CN110480648A - 一种球形机器人智能交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形机器人智能交互系统，包括处理器、手势感应装置、振动传感器、动力执行单元及若干状态执行单元，手势感应装置、振动传感器、动力执行单元以及若干状态执行单元均与处理器连接；手势感应装置包括三组手势传感器，手势传感器包括一对传感器，其中一个用于发射信号，另一个用于接收信号，动力执行单元包括两个驱动轮，两个驱动轮的旋转中心线构成坐标系的X轴，球形机器人的前进方向构成坐标系的Y轴，三组手势传感器的中心点两两连线构成三角形，三角形的任意一条边均不平行于X轴及Y轴；振动传感器接收振动并转化成电信号传递至处理器，状态执行单元执行人机交互动作。该智能交互系统的人机互动性高、娱乐性强且更智能。

Description

一种球形机器人智能交互系统

技术领域

本发明涉及球形移动机器人技术领域，特别涉及一种球形机器人智能交互系统。

背景技术

球形移动机器人是指将内部驱动系统如运动执行机构、传感器、动力装置、控制系统等安置在球形壳体内，通过内驱动并以滚动为主要行走方式的移动机器人。

球形移动机器人结构简单，不需要复杂的运动副或运动关节就可进行移动。在运动方式上，以滚动运动为主，相比于其他运动方式能更灵活的转向，可以迅速调整运行状态，具有良好的动态和静态平衡性，运动方向可控性好，一旦运动失态能快速自我恢复，可进行连续工作，运动效率高、能量损耗小。同时动力执行单元简单，通过对其动力执行单元的控制即可实现运动，因而控制系统相较于传统机器人要简单许多。

球形机器人大多为完全封闭型，球形外壳可以很好保护内部装置，结构紧凑、占用空间小。球形机器人整体尺寸较小，从而增强了球形机器人的环境适应能力，使其可以在无人、沙尘、潮湿、腐蚀性等恶劣条件下运行，无论粗糙还是光滑的地形都能顺利滚动行走。在相对柔软的地面如沙地、雪地等对其灵活性影响不大。

球形移动机器人通过动力执行单元的运动打破球体的静态平衡，运动灵活，可以实现原地转向和全方向行走，可在狭窄空间内作业。

球形移动机器人通过动力执行单元的运动打破球体的静态平衡，运动灵活，可以实现原地转向和全方向行走，可在狭窄空间内作业。现有的球形移动机器人其驱动原理为双轮旋转改变重心式，轮子旋转与球壳内壁摩擦，动力执行单元重心改变，迫使球体运动，轮子与球壳内壁之间的摩擦力，由机器人内部驱动单元自重产生的正压力提供。

随着计算机技术的发展，人机交互技术愈发成熟，人们希望能够以更加自然的方式与计算机等智能设备交流。其中肢体形态语言，如手势、体式和表情等是人们熟悉和常用的交流方式。而手势在人机交互中具有生动形象和直观等优点，成为人机交互的重要交流方式。

现有的球形移动机器人是通过移动终端来发送程序指令来实现运动控制的，缺乏趣味性、互动性以及交互性。球形机器人智能单方面接收使用者的指令，并不能像人一样“理解”使用者表情或着行为，并给人适当的回应，互动性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球形机器人智能交互系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：一种球形机器人智能交互系统，包括处理器、手势感应装置、振动传感器、动力执行单元以及若干状态执行单元，所述手势感应装置、振动传感器、动力执行单元以及若干状态执行单元均与处理器连接；

所述手势感应装置包括三组手势传感器，所述手势传感器包括一对并排设置的传感器，其中一个传感器用于发射信号，另一个传感器用于接收信号，所述动力执行单元包括设置在球形机器人两侧的驱动轮，两个所述驱动轮的旋转中心线构成坐标系的X轴，球形机器人的前进方向构成坐标系的Y轴，三组所述手势传感器的中心点两两连线构成三角形，所述三角形的任意一条边均不平行于X轴以及Y轴；

