CN101823516B - 一种两足步行仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两足步行仿生机器人，包括机身、两个连接杆机构、两个足部机构和控制装置，机身与两个足部机构连接，足部机构分别为左足部机构和右足部机构，左足部机构和右足部机构并列在机身下方的左右两侧，连接杆机构分别连接机身和足部机构，所述左足部机构的结构和右足部机构的结构相同，均包括腿支杆、转弯舵机、转动杆、脚板、舵机连接器和转盘，腿支杆的上下两端分别与机身和转动杆连接，所述转动杆的两端连接于脚板上，转弯舵机固定于脚板的上方，转盘设于脚板下方，舵机连接器固定于转弯舵机的下方并与转盘连接；控制装置分别与机身和足部机构连接。本发明具有转弯灵活、成本低和功能多的优点，适用于大众化娱乐教育。

Description

一种两足步行仿生机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种两足步行仿生机器人。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人的种类越来越多，机器人也被越来越广泛用于大众化娱乐教育。由于步行机器人相对于轮式机器人在外观和动作上接近于有生命力的动物，因此具有更强的趣味性和生动性，适合作为一种兼具娱乐和教育的载体。根据足的数量和运动方式，常见的步行机器人主要分为两类：多足机器人和两足机器人。多足机器人主要是模仿蜘蛛等多足爬行动物的结构，这种机器人结构一般都需要大量的电机进行控制；两足机器人根据模仿的对象，又分为两类：仿人机器人和两足步行仿生机器人。

仿人机器人一般用于模仿人类的腿脚足，至少需要设有6个以上的自由度，以模仿人类的腿脚足。申请号为“200810036592.7”的中国发明专利，公开了一种双足机器人步行机构，包括臀部、大腿、小腿和足，共12个自由度；申请号为“200810101063.0”的中国发明专利，公开了一种双足机器人的下肢机构，这种结构利用平行四连杆对边平行的机构运动特点，设计出具有10个自由度的双足机器人下肢机构；申请号为“200810219823.8”的中国发明专利，公开了一种模块化的六自由度主动关节型双足步行机器人，该机器人主要由六个关节模块和两个圆环状足组成，每个关节模块具有一个转动自由度，由直流伺服电机驱动。以上三种结构虽然都能够实现机器人的平稳行走，具有较多自由度，但都需要大量的电机进行控制运动，且控制复杂，成本高，不适合作为大面积推广的大众化娱乐教育机器人。专利号为“US6146235”的美国专利，公开了一种用于玩具娃娃步行运动的机构，这种结构只使用一个电机就可以实现机器人步行，但其机械结构复杂，且无法转弯，机器人活动不灵活，同样不适合作为大众化娱乐教育机器人。

两足步行仿生机器人主要是模拟恐龙、企鹅、鹦鹉等生物行走的机器人。其特点是结构简单，外观和动作上比较小巧、美观，用于大众化娱乐教育更具吸引力。如现有技术中的企鹅机器人，运动结构简单，通过摇摆调整机器人重心来抬起一足部，以便于另一足部迈步，从而实现步行，但这种结构的机器人转弯非常不方便甚至有的还不能实现转弯功能，运动非常不灵活，而且控制板采用低端单片机处理器，功能单一。专利号为“US5158493”的美国专利公开一种用于玩具娃娃步行运动的机构，玩家通过遥控器遥控其运动，功能单一；步行时两足交替抬起，运动机械机构复杂，足部的底盘安装四个小轮子，通过一个电机带动其中两个小轮转动，从而实现机器人的转弯，这种结构虽然能够实现转弯功能，但结构复杂，且无法准确控制转弯角度，转弯不灵活。

语音交互是用于大众化娱乐教育的机器人的重要功能之一，现有的结构中，也有很多可以实现语音交互的机器人。如申请号为“93101084.5”的中国发明专利公开了一种具有鹦鹉学舌功能的电子玩具，这种结构能像鹦鹉那样模仿和跟踪重复声音信号；申请号为“01207294.X”的中国实用新型专利公开了一种鹦鹉玩具，可实现玩具与录放音功能相结合。这些结构都能实现语音交互的功能，但不能实现步行的功能，因此这种结构具有较大的局限性，使用场合也受到很大的限制。

