CN119178375B - 一种机器人眼球模拟转动角度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及机器人设计及其应用技术领域，具体公开一种机器人眼球模拟转动角度测量系统及方法，包括以下内容：敏感模块、眼球体、供电模块、角度数据收集模块和控制模块；敏感模块用于完成机器人眼球的角度检测；敏感模块包括盖体、腔体、线圈和连接转轴，线圈置于腔体中，盖体通过连接转轴连接于腔体。角度数据收集模块连接于线圈，收集线圈的电感值，角度数据收集模块还连接于控制模块。控制模块还连接有供电模块、敏感模块和外部模块。本公开实现机器人眼球转动角度的直接测量，测量范围能覆盖眼球实际转动范围，具有较高的测量精度。整体系统结构简单小巧，可以融入机器人眼球内腔中。角度测量电路简单，电路接口易与控制模块连接，易于集成。
Description
技术领域
本公开涉及机器人设计及其应用技术领域，具体公开一种机器人眼球模拟转动角度测量系统及方法。
背景技术
随技术的进步和社会的全面发展，服务类的机器人在社会生活的各个层面得到了广泛应用，特别是类人机器人，即外型仿人类的机器人，更是越来越多地融入到了人们的社会工作和生活服务领域。现有的仿人类机器人(简称类人机器人)已经具备了人机对话理解、面部微表情、口型及躯体动作匹配、大范围动态环境自主定位导航等功能。使得人们在与类人机器人沟通过程中期待有更好的互动体验，如眼神交流、肢体互动等。但是目前的类人机器人的眼部大多采用固定形式进行设计，缺乏灵活转动的能力。其次，类人机器人受限于形体体型尺寸约束，头部体积较小，不容易容纳太复杂的结构，导致了类人机器人的眼部设计结构达不到预期的仿真需求。
现有的已公开专利号：CN104645619A，名称为：一种电磁驱动的机器人眼球装置，其在机器人眼球下安装一个永磁体，眼球枢轴枢接在眼球支架的轴孔内，眼球的一边设有一个电磁铁，电磁铁的极靴面对永磁体电磁铁通电励磁可驱动眼球转动180度，但是其结构复杂，需要的设计空间更大，不能满足于多种类人机器人的设计需要，且永磁体驱动角度过大，导致机器人眼球仿真转动过于死板和呆滞，无法实现良好的互动需求。
发明内容
为此，本公开提出了一种机器人眼球模拟转动角度测量系统及方法用以解决上述问题。
根据本公开的一方面，提供了一种机器人眼球模拟转动角度测量系统，包括以下内容：敏感模块、角度数据收集模块、眼球体、供电模块和控制模块；
敏感模块，所述敏感模块用于完成机器人眼球的角度检测；所述敏感模块包括盖体、腔体、线圈和连接转轴，所述线圈置于所述腔体中，所述盖体通过连接转轴连接于所述腔体；
角度数据收集模块，所述角度数据收集模块连接于所述线圈，收集所述线圈的电感值，所述角度数据收集模块还连接于所述控制模块；
供电模块，所述供电模块用于为所述控制模块和所述敏感模块供电，所述供电模块连接所述线圈；
控制模块，所述控制模块用于接收外部控制信号，并对所述仿真机器人眼球模拟转动系统的其他部分发送控制指令；所述控制模块连接于所述供电模块和所述敏感模块，所述控制模块还连接于所述外部模块；
眼球体，所述眼球体为容置结构，所述眼球体为中空结构，所述敏感模块、所述角度数据收集模块、所述供电模块和所述控制模块置于所述眼球体中。
优选地，所述眼球体表面设置有通孔，所述眼球体通过固定柱连接于机器人眼部框体内，所述固定柱穿过所述通孔。
优选地，所述盖体和所述腔体由高导磁材料制成，所述盖体通过所述连接转轴与所述腔体开合连接；所述腔体和所述盖体中心均设置有柱体，所述线圈套设于所述腔体中的所述柱体上，所述线圈电连接于所述供电模块；所述盖体顶部与所述眼球体内表面固定连接。
优选地，所述角度数据收集模块包括数据收集模块和数据输出模块；所述数据收集模块实时收集电感值，所述数据输出模块输出电压值，所述输出电压值处理说明如下：
其中，ZL为交流阻抗，ω为正弦交流激励源角频率，L0为线圈电感，R0为线圈电阻；
角频率ω＝2πf，f为正弦波频率，R1为包含在电路中的变换电阻的交流阻抗，则输出电压为：
