CN110450128A - 智能健身机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能健身机器人及控制方法，其包括躯干、设置在躯干上的两自由度脖颈、设置在两自由度脖颈上的头部、设置在躯干上的旋转腰部、设置在旋转腰部下端的髋部、由电机驱动摆动且设置在髋部下端两侧的大腿、由电机驱动摆动且设置在大腿下端的小腿、由电机驱动旋转且设置在小腿下端的脚部、由电机驱动旋转且设置在脚部底部且与地面接触的万向脚轮、设置在躯干上的陀螺仪、由电机驱动摆动且设置在躯干上的大臂部、由电机驱动摆动且设置在大臂部上的小臂部以及设置在手部上的指部。本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。

Description

智能健身机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及智能健身机器人及控制方法。

背景技术

在现代生活中，健身一直都是深受年轻人喜爱的一项活动。大多数健身爱好者在生活中都会因为生活条件的制约以及时间的限制而选择在家健身，但在家健身又缺乏专业的指导以及他人的陪伴。因此本发明在家庭健身的主题上，设计出一款可以智能计划、智能指导以及智能陪护的健身机器人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种智能健身机器人及控制方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种智能健身机器人，包括躯干、设置在躯干上的两自由度脖颈、设置在两自由度脖颈上的头部、设置在躯干上的旋转腰部、设置在旋转腰部下端的髋部、由电机驱动摆动且设置在髋部下端两侧的大腿、由电机驱动摆动且设置在大腿下端的小腿、由电机驱动旋转且设置在小腿下端的脚部、由电机驱动旋转且设置在脚部底部且与地面接触的万向脚轮、设置在躯干上的陀螺仪、由电机驱动摆动且设置在躯干上的大臂部、由电机驱动摆动且设置在大臂部上的小臂部、设置在小臂部上的手部、以及设置在手部上的指部。

作为上述技术方案的进一步改进：

两自由度脖颈包括设置在躯干上的旋转电机、以及设置在旋转电机上的摆动电机；摆动电机的输出轴与头部下端连接；

旋转腰部为设置在躯干上的旋转电机的旋转轴。

在头部分别设置有摄像头、表情显示屏、音响、麦克风；

和/或在躯干上设置有物品存放柜；

和/或在髋部上设置有控制中枢。

在指部上铰接有指根部，在指根部上铰接有指端部，

在指根部背面上铰接有主动推杆，在指根部与指端部的铰接轴上铰接有n型铰接座，主动推杆与n型铰接座一端铰接，n型铰接座另一端铰接有辅助推杆，辅助推杆连接有L型连接架，L型连接架的另一端连接在指端部的背面。

在躯干上设置有用于容纳物品存放柜的柜体件的开口腔体，柜体件通过柜连接螺栓或卡扣可拆卸连接在开口腔体，在开口腔体的柜内侧壁上设置有柜内轨道，在柜体件外侧壁上设置有在柜内轨道滑动的柜外导轨；在柜内轨道外端设置有卡位结块，在柜体件外侧壁上设置有柜工艺豁口，在柜体件正面铰接设置有柜门板。

控制中枢的主电控板上安装有树莓派。

在头部、躯干、髋部、大腿、小腿、和/或脚部分别安装有对应的温度传感器、照度传感器、和/或人体红外感应电子传感器。

在头部、躯干、髋部、大腿、小腿、和/或脚部穿着有Athos智能服装；

Athos智能服装包含Athos Core小芯片和多个传感器；

树莓派通讯连接有移动终端。

一种智能健身机器人的控制方法，基于智能健身机器人，包括以下步骤

步骤一，首先，通过移动终端注册用户并登入***；随后，传感器检测周围环境情况，同时树莓派提供历史运动数据并分析用户预存储信息；其次，树莓派根据环境、历史记录运动数据、以及用户个人信息，生成或调取云端存储的运动推荐计划；再次，用户予以运动确认；

步骤二，在用户运动的同时，Athos智能服装实时反馈肢体动作数据、生理数据至树莓派，树莓分析反馈数据，并通过音响(17)下达指令对用户进行语音指导；与此同时控制中枢(20)下达指令，控制电机进行仿真指导；

