CN110405794A - 一种用于儿童的拥抱机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于儿童的拥抱机器人及其控制方法，以儿童为中心、以主动安抚陪伴。包括主体，主体包括头部、机身、底盘以及机械臂，机械臂上设有夹板用于对儿童施压，各夹板上分别安装有压力传感器；主体上设有超声传感器、红外传感器、声音传感器，超声传感器用于检测周围环境，红外传感器用于检测儿童的位置，声音传感器用于检测儿童发出的声音，进而分析儿童的情绪；头部上设有摄像头、迷你PC机，摄像头用于获取图像，摄像头与迷你PC机通信连接，迷你PC机安装有OpenCV，用于通过图形分析儿童的情绪；底盘下部设有行走机构；机械臂、压力传感器、超声传感器、红外传感器、声音传感器、行走机构、迷你PC机分别与主控芯片连接。

Description

一种用于儿童的拥抱机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于自闭症技术领域，特别是涉及一种用于儿童的拥抱机器人及其控制方法。

背景技术

为了帮助孩子健康成长，大多数家长会将自闭症孩子送到康复训练机构进行训练与治疗。但在家里，如果孩子表现出不安的情绪甚至哭闹时，父母往往由于专业能力或精力的限制，不能很好的对孩子进行安抚，也无法在家中进行适当的训练。

美国科学院院士坦普·葛兰汀曾经就是一名自闭症患者，她发明了拥抱机，通过深度压力减轻自闭症儿童的恐惧心理并训练运动信息处理能力。现有的自闭症机器人都以教育训练为主，需要自闭症儿童努力适应机器人的训练。市场仍缺少以自闭症儿童为中心、以主动安抚陪伴为主要出发点的产品。

此外，家里只有一个儿童时，会觉得孤单，也需要以儿童为中心进行主动安抚陪伴，提升幸福感，有利于良好性格养成。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于儿童的拥抱机器人及其控制方法，本发明以儿童为中心、以主动安抚陪伴为主要出发点，实现拥抱挤压、娱乐陪伴、数据监测等功能。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于儿童的拥抱机器人，

包括主体，所述主体包括头部、机身、底盘以及一对机械臂，各机械臂上分别立设有夹板，两夹板用于配合对儿童施压，各夹板上分别安装有压力传感器，用于检测对儿童施加的压力(大小)；

所述主体上设有超声传感器、红外传感器、声音传感器，所述超声传感器用于检测周围环境，防止发生碰撞(达到避障目的)，所述红外传感器用于检测儿童的位置，所述声音传感器用于检测儿童发出的声音，进而分析儿童的情绪；

所述头部上设有摄像头、迷你PC机，所述摄像头用于获取图像，所述摄像头与迷你PC机通信连接，所述迷你PC机安装有OpenCV，用于通过图形分析儿童的情绪；

所述底盘下部设有行走机构；

所述机械臂、压力传感器、超声传感器、红外传感器、声音传感器、行走机构、迷你PC机分别与主控芯片连接。

优选地，所述机械臂采用开源六自由度机械臂，所述夹板固定在机械臂的末端；所述机械臂上设置有卡子，用于限定机械臂的极限挤压角。

优选地，所述机身下部设有升降装置，用于改变拥抱机器人的高度，所述升降装置与主控芯片连接。

优选地，所述夹板为柔性板，所述机身包裹柔性材料。

优选地，所述机身上设置有检测口，所述超声波传感器、声音传感器、红外传感器均安装在所述检测口内。

优选地，所述头部上设有音箱用于播放音乐。

优选地，所述行走机构包括履带式小车以及用于驱动履带式小车的移动电机，所述移动电机与主控芯片连接。

优选地，所述主体上设有无线通讯模块，用于传递信息。

一种用于儿童的拥抱机器人的控制方法，包括：

a.判断儿童的拥抱需求：

对儿童进行面部表情识别以及声音识别，当儿童情绪不佳或需要安抚时，拥抱机器人移动至儿童身旁；

b.拥抱儿童：

机械臂仿照人体手臂的运动形式拥抱儿童，对儿童施加压力，同时，对儿童进行面部表情识别以及声音识别，判断儿童对拥抱力度的适应程度，当儿童出现最舒适反应时，机械臂的挤压角度即为最适挤压角度。