其中，Uoutput为输出电压，V0恒压激励源有效值。
优选地，所述数据输出模块包括输出信号电路，所述输出信号电路包括交流恒压电路、敏感单元电路、交-直整流电路、直流信号滤波及其放大电路、线性化处理和信号输出电路。
优选地，所述控制模块控制所述供电模块对所述敏感模块供电。
根据本公开的一方面，提供了一种机器人眼球模拟转动角度测量方法，用于上述的一种机器人眼球模拟转动角度测量系统中，包括以下步骤：
S110、确定机器人眼球转动的方向和角度，所述控制模块(5)接收外部模块发送的机器人眼球转动的方向和角度指令，并将所述指令分为方向指令和角度指令；
S120、向所述机器人眼球模拟转动角度测量系统发送相关运动指令，所述机器人眼球模拟转动角度测量系统分别接收所述方向指令和所述角度指令；
S130、所述机器人眼球模拟转动角度测量系统根据控制指令完成眼球体转动操作，所述眼球体(2)基于敏感模块(1)中的所述盖体(11)与所述腔体(12)之间的相对位置变化而发生旋转角度的变化；
S140、收集机器人眼球转动角度数据并输出，实时收集随所述腔体(12)与所述盖体(11)位置变化而变化的电感值数据变化，并将所述电感值数据转化后进行电信号输出，实时变化的电感数据即对应为机器人眼球实时转动角度数据。
优选地，在所述步骤S110中，所述外部模块包括机器人控制设备、移动端设备，所述外部模块协调整个机器人运行和执行各种命令。
优选地，在所述步骤S140中，所述盖体固定连接所述眼球体，所述盖体在所述眼球体的带动下与腔体形成转动的眼球角度变化。
在本公开实施例中所公开的一种机器人眼球模拟转动角度测量系统及方法与现有技术相比的有益效果在于：本公开可以实现机器人眼球转动角度的直接测量，测量范围能覆盖眼球实际转动范围，具有较高的测量精度。整体系统结构简单，体积小巧，可以融入机器人眼球内腔中，且占用机器人大脑内的空间也相对较小。角度测量电路简单，电路接口易与控制模块连接，易于集成。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。
图1示出根据本公开机器人眼球模拟转动角度测量系统的结构示意图；
图2示出根据本公开仿真机器人眼球模拟转动系统的眼球转动角度测量等效工作电路原理图；
图3示出根据本公开机器人眼球模拟转动角度测量系统的等效工作电路仿真波形示意图；
图4示出根据本公开机器人眼球模拟转动角度测量系统的输出模块结构示意图；
图5示出根据本公开机器人眼球模拟转动角度测量系统流程图。
附图说明：1-敏感模块；11-盖体；12-腔体；13-线圈；14-连接转轴；2-眼球体；3-供电模块；4-角度数据收集模块；5-控制模块。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
可以理解，本公开提及的上述各个方法实施例，在不违背原理逻辑的情况下，均可以彼此相互结合形成结合后的实施例，限于篇幅，本公开不再赘述。
类人机器人凭借仿人体的形态优势和运动特征，在家庭服务、商业服务、国防安全、危险作业等场景中实现价值应用。其具有自然语言理解、情感识别与人机交互技术等。未来将在人机共融、医疗康复、工业生产、特种应用中发挥重要作用。但是类人机器人由于结构的限制导致其眼部不能与人们进行良好的互动和沟通，呈现出死板、呆滞的情况。并且，无法快速、准确地获取机器人眼部转动角度，无法更直接地进行角度测量，角度测量结构通常体积较大，不便于安装在机器人体内。为了解决上述问题，本申请公开一种机器人眼球模拟转动角度测量系统及方法，可以在机器人眼球更加逼真地互动式转动时直接获得机器人眼球转动角度，无需额外的设备进行测量，体积小，可以完全置于机器人眼球内。具体如图1所示，一种机器人眼球模拟转动角度测量系统包括敏感模块1、眼球体2、供电模块3、角度数据收集模块4和控制模块5。具体地，敏感模块1用于完成机器人眼球的角度检测，敏感模块1包括盖体11、腔体12、线圈13和连接转轴14，线圈13置于腔体12中，盖体11通过连接转轴14连接于腔体12。