CN113041577A - 一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，包括：外壳、卡槽、密封舱、无刷电调、Arduino单片机、扩展板、水下推进器、LED灯带、面包板、颜色识别传感器；外壳内壁设有卡槽，卡槽内安装有LED灯带；外壳内腔设有密封舱，密封舱内设有无刷电调、单片机、扩展板、面包板；无刷电调与Arduino单片机兼容脉冲宽度调制技术的端口连接；无刷电调的信号端口与扩展板兼容脉冲宽度调制技术的I/O端口连接；外壳底部安装有水下推进器；外壳外壁安装有颜色识别传感器。应用本发明实施例，实现水上运动的运动量可视化、激励水上运动和水上社交。

Description

一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人。

背景技术

智能辅助机器人在运动检测方面有着广泛应用，目前在运动领域，人们习惯带着手机或者运动手环进行运动，手机和手环就会相应的记录人的运动数据；国内已有关于游泳数据记录及可视化的研究，有提及灯带显示、机器人交互的研究，也有单独提及游泳数据记录的研究，但未见以灯带对游泳数据可视化的交互伴游机器人的报道；智能辅助机器人在运动检测方面有着广泛应用，目前在运动领域，人们习惯带着手机或者运动手环进行运动，手机或手环就会相应的记录人的运动数据；但是水上运动领域智能机器人依旧不能满足以下需求：

一、缺少一种运动量化并记录的辅助智能机器人；

二、缺少一种引导性，激励性的运动辅助智能机器人。

三、电子屏幕显示不适合游泳的环境，缺少直观简便、直观读取的运动数据的可视化模式。

四、水上运动环境，缺少一种扩展游泳的趣味性和社交性的智能机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，以实现水上运动的运动量可视化、激励水上运动和水上社交。

为了实现上述目的，本发明提供一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，包括：外壳、卡槽、密封舱、无刷电调、Arduino单片机、扩展板、水下推进器、LED灯带、面包板、颜色识别传感器；

所述外壳内壁设有所述卡槽，所述卡槽内安装有所述LED灯带；

所述外壳内腔设有所述密封舱，所述密封舱内设有所述无刷电调、所述单片机、所述扩展板、所述面包板；

所述无刷电调与所述Arduino单片机兼容脉冲宽度调制技术的端口连接；

所述无刷电调的信号端口与所述扩展板兼容脉冲宽度调制技术的I/O端口连接；

所述外壳底部安装有所述水下推进器；

所述外壳外壁安装有所述颜色识别传感器。

一种实现方式中，所述面包板上安装有三极管13003和色环电阻；

所述Arduino单片机的I/O端口与所述色环电阻的一端连接；

所述色环电阻与所述三极管13003的基极连接，所述三极管13003的发射极与电源负极连接，所述三极管13003的集电极与所述LED灯带的负极连接。

可选的，所述水下推进器包括：无刷电机和螺旋桨；

所述无刷电机的输入端口与所述无刷电调的输出端口相连接。

一种实现方式中，还包括:第一塑料片、第一固定件、第一按钮开关、第二塑料片、第二固定件、第二按钮开关；

所述外壳两端均安装有所述固定件、第二固定件；

所述第一固定件内安装有所述第一塑料片；

所述第二固定件内安装有所述第二塑料片；

所述第一塑料片与所述第一按钮开关接触连接；

所述第二塑料片与所述第二按钮开关接触连接；

所述第一塑料片可按压到所述第一按钮开关；

所述第二塑料片可按压到所述第二按钮开关。

应用本发明实施例提供的一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，具备的有益效果如下：

1.可以在使用者前方保持恒定适宜速度，这一恒定速度可通过人机交互趣味开关进行控制，引领并激励游泳者保持游速；

2.灯带点亮数目与游泳米数相对应，电子屏幕观看不便，游泳者只需要看到灯带数目便可知道自己游泳里程，同时方便使用者直观看到其他人的游泳里程，以好胜心为出发点激励游泳；

