CN210090942U - 一种人机交互智能机器狗 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种人机交互智能机器狗，包括四个腿部、颈部、躯干、头部、尾部和控制系统，控制系统包括与控制器分别双向连接的运动控制模块、检测模块、信息输出模块、通信模块、定位导航模块和电源模块，其中，通信模块还与家电控制模块双向连接。与现有技术相比，本实用新型以搭建ROS的控制器为核心，基于运动控制模块、检测模块、信息输出模块、家电控制模块、通信模块、定位导航模块和电源模块，具有多自由度运动、智能安防、家电控制、环境监测、智能导航避障、自动无线充电以及人机交互的功能，能够满足人们对于家庭服务的多方面需求。

Description

一种人机交互智能机器狗

技术领域

本实用新型涉及智能机器人技术领域，尤其是涉及一种人机交互智能机器狗。

背景技术

随着工业化的飞速发展，机器人的应用领域在不断拓宽：机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业，比如清洁、加油、救护、抢险、救灾等。与工业机器人相比，智能机器人可以通过一定的机械方式进行移动，通过机械手臂进行操作，同时还安装有一些力、视觉、距离传感器等，通过识别周边环境，来决定其运动方式或完成某种工作，这是智能机器人的一个基本特点。

在家用服务领域，目前市面上已经出现了技术上十分成熟的清洁机器人、智能管家机器人和智能机器狗，其中，清洁机器人智能化程度比较低、功能单一；智能管家机器人能够基于蓝牙或者互联网，对家用电器进行控制，但缺少监控安防、人机交互的功能；智能机器狗是当前比较热门、受大众喜爱的一种智能机器人，中国专利CN207755773U公开了一种智能交互狗，该专利采用温湿度传感器实现环境监测，适合于室内环境下的儿童使用，中国专利CN108858176A则公开了一种智能机器狗，具有语音控制功能、追踪定位功能以及红外遥控功能，上述两种机器狗均没有真正融合智能安防、家电控制、环境监控、自主定位导航以及无线充电功能，无法提供更好的智能家庭服务。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种人机交互智能机器狗。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种人机交互智能机器狗，包括四个腿部、颈部、躯干、头部、尾部和控制系统，所述四个腿部安装在躯干的两侧面，所述头部的底面通过颈部与躯干的一端连接，所述躯干的另一端连接尾部，所述控制系统包括运动控制模块、检测模块、信息输出模块、家电控制模块、通信模块、定位导航模块、电源模块和控制器，所述运动控制模块、检测模块、信息输出模块、通信模块、定位导航模块和电源模块分别与控制器双向连接，所述通信模块还与家电控制模块双向连接。

优选地，所述运动控制模块包括十三个电机，所述腿部包括髋关节、膝关节和抬腿关节，所述十三个电机的输出端分别连接至颈部以及四个腿部的髋关节、膝关节和抬腿关节。

优选地，所述检测模块包括红外传感器、烟雾传感器、温湿度传感器、空气质量传感器、电量传感器和语音识别单元，所述红外传感器、烟雾传感器、温湿度传感器和空气质量传感器均安装在头部的顶面，所述电量传感器安装在躯干顶面靠近尾部的位置，所述语音识别单元安装在躯干的顶面，所述红外传感器的型号为HC-SR505，所述烟雾传感器的型号为QM-N10，所述温湿度传感器的型号为DHT22。

优选地，所述信息输出模块包括语音输出单元和图像输出单元，所述语音输出单元安装在头部的两侧，所述图像输出单元安装在头部的顶面，所述图像输出单元为IPS显示屏。

优选地，所述通信模块包括wifi单元和手机控制单元，所述wifi单元包括wifi天线，所述wifi天线设置在尾部内，所述尾部的一端与躯干连接，所述尾部的另一端安装有开关键，所述手机控制单元安装在躯干顶面靠近尾部的位置，所述家电控制模块安装在头部的顶面。