初始状态时，根据儿童体型设置一对机械臂的最适挤压角度、最大挤压角度，之后，儿童反应，定期调整最适挤压角度；当儿童出现不适反应时，机械臂减小施加的压力。

本发明基于无限通讯，实现远程监控，通过OpenCV模块，实现对自闭症儿童的面部识别。同时机器人通过相应传感器自动环抱自闭症儿童，进行拥抱挤压动作，并且可以对力度的大小进行调整控制。模块化设置有红外装置、智能移动装置、自主伸缩装置等，适应性强，简便高效易控制，实现拥抱挤压减轻自闭症儿童恐惧感。本发明独创情绪安抚，也能适用于普通缺乏陪伴的儿童。此外，具有如下有益效果：

1.通过双臂拥抱挤压消除自闭症儿童的焦虑心理，而目前市场上基本没有利用这种理念设计的智能产品。本发明强调有效安抚情绪才是各种训练的基础，它回归陪伴的本质，不需要自闭症儿童努力适应机器人，而是以最简单直接的方式实现主动安抚与互动。

2.利用传感器、电动机、摄像头等经济实惠高效的装置，主动进行安抚、智能调节机械臂拥抱力度、自动分析自闭症儿童情绪与所需压力之间的关系。

3人性亲和设计

已有的自闭症机器人外表机械，而本发明的外表包裹海绵，保证安全舒适的；播放音乐、语音交流、肢体互动等功能实现娱乐陪伴和训练的作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控制示意图；

图3为机身的结构示意图；

图4为卡子的位置示意图。

附图标记

附图中，1为头部，2为机身，3为底盘，4为机械臂，5为夹板，6为升降装置，7为摄像头，8为卡子；9为上圆筒，10为下圆筒，11为电机，12为安装架，13为螺杆，14为导向杆，15为滑块。

具体实施方式

参见图1、图2，为一种用于儿童的拥抱机器人，本发明使机器人的双臂具有拥抱机的功能，同时具有感官识别、自主运动、传感检测等功能，并通过APP传输儿童的表情、动作、声音，以及夹板拥抱压力的监控状态等，让家长随时了解孩子的情况。本发明为模块式结构，各部件、芯片、软件均可市面选择，但是组装结构、控制方式均为独创。

一、本发明拥抱机器人主要功能

1.拥抱挤压功能

(1)拥抱挤压：本发明的机械臂设有垂直的夹板，双臂形成拥抱机构，可在身体两侧进行挤压运动。在机械臂内侧压力传感器和感官识别的配合下，根据自闭症儿童的反应调整挤压力度。

(2)安全保障：为了保证使用者的安全，家长可根据自闭症儿童体型设置双臂的最适和最大挤压角度，同时在机器人肩部设置机械臂限制转动的卡子，防止挤压力度过大。本发明自闭症拥抱机器人的机械臂有打开与拥抱挤压两种状态，拥抱时长根据不同人群的受力能力而定，在5-15min范围之内。通过压力传感器判断挤压力度是否在合理范围之内，压力到达该年龄段上限或双臂到达最大挤压角度时双臂停止向内挤压。通过感官识别分析儿童的焦虑情绪是否得到缓解，情绪缓解或时间到达时机械臂打开。

(注：使用时间与压力都有参考文献，对于成年人压力为60psi，对于8～9岁儿童，压力设定在30～40psi范围)

2.感官识别功能

(1)面部识别：本发明可通过摄像头进行面部表情识别，判断自闭症儿童是否情绪不佳需要安抚，以及对拥抱力度的适应程度，从而对机械臂挤压进行调节，达到最适力度。所述红外传感器用于检测自闭症儿童与拥抱机的距离，进而获得儿童的位置。摄像头获得的图形可以根据OpenCV识别自闭症儿童情绪，通过识别来判断是否对自闭症儿童进行拥抱挤压动作，通过压力传感器的分析和小型传动机改变挤压力度，并在识别作用下判断儿童在该力度下是否需要传动机调节力度，以此达到令自闭症儿童感到舒适和安全感的力量。摄像头主要是用于分析情绪。

(2)声音识别：在声音传感器的作用下，分析出自闭症儿童是否情绪不佳或需要安抚(与面部识别功能相配合)，以及是否需要调节力度。

3.自主运动功能

(1)自由运动：履带式小车在感官识别的配合下实现自主运动，寻找合适的拥抱位置，也可以引导孩子离开“安全地带”(恐惧害怕时或长期处于的私人空间位置)，探索周围环境。注：与拥抱动作没有直接关系，自闭症儿童喜欢待在自己熟悉的角落，其他空间会感到不安，小车可以引导他们走出“安全地带”，尝试新环境，减轻焦虑不安的心理，引导方式为通过显示屏对应的指令或动作、声音等。

