CN204414116U

CN204414116U - 一种基于意念控制的机器人

Info

Publication number: CN204414116U
Application number: CN201420700814.1U
Authority: CN
Inventors: 毛丽民; 曹京京; 徐本连; 卢振利; 朱培逸; 刘叔军; 王晨希; 董柳柳; 蔡晓成; 徐星宇; 管向阳; 卞炜
Original assignee: Changshu Institute of Technology
Current assignee: Changshu Institute of Technology
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2024-11-20

Abstract

本实用新型公开了一种基于意念控制的机器人，属于机器人服务领域。本实用新型的机器人包括机体和外部脑电信号采集装置，机体包括蓝牙、电源、控制器、执行机构，执行机构包括电机驱动装置、巡线装置、避障装置，控制器控制电机驱动装置、避障装置、巡线装置。意念控制机器人以意念为控制核心，控制者的大脑与面部肌腱为信号发送端，控制器为信号接收端，同时控制器控制电机驱动实现前进、转弯等基本运动。巡线装置根据控制者所发送的信号，对控制者所需要的路线进行选择巡线。意念控制机器人的各工作装置能正常、协调工作，为控制者减少手动操作与代码繁杂的一系列问题，同时能提高残疾人和老年人的生活质量，解决代步出行问题。

Description

一种基于意念控制的机器人

技术领域：

本实用新型涉及一种基于意念控制的机器人，属于机器人服务领域。

背景技术：

目前中国各类残疾人总数已达8500万人，占中国总人口的比例大约6.34％，而我国60岁以上老年人已达1.32亿人，大约占全国总人口的10％左右，并且以年均3.32％的惊人速度增长。年轻人除了自身的生活还要关怀身边的老人和残疾人，社会面对如此庞大的需要关注和照顾的对象，代步出行已成为亟待解决的问题。提高残疾人和老年人的生活质量，从代步出行开始。

本文针对上述出行问题，提出了一种单片机控制核心，大脑意念传输信号的简易代步机器人的设计方案。该意念控制机器人，以移动机器人平台为模型，在行进的过程中对正确路线的巡迹，由操控者对交叉口路线的选择等一系列人机的同步操作，完成出行者的代步需要。

实用新型内容：

为了提高残疾人和老年人的生活质量，解决代步出行问题，本发明提供了一种基于意念控制的机器人。

所述基于意念控制的机器人，包括机体和外部脑电信号采集装置；所述外部脑电信号采集装置包括脑电信号采集传感器、脑电信号处理器、第一电源、第一蓝牙装置；所述机体包括第二电源、第二蓝牙装置、控制器、执行机构；所述执行机构包括电机驱动装置、巡线装置、避障装置；所述第二电源连接避障传感器电路、控制器电路、电机驱动电路、巡线电路、第二蓝牙装置；所述控制器连接第二蓝牙装置、巡线装置、避障装置、电机驱动装置；所述控制器控制电机驱动装置、避障装置、巡线装置。

所述机体为四轮小车状。

所述机体，在本发明的一种实施方式中，为轮椅状。

所述外部脑电信号采集装置于耳机、耳麦或者头盔内。

所述外部脑电信号采集装置，在本发明的一种实施方式中，为耳机状。

所述脑电信号采集传感器，在本发明的一种实施方式中，位于佩戴耳机或者头盔后的左耳处和额头处。

所述控制器为单片机控制器。

所述单片机，在本发明的一种实施方式中，型号为MC9S12X128；所述脑电信号采集传感器，在本发明的一种实施方式中，为TGAM。

所述避障装置，在本发明的一种实施方式中为红外避障装置。

所述巡线装置，在本发明的一种实施方式中，是安装在驱动装置的移动底盘下方。

所述控制器电路的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3分别与电机驱动电路的控制极相接，控制器电路P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4分别与巡线电路相接，控制器电路VCC、GND、P0.4分别与避障电路相接，控制器电路P3.0、P3.1、VCC、GND分别与蓝牙装置相接；所述第二蓝牙装置与第一蓝牙装置进行信号配对。

