CN106313064A - 一种企鹅仿生机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种企鹅仿生机器人，包括躯干组件、手臂组件、脚部组件及头部组件，所述躯干组件包括躯干支撑架、安装于躯干支撑架上的脚部驱动轴、电源及驱动电机、及安装于躯干支撑架底部的底盘组件；所述脚部组件包括上端借助曲柄与脚部驱动轴活动连接的脚支撑臂，所述脚支撑臂的下端安装有脚支撑板，所述躯干支撑架上安装有横向定位杆，所述横向定位杆的端部置于所述脚支撑臂的竖向滑槽中，脚支撑臂由脚部驱动轴及曲柄驱动时，脚支撑臂的上端绕着所述脚部驱动轴转动的轨迹为圆形，其下端的轨迹为椭圆轨迹。本发明的企鹅仿生机器人，能够模拟企鹅的行走步态，仿生效果好，使机器人能够应用于现场实际迎宾，实用性高。

Description

一种企鹅仿生机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及企鹅仿生机器人。
背景技术
现有的企鹅仿生机器人分为两大类，观赏型机器人和实用型机器人。
观赏型机器人主要依靠外形吸引人群，使用热固性塑料制造一个企鹅外壳，刷上颜料就能很逼真，其仿生效果好，但其缺点是：功能单一，过于看重企鹅的实体，一些功能性元件无法配置，缺乏与人们之间的互动性，因此观赏型的企鹅机器人只能当做一个模型或者是装饰品使用。
实用型企鹅仿生机器人，主要依靠其多功能的特点而吸引人群，主要包括人脸识别功能、语音功能、寻迹功能等。实用型仿生机器人主要通过自身的多功能弥补外形的缺点，所谓企鹅仿生机器人只是空有一个名字，甚至外壳都是设计成的圆柱形。为了防止企鹅仿生机器人倾倒而导致的机器人整体的损坏，采用了四轮底盘驱动设计，相当于在一个货车上面搭载了一个拥有各式各样传感器的人机交互模块。它能够通过各式各样的传感器采集环境信号，如通过安装一个超声波传感器在仿生机器人的前面，超声波传感器能够发出超声波，通过反射回来的测定前方障碍物离机器人有多远，如果过于接近，达到一个预先程序设定的警戒距离，企鹅仿生机器人就会转弯，或者是进行其他规避动作。而语音功能则是通过在数据库里面预置语音指令为命令，通过语音模块检测人们的声波，一旦匹配，则执行相应的动作或者是播放相应的语音作为应答。而人脸识别主要是依靠CCD摄像机或者是其他的高像素摄像机搭配上一些固定的算法，如设定一个人脸的标准图片，扫描摄像机的图片，寻找一个位置进行一定比例的放大和缩小后能和标准图片相差不大，如若有，则识别为人脸。实用型企鹅仿生机器人有很强大的功能，还存在的缺点是：不能体现出企鹅仿生机器人的仿生特点，过于看中功能，整个机器人的规划都是基于零部件，而不是按照企鹅的实体尺寸来进行设计。而且对于企鹅仿生来说，最重要的其实就是企鹅的仿生步态，这是一个极为重要的技术要点，也是技术难点。但现在的功能型仿生机器人都是通过四轮驱动来行动，不能逼真实现模仿企鹅的步态。
发明内容
针对现有企鹅仿生机器人存在的上述问题，申请人进行研究及设计，提供一种能模仿企鹅步态的企鹅仿生机器人。
为了解决上述问题，本发明采用如下方案：
一种企鹅仿生机器人，包括躯干组件、手臂组件、脚部组件及头部组件，所述躯干组件包括躯干支撑架、安装于躯干支撑架上的脚部驱动轴、电源及驱动电机、及安装于躯干支撑架底部的底盘组件，所述底盘组件上安装有支撑轮；所述手臂组件包括固定于躯干支撑架顶部的手臂支撑横板及安装于手臂支撑横板两端的手臂；所述脚部组件包括上端借助曲柄与脚部驱动轴活动连接的脚支撑臂，所述脚支撑臂的下端安装有脚支撑板，所述躯干支撑架上安装有横向定位杆，所述横向定位杆的端部置于所述脚支撑臂的竖向滑槽中，脚支撑臂由脚部驱动轴及曲柄驱动时，脚支撑臂的上端绕着所述脚部驱动轴转动的轨迹为圆形，其下端的轨迹为椭圆轨迹。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述支撑轮包括位于底盘组件左右两侧的侧支撑轮、位于左右中部的并分别位于前后两侧的前转向轮及后支撑轮，所述两侧支撑轮的高度位置相同，所述前转向轮与后支撑轮的高度位置相同且低于所述侧支撑轮。
所述脚支撑臂的下端脚支撑板的最低位置低于所述底盘组件上前转向轮的最低位置。
