一种儿童机器人的体位跟踪装置.pdf

一种儿童机器人的体位跟踪装置，属于机器人领域，涉及一种针对交互过程中儿童用户不同情绪状态的体位跟踪技术。包括超声波传感器，热释电传感器，声源定位传感器，视觉传感器，通过对多种传感器信号进行采集，在综合融合处理到传感器的信息后，生成对下面电机控制系统的动作指令数据包，这样通过传感器信息融合处理得到动作指令就通过CAN总线传送给底盘步进电机，完成相应的体位跟踪动作。本发明机器人有多种不同的体位跟踪方式(包括慢速跟踪，躲闪，转向等)，能够针对儿童用户不同的情绪状态完成相应的体位跟踪并且满足实时性交互的需求。

1、  一种儿童机器人的体位跟踪装置，其特征在于包括超声波传感器，热释电传感器，声源定位传感器，视觉传感器；
超声波传感器向下分时采集超声波传感器的得到的距离数据以厘米为单位，随时等待上位机的读取命令，获得读取命令后读取距离信息，再将数据打包向上位机提交进行处理；
热释电传感器模块通过3个以上的热释电传感器阵列来确定人体的信息，将数据打包向上位机提交处理；
声源定位传感器则分析处理发出声音的位置再将得到的分析数据结果打包提交给上位机处理；
视觉传感器则分析处理人的表情等信息再将得到的分析数据结果打包提交给上位机处理；
超声波、触摸、热释电、视觉传感器通过融合来自不同传感器的信息，确定被跟踪者的位置，上位机对多种传感器的信息处理后调用相应的处理进程，通过CAN总线发送指令包给底盘驱动机构，完成相应的跟踪过程。

2、  如权利要求1所述的一种儿童机器人的体位跟踪装置，其特征在于底盘驱动机构包括：轮轴(1)、主动轮(2)、深沟球轴承(3)、轴承座(4)、步进电机(5)、万向轮座(6)、万向轮(7)；主动轮(2)由步进电机(5)驱动，步进电机轴通过平键固定在轮轴(1)内，步进电机(5)通过步进电机轴的旋转带动轮轴(1)转动，底盘车架上的轴承座(4)内装有深沟球轴承(3)，用来支撑轮轴(1)，轮轴(1)通过平键传递旋转扭矩从而带动主动轮(2)转动，万向轮(7)采用连杆悬挂安装在万向轮座(6)上，这样的结构能够很好的适应不同的路面情况。

3、  如权利要求1所述的一种儿童机器人的体位跟踪装置，其特征在于超声波传感器模块是利用超声波的特性研制而成的传感器，模块测距范围在4cm-5m之间，分辨率为1cm；
声源定位传感器通过至少4个MIC传感器发出的脉冲信号的采集，求得时间差，融合采用局部灰关联分析法获得传感器的信息得到方位角，至少能区分出90度的区域；通过给定传感器的测量特征指标的参考数列，然后比较采样数列同参考数列的接近程度，进而做出方位角信息的判断；
视觉传感器采用CCD视觉传感器，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