所述机器人，脑电信号采集传感器采集控制者的大脑与面部肌腱信号，经脑电信号处理器对信号进行处理后，通过蓝牙装置将信号传递到信号接收端—控制器，控制器控制电机驱动装置实现启停、正反转、转向、速度前进、转弯等基本运动。巡线装置，根据控制者所发送至控制器的信号，对控制者所需要的路线进行选择巡线，同时巡线装置采集当前路线信息传输给控制器。机器人巡线，完成助老服务机器人的自主行走，保证机器人不会偏离路线行走；操控者对路线的自由选择，使机器人能够巡多种线路。同时机器人装有避障装置，避障装置将采集的信号传输给控制器，控制器控制电机驱动装置，从而避免机器人在前进过程中发生碰撞、摩擦。

本实用新型控制器电路由单片机U12、晶振Y1、电容C12-C14、电阻R38、排阻JP1组成，其中，电解电容C12负极和电阻R38的一端接单片机U12的9脚连接，电解电容C12的正极接电源VCC，电阻R38的另一端接地，电容C13的一端和晶振Y1的一端接单片机U12的18脚，电容C14的一端和晶振Y1的另一端接单片机U12的19脚，电容C13、C14的另一端接地，单片机U12的32-40脚接排阻JP1，20脚接地，31脚、40脚接VCC。

本实用新型的***电源电路由电阻R9-R10，电容C17-C32，78系列稳压器U8-U9，79系列稳压器U10-U11，TL431可控精密稳压源D1-D2，以及两节四芯锂电池BT1-BT2组成。BT1的正极接VCC，负极接BT2的正极。BT2的正极接地，负极接U11的2脚。C25，C17一端并联接VCC，另一端并联接地。C22，C30一端并联接地，另一端并联接U11的2脚。C26,C18的一端并联接+12V,另一端并联接地。C23，C31一端并联接地，另一端接-12V。C19，C27一端并联接+5V,另一端并连接地。C24，C32一端并联接地，另一端并联接-5V。C28一端接+2.5V,另一端接地。C20的一端接+2.5V,另一端接地。C29一端接地，另一端接-2.5V。C21一端接地，另一端接-2.5V。R9一端接+12V,另一端接+2.5V。R10的一端接-2.5V,另一端接-12V。U8的2脚接VCC,1脚接地,3脚接+12V。U9的2脚接+12V,1脚接地,3脚接+5V。U10的2脚接U11的3脚,1脚接地,3脚接-5V。U11的2脚接BT2的负极,1脚接地,3脚接-12V。D1的1，3脚并联接+2.5V,2脚接地。D1的1，2脚并联接-2.5V,3脚接地。

本实用新型电机驱动电路由电阻R1、R2、二极管D1-D8、发光二极管LED1-LED4、驱动芯片L298N、电机M1、M2组成，其中，二极管D1、D2、D3、D4阴极相接并同接VCC，D1阳极与U1的OUT1相接，D2阳极与U1的OUT2相接，D3阳极与U1的OUT3相接，D4阳极与U1的OUT4相接，二极管D5-D8阳极相接并同接地，D5阴极与U1的OUT1相接，D6阴极与U1的OUT2相接，D7阴极与U1的OUT3相接，D8阴极与U1的OUT4相接，UI的N1引脚与单片机P00引脚相接，UI的IN2引脚与单片机P01引脚相接，UI的IN3引脚与单片机P02引脚相接，UI的IN4引脚与单片机P03引脚相接，LED1的阳极接电阻R1一端，阴极与U1的OUT1相接，电阻R1另一端与U1的OUT2相接，LED2的阳极接LED1的阴极，LED2的阴极接LED1的阳极，电机M1一端接LED1的阴极，另一端与U1的OUT1相接，LED3的阳极接电阻R2一端，阴极与U1的OUT3相接，电阻R2另一端与U1的OUT4相接，LED4的阳极接LED3的阴极，LED4的阴极接LED3的阳极，电机M2一端接LED3的阴极，另一端与U1的OUT4相接。U1的ENA、ENB、SENSA、SENSB、GND同接地。