因此，现有技术中，对于用于大众化娱乐教育的机器人存在着以下缺陷：(1)对于多足机器人和仿人机器人，需要的自由度较多，且需要大量的电机进行控制，具有控制复杂、制造成本高，不适用于大众化娱乐教育；(2)对于有些仿人机器人，无法转弯，机器人活动不灵活，同样不适合作为大众化娱乐教育机器人；(3)对于现有的两足步行仿生机器人，一般都转弯非常不方便甚至有的还不能实现转弯功能，运动非常不灵活，而且控制板采用低端单片机处理器，功能单一；(4)现有技术中，机器人虽然能够步行，但却不能实现语音交互功能，或者是虽然能够实现语音交互功能，但却不能步行，具有功能非常单一、娱乐性较弱、适用场合窄，不能同时用于多种场合；(5)现有技术中，有些机器人虽然能够转弯，但是其转弯功能不够灵活，且结构复杂，除了步行功能外，没有其他功能，不适用于娱乐教育。因此，对于用于大众化娱乐教育的机器人，需要提供一种既能灵活步行，又能实现原地灵活转弯，且又能实现语音交互等多功能的具有电机少、容易控制的机器人。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、合理，能原地灵活转弯、控制电机少的两足步行仿生机器人，可作为大面积推广的大众化娱乐教育机器人。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种两足步行仿生机器人，包括机身、两个连接杆机构、两个足部机构和控制装置，机身与两个足部机构连接，两个足部机构分别为左足部机构和右足部机构，左足部机构和右足部机构并列在机身下方的左右两侧，两个连接杆机构分别为左连接杆机构和右连接杆机构，左连接杆机构分别连接机身和左足部机构，右连接杆机构分别连接机身和右足部机构，所述左足部机构的结构和右足部机构的结构相同，均包括腿支杆、转弯舵机、转动杆、脚板、舵机连接器和转盘，所述腿支杆的上下两端分别通过销钉与机身和转动杆连接，所述转动杆的两端通过销钉连接于脚板上，当摇摆舵机转动，身体倾斜时，转动杆就会转动；所述转弯舵机固定于脚板的上方，所述转盘设于脚板下方，舵机连接器固定于转弯舵机的下方并穿过脚板与转盘连接，转盘下方连接有轮皮。

所述机身包括支撑架、摇摆舵机、迈步舵机、舵机摆臂和摆动杆，所述摇摆舵机和迈步舵机均固定于支撑架，所述舵机摆臂连接在摇摆舵机上，舵机摆臂的两端分别连接左连接杆机构和右连接杆机构，所述迈步舵机与位于其下方的摆动杆连接；

所述摆动杆的两端分别连接左足部机构的腿支杆和右足部机构的腿支杆；

所述控制装置分别与机身和足部机构连接。

所述右连接杆机构包括第一万向球头、第一万向接头、连杆、第二万向接头和第二万向球头，第一万向接头和第二万向接头分别固定于连杆的两端，第一万向球头的球状端与第一万向接头连接，第二万向球头的球状端与第二万向接头连接，第一万向球头的螺纹端与舵机摆臂的一端连接，第二万向球头的螺纹端与右足部机构的脚板连接；

所述左连接杆机构的结构和右连接杆机构的结构相同，其第一万向球头的螺纹端与舵机摆臂的另一端连接，且其第二万向球头的螺纹端与左足部机构的脚板连接。

所述舵机摆臂、左连接杆机构和右连接杆机构均设于支撑架的前方；摆动杆设于支撑架的下方；

所述左足部机构的腿支杆和右足部机构的腿支杆分别设于支撑架的两侧，且均分别设于左连接杆机构和右连接杆机构的后方。

每个足部机构的腿支杆均包括前腿支杆和后腿支杆，所述前腿支杆的上端和后腿支杆的上端均分别通过销钉与支撑架连接，销钉均分别与前腿支杆和后腿支杆间隙配合；所述前腿支杆和后腿支杆的下端均分别通过销钉与转动杆连接，销钉与转动杆间隙配合；

