CN108858176A - 一种智能机器狗 - Google Patents

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毛润泽
陈玉春
李源
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Abstract

本发明涉及一种智能机器狗，利用舵机驱动四肢机械装置实现动作的，不仅可以行走自如，而且能够翻越较大的障碍物、以及实现翻滚动作；不仅仅有娱乐的功能，它还可以利用红外模块实现遥控家电，对于记忆力与视力衰退的老年人而言就再也不用担心找不到遥控器了。同时还集成了GSM模块，使得使用者在遭遇危险，无法移动等十分危险的情况时，可以通过语音控制来向外界发送求救信号。

Description

一种智能机器狗
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别涉及一种智能机器狗。
背景技术
早在1999年，索尼机器狗AIBO便已经发布，发售之初是一款极为可爱并且智能的机器宠物，在当时即使售价高达2000美元，也依然有十五万只的不错销量。根据波士顿咨询集团的最新估计，消费机器人的市场总值到2025年将增长到90亿美金，未来还会有更多更好，更聪明的机器人走入我们的生活。
目前市场上的一些机器宠物狗，大多都是使用轮子来实现机器狗的移动。其不足之处在于：一是与实际生活中的生物狗的动作差别较大，二是轮子不能够有效的跨越障碍物以及实现翻滚的动作，如国外的CHIP智能宠物狗、以及国内的实丰机器宠物狗等。
对于同样使用舵机来驱动机械装置的索尼智能机器狗AIBO，由于其昂贵的价格以及只有娱乐的特性，使得它的使用非常的有限制，只适合于经济条件允许的家庭，并且也只能用来娱乐，且索尼公司的AIBO机器狗已经于2006年退出市场。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术的缺陷，本发明提出一种智能机器狗。
发明的技术方案是：一种智能机器狗，其特征在于，包括身部组件、头部组件和四肢组件；所述身部组件包括支撑主板、语音输入模块、无线图传模块、追踪装置、第一舵机、平板电脑和锂电池，其中语音输入模块、无线图传模块、追踪装置和平板电脑位于支撑主板上方，锂电池和第一舵机位于支撑主板下方，追踪装置位于支撑主板靠近头部的一端，第一舵机位于支撑主板靠近尾部的一端；
所述头部组件包括头部支架、摄像机和指示灯，头部支架通过螺纹与支撑主板连接，摄像机位于头部支架上，且摄像机上的镜头朝向远离尾部的一方，指示灯位于摄像机一侧，确定指令是否成功接收；
所述四肢组件结构相同，均包括第二舵机、第三舵机、腿部支架和脚部运动部件，第二舵机和第三舵机通过若干舵机支架相互连接，腿部支架一端与第三舵机固连，另一端与脚部运动部件连接。
本发明的进一步技术方案是：所述若干舵机支架包括第一舵机U型架、第二舵机U型架、第三舵机U型架和第四舵机U型架，第一舵机U型架利用螺纹与主板连接，同时利用螺纹与第一舵机连接。
本发明的进一步技术方案是：所述第二舵机U型架底面与支撑主板侧壁铰接，凸起两端与第二舵机一端利用螺纹连接；第二舵机另一端与第三舵机U型架连接，且第三舵机U型架轴线与第二舵机U型架轴线相互垂直；第四舵机U型架与第三舵机U型架利用螺纹连接，且两者轴线相互重合，两个底面相互垂直；第四舵机U型架与第三舵机利用螺纹连接；第四舵机U型架7转动带动第三舵机8转动，从而完成对于狗大腿的竖直方向转动的模拟。
本发明的进一步技术方案是：所述脚步运动部件固连在支承主板上的第一舵机转动，带动第二舵机U型架转动，第二舵机U型架转动带动第与其固连的第二舵机转动从而模拟狗的大腿根部运动情况，完成真实狗的大腿水平方向的180度转动；第二舵机接受到指令后进行转动带动第三舵机U型架转动，第三舵机U型架与第四舵机U型架固连，第四舵机U型架与其共同运动，第四舵机U型架转动带动第三舵机转动，从而完成对于狗大腿的竖直方向转动的模拟，；第三舵机收到pwm波指令后进行转动带动腿部支架转动，腿部支架作为机器狗与地面的支撑部件模拟真实狗的脚步与地面间的摩擦，支撑等。