3.灯带点亮强度呈现渐变效果，视觉上具有一定观赏趣味性；

4.灯带点亮顺序设定为随机顺序，下一条点亮灯带的位置不能预测，增加本发明的惊喜感，未知感；

5.本发明提供了趣味社交功能，用户之间可进行灯带数量的传递活动，机器人之间相距不足20cm时，两个设备偶然性近距离相遇，可触发灯带转移效果，偶然性和LED灯带转移效果增加了有用的趣味性，扩展了游泳的社交性。灯带转移效果具有不可逆性，用户只能继续游泳来增加游泳时间，点亮更多灯带来抵消自己所熄灭的灯带条数，不可逆性可以达到激励用户游泳健身的目的。灯带激励游泳的同时，也为用户提供了交流的切入点，扩展游泳的社交性和激励性。

6.休息时，设备提供给休息停靠功能，用户可以将手肘搭在在设备上，借助设备提供的浮力和自身浮力进行休息。

7.本发明撞到障碍物时，设备关停；

附图说明

图1是本发明实施例一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人的刨面结构示意图。

图2是本发明密封舱结构示意图。

图3是本发明开关装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“联接”、“相连”、“连接”、“配合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；“配合”可以是面与面的配合，也可以是点与面或线与面的配合，也包括模块功能的配合，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3本发明提供的一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，包括：外壳1、卡槽2、密封舱7、无刷电调10、Arduino单片机12、扩展板13、水下推进器15、LED灯带18、面包板19、颜色识别传感器20；所述外壳1内壁设有所述卡槽2，所述卡槽2内安装有所述LED灯带18；所述外壳1内腔设有所述密封舱7，所述密封舱7内设有所述无刷电调10、所述单片机12、所述扩展板13、所述面包板19；所述无刷电调10与所述Arduino单片机12兼容脉冲宽度调制技术的端口连接；所述无刷电调10的信号端口与所述扩展板13兼容脉冲宽度调制技术的I/O端口连接；所述外壳1底部安装有水下推进器15；所述外壳1外壁安装有颜色识别传感器20。

需要说明的是，外壳1内壁设有卡槽2，LED灯带18安装在卡槽2里，外壳1内部设有密封舱7、法兰8，密封舱7卡在外壳1的内壁上，密封舱7的安装盖上有穿线管9，导线16通过穿线管9连接密封舱7内外电子电路部分，密封舱7内部有Arduino单片机12、与Arduino单片机12相对应的设有扩展板13、电源11、无刷电调10、面包板19；面包板19上安插了三极管13003和色环电阻。外壳1一端均安装有第一固定件4，第一固定件4内安装有第一塑料片3，第一塑料片3可按压到第一按钮开关5，第一按钮开关5与第一固定件4之间设有第一橡胶环6，推动第一塑料片3可以按压到第一按钮开关5，用于开启和关停机器人。外壳1的另一端也安装有第二固定件41，第二固定件41内安装有第二塑料片31，第二塑料片31可按压到按钮开关第二按钮开关51，第二按钮开关51与第二固定件41之间设有第二橡胶环61，推动第二塑料片31可以按压到第二按钮开关51，用于开启和关停机器人

按钮开关5为一个水平塑料薄片开关装置和一个垂直塑料薄片开关装置，水平开关装置由内部固定结构进行固定，固定结构内设有一片状塑料件，片状塑料件前部为片状结构后端为圆柱状结构，片状塑料件卡在固定结构中，前端露出外壳外部，后端圆球弧面与按钮开关的球面相切，安装在固定结构的相应位置，按钮开关5与固定结构之间有橡胶环6进行固定，橡胶环6与固定结构之间通过卡扣进行连接；水平塑料薄片开关装置和垂直塑料薄片开关装置，不同之处在于一个是水平固定，另一个是垂直固定，其固定结构和连接方式相同。

