CN105881550B - 一种高级仿人舞蹈机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高级仿人舞蹈机器人，包括头部、躯体、上肢、下肢，全身共20个关节，其头部通过3D打印技术制备，内部掏空，并连接在头部连接架上；躯体中间特设腰关节，腰关节连接胸部结构和臀部结构；上肢分布在躯体的两侧面，并在双臂U型连接架与双臂驱动舵机轴之间安装安全垫片，以保证双臂长时间可靠运转；下肢下端特设脚关节，脚关节连接腿部和脚板。本发明方法中腰关节与脚关节的设置使机器人在完成一些复杂的舞蹈动作的同时，还能保证其动作的稳定性与协调性；另外，特设的电压传感器能随时感知电压消耗情况，陀螺传感器也能随时感知机器人姿态以防摔倒。本发明用智能手机来操作控制机器人，具有操作方便、训练简单等特点。

Description

一种高级仿人舞蹈机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种高级仿人舞蹈机器人。

背景技术

长期以来机器人技术主要用在生产过程自动化，为提高生产效率和加工精密而发展起来的，这类机器人统称为工业机器人。与此同时发展起来的另一类机器人就是仿人机器人(Humanoid Robot)，这种机器人虽然发展的比较晚，但由于其长相和人类相似，如具有双臂、双腿、躯体及头部，同时还具备人工智能，能够在家庭可以完成各种各样的服务，如清扫、娱乐、保姆、家庭安保等事情，将成为人类伙伴，改变人类生活方式。在2012年，一批舞蹈机器人首次在中央电视台主持的“春晚”上登台表演成功。随后机器人舞蹈在中央电视台以及各地方电视台陆续演出二十多场次，从而逐步形成了本发明人提出的机器人文化艺术新研究领域。

如今舞蹈机器人大多是在韩国制造的MF型仿人机器人上用程序设计方法实现的，但是这种舞蹈机器人价格昂贵，虽然有17个自由度(关节)，但由于缺乏重要的腰关节与脚尖关节而无法完成复杂而高难度舞蹈动作。而原仿人舞蹈机器人(Ⅰ型机，专利授权号为CN203612098 U)也存在如下不足：第一，其由于驱动舵机与U型连接器舵盘之间接触面积小，肩部关节会出现运动不稳固、晃动现象，从而缩短工作寿命短问题；第二，只有一个遥控器，为工作带来不便；第三，舞蹈程序的编制比较落后，需采用手工方法逐个编制，逐个调试；第四，虽然增加了腰关节，但由于无脚尖关节而不能跳像芭蕾那样的旋转动作，其工作效率很低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高级仿人舞蹈机器人，其腰部与脚部关节设计，使机器人在完成一些复杂的舞蹈动作的同时，还能保证其动作的稳定性与协调性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决。

一种高级仿人舞蹈机器人，包括头部、躯体、上肢、下肢，全身共20个关节；所述头部通过3D打印技术制备，其内部掏空，并连接在头部连接架上；所述躯体中间设有腰关节，所述腰关节连接胸部结构和臀部结构；所述上肢分布在躯体的两侧面，并在双臂U型连接架与双臂驱动舵机轴之间安装安全垫片；所述下肢下端设有脚尖关节，所述脚尖关节连接腿部和脚板。

所述腰关节设有交叉滚子轴承，并在腰关节舵盘与胸板中间加入连接轴，将所述连接轴插入所述交叉滚子轴承里面且压在腰关节舵机轴上，轴承支座位于臀部外壳上。

所述脚尖关节上设有U型连接件，所述U型连接件下方连接脚尖关节舵盘，将所述脚尖关节舵盘插入脚尖驱动舵机轴上，平面推力球轴承位于所述脚尖关节舵盘与支架中间，使全身重量通过所述轴承压在所述支架上，所述支架位于所述脚板上。