本实用新型的红外避障电路由电容C4-C6、电阻R15-R22、晶振Y2、74HC14、发光二极管LED6二极管D9、三极管Q5、红外接收管Q6组成，电容C4一端接地，另一端接晶振Y2一端，电容C5一端接地，；另一端接晶振Y2另一端，晶振Y2一端接电容C4，另一端接电容C5，74HC14的1脚接电容C4,2脚接74HC14的3脚，电阻R15一端接电容C4，另一端接74HC14的3脚，电阻R16一端接电容C5，另一端接74HC14的3脚，电阻R19一端接74HC14的4脚，另一端接74HC14的5脚，D9阳极接74HC14的5脚，阴极与单片机U12的GND脚相接，电阻R21的1端接74HC14的6脚，电阻R21的2端接电阻R21，电阻R21的3端接Q5的基极，LED6阳极接电阻R17、R18同接电源VCC，LED6阴极电阻R20，电阻R20另一端接Q5集电极，Q5发射极接地。红外接收管Q6的1脚接电阻R17同接电容C6的阳极，红外接收管Q6的2脚接电容C6的阴极同接地，红外接收管Q6的3脚接电阻R18并与单片机U12的P04脚相接。

本实用新型的巡线电路由电阻R23-R37、电容C7-C11发光二极管LED7-LED11、红外发射接收管U5-U9、集成运算放大器U10和U11组成。U10的3，5，10与U11的3，5相接并接基准电压；R23一端与U5的发光二极管相接，另一端接地；R24、C7一端分别与U5的光敏三极管的发射极相接，另一端接地，U5的光敏三极管的发射极接到U10A的2端；R25一端与+5V电源相接，另一端与发光二极管LED7阳极相接，并接到U10A的1端；R26一端与U6的发光二极管相接，另一端接地；R27、C8一端分别与U6的光敏三极管的发射极相接，另一端接地，U6的光敏三极管的发射极接到U10B的6端；R28一端与+5V电源相接，另一端与发光二极管LED8阳极相接，并接到U10B的7端；R29一端与U7的发光二极管相接，另一端接地；R30、C9一端分别与U7的光敏三极管的发射极相接，另一端接地，U7的光敏三极管的发射极接到U10C的8端；R31一端与+5V电源相接，另一端与发光二极管LED9阳极相接，并接到U10C的8端；R32一端与U8的发光二极管相接，另一端接地；R33、C10一端分别与U8的光敏三极管的发射极相接，另一端接地，U8的光敏三极管的发射极接到U11A的2端；R34一端与+5V电源相接，另一端与发光二极管LED10阳极相接，并接到U11A的1端；R35一端与U9的发光二极管相接，另一端接地；R36、C11一端分别与U9的光敏三极管的发射极相接，另一端接地，U9的光敏三极管的发射极接到U11B的6端；R37一端与+5V电源相接，另一端与发光二极管LED11阳极相接，并接到U11B的7端；单片机U12的P20～P24分别链接到U10A的1端、U10B的7端、U10C的8端、U11A的1端、U11B的7端。

本实用新型的机器人是以单片机控制核心，大脑意念传输信号的简易代步机器人。基于意念控制的机器人，能够顺利地实现操控者的意愿，主要包括：机器人巡线，完成助老服务机器人的自主行走，保证机器人不会偏离路线行走；操控者对路线的自由选择，使机器人能够巡多种线路；机器人避障，机器人避障是为了避免机器人在前进过程中发生碰撞、摩擦，对机器人造成的损坏；电机驱动，电机驱动是建立在巡线的基础上，根据巡线部件所反馈给单片机的信号，单片机控制电机驱动装置，决定电机的启停、正反转，从而改变机器人的转向和速度。

