CN102975784B - 一种新型仿人竞速机器人 - Google Patents

Abstract

一种新型仿人竞速机器人，属于仿人机器人设计制作领域，适用于仿人机器人竞速比赛。发明的机器人具有12个自由度，包括十二个舵机，舵机之间通过铝合金U型件和多功能连接件由螺丝连接，每个脚底由一个硬质塑料底板构成，底板上开孔形成灰度传感器的安放位置。与现有技术相比，本发明的优点在于：自由度少，结构简单，成本低廉，机动性好，传感灵敏性与控制稳定性好。

Description

一种新型仿人竞速机器人

技术领域：

本发明属于仿人机器人设计制作领域，涉及一种机器人比赛装置。

背景技术：

仿人机器人是机器人制作的重要领域。仿人竞速机器人要求制作人形机器人，模仿人类双足直立行走，并要求头部、手臂有协调的配合。可以辅助以各类传感器，以期使机器人能够自主识别周围环境，快速灵活完成竞速行走。

要顺利完成以上要求，就需要机器人具有较高的双足行走机动性能和灵敏可靠的传感控制性能。由于追求优良的机动性能和传感控制性能往往将导致舵机数目增加、结构复杂、费用上升。当前能完成上述要求的机器人的自由度普遍较高或者需要依赖于价格高昂的舵机，导致机器人成本的提高，现有机器人对于通过最小数目的自由度实现灵活转向的设计制作方法还有待提高。因此，从优化机器人舵机和传感器的布局入手，巧妙设计机器人的结构，探索自由度较少、结构简单但机动性强、传感灵敏可靠并且性价比高的仿人竞速机器人具有重要的意义。

发明内容：

针对上述现有的设计制作方案存在的问题，本发明从舵机自由度和传感装置的布局与受力优化角度入手，发明了一种自由度明显减少、结构简单、重量轻巧但机动性和传感灵敏性高的新型仿人竞速机器人。

本发明提出如下解决现有问题的方案：

一种12自由度仿人竞速机器人的装置，包括12个舵机，4个灰度传感器，铝质U型件，多功能连接件及硬质塑料底板。

所述12自由度仿人竞速机器人机构部分为：头部一个自由度，左右肩部各有一个自由度，左右手臂各有一个自由度，左右腿各有两个自由度，左右脚各有一个自由度，在右腿中间有一个竖直轴向自由度。

所述的自由度都由一个舵机构成，舵机之间通过U型件和多功能连接件由螺丝连接，每个脚底由一个底板构成，底板上开孔形成传感器的安放位置。

所述的舵机、U型件和多功能连接件为标准件。

所述的螺丝为M2.5mm平头螺丝。

所述的脚底板为80mm×140mm×5mm硬质塑料板加贴一层厚度为1mm的橡胶层构成。

所述的橡胶层是乒乓球拍橡胶面。

所述12自由度仿人竞速机器人传感部分为：安装在脚底板开口上部的灰度传感器将机器人所处地面色差信号转化为电信号传输至控制芯片，芯片按照既定程序通过舵机完成相应动作。灰度传感器通过遮光罩与外界隔离。

所述的灰度传感器由一只发光二极管和一只光敏电阻组成。当反射面为白色时，有效检测距离为8mm。

所述的遮光罩由黑色绝缘胶带做成，遮光罩将外界的光与传感器隔离。

与现有技术相比，本发明的优点在于：自由度少，结构简单，成本低廉，机动性好，传感灵敏性与控制稳定性好。

附图说明：

图1为机器人舵机自由度和固定钢框结构布局主视图。图1中的符号表示：1-头部舵机；2-刚度加强件；3-肩部舵机；4-手臂舵机；5-手臂钢框；6-右腿腿部舵机；7-竖直舵机；8-刚度加强件；9-右腿腿部舵机；10-右脚脚部舵机；11-右脚脚板；12-左腿腿部钢框。

图2为右腿主视图。图2中的符号表示：13-右腿腿部舵机6的U型连接件；14-刚度加强件，15-竖直舵机；16-右腿腿部舵机9的U型连接件。

图3(a)和(b)分别为底板俯视图与A-A剖面图。图3中的符号表示：17-硬质塑料板；18-开口；19-螺丝孔；20-硬质塑料板；21-橡胶层。

图4(a)和(b)分别为传感器安装示意图与B-B截面图。图4中的符号表示：22-遮光罩；23-灰度传感器。

图5为本发明机器人行进跑道。图5中的符号表示：24-起跑线与终点线；25-外边线；26-赛道中线；27-内边线。

图6为行进中双足与跑道中线的关系图。图6中的符号表示：28-左脚；29-跑道中线；30-右脚；31-右脚外侧灰度传感器；32-右脚内侧灰度传感器；33-左脚内测灰度传感器；34-左脚外侧灰度传感器。

以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。

具体实施方式：

参见图1，本12自由度仿人竞速机器人的舵机和固定钢框结构布局。头部舵机1使头部左右摆动，刚度加强件2连接和固定舵机，增加结构刚度与稳定性，肩部舵机3使手臂前后摆动，手臂舵机4使手臂沿垂直于纸面轴转动，腿部舵机6与9实现腿部的动作，竖直舵机7使机器人沿竖直轴转动，脚部舵机10可使脚板翻转，脚板11支撑机器人，腿部钢框12保证双腿高度一致。