角度数据收集模块4连接于上述线圈13，收集线圈13的电感值，角度数据收集模块3还连接于控制模块4，供电模块3用于为控制模块4和敏感模块1供电，配合敏感模块1一同完成机器人的角度检测，供电模块3连接线圈13。控制模块5用于接收外部控制信号，并对仿真机器人眼球模拟转动角度测量系统的其他部分发送控制指令，控制模块5连接于供电模块3和敏感模块1，控制模块5还连接于外部模块。眼球体2为中空容置结构，敏感模块1、供电模块3、角度数据收集模块4和控制模块5均置于眼球体2中。因为眼球的转动并不完全是大角度转动，传统的眼球大角度转动会使得机器人眼部看起来非常僵硬，人们互动过程中的眼球转动角度一般均小于30°。因此，通过上述系统检测眼球转动角度，能有效地进行人机互动。
其中，为了便于眼球可以实现为角度的转动，并与机器人眼眶进行稳定结合，设置了眼球体2表面设置有通孔，眼球体2通过固定柱连接于机器人眼部框体内，固定柱穿过通孔。通孔设置于眼球体2背侧，可以与机器人眼眶直接进行连接，并且不会影响到机器人眼球实现角度转动。
在本公开的实施例中，如图1所示，具体地机器人眼球转动角度检测的实现过程如下所示：盖体11通过连接转轴14与腔体12开合连接，腔体12和盖体11中心均设置有柱体，可以增加线圈电感变化量，线圈13套设于腔体12中的柱体上，线圈13电连接于供电模块3，盖体11顶部与眼球体2内表面固定连接。线圈13套设于柱体上以后可以进行通电，线圈13通电后产生磁场，由于设置盖体11和腔体12均由高导磁材料制成，因此整个敏感模块具有磁阻较小的特性，易于磁力线的通过。在腔体12和盖体11中的线圈13的电感比裸露在空气中的电感的值要大，这是由于本实施例中的腔体12和盖体11均为高导磁材料制成，导致磁阻远小于空气中的磁阻。再设计盖体11顶部与眼球体2内表面固定连接，当眼球体2转动时，带动盖体11围绕着固定轴14转动，此时的盖体11与腔体12之间的楔角形状的气隙也随着发生变化，此时线圈13的电感值的变化就直接反应了机器人眼球转动的角度。由此，气隙的楔角度大小变化会引起电感值大小变化，而气隙楔角度即为机器人眼球转动的角度，当记录上述电感值变化即为记录机器人眼部转动角度。
在本公开的实施例中，通过角度数据收集模块4可以精确、快速地收集到机器人眼球转动角度。具体地，角度数据收集模块4包括数据收集模块和数据输出模块，角度收集模块实时接收线圈13的电感值，可以不同的电感值直观地了解到反应机器人眼球的角度转动变化。数据输出模块将收集到的电感数据进行转化后输出，便于直接获取机器人眼球的转动角度，便于后续操作处理。如图2所示的眼球转动角度等效工作电路原理图，将敏感模块等效为线圈电感L0和线圈电阻R0串联，其中，还外接串联有信号变换电阻R1；整个电路，采用正弦交流恒压激励源V0进行激励。则有输出电压值处理说明如下：
其中，ZL为线圈交流阻抗，ω为正弦交流激励源角频率，L0为线圈电感，R0为线圈电阻；
V0电压经过L0、R0、R1的串联电路分压，在各元件两端形成相应大小的端电压值。R1端的分压值，即为眼球转动角度传感器所输出的电压值。当眼球转动时，盖体11与腔体12之间的楔角气隙变化，相应地L0电感的电感量会随之发生变化；电感量的变化，即电感阻抗发生了变化；在激励源V0幅值恒定的情况下，与敏感元件(即线圈)相互串联连接的电阻R1两端电压幅值的随之变化，即R1实质起到信号变换的作用，把电感量的变化，也即为眼球转动角度的变化，变换为自身两端电压幅值的变化，因此设置有此信号变换电阻。
角频率ω＝2πf，f为正弦波频率，R1为变换电阻的交流阻抗，则输出电压为：
式中，Uoutput为输出电压，V0恒压激励源有效值。在本实施例中，设置正弦交流恒压激励源V0，频率为1kHz,最大幅值恒定为1.0V，峰值即为2.0V。从式中可以看出：R1参数的合理选择，能保证获得较大Uoutput的输出值，对变量L0来说是非线性函数，所以输出的电压值Uoutput与L0即角度的变化量之间是非线性关系。必要时，传感器输出信号需要进行线性化处理，可以借助微控制器软件实现。激励源角频率的选择，影响输出信号的幅值变化大小，需要合理选择。