优选地，所述定位导航模块包括双目视觉单元和超声探测单元，所述双目视觉单元和超声探测单元均安装在头部的前端面，所述头部的前端面还安装有照明灯，所述双目视觉单元为WDR逆光红外双目摄像头，所述超声探测单元的型号为HC-SR04。

优选地，所述电源模块安装在躯干的侧面，所述电源模块包括充电单元和锂电池，所述充电单元由供电端和受电端组成，所述供电端的输入侧与市电连接，所述供电端的输出侧与受电端的输入侧连接，所述受电端的输出侧与锂电池连接。

优选地，所述供电端包括依次连接的信号发生器、功率放大器、升压器和供电电极，所述受电端包括依次连接的受电电极、降压器、整流滤波器和稳压器，所述信号发生器的输入为市电，所述供电电极与受电电极之间相互耦合成电容形式，所述稳压器的输出端连接至锂电池。

优选地，所述控制器安装在躯干的顶面，所述控制器为搭建有ROS(RobotOperating System，机器人操作系统)的树莓派3B+。

与现有技术相比，本实用新型通过仿生设计，采用电机驱动的方式，实现了机器狗13个自由度的运动；基于树莓派控制核心、通信模块以及家电控制模块实现了家用电器的智能控制；利用红外传感器、烟雾传感器、温湿度传感器和空气质量传感器，使机器狗具有防火、防盗、以及环境空气检测的功能；通过双目视觉以及超声探测达到机器狗自主定位导航的目的，同时结合电量传感器和充电单元，使机器狗具有自动进行无线充电的功能；此外，通过语音识别单元、语音输出单元图像输出单元以及手机控制单元，进一步增强了机器狗的人机交互功能。综上所述，本实用新型真正融合了智能安防、家电控制、环境监控、自主定位导航以及无线充电功能，能够提供更好的智能家庭服务。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的控制系统示意图；

图3为本实用新型的检测模块结构示意图；

图4为检测模块中烟雾传感器的工作电路原理图；

图5为检测模块中语音识别单元的工作电路原理图；

图6为本实用新型的信息输出模块结构示意图；

图7为本实用新型的通信模块与家电控制模块的连接结构示意图；

图8为本实用新型的定位导航模块结构示意图；

图9为定位导航模块中超声探测单元的工作原理示意图；

图10为本实用新型的电源模块结构示意图；

图11为电源模块中信号发生器的工作电路原理图；

图12为电源模块中功率放大器的工作电路原理图；

图13为电源模块中稳压器的工作电路原理图；

图14为本实用新型的控制系统的信息传输原理图；

其中：1、腿部，101、髋关节，102、膝关节，103、抬腿关节，2、颈部，3、躯干，4、开关键，5、电源模块，6、控制器，7、照明灯，8、头部，80、尾部，9、红外传感器，10、烟雾传感器，11、温湿度传感器，12、空气质量传感器，13、电量传感器，14、语音输出单元，15、图像输出单元，16、wifi单元，17、手机控制单元，18、语音识别单元，19、双目视觉单元，20、超声探测单元，21、家电控制模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，一种人机交互智能机器狗，包括四个腿部1、颈部2、躯干3、头部8、尾部80和控制系统，其中，四个腿部1安装在躯干3的两侧面，头部8的底面通过颈部2与躯干3的一端连接，躯干3的另一端连接尾部80，尾部80的一端与躯干3连接，尾部80的另一端安装有开关键4，腿部1包括髋关节101、膝关节102和抬腿关节103。

如图2所示，控制系统包括运动控制模块、检测模块、信息输出模块、家电控制模块21、通信模块、定位导航模块、电源模块5和控制器6，其中，运动控制模块、检测模块、信息输出模块、通信模块、定位导航模块和电源模块5分别与控制器6双向连接，通信模块还与家电控制模块21双向连接，运动控制模块用于实现机器狗的自由运动；

