一种独立态单球体自平衡运动装置的制作方法

本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种全向单球体自平衡人脸识别与追踪机器人。

背景技术：

在便携式设备和服务型机器人等行业，运动方式多采用4轮以及以上的多轮驱动方案。采用这种方式可使机器人本体自然保持稳定，但也带来了机器人本体体积大、转弯困难等缺点，因而限制了其在空间狭小或需要快速响应等场合的应用。针对上述问题，自平衡独轮平衡的控制方式被提出，如名称为“自平衡载人独轮车系统及控制方法”（公开号为CN102079348A）和名称为“自平衡载人独轮车系统”（公开号为2010206501881）的专利文献，通过使用独轮系统控制方式来获取整体系统的动态平衡，虽然整体系统的体积缩小了，但是由于还是采用传统驱动方式，所以会出现转弯半径大、不能立即转弯等问题。因此这种控制方式在空间狭小或需要快速响应等场合效率较低。而在与用户交互使用时多采用语音识别控制，不能识别跟随用户运动，使得用户体验感差，交互方式单一，产品不具有吸引力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种全向单球体自平衡人脸识别与追踪机器人，该机器人用于可移动机器人领域，例如便携式助力设备行业、医疗机器人行业和服务机器人行业，可解决复杂环境下转向困难、运动受限、使用体验感差和交互方式单一等问题。

本发明采用如下技术方案：一种全向单球体自平衡人脸识别与追踪机器人，主要由运动控制系统、支撑柱、数据处理系统、触控显示模块、二自由度摄像头系统、伺服电机控制系统、下部圆形水平固定件、中部圆形水平固定件、上部圆形水平固定件、姿态传感器系统组成；其特征在于：运动控制系统安装于下部圆形水平固定件下表面，是整个装置的运动和支撑部件；伺服电机控制系统置于下部圆形水平固定件上表面；中部圆形水平固定件通过支撑柱固定于下部圆形水平固定件上表面；数据处理系统和姿态传感器系统置于中部圆形水平固定件上表面；上部圆形水平固定件通过支撑柱安装于中部圆形水平固定件上表面；触控显示模块和二自由度摄像头系统分别置于上部圆形水平固定件上表面；

姿态传感器系统用于检测整个系统的运动状态，并将运动状态数据通过有线或者无线的方式发送给数据处理系统；

数据处理系统分别与姿态传感器系统、二自由度摄像头系统、触控显示模块和伺服电机控制系统相连；一方面解析、处理和储存姿态传感器系统采集的各种运动状态数据，计算运动量，并依据相应的控制模型生成相应的控制指令去控制伺服电机控制系统，伺服电机控制系统然后驱动运动控制系统以改变整体系统的位置和状态，使其保持动态平衡、运动或停止；形成闭环控制模型，从而实现系统的动态平衡；另一方面分析处理来自二自由度摄像头系统的图像数据，进行用户人脸的识别与跟踪，并在触控显示模块上显示帮助信息和用户信息等，实现友好的交互环境；

二自由度摄像头系统采集实时环境的图像信息并发送给数据处理系统，数据处理系统分析处理图像数据，再根据相应的控制模型控制二自由度摄像头系统中的Y轴旋转舵机和Z轴旋转舵机实现人脸的识别和追踪；

伺服电机控制系统接收数据处理系统的指令，控制运动控制系统中的旋转伺服电机和水平伺服电机；

运动控制系统根据伺服电机控制系统的控制指令做出相应的运动，通过旋转运动和水平运动的合成实现整体系统的自平衡；并在自平衡状态的基础上分别调节旋转运动状态和水平运动状态实现整体机器人的旋转运动和水平运动；通过姿态传感器系统采集当前系统运动状态数据并反馈给数据处理系统，形成闭环控制模型；

触控显示模块与数据处理系统相连，显示相关的交互信息、帮助信息和各种产品的推广信息等，形成良好的交互界面。

进一步的，所述二自由度摄像头系统由摄像头、Y轴旋转舵机、Z轴旋转舵机、Y轴旋转舵机固定架、Z轴旋转舵机固定件和舵机支撑柱构成；所述摄像头安装于Y轴旋转舵机舵盘上，通过控制Y轴旋转舵机实现摄像头的俯仰角度的控制；Y轴旋转舵机通过Y轴旋转舵机固定架安装于Z轴旋转舵机舵盘上，通过控制Z轴旋转舵机实现摄像头的左右角度的控制；Z轴旋转舵机通过舵机支撑柱和Z轴旋转舵机固定件固定于上部圆形水平固定件。