所述前腿支杆和后腿支杆并列设置，且前腿支杆设于连接杆机构后方，后腿支杆设于前腿支杆的后方。

所述舵机摆臂和连接杆机构均设于支撑架的前方。摆动杆设于支撑架的下方。

所述左足部机构和右足部机构的后腿支杆上均设有条形槽，摆动杆的两端分别穿过左足部机构的后腿支杆的条形槽和右足部机构的后腿支杆的条形槽，并与左足部机构的后腿支杆和右足部机构的后腿支杆可活动地连接。

所述控制装置包括电池、喇叭、麦克风、嵌入式控制板和测距传感器，所述嵌入式控制板固定于支撑架的上方，所述电池设于嵌入式控制板的下方和迈步舵机的上方，所述喇叭固定于支撑架的两侧，麦克风固定于嵌入式控制板的上方，所述测距传感器分别固定于机身的前端和脚板的前端；所述电池与嵌入式控制板通过电路连接，所述测距传感器、喇叭和麦克风均与嵌入式控制板连接，嵌入式控制板分别与摇摆舵机、迈步舵机、左足部机构的转弯舵机以及右足部机构的转弯舵机连接。

所述测距传感器包括红外传感器和超声波传感器，红外传感器固定于脚板的前端，用以检测近距离处是否有障碍物；超声波传感器固定于机身的前端，用以检测远距离处是否有障碍物；红外传感器和超声波传感器均与嵌入式控制板连接。

所述控制装置还包括视觉传感器和触摸开关，所述视觉传感器和触摸开关均与嵌入式控制板连接，所述触摸开关固定于嵌入式控制板的上方，视觉传感器安装于机身的前端。触摸开关用以感知人的触摸输入信号，麦克风用于接收语音交互信号，喇叭用以输出机器人的声音信号。

所述控制装置还包括蓝牙接口和USB接口，蓝牙接口和USB接口均与嵌入式控制板连接。嵌入式控制板通过蓝牙接口与计算机(或智能手机)进行无线通信，或通过USB接口进行有线通信，用以接受计算机或智能手机的遥控指令或下载程序。

所述电池优选为锂电池。

本发明的原理是：嵌入式控制板从测距传感器、麦克风、视觉传感器和触摸开关等各种传感器获取周围环境信息，对这些信息进行处理分析，然后决策输出PWM信号控制摇摆舵机、迈步舵机、左足部机构的转弯舵机以及右足部机构的转弯舵机的转动，从而实现机器人的各种步行及灵活转弯等动作，并输出音频信号给喇叭发声。通过摇摆舵机转动以及转动杆的旋转，可带动本机器人重心向一边倾斜，使得一足部机构保持接触地面，另一足部机构离开地面，迈步舵机转动带动离地的足部机构向前(或向后)迈步，再由摇摆舵机转动以及转动杆旋转控制迈步的足部机构落地，从而实现机器人前进或后退的步行动作；当机器人的一足部机构离地时，控制另一足部机构的转弯舵机转动使得机器人可以原地灵活转弯。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)与多足机器人或多自由度的仿人机器人相比，本发明的机器人克服了现有技术多电机的缺陷，只需要设置四个舵机即可实现步行，由于舵机数量少，从而大大降低制造成本和控制复杂性，具有舵机数量少、成本低和控制简单等优点。

(2)与现有的两足步行仿生机器人相比，本发明的机器人在足部机构底部设有转盘，并通过转弯舵机进行转弯控制，可准确控制转弯角度，使得机器人转弯灵活，能够在原地实现正反转90°；本发明除了转弯灵活外，同时也能实现语音交互功能，即本机器人装有高端的嵌入式控制板，并通过测距传感器、视觉传感器、麦克风、蓝牙接口和USB接口等获取周围环境信息进行处理控制，具有多功能的优点，适合作为大面积推广的大众化娱乐教育机器人，同时也适合开发各种娱乐功能和进行二次开发。