一种儿童机器人的体位跟踪装置
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种针对交互过程中儿童用户不同情绪状态的体位跟踪技术。
背景技术
随着社会事业和经济社会的发展，家用情感机器人正逐步走进寻常百姓的生活。但国内目前基本还没有研制出针对特定儿童用户不同情绪需求的可进行体位跟踪的个性化交互机器人。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对儿童用户不同情绪状态进行交互的体位跟踪技术，以实现机器人对儿童用户在不同情绪状态下的跟踪。
一种儿童机器人的体位跟踪装置，包括超声波传感器，热释电传感器，声源定位传感器，视觉传感器。
超声波传感器向下分时采集超声波传感器的得到的距离数据(以厘米为单位)，随时等待上位机的读取命令，获得读取命令后读取距离信息，再将数据打包向上位机提交进行处理。
热释电传感器模块通过3个以上的热释电传感器阵列来确定人体的信息，比如空屋里有人走进、有人在屋里移动等，将数据打包向上位机提交处理。
声源定位传感器则分析处理发出声音的位置再将得到的分析数据结果打包提交给上位机处理。
视觉传感器则分析处理人的表情等信息再将得到的分析数据结果打包提交给上位机处理。
超声波、触摸、热释电、视觉等传感器通过融合来自不同传感器的信息，确定被跟踪者的位置，上位机对多种传感器的信息处理后调用相应的处理进程，通过CAN总线发送指令包给底盘驱动机构，完成相应的跟踪过程。总体设计框架如图1所示。其中发送给底盘电机的指令包中包含对每个轮的期待角度值和距离值以及方向指令，电机控制系统把这些值转化为对应频率的脉冲控制电机执行相应的动作，其运动动作流程图如图2所示。
本发明的底盘驱动机构，包括置于平台底盘的两组车轮，安装有一组主动轮，一组万向轮。主动轮的两侧装有驱动电机，电机的驱动速度可调；两个万向轮采用连杆悬挂安装在万向轮座上，能够在任意方向上转动，从而很好的适应不同的路面情况，底盘驱动机构机械图如图3所示。主动轮由步进电机驱动，电机轴通过平键固定在轮轴内，步进电机通过电机轴的旋转带动轮轴转动，底盘车架上的轴承座内装有深沟球轴承，用来支撑轮轴，轮轴通过平键传递旋转扭矩从而带动主动轮转动。
底盘步进电机控制系统的工作原理是接收到上位机发送来的数据包并进行分析处理后，通过PIC单片机的端口向底盘步进电机驱动器发送PWM波，实现对底盘电机的转速及步进量的控制，从而实现机器人的前后左右以及转向等动作模式的实现。底盘电机控制系统的电气连接原理图如图4所示。
本发明的优点和积极效果为本发明机器人有多种不同的体位跟踪方式(包括慢速跟踪，躲闪，转向等)，能够针对儿童用户不同的情绪状态完成相应的体位跟踪并且满足实时性交互的需求。
这种智能自主轮式移动机器人，其研究涉及图像实时处理、计算机视觉、传感器技术、人工智能、自动控制、计算机并行处理技术、机械学等多学科理论与技术，体现了信息科学和人工智能的最新成果，具有重要的理论和实际应用价值。
本发明机器人采用了四轮式底盘驱动机构，分别采用两个高精度的驱动轮和两个万向轮。两个驱动轮分别控制实现移动平台的运动，通过两个驱动轮的差速来决定运动方向以及通过万向轮来控制运动方向。这样本发明的机器人运动起来会更加平稳有效，可以保证机器人稳定，可靠而又安全的运行。
附图说明
图1是本发明机器人完成对移动目标跟踪的总体设计框架图。
图2是本发明机器人完成运动动作的流程图。
图3是本发明机器人的底盘驱动机构的机械图。
轮轴(1)主动轮(2)深沟球轴(3)轴承座(4)步进电机(5)万向轮座(6)万向轮(7)
图4是本发明机器人的底盘电机控制系统的电气连接原理图。
图5是本发明机器人的CAN总线模块的电气连接原理图。
图6是本发明机器人通过CAN总线通信的流程图。
具体实施方式
本发明的机器人能够根据儿童用户不同的情绪状态(包括快乐，悲伤，恐惧等)完成相应的体位跟踪动作。下面结合实例做进一步的说明。
1电机驱动控制系统
美国Microchip公司生产的PIC系列单片机具有价格低，处理速度快，体积相对较小等特点，其总线结构采取数据总线和指令总线分离的哈佛结构，具有很高的流水处理速度，它的精简指令集结构(RISC)基本上使它所有的指令都是单字节，因此其程序空间的效率比一般单片机高很多。本发明机器人电机控制器采用的是单片机PIC16F877A，它是Microchip公司生产的中级产品，具有Flash程序存储器的8位CMOS单片机，具有A，B，C，D和E5个I/O端口，内部包含14个中断源，三个定时器，两个CCP(捕捉器/比较器/PWM)模块，一个看门狗电路和一个并行从属端口PSP，同时集成了8通道A/D转换器，简化了外围电路，也节约了成本。