进一步的，所述运动控制系统包含独立态单球体模块、旋转运动摩擦轮、旋转伺服电机固定件、旋转伺服电机、弹簧减震模块、水平运动摩擦轮、水平伺服电机固定件、水平伺服电机、圆形固定件和阻碍式夹具；所述独立态单球体模块安装于最底部，是整个系统的运动部分；旋转运动摩擦轮安装于旋转伺服电机主轴部分，整体通过旋转伺服电机固定件安装于圆形固定件外缘下表面，其中旋转运动摩擦轮与独立态单球体模块相切；所述水平运动摩擦轮安装于水平伺服电机主轴部分，整体通过水平伺服电机固定件安装于圆形固定件上表面，其中水平运动摩擦轮与独立态单球体模块相切；弹簧减震模块均匀垂直安装于圆形固定件外缘上表面；阻碍式夹具通过阻碍式夹具固定件均匀安装于圆形固定件下表面边缘，阻碍式夹具由阻碍式夹具滑动球体、阻碍式夹具弹片和阻碍式夹具固定件组成，其中阻碍式夹具滑动球体与独立态单球体模块接触相切。

进一步的，所述独立态单球体模块形状为一球体，处于独立态，为整体系统提供行走运动部件，是水平伺服电机和旋转伺服电机的控制对象。

进一步的，所述旋转运动摩擦轮安装于旋转伺服电机主轴部分，整体使用旋转伺服电机固定件安装于圆形固定件表面，控制下方的独立态单球体模块做旋转运动。

进一步的， 所述水平运动摩擦轮安装于水平伺服电机主轴部分，整体使用水平伺服电机固定件安装于圆形固定件表面，控制下方的独立态单球体模块做水平运动；水平运动摩擦轮为整体系统提供水平运动的动力，在进行旋转运动的过程中，水平运动摩擦轮与独立态单球体模块接触面少，且两部件相切点为球体最顶点，与旋转轴共线，因此水平运动摩擦轮对机器人的旋转运动影响基本没有；

进一步的，所述弹簧减震模块为上部结构提供支撑与减小震动；所述圆形固定件位于独立态单球体模块顶部，其作用为固定阻碍式夹具、水平伺服电机、旋转伺服电机、弹簧减震模块。

进一步的，所述旋转运动摩擦轮由旋转轮内轮与旋转运动轮表面橡胶构成，并且旋转运动轮表面橡胶一部分形成旋转运动轮表面间断结构，该结构在独立态单球体模块做水平运动时将因旋转运动轮表面橡胶非间断面的摩擦而处于独立态单球体模块正上方，以使得此时旋转运动摩擦轮与独立态单球体模块处于分离状态，即此时旋转运动摩擦轮与独立态单球体模块之间没有摩擦力，使得旋转运动摩擦轮不影响整体系统做水平运动。

进一步的，所述阻碍式夹具由下部阻碍式夹具滑动球体、中部阻碍式夹具弹片和上部阻碍式夹具固定件构成，置于圆形固定件表面，共同控制着独立态单球体模块的位置与运动。

本发明的优点：该全向单球体自平衡人脸识别与追踪机器人运动方式灵活和不受狭窄空间的影响，能在狭小空间内方便地进行原地360度方向的快速运动；与用户交互方式灵活自由，应用范围广，可广泛应用于服务机器人行业、医疗机器人行业和便携式助力设备等多个行业；节能环保，采用电控方式，实现零污染，适应未来发展的需求。

附图说明

图1是本发明整体系统的框架图。

图2为本发明整体系统的结构正视图。

图3为本发明整体系统的结构侧视图。

图4为本发明运动控制系统的整体结构正视图。

图5为本发明运动控制系统的夹具结构侧视图。

图6为本发明的二自由度摄像头系统结构侧视图。

附图标记说明：1—运动控制系统；2—支撑柱；3—数据处理系统；4—触控显示模块；5—二自由度摄像头系统；6—伺服电机控制系统；7—下部圆形水平固定件；8—中部圆形水平固定件；9—上部圆形水平固定件；10—姿态传感器系统；101—独立态单球体模块；102—旋转运动摩擦轮；102A—旋转运动轮表面橡胶；102B—旋转轮内轮；102C—旋转运动轮表面间断结构；103—旋转伺服电机固定件；104—旋转伺服电机；105—弹簧减震模块；106—水平运动摩擦轮；107—水平伺服电机固定件；108—水平伺服电机；109—圆形固定件；110—阻碍式夹具；110A—阻碍式夹具滑动球体；110B—阻碍式夹具弹片；110C—阻碍式夹具固定件；501—舵机支撑柱；502—Y轴旋转舵机；503—摄像头；504—Y轴旋转舵机固定架；505—Z轴旋转舵机固定件；506—Z轴旋转舵机。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明设计的全向单球体自平衡人脸识别与追踪机器人，包括姿态传感器系统10、数据处理系统3、二自由度摄像头系统5、伺服电机控制系统6、运动控制系统1和触控显示模块4；