参考图3，保持激励源角频率不变和幅值，如峰值2.0V，频率为1kHz恒定，在R1的阻值不变的情况下，通过改变l0电感量值，选择其变化范围为20mH～1000mH，变化增量为100mH，通过电路仿真Altium Design软件得到的一簇输出Uoutput信号的电压波形。幅值最大的信号波形为激励源V0的波形。从图3中可以明显的看到输出电压V0幅值发生了明显的变化，此变化量越大，表明传感器的灵敏度越高。由于电路电感的存在，输出电压和激励电压存在相位差。其中，眼球转角的测量关注的是输出电压的幅值，不是输入激励和输出电压的相位差大小的关系。
在本公开的实施例中，如图4所示，数据输出模块包括输出信号电路，所述输出信号电路包括交流恒压电路、敏感单元电路、交-直整流电路、直流信号滤波及其放大电路、线性化处理和信号输出电路。为了对收集到的电感数据进行处理，便于后续输出操作，在数据输出模块中顺应信号变换和处理流向的方向设置有五个部分。具体地，交流恒压电路就是频率固定、电压幅值固定的正弦交流电压源产生电路，敏感单元电路即为前文所述的等效电路，完成眼球转动角度的测量和电压信号的变换输出。交-直整流电路对等效电路输出的交流电压信号进行整流，变换输出为直流电压信号，直流信号滤波及其放大电路对交-直整流电路输出的直流电压信号，进行必要的信号滤波和放大处理，此直流电压信号大小对应于眼球转动角度的大小，两者存在直接的函数关系。线性化处理和信号输出电路把直流信号滤波及其放大电路输出的直流电压信号，转换为数字量；随之还可以使用微控制器的软件程序，就直流输出电压和眼球转动角度的数值关系，进行线性化处理，进而向类人机器人中心控制器输出有效的眼球转角数字量信号，最终实现类人机器人的实际应用需求。并且，角度测量电路简单，电路接口易于与机器人中心控制单元连接，易于集成。
其中，控制模块5控制供电模块3对敏感模块1供电。由于控制模块5连接于外部模块。便于使用者在与类人机器人进行互动的时候，或是其他控制操作的时候可以便于控制机器人的主动干预操作。
本公开的另一方面，如图5所示，提供了一种机器人眼球模拟转动角度测量方法，应用于上述机器人眼球模拟转动角度测量系统，包括以下步骤：
S110、确定机器人眼球转动的方向和角度，所述控制模块(5)接收外部模块发送的机器人眼球转动的方向和角度指令，并将所述指令分为方向指令和角度指令；
S120、向所述仿真机器人所属的眼球转动角度测量系统发送相关运动指令；
S130、所述机器人眼球模拟转动角度测量系统根据控制完成眼球体2的转动操作，所述眼球体(2)基于敏感模块(1)中的所述盖体(11)与所述腔体(12)之间的相对位置变化而发生旋转角度的变化；
S140、收集眼球转动角度数据并输出，实时收集随所述腔体(12)与所述盖体(11)位置变化而变化的电感值数据变化，并将所述电感值数据转化后进行电信号输出，实时变化的电感数据即对应为机器人眼球实时转动角度数据。
本实施例的机器人眼球模拟转动角度测量方法，可以实现眼球转动角度的直接测量，测量范围能覆盖眼球实际转动范围，且有较高的测量精度。具体地，在步骤S110中，外部模块包括机器人控制设备、移动端设备，外部模块协调整个机器人运行和执行各种命令，可以便于控制。在本实施例中，机器人也包括预先设定的各种控制指令，在此不做具体限定。在步骤S140中，盖体11固定连接眼球体2，盖体11在眼球体2的带动下完成眼球仿真转动的操作。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (9)
1.一种机器人眼球模拟转动角度测量系统，其特征在于，包括以下内容：敏感模块(1)、眼球体(2)、供电模块(3)、角度数据收集模块(4)和控制模块(5)；
敏感模块(1)，所述敏感模块(1)用于完成机器人眼球的转动角度检测；所述敏感模块(1)包括盖体(11)、腔体(12)、线圈(13)和连接转轴(14)，所述线圈(13)置于所述腔体(12)中，所述盖体(11)通过所述连接转轴(14)与所述腔体(12)开合连接；所述盖体(11)顶部与所述眼球体(2)内表面固定连接；所述盖体(11)和所述腔体(12)均由高导磁材料制成；
