CN204414116U - 一种基于意念控制的机器人 - Google Patents
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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
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 (10)
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。
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Date | Code | Title | Description |
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150624 Termination date: 20181120 |
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |