CN106646486A - 一种具有超声波眼睛的人形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有超声波眼睛的人形机器人，将一组超声波传感器放在人形机器人眼睛部位，通过与头部运动机构的配合，使得人形机器人探测角度更加广泛，更加具有指向性，并且降低了机器人硬件成本和程序的复杂性，提高了人形机器人的观赏性。包括机器人头部，机器人头部的眼睛部位固定有超声波测距模块，超声波测距模块包括两个作为机器人眼睛的超声波传感器，机器人头部具有能带动头部运动的舵机，舵机及超声波测距模块均连接机器人主控板，由主控板发出控制信号，控制超声波测距模块与机器人头部同步运动并发出探测信号，使机器人通过头部运动实现多方位超声波扫描探测。

Description

一种具有超声波眼睛的人形机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种具有超声波眼睛的人形机器人。

背景技术

超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。目前，超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器探测距离可调、进度可控，性价比高等特点。在机器人行业中,超声波传感器运用尤其广泛，具有多种用途，例如，用于轮式机器人、人形机器人、旋翼机器人的避障与探测距离，在医用机器人中用于测量身高等，它可以得知机器人与物体之间的距离,从而使机器人作出快速稳定的各种反应。超声波传感器的体积有大有小，可以在不同设备上方便安装,一般在用于机器人避障或探测距离时，都会将其安装在胸部\后背\手\脚等各部位,如果需要检测多个空间方向的数据,只能增加超声波传感器的数量,才能实现全方位检测，无形中增加了成本和程序的复杂性。此外，在应用时也只是考虑其作为探测距离或避障使用,很少会考虑到其美观性，以及与其他设备的配合性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种具有超声波眼睛的人形机器人，将超声波传感器放在人形机器人眼睛部位，通过与头部运动机构的配合，使得人形机器人探测角度更加广泛，更加具有指向性，并且降低了机器人硬件成本和程序的复杂性，提高了人形机器人的观赏性。

本发明的技术方案是：

1.一种具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，包括机器人头部，所述机器人头部固定有超声波测距模块，所述超声波测距模块包括安装在机器人眼睛部位的超声波传感器，所述机器人头部具有能带动头部运动的舵机，所述舵机及所述超声波测距模块均连接机器人主控板，由主控板发出控制信号，控制所述超声波测距模块与机器人头部同步运动并发出探测信号，使机器人通过头部运动实现多方位超声波扫描探测。

2.所述机器人头部包括头部前壳，所述头部前壳的眼睛部位上具有与超声波传感器尺寸相适配的安装孔，所述安装孔向内拉伸出安装凸台，所述超声波测距模块固定在安装凸台上，两个超声波传感器分别嵌套在所述安装孔内。

3.所述安装凸台四角预留安装螺纹孔，所述超声波测距模块螺纹连接在安装凸台上。

4.所述头部前壳的眼睛部位周围具有起加固和美观作用的加强箍。

5.所述超声波测距模块采用一块包括两个超声波传感器的超声波测距模块，所述超声波测距模块的信号控制端连接机器人主控板，由主控板控制其中一个传感器发射超声波信号，通过另一个传感器接收反射回响信号；通过发射信号到收到的回响信号时间间隔即可得到探测距离，距离＝时间*声速(340M/S)/2。

6.所述超声波测距模块采用两块只有一个超声波传感器的的超声波测距模块，两块超声波测距模块的信号控制端分别连接机器人主控板，由主控板分别控制每个传感器即发射超声波信号又接收反射回响信号。

7.所述舵机包括水平输出轴舵机和/或垂直输出轴舵机；所述机器人头部的底座上具有将水平输出轴舵机的输出轴水平安装和/或将垂直输出轴舵机的输出轴垂直安装的安装装置。

8.所述安装装置包括将舵机输出轴水平安装的架构件，所述架构件的两端具有将舵机输出轴水平安装的连接孔；在水平输出轴舵机的下方具有安装垂直输出轴舵机的卡件，所述卡件中心部位具有将舵机输出轴垂直安装的连接孔。

