阅读说明：本技术 户外避障式节拍双轮领跑机器人 (Outdoor obstacle avoidance type beat double-wheel pilot robot ) 是由 黄文聪 李子修 常雨芳 张宇 覃文力 蔡瑞琦 陈润 吴锋 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及体育训练技术领域,公开了一种户外避障式节拍双轮领跑机器人,包括躯干和头部,躯干下方设有两个车轮,车轮均连有步进电机,两个步进电机均通过可伸缩的金属支架与安装在躯干下部两侧内部的步进舵机相连,躯干上部两侧各安装有一个机械敲打手臂,机械敲打手臂与躯干之间通过敲打舵机连接,头部上设有与单片机连接的双目视觉传感器,躯干内设有供电的电源,躯干表面设有按键组。本发明户外避障式节拍双轮领跑机器人,通过机器人在跑步者前方引导并拍打节拍,提供科学适当的领跑方式,且自动避障,适合在户外使用。(The invention relates to the technical field of physical training, and discloses an outdoor obstacle avoidance type beat two-wheel neck running robot which comprises a trunk and a head, wherein two wheels are arranged below the trunk, the wheels are connected with stepping motors, the two stepping motors are connected with stepping steering engines arranged inside two sides of the lower part of the trunk through telescopic metal supports, two mechanical beating arms are respectively arranged on two sides of the upper part of the trunk, the mechanical beating arms are connected with the trunk through the beating steering engines, a binocular vision sensor connected with a single chip microcomputer is arranged on the head, a power supply is arranged in the trunk, and a key group is arranged on the surface of the trunk. The outdoor obstacle avoidance type beat two-wheel lead robot provided by the invention provides a scientific and appropriate lead mode by guiding and beating beats in front of a runner through the robot, automatically avoids obstacles and is suitable for outdoor use.)

户外避障式节拍双轮领跑机器人

技术领域

本发明涉及体育训练领域，具体涉及一种户外避障式节拍双轮领跑机器人。

背景技术

我们很小就被教育，锻炼要持之以恒。所以，很多人认为，一旦开始跑步，就必须天天坚持。但按照最新的运动科学成果，跑步并不需要勉强，只要逐步增加训练量就行了。一般来说，采取跑步健身的人，要想达到一定的训练效果，须达到三个基本指标：持续时间20分钟以上；心率120次/分钟以上(青年人)；频率每周3次以上，也就是，一周跑3—4次就行了。

不要幻想在短期内取得理想结果，只有经常锻炼才会提高锻炼水平。如果一周只跑一次，跑的距离再长也没有多少益处。因为在中断跑步的六天里，身体组织已将跑步带来的好处消耗得一干二净。因此，一周内跑步不得少于三次。平常缺乏锻炼的人，一旦决心开始经常性锻炼后，往往运动过量，这样会导致不良后果。在体育锻炼上应当循序渐进。

同时，对于跑步者而言，跑步的节奏感十分重要。一个好的节奏不仅能更好地改善他们的体质，还能增强他们对跑步的兴趣。对于老年人，跑步的节奏关系到他们的身体健康。一个好的节奏对老人是一个非常健康的引导，能有效加强他们的心肺功能和身体耐力，有助于延年益寿。对于初跑者而言，如果从一开始就懂得科学跑步，掌握好跑步的节奏，不仅可以避免伤痛，还能保证最大程度通过跑步收获健康。对于资深跑者而言，不管是如何开始跑步的，也有必要重新审视自己的跑步历程和经验教训，用更科学的方式让自己持久健康地跑下去。

但实际上，很多人在跑步时，掌握不好节奏，一跑就感觉到累，无法坚持下去，因此现在有很多领跑装置来帮助跑步者引导跑步节奏，但现有装置大多为专业设备，多在专业体育场馆使用，并不适合普通跑步爱好者在户外使用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种户外避障式节拍双轮领跑机器人，通过机器人在跑步者前方引导并拍打节拍，提供科学适当的领跑方式，且自动避障，适合在户外使用。

