CN108829016B - 摇动控制系统及揺动机器人 - Google Patents

摇动控制系统及揺动机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种摇动控制系统，用于使被控物体进行摇动，所述被控物体内部安装有磁铁；所述系统包括：控制器，与所述控制器电连接的距离传感器、霍尔传感器、驱动电路，与所述驱动电路连接的电磁铁；所述距离传感器用于感测设定距离内的被控物体，并在感测到所述被控物体后向所述控制器发送触发信号；所述霍尔传感器用于感测所述被控物体运动的角度，向所述控制器发送角度感应信号；所述控制器根据所述触发信号和所述角度感应信号向所述驱动电路输出控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁交替提供正向电流和反向电流，以驱动所述被控物体摇动。本发明还公开一种摇动机器人，其结构设计简单，大大丰富了现有消费级机器人的运动功能。

Description

摇动控制系统及揺动机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种摇动控制系统及揺动机器人。
背景技术
目前，随着人工智能技术的发展，机器人已经开始进入家庭场景，尤其是具有儿童教育和陪伴角色的机器人备受家长和市场热捧。
机器人大都带有运动功能，比较常见的运动功能有旋转、俯仰、行走、跳跃、摇头等动作，但运动功能的结构设计往往比较复杂，大多应用于专业级机器人。由于消费级机器人的设计需要更多地考虑到成本及加工等因素，因此如何简化机器人运动结构，降低成本，丰富消费级机器人的功能，也是业界关注的一个问题。
发明内容
本发明提供一种摇动控制系统及揺动机器人，以丰富现有消费级机器人的运动功能。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种摇动控制系统，用于使被控物体进行摇动，所述被控物体内部安装有磁铁；所述系统包括：控制器，与所述控制器电连接的距离传感器、霍尔传感器、驱动电路，与所述驱动电路连接的电磁铁；
所述距离传感器用于感测设定距离内的被控物体，并在感测到所述被控物体后向所述控制器发送触发信号；
所述霍尔传感器用于感测所述被控物体运动的角度，向所述控制器发送角度感应信号；
所述控制器根据所述触发信号和所述角度感应信号向所述驱动电路输出控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁交替提供正向电流和反向电流，以驱动所述被控物体摇动；
所述驱动电路包括两个P-MOS管，分别为第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，两个N-MOS管，分别为第三MOS管Q3和第四MOS管Q4，两个NPN三极管，分别为第一三极管Q5和第二三极管Q6；第一输入端SW1连接第一三极管Q5的基极，第二输入端SW2连接第二三极管Q6的基极；第一MOS管Q1的栅极和第三MOS管Q3的栅极均连接第一三极管Q5的集电极，第一MOS管Q1的漏极和第三MOS管Q3的漏极均连接电磁铁线圈的一端；第二MOS管Q2的栅极和第四MOS管Q4的栅极均连接第二三极管Q6的集电极，第二MOS管Q2的漏极和第四MOS管Q4的漏极均连接电磁铁线圈的另一端。
优选地，所述驱动电路包括两个输入端，分别为第一输入端和第二输入端；
所述控制器收到所述触发信号后，向所述驱动电路的第一输入端输出第一控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁提供正向电流，以驱动所述被控物体向一侧运动；
所述控制器收到所述角度感应信号后，向所述驱动电路的第二输入端输出第二控制信号；使所述驱动电路向所述电磁铁提供反向电流，以驱动所述被控物体向另一侧反向运动。
优选地，所述第一控制信号和所述第二控制信号为互为反向的PWM信号。
优选地，所述控制器还用于在向所述驱动电路的的第一输入端输出第一控制信号后，设定时间内未收到所述角度感应信号时停止输出所述第一控制信号。