检测模块用于实现防火、防盗、环境空气检测以及语音输入检测；

信息输出模块用于显示检测模块的检测数据以及语音输出；

家电控制模块21用于实现家用电器的相关控制；

通信模块用于实现控制系统内的信息传输以及发送信息给用户的功能；

定位导航模块用于实现机器狗在室内的自主导航以及局部避障；

电源模块5用于实现机器狗的自主充电功能；

控制器6用于接收各模块的数据和信息，并对这些数据和信息进行处理后，再分别对应地输出数据、信息和控制信号给各模块。

本实施例中，运动控制模块包括十三个电机，十三个电机的输出端分别连接至颈部2以及四个腿部1的髋关节101、膝关节102和抬腿关节103，每个关节都由一个电机进行驱动，颈部单独由一个电机进行驱动，由此实现机器狗13个自由度的自由运动，运动控制模块在接收运动指令或者自主导航时，能实现机器狗四足平稳的自由行走，其中，自由行走具体设置为对角步态行走：

对角步态中，对角位置的腿交替完成支撑相与摆动相的运动。由于地面摩擦力的作用，处于支撑相的腿足端位置不变而机身前移。足端轨迹分为部分:摆动部分与地面移动部分。其中摆动部分为该足为摆动相在空中的摆动轨迹，地面滑动部分为该足为支撑相在地面的移动轨迹。

摆动轨迹采用摆线，摆线轨迹下竖直方向与偏航方向足端冲击力较小，重心波动较小，步态更加稳定。摆线轨迹方程如下:

x＝E(θ-sinθ)/2π (1)

y＝h(1-cosθ)/2 θ∈[0,2π] (2)

式中E为单腿步距，h为抬腿高度。

在对角步态行走过程中，由于当机器人重心在地面的投影不在支撑足所形成的支撑对角线上，造成机器人绕支撑轴的翻转，进而影响运动的稳定性。即当机器人重心不在支撑对角线上时会产生绕支撑对角线的翻转力矩，造成机器人绕支撑对角线的翻转运动。由欧拉动力学方程mgl＝jω+ω*jω可知mgl＝jω，即

ω＝mgl/j (3)

式(3)中，m为机器人总质量，g为重力加速度，l为机身中心在支撑面上的投影到支撑对角线的垂直距离，j为机器人绕支撑对角线的转动惯量，ω为机器人绕支撑对角线的角加速度，已知d＝1/2*E-nE＝(1/2-n)E,∈[0,1/2]，假设l(t)＝(d-∫vdt)sinα，以上两式代入式(3)之后，关于时间两次积分可得翻转角表达式为：

θ＝K*[6n²-15n+4/(2-n)³] (4)

式(4)中，K＝sinα*mgET²/12，j为常数项，翻转角与系数K和起步位置有关，翻转角度越小，则机器人在运动过程中姿态变动较小，从而减小足端与地面的冲击，提高运动的稳定性；

如图3所示，检测模块包括红外传感器9、烟雾传感器10、温湿度传感器11、空气质量传感器12、电量传感器13和语音识别单元18，其中，红外传感器9、烟雾传感器10、温湿度传感器11和空气质量传感器12均安装在头部8的顶面，电量传感器13安装在躯干3顶面靠近尾部80的位置，语音识别单元18安装在躯干3的顶面，语音识别单元18用于实现用户通过语音控制机器狗执行相关任务，红外传感器9的型号为HC-SR505，烟雾传感器10的型号为QM-N10，温湿度传感器11的型号为DHT22；

烟雾传感器10的工作电路如图4所示，电路采用QM-N10烟雾传感器作为探头，当空气中检测到烟雾时，通过AD转换，将QM-N10检测到的烟雾模拟信号转换为数字信号，QM-N10传感器两端电阻变小，流过Rp的电流增大，LED灯亮，并对C1进行充电，P1的2、3引脚由低电平变为高电平，进而由机器狗的控制器判断是否有火灾烟雾产生；