步骤三，当运动结束后，用户完成健身打卡排名、并上传到网站社区，同时树莓派汇总此次运动中传感器反馈的信息生成报表，并推荐最适宜的饮食饮水以及安排下次运动计划。本发明的有益效果在具体实施方式部分进行了更加详细的描述。

附图说明

图1是本发明整体的结构示意图。

图2是本发明手指的结构示意图。

图3是本发明柜体的结构示意图。

图4是本发明的控制示意图。

图5是本发明的运动计划执行表。

图6是本发明的心率检测流程图。

其中：1、头部；2、躯干；3、髋部；4、大腿；5、小腿；6、脚部；7、两自由度脖颈；8、旋转腰部；9、陀螺仪；10、万向脚轮；11、大臂部；12、小臂部；13、手部；14、指部；15、摄像头；16、表情显示屏；17、音响；18、麦克风；19、物品存放柜；20、控制中枢；21、主动推杆；22、n型铰接座；23、辅助推杆；24、L型连接架；25、柜内侧壁；26、柜内轨道；27、柜体件；28、柜门板；29、柜外导轨；30、柜工艺豁口；31、柜连接螺栓。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的智能健身机器人，包括躯干2、设置在躯干2上的两自由度脖颈7、设置在两自由度脖颈7上的头部1、设置在躯干2上的旋转腰部8、设置在旋转腰部8下端的髋部3、由电机驱动摆动且设置在髋部3下端两侧的大腿4、由电机驱动摆动且设置在大腿4下端的小腿5、由电机驱动旋转且设置在小腿5下端的脚部6、由电机驱动旋转且设置在脚部6底部且与地面接触的万向脚轮10、设置在躯干2上的陀螺仪9、由电机驱动摆动且设置在躯干2上的大臂部11、由电机驱动摆动且设置在大臂部11上的小臂部12、设置在小臂部12上的手部13、以及设置在手部13上的指部14。

作为具体实施例，两自由度脖颈7包括设置在躯干2上的旋转电机、以及设置在旋转电机上的摆动电机；摆动电机的输出轴与头部1下端连接；

旋转腰部8为设置在躯干2上的旋转电机的旋转轴。

作为优选，在头部1分别设置有摄像头15、表情显示屏16、音响17、麦克风18；

和/或在躯干2上设置有物品存放柜19；

和/或在髋部3上设置有控制中枢20。

作为一个驱动方案，在指部14上铰接有指根部，在指根部上铰接有指端部，

在指根部背面上铰接有主动推杆21，在指根部与指端部的铰接轴上铰接有n型铰接座22，主动推杆21与n型铰接座22一端铰接，n型铰接座22另一端铰接有辅助推杆23，辅助推杆23连接有L型连接架24，L型连接架24的另一端连接在指端部的背面。从而实现联动控制，通过L型连接架24、辅助推杆23避免传动联动控制动作幅度小的缺点，故不存在动作死点，从而动作更加流畅，拿取更加稳定牢固。

作为对柜体的改进，在躯干2上设置有用于容纳物品存放柜19的柜体件27的开口腔体，柜体件27通过柜连接螺栓31或卡扣可拆卸连接在开口腔体中，在开口腔体的柜内侧壁25上设置有柜内轨道26，在柜体件27外侧壁上设置有在柜内轨道26滑动的柜外导轨29；在柜内轨道26外端设置有卡位结块，在柜体件27外侧壁上设置有柜工艺豁口30，在柜体件27正面铰接设置有柜门板28。

柜体通过巧妙设计存在两者工作方式，可以将柜连接螺栓31将柜体与内腔连接为一体，可以仅仅通过门板实现开口，也可通过拆卸螺栓，实现对柜体的整个推拉，从而更方便的拿取物品，通过工艺豁口扩张了拿取东西的角度，减轻柜体重量，导轨实现导向作用。