(3)与现有的鹦鹉玩具(或具有语音交互功能的机器人)相比，本发明的机器人除了具有语音交互功能之外，还具有步行功能，适用场合较广，具有优越的娱乐性、趣味性和生动性。

(4)与现有的通过少数电机驱动和复杂传动结构的步行机器人相比，本发明的机器人结构简单，适量的舵机控制给用户开发不同行走步态提供了机会。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是图1所示的机器人的左视图。

图3是图1所示的右连接杆机构的结构示意图。

图4是图3所示的A处局部放大示意图。

图5是图1所示的右足部机构的立体结构示意图。

图6是图5所示的右足部机构的另一状态示意图。

图7是本发明机器人的控制装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

图1～图7示出了本实施例的具体结构示意图，如图1所示，本两足步行仿生机器人，包括机身、两个连接杆机构、两个足部机构和控制装置，机身与两个足部机构连接，两个足部机构分别为左足部机构和右足部机构，左足部机构和右足部机构并列在机身下方的左右两侧，两个连接杆机构分别为左连接杆机构18和右连接杆机构，左连接杆机构18分别连接机身和左足部机构，右连接杆机构分别连接机身和右足部机构，如图5所示，右足部机构位于机身下方的右侧，包括腿支杆、转弯舵机7、转动杆14、脚板10、舵机连接器8和转盘12，所述腿支杆的上下两端分别通过销钉与机身和转动杆14连接，所述转动杆14的两端通过销钉13、22连接于脚板10上，如图1和图2所示；所述转弯舵机7固定于脚板10的上方，所述转盘12设于脚板10的下方，舵机连接器8固定于转弯舵机7的下方并穿过脚板10与转盘12连接；如图6所示，转盘12下方连接有轮皮11；所述左足部机构的结构和右足部机构的结构相同，并位于机身下方的左侧。

如图1所示，机身包括支撑架21、摇摆舵机1、迈步舵机20、舵机摆臂2和摆动杆19，摇摆舵机1和迈步舵机20均固定于支撑架21上，舵机摆臂2连接在摇摆舵机1上，舵机摆臂2的两端分别连接左连接杆机构18和右连接杆机构，所述迈步舵机20与位于其下方的摆动杆19连接；

摆动杆19的两端分别连接左足部机构的后腿支杆17和右足部机构的后腿支杆5；

所述控制装置分别与机身和足部机构连接。

如图3所示，所述右连接杆机构包括第一万向球头25、第一万向接头3、连杆4、第二万向接头9和第二万向球头26，第一万向接头3和第二万向接头9分别固定于连杆4的两端；如图4所示，第一万向球头25的球状端28与第一万向接头3连接，第二万向球头26的球状端与第二万向接头9连接，第一万向球头25的螺纹端27与舵机摆臂2的一端连接，第二万向球头26的螺纹端与右足部机构的脚板10连接；

所述左连接杆机构18的结构和右连接杆机构的结构相同，其第一万向球头的螺纹端与舵机摆臂2的另一端连接，且其第二万向球头的螺纹端与左足部机构的脚板连接。

所述舵机摆臂2、左连接杆机构和右连接杆机构均设于支撑架21的前方；摆动杆19设于支撑架21的下方；

所述左足部机构的腿支杆和右足部机构的腿支杆分别设于支撑架21的两侧，且均分别设于左连接杆机构和右连接杆机构的后方。

右足部机构的腿支杆结构和左足部机构的腿支杆结构相同，每个足部机构的腿支杆均包括前腿支杆和后腿支杆；如图1所示，右足部机构的腿支杆均包括前腿支杆6和后腿支杆5，如图2所示，所述前腿支杆6的上端和后腿支杆5的上端均分别通过销钉24、23与支撑架21连接，销钉24、23分别与前腿支杆6和后腿支杆5间隙配合；如图1所示，所述前腿支杆6的下端和后腿支杆5的下端均分别通过销钉15、16与转动杆14连接，销钉15、16分别与转动杆14间隙配合；