附图说明：

图1为本实用新型的示意框图

图2为本实用新型的控制器电路图

图3是本实用新型的***电源电路图

图4为本实用新型的电机驱动电路图

图5为本实用新型的红外避障电路图

图6为本实用新型的巡线电路图

图7蓝牙信号传输图

图8为外部脑电信号采集装置的工作原理示意图

图9为本实用新型的程序流程图

图10为机器人活动场地示意图

具体实施方式：

本实用新型的基于意念控制的机器人，是脑电信号采集传感器采集控制者的大脑与面部肌腱信号，经脑电信号处理器对信号进行处理后，通过蓝牙装置将信号传递到信号接收端—控制器，控制器控制电机驱动装置实现启停、正反转、转向、速度前进、转弯等基本运动。巡线装置，根据控制者所发送至控制器的信号，对控制者所需要的路线进行选择巡线，同时巡线装置采集当前路线信息传输给控制器。机器人巡线，完成助老服务机器人的自主行走，保证机器人不会偏离路线行走；操控者对路线的自由选择，使机器人能够巡多种线路。同时机器人装有避障装置，避障装置将采集的信号传输给控制器，控制器控制电机驱动装置，从而避免机器人在前进过程中发生碰撞、摩擦。

图2为本实用新型的控制器电路图，单片机选用宏晶科技生产高速、低功耗、超强抗干扰的STC89C516RD+一款单片机为本实例的核心，与其他各电路(包括巡线、避障、驱动、电源、蓝牙)相连，实现整个***的控制。

图3为本实用新型的***电源电路图，使用正负电源，并且需要3组参数的电源，如图所示电源***总电源使用两节4芯的锂电池串联，在两节串联的锂电池中心点取出0V电压点，并且使用此参考点来设计出后续***所需要的各组电压，设计中使用了78和79系列三端线性稳压器，78系列稳压器适用于正向电压的情况，79系列稳压器适用于负电压的情况，两个系列的最大输出电流为1.5A,在本***三端稳压器的输出功率已经足够本***使用。

图4为本实用新型的电机驱动电路图，单片机的四个引脚分别与电机驱动的控制端口相连，通过远程的控制端，可以选择机器人的行进速度，使之产生不同占空比的PWM波，分为快、慢两档，以便适应不同场合。当输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机M1正转,信号端IN1接低电平，IN2接高电平，电机M1反转。当输入信号端IN3接高电平输入端IN4接低电平，电机M2正转,信号端IN3接低电平，IN4接高电平，电机M2反转。LED1和LED2作为电机M1正反转的指示，LED3和LED4作为电机M2正反转的指示。

图5为本实用新型的红外避障电路图，图中晶振Y2搭配电阻、电容产生一个的38KHZ的调制信号，经过施密特触发器缓冲传输到驱动电路的缓冲端，由单片机U12的P04输出端，来控制红外发光管发射，并由电位器控制驱动信号的大小即改变感应距离大小。红外接收管的1脚接电源、2脚接地、3脚信号脚通过上拉电阻接电源，并将信号好传输给单片机U12的端口。

图6为本实用新型的巡线电路图，电路根据红外线被不同颜色的吸收差别原理设计。当红外发射管和接收管处在黑线位置时，发出的红外光大部分被黑色吸收，也就是无反射光时，其比较器的正向输入端电压低于反向输入端的电压，并输出低电平，LED点亮。当红外发射管和接收管处不处在黑色位置时，发出的红外光大部分被反射，被接收管接收，其比较器的正向输入端电压高于反向输入端的电压，并输出高电平，LED不亮。该电路有5路红发发射与接收管，中间一路主要是保证机器人能沿着路线前进，次外2路主要是当机器人偏离路线时能实现纠正，从而保证回到路线上，最外2路主要是保证机器人能按照路线实现在路口转向。

图7为蓝牙传输电路图。蓝牙技术作为一种在2.4GHz无线基础上新发展起来的电缆置换技术,因为其全世界统一的准则、数据传输方面的优越性、自动组网本领、低耗能、低价格和高保障等特点,一直得到普遍认可。