本发明的进一步技术方案是：所述身部组件中包含图像识别模块与语音模块，语音模块由语音输入模块采集周围的信号传递给控制装置与上位机，上位机根据语音信息将指令输出给下位机来控制机器狗。图像识别模块由装载于头部支架上的摄像头来采集前方的图像信号，传输到基于stm32t8c2芯片的控制装置进行信息的传输中转，之后再通过数据线直接将图像信号输送给平板电脑，由电脑上的qt软件的opencv进行处理进行hsv图像识别。
本发明的进一步技术方案是：所述头部组件中支承主板上固连的第五U型架使得第四舵机固定，第四舵机舵盘转动带动第六舵机U型架转动，第六舵机U型架与第七舵机U型架固连，第七舵机U型架与其同步转动，带动第六舵机转动，第六舵机转动带动与其固连的头部支架转动，在头部支架上固连的摄像头和指示灯随其同步转动；第四舵机11在竖直方向上进行90度的转动，模拟真实狗的抬头低头动作，第六舵机13带动头部支架15在水平方向180度转动，模拟真实狗的摇头动作。从而实现头部的运动。
发明效果
本发明的智能机器狗则是用舵机驱动四肢机械装置实现动作的，因此，机器狗不仅可以行走自如，而且能够翻越较大的障碍物、以及实现翻滚动作等等；2：机器狗，不仅仅有娱乐的功能，它还可以利用红外模块实现遥控家电，对于记忆力与视力衰退的老年人而言就再也不用担心找不到遥控器了；并且还在上面集成了GSM模块，使得使用者在遭遇危险，无法移动等十分危险的情况时，可以通过语音控制来向外界发送求救信号。
附图说明
图1为本发明一种基于HSV图像识别的智能交互机器狗整体结构示意图
图2为本发明一种基于HSV图像识别的智能交互机器狗俯视结构示意图
图3为本发明一种基于HSV图像识别的智能交互机器狗头部结构示意图
图4为本发明一种基于HSV图像识别的智能交互机器去掉头部结构示意图
图5为本发明一种基于HSV图像识别的智能交互机器狗左视结构示意图
图6为本发明一种基于HSV图像识别的智能交互机器狗仰视结构示意图
图7为本发明一种基于HSV图像识别的智能交互机器狗的上位机平板电脑示意图
图8为本发明一种基于HSV图像识别的智能交互机器狗微型信号发射器示意图
附图标记说明：1-支承主板；2-第一舵机U型架；3-第一舵机；4-第二舵机U型架；5-第二舵机；6-第三舵机U型架；7-第四舵机U型架；8-第三舵机；9-腿部支架；10-第五舵机U型架；11-第四舵机；12-第六舵机U型架；13-第五舵机；14-第七舵机U型架；15-头部支架；16-摄像头；17-指示灯；18-锂电池；19-控制装置；20-语音输入模块；21-无线图传模块；22-SIM卡组件；23-平板电脑；24-信号追踪装置；25小型信号发生器；26-语音输出模块；27-腿部运动部件；28-头部运动部件。
具体实施方式
参见图1-图8，为实现能够智能进行人机交互的四足机器狗，本发明将语音识别、视觉识别、图像传输、短信SIM卡信号传输集成在本四足仿生机器狗上，需要配备相应的平板电脑23作为处理信号的上位机，装载在支撑主板1上方，在机器狗运作的时机器狗会开启装载于头部支架15上的摄像头16来采集前方的图像信号，传输到基于stm32t8c2芯片的控制装置19进行信息的传输中转，之后在通过数据线直接将图像信号输送给平板电脑23，由电脑上的qt软件的opencv进行处理，经由hsv图像识别，选定出所需要的区域框架，由指令库的指令进行比较，筛选出需要执行的指令，指令直接传输给控制装置19，控制装置会将指令转换为pwm波进而控制各个舵机的运转。相似的，语音输入装置20也可以直接采集周围的语音信号传输给控制装置和上位机，在上位机中有开原的语音库，其中包含已经输入完全的语音信息，输入的语音信号会与库中的数据进行比较，从而选择合适的指令传输给下位机来控制各个部件做出预设好的指令。