如图1所示，右足部机构的前腿支杆6和后腿支杆5并列设置，且前腿支杆6设于右连接杆机构的后方，后腿支杆5设于前腿支杆6的后方；同样地，左足部机构的前腿支杆和后腿支杆也并列设置，且前腿支杆设于左连接杆机构的后方，后腿支杆设于前腿支杆的后方，舵机摆臂2、右连接杆机构和左连接杆机构均设于支撑架21的前方。

如图2所示，右足部机构的后腿支杆5上设有条形槽，同样地，左足部机构的后腿支杆17上也设有条形槽，摆动杆19的两端分别穿过左足部机构的后腿支杆17的条形槽和右足部机构的后腿支杆5的条形槽，并与左足部机构的后腿支杆17和右足部机构的后腿支杆5可活动地连接。

如图7所示，所述控制装置包括锂电池、喇叭、麦克风、嵌入式控制板、测距传感器、视觉传感器、触摸开关、蓝牙接口和USB接口，所述嵌入式控制板固定于支撑架21的上方，锂电池设于嵌入式控制板的下方和迈步舵机20的上方，所述测距传感器分别固定于机身的前端和左右两边的脚板的前端；所述锂电池与嵌入式控制板通过电路连接，所述测距传感器与嵌入式控制板连接，嵌入式控制板分别与摇摆舵机1、迈步舵机20、左足部机构的转弯舵机以及右足部机构的转弯舵机7连接；

测距传感器包括红外传感器和超声波传感器，红外传感器安装于脚板10的前端，超声波传感器安装于机身的前端，红外传感器和超声波传感器均与嵌入式控制板连接。

所述喇叭、麦克风、视觉传感器和触摸开关均与嵌入式控制板连接，所述喇叭固定于支撑架21的两侧，麦克风和触摸开关均固定于嵌入式控制板的上方，视觉传感器固定于机身的前端。

蓝牙接口和USB接口均与嵌入式控制板连接，用以接收计算机或智能手机的遥控指令或下载程序，如图7所示。

嵌入式控制板通过蓝牙接口与计算机(或智能手机)进行无线通信，或通过USB接口进行有线通信。嵌入式控制板从测距传感器、麦克风、视觉传感器和触摸开关等各种传感器获取周围环境信息，对这些信息进行处理分析，然后决策输出PWM信号控制摇摆舵机1、迈步舵机20、左足部机构的转弯舵机以及右足部机构的转弯舵机7的转动，通过输出音频信号给喇叭，从而实现机器人的各种步行及灵活转弯等动作及发声。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：所述控制装置包括锂电池、嵌入式控制板、红外传感器、超声波传感器、喇叭和麦克风，所述嵌入式控制板固定于支撑架21的上方，锂电池设于嵌入式控制板的下方和迈步舵机20的上方，红外传感器固定于脚板的前端，所述超声波传感器固定于机身的前端；所述锂电池与嵌入式控制板通过电路连接，红外传感器和超声波传感器均与嵌入式控制板连接，嵌入式控制板分别与摇摆舵机1、迈步舵机20、左足部机构的转弯舵机以及右足部机构的转弯舵机7连接。所述喇叭和麦克风均与嵌入式控制板连接，所述喇叭固定于支撑架21的两侧，麦克风固定于嵌入式控制板的上方。USB接口与嵌入式控制板连接，用以接收计算机或智能手机的遥控指令或下载程序。

上述各实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两足步行仿生机器人，包括机身、两个连接杆机构、两个足部机构和控制装置，机身与两个足部机构连接，两个足部机构分别为左足部机构和右足部机构，左足部机构和右足部机构并列在机身下方的左右两侧，两个连接杆机构分别为左连接杆机构和右连接杆机构，左连接杆机构分别连接机身和左足部机构，右连接杆机构分别连接机身和右足部机构，其特征在于：所述左足部机构的结构和右足部机构的结构相同，均包括腿支杆、转弯舵机、转动杆、脚板、舵机连接器和转盘，所述腿支杆的上下两端分别通过销钉与机身和转动杆连接，所述转动杆的两端通过销钉连接于脚板上，所述转弯舵机固定于脚板的上方，所述转盘设于脚板下方，舵机连接器固定于转弯舵机的下方并穿过脚板与转盘连接，转盘下方连接有轮皮；