图8为外部脑电信号采集装置的工作原理示意图。采集装置的工作原理是发送TGAM原始数据，每秒钟有513个数据包，其中512个小包与1个大包。小包的格式AAAA048002xxHighxxLow xxCheckSum，其中AAAA 048002为固定格式，xxHigh和xxLow组成原始数据，解析方法为rawdata＝(xxHigh<<8)|xxLow；if(rawdata>32768){rawdata＝65536；}。xxCheckSum用来和sum比较，sum＝(((0x80+0x02+xxHigh+xxLow)^0xFFFFFFFF)&0xFF,如果sum和xxCheckSum相等，那说明这个包正确，否则这个包就丢弃。大包的格式AAAA2002C88318Delta 1/3Delta 2/3Delta 3/3Theta 1/3Theta 2/3Theta 3/3LowAlpha 1/3LowAlpha 2/3LowAlpha 3/3HighAlpha 1/3HighAlpha 2/3HighAlpha 3/3LowBeta 1/3LowBeta 2/3LowBeta3/3HighBeta 1/3HighBeta 2/3HighBeta 3/3LowGamma 1/3LowGamma 2/3LowGamma 3/3MiddleGamma 1/3MiddleGamma 2/3MiddleGamma 3/3 04 Attention 05Meditation D5,其中AAAA 20 02 C8 83 18为固定格式，Attention可以直接从大包中提取出来，范围是0～100。

图9为本实用新型的程序流程图。意念控制机器人能够顺利的实现操控者的意愿，主要包括：机器人巡线，完成助老服务机器人的自主行走，保证机器人不会偏离路线行走；操控者对路线的自由选择，使机器人能够巡多种线路；机器人避障，机器人避障是为了避免机器人在前进过程中发生碰撞、摩擦，对机器人造成的损坏；电机驱动，电机驱动是建立在巡线的基础上，根据巡线部件所反馈给控制器的信号，控制器控制电机驱动，决定电机的启停、正反转，从而改变机器人的转向和速度。

图10为机器人活动场地示意图。面对不断完善的城市规划，对于老年人和残疾人的外出路线计划越来越清晰与方便。本文根据实际公路设计，在机器人功能基础上绘制出上面这幅简易的路线图。此图充分考虑到T字路口，十字路口，直角路口，弯道等一系列现实车辆问题，减少了操控者的手动控制。

Claims

1.一种基于意念控制的机器人，其特征在于，所述机器人包括机体和外部脑电信号采集装置；所述外部脑电信号采集装置包括脑电信号采集传感器、脑电信号处理器、第一电源、第一蓝牙装置；所述机体包括第二蓝牙装置、第二电源、控制器、执行机构；所述执行机构包括电机驱动装置、巡线装置、避障装置；所述第二电源连接避障传感器电路、控制器电路、电机驱动电路、巡线电路、第二蓝牙装置；所述控制器连接第二蓝牙装置、巡线装置、避障装置、电机驱动装置；所述控制器控制电机驱动装置、避障装置、巡线装置。

2.根据权利要求1所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述外部脑电信号采集装置置于耳机、耳麦或者头盔内；所控制的机器人为四轮小车状。

3.根据权利要求1所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述控制器为单片机控制器。

4.根据权利要求3所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述控制器中单片机的型号为MC9S12X128；所述脑电信号采集传感器型号为TGAM。

5.根据权利要求1所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述避障装置为红外避障装置。

6.根据权利要求1所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述巡线装置安装在驱动装置的移动底盘下方。

7.根据权利要求2所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述耳机上带有LED指示灯。

8.根据权利要求1所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述控制器电路由单片机U12、晶振Y1、电容C12-C14、电阻R38、排阻JP1组成。

9.根据权利要求1或2所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述控制器电路的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3分别与电机驱动电路的控制极相接，控制器电路P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4分别与巡线电路相接，控制器电路VCC、GND、P0.4分别与避障电路相接，控制器电路P3.0、P3.1、VCC、GND分别与蓝牙装置相接；所述第二蓝牙装置与第一蓝牙装置进行信号配对。

10.根据权利要求1或3所述的基于意念控制的机器人，其特征在于，所述控制器的四个引脚分别与电机驱动的控制端口相连，通过远程的控制端，选择机器人的行进速度，使之产生不同占空比的PWM波，分为快、慢两档；当输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机M1正转,信号端IN1接低电平，IN2接高电平，电机M1反转；当输入信号端IN3接高电平输入端IN4接低电平，电机M2正转，信号端IN3接低电平，IN4接高电平，电机M2反转；LED1和LED2作为电机M1正反转的指示，LED3和LED4作为电机M2正反转的指示。