角度数据收集模块(4)，所述角度数据收集模块(4)连接于所述线圈(13)，所述角度数据收集模块(4)收集所述线圈(13)的电感值，所述角度数据收集模块(4)还连接于所述控制模块(5)；
供电模块(3)，所述供电模块(3)用于为所述控制模块(5)和所述敏感模块(1)供电，配合所述敏感模块(1)一同完成机器人眼球的转动角度检测，所述供电模块(3)连接所述线圈(13)；
控制模块(5)，所述控制模块(5)用于接收外部控制信号，并对所述机器人眼球模拟转动角度测量系统的其他部分发送控制指令；所述控制模块(5)连接于所述供电模块(3)和所述敏感模块(1)，所述控制模块(5)还连接于外部模块；
眼球体(2)，所述眼球体(2)为中空容置结构，所述角度数据收集模块(4)、所述敏感模块(1)、所述供电模块(3)和所述控制模块(5)置于所述眼球体(2)中。
2.根据权利要求1所述的机器人眼球模拟转动角度测量系统，其特征在于，所述眼球体(2)表面设置有通孔，所述眼球体(2)通过固定柱连接于机器人眼部框体内，所述固定柱穿过所述通孔。
3.根据权利要求2所述的机器人眼球模拟转动角度测量系统，其特征在于，所述腔体(12)和所述盖体(11)中心均设置有柱体，所述线圈(13)套设于所述腔体(12)中的所述柱体上，所述线圈(13)电连接于所述供电模块(3)。
4.根据权利要求3所述的机器人眼球模拟转动角度测量系统，其特征在于，所述角度数据收集模块(4)包括数据收集模块和数据输出模块；所述数据收集模块实时收集电感值，所述数据输出模块输出电压值，所述输出电压值如下：
其中，ZL为线圈交流阻抗，ω为正弦交流激励源角频率，L0为线圈电感，R0为线圈电阻；
其中，ω＝2πf，f为正弦波频率，R1为包含在电路中的变换电阻的交流阻抗，则输出电压为：
其中，Uoutput为输出电压，V0恒压激励源有效值。
5.根据权利要求4所述的机器人眼球模拟转动角度测量系统，其特征在于，所述数据输出模块包括输出信号电路，所述输出信号电路包括交流恒压电路、敏感单元电路、交-直整流电路、直流信号滤波及其放大电路和线性化处理和信号电压输出电路。
6.根据权利要求1所述的机器人眼球模拟转动角度测量系统，其特征在于，所述控制模块(5)控制所述供电模块(3)对所述敏感模块(1)供电。
7.一种机器人眼球模拟转动角度测量方法，用于上述权利要求1-6中任一项所述的一种机器人眼球模拟转动角度测量系统，其特征在于，包括以下步骤：
S110、确定机器人眼球转动的方向和角度，所述控制模块(5)接收外部模块发送的机器人眼球转动的方向和角度指令，并将所述指令分为方向指令和角度指令；
S120、向所述机器人眼球模拟转动角度测量系统发送相关指令，所述机器人眼球模拟转动角度测量系统分别接收所述方向指令和所述角度指令；
S130、所述机器人眼球模拟转动角度测量系统根据相关指令完成眼球体转动操作，所述眼球体(2)基于敏感模块(1)中的所述盖体(11)与所述腔体(12)之间的相对位置变化而发生旋转角度的变化；
S140、收集机器人眼球转动角度数据并输出，实时收集随所述腔体(12)与所述盖体(11)位置变化而变化的电感值数据变化，并将所述电感值数据转化后进行电信号输出，实时变化的电感数据即对应为机器人眼球实时转动角度数据。
8.根据权利要求7所述的机器人眼球模拟转动角度测量方法，其特征在于，在所述步骤S110中，所述外部模块包括机器人控制设备、移动端设备，所述外部模块协调整个机器人运行和执行各种命令。
9.根据权利要求8所述的机器人眼球模拟转动角度测量方法，其特征在于，在所述步骤S140中，所述盖体(11)固定连接所述眼球体(2)，所述盖体(11)在所述眼球体(2)的带动下与腔体(12)形成转动的眼球角度变化。
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