当所述前转向轮与侧支撑轮同时着地时，靠近着地侧支撑轮的脚支撑板处于最高位置并与地面之间保持有间距。
当所述前转向轮与侧支撑轮同时着地时，所述机器人的重心所在的竖直轴线位于所述前转向轮与侧支撑轮之间。
所述脚支撑板呈L型，包括与脚支撑臂固连的立板及位于立板下端并向前延伸的底板，所述底板呈向上弯曲的弧形状，所述底板的弯曲弧度接近所述脚支撑板的运动轨迹所成的椭圆轨迹的弧度。
所述底盘组件上安装有驱动所述前转向轮的转向舵机。
所述头部组件包括固定于手臂支撑横板上的头部支撑框、安装于所述头部支撑框中的摇头舵机、安装于所述摇头舵机输出轴上的点头支架、安装于所述点头支架上的点头舵机及安装于点头舵机输出轴上的头部框架。
所述手臂支撑横板的端部安装有手臂舵机，所述手臂舵机驱动所述手臂向躯干支撑架的左右两侧摆动。
所述驱动电机安装于躯干支撑架中，驱动电机的输出轴连接躯干支撑架上固定的蜗轮蜗杆减速箱。
本发明的技术效果在于：
本发明的企鹅仿生机器人，能够模拟企鹅的行走步态，仿生效果好，使机器人能够应用于现场实际迎宾，实用性高。
附图说明
图1为本发明中企鹅仿生机器人的立体结构图。
图2为图1的另一方向视图。
图3为本发明中躯干组件的主视图。
图4为本发明中躯干组件的立体结构图。
图5为本发明中头部组件的立体结构图。
图6为本发明中手臂组件的立体结构图。
图7为本发明中底盘组件的立体结构图。
图8为图7的另一方向视图。
图9为本发明中脚部组件的行走轨迹图。
图10为本发明中企鹅仿生机器人右脚站立的初始平衡位置图。
图11为曲柄向后旋转约45度后机器人的平衡位置图。
图12为曲柄旋转180度后企鹅仿生机器人用左脚站立的平衡位置图。
图13为曲柄向后旋转约225度后企鹅仿生机器人的平衡位置。
图中：1、躯干组件；101、躯干支撑架；102、脚部驱动轴；103、电源；104、驱动电机；105、底盘组件；1051、转向舵机；106、支撑轮；1061、侧辅助轮；1062、前转向轮；1063、后支撑轮；107、横向定位杆；108、蜗轮蜗杆减速箱；2、手臂组件；201、手臂支撑横板；202、手臂；203、手臂舵机；3、脚部组件；301、曲柄；302、脚支撑臂；3021、竖向滑槽；303、脚支撑板；3031、立板；3032、底板；4、头部组件；401、头部支撑框；402、摇头舵机；403、点头支架；404、点头舵机；405、头部框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1、图2所示，本实施例的企鹅仿生机器人，包括躯干组件1、手臂组件2、脚部组件3及头部组件4。
如图1、图2及图3、图4所示，躯干组件1包括躯干支撑架101、安装于躯干支撑架101上的脚部驱动轴102、电源103及驱动电机104、及安装于躯干支撑架101底部的底盘组件105，底盘组件105上安装有支撑轮106；驱动电机104安装于躯干支撑架101中，驱动电机104的输出轴连接躯干支撑架101上固定的蜗轮蜗杆减速箱108；躯干支撑架101上安装有横向定位杆107。如图7、图8所示，支撑轮106包括位于底盘组件105左右两侧的侧辅助轮1061、位于左右中部的并分别位于前后两侧的前转向轮1062及后支撑轮1063，两侧辅助轮1061的高度位置相同，前转向轮1062与后支撑轮1063的高度位置相同且低于侧辅助轮1061；底盘组件105上安装有驱动前转向轮1062的转向舵机1051。
企鹅仿生机器人的身体传动最为重要，各部件要求的定位精度较高，要控制双脚运动能够直立前进必须保证双脚能够在同一平面上，采用蜗轮蜗杆减速箱108传动，同时从减速箱出来的脚部驱动轴102应当尽量与空间坐标系中的y轴(水平横向)重合，安装不错位，安装由蜗轮蜗杆减速箱108开始，然后固定脚部驱动轴102，用脚部驱动轴102上的轴肩进行定位安装，左端用锁紧挡圈固定连接，然后安装轴承。再安装左右两边的定位基准版，步进电机和蜗轮蜗杆减速箱108的定位较为关键，因此步进电机的安装板使用销定位，固定承重钢板，步进电机使用定位环在钢板上定位，然后用螺栓承受重量。支撑承重钢板的钢板起到连接定位作用，使用销固定。蜗轮蜗杆减速箱108的支撑钢板仅需要使用螺栓定位，防止过定位导致的传动轴误差。