语音识别单元18的工作电路如图5所示，语音信息通过话筒X1进行采集，VM IC提供X1的电源，VSS是电路中的模拟地，VCM为参考电压，1脚和2脚分别是X1的正极、负极的输入引脚，当对着话筒讲话时，1脚和2脚将随着输入的声音产生变化的波形，并在控制器的对应端口处形成两路反相的波形，送到控制器内部的运算放大器进行音频放大，放大的音频信号再通过ADC转化器，转化为数字量，最终保存到相应的寄存器中，由控制器对这些数字音频信号进行压缩、辨识，实现语音识别的目的；

如图6所示，信息输出模块包括语音输出单元14和图像输出单元15，其中，语音输出单元14安装在头部8的两侧，图像输出单元15安装在头部8的顶面，图像输出单元具体为7寸的IPS显示屏，用于显示天气，温度，湿度，空气质量、电量以及时间等数据信息；

如图7所示，通信模块包括wifi单元16和手机控制单元17，wifi单元16用于连接网络，实现与用户远程通信的功能，手机控制单元17用于实现移动端远程操作机器狗，使机器狗执行所需任务，家电控制模块21通过通信模块实现对家庭中各种智能家电的控制，机器狗的家用电器智能控制功能是在家庭中建立一个通信网络，将各种家电设备通过该系统连接起来，实现对所有智能家居网络上的家电设备的远程使用和控制，其中，wifi单元16包括wifi天线，wifi天线设置在尾部80内，手机控制单元17安装在躯干3顶面靠近尾部80的位置，家电控制模块21安装在头部8的顶面；

如图8所示，定位导航模块包括双目视觉单元19和超声探测单元20，双目视觉单元19用于获取图像、为机器狗自主定位导航以及防火防盗提供视觉支持，超声探测单元20用于定位导航中的局部避障，首先双视觉单元19通过SLAM算法进行室内稠密重建，然后利用对极几何的方式计算机器狗自身所在位置；

通过超声波探测，机器狗探测到前方有障碍物时，可以测定障碍物距离，从而做出判断，实现智能避障，如图9所示，超声探测的原理为：一个控制口发一个10μs以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出，一旦有输出，就可以开启定时器计时，当接收口变为低电平时，就可以读取定时器的计时值，该计时值即为测距的时间，以此可计算出距离，通过如此不断的周期监测，最终实现智能避障的目的；

双目视觉单元19和超声探测单元20均安装在头部8的前端面，头部8的前端面还安装有照明灯7，双目视觉单元19为WDR逆光红外双目摄像头，超声探测单元20的型号为HC-SR04；

电源模块安装在躯干3的侧面，电源模块3包括充电单元和锂电池，如图10所示，充电单元由供电端和受电端组成，供电端包括依次连接的信号发生器、功率放大器、升压器和供电电极，受电端包括依次连接的受电电极、降压器、整流滤波器和稳压器，信号发生器的输入为市电，供电电极与受电电极之间相互耦合成电容形式，稳压器的输出端连接至锂电池，其中，电源模块3具体是通过一个TL494振荡器产生一对反向输入信号，通过功率放大器进行功率放大后输入到高频升压变压器A1(A1的谐振频率约为50kHz)进行升压，之后连接到供电电极C1，受电电极C1和供电电极C1耦合相当于一个电容，达到传输电能的效果，经过和A1相同型号的变压器A2进行降压经过整流滤波电路输入开关稳压电路中，最后通过一个接口对机器狗的锂电池进行供电，