(2)上下伸缩：本发明可根据使用者的身高在伸缩支架的作用下使机身上下移动。

4.传感检测与数据分析功能

(1)压力传感器：记录实时挤压力量，从而根据设置的最适和最大力度调节压力。

(2)摄像头：记录面部表情，用于安抚判断，并通过APP让父母了解孩子的情况。

(3)声音传感器：检测自闭症儿童是否尖叫，环境噪音是否过高，并给家长发送警报。

(4)超声传感器：避障，以及检测自闭症儿童与机器人之间的距离是否在合适范围内。

(5)数据分析：由传感器信息分析被测自闭症儿童的情绪和行为变化规律，并传给父母。

5.娱乐陪伴功能

通过播放音乐(儿童安静时播放，或儿童通过触摸显示屏音乐图标播放音乐)、语音交流(家长或儿童通过触摸屏语音图标开启简单的对话训练，提高儿童的语言和听觉能力)、动作互动(在显示屏的作用下为儿童播放各种简单的肢体动作以供他们观察学习，通过移动引导儿童小范围活动)等功能实现娱乐陪伴和训练的作用，外部柔软海绵产生安全舒适的触觉感受。

二、本发明的创新点

1.市场销售或正在研发的自闭症辅助机器人

目前市场上尚未有成熟的自闭症机器人，少数商业化产品已进入测试阶段，如QTrobot、NAO以及Leka。各产品功能对比见表1。

(1)QTrobot

拥有人形构造和丰富表情，能够为自闭症儿童教授肢体语言，提供简单教育课程。

(2)NAO

具有装甲超人型，主要进行语言与社交训练，通过眼睛与四肢辅以不同情绪的表达。

(3)Leka

一个可移动球形机器人，训练自闭症儿童对环境的感知，让孩子在更大空间移动。

分析表明，现有机器人产品虽然可增加自闭症儿童与人互动的意愿，但都以教育训练为主，需要自闭症儿童努力适应机器人的训练。市场仍缺少以自闭症儿童为中心、以主动安抚陪伴为主要出发点的产品。

2.具体创新点

(1)全新理念设计

本发明是一款以自闭症儿童为中心，以主动安抚为主要出发点的全新概念机器人。本产品的最大特点是通过双臂拥抱挤压消除自闭症儿童的焦虑心理，而目前市场上基本没有利用这种理念设计的智能产品。本发明强调有效安抚情绪才是各种训练的基础，它回归陪伴的本质，不需要自闭症儿童努力适应机器人，而是以最简单直接的方式实现主动安抚与互动。

(2)智能便捷设计

利用传感器、电动机、摄像头等经济实惠高效的装置，主动进行安抚、智能调节机械臂拥抱力度、自动分析自闭症儿童情绪与所需压力之间的关系。

(3)人性亲和设计

已有的自闭症机器人外表机械，而本发明的外表由海绵装扮，保证安全舒适的同时产生视觉吸引；播放音乐、语音交流、肢体互动等功能实现娱乐陪伴和训练的作用。

本发明与现有自闭症辅助机器人对比见表1。

表1

三、本发明方案设计

1.基础结构

(1)机身移动：利用超声波传感器和摄像头智能操控履带小车进行移动。

(2)机械臂张合：使用开源六自由度机械臂分别进行传输、调节多挡位电流，在功率为6W的小型传动机的作用下控制机械臂的运动方向。双臂前端使用海绵板形成拥抱机的两侧夹板。六自由度机械臂可以设定各种挤压角度。

(3)伸缩移动：在升降装置的可伸缩滑块的作用下，机器人可以根据被测者的身高来调节自身高度，形成相对位置。

(4)固定海绵：保证安全，在机身包裹海绵材质，可以让被测者在被施加压力的同时抱住机身，并且有一个可以依靠和放松身体的地方。

2.传感辅助结构

(1)压力传感器：采用柔韧性高的FSR电阻式薄膜压力传感器，安装在两侧夹板内侧(对儿童施压的一侧)，可检测挤压时的力度，当压力过大时会适当放松力度，以保证安全。

(2)摄像头：使用免驱摄像头，可直接与迷你PC机进行通信。

(3)超声传感器：采用HC-SR04超声波距离传感器，防止机器人撞上人或者障碍物。

(4)声音传感器：使用声音传感器检测自闭症儿童的尖叫、哭闹、高兴等情绪变化。

3.关键技术

(1)面部识别：利用OpenCV人脸识别技术，采用摄像头+迷你PC机+单片机(STM32主控芯片)的方式采集人脸图像。将采集信息送入PC机进行图像比对，PC机再将数据传递给单片机，以控制机器人进行主动安抚和调节力度。