9.所述舵机采用数字舵机，所述数字舵机的信号控制端分别连接机器人主控板，当需要机器人头部上下运动时，由主控板控制水平输出轴舵机发送角度命令，控制机器人头部抬头/低头相应角度；当需要机器人头部左右转动相应角度时，由主控板向垂直输出轴舵机发送角度命令，控制机器人头部左右转动相应角度；并带动超声波传感器同步运动，实现超声波传感器在舵机运动范围内的多方位扫描探测。

10.所述机器人主控板包括超声波数据主动检测单元，用于检测超声波传感器的反馈数据，将超声波传感器的反馈数据与设定的阀值做对比，如果超出规定的阀值，机器人停止当前主程序执行，跳转到异常处理程序，执行异常处理程序后，再返回继续执行主程序。

本发明的技术效果：

本发明提供的一种具有超声波眼睛的人形机器人，将超声波传感器安装在人形机器人头部眼睛部位当机器人眼睛使用，通过与头部运动机构的配合，从而达到只使用一组超声波传感器即可扫描检测头部运动机构运动范围内的超声波数据，实现多角度空间扫描检测，使得人形机器人探测角度更加广泛，更加具有指向性，检测空间环境效率更高、更快，降低了机器人硬件成本和程序的复杂性；并且超声波传感器放在人形机器人头部眼睛部位不仅仅作为眼睛的效果，还能通过程序模仿人类眼睛的功能，眼睛大小及位置符合人体工程学原理，使人形机器人更加像人，提高了人形机器人的观赏性。

附图说明

图1-1为本发明的人形机器人头部前壳实施例正视图。

图1-2为本发明的人形机器人头部前壳实施例后视图。

图2为本发明的超声波眼睛和人形机器人头部前壳组合的实施例正视图。

图3为本发明的超声波眼睛和人形机器人头部前壳组合的实施例后视图之一。

图4为本发明的超声波眼睛和人形机器人头部前壳组合的实施例后视图之二。

图5为本发明的具有超声波眼睛的人形机器人头部舵机安装示意图。

图6为主控板的超声波数据主动检测单元的工作流程图。

附图标记列示如下：1-机器人头部前壳，2-安装孔，3-安装凸台，4-螺纹孔，5-加强箍，6-底座，7-超声波传感器，8-HC-SR04模块，9-左超声波测距模块，10-右超声波测距模块，11-水平输出轴舵机，12-垂直输出轴舵机，13-架构件，14-架构件连接孔，15-卡件，16-卡件连接孔，17-信号控制端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

本发明的设计思路是将超声波传感器固定在人形机器人头部的眼睛部位，将机器人的头部壳体做造型，切除机器人头部壳体眼睛部位的型材，留出超声波传感器尺寸大小的安装孔，并向内部拉伸出安装凸台。达到超声波传感器一物两用，既作为眼睛，又用于探测距离，节约了空间，提高了人形机器人的美观性和实用性。在不影响机器人的动作的情况下，充分利用眼睛位置的优势，利用超声波传感器，解决了人形机器人的美观、探测与避障以及与其他设备的配合的问题。

一种具有超声波眼睛的人形机器人，包括机器人头部，机器人头部固定有超声波测距模块，超声波测距模块包括安装在机器人眼睛部位的超声波传感器，机器人头部具有能带动头部运动的舵机，舵机及超声波测距模块均连接机器人主控板，由主控板发出控制信号，控制超声波测距模块与机器人头部同步运动并发出探测信号，使机器人通过头部运动实现多方位超声波扫描探测。

图1-1、图1-2为本发明的人形机器人头部前壳实施例的正视图、后视图。机器人头部包括头部前壳1，头部前壳1的眼睛部位上具有与超声波传感器尺寸相适配的安装孔2，安装孔向内拉伸出安装凸台3，凸台四角预留安装螺纹孔4，用于固定超声波测距模块；前壳的眼睛部位周围还具有加强箍5，起到对头部前壳构件加固以及美观的作用。