为了实现机器狗的智能跟随功能，本发明在支承主板1的前段设有信号追踪装置24，使用者身上佩戴相同波段的小型信号发生器25，机器狗会自动接受并识别响应的信号，由摄像头16进行图像采集再经控制装置19和上位机平板电脑23的识别及自主壁障，实现实时的跟随。同时，本发明也解决了在到达危险区域或使用者陷入危险时，使用者可以按下小型信号发生器上的求救按钮，此时机器狗会通过SIM卡组件22发送既定的求救信息来进行求救。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：为实现机器狗的主要动作及功能，本发明采用如下的三自由度机械足及二自由度头部组件，具体方法:为实现机械狗的智能交互及信息处理和传输的功能，本发明在支承主板1上安装有语音输入设备20、无线图传模块21、SIM卡组件22、信号追踪装置24、语音输出设备26、平板电脑23；在主板的下方有通过螺纹连接的聚锂电池18为机器狗的运作提供电能；图像识别模块由安装于头部支架15的摄像头16来进行采集，指示灯17来显示处理进程；为满足机器狗灵活的多方位运动，本发明在四个腿部运动部件27上均采用相同的三自由度运动方案，其实现方法为在支承主板1上通过螺纹将第一舵机U型架2固连，第一舵机U型架2通过舵机上的螺纹与第一舵机3固连，第一舵机3通过舵机舵盘上的螺纹与第二舵机U型架4固连，第二舵机U型架通过舵机连接空螺纹与第二舵机5固连，第二舵机5通过舵机舵盘螺纹与第三舵机U型架6固连，第三舵机U型架6通过螺纹与第四舵机U型架7固连，第四舵机U型架7通过舵机舵盘螺纹与第三舵机8固连，第三舵机8通过舵机连接孔螺纹与腿部支架9固连；单一腿部运动部件的连接可以保证机器狗的腿部灵活运作，能够有效地进行常规行走、转向、翻滚、起身等一系列动作，四个腿部运动部件的连接方式相同，其运动数据经由模拟仿真后的计算步态通过插值得到，存储于控制装置19的单片机当中。
腿部的具体运作方式为:固连在支承主板1上的第一舵机3转动，带动第二舵机U型架4转动，第二舵机U型架4转动带动第与其固连的第二舵机5转动从而模拟狗的大腿根部运动情况，完成真实狗的大腿水平方向的180度转动；第二舵机5接受到指令后进行转动带动第三舵机U型架6转动，第三舵机U型架6与第四舵机U型架7固连，第四舵机U型架7与其共同运动，第四舵机U型架7转动带动第三舵机8转动，从而完成对于狗大腿的竖直方向转动的模拟，配合水平方向的180度转动完全模拟了真实四足生物大腿的运动状况，解决机械狗腿部摆动及腿部侧向翻转的问题；第三舵机8收到pwm波指令后进行转动带动腿部支架9转动，腿部支架9作为机器狗与地面的支撑部件模拟真实狗的脚步与地面间的摩擦，支撑等；本发明中机器狗腿部能够在水平180度竖直方向270度运动，小腿部的第三舵机8能够在180度内模拟真实狗的小腿运动，实现机器狗的各种地面运动指令。
为解决智能机器狗的头部运动及多方位图像信号的获取问题，在头部本发明采用两个模拟舵机:第四舵机11与第五舵机13来帮助摄像头能够进行水平与竖直方向的180度自由探测；具体的实现方法为在支承主板1上通过螺纹将第五舵机U型架10与其固连，第五舵机U型架10通过舵机连接孔螺纹与第四舵机11固连，第四舵机11通过舵机舵盘螺纹与第六舵机U型架12固连，第六舵机U型架12通过螺纹与第五舵机13固连，第五舵机13通过舵机连接孔螺纹与头部支架15固连，头部支架15通过螺纹与摄像头16及指示灯17固连；头部运动部件14控制方法与腿部运动部件27控制方法类似，即经由下位机的pwm波进行运动的调控，由摄像头16采集的数据将通过控制装置19直接传输到上位机平板电脑23中进行hsv图像识别，进而得出所需识别的指令。