数据处理系统3可以是计算机或嵌入式设备或其它能进行计算处理的装置，它一方面用于实时读取、处理和储存姿态传感器系统10采集的各种运动姿态数据，并结合当前系统状态与相关算法控制伺服电机控制系统6，以此实现控制运动控制系统1的状态来实现整个机器人运动状态的控制；另一方面数据处理系统3分析处理来自二自由度摄像头系统5的图像数据，计算出当前用户的位置信息，如角度、方位和距离等，再结合历史数据得到当前用户的变化量，进而控制二自由度摄像头系统5里面的运动部件实现用户的人脸识别与追踪等要求；

姿态传感器系统10包含多种运动状态传感器，例如三轴陀螺仪、角度传感器、速度/加速度传感器等传感器，该系统实时反馈当前机器人的运动状态给数据处理系统3，以此使数据处理系统3能够实时调节机器人运动状态并最终在设计点周围趋于平衡；

二自由度摄像头系统5实时将环境的图像数据传输给数据处理系统3，并且根据数据处理系统3传输的控制指令改变Y轴旋转舵机502与Z轴旋转舵机506分别在Y和Z轴上的转动量，进而实现用户的人脸识别与追踪等要求；

伺服电机控制系统6接收来自数据处理系统3的控制指令，进而控制运动系统1中的水平伺服电机108与旋转伺服电机104的运动状态；

运动控制系统1由伺服电机控制系统6接收数据处理系统3的控制指令驱动，是整个装置的运动和支撑部件；运动控制系统1根据数据处理系统3的控制指令做出相应的运动，通过旋转运动和水平运动的合成实现整体系统的自平衡；并在自平衡状态的基础上分别调节旋转运动状态和水平运动状态实现整体系统的旋转运动和水平运动；

触摸显示模块4接收来自数据处理系统3的显示数据，例如用户数据、帮助信息和推广信息等；

进一步，如图2和图3所示，所述运动控制系统1安装于下部圆形水平固定件7下表面，是整个装置的运动和支撑部件；伺服电机控制系统6置于下部圆形水平固定件7上表面；中部圆形水平固定件8通过支撑柱2固定于下部圆形水平固定件7上表面；数据处理系统3和姿态传感器系统10置于中部圆形水平固定件8上表面；上部圆形水平固定件9通过支撑柱2安装于中部圆形水平固定件8上表面；触控显示模块4和二自由度摄像头系统5分别置于上部圆形水平固定件9上表面；

进一步，如图6所示，二自由度摄像头系统5包括舵机支撑柱501、Y轴旋转舵机502、摄像头503、Y轴旋转舵机固定架504、Z轴旋转舵机固定件505和Z轴旋转舵机506；

所述摄像头503安装于Y轴旋转舵机502舵盘上，通过控制Y轴旋转舵机502实现摄像头503的俯仰角度的控制；Y轴旋转舵机502通过Y轴旋转舵机固定架504安装于Z轴旋转舵机506舵盘上，通过控制Z轴旋转舵机506实现摄像头503的左右角度的控制；Z轴旋转舵机506通过舵机支撑柱501和Z轴旋转舵机固定件505固定于上部圆形水平固定件9；

进一步，如图4和图5，运动控制系统1包含独立态单球体模块101、旋转运动摩擦轮102、旋转伺服电机固定件103、旋转伺服电机104、弹簧减震模块105、水平运动摩擦轮106、水平伺服电机固定件107、水平伺服电机108、圆形固定件109和阻碍式夹具110；

所述独立态单球体模块101安装于最底部，是整个系统的运动部分；旋转运动摩擦轮102安装于旋转伺服电机104主轴部分，整体通过旋转伺服电机固定件103安装于圆形固定件109外缘下表面，其中旋转运动摩擦轮102由旋转运动轮表面橡胶102A和旋转轮内轮102B组成，并在表面形成旋转运动轮表面间断结构102C，其中旋转运动摩擦轮102与独立态单球体模块101相切；所述水平运动摩擦轮106安装于水平伺服电机108主轴部分，整体通过水平伺服电机固定件107安装于圆形固定件109上表面，其中水平运动摩擦轮106与独立态单球体模块101相切；弹簧减震模块105均匀垂直安装于圆形固定件109外缘上表面；阻碍式夹具110通过阻碍式夹具固定件110C均匀安装于圆形固定件109下表面边缘，阻碍式夹具110由阻碍式夹具滑动球体110A、阻碍式夹具弹片110B和阻碍式夹具固定件110C，其中阻碍式夹具滑动球体110A与独立态单球体模块101接触相切；