所述高级仿人舞蹈机器人的运行主要通过主控系统、电量显示系统、陀螺传感器系统完成。

所述主控系统包括遥控器模块、手机控制模块和语音识别模块，所述遥控器模块包含手柄，所述手机控制模块包含智能手机，所述语音识别模块是将人的声音通过麦克风传入计算机并识别出相应的音频信号，这些输入装置的输入信息通过Arduino USB单片机的蓝牙系统进入到计算机。这些功能模块的作用是使本舞蹈机器人通过手机随时随地联系，增强了人—机交互能力，同时可通过人的自然语言直接沟通，为未来机器人真正进入千家万户提供关健技术。

本发明的一种高级仿人形舞蹈机器人，具有以下有益效果：

(1)在原来的小型仿人机器人(简称MF型机)上安装腰关节与脚尖关节，使机器人不但能跳起基本的舞蹈动作，而且还能跳起交际舞与芭蕾舞等动作复杂且具艺术性的舞蹈；

(2)由于全部采用国产零部件，机器人成本不到3000元，远低于韩国进口的机器人1.0-1.5万，能满足一般客户的需求，为今后机器人的普及与维修带来极大的便利；

(3)设计一个安全垫片，使得机器人结构牢靠，使机器人工作寿命比原型机增加2-3倍时间；

(4)采用新的TR007型单片计算机通过蓝牙通信能通过手机或声音识别模块控制机器人动作，有助于实现人—机交互的人性化。

附图说明

以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是高级仿人舞蹈机器人总装配图的主视图；

图2是高级仿人舞蹈机器人总装配图的正视图；

图3是高级仿人舞蹈机器人总装配图的后视图；

图4是高级仿人舞蹈机器人腰关节结构剖面图；

图5是高级仿人舞蹈机器人脚尖关节结构剖面图；

图6是高级仿人舞蹈机器人主控系统框图；

图7是高级仿人舞蹈机器人操作流程图。

其中，1-头部；2-头部连接架；3-上肢；4-胸部结构；401-胸板；5-腰关节；501-交叉滚子轴承；502-腰关节舵盘；503-连接轴；504-轴承支座；505-腰关节舵机轴；6-臀部结构；601-臀部外壳；7-下肢；8-脚尖关节；801-脚部U型连接件；802-脚尖关节舵盘；803-平面推力球轴承；804-脚尖驱动舵机轴；805-支架；806-脚尖关节舵机；9-脚板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于该实施例。

实施例

参照图1、图2和图3，本实施例的高级仿人舞蹈机器人身高640mm，双臂张开后双手指尖间距474mm，机器人厚度不超过76mm，腿部宽度53mm，臂宽为55mm。该机器人包括四大部分，包括头部1、躯体(包括胸部结构4、腰关节5、臀部结构6)、上肢3、下肢7(包括脚尖关节8、腿部和脚板9)，整个机器人由20个关节组成，其中能够旋转的腰关节5与脚尖关节8是本发明的重点。

通过3D打印技术制备头部1，其形状仿制人类头部，内部掏空，以满足后续增加所需模块的条件，并将其连接在头部连接架2上。

在双臂U型连接架与双臂驱动舵机轴之间安装安全垫片，以克服由于原仿人机器人双臂驱动轴与U型连接架之间接触面积小而造成的结构可靠性差、寿命短的缺点。

参照图4，仿人机器人腰关节5中设有交叉滚子轴承501，本实施例中采用RB2008型交叉滚子轴承，并在腰关节舵盘502与胸板401中间加入连接轴503，将连接轴503插入交叉滚子轴承501里面且压在腰关节舵机轴505上，轴承支座504位于臀部外壳601上。交叉滚子轴承501可承载轴向和经向载荷，胸部结构4的重量通过交叉滚子轴承501传递给轴承支座504，并未直接作用在舵机上，这样舵机只需提供腰部旋转所需扭矩，从而增加舵机额定转矩下所能承载的重量。