为实现上述目的，本发明所设计的户外避障式节拍双轮领跑机器人，包括躯干和安装在所述躯干上的头部，所述躯干下方设有左右对称的两个车轮，所述车轮均连有步进电机，两个所述步进电机均通过可伸缩的金属支架与安装在所述躯干下部两侧内部的步进舵机相连，所述步进电机和步进舵机均与单片机连接，所述躯干上部两侧各安装有一个机械敲打手臂，所述机械敲打手臂与所述躯干之间通过敲打舵机连接，所述敲打舵机与所述单片机连接，所述头部上设有与所述单片机连接的双目视觉传感器，所述双目视觉传感器包括采集机器人正前方视觉范围内图像信息的两个摄像头，所述躯干内设有为所述步进电机、步进舵机、单片机、敲打舵机和双目视觉传感器供电的电源，所述躯干表面设有与所述单片机连接的按键组。

优选地，所述机械敲打手臂的末端设有椭圆形突起，所述躯干上与所述椭圆形突起相对应的位置上设有敲打面，可以打出清脆悦耳不干扰其他人的鼓点。

优选地，所述躯干内设有与所述单片机连接的倾角传感器，所述倾角传感器会将机器人左右倾角的信息发送给所述单片机，所述单片机通过控制所述步进舵机的角度，带动所述金属支架，使所述步进电机上下移动，例如当机器人在运动过程中出现左高右低情况时，所述步进舵机会带动与左边所述车轮的步进电机相连的金属支架向上移动，使机器人能够在不平稳的路面上保持左右水平平稳地行驶。

优选地，所述躯干上设有若干个在同一水平面上均匀分布的与所述单片机连接的红外传感器，所述躯干上设有若干个在同一水平面上均匀分布的与所述单片机连接的超声波传感器，保证机器人能探测到周边360度空间范围内的障碍物。

优选地，所述头部还设有与所述单片机连接的光暗传感器、温度湿度传感器，所述光暗传感器可以感知周围的光暗程度，当光暗程度分别达到一定的阈值时，机器人的所述双目视觉传感器的摄像头会自动选择开启或关闭夜视功能，所述温度湿度传感器能感知周围的环境，通过运行相应的程序，选择最优的传感器，以最大化保证在不同的环境条件下，机器人都能正确感知到障碍物信息。

优选地，所述躯干前方设有前照明灯，所述躯干后方设有后照明灯，为领跑者提供安全的视野，所述前照明灯和后照明灯均与所述电源和单片机连接。

优选地，所述电源为锂电池组，所述躯干后方底部设有为所述电源充电的USB接口。

优选地，所述躯干内设有设有容置两个所述车轮的容置空间，机器人的两个所述车轮在停止工作的情况下通过所述步进舵机带动所述金属支架缩回机器人躯干的容置空间内，在开启的时候通过所述步进舵机带动所述金属支架将两个所述车轮伸出躯干。

优选地，所述躯干上设有与所述单片机连接的蓝牙通信模块和红外接收模块，所述红外接收模块位于所述躯干的后部，通过所述蓝牙通信模块和红外接收模块实现机器人的远程控制，另外，当不用机械敲打手臂打节拍时，还可通过蓝牙通信模块向蓝牙耳机传输接节拍信息。

优选地，所述躯干上设有与所述单片机和电源连接的液晶显示屏。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、解决了实际生活中户外跑步舒适感不足的问题，利用节拍来控制跑步节奏，提高了跑步舒适度，且在跑步过程中出现危险状况时，领跑机器人能带领人们脱离前方危险，防止使用者因为运动过长而注意力不集中；