所述机身包括支撑架、摇摆舵机、迈步舵机、舵机摆臂和摆动杆，所述摇摆舵机和迈步舵机均固定于支撑架上，所述舵机摆臂连接在摇摆舵机上，舵机摆臂的两端分别连接左连接杆机构和右连接杆机构，所述迈步舵机与位于其下方的摆动杆连接；

所述摆动杆的两端分别连接左足部机构的腿支杆和右足部机构的腿支杆；

所述控制装置分别与机身和足部机构连接。

2.根据权利要求1所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：所述右连接杆机构包括第一万向球头、第一万向接头、连杆、第二万向接头和第二万向球头，第一万向接头和第二万向接头分别固定于连杆的两端，第一万向球头的球状端与第一万向接头连接，第二万向球头的球状端与第二万向接头连接，第一万向球头的螺纹端与舵机摆臂的一端连接，第二万向球头的螺纹端与右足部机构的脚板连接；

所述左连接杆机构的结构和右连接杆机构的结构相同，其第一万向球头的螺纹端与舵机摆臂的另一端连接，且其第二万向球头的螺纹端与左足部机构的脚板连接。

3.根据权利要求1所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：所述舵机摆臂、左连接杆机构和右连接杆机构均设于支撑架的前方；摆动杆设于支撑架的下方；

所述左足部机构的腿支杆和右足部机构的腿支杆分别设于支撑架的两侧，且均分别设于左连接杆机构和右连接杆机构的后方。

4.根据权利要求3所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：每个足部机构的腿支杆均包括前腿支杆和后腿支杆，所述前腿支杆的上端和后腿支杆的上端均分别通过销钉与支撑架连接，销钉均分别与前腿支杆和后腿支杆间隙配合；所述前腿支杆的下端和后腿支杆的下端均分别通过销钉与转动杆连接，销钉与转动杆间隙配合；

所述前腿支杆和后腿支杆并列设置，且前腿支杆设于连接杆机构后方，后腿支杆设于前腿支杆的后方。

5.根据权利要求4所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：所述左足部机构和右足部机构的后腿支杆上均设有条形槽，摆动杆的两端分别穿过左足部机构的后腿支杆的条形槽和右足部机构的后腿支杆的条形槽，并与左足部机构的后腿支杆和右足部机构的后腿支杆可活动地连接。

6.根据权利要求1所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：所述控制装置包括电池、喇叭、麦克风、嵌入式控制板和测距传感器，所述嵌入式控制板固定于支撑架的上方，所述电池设于嵌入式控制板的下方和迈步舵机的上方，所述喇叭固定于支撑架的两侧，麦克风固定于嵌入式控制板的上方，所述测距传感器分别固定于机身的前端和脚板的前端；所述电池与嵌入式控制板通过电路连接，所述测距传感器、喇叭和麦克风均与嵌入式控制板连接，嵌入式控制板分别与摇摆舵机、迈步舵机、左足部机构的转弯舵机以及右足部机构的转弯舵机连接。

7.根据权利要求6所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：所述测距传感器包括红外传感器和超声波传感器，红外传感器固定于脚板的前端，超声波传感器固定于机身的前端，红外传感器和超声波传感器均与嵌入式控制板连接。

8.根据权利要求6所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：所述控制装置还包括视觉传感器和触摸开关，所述视觉传感器和触摸开关均与嵌入式控制板连接，所述触摸开关均固定于嵌入式控制板的上方，视觉传感器固定于机身的前端。

9.根据权利要求8所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：所述控制装置还包括蓝牙接口和USB接口，蓝牙接口和USB接口均与嵌入式控制板连接。

10.根据权利要求6所述的两足步行仿生机器人，其特征在于：所述电池为锂电池。

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