优选地，所述系统还包括：基座，所述控制器及所述驱动电路设置在所述基座内，所述距离传感器和所述霍尔传感器设置在所述基座上。
一种揺动机器人，包括：分体式基座及机器人，所述基座用于放置所述机器人，所述机器人内部安装有磁铁及配重块，所述基座上设置有距离传感器、霍尔传感器、电磁铁，在所述基座内部设置有控制器、驱动电路；所述控制器分别与所述距离传感器、霍尔传感器、驱动电路电连接，所述驱动电路还与所述电磁铁连接；
所述机器人放置到所述基座后，所述距离传感器向所述控制器发送触发信号；
所述霍尔传感器用于感测所述机器人运动的角度，向所述控制器发送角度感应信号；
所述控制器根据所述触发信号和所述角度感应信号向所述驱动电路输出控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁交替提供正向电流和反向电流，以驱动所述机器人摇动；
所述驱动电路包括两个P-MOS管，分别为第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，两个N-MOS管，分别为第三MOS管Q3和第四MOS管Q4，两个NPN三极管，分别为第一三极管Q5和第二三极管Q6；第一输入端SW1连接第一三极管Q5的基极，第二输入端SW2连接第二三极管Q6的基极；第一MOS管Q1的栅极和第三MOS管Q3的栅极均连接第一三极管Q5的集电极，第一MOS管Q1的漏极和第三MOS管Q3的漏极均连接电磁铁线圈的一端；第二MOS管Q2的栅极和第四MOS管Q4的栅极均连接第二三极管Q6的集电极，第二MOS管Q2的漏极和第四MOS管Q4的漏极均连接电磁铁线圈的另一端。
优选地，所述驱动电路包括两个输入端，分别为第一输入端和第二输入端；
所述控制器收到所述触发信号后，向所述驱动电路的第一输入端输出第一控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁提供正向电流，以驱动所述被控物体向一侧运动；
所述控制器收到所述角度感应信号后，向所述驱动电路的第二输入端输出第二控制信号；使所述驱动电路向所述电磁铁提供反向电流，以驱动所述被控物体向另一侧反向运动。
优选地，所述第一控制信号和所述第二控制信号为互为反向的PWM信号。
优选地，在所述基座上设置有凹槽，所述电磁铁嵌设在所述凹槽内。
优选地，在所述基座内还设置有电池及无线充电器。
本发明提供的摇动控制系统及揺动机器人，利用电磁铁的特性，通过简单的结构设计，使机器人产生摇动的运动功能，大大丰富了现有消费级机器人的运动功能，提高了产品的市场竞争能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明摇动控制系统的原理图；
图2是本发明摇动控制系统中驱动电路的电路图；
图3是本发明摇动控制系统中的PWM信号波形图；
图4是本发明摇动机器人的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
本发明提供一种摇动控制系统，可以使被控物体产生摇动运动效果，需要说明的是，该摇动控制系统基于电磁铁原理，电磁铁是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，对导电绕组通电，使铁芯磁化而对钢铁等物质具有吸力。由于不同的电流方向使铁芯磁化的极性不同，因此本发明摇动控制系统利用电磁铁这一特点，并在被控物体内适配相应的磁铁，使其在电磁铁的磁力作用下，产生相应的摇动运动效果。
如图1所示，是本发明摇动控制系统的原理图。
所述摇动控制系统包括：控制器，与所述控制器电连接的距离传感器、霍尔传感器、驱动电路，与所述驱动电路连接的电磁铁，电磁铁由铁芯及缠绕在铁芯外的线圈组成，线圈的两端与驱动电路的输出相连。
在该实施例中，所述距离传感器用于感测设定距离内的被控物体，并在感测到所述被控物体后向所述控制器发送触发信号。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。在本发明实施例中，利用所述霍尔传感器感测所述被控物体运动的角度，在所述角度达到一定值时，向所述控制器发送角度感应信号。