参见图2，右腿结构。竖直舵机15使机器人沿竖直轴转动，可以实现转弯功能。刚度加强件14与U型连接件13通过螺丝固定连接，刚度加强件14与U型连接件16为点接触，当竖直舵机15受压弯曲变形时，刚度加强件14起到辅助支撑作用，防止竖直舵机15结构产生大的变形；而当竖直舵机15转动时，刚度加强件14不会妨碍竖直舵机的转动。

参见图3，底板俯视图与剖面图。底板由80mm×140mm×5mm硬质塑料板与橡胶层通过双面胶粘合而成，橡胶层用于增加脚底板着地的摩擦力，减弱运行过程中机器人的振动。开口为灰度传感器的安放位置与传感器光线透过位置，其尺寸为120mm×60mm，底板通过螺丝与脚部舵机连接。

参见图4，传感器安装示意图与截面图。安装在脚底板开口上部的灰度传感器23的发光二极管将光线照射到机器人所处地面，地面反射部分光线，光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为电信号。由于不同颜色的地面对光的反射程度不同，光敏电阻将不同颜色地面返回的光转化成不同的电信号。机器人所处地面色差信号转化为电信号传输至控制芯片，芯片按照既定程序通过舵机完成相应动作。灰度传感器通过遮光罩22与外界隔离，使机器人传感部分不受外界的光的干扰，提高机器人巡线的精度与稳定性。当机器人脚底板着地时，读取灰度传感器的数据。

参见图5，机器人行进跑道。场地制作使用2440×1220×18mm的白色实木颗粒板。赛道中线和边线(内边线或外边线)使用16mm宽黑色防水电工绝缘胶带。起跑线(终点线)使用2mm宽黑色防水电工绝缘胶带。仿人机器人从起跑线出发，沿环形赛道中线以双足直立行走方式行进一圈到达终点线。机器人在行进过程中有明显的较协调的摆头和摆臂动作。

运行过程：参见图1。翻转机器人左右脚部舵机使机器人重心移至右腿，通过双腿四个舵机的协调作用将左腿迈出，通过竖直舵机7转动一定角度θ使机器人转向，同时通过头部与肩部舵机实现头部与手臂的协调运动，重新翻转左右脚部舵机将左脚落下，完成左脚迈步。之后，翻转机器人左右脚部舵机使机器人重心移至左腿，通过双腿四个舵机的协调作用将右腿迈出，通过竖直舵机7反向转动相同角度θ，同时通过头部与肩部舵机实现头部与手臂的协调运动，重新翻转左右脚部舵机将右脚落下，完成右脚迈步。重复以上动作，完成机器人的灵活稳定前进。

参见图6。行进中双足与跑道中线的关系图。当机器人脚底板着地时，读取灰度传感器的数据。此时灰度传感器与地面的距离在有效检测距离内，并且灰度传感器处在静止状态，有利于提高灰度传感器的精度。通过安放在脚底板上的灰度传感器判断机器人所处位置，从而控制机器人向相应方向转动相应的θ角。当跑道中线在中间两个灰度传感器32、33中间时机器人保持直线行进。当安放在左脚28上的灰度传感器33、34探测到跑道中线时，机器人向左转动；当安放在右脚30上的灰度传感器31、32探测到跑道中线时，机器人向右转动。当中间两个灰度传感器32、33探测到跑道中线时，机器人转动较小的角度；当外侧两个灰度传感器31、34探测到跑道中线时，机器人转动较大的角度。

Claims (7)

1.一种新型仿人竞速机器人，具有12个自由度，包括12个舵机，4个灰度传感器，铝质U型件，多功能连接件，硬质塑料底板，其特征在于：头部一个自由度，左右肩部各有一个自由度，左右手臂各有一个自由度，左右腿各有两个自由度，左右脚各有一个自由度，在右腿中间有一个竖直轴向转动自由度，舵机之间通过铝合金U型件和多功能连接件由螺丝连接，每个脚底由一个硬质塑料底板构成，底板上开孔形成灰度传感器的安放位置。

2.根据权利要求1所述的新型仿人竞速机器人，其特征在于：所述的自由度都由一个舵机构成。

3.根据权利要求1所述的新型仿人竞速机器人，其特征在于：所述的舵机、U型件和多功能连接件为标准件。

4.根据权利要求1所述的新型仿人竞速机器人，其特征在于：所述的螺丝为M2.5平头螺丝。

5.根据权利要求1所述的新型仿人竞速机器人，其特征在于：所述的脚底板为80mm×140mm×5mm硬质塑料板加贴一层厚度为1mm的橡胶构成。

6.根据权利要求5所述的新型仿人竞速机器人，其特征在于：所述的橡胶层由乒乓球拍橡胶面制成。

7.根据权利要求1所述的新型仿人竞速机器人，其特征在于：所述的灰度传感器由一只发光二极管和一只光敏电阻组成，当反射面为白色时，有效检测距离为8mm。