如图1、图6所示，手臂组件2包括固定于躯干支撑架101顶部的手臂支撑横板201及安装于手臂支撑横板201两端的手臂202；如图6所示，手臂支撑横板201的端部安装有手臂舵机203，手臂舵机203驱动手臂202向躯干支撑架101的左右两侧摆动。两个手臂组件2的手臂舵机203的相位差为180°。
如图1、图2所示，脚部组件3包括上端借助曲柄301与脚部驱动轴102活动连接的脚支撑臂302，脚支撑臂302的下端安装有脚支撑板303，躯干支撑架101上安装有横向定位杆107，横向定位杆107的端部置于脚支撑臂302的竖向滑槽3021中(见图2)，脚支撑臂302由脚部驱动轴102及曲柄301驱动时，两脚支撑臂302的曲柄301的相位差为180度，即当一侧的曲柄301位于脚部驱动轴102下方时，另一侧的曲柄301位于脚部驱动轴102的上方。如图9所示，脚支撑臂302的上端绕着脚部驱动轴102转动的轨迹为圆形，其下端的轨迹为椭圆轨迹。如图11、图13所示，脚支撑臂302的下端脚支撑板303的最低位置低于底盘组件105上前转向轮1062的最低位置；当前转向轮1062与侧辅助轮1061同时着地时，靠近着地侧辅助轮1061的脚支撑板303处于最高位置并与地面之间保持有间距。如图13所示，当前转向轮1062与侧辅助轮1061同时着地时，机器人的重心所在的竖直轴线位于前转向轮1062与侧辅助轮1061之间。如图9所示，脚支撑板303呈L型，包括与脚支撑臂302固连的立板3031及位于立板3031下端并向前延伸的底板3032，底板3032呈向上弯曲的弧形状，底板3032的弯曲弧度接近脚支撑板303的运动轨迹所成的椭圆轨迹的弧度。
企鹅脚必须有一定的柔度的同时具备相当的刚度，它要承受整个社体的重量的同时保证自身上下的柔度，防止走路的时候发生倾倒，本发明中，曲柄的距离为50mm，脚部驱动轴102及横向定位杆107之间的距离为189mm，由此生成的脚支撑臂302前后摆动时，其下端的脚支撑板303的运动轨迹，可以看成是一个椭圆，如图9所示，而为了使脚走的更加平滑，必须更加贴合运动轨迹，因此，脚支撑板303的折弯半径必须尽可能的和椭圆的长轴所在弧的曲率半径相一致，再通过两边的倒角使得双脚更加贴合地面，以使企鹅仿生机器人满足柔度要求。
本发明中，底盘组件105中用于支撑侧辅助轮1061的y轴铝型材必须尽量短，以保证两个侧辅助轮1061不能干涉到脚支撑板303的运动。铝型材的高度一定，根据双脚的运动轨迹设定好结构高度，侧辅助轮1061使用一整块钢板固定，提升刚度，避免悬臂梁的情况导致钢板折弯损坏，为减轻重量可在两个侧辅助轮1061上的支撑钢板上挖槽，由于侧辅助轮1061的高度一定，此时要有一个摇摆步态，就必须使得侧辅助轮1061在脚支撑板303和前转向轮1062的连线的下方，可以在侧辅助轮1061上面添加垫片，或者是伸长y轴铝型材和侧辅助轮1061的安装铝板，以满足企鹅仿生机器人的安装要求。由于添加垫片后在企鹅向右边倾倒时会出现侧辅助轮1061安装不稳定的情况，因此本发明选择延长型材以及铝板的长度的方案，其方便调整的同时又要保证有一定的安装强度。
如图5所示，头部组件4包括固定于手臂支撑横板201上的头部支撑框401、安装于头部支撑框401中的摇头舵机402、安装于摇头舵机402输出轴上的点头支架403、安装于点头支架403上的点头舵机404及安装于点头舵机404输出轴上的头部框架405。通过摇头舵机402及点头舵机404分别控制整个头部摇头及上下点头。
本发明中，企鹅仿生机器人由上端脚部驱动轴102驱动，普通站立姿态由一只脚和前后辅助轮支撑；行进时脚部驱动轴102转动，轨迹如图9所示；当处于图10位置时，右脚位于脚轨迹的下前端，左脚位于上后端；如图11所示，通过驱动电机104的驱动促使右脚向下向后，左脚向上向前，企鹅仿生机器人前进，向下留有一定余量，使得右脚伸到极点的时候重心向左偏移，整个身体向左倾倒，然后由左脚驱动向前行进；同样，如图12、图13所示，左脚位于脚轨迹的下前端、右脚位于上后端，继续前进时，机器人中心向右偏移。如此往复，本发明的机器人模仿企鹅步态行进。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (10)