所述控制器根据所述触发信号和所述角度感应信号向所述驱动电路输出控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁交替提供正向电流和反向电流，以驱动所述被控物体摇动。
如图2所示，是本发明摇动控制系统中驱动电路的电路图。
该驱动电路主要包括：两个P-MOS管、两个N-MOS管、两个NPN三极管组成。其中，Q1、Q2为P-MOS管，Q3、Q4为N-MOS管，Q5、Q6为NPN三极管，电阻R1、R2为上拉电阻，电阻R3、R4、R5、R6为限流电阻；M为电磁铁，L1、L2为电磁铁的线圈两个端子，SW1、SW2为所述驱动电路的两个输入端，SW1为第一输入端，接收来自控制器的第一控制信号，SW2为第二输入端，接收来自控制器的第二控制信号，VCC为电源。
下面继续结合图1和国2，详细说明本发明摇动控制系统的工作过程。
所述控制器收到来自所述距离传感器的触发信号后，向所述驱动电路的第一输入端SW1输出第一控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁M提供正向电流，电磁铁M产生磁场，磁场极性与被控物体内部磁铁极性相反，从而产生吸力，使被控物体向靠近电磁铁M的一侧摇动。
当被控物体摇动到相应极限位置时，其内部的磁铁靠近所述霍尔传感器，触发霍尔传感器向所述控制器发送角度感应信号。
所述控制器收到所述角度感应信号后，向所述驱动电路的第二输入端SW2输出第二控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁M提供反向电流，改变电磁铁M的通电方向，电磁铁M产生的磁场极性反转，从而对被控物体内部的磁铁产生推力，使被控物体反方向运动，即向远离电磁铁M的一侧摇动。
在本发明实施例中，所述第一控制信号和所述第二控制信号为互为反向的PWM信号，所述PWM信号的示例如图3所示。
控制逻辑如下：
SW1 SW2 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 M中电流
0 0 关 关 开 开 关 关 无
0 1 关 开 开 关 关 开 L2->L1
1 0 开 关 关 开 开 关 L1->L2
1 1 开 开 关 关 开 开 无
通过上述两个输入端SW1、SW2的控制信号，可以改变电磁铁M的通电电流方向，进而控制电磁铁M的磁场极性，从而实现对被控物体施加吸力或者推力，或者不给力。通过调整PWM信号占空比可以控制通过电磁铁M的电流，实现对电磁铁M施力大小的控制，进而控制被控物体摇动的幅度、以及快慢不同的运动效果。
在实际应用中，可以将所述控制器及所述驱动电路集成在一个基座内，将所述距离传感器和所述霍尔传感器分别设置在所述基座的两侧，将电磁铁设置在所述霍尔传感器所在的一侧。在需要被控物体运动时，将所述被控物体放置在所述基座上相应位置，接通电源，即可使被控物体周期性运动，从而产生摇动的运动效果。
所述被控物体结构可以设计为传统不倒翁的结构形状，底部施加一个远大于其本身重量的配重块，底部设计为弧形曲面(一般是规则弧曲面)，重心低于底部曲面的中心点，可以使其有更好的运动效果。
另外，由于所述距离传感器是低功耗器件，可以一直处于周期性扫描状态。当所述距离传感器感测到其它非被控物体时，虽然也会向所述控制器发送触发信号，使控制器向所述驱动电路输出第一控制信号，给电磁铁线圈通电，但由于非被控物体内部通常没有磁铁，因此，不会产生摇动，也就不会触发所述霍尔传感器向所述控制器发送角度感应信号。相应地，所述控制器在向所述驱动电路的的第一输入端输出第一控制信号后，设定时间内如果未收到所述角度感应信号，则停止输出所述第一控制信号，从而向电磁铁供电，以节省电源。
基于上述控制系统的工作原理，本发明还提供一种摇动机器人，如图4所示，是本发明摇动机器人的结构示意图。