具体的，图11所示为采用TL494的固定频率发生电路，频率由TL494的5脚连接的C2和6脚连接的R2决定，在46kHz～50kHz的频段上时，振荡效率最高，运行效果比较稳定；图12所示为功率放大器的电路，采用两级功率放大，将TL494一对反向输出分别接到两对669(NPN：VCBO＝180V，VCEO＝120V，IC＝1.5A，Pw＝1W)和649(PNP：VCBO＝180V，VCEO＝-120V，IC＝-1.5A，Pw＝1W)功率对管组成的推挽电路中，其输出连接到后级的两个大功率MOS管(Q2和Q5)，最后连接到高频升压变压器T1；图13所示为稳压器的工作电路示意图，稳压器经降压整流滤波后，得到14.1V的有效电压，再通过TPS5430芯片，前级加10μF的退耦电容、高性能的CBB电容(10μF，100V)，输出电感与最大输出电流有关，此处选择220μH的SMD电感，输出电压由VSENSE脚的电阻R1和R2阻值决定，由输出电压计算公式VOUT＝1.25×R1/R2，此处取R1＝10kΩ，R2＝3.24kΩ，得到VOUT＝5V。BOOT电容选择10nF，捕获二极管D1选择SS36；

此外，控制器6安装在躯干3的顶面，控制器3具体为搭建有ROS的树莓派3B+，如图14所示，以树莓派搭载ROS为总控制核心，实现各个模块之间以及单元之间的通信，各个模块通过发布话题与订阅的形式进行通信，红外传感器9、烟雾传感器10、温湿度传感器11、空气质量传感器12、电量传感器13、双目视觉单元19、超声探测单元20分别发布话题，语音输出单元14、图像输出单元15与运动控制模块分别接收话题，实现共享话题发布的信息。

本实用新型的具体工作过程为：家中有盗贼闯入时，红外传感器9就会自动感知，当检测到火灾烟雾气体时，烟雾传感器10会自动发出警报，并通过双目视觉单元19和通信模块将实时信息发送给用户，机器狗搭载的语音识别单元18可以实现人的语音控制，机器狗搭载的温湿度传感器11、空气质量传感器12可以通过信息输出模块，将检测结果进行语音播报、同时显示在显示屏，机器狗搭载的电量传感器13可实时检测机器狗的自身电量，当电量不足时，自动通过定位导航模块回到充电处，利用电源模块5为自身充电。

总体而言，本实用新型主要有以下的技术优点：

实时处理家庭紧急情况，机器狗可以自己智能处理各种复杂的情况，随时发送信息到用户的手机，并且还可以实现打电话的功能，比如：家庭发生突发火灾或者家电出现预想之外的问题，都逃不过它的眼睛，它会及时的给用户打电话或者发信息，防止灾难的发生；

更加人性化和拟人化，它不像其他机械一样只会做一些普通的事情，它可以利用内部芯片的编程及其语音识别和其他传感器的相互作用与孩子或者家人进行玩耍和交流，同时还会随机应变处理各种复杂的情况；

具有家庭“保姆”的能力，在没有人的时候可以自己实现各种情况的判断和处理，就像一个家庭保姆，可以在用户不在时看好自己的家庭，机器狗还具有教导孩子的能力，教给孩子各种好听的音乐，教孩子学习，保证孩子在家的安全，同时，自身所带的烟雾和红外传感器等还会对用户提示，并且在陌生人闯入时都会实时监控，更让用户放心，更加智能化，就像一个“保姆”，处理家庭无人看管下的各种事情；

多功能，低成本，机器狗具有许多家庭所必须的功能，集很多功能于一身，并且各种功能都可以相互联系，相互配合，最终实现家庭管家机器人的作用，而且还能够实现智能躲避障碍、智能充电、语音智能识别等比较新颖的功能，特别是无线充电，可以保证机器人24小时不断电，也省去了人工手动充电的麻烦，机器狗使用的大部分是功耗较低、价格低廉的芯片和电子元器件，这些芯片和元器件在市场上非常普遍，多样化的功能和低廉的成本，必定能够带来广阔的市场和巨大的经济效益。

Claims (9)

