CN108228008A - 一种基于弹性波识别的人形机器人触觉外壳的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于弹性波识别的人形机器人触觉外壳的实现方法，应用该方法的机器人触觉外壳包含一个弧面壳体，一组信号处理元件，以及至少一组弹性波声电换能器；该触觉外壳的弧面壳体内侧表面的四个顶点分别被四个弹性波声电换能器占据；本发明适用于制作一个人形机器人的弧面触觉外壳部件，可以整体装配进入一个人形机器人作为其头部或背部组件，并实现用户与人形机器人的点击触碰交互；通过本发明制作的触觉外壳针对弹性波在常见机器人外壳材质上的传递特性的研究和实验，对弹性波的信号处理方式进行了特殊设计，对弧面壳体上的触碰位置定位采用了墨卡托投影，从而简化了交互功能的设计和信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于弹性波识别的人形机器人触觉外壳的实现方法，通过对人形机器人弧面壳体内部增加弹性波换能器的方式，检测在弧面壳体上的点击碰撞的位置，从而实现人形机器人与用户的互动。
背景技术
人形机器人作为仿真型机器人，需要具有拟人的外观，一般采用玻璃钢、ABS等工程塑料，金属等材质制作其弧面壳体的外壳结构，一般采用机械加工或3D打印形成。拟人的机器人需要模拟人的感官和交互行为，对于人的视觉功能，人形机器人通过摄像头和机器人视觉来实现感知，而对于人的触觉，目前为止没有很好的解决方案。部分机器人采用ITO镀层或模拟电容触摸屏的方式来实现交互，如日本索尼的Pepper机器人在正面增加一个触摸屏的方式来提供用户与机器人的交互，这种方法不符合拟人的本能，也给机器人增加了额外的部件。
根据已公布的资料，如WO 9611378(A1)以及WO 2004055661(A1)，存在一种根据点击或碰撞在一个平板里产生的超声波进行计算，推导(x，y)坐标值的触控技术。此类技术通常应用在玻璃或金属材质上，具有四对超声波换能器，并通常对界面的机械机构进行优化，提高信噪比，从而收集点击产生的声波到达不同换能器产生的信号。此类技术往往具有相应的算法，能根据触碰产生的振动波(超声波)达到不同换能器组的时间差计算推导位置信息。此类技术可以支持多达数平方米的交互界面的设计和制造。需要提及的是，此处及本发明提及的超声波为触碰产生的机械弹性波，在固体内部传递。
发明内容
为了能够利用机器人本身的弧面壳体直接进行触觉交互，本发明通过研究弹性波在弧面壳体内传递的特性，可直接将弧面壳体转化为交互界面，从而减少了触摸屏等非直观的触觉交互组件，增强了机器人的拟人化效果，使得人形机器人更具交互功能。
人形机器人的弧面壳体分为头部，背部，手臂以及腿部等组件，一般需要进行人机交互的组件为头部和背部的壳体。使用本发明的壳体内部安装有弹性波换能器，主要由压电陶瓷构成。经过对玻璃钢、金属、工程塑料的性质的分析，当用户用手指、指挥棒等刚性物体与此类材质的壳体碰撞时产生的机械弹性振动波，其典型波长为40mm。本发明涉及的压电陶瓷换能器的尺寸需要小于波长的一半。当材质为玻璃钢、ABS等工程塑料或金属，其弧面壳体厚度不超过5mm时，在此配置条件下，点击触碰所产生的机械弹性波为朗姆型超声波，该类型超声波属于弹性波的一种。涉及到人形机器人，通过实验分析，弹性波频率在20kHz到200kHz之间的部分为信号最强的部分。通过带通滤波，可以筛出掉其他的噪音信号，主要包括机器人制动部分如线性马达等运转带来的振动波和噪音，后者信号频率范围主要在50Hz左右。
在上述配置下，我们可以使用四组换能器来检测点击位置。每组换能器分别占据机器人弧面壳体内侧表面的四个几何顶点。以往根据点击或碰撞在一个平板里产生的超声波进行计算，推导(x，y)坐标值的触控技术，根据三角定位的原理，一个点击触碰到达三个换能器的距离如果确定，即可确定该点击触碰的相对位置；而人形机器人弧面壳体为空间曲面，根据空间几何，薄壳体上的位置则需要四个距离信息才能明确定位，意味着需要四个换能器才可以实现距离推算。检测位置的计算，通过观察触碰产生的弹性波到达不同顶点的时间差来计算。与平板触摸屏等不同，弧面壳体的形状不规则，需要对相对位置进行投影定位，类似地球仪的地图投影。我们采用墨卡托投影方式，该方式是圆柱投影的一种，是由地理学家墨卡托于16世纪发明的。使用该投影方式，弧面壳体分为经线和纬线，纬线左右方向平行，长度一样，覆盖整个投影长方形的画幅；而经线是上下方向平行，垂直于纬线。弧面壳体从而可投影为长方形，点击产生的(xr,yr)位置为长方形投影上的位置。