1.一种企鹅仿生机器人，包括躯干组件(1)、手臂组件(2)、脚部组件(3)及头部组件(4)，其特征在于：所述躯干组件(1)包括躯干支撑架(101)、安装于躯干支撑架(101)上的脚部驱动轴(102)、电源(103)及驱动电机(104)、及安装于躯干支撑架(101)底部的底盘组件(105)，所述底盘组件(105)上安装有支撑轮(106)；所述手臂组件(2)包括固定于躯干支撑架(101)顶部的手臂支撑横板(201)及安装于手臂支撑横板(201)两端的手臂(202)；所述脚部组件(3)包括上端借助曲柄(301)与脚部驱动轴(102)活动连接的脚支撑臂(302)，所述脚支撑臂(302)的下端安装有脚支撑板(303)，所述躯干支撑架(101)上安装有横向定位杆(107)，所述横向定位杆(107)的端部置于所述脚支撑臂(302)的竖向滑槽(3021)中，脚支撑臂(302)由脚部驱动轴(102)及曲柄(301)驱动时，脚支撑臂(302)的上端绕着所述脚部驱动轴(102)转动的轨迹为圆形，其下端的轨迹为椭圆轨迹。
2.根据权利要求1所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：所述支撑轮(106)包括位于底盘组件(105)左右两侧的侧支撑轮(1061)、位于左右中部的并分别位于前后两侧的前转向轮(1062)及后支撑轮(1063)，所述两侧支撑轮(1061)的高度位置相同，所述前转向轮(1062)与后支撑轮(1063)的高度位置相同且低于所述侧支撑轮(1061)。
3.根据权利要求2所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：所述脚支撑臂(302)的下端脚支撑板(303)的最低位置低于所述底盘组件(105)上前转向轮(1062)的最低位置。
4.根据权利要求2所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：当所述前转向轮(1062)与侧支撑轮(1061)同时着地时，靠近着地侧支撑轮(1061)的脚支撑板(303)处于最高位置并与地面之间保持有间距。
5.根据权利要求2所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：当所述前转向轮(1062)与侧支撑轮(1061)同时着地时，所述机器人的重心所在的竖直轴线位于所述前转向轮(1062)与侧支撑轮(1061)之间。
6.根据权利要求1-5中任一所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：所述脚支撑板(303)呈L型，包括与脚支撑臂(302)固连的立板(3031)及位于立板(3031)下端并向前延伸的底板(3032)，所述底板(3032)呈向上弯曲的弧形状，所述底板(3032)的弯曲弧度接近所述脚支撑板(303)的运动轨迹所成的椭圆轨迹的弧度。
7.根据权利要求2所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：所述底盘组件(105)上安装有驱动所述前转向轮(1062)的转向舵机(1051)。
8.根据权利要求1所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：所述头部组件(4)包括固定于手臂支撑横板(201)上的头部支撑框(401)、安装于所述头部支撑框(401)中的摇头舵机(402)、安装于所述摇头舵机(402)输出轴上的点头支架(403)、安装于所述点头支架(403)上的点头舵机(404)及安装于点头舵机(404)输出轴上的头部框架(405)。
9.根据权利要求1所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：所述手臂支撑横板(201)的端部安装有手臂舵机(203)，所述手臂舵机(203)驱动所述手臂(202)向躯干支撑架(101)的左右两侧摆动。
10.根据权利要求1所述的企鹅仿生机器人，其特征在于：所述驱动电机(104)安装于躯干支撑架(101)中，驱动电机(104)的输出轴连接躯干支撑架(101)上固定的蜗轮蜗杆减速箱(108)。
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