可以理解的是，Arduino单片机12控制LED灯带18点亮顺序和点亮强度，Arduino单片机12的部分I/0端口兼容脉冲宽度调制技术，所述I/O端口与500Ω色环电阻的一端连接，500Ω色环电阻与三极管13003的基极连接，三极管13003的发射极与电源11负极连接，三极管13003的集电极与LED灯带18的负极连接。LED灯带18安装在外壳的卡槽2里，LED灯带18的正极与电源11正极连接，LED灯带18数量为12条，所有灯带的连接方法相同，12根灯带的正极共阳极连接之后和电源11正极连接，三极管13003的发射极共阴极连接之后与电源负极连接；三极管13003和色环电阻插接在面包板19上或者焊接在电路板上，面包板19用于控制LED灯带18的亮灯顺序，亮灯强度及水下推进器的运行速度。外壳1的底部安装有水下推进器15，水下推进器15包括无刷电机和螺旋桨，水下推进器15用于推动机器人运行。外壳1设有三个螺栓孔14，水下推进器15与外壳1通过螺栓连接，在三个螺孔的前方设有一个圆孔，水下推进器15的导线16穿过圆孔，并穿过穿线管9与无刷电调10连接；外壳1底部设有电源充电口17，用于给电源11充电。

本发明一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，包括外壳1，外壳1前端外壁安装颜色识别传感器20，外壳1内壁设有卡槽2，卡槽内安装灯带18，外壳1前后两端安装有固定件4，固定件4内安装塑料片3，塑料片3顶住按钮开关5，按钮开关5与固定件4之间有橡胶环6，推动塑料片3可以按压到按钮开关5，用于开启和关停机器人；外壳内腔有密封舱7，密封舱7内有电子元件包括无刷电调10，和Arduino单片机12及相应扩展板13，电源11、面包板19用于控制灯带18的亮灯顺序，亮灯强度及水下推进器的运行速度。外壳1底部安装有水下推进器15用于推动机器人运行，外壳底部安装有电源充电口17，用于给电源充电。

一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，包括可调节式动力推进模块、运动可视量化模块,运动量信息交互模块；

具体的，游速推进模块包括：水下推进器和无刷电调，Arduino开发板和相应扩展板，电源和开关，用于推进机器人进行运动。本发明目前设定为一种推进速度；根据实验得出数据，普通人游泳100米，所需时间大概为210秒左右，本发明速度设定为0.5米每秒，根据用户需求，机器人可以在在一侧伴随着用户游泳，也可以在用户前方保持稳定速度，带领用户游泳，激励用户保持稳定游速，以达到引导性激励作用。

具体的，程序控制所述无刷电调的速度的算法应用了脉冲宽度调制技术，所述无刷电调输入信号脉冲周期为20ms,可调节范围为1ms-2ms,实例如下：

步骤一:所述电调与所述Arduino单片机兼容脉冲宽度调制技术的端口连接；

步骤二；调用库函数myservo.attach(x)，定义x是兼容脉冲宽度调制技术的输出端口号码；

步骤三；用if语句:if(myservo.attached()＝＝true)来判断所述ARDUINO单片机相应端口是否能接受相应信号；

步骤四：应用脉冲宽度调制技术模拟油门行程校准,最高电平持续两秒，相当于油门拉满，持续两秒,紧接着最低电平持续一秒，相当于油门拉到最低，持续一秒；

步骤五：调用函数myservo.writeMicroseconds(m)为所述电调输出相应的信号电压，所述信号电压通过控制所述电调的输出电压值控制电机的转速。

具体的，运动可视量化模块，用于记录运动的数据，由于速度已知，且速度稳定不变，每两个所述灯带点亮间隔的时间固定化，相同时间内，机器人移动段相同的行程数量，所以所述灯带点亮数目和机器人行程相对应，机器人伴随用户游泳，或者用户追赶机器人游泳，用户游泳行程和机器人移动行程一致，故此，可以用灯带点亮数量对应用户游泳行程数量，实现运动的量化。运动数据可视化模式，用于将机器人记录的数据转化为直观可视化的显示给用户，与电子屏幕显示的图形界面相比，点亮的灯带更加直观，用户直接观看机器人上灯带点亮的条数就可以读取自己的游泳行程米数，所述LED灯带每5min亮一盏，故用户也可以通过数灯带条数读取自己的游泳时间。