本发明机器人电机控制系统将CAN总线和电机控制系统集成在了一起，保证了电机控制的有效性和高效率，其中包括底盘步进电机和胳膊直流电机的驱动控制部分。单片机通过CAN总线接收到来自上位机的数据包后进行解析，分析处理得到相应的动作数据，通过两个CCP模块产生PWM脉宽调制信号，同时使用4个I/O端口产生高低电平，每个CCP模块和两个I/O端口分别控制一台底盘步进电机，以此驱动控制两个驱动轮的步进电机产生对应的跟踪动作。
2CAN总线通信系统
CAN，全称为“Controller Area Network”，是国际上应用最广泛的现场总线之一，由20世纪80年代初德国Bosch公司开发。CAN总线能有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有抗干扰性强和使用可靠等优点，提供高速数据传送，在短距离(40m)条件下具有高速(1Mbit/s)数据传输能力。CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，可广泛应用于自动控制、数控机床、航空航天、航海、机器人、传感器以及汽车行业等领域。目前，CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。
本发明机器人通过CAN总线来传送数据包，可以有效的提高数据传输的稳定性，安全性和有效性。CAN总线模块的电路原理图如图5所示。CAN控制器采用了NXP公司的SJA1000T，它是一种独立控制器用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制CAN，它是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代产品，而且它增加了一种新的工作模式(PeliCAN)，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。CAN收发器采用了TJA1050，他是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器，可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。CAN总线通信的处理流程如图6所示。
3传感器信息融合系统
本发明机器人有超声波传感器，热释电传感器，声源定位传感器，视觉传感器共4种传感器，激活传感器将获得的信号数据包提交给上位机分析处理后得到相应的动作数据包，通过CAN总线通信模块将数据包传送给底盘步进电机驱动控制系统，进而产生相应的体位跟踪动作。
超声波传感器模块是利用超声波的特性研制而成的传感器。模块测距范围在4cm-5m之间，分辨率为1cm。
声源定位传感器通过至少4个MIC传感器发出的脉冲信号的采集，求得时间差，根据算法得到方位角，至少可以区分出90度的区域。
热释电传感器模块通过三个热释电传感器来确定人体的信息，比如空屋内有人行走，人体在屋内行走等信息。
视觉传感器采用CCD视觉传感器，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。
当儿童用户快乐的跑动时，本发明机器人通过CCD视觉传感器获得脸部表情图像再通过算法分析处理得到儿童高兴的情绪结果，然后发送读取指令读取超声波传感器获得距离信息，热释电传感器和声源定位传感器综合得到人的方位信息，通过信息融合算法处理后，将相应的动作指令数据包通过CAN总线传送给底盘电机，机器人在对儿童用户进行同步跟踪来达到与儿童情绪的共鸣。
当儿童用户悲伤时，本发明机器人通过CCD视觉传感器获得脸部表情图像再通过特定的算法分析处理得到儿童悲伤的情绪结果，然后发送读取指令读取超声波传感器获得距离信息，热释电传感器和声源定位传感器综合得到人的方位信息，通过信息融合算法处理后，将相应的动作指令数据包通过CAN总线传送给底盘电机，机器人在对儿童用户进行缓慢跟踪的同时轻拍儿童的肩膀来达到与儿童情绪的共鸣。
当儿童用户愤怒时，本发明机器人通过CCD视觉传感器获得脸部表情图像再通过算法分析处理得到儿童愤怒的情绪结果，然后发送读取指令读取超声波传感器获得距离信息，热释电传感器和声源定位传感器综合得到人的方位信息，通过信息融合算法处理后，将相应的动作指令数据包通过CAN总线传送给底盘电机，机器人以缓慢后退的动作来达到与儿童情绪的共鸣。
当儿童用户烦恼时，本发明机器人通过CCD视觉传感器获得脸部表情图像再通过算法分析处理得到儿童烦恼的情绪结果，然后发送读取指令读取超声波传感器获得距离信息，热释电传感器和声源定位传感器综合得到人的方位信息，通过信息融合算法处理后，将动作指令数据包通过CAN总线传送给底盘电机控制器，机器人对儿童用户进行缓慢的及稍微摇摆的跟踪来达到与儿童情绪的共鸣。