所述振动传感器将接收到的振动转化成电信号传递至处理器，所述处理器控制状态执行单元执行人机交互动作。

作为上述方案的改进，三组所述手势传感器安装在同一水平面内。

作为上述方案的改进，所述传感器为红外传感器、激光传感器以及超声波传感器中的任意一种。

作为上述方案的改进，所述传感器的发射信号方向以及接收信号方向均指向球形机器人的正上方。

作为上述方案的改进，所述振动传感器的数量为一个且设置有振动强度阈值，强度达到振动强度阈值以上的振动被所述振动传感器接收后传递至处理器，强度达到振动强度阈值以上的振动被划分为多个区间，处理器判定振动强度的所属区间，并控制相对应的状态执行单元执行不同的人机交互动作。

作为上述方案的改进，所述振动传感器的数量为多个且分布在球形机器人内的不同位置，所述状态执行单元的数量与振动传感器相等且与振动传感器一一对应配置，位于不同位置的振动传感器接收振动后，处理器控制相应的状态执行单元执行相应动作。

作为上述方案的改进，所述状态执行单元包括氛围灯、振动马达、显示屏、摄像头以及麦克风。

作为上述方案的改进，还包括电源以及无线充电模块。

有益效果：该球形机器人的手势感应装置可识别使用者的手势移动方向，进而实现通过手势控制球形机器人做出不同方向的移动；该球形机器人的振动传感器将接收到的振动转化为电信号并传递至处理器，处理器控制状态执行单元执行相应的动作。通过增加手势感应装置及振动检测传感器，提高了该智能交互系统的人机互动性、娱乐性更强、更智能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

图1为本发明实施例一种球形机器人智能交互系统的结构框图；

图2为手掌位于球形机器人上方的状态示意图；

图3为感应装置安装于印刷电路板上的结构示意图；

图4为感应装置安装于内球壳外表面的结构示意图；

图5为手势传感器的信号发射和接收示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明实施例提供一种球形机器人智能交互系统，该系统主要包括处理器50、手势感应装置、振动传感器60、动力执行单元以及若干状态执行单元。其中，手势感应装置、振动传感器60、动力执行单元以及若干状态执行单元均与处理器50连接；手势感应装置以及振动传感器60用以接收使用者的信息的输入，动力执行单元可在处理器50的控制下转动，进而实现机器人的多方位移动控制；状态执行单元可在处理器50的控制下做出不同的人机交互动作。

具体地，手势感应装置包括三组手势传感器，手势传感器包括一对并排设置的传感器，其中一个传感器用于发射信号，另一个传感器用于接收信号，动力执行单元包括设置在球形机器人两侧的驱动轮40，两个驱动轮40的旋转中心线构成坐标系的X轴，球形机器人的前进方向构成坐标系的Y轴，三组手势传感器的中心点两两连线构成三角形，三角形的任意一条边均不平行于X轴以及Y轴；振动传感器60将接收到的振动转化成电信号传递至处理器50，处理器50控制状态执行单元执行人机交互动作。

该球形机器人的手势感应装置可识别使用者的手势移动方向，进而实现通过手势控制球形机器人做出不同方向的移动；该球形机器人的振动传感器60将接收到的振动转化为电信号并传递至处理器50，处理器50控制状态执行单元执行相应的动作。通过增加手势感应装置及振动检测传感器，提高了该智能交互系统的人机互动性、娱乐性更强、更智能。

具体地，本实施例中状态执行单元包括氛围灯、振动马达、显示屏、摄像头以及麦克风等。

振动传感器60的数量可以是一个，该振动传感器60设置有振动强度阈值，强度达到振动强度阈值以上的振动可以被振动传感器60接收并传递至处理器50。强度达到振动强度阈值以上的振动被划分为多个区间，每个区间的振动强度转化为不同的电信号，处理器50可以通过接收的电信号来判定振动强度的所属区间，进而将不同区间的，进而控制相对应的状态执行单元执行不同的人机交互动作。