(2)拥抱调节：拥抱动作通过机械臂的开合带动前端海绵板挤压的方式实现。在夹板内侧安装压力传感器，实时检测拥抱的挤压力度，实现动态调节。为保证安全，在肩部设置机械臂限制转动的卡子，防止挤压力度过大。

4.控制系统

机器人的控制由STM32主控芯片实现，包括人脸识别控制、机身运动控制、拥抱调节控制、娱乐陪伴控制、超声检测控制、升降装置的伸缩控制等功能，升降装置可以采用现有的各种升降结构，包括丝杆螺母、气缸、电动推杆等配合导杆结构，本实施例中，所述升降装置包括间隙配合的上圆筒、下圆筒，所述下圆筒内设有安装架，安装架的顶部固定电机，电机的转轴上竖直连接有螺杆，所述安装架上安装有导向杆(多根)，导向杆上间隙配合有滑块，所述螺杆与滑块螺纹配合，所述上圆筒的下端与滑块固定连接，通过电机、螺杆、滑块驱动上圆筒上下升降。

四、内部结构与整体外观

本发明机器人主体分为头部、机身、双臂和底盘四部分，其中头部包括摄像头、显示屏(用于显示自闭症儿童喜欢的图片、简单动作，训练儿童信息处理能力)、OpenCV(开源算法软件)、蓝牙音箱等安装在pc机内的模块；机身包括超声传感器、红外传感器、升降装置的伸缩杆等部分；双臂上装有压力传感器、夹板装置；底盘设置履带小车、锂电池等。所有配件模块化拼接，形成了具有完整功能的拥抱机器人。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于儿童的拥抱机器人，其特征在于：

包括主体，所述主体包括头部、机身、底盘以及一对机械臂，各机械臂上分别立设有夹板，两夹板用于配合对儿童施压，各夹板上分别安装有压力传感器，用于检测对儿童施加的压力；

所述主体上设有超声传感器、红外传感器、声音传感器，所述超声传感器用于检测周围环境，防止发生碰撞，所述红外传感器用于检测儿童的位置，所述声音传感器用于检测儿童发出的声音，进而分析儿童的情绪；

所述头部上设有摄像头、迷你PC机，所述摄像头用于获取图像，所述摄像头与迷你PC机通信连接，所述迷你PC机安装有OpenCV，用于通过图形分析儿童的情绪；

所述底盘下部设有行走机构；

所述机械臂、压力传感器、超声传感器、红外传感器、声音传感器、行走机构、迷你PC机分别与主控芯片连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于儿童的拥抱机器人，其特征在于：所述机械臂采用开源六自由度机械臂，所述夹板固定在机械臂的末端；所述机械臂上设置有卡子，用于限定机械臂的极限挤压角。

3.根据权利要求1所述的一种用于儿童的拥抱机器人，其特征在于：所述机身下部设有升降装置，用于改变拥抱机器人的高度，所述升降装置与主控芯片连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于儿童的拥抱机器人，其特征在于：所述夹板为柔性板，所述机身包裹柔性材料。

5.根据权利要求1所述的一种用于儿童的拥抱机器人，其特征在于：所述机身上设置有检测口，所述超声波传感器、声音传感器、红外传感器均安装在所述检测口内。

6.根据权利要求1所述的一种用于儿童的拥抱机器人，其特征在于：所述头部上设有音箱用于播放音乐。

7.根据权利要求1所述的一种用于儿童的拥抱机器人，其特征在于：所述行走机构包括履带式小车以及用于驱动履带式小车的移动电机，所述移动电机与主控芯片连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于儿童的拥抱机器人，其特征在于：所述主体上设有无线通讯模块，用于传递信息。

9.根据权利要求1所述的一种用于儿童的拥抱机器人的控制方法，其特征在于，包括：

a.判断儿童的拥抱需求：

对儿童进行面部表情识别以及声音识别，当儿童情绪不佳需要安抚时，拥抱机器人移动至儿童身旁；

b.拥抱儿童：

机械臂仿照人体手臂的运动形式拥抱儿童，对儿童施加压力，同时，对儿童进行面部表情识别以及声音识别，判断儿童对拥抱力度的适应程度，当儿童出现最舒适反应时，机械臂的挤压角度即为最适挤压角度。

10.根据权利要求9所述的一种用于儿童的拥抱机器人的控制方法，其特征在于，初始状态时，根据儿童体型设置一对机械臂的最适挤压角度、最大挤压角度，之后，儿童反应，定期调整最适挤压角度；当儿童出现不适反应时，机械臂减小施加的压力。