作为对控制的的改进，控制中枢20的主电控板上安装有树莓派。

在头部1、躯干2、髋部3、大腿4、小腿5、和/或脚部6分别安装有对应的温度传感器、照度传感器、和/或人体红外感应电子传感器。

在头部1、躯干2、髋部3、大腿4、小腿5、和/或脚部6穿着有Athos智能服装；

作为对控制的的改进，Athos智能服装包含Athos Core小芯片和多个传感器；

树莓派通讯连接有移动终端。

本实施例的智能健身机器人的控制方法，基于智能健身机器人，包括以下步骤

步骤一，首先，通过移动终端注册用户并登入***；随后，传感器检测周围环境情况，同时树莓派提供历史运动数据并分析用户预存储信息；其次，树莓派根据环境、历史记录运动数据、以及用户个人信息，生成或调取云端存储的运动推荐计划；再次，用户予以运动确认；

步骤二，在用户运动的同时，Athos智能服装实时反馈肢体动作数据、生理数据至树莓派，树莓分析反馈数据，并通过音响(17)下达指令对用户进行语音指导；与此同时控制中枢(20)下达指令，控制电机进行仿真指导；

步骤三，当运动结束后，用户完成健身打卡排名、并上传到网站社区，同时树莓派汇总此次运动中传感器反馈的信息生成报表，并推荐最适宜的饮食饮水以及安排下次运动计划。

进一步改进在于，如图所示，智能健身机器人分为机械***、控制***以及传感器组三个部分。机械***包括电机、四肢、显示屏、连接件以及发声装置等；控制***包括树莓派、电路控制板、数据传输***以及提醒***等；传感器组包括温度传感器、照度传感器、人体红外感应电子传感器以及Athos智能服装。而在这所有元件中，Athos智能服装是功能实现的核心部分(其内含了一枚Athos Core小芯片和多个传感器)，能测量人体的各项生理指标以及肢体行为(如运动幅度，手臂躯干距离等)。

通过Athos智能服装，主要实现了以下功能：

1.智能运动计划2.智能健康监测3.智能动作指导4.爱运动健身社区

关于部件：

1.摄像头，机器人身体对应构件：进行拍照或者是录像，并构成机器人主体。

2.树莓派屏幕显示屏(7inch HDMI LCD(C)):提供操作与显示屏幕，实时滚动显示人体参数或者是机器人语音内容，可视化。

3.直流电机，发声装置:提供机器人摆动移动的动力源，提供机器人结合中枢信息，播放预录语音，形成声音，帮助健身。

4.电力***：锂电池(48V 18Ah)

1.树莓派(PI 3+):收集各个传感器的数据，分析处理内在联系，对机械部分发送信号，作出语音以及机器人动作指示。

2.主电控板(IMRobot Arduino):处理器控制电路，机器人接收树莓派发送的数据并作出对应回答。

本发明采用传感器组有

1.温度传感器、照度传感器、人体红外感应电子传感器(HC-SR501RD-624)：检测外界温度、与人安全距离等外在因素，并将其信息传至处理中枢。

2.Athos智能服装(包含了一枚Athos Core小芯片和多个传感器):能测量人体的生理参数(如血压、呼吸、心率等)以及肢体行为(如运动幅度，手臂躯干距离等)，并将此信息传至处理中枢。

功能一：智能运动计划

1.智能推荐运动计划与运动量

树莓派执行环境检测模块，然后获得温度、照度等传感器所收集到的数据，再结合历史数据与用户自身的信息(如性别、年龄、喜好运动等)进行综合分析，最后会推荐一套适合用户的运动计划。用户需在智能屏幕上进行确认计划，若超时未确认则认定为默认确认。

对于历史的运动数据，例如用户在上次的运动中未能达到预定的运动计划基本要求，则此次运动计划会适当强化运动量。下面为具体用户运动计划的例子：

运动计划基本要求：(1)跑步量5公里，跑步时间24分钟(2)跳绳量1000/4组(3)俯卧撑80/3组(5)哑铃80/4组。强化运动量：(1)跑步量6公里，跑步时间28分钟(2)跳绳量1200/4组(3)俯卧撑100/3组(5)哑铃100/4组