1.一种人机交互智能机器狗，包括四个腿部(1)、颈部(2)、躯干(3)、头部(8)、尾部(80)和控制系统，所述四个腿部(1)安装在躯干(3)的两侧面，所述头部(8)的底面通过颈部(2)与躯干(3)的一端连接，所述躯干(3)的另一端连接尾部(80)，其特征在于，所述控制系统包括运动控制模块、检测模块、信息输出模块、家电控制模块(21)、通信模块、定位导航模块、电源模块(5)和控制器(6)，所述运动控制模块、检测模块、信息输出模块、通信模块、定位导航模块和电源模块(5)分别与控制器(6)双向连接，所述通信模块还与家电控制模块(21)双向连接。

2.根据权利要求1所述的一种人机交互智能机器狗，其特征在于，所述运动控制模块包括多个电机，所述腿部(1)包括髋关节、膝关节和抬腿关节，所述多个电机的输出端分别连接至颈部(2)以及四个腿部(1)的髋关节、膝关节和抬腿关节。

3.根据权利要求1所述的一种人机交互智能机器狗，其特征在于，所述检测模块包括红外传感器(9)、烟雾传感器(10)、温湿度传感器(11)、空气质量传感器(12)、电量传感器(13)和语音识别单元(18)，所述红外传感器(9)、烟雾传感器(10)、温湿度传感器(11)和空气质量传感器(12)均安装在头部(8)的顶面，所述电量传感器(13)安装在躯干(3)顶面靠近尾部(80)的位置，所述语音识别单元(18)安装在躯干(3)的顶面，所述红外传感器(9)的型号为HC-SR505，所述烟雾传感器(10)的型号为QM-N10，所述温湿度传感器(11)的型号为DHT22。

4.根据权利要求1所述的一种人机交互智能机器狗，其特征在于，所述信息输出模块包括语音输出单元(14)和图像输出单元(15)，所述语音输出单元(14)安装在头部(8)的两侧，所述图像输出单元(15)安装在头部(8)的顶面，所述图像输出单元(15)为IPS显示屏。

5.根据权利要求1所述的一种人机交互智能机器狗，其特征在于，所述通信模块包括wifi单元(16)和手机控制单元(17)，所述wifi单元(16)包括wifi天线，所述wifi天线设置在尾部(80)内，所述尾部(80)的一端与躯干(3)连接，所述尾部(80)的另一端安装有开关键(4)，所述手机控制单元(17)安装在躯干(3)顶面靠近尾部(80)的位置，所述家电控制模块(21)安装在头部(8)的顶面。

6.根据权利要求1所述的一种人机交互智能机器狗，其特征在于，所述定位导航模块包括双目视觉单元(19)和超声探测单元(20)，所述双目视觉单元(19)和超声探测单元(20)均安装在头部(8)的前端面，所述头部(8)的前端面还安装有照明灯(7)，所述双目视觉单元(19)为WDR逆光红外双目摄像头，所述超声探测单元(20)的型号为HC-SR04。

7.根据权利要求1所述的一种人机交互智能机器狗，其特征在于，所述电源模块(5)安装在躯干(3)的侧面，所述电源模块(5)包括充电单元和锂电池，所述充电单元由供电端和受电端组成，所述供电端的输入侧与市电连接，所述供电端的输出侧与受电端的输入侧连接，所述受电端的输出侧与锂电池连接。

8.根据权利要求7所述的一种人机交互智能机器狗，其特征在于，所述供电端包括依次连接的信号发生器、功率放大器、升压器和供电电极，所述受电端包括依次连接的受电电极、降压器、整流滤波器和稳压器，所述信号发生器的输入为市电，所述供电电极与受电电极之间相互耦合成电容形式，所述稳压器的输出端连接至锂电池。

9.根据权利要求1所述的一种人机交互智能机器狗，其特征在于，所述控制器(6)安装在躯干(3)的顶面，所述控制器(6)为搭建有ROS的树莓派3B+。

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