该摇动机器人包括：分体式基座6及机器人1，所述基座6用于放置所述机器人1，所述机器人1为不倒翁结构，其底部为弧形曲面，内部安装有磁铁3和配重块2，所述基座6上设置有距离传感器7、霍尔传感器4、电磁铁5，在所述基座6内部设置有控制器、驱动电路；所述控制器分别与所述距离传感器7、霍尔传感器4、驱动电路电连接，所述驱动电路还与所述电磁铁5连接，以向电磁铁5的线圈通电，使电磁铁5产生磁场。
在该实施例中，所述机器人1放置到所述基座6后，所述距离传感器7向所述控制器发送触发信号；所述霍尔传感器4用于感测所述机器人1运动的角度，向所述控制器发送角度感应信号；所述控制器根据所述触发信号和所述角度感应信号向所述驱动电路输出控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁5交替提供正向电流和反向电流，使电磁铁5产生相应的磁场，对机器人1内部的磁铁3产生吸力或推力，从而驱动所述机器人1摇动。
所述驱动电路可参照前面图2所示及其描述，在此不再赘述。
下面结合图4，详细说明本发明摇动机器人的运动过程。
机器人1本身是不能主动摇动的，为了实现摇动需要搭配基座6使用。当没有机器人放置在基座6上时，电磁铁5处于断电状态，以节约电源。当机器人1放置在基座6上相应位置上时，距离传感器7将事件上报给控制器，即向控制器发送触发信号，控制器向驱动电路输出第一控制信号，给电磁铁线圈通电，电磁铁通电后产生磁场，磁场极性根据安培定律，与机器人1内部的磁铁3极性相反，从而产生吸力，打破机器人1的平衡状态，机器人1产生摇动。当机器人1摇动到相应极限位置时，机器人1内部的磁铁靠近基座6中的霍尔传感器4，触发霍尔传感器4，霍尔传感器4将事件上报给控制器，即向控制器发送角度感应信号，控制器向驱动电路输出第二控制信号，控制电磁铁5的通电方向改变，电磁铁5产生的磁场极性反转，从而对机器人1内部的磁铁3产生推力，机器人1反方向运动。当磁铁3远离霍尔传感器4时，控制器可以根据机器人1的晃动频率，计算再次反转电磁铁5通电方向的时间，使机器人1再次反向运动，这样周期性运动从而产生摇动的运动效果。控制器通过PWM信号控制电磁铁5的通电电流大小，从而控制吸力大小，从而可以产生快慢不同的运动效果。
需要说明的是，上述距离传感器7和霍尔传感器4可以分别设置在基座6的两端，可以在基座6上设置凹槽，将电磁铁5嵌设在所述凹槽内。需要说明的是，电磁铁5需要设置在靠近霍尔传感器4的一端。在使用时，需要将机器人1放置在基座上距离传感器7和霍尔传感器4之间的位置。为了方便用户使用，可以在基座6上设置相应的位置标记，以标识机器人1可以放置的位置。
需要说明的是，在实际应用中，本发明实施例的摇动机器人可由电池供电，电池可以安装在基座6内。所述电池可以优选采用充电电池，具体可以采用无线充电方式，将无线充电器与基座6整合在一起；当然也可以单独通过适配器充电，对此本发明不做限定。
另外，还可以在机器人1的壳体上设置摄像头、网络接口等功能部件，为了方便控制及增加人机互动的趣味性，还可在壳体上设置触碰区，在这些区域设置相应的传感器，触碰这些区域后，传感器向所述控制器发送信号，触发相应的语音对话，方便用户与机器人的互动。进一步地，还可在壳体上设置灯阵，可以根据应用场景的不同显示不同的灯效，增加人机互动过程中的趣味性及视频效果。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种摇动控制系统，用于使被控物体进行摇动，其特征在于，所述被控物体内部安装有磁铁；所述系统包括：基座，控制器，与所述控制器电连接的距离传感器、霍尔传感器、驱动电路，与所述驱动电路连接的电磁铁，所述控制器及所述驱动电路设置在所述基座内，所述距离传感器和所述霍尔传感器设置在所述基座上；
所述距离传感器用于感测设定距离内的被控物体，并在感测到所述被控物体后向所述控制器发送触发信号；
所述霍尔传感器用于感测所述被控物体运动的角度，向所述控制器发送角度感应信号；
所述控制器根据所述触发信号和所述角度感应信号向所述驱动电路输出控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁交替提供正向电流和反向电流，以驱动所述被控物体摇动；