例如，振动强度阈值以上的振动根据振动强度由低到高被划分为四个区间A、B、C以及D，四个振动强度区间分别对应电信号强度的区间为a、b、c以及d。当处理器50接收到a区间的电信号时，处理器50控制氛围灯启动工作，提供第一种人机交互模式；当处理器50接收到b区间的电信号时，处理器50控制振动马达启动工作，提供第二种人机交互模式；当处理器50接收到c区间的电信号时，处理器50控制显示屏启动工作，显示屏可以显示图案表情以实现互动，提供第三种人机交互模式；当处理器50接收到d区间的电信号时，处理器50控制摄像头以及麦克风启动工作，利用人脸识别技术，通过摄像头拾取的用户的人脸信息进行人脸识别，识别出来的结果通过麦克风进行语音输出，播放出用户的姓名以完成互动，提供第四种人机交互模式。

摄像头还可以作为拍照工具去执行拍照功能，以实现人机互动。

同时，振动传感器60的数量还可以是多个，多个振动传感器60分布在球形机器人内的不同位置，状态执行单元的数量与振动传感器60相等且与振动传感器60一一对应配置，位于不同位置的振动传感器60接收振动后，处理器50控制相应的状态执行单元执行相应动作。用户拍打不同区域的振动传感器60，即可通过处理器50实现相对应状态执行单元的气动，以实现人机互动。

优选地，参照图2至图5，球形机器人内安装有印刷电路板20，印刷电路板20安装成平行于水平面，即球形机器人正常放置后印刷电路板20处于水平状态。手势传感器相应的连接在印刷电路板20上。印刷电路板20与驱动电路相连，传感器将接收到的信号变化转化成电平的变化，进而通过驱动电路反馈至电机，处理器50控制电机做出相应的动作。

通过在球形机器人内设置三组手势传感器来实现人机交互，大大增加了该球形机器人的趣味性以及互动性。由于三组手势传感器的中心点两两连线构成三角形，三角形的任意一条边均不平行于X轴以及Y轴，这就使得使用者在球形机器人上方做手势时，可实现在不同的时间节点依次触发三组手势传感器；手势方向不同，触发每个手势传感器的时间先后顺序就不同。每种排列顺序可以对应一种球形机器人的移动方向。所以，当使用者做出不同的手势时，即可实现球形机器人不同方向的移动。

下面以传感器为红外传感器以及手势为左移、右移、前移以及后移为例实现人机交互的原理说明：

并排设置的两个红外传感器组成一组红外对管10，其中一个红外传感器为红外发射管101，另一个红外传感器为红外接收管102。红外发射管101发射信号遇到物体(如手掌)被反射回来，红外接收管102接收反射信号，进而触发驱动电路产生高电平或者低电平。感应装置包含三组红外对管10，将每组红外对管10进行编码标定使每组红外对管10都携带唯一的识别码，具体分别标记为D1、D2以及D3。

以驱动轮40的旋转中心线为X轴，以球形机器人的前行运动方向为Y轴，建立坐标系。将D1、D2、D3三组红外对管10安装在印刷电路板20上方，三者相对位置如图1所示，三组红外对管10的中心点两两连线构成一个三角形，该三角形任意一边长与坐标轴均不平行。

当手掌从右向左移动，首先经过D2，再经过D3，最后经过D1。当手掌到达红外发射管101正上方时，红外发射管101发射红外线遇到手掌反射，红外接收管102接收反射光线，触发驱动电路产生高电平或低电平，信号达到峰值。通过记录手掌依次经过D1、D2以及D3的时间先后顺序，便可确定手势是左挥手。也可以利用计算时间的方式确定手势的运动方向，计算三个红外对管10的峰值对应时间差，也可确定手势是左挥手。此时，处理器50便可控制驱动轮40转动，使得球形机器人发生左转向。假设D2、D3中心点连线与Y轴平行，当手掌从右往左移动时，将会同时触发D2、D3，此时不利于确定手掌经过D2、D3的先后顺序，或者不利于计算触发的时间差。

同理，当手掌从左向右移动，首先经过D1，然后经过D2，最后经过D3，手掌到达红外发射管101正上方时，信号达到峰值，同理通过判断经过三个红外对管10的时间先后顺序，或者计算三个红外对管10出现峰值所对应时间差可判断出手势是右挥手。此时，处理器50便可控制驱动轮40转动，使得球形机器人发生右转向。