实例：

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚，以下结合附图及实例，对本发明做进一步详细说明。本实例中选择嵌入式设备作为所述数据处理系统3，所述姿态传感器系统10可以采用现有的三轴陀螺仪，角度传感器等检测传感器或检测装置；所述数据处理系统3与二自由度摄像头系统5之间通过有线的方式进行数据传输；所述姿态传感器系统10与数据处理系统3之间通过无线方式进行数据传输；所述数据处理系统3与所述伺服电机控制系统6以及伺服电机控制系统6与运动控制系统1之间通过有线方式进行数据传输；数据处理系统3与触控显示模块4之间通过有线的方式进行数据的传输；

所述二自由度摄像头系统5中的旋转部件为Y轴旋转舵机502和Z轴旋转舵机506，分别控制摄像头503的Y轴和Z轴旋转。其中以摄像头水平时角度为0度计算Y轴旋转角度为-45度到+60度，Z轴旋转角度为-90到+90度；Y轴旋转舵机502和Z轴旋转舵机506都选用金属舵机，优点在于可提高旋转角度的精确度，实现对用户人脸识别和追踪的精确定位；

所述触控显示模块4使用11寸电容式触摸屏，使与用户交互时体验感更好，并且能够显示更多的帮助信息以及推广信息；

所述伺服电机控制系统6使用专用的伺服电机控制器构成，其分析处理数据处理系统3的指令并驱动相应的运动控制系统1里面的水平伺服电机108和旋转伺服电机104；

所述运动系统C中独立态单球体模块1由内部硬质非金属材质与其表面高摩擦力橡胶材质构成，其形状为一球体，半径为150mm，安装于整个装置最下部；旋转运动部分由旋转伺服电机104和旋转运动摩擦轮102组成，共3组，经夹角132度旋转伺服电机固定件103均匀120度安装于3mm厚铝制圆形固定件109外缘下表面。旋转轮内轮102B与旋转运动轮表面橡胶102A通过热成型技术构成旋转运动摩擦轮102，并在旋转运动轮表面橡胶102A上形成旋转运动轮表面间断结构102C；弹簧减震模块105通过固定螺母均匀120度垂直固定于3mm厚铝制圆形固定件109外缘上表面；阻碍式夹具110由阻碍式夹具滑动球体110A、阻碍式夹具弹片110B和阻碍式夹具固定件110C组成。其中阻碍式夹具固定件110C均匀120度安装于3mm厚铝制圆形固定件109外缘下表面。阻碍式夹具110均匀夹住独立态单球体模块101，并调节阻碍式夹具滑动球体110A安装位置，使得阻碍式夹具滑动球体110A与独立态单球体模块101接触相切，阻碍式夹具弹片110B的调节使阻碍式夹具滑动球体110A与独立态单球体模块101的接触处于适中的程度，防止运动的不顺畅；水平运动部分由水平运动摩擦轮106和水平伺服电机108经固定螺母组成，并通过夹角90度水平伺服电机固定件107安装于3mm厚铝制圆形固定件109中部上表面。

本发明所述全向单球体自平衡人脸识别与追踪机器人的实例控制方案如下：

平衡状态（静止）：姿态传感器系统10实时检测机器人姿态，并将姿态数据发送给数据处理系统3，数据处理系统3再根据相应的控制算法生成控制指令并发送给伺服电机控制系统6；伺服电机控制系统6最后控制运动控制系统1里面相应的水平伺服电机108和旋转伺服电机104，进而同时控制独立态单球体模块101，以控制整体装置趋于平衡；

水平运动状态：在数据处理系统3收到水平运动指令后将结合姿态传感器系统10采集的各类参数数值微调所述运动控制系统1中的旋转伺服电机104以控制整体装置保持平衡。同时控制所述运动控制系统1中的水平伺服电机108，以驱动所述下部独立态单球体模块101的滚动，从而实现装置的水平运动.而且独立态单球体模块101做水平运动时将因旋转运动结构摩擦轮表面橡胶非间断面的摩擦而处于独立态单球体模块101正上方，以使得此时旋转运动摩擦轮102与独立态单球体模块101处于分离状态，即此时旋转运动摩擦轮102与独立态单球体模块101之间没有摩擦力，使得旋转运动摩擦轮102不影响机器人做水平运动；

旋转运动状态：在数据处理系统3收到旋转指令后将结合姿态传感器系统10采集的各类参数数值微调所述运动控制系统101中的水平伺服电机103以使装置保持平衡，同时控制所述运动控制系统101中的旋转伺服电机104使下部独立态单球体模块1进行旋转运动，从而实现整体装置的旋转运动。而且在进行旋转运动的过程中，水平运动摩擦轮106与独立态单球体模块101接触面少，且两部件相切点为球体最顶点，与旋转轴共线，因此水平运动摩擦轮106对旋转运动的影响基本没有。

复杂运动状态：本装置可进行复杂运动，从而实现灵活的运动方式，即在进行上述（2）运动时也可同时进行（3）运动，反之亦成立。

以上所述为本发明的较佳实例，但本发明不应该局限于该实例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。