所述驱动电路包括两个P-MOS管，分别为第一MOS管(Q1)和第二MOS管(Q2)，两个N-MOS管，分别为第三MOS管(Q3)和第四MOS管(Q4)，两个NPN三极管，分别为第一三极管(Q5)和第二三极管(Q6)；第一输入端SW1连接第一三极管(Q5)的基极，第二输入端SW2连接第二三极管(Q6)的基极；第一MOS管(Q1)的栅极和第三MOS管(Q3)的栅极均连接第一三极管(Q5)的集电极，第一MOS管(Q1)的漏极和第三MOS管(Q3)的漏极均连接电磁铁线圈的一端；第二MOS管(Q2)的栅极和第四MOS管(Q4)的栅极均连接第二三极管(Q6)的集电极，第二MOS管(Q2)的漏极和第四MOS管(Q4)的漏极均连接电磁铁线圈的另一端。
2.根据权利要求1所述的摇动控制系统，其特征在于，
所述控制器收到所述触发信号后，向所述驱动电路的第一输入端输出第一控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁提供正向电流，以驱动所述被控物体向一侧运动；
所述控制器收到所述角度感应信号后，向所述驱动电路的第二输入端输出第二控制信号；使所述驱动电路向所述电磁铁提供反向电流，以驱动所述被控物体向另一侧反向运动。
3.根据权利要求2所述的摇动控制系统，其特征在于，所述第一控制信号和所述第二控制信号为互为反向的PWM信号。
4.根据权利要求2所述的摇动控制系统，其特征在于，所述控制器还用于在向所述驱动电路的的第一输入端输出第一控制信号后，设定时间内未收到所述角度感应信号时停止输出所述第一控制信号。
5.一种揺动机器人，其特征在于，包括：分体式基座及机器人，所述基座用于放置所述机器人，所述机器人内部安装有磁铁及配重块，所述基座上设置有距离传感器、霍尔传感器、电磁铁，在所述基座内部设置有控制器、驱动电路；所述控制器分别与所述距离传感器、霍尔传感器、驱动电路电连接，所述驱动电路还与所述电磁铁连接；
所述机器人放置到所述基座后，所述距离传感器向所述控制器发送触发信号；
所述霍尔传感器用于感测所述机器人运动的角度，向所述控制器发送角度感应信号；
所述控制器根据所述触发信号和所述角度感应信号向所述驱动电路输出控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁交替提供正向电流和反向电流，以驱动所述机器人摇动；
所述驱动电路包括两个P-MOS管，分别为第一MOS管(Q1)和第二MOS管(Q2)，两个N-MOS管，分别为第三MOS管(Q3)和第四MOS管(Q4)，两个NPN三极管，分别为第一三极管(Q5)和第二三极管(Q6)；第一输入端SW1连接第一三极管(Q5)的基极，第二输入端SW2连接第二三极管(Q6)的基极；第一MOS管(Q1)的栅极和第三MOS管(Q3)的栅极均连接第一三极管(Q5)的集电极，第一MOS管(Q1)的漏极和第三MOS管(Q3)的漏极均连接电磁铁线圈的一端；第二MOS管(Q2)的栅极和第四MOS管(Q4)的栅极均连接第二三极管(Q6)的集电极，第二MOS管(Q2)的漏极和第四MOS管(Q4)的漏极均连接电磁铁线圈的另一端。
6.根据权利要求5所述的揺动机器人，其特征在于，所述驱动电路包括两个输入端，分别为第一输入端和第二输入端；
所述控制器收到所述触发信号后，向所述驱动电路的第一输入端输出第一控制信号，使所述驱动电路向所述电磁铁提供正向电流，以驱动所述机器人向一侧运动；
所述控制器收到所述角度感应信号后，向所述驱动电路的第二输入端输出第二控制信号；使所述驱动电路向所述电磁铁提供反向电流，以驱动所述被控物体向另一侧反向运动。
7.根据权利要求6所述的揺动机器人，其特征在于，所述第一控制信号和所述第二控制信号为互为反向的PWM信号。
8.根据权利要求5所述的揺动机器人，其特征在于，在所述基座上设置有凹槽，所述电磁铁嵌设在所述凹槽内。
9.根据权利要求5至8任一项所述的揺动机器人，其特征在于，在所述基座内还设置有电池及无线充电器。
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