图2、3、4分别为本发明的超声波眼睛和人形机器人头部前壳组合的实施例正视图、后视图。超声波测距模块包括两个超声波传感器7，作为机器人的眼睛。超声波测距模块固定在安装凸台上时，两个超声波传感器7嵌套在安装孔2内。其中，如图3所示中所用的超声波测距模块为一块包括两个超声波传感器的超声波测距模块8，超声波测距模块8通过螺纹孔4采用螺纹连接的方式固定在安装凸台上。两个超声波传感器7为一收一发，通过其中一个传感器发射超声波信号，通过另一个传感器接收反射回响信号，超声波测距模块8的信号控制端17连接主控板(图中未画出)。图4中是采用两块只有一个超声波传感器的超声波测距模块9、10，分别安装在机器人头部前壳的左、右眼睛部位，左超声波测距模块9和右超声波测距模块10分别采用螺纹连接的方式固定在安装凸台上，每个传感器即发射超声波信号又接收反射回响信号，两个超声波测距模块9、10的信号控制端17分别连接主控板(图中未画出)。

图5为本发明的具有超声波眼睛的人形机器人头部舵机安装实施例示意图。包括水平输出轴舵机11和/或垂直输出轴舵机12；机器人头部的底座上具有将水平输出轴舵机的输出轴水平安装和/或将垂直输出轴舵机的输出轴垂直安装的安装装置。

本实施例中，包括底座6下方连接安装水平输出轴舵机11的架构件13，架构件13的两端具有将舵机输出轴水平安装的连接孔14；在水平输出轴舵机11的下方具有安装垂直输出轴舵机12的卡件15，卡件15中心部位具有将舵机输出轴垂直安装的连接孔16。头部底座固定在机器人专用架构件13上端，舵机11的输出轴水平连接在专用架构件13的两端连接孔14上，舵机11下方连接机器人专用卡件15，卡件15连接垂直输出轴舵机12。本实施例中，所述舵机采用数字舵机，两个数字舵机的信号控制端分别连接机器人主控板，当需要机器人头部上下运动时，由主控板控制水平输出轴舵机11发送角度命令，控制机器人头部抬头/低头相应角度；当需要机器人头部左右转动相应角度时，由主控板向垂直输出轴舵机12发送角度命令，控制机器人头部左右转动相应角度；带动超声波传感器同步运动，实现超声波传感器在舵机运动范围内的多方位扫描探测。

以具有两个超声波传感器的HC-SR04超声波测距模块为例，信号控制端17的4pin接口定义：VCC供5V电源，GND为地线，TRIG为触发控制信号输入，ECHO为回响信号输出端。其工作原理：主控板通过给超声波测距模块一个工作使能信号触发超声波测距模块工作，超声波测距模块发送8个40kHz的方波，计算反馈波的时间，从而实现距离的检测。(1)采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；(4)测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。因此，将HC-SR04超声波测距模块的信号控制端连接机器人主控板，由主控板向超声波测距模块的TRIG触发信号输入端发出脉冲触发信号，一旦检测到有回波信号则由ECHO回响信号输出端输出高电平回响信号；回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。通过收到的回响信号时间间隔即可得到探测距离，距离＝高电平时间*声速(340M/S)/2。只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58＝厘米或者uS/148＝英寸；或是：距离＝高电平时间*声速(340M/S)/2；建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

同时，数字舵机的信号控制端也分别连接机器人主控板，机器人的主控板向舵机发送控制信号,舵机的控制信号一般为周期是20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的角度为0－180度，根据使用的舵机型号不同，也可以达到0—360度；呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机控制电路板中的信号调制芯片接收来自主控板的控制信号，获得偏置电压，芯片内部本身带有一个基准电路，产生周期为20毫秒，宽度为1.5MS的基准信号，获得的偏置电压信号会与基准电压进行比较，电压差的正负值输出到电机驱动芯片将决定电机的正反转，因为舵机的输出轴与位置反馈电位计是相连的，电机的转动通过级联减速齿轮带动反馈电位计(电位器)旋转，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行负反馈，当电压差为零时，电机停止转动，并达到预期的转动角度位置。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