作为本发明的一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人优选技术方案，根据实验得出数据，普通人游泳100米，所需时间大概为210秒，本发明速度设定为0.5米每秒，通过转速仪测得不同电压下的电机转速，作图分析得出电压和转速的关系，在程序中设定脉冲方波占空比，以达到设定速度的目的

具体的，控制所述LED灯带点亮顺序和点亮强度的算法流程：

步骤一：程序初始化时定义一个整数列表n，并给出第一个变量0；定义整数变量i，并赋值为0定义a-b号端口为输出信号端口；

步骤二：判断变量i是否大于b-1，若变量i大于b-1，停止程序中循环结构的执行；若i小于或等于b-1，则继续按顺序执行步骤三、四、五、二。

步骤三：调用库函数中随机数函数random(a，b)随机生成a-b中的任意一个数字，并赋值给变量x；

步骤四：对比变量x的值是否与列表n中的变量相等，若相等则重复一次步骤三，若不相等则将x的值存入列表n,然后调用模拟输出函数analogWrite()在x号端口输出相应大小信号电压，信号电压不同，所述LED灯带的点亮强度不同；

步骤五：所述模拟输出函数analogWrite()函数每执行一次，变量i加一,用于记录灯带点亮条数；

具体的，运动量信息交互模块，所述电路部分由程序和传感器相互配合完成，程序控制LED灯带随时间点亮，在程序中定义变量n,用于记录灯带的数量，每点亮一条灯带,变量n自加1；所述颜色识别传感器安装所述外壳的侧面，两设备之间距离小于20cm，颜色传感器识别对方LED灯带的色彩数值，不同的色彩数值对应不同的灯带条数，将分析得出的RGB数值通过模数转换模块转为数字信号，将不同的数字信号赋值给不同的变量，通过对比变量之间的关系来判断双方LED灯带亮起的条数哪一方更多。数量多的一方由程序控制亮起多亮起一条灯带，数量少的一方熄灭一条灯带。

具体流程如下：

步骤一、颜色识别传感器识别对方的发光二极管的色彩信号并由模数转换模块转换为电压信号

步骤二、将电压信号与相应的数值对应，并将数值赋值给m

步骤三、比较m,n的大小，大的一方增加点亮一条灯带，小的一方熄灭一条灯带。

所述算法步骤实现了所述发明之间的灯带数量的转移，由于颜色识别传感器的识别距离在20cm之内，两个设备偶然性近距离相遇，可触发所述灯带转移效果，所述偶然性和LED灯带转移效果增加了有用的趣味性，扩展了游泳的社交性。所述灯带转移效果，具有不可逆性，用户只能继续游泳来增加游泳时间，点亮更多灯带来抵消自己所熄灭的灯带条数，所述不可逆性，可以达到激励用户游泳健身的目的。

具体的，停靠休息功能，用于为用户提供浮靠助力功能，本发明不能提供任何人浮在水面所需的浮力，不能用作专业救生机器人，仅用于水上运动的辅助机器人，本发明仅提供相当浮力，对用户的使用方式不做任何限定，用户可以以上述姿势休息，也可以任何姿势借助机器人在水中休息。用户游泳累了可以将手肘搭在机器人上进行休息，本发明上表面宽度尺寸可提供两人手肘搭在上面休息。(但不仅限于两人)

具体的，本发明提供了趣味社交功能，用户之间可进行LED灯带数量的比较活动，激励游泳的同时，也为用户提供了交流的切入点，扩展游泳的社交性和激励性。本发明外壳1的外壁装有颜色识别传感器20，所述一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人之间距离小于20cm时可检测到对方的LED灯带色彩数值，所述颜色识别传感器于所述Arduino的模拟信号输入端口连接，通过模数转换模块，将所述颜色识别传感器模拟信号转化为数字信号，用于处理判断，与程序中的所述变量n进行大小对比，若对方大，则自身点亮LED灯带灭一条，对方点亮一条，反之，则自身点亮一条，对方灭一条灯带。