本发明的有益效果是，可以在不增加外部组件的条件下，利用人形机器人本身的弧面壳体可以传递弹性波的特性制作机器人触觉外壳，其所实现的交互功能通过点击触碰位置的变化和点击频次来实现：例如，用户单次点击该壳体中心区域位置可唤醒人形机器人；点击弧面上部区域位置可以使机器人抬头；连续点击机器人可使机器人摇晃头部。
附图说明
图1是人形机器人的弧形壳体的构建图；
图2是人形机器人弧面外壳的墨卡托投影，以及弹性波换能器在投影面上的相对位置示意图；
图3是用户与机器人交互示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
参见图1，本发明涉及的人形机器人101,其弧面壳体主要是背部或头部弧面壳体102。
参见图2A，弧面壳体201，在图2B中经过墨卡托投影202分隔投影后，在图2C中形成长方形投影平面203，四组弹性波换能器204分布在长方形203的四个顶点。四组换能器的方位构成交互工作面积的四个顶点，并形成一个长方形的交互面积。在此面积内，(xr，yr)处发生的点击触碰的振动波，到达不同换能器组的时间t1，t2，t3，t4被记录并送到处理芯片205处，通过几何计算即可获取位置信息(xr，yr)。换能器均通过电缆连接到信号处理模块205。205内部包含一个带通信号滤波放大电路206。针对四组换能器，点击触碰时产生的超声波信号的频率在20kHz到200kHz之间，MC通过带通滤波，而可以减少机器人马达运转带来的环境噪音，以及外部声音信号。
参见图3，机器人触觉外壳301的交互功能通过点击触碰位置的变化和点击频次来实现：例如，用户302单次点击该壳体中心区域位置可唤醒人形机器人；点击弧面上部区域位置可以使机器人抬头；连续点击机器人可使机器人摇晃头部。
综上，本发明适用于制作一个人形机器人的弧面触觉外壳部件，可以整体装配进入一个人形机器人作为其头部或背部组件，并实现用户与人形机器人的点击触碰交互。通过本发明制作的人形机器人触觉外壳在实现点击触碰位置检测的同时，针对弹性波在常见机器人外壳材质上的传递特性的研究和实验，对弹性波的信号处理方式进行了特殊设计，对弧面壳体上的触碰位置定位采用了墨卡托投影，从而简化了交互功能的设计和信号处理。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于弹性波识别的人形机器人触觉外壳的实现方法，使用该方法实现的机器人触觉外壳包含一个弧面壳体，一组信号处理元件，以及至少一组弹性波声电换能器，其特征是：人形机器人的触觉外壳材质为玻璃钢材质、工程塑料或金属构成；所述弹性波换能器为压电陶瓷片；所述压电陶瓷片与弧面壳体之间通过粘接紧密相连；所述压电陶瓷片布置在弧面壳体内部，保留壳体外侧面均匀和光滑；所述弹性波声电换能器与信号处理元件相连，并通过带通滤波，选择性接收指定弹性波信号。
2.根据权利要求1所述的人形机器人触觉外壳的实现方法，其特征是：所述弹性波声电换能器与信号处理元件相连后通过的带通滤波模块，为选择性接收20kHz到200kHz的弹性波信号的带通滤波。
3.根据权利要求2所述的人形机器人触觉外壳的实现方法，其特征是：所述人形机器人触觉外壳为机器人的头部或背部外壳；所述弧面壳体内侧表面的四个顶点部分分别被四个所述弹性波声电换能器占据，并通过电路和程序方法，推导一个点击触碰发生在弧面壳体表面的相对位置(xr，yr)，并在墨卡托投影即圆柱投影后形成的长方形几何区域上显示；推导方法为检测点击触碰产生的弹性波到达不同换能器组的传递时间的不同后进行推算；所述点击触碰是刚性物体与弧面壳体短时间接触产生。
4.根据权利要求3所述的人形机器人触觉外壳的实现方法，其特征是：所述刚性物体可以是手指指尖、钢笔、木棒。
5.根据权利要求4所述的人形机器人触觉外壳的实现方法，其特征是：所述触觉外壳具有电路及程序组件，可以通过无线或有线方式，将检测到的点击触碰位置(xr，yr)传递给机器人中央处理模块；从而可以提供相应的机器人与用户的交互功能。
6.根据权利要求5所述的人形机器人触觉外壳的实现方法，其特征是：所述交互功能通过点击触碰位置的变化和点击频次来实现；单次点击中心区域位置可唤醒人形机器人；点击弧面上部区域位置可以使机器人抬头；连续点击机器人可使机器人摇晃头部。
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