……

因此,机器人主控板向舵机发送角度命令,舵机就会向响应角度旋转,因舵机的机械结构和机器人的头部相连,舵机的角度运动相当于头部的角度运动,超声波传感器则是固定在头部的，因而实现超声波在舵机角度范围内的角度扫描。

机器人主控板中增加了一个超声波数据主动检测单元，用于检测超声波传感器的反馈数据。如图6所示，为主控板的超声波数据主动检测单元的工作流程图。具体流程是：根据超声波反馈的数据，与程序中设定的阀值做对比，判断超声波距离数值是否超出规定的阀值，如果超出规定的阀值，例如前方遇到障碍，则机器人停止当前主程序执行，跳转到异常处理程序，执行异常处理程序，例如将机器人的姿态调整为前方无障碍，再检测超声波距离数值是否符合设定，若符合，则程序返回主程序继续执行，从而达到避障作用。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，包括机器人头部，所述机器人头部固定有超声波测距模块，所述超声波测距模块包括安装在机器人眼睛部位的超声波传感器，所述机器人头部具有能带动头部运动的舵机，所述舵机及所述超声波测距模块均连接机器人主控板，由主控板发出控制信号，控制所述超声波测距模块与机器人头部同步运动并发出探测信号，使机器人通过头部运动实现多方位超声波扫描探测。

2.根据权利要求1所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述机器人头部包括头部前壳，所述头部前壳的眼睛部位上具有与超声波传感器尺寸相适配的安装孔，所述安装孔向内拉伸出安装凸台，所述超声波测距模块固定在安装凸台上，两个超声波传感器分别嵌套在所述安装孔内。

3.根据权利要求2所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述安装凸台四角预留安装螺纹孔，所述超声波测距模块螺纹连接在安装凸台上。

4.根据权利要求2或3所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述头部前壳的眼睛部位周围具有起加固和美观作用的加强箍。

5.根据权利要求1所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述超声波测距模块采用一块包括两个超声波传感器的超声波测距模块，所述超声波测距模块的信号控制端连接机器人主控板，由主控板控制其中一个传感器发射超声波信号，通过另一个传感器接收反射回响信号；通过发射信号到收到的回响信号时间间隔即可得到探测距离，距离＝时间*声速(340M/S)/2。

6.根据权利要求1所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述超声波测距模块采用两块只有一个超声波传感器的的超声波测距模块，两块超声波测距模块的信号控制端分别连接机器人主控板，由主控板分别控制每个传感器即发射超声波信号又接收反射回响信号。

7.根据权利要求5或6所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述舵机包括水平输出轴舵机和/或垂直输出轴舵机；所述机器人头部的底座上具有将水平输出轴舵机的输出轴水平安装和/或将垂直输出轴舵机的输出轴垂直安装的安装装置。

8.根据权利要求7所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述安装装置包括将舵机输出轴水平安装的架构件，所述架构件的两端具有将舵机输出轴水平安装的连接孔；在水平输出轴舵机的下方具有安装垂直输出轴舵机的卡件，所述卡件中心部位具有将舵机输出轴垂直安装的连接孔。

9.根据权利要求8所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述舵机采用数字舵机，所述数字舵机的信号控制端分别连接机器人主控板，当需要机器人头部上下运动时，由主控板控制水平输出轴舵机发送角度命令，控制机器人头部抬头/低头相应角度；当需要机器人头部左右转动相应角度时，由主控板向垂直输出轴舵机发送角度命令，控制机器人头部左右转动相应角度；并带动超声波传感器同步运动，实现超声波传感器在舵机运动范围内的多方位扫描探测。

10.根据权利要求1所述的具有超声波眼睛的人形机器人，其特征在于，所述机器人主控板包括超声波数据主动检测单元，用于检测超声波传感器的反馈数据，将超声波传感器的反馈数据与设定的阀值做对比，如果超出规定的阀值，机器人停止当前主程序执行，跳转到异常处理程序，执行异常处理程序后，再返回继续执行主程序。