具体的，一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，工作时，用户进行游泳运动时，推按塑料片3，塑料片3顶按按钮开关5，机器人开启，根据用户需求，机器人可以在在一侧伴随着用户游泳，也可以在用户前方保持稳定速度，带领用户游泳，激励用户保持稳定游速，以达到引导性激励作用。运动量化模块中arduino开发板12控制灯带18每隔5min亮一条，进行机器人运行时间记录，运动时间越长，灯带18亮起数目越多，开关5开启后水下推进器15开始运行，推动机器人运行，运动数据可视化模式中将灯带的点亮的条数与游泳里程相对应，其原理为，路程＝时间*速度，灯带点亮间隔时间相等，机器人运行速度提前设定可知，没亮起一条灯带，机器人运行距离可知，用户和机器人一起游泳，机器人运行距离即可看做是用户有游泳距离,所述LED灯带点亮条数量化游泳距离和游泳时间；

具体的，用户可在游泳时，可以看到自己用运动量点亮的LED灯带，这种点亮LED灯带的成就感可以在一定程度上激励用户游泳；用户可以加快游速追赶上机器人，手动推动塑料片3关停机器人，也可以任由机器人运行，直到机器人撞到障碍物，撞击力只需大于手指推按力机器人便可自行关停。休息时，机器人提供休息停靠功能，用户可以将手肘搭在在机器人上，借助机器人提供的浮力和自身浮力进行休息.

具体的，本发明提供了趣味社交功能，用户之间可进行LED灯带数量的比较活动，激励游泳的同时，也为用户提供了交流的切入点，扩展游泳的社交性和激励性。本发明外壳1的外壁装有颜色识别传感器20，所述一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人之间距离小于20cm时可检测到对方的颜色信号，所述颜色识别传感器于所述Arduino的模拟信号输入端口连接，通过模数转换模块，将传感器接收到的模拟信号转化为数字信号，用于处理判断，数量多的一方由程序控制亮起多亮起一条灯带，数量少的一方熄灭一条灯带。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，其特征在于，包括：

外壳(1)、卡槽(2)、密封舱(7)、无刷电调(10)、Arduino单片机(12)、扩展板(13)、水下推进器(15)、LED灯带(18)、面包板(19)、颜色识别传感器(20)；

所述外壳(1)内壁设有所述卡槽(2)，所述卡槽(2)内安装有所述LED灯带(18)；

所述外壳(1)内腔设有所述密封舱(7)，所述密封舱(7)内设有所述无刷电调(10)、所述单片机(12)、所述扩展板(13)、所述面包板(19)；

所述无刷电调(10)与所述Arduino单片机(12)兼容脉冲宽度调制技术的端口连接；

所述无刷电调(10)的信号端口与所述扩展板(13)兼容脉冲宽度调制技术的I/O端口连接；

所述外壳(1)底部安装有所述水下推进器(15)；

所述外壳(1)外壁安装有所述颜色识别传感器(20)。

2.根据权利要求1所述的一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，其特征在于，所述面包板(19)上安装有三极管13003和色环电阻；

所述Arduino单片机(12)的I/O端口与所述色环电阻的一端连接；

所述色环电阻与所述三极管13003的基极连接，所述三极管13003的发射极与电源负极连接，所述三极管13003的集电极与所述LED灯带(18)的负极连接。

3.根据权利要求1所述的一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，其特征在于，所述水下推进器(15)包括：无刷电机和螺旋桨；

所述无刷电机的输入端口与所述无刷电调(10)的输出端口相连接。

4.根据权利要求1所述的一种用数据图形驱动运动和社交的水下机器人，其特征在于，还包括:第一塑料片(3)、第一固定件(4)、第一按钮开关(5)、第二塑料片(31)、第二固定件(41)、第二按钮开关(51)；

所述外壳(1)两端均安装有所述固定件(4)、第二固定件(41)；

所述第一固定件(4)内安装有所述第一塑料片(3)；

所述第二固定件(41)内安装有所述第二塑料片(31)；

所述第一塑料片(3)与所述第一按钮开关(5)接触连接；

所述第二塑料片(31)与所述第二按钮开关(51)接触连接；

所述第一塑料片(3)可按压到所述第一按钮开关(5)；

所述第二塑料片(31)可按压到所述第二按钮开关(51)。

Images