参照图5的脚尖关节示意图，将连接脚部U型连接架801的脚尖关节舵盘802插入脚尖驱动舵机轴804上，脚尖驱动舵机轴804转动可以带动脚尖关节舵盘802转动，从而带动脚尖上身转动。平面推力球轴承803位于脚尖关节舵盘802与支架805中间，使全身重量通过平面推力球轴承804压在支架805上，而不是直接压在脚尖关节舵机806上，这样脚尖关节舵机806只负责提供转动所需的扭矩，重量则由连接在脚板9上的支架805来承担，从而保证脚尖能够协调稳固地转动，本实施例的脚尖关节舵机806采用LD-2701数字舵机。

参照图6，本发明的高级仿人舞蹈机器人的主控系统包括遥控器模块、手机控制模块和语音识别模块，其中遥控器模块采用手柄，手机是采用安卓或苹果系统的智能手机，语音识别模块是将人的声音通过麦克风传入计算机并通过它识别出相应的人的音频信号，并通过Arduino USB单片机的蓝牙系统将各信号传入到计算机。在计算机上已存入主控程序的任务是根据输入信号进行分类，并加解析之后，根据任务类型执行相应的任务，如果这个任务是编制新型舞蹈，那么主控程序就根据不同的舞曲，选择不同的基本动作与基本舞蹈及典型舞蹈，并加以合成之后，最终编制出新型舞蹈。

本实施例的电量显示系统，只要机器人一开关，就能显示电量消耗情况；陀螺传感器系统，通过自检稳定系统保持机器人稳定平衡状态。

参照图7，主要操作流程如下：

根据主控系统的软件设计的要求，系统开始启动后，对单片机与舵机控制板进行初始化，即机器人的基本动作库、基本舞蹈库的各种动作都找出参考启始点，此后的动作都是以这些参考点为基准进行的。当机器人的信号接收部分接收到基于红外的PS2红外遥控器(手柄)或者基于蓝牙通信的手机APP或语音识别模块的控制信号之后，单片机就对相应信号进行分类、解析等处理，然后单片机给舵机驱动控制板发出相应的动作程序，包括，调用数据库及相应的单元动作或舞蹈程序动作，从而完成复杂动作。

以上所述，仅是本发明的较佳案例，并不对本发明做出任何限制，凡是针对本发明技术内容对以上实施案例所做的任何简单修改、变更、模仿均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种高级仿人舞蹈机器人，其特征在于，包括头部(1)、躯体、上肢(3)、下肢(7)，全身共20个关节；所述头部(1)通过3D打印技术制备，其内部掏空，并连接在头部连接架(2)上；所述躯体中间设有腰关节(5)，所述腰关节(5)连接胸部结构(4)和臀部结构(6)；所述上肢(3)分布在所述躯体的两侧面，并在双臂U型连接架与双臂驱动舵机轴之间安装安全垫片；所述下肢(7)下端设有脚尖关节(8)，所述脚尖关节(8)连接腿部和脚板(9)；所述脚尖关节(8)上设有U型连接件(801)，所述U型连接件(801)下方连接脚尖关节舵盘(802)，将所述脚尖关节舵盘(802)插入脚尖驱动舵机轴(804)上，平面推力球轴承(803)位于所述脚尖关节舵盘(802)与支架(805)中间，所述支架(805)位于所述脚板(9)上。

2.根据权利要求1所述的高级仿人舞蹈机器人，其特征在于，所述腰关节(5)设有交叉滚子轴承(501)，并在腰关节舵盘(502)与胸板(401)中间加入连接轴(503)，将所述连接轴(503)插入所述交叉滚子轴承(501)里面且压在腰关节舵机轴(505)上，轴承支座(504)位于臀部外壳(601)上。

3.根据权利要求1或2所述的高级仿人舞蹈机器人，其特征在于，所述高级仿人舞蹈机器人运行主要通过主控系统、电量显示系统、陀螺传感器系统完成。

4.根据权利要求3所述的高级仿人舞蹈机器人，其特征在于，所述主控系统包括遥控器模块、手机控制模块和语音识别模块，所述遥控器模块包含手柄，所述手机控制模块包含智能手机，所述语音识别模块是将人的声音通过麦克风传入计算机并识别出相应的音频信号，这些输入装置的输入信息通过Arduino USB单片机的蓝牙系统进入到计算机。