当手掌从前向后移动，首先经过D3，然后经过D1，最后经过D3，手掌到达红外发射管101正上方时，信号达到峰值，同理通过判断经过三个红外对管10的时间先后顺序，或者计算三个红外对管10出现峰值所对应时间差可判断出手势是下挥手。此时，处理器50便可控制驱动轮40转动，使得球形机器人发生后退运动。

当手掌从后向前移动，首先经过D2，然后经过D1，最后经过D2，手掌到达红外发射管101正上方时，信号达到峰值，同理通过判断经过三个红外对管10的时间先后顺序，或者计算三个红外对管10出现峰值所对应时间差可判断出手势是上挥手。此时，处理器50便可控制驱动轮40转动，使得球形机器人发生前进运动。

将手势运动方向与球形机器人本体运动状态一一映射，通过处理器50计算，发出相应指令，机器人便可实现手势控制。

图2中，其中D1和D2这两个手势传感器分别位于坐标系的第一象限和第二象限，D3这个手势传感器位于坐标系的Y轴上。

为了方便准确的采集手势的走向信息，三组手势传感器安装在同一水平面内。上述实施例中，手势传感器安装在印刷电路板20上。同时，手势传感器还可以安装于球形机器人的内球壳30的外表面。

当然，传感器不限于上述的红外传感器，还可以采用激光传感器或者超声波传感器等。

传感器的发射信号方向以及接收信号方向均指向球形机器人的正上方，使用者的手掌保持与水平面平行，前后左右移动经过传感器的上方即可。

同时，该智能交互系统还包括电源70以及无线充电模块，保证了系统的续航能力。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种球形机器人智能交互系统，其特征在于：包括处理器、手势感应装置、振动传感器、动力执行单元以及若干状态执行单元，所述手势感应装置、振动传感器、动力执行单元以及若干状态执行单元均与处理器连接；

所述手势感应装置包括三组手势传感器，所述手势传感器包括一对并排设置的传感器，其中一个传感器用于发射信号，另一个传感器用于接收信号，所述动力执行单元包括设置在球形机器人两侧的驱动轮，两个所述驱动轮的旋转中心线构成坐标系的X轴，球形机器人的前进方向构成坐标系的Y轴，三组所述手势传感器的中心点两两连线构成三角形，所述三角形的任意一条边均不平行于X轴以及Y轴；

所述振动传感器将接收到的振动转化成电信号传递至处理器，所述处理器控制状态执行单元执行人机交互动作。

2.根据权利要求1所述的球形机器人智能交互系统，其特征在于：三组所述手势传感器安装在同一水平面内。

3.根据权利要求2所述的球形机器人智能交互系统，其特征在于：所述传感器为红外传感器、激光传感器以及超声波传感器中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的球形机器人智能交互系统，其特征在于：所述传感器的发射信号方向以及接收信号方向均指向球形机器人的正上方。

5.根据权利要求1所述的球形机器人智能交互系统，其特征在于：所述振动传感器的数量为一个且设置有振动强度阈值，强度达到振动强度阈值以上的振动被所述振动传感器接收后传递至处理器，强度达到振动强度阈值以上的振动被划分为多个区间，处理器判定振动强度的所属区间，并控制相对应的状态执行单元执行不同的人机交互动作。

6.根据权利要求1所述的球形机器人智能交互系统，其特征在于：所述振动传感器的数量为多个且分布在球形机器人内的不同位置，所述状态执行单元的数量与振动传感器相等且与振动传感器一一对应配置，位于不同位置的振动传感器接收振动后，处理器控制相应的状态执行单元执行相应动作。

7.根据权利要求5或6所述的球形机器人智能交互系统，其特征在于：所述状态执行单元包括氛围灯、振动马达、显示屏、摄像头以及麦克风。

8.根据权利要求1所述的球形机器人智能交互系统，其特征在于：还包括电源以及无线充电模块。