2、采用以双目视觉传感器为主，红外传感器和超声波传感器为辅助，使机器人能够适应多种环境；

3、通过步进电机和步进舵机的结合，能够保证机器人在凹凸不平的路面上平稳地行驶，减少磨损；

4、通过光暗传感器可感知周围环境的两岸，进而控制摄像头开启或关闭夜视功能，且控制照明灯的开启，为领跑提供安全的视野，也有利于行人进行避让，不易发生事故；

5、当温度或者湿度比较极端时，超声波和红外信号会受到影响，影响机器人的避障功能，通过温度湿度传感器感知周围环境的温度和湿度，选择是否关闭红外传感器和超声波传感器，适应更多的环境；

6、通过避障和自主导航将户内的运动带到户外，将运动带到户外，提升了全民运动的积极性，且通过提供节拍，使肥胖者减肥和老年人能够更健康有效的进行运动，特别是有氧运动，运动效率更高。

附图说明

图1为本发明户外避障式节拍双轮领跑机器人的结构示意图

图2为本发明户外避障式节拍双轮领跑机器人背面的结构示意图。

图中各部件标号如下：

躯干1、头部2、车轮3、步进舵机4、单片机5、机械敲打手臂6、双目视觉传感器7、按键组8、倾角传感器9、红外传感器10、超声波传感器11、光暗传感器12、温度湿度传感器13、前照明灯14、后照明灯15、USB接口16、蓝牙通信模块17、红外接收模块18。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1及图2所示，本发明一种户外避障式节拍双轮领跑机器人，包括躯干1和安装在躯干1上的头部2，躯干1下方设有左右对称的两个车轮3，躯干1内设有设有容置两个车轮3的容置空间，车轮3均连有步进电机，两个步进电机均通过可伸缩的金属支架与安装在躯干1下部两侧内部的步进舵机4相连，步进电机和步进舵机4均与单片机5连接，躯干1上部两侧各安装有一个机械敲打手臂6，机械敲打手臂6与躯干1之间通过敲打舵机连接，敲打舵机与单片机5连接，头部2上设有与单片机5连接的双目视觉传感器7，双目视觉传感器7包括采集机器人正前方165度视觉范围内图像信息的两个摄像头，躯干1内设有为步进电机、步进舵机4、单片机5、敲打舵机和双目视觉传感器7供电的电源，电源为锂电池组，躯干1后方底部设有为电源充电的USB接口16，躯干1表面设有与单片机5连接的按键组8。

其中，机械敲打手臂6的末端设有椭圆形突起，躯干1上与椭圆形突起相对应的位置上设有敲打面。

另外，如图1所示，躯干1上设有20个在同一水平面上均匀分布的与单片机5连接的红外传感器10，每个红外传感器10之间的角度为18度，躯干1上设有12个在同一水平面上均匀分布的与单片机5连接的超声波传感器11，每个超声波传感器11之间的角度为30度。

本实施例中，躯干1内设有与单片机5连接的倾角传感器9、蓝牙通信模块17和红外接收模块18，其中，红外接收模块18位于躯干1的后部，躯干1前方设有前照明灯14，躯干1后方设有后照明灯15，前照明灯14和后照明灯15均与电源和单片机5连接，躯干1上还设有与单片机5和电源连接的液晶显示屏。

另外，头部2还设有与单片机5连接的光暗传感器12和温度湿度传感器13。

本实施例在使用时，通过机械敲打手臂6拍打躯干1左右两侧打出节拍，可以为跑步者，尤其是通过有氧运动减肥的，或者老年人锻炼身体提供最适合最健康的跑步节拍。机器人在运行时，利用摄像头的位置和双目视觉传感器7大小等参数可计算出物体与摄像头之间的距离，从而实现避障功能。为保证机器人能够在不同的环境下都能够精准的做出避障，通过红外传感器10和超声波传感器11保证机器人能探测到周边360度空间范围内的障碍物。