在每个独立的运动项目完成后，会进行语音提示。如当跑步5km结束后，会说：“主人您的跑步计划已完成，请点击屏幕中的继续训练继续完成下个运动。”

2.智能分块排序各个运动项目，多个运动交叉进行

将各个运动项目的运动总量进行分块排序，然后对模块命名排序，再按健身达人的健身顺序形成整体执行计划。最后，利用树莓派与语音***，播放计划内容语音，并在智能屏幕上滚动播放计划文字内容。

如图5(将跳绳分为四组，跑步分为2组，俯卧撑分为3组，让各个运动交错进行并在其中设置了中途休息的时间)。

功能二：智能健康监测

Athos智能服内置了大量的传感器，这些传感器可以检测主人的心率、呼吸频率、体温、血压等生理数据，然后它会将这些数据传送至内部的树莓派，树莓派对这些数据进行处理分析后与内部各个指标的标准范围相比较,最后作出相应的反应,这些反应是我们为设置的各种语音、语气、动作和表情。

整个过程我们以运动者的心率指标为例详细说明:我们在的数据库中设置了心率指标值的四个区间：

运动负荷偏低(0,80)；正常运动[80,120)；运动负荷偏高[120,150)；运动负荷超高[150,+∞)。我们以心率运动负荷偏低的流程图举例说明,如图6：

当检测到来自Athos智能服所采集得的心率指标值<80次/分时，其会判定主人的运动负荷偏低，然后检测此状态的持续时间，再根据所持续的时间作出相应的反应。(图中代码V1表示语音：“您的运动量不够哦，要加速啦～”；A1表示“右手由下至上不停挥动，示意加快运动”；E2表示“可爱的表情”；M2表示“严厉的语气”。)

功能三：智能动作指导

Athos内置的多个传感器除了能监测运动者身体的各项数据外，还能获得运动者身体各个部位的位置信息,如运动幅度、躯干距离等，在收集到来自Athos传送的各项数据后,会将其与内部的动作评判标准来进行比较以此来判定主人的运动姿势是否标准。

以哑铃运动为例，我们在内部设定了哑铃评判的三个标准：

(1)上臂固定，左右摆动幅度<20℃(检测时间：1s)；

(2)下臂将哑铃举起直到与双肩水平，贴近角度<30℃(检测时间：6s)；

(3)下臂将哑铃下摆直到与地面呈90℃，左右摆动幅度<10℃(检测时间6s)。

此处检测时间的含义为多少s内必须达到我们的标准一次,否则将视为动作不达标,再与上个功能模块一样会作出其相应的反应。如当从来自Athos智能服传来的数据中分析出用户右上臂有1s的时间内左右摆动的幅度＞20℃,将会判定用户动作不达标,然后将右手手心向前，右手臂保持水平不动(此动作示意为主人动作错误)，且屏幕中会出现严厉的表情，并且用严厉的语气说：“您的上臂左右摆动幅度大于了20℃，动作不达标，很不满意！”

除此之外，还能用肢体对用户进行指导，如当进行俯卧撑时，会语音播报：“请将双臂张开手肘弯曲，保持躯干挺直，开始”，而同时也会做出类似的动作，这会使用户感觉有个健身教练在陪伴着、指导着自己。

功能四:运动

1.语音播报和运动报表：会在每日计划完成后，生成运动报表并播放语音，然后将其展示到显示屏中。同时每次运动报表后台数据会有存储,用户可以在其中了解自己的计划完成情况以及运动的详细数据。

2.健身打卡和网络健身社区：我们创建了一个网络健身社区，用户们可以在此分享健身经验以及进行打卡排名，此社区支持语音视频联机运动,给用户单调乏味的健身过程增添互动性与趣味性,让用户们在运动中快乐,在快乐中运动。

3.饮食推荐和确定下次运动时间：会在用户结束当天的运动计划后，综合分析用户当天的运动情况以及进行饮食饮水的推荐，并提醒下次运动。

本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一例举。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种智能健身机器人，其特征在于：包括躯干(2)、设置在躯干(2)上的两自由度脖颈(7)、设置在两自由度脖颈(7)上的头部(1)、设置在躯干(2)上的旋转腰部(8)、设置在旋转腰部(8)下端的髋部(3)、由电机驱动摆动且设置在髋部(3)下端两侧的大腿(4)、由电机驱动摆动且设置在大腿(4)下端的小腿(5)、由电机驱动旋转且设置在小腿(5)下端的脚部(6)、由电机驱动旋转且设置在脚部(6)底部且与地面接触的万向脚轮(10)、设置在躯干(2)上的陀螺仪(9)、由电机驱动摆动且设置在躯干(2)上的大臂部(11)、由电机驱动摆动且设置在大臂部(11)上的小臂部(12)、设置在小臂部(12)上的手部(13)、以及设置在手部(13)上的指部(14)。

2.根据权利要求1所述的智能健身机器人，其特征在于:两自由度脖颈(7)包括设置在躯干(2)上的旋转电机、以及设置在旋转电机上的摆动电机；摆动电机的输出轴与头部(1)下端连接；

旋转腰部(8)为设置在躯干(2)上的旋转电机的旋转轴。

3.根据权利要求1所述的智能健身机器人，其特征在于:在头部(1)分别设置有摄像头(15)、表情显示屏(16)、音响(17)、麦克风(18)；

和/或在躯干(2)上设置有物品存放柜(19)；

和/或在髋部(3)上设置有控制中枢(20)。

4.根据权利要求3所述的智能健身机器人，其特征在于:在指部(14)上铰接有指根部，在指根部上铰接有指端部，

在指根部背面上铰接有主动推杆(21)，在指根部与指端部的铰接轴上铰接有n型铰接座(22)，主动推杆(21)与n型铰接座(22)一端铰接，n型铰接座(22)另一端铰接有辅助推杆(23)，辅助推杆(23)连接有L型连接架(24)，L型连接架(24)的另一端连接在指端部的背面。

5.根据权利要求3所述的智能健身机器人，其特征在于:在躯干(2)上设置有用于容纳物品存放柜(19)的柜体件(27)的开口腔体，柜体件(27)通过柜连接螺栓(31)或卡扣可拆卸连接在开口腔体中，在开口腔体的柜内侧壁(25)上设置有柜内轨道(26)，在柜体件(27)外侧壁上设置有在柜内轨道(26)滑动的柜外导轨(29)；在柜内轨道(26)外端设置有卡位结块，在柜体件(27)外侧壁上设置有柜工艺豁口(30)，在柜体件(27)正面铰接设置有柜门板(28)。

6.根据权利要求3所述的智能健身机器人，其特征在于:控制中枢(20)的主电控板上安装有树莓派。

7.根据权利要求6所述的智能健身机器人，其特征在于:在头部(1)、躯干(2)、髋部(3)、大腿(4)、小腿(5)、和/或脚部(6)分别安装有对应的温度传感器、照度传感器、和/或人体红外感应电子传感器。

8.根据权利要求7所述的智能健身机器人，其特征在于:在头部(1)、躯干(2)、髋部(3)、大腿(4)、小腿(5)、和/或脚部(6)穿着有Athos智能服装；

Athos智能服装包含Athos Core小芯片和多个传感器；

树莓派通讯连接有移动终端。

9.一种智能健身机器人的控制方法，其特征在于:基于权利要求1-8任一项所述的智能健身机器人，包括以下步骤

步骤一，首先，通过移动终端注册用户并登入***；随后，传感器检测周围环境情况，同时树莓派提供历史运动数据并分析用户预存储信息；其次，树莓派根据环境、历史记录运动数据、以及用户个人信息，生成或调取云端存储的运动推荐计划；再次，用户予以运动确认；

步骤二，在用户运动的同时，Athos智能服装实时反馈肢体动作数据、生理数据至树莓派，树莓分析反馈数据，并通过音响(17)下达指令对用户进行语音指导；与此同时控制中枢(20)下达指令，控制电机进行仿真指导；

步骤三，当运动结束后，用户完成健身打卡排名、并上传到网站社区，同时树莓派汇总此次运动中传感器反馈的信息生成报表，并推荐最适宜的饮食饮水以及安排下次运动计划。