头部组件的运动方式为:在支承主板1上固连的第五U型架10使得第四舵机11固定，第四舵机11舵盘转动带动第六舵机U型架12转动，第六舵机U型架12与第七舵机U型架14固连，第七舵机U型架与其同步转动，带动第六舵机13转动，第六舵机13转动带动与其固连的头部支架15转动，在头部支架15上固连的摄像头16和指示灯17随其同步转动；第四舵机11在竖直方向上进行90度的转动，模拟真实狗的抬头低头动作，第六舵机13带动头部支架15在水平方向180度转动，模拟真实狗的摇头动作，两种动作相互组合模拟真实狗的头部的摇动情况，同时为摄像头的图像采集提供了视角移动的功能，能够采集前方大多区域的图像信号。
控制系统解决方案:本发明控制装置主要有stm32单片机进行集中控制，包含一个12v到3.7v的dcdc降压模块为单片机进行供电，一个ZigBee无线串口模块作为与上位机及电脑进行无线传输信号的接口，同时还有各个接口的供电及信号收集接口，运动过程中pwm波直接有单片机产生并通过舵机线将电源与信号传输给舵机进行运作，图像信号由数据线直接传输给上位机进行处理，声音信号则通过ZigBee无线串口进行指令的传输。
本发明包括支承主板1、四个相同的腿部运动部件27以及头部运动部件28，所述海腿部运动部件27中支承主板1上通过螺纹将第一舵机U型架2固连，第一舵机U型架2通过舵机上的螺纹与第一舵机3固连，第一舵机3通过舵机舵盘上的螺纹与第二舵机U型架4固连，第二舵机U型架通过舵机连接空螺纹与第二舵机5固连，第二舵机5通过舵机舵盘螺纹与第三舵机U型架6固连，第三舵机U型架6通过螺纹与第四舵机U型架7固连，第四舵机U型架7通过舵机舵盘螺纹与第三舵机8固连，第三舵机8通过舵机连接孔螺纹与腿部支架9固连；头部运动部件28中支承主板1上通过螺纹将第五舵机U型架10与其固连，第五舵机U型架10通过舵机连接孔螺纹与第四舵机11固连，第四舵机11通过舵机舵盘螺纹与第六舵机U型架12固连，第六舵机U型架12通过螺纹与第五舵机13固连，第五舵机13通过舵机连接孔螺纹与头部支架15固连，头部支架15通过螺纹与摄像头16及指示灯17固连。锂电池18通过螺纹直接连接到支承主板1上，相似的控制装置19通过螺纹直接与支承主板1固连，SIM卡组件22通过螺纹直接与支承主板1固连，无线图传模块21及信号跟踪装置24通过螺纹直接与支承主板1固连，语音输出模块26通过螺纹固连在支承主板1的左前方。
机器狗腿部摆动进行前进时，由控制装置发出指令，固连在支承主板1上的第一舵机3转动，带动第二舵机U型架4转动，第二舵机U型架4转动带动第与其固连的第二舵机5转动从而模拟狗的大腿根部运动情况，完成真实狗的大腿水平方向的180度转动；第二舵机5接受到指令后进行转动带动第三舵机U型架6转动，第三舵机U型架6与第四舵机U型架7固连，第四舵机U型架7与其共同运动，第四舵机U型架7转动带动第三舵机8转动，从而完成对于狗大腿的竖直方向转动的模拟，配合水平方向的180度转动完全模拟了真实四足生物大腿的运动状况，解决机械狗腿部摆动及腿部侧向翻转的问题；第三舵机8收到pwm波指令后进行转动带动腿部支架9转动，腿部支架9作为机器狗与地面的支撑部件模拟真实狗的脚步与地面间的摩擦，支撑等；本发明中机器狗腿部能够在水平180度竖直方向270度运动，小腿部的第三舵机8能够在180度内模拟真实狗的小腿运动，实现机器狗的各种地面运动指令。
机器狗头部摆动进行运动时，由控制模块发出指令，在支承主板1上固连的第五U型架10使得第四舵机11固定，第四舵机11舵盘转动带动第六舵机U型架12转动，第六舵机U型架12与第七舵机U型架14固连，第七舵机U型架与其同步转动，带动第六舵机13转动，第六舵机13转动带动与其固连的头部支架15转动，在头部支架15上固连的摄像头16和指示灯17随其同步转动；第四舵机11在竖直方向上进行90度的转动，模拟真实狗的抬头低头动作，第六舵机13带动头部支架15在水平方向180度转动，模拟真实狗的摇头动作，两种动作相互组合模拟真实狗的头部的摇动情况。

Claims (6)

1.一种智能机器狗，其特征在于，包括身部组件、头部组件和四肢组件；所述身部组件包括支撑主板(1)、语音输入模块(20)、无线图传模块(22)、追踪装置(24)、第一舵机(3)、平板电脑(23)和锂电池(18)，其中语音输入模块(20)、无线图传模块(22)、追踪装置(24)和平板电脑(23)位于支撑主板(1)上方，锂电池(18)和第一舵机(3)位于支撑主板(1)下方，追踪装置(24)位于支撑主板(1)靠近头部的一端，第一舵机(3)位于支撑主板(1)靠近尾部的一端；
所述头部组件包括头部支架(15)、摄像机(16)和指示灯(17)，头部支架(15)通过螺纹与支撑主板(1)连接，摄像机(16)位于头部支架(15)上，且摄像机(16)上的镜头朝向远离尾部的一方，指示灯(17)位于摄像机(16)一侧，确定指令是否成功接收；
所述四肢组件结构相同，均包括第二舵机(3)、第三舵机(8)、腿部支架(9)和脚部运动部件(20)，第二舵机(3)和第三舵机(8)通过若干舵机支架相互连接，腿部支架(9)一端与第三舵机(8)固连，另一端与脚部运动部件(20)连接。
2.如权利要求1所述的一种智能机器狗，其特征在于，所述若干舵机支架包括第一舵机U型架(2)、第二舵机U型架(4)、第三舵机U型架(6)和第四舵机U型架(7)，第一舵机U型架(2)利用螺纹与主板(1)连接，同时利用螺纹与第一舵机连接。
3.如权利要求1或2所述的一种智能机器狗，其特征在于，所述第二舵机U型架(4)底面与支撑主板(1)侧壁铰接，凸起两端与第二舵机(3)一端利用螺纹连接；第二舵机(3)另一端与第三舵机U型架(6)连接，且第三舵机U型架(6)轴线与第二舵机U型架(4)轴线相互垂直；第四舵机U型架(7)与第三舵机U型架(6)利用螺纹连接，且两者轴线相互重合，两个底面相互垂直；第四舵机U型架(7)与第三舵机(8)利用螺纹连接；第四舵机U型架7转动带动第三舵机8转动，从而完成对于狗大腿的竖直方向转动的模拟。
4.如权利要求1所述的一种智能机器狗，其特征在于，所述脚步运动部件固连在支承主板(1)上的第一舵机(3)转动，带动第二舵机U型架(4)转动，第二舵机U型架(4)转动带动第与其固连的第二舵机(5)转动从而模拟狗的大腿根部运动情况，完成真实狗的大腿水平方向的180度转动；第二舵机(5)接受到指令后进行转动带动第三舵机U型架(6)转动，第三舵机U型架(6)与第四舵机U型架(7)固连，第四舵机U型架(7)与其共同运动，第四舵机U型架(7)转动带动第三舵机(8)转动，从而完成对于狗大腿的竖直方向转动的模拟，；第三舵机(8)收到pwm波指令后进行转动带动腿部支架(9)转动，腿部支架(9)作为机器狗与地面的支撑部件模拟真实狗的脚步与地面间的摩擦，支撑等。
5.如权利要求1所述的一种智能机器狗，其特征在于，所述身部组件中包含图像识别模块与语音模块，语音模块由语音输入模块(20)采集周围的信号传递给控制装置与上位机，上位机根据语音信息将指令输出给下位机来控制机器狗。图像识别模块由装载于头部支架(15)上的摄像头(16)来采集前方的图像信号，传输到基于stm32t8c2芯片的控制装置(19)进行信息的传输中转，之后再通过数据线直接将图像信号输送给平板电脑(23)，由电脑上的qt软件的opencv进行处理进行hsv图像识别。
6.如权利要求1所述的一种智能机器狗，其特征在于，所述头部组件中支承主板(1)上固连的第五U型架(10)使得第四舵机(11)固定，第四舵机(11)舵盘转动带动第六舵机U型架(12)转动，第六舵机U型架(12)与第七舵机U型架(14)固连，第七舵机U型架与其同步转动，带动第六舵机(13)转动，第六舵机(13)转动带动与其固连的头部支架(15)转动，在头部支架(15)上固连的摄像头(16)和指示灯(17)随其同步转动；第四舵机11在竖直方向上进行90度的转动，模拟真实狗的抬头低头动作，第六舵机13带动头部支架15在水平方向180度转动，模拟真实狗的摇头动作。从而实现头部的运动。
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