另外，通过光暗传感器12可以感知周围的光暗程度，当光暗程度分别达到一定的阈值时，机器人摄像头会自动选择开启或关闭夜视功能。而倾角传感器9会根据机器人的倾斜角度给出不同的信号，单片机5根据信号指挥步进电机的运转可使机器人平衡，具体而言，单片机5通过控制步进舵机4的角度，带动金属支架使步进电机上下移动，例如，当机器人在运动过程中出现左高右低情况时，通过控制步进舵机4带动与左边车轮3的步进电机相连的金属支架向上移动，使机器人能够在不平稳的路面上保持左右水平平稳地行驶。

本实施例在使用时，通过蓝牙通信模块17和红外接收模块18可实现远程控制机器人的开启或停止，且还可以对机器人的运动模式或速度进行选择，控制机器人的前照明灯14或后照明灯15的开启和关闭。

在本实施例中，敲打舵机为180度可控的40kg大扭矩数字舵机，敲打舵机会根据单片机5提供的不同占空比的PWM波调节不同的角度，实现机械敲打手臂6拍打出频率不同的节拍，本实施例中，敲打面为塑料聚酯膜材料制成，可以打出清脆悦耳不干扰其他人的鼓点。

本实施例中，按键组8设在躯干1靠近底部的位置，通过敲击按键组8中的按键，实现机器人的开机关机、领跑模式的选择、速度调整以及机械敲打手臂6的敲打频率。

具体而言，本实施例中的机器人在使用时，实现拍打节拍、导航、避障功能和两轮平衡的具体方案如下：

(1)拍打节拍：首先通过大量人群的调研所得到的调查记录，得出他们认为最舒适的跑步频率，然后机器人会根据不同的频率，由单片机5输出不同占空比的PWM波，从而驱动180度可控的敲打舵机转动到相应的角度，不同频率的节拍可以通过控制占空比不同的PWM实现；

(2)导航：在选定好领跑模式后，机器人会根据已有的导航算法对自己运动的路径有一个规划，并按照规划的路径行走；

(3)避障方案：

①双目视觉避障：由于摄像头的位置不同，两个摄像头看到同一个位置在成像的时候会有不同的像素位置，此时通过三角测距法就可以测出这个点的距离，机器人可以利用避障算法，绕开物体行走；

②红外避障：红外传感器10会发射出红外光，遇到物体返回，检测到反射光之后，通过几何关系可以计算出物体据距离，再通过避障算法实现对正前方的物体避障；

③超声波避障：根据超声波飞行时间，利用距离＝速度*时间/2计算机器人到周围障碍物的距离。

(4)两轮平衡：通过倾角传感器9，将机器人前后倾角信号和左右倾角信号转换为电信号，再利用pid算法使小车在静止时能够平衡，在运动过程中，也利用pid算法可控制小车的平衡。

本发明户外避障式节拍双轮领跑机器人，解决了实际生活中户外跑步舒适感不足的问题，利用节拍来控制跑步节奏，提高了跑步舒适度，且在跑步过程中出现危险状况时，领跑机器人能带领人们脱离前方危险，防止使用者因为运动过长而注意力不集中；另外，采用以双目视觉传感器7为主，红外传感器10和超声波传感器11为辅助，使机器人能够适应多种环境，通过步进电机和步进舵机4的结合，能够保证机器人在凹凸不平的路面上平稳地行驶，减少磨损，通过光暗传感器12可感知周围环境的两岸，进而控制摄像头开启或关闭夜视功能，且控制照明灯的开启，为领跑提供安全的视野，也有利于行人进行避让，不易发生事故，且当温度或者湿度比较极端时，超声波和红外信号会受到影响，影响机器人的避障功能，通过温度湿度传感器13感知周围环境的温度和湿度，选择是否关闭红外传感器10和超声波传感器11，适应更多的环境；本发明通过避障和自主导航将户内的运动带到户外，将运动带到户外，提升了全民运动的积极性，且通过提供节拍，使肥胖者减肥和老年人能够更健康有效的进行运动，特别是有氧运动，运动效率更高。