传感器姿态角度时，对加速度传感器进行姿态改变，传感器稳定时，不考虑姿态变换对总加速度的影响，此时传感器仅受到重力作用，加速度a＝g，通过变换，得到判断传感器姿态的角度方程式为，

其中，加速度a_x，a_y和a_z分别为三轴加速度传感器测得的各轴加速度。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明克服了一些机器人操控的复杂性，甚至需要专业人员操控的缺点，操控简单，无需专业人士，经过简单培训就能掌握使用方法，适用范围广，反应灵敏，动作可靠，运行平稳。

附图说明

图1为本发明轮式机器人的原理框图；

图2为加速度空间分解图；

图3为本发明的程序流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一种基于体感控制技术的轮式机器人，可以为三轮机器人或四轮机器人，包括驱动轮、驱动轮电机和控制系统，如图1所示，所述控制系统包括中央处理器模块、信息检测模块、电机驱动模块、通信模块和电源，所述通信模块由两个配对的无线蓝牙模块组成，其中，

所述电源为中央处理器模块、信息检测模块、电机驱动模块、通信模块供电；

所述信息检测模块检测控制者的控制手势，并将控制手势转化为体感数字信号后传输给中央处理器模块；

所述中央处理器模块接收并处理体感数字信号，转化成驱动指令后传输给电机驱动模块；

所述电机驱动模块根据驱动指令控制驱动轮电机带动驱动轮运动。

本发明中，所述中央处理器模块包括两个单片微控制器，比如：STC89C52、STC89C52RC、PIC16F873A等，是整个轮式机器人控制系统的核心，其中一所述单片微控制器接收并处理来自于信息检测模块的体感数字信号，另一所述单片微控制器向电机驱动模块发送驱动指令。两所述单片微控制器之间设有用于信号传输的通信模块，所述通信模块由两个配对的无线蓝牙模块组成，其中一个无线蓝牙用于发射第一个单片微处理器的信号，另一个无线蓝牙用于接收通过前一无线蓝牙发送的第一个单片微处理器的信号，并传输给第二个单片微控制器。

所述信息检测模块选用数字式加速度传感器，比如：ADXL345。数字式加速度传感器一般要求小而薄、超低功耗、分辨率高(13位)，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。它可以直接将测得的加速度值以16位二进制补码输出，单片微控制器可通过SPI或I2C通信方式进行访问。数字式加速度传感器自带偏移寄存器，可以通过设置该寄存器来进行三轴加速度的调零，以及从内部加速度传感器的多个寄存器中读出加速度数据。

加速度测量原理为：

根据力学理论，力在轴上的投影等于力矢量与该轴单位矢量的数量积在如图2所示的三维空间力系中，设力F与X轴、Y轴和Z轴的夹角分别为α、β和γ，则可直接得到力F在X轴、Y轴和Z轴上的投影，

根据力学理论，力与加速度的矢量方程为：

将式(2)代入式(1)，得到加速度在空间力系中的三维投影表达式：

当计算测量传感器姿态角度时，对加速度传感器进行姿态改变，传感器稳定时，不考虑姿态变换对总加速度的影响，此时传感器仅受到重力作用，加速度a＝g，通过变换，得到判断传感器姿态的角度方程式为，

其中，加速度a_x，a_y和a_z分别为三轴加速度传感器测得的各轴加速度。

本发明采用模块化设计方法，相关程序主要包括主程序、遥控控制程序、电机驱动程序等，系统软件总流程图如图3所示。

本发明还提供一种轮式机器人的操控方法，包括如下步骤：

(1)操控者向轮式机器人作出控制手势；

(2)信息检测模块检测将检测到的控制手势转化为体感数字信号，传输给中央处理器模块进行处理；

其中，所述体感数字信号包括前倾信号、后倾信号、左倾信号和右倾信号。

(3)中央处理器模块将体感数字信号转化成驱动指令，传输给电机驱动模块；

(4)电机驱动模块根据驱动指令控制驱动轮电机带动驱动轮运动，实现轮式机器人的前进、停止、左转和右转。

本发明采用数字式加速度传感器作为体感控制器，单片微控制器(比如：STC89C52、STC89C52RC、PIC16F873A等)作为中央处理器，性价比较高的蓝牙技术作为通信手段，实现了通过手势变化无线操控轮式机器人的目的。通过体感控制器的前倾、后倾、左倾和右倾动作，实现对机器人的前进、停止、左转和右转的无线控制。该轮式机器人符合体感控制要求，反应灵敏，运行可靠。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于体感控制技术的轮式机器人，其特征在于，包括驱动轮、驱动轮电机和控制系统，所述控制系统包括中央处理器模块、信息检测模块、电机驱动模块和电源，其中，

所述电源为中央处理器模块、信息检测模块、电机驱动模块供电；

所述信息检测模块检测控制者的控制手势，并将控制手势转化为体感数字信号后传输给中央处理器模块；

所述中央处理器模块接收并处理体感数字信号，转化成驱动指令后传输给电机驱动模块；

所述电机驱动模块根据驱动指令控制驱动轮电机带动驱动轮运动。

2.根据权利要求1所述的基于体感控制技术的轮式机器人，其特征在于，所述中央处理器模块包括两个单片微控制器，其中一所述单片微控制器接收并处理来自于信息检测模块的体感数字信号，另一所述单片微控制器向电机驱动模块发送驱动指令。

3.根据权利要求1所述的基于体感控制技术的轮式机器人，其特征在于，所述信息检测模块包括数字式加速度传感器。

4.根据权利要求2所述的基于体感控制技术的轮式机器人，其特征在于，两所述单片微控制器之间设有用于信号传输的通信模块，所述通信模块由两个配对的无线蓝牙模块组成。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的基于体感传感器技术的轮式机器人，其特征在于，所述轮式机器人为三轮或四轮机器人。

6.一种如权利要求1～5中任一项所述的轮式机器人的操控方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)操控者向轮式机器人作出控制手势；

(2)信息检测模块检测将检测到的控制手势转化为体感数字信号，传输给中央处理器模块进行处理；

(3)中央处理器模块将体感数字信号转化成驱动指令，传输给电机驱动模块；

(4)电机驱动模块根据驱动指令控制驱动轮电机带动驱动轮运动，实现轮式机器人的前进、停止、左转和右转。

7.根据权利要求6所述的轮式机器人的操控方法，其特征在于，步骤(2)中，所述体感数字信号包括前倾信号、后倾信号、左倾信号和右倾信号。

8.根据权利要求6所述的轮式机器人的操控方法，其特征在于，步骤(2)中，所述信息检测模块为数字式加速度传感器，其加速度测量原理为：

根据力学理论，力在轴上的投影等于力矢量与该轴单位矢量的数量积在三维空间力系中，设力F与X轴、Y轴和Z轴的夹角分别为α、β和γ，则可直接得到力F在X轴、Y轴和Z轴上的投影，

根据力学理论，力与加速度的矢量方程为：

将式(2)代入式(1)，得到加速度在空间力系中的三维投影表达式：

当计算测量传感器姿态角度时，对加速度传感器进行姿态改变，传感器稳定时，不考虑姿态变换对总加速度的影响，此时传感器仅受到重力作用，加速度a＝g，通过变换，得到判断传感器姿态的角度方程式为，

其中，加速度a_x，a_y和a_z分别为三轴加速度传感器测得的各轴加速度。