CN113787528A - 一种仿生企鹅机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生企鹅机器人，包括造型外壳以及与所述造型外壳相匹配的机械本体，所述机械本体包括：面部表情模块，包括能够进行张嘴动作的张嘴机构及进行眨眼动作的眨眼机构；头部运动模块，能够进行点头、摆头及颈部伸长和弯曲动作；翅膀运动模块，能够进行翅膀的前后摆动、上下拍动动作；腿部运动模块，能够进行摆动及直线行走。本发明以外观和动作仿真为目标，模仿企鹅的形态，做到形态上的真正仿生，实现在外观上和动作上与企鹅的高度相似，在考虑结构的可装配性和工艺性的同时，在功能上能够实现更多的动作，更好地满足仿生企鹅机器人外观和功能上的需求。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生企鹅机器人。
背景技术
目前所存在的企鹅仿生机器人主要分为两大类，一类是实用型机器人，另一类是观赏型机器人。实用型企鹅仿生机器人，主要依靠其多功能的特性来吸引人群，主要包括人脸识别功能、语音功能、跟踪功能等。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，所谓仿生企鹅机器人只是空有一个名字，甚至外壳都是设计成的圆柱形。所以不能够很好的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。另一类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，其仿生效果比较好，由于观赏型机器人功能较为单一，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。
对于仿生企鹅机器人来说，最重要的是企鹅的仿生形态或步态，这是一个极为重要的技术要点，也是技术难点，而以上的这两类都没有综合考虑机器人功能、机器人结构的可装配性和工艺性，无法很好的做到形态上的仿生，无法实现在外观和功能上的高相似度。对于企鹅仿生来说。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种仿生企鹅机器人，本发明以外观和动作仿真为目标，模仿企鹅的形态，做到形态上的真正仿生，实现在外观上和动作上与企鹅的高度相似，整体效果要求装配后机器人实体达到与企鹅外观与企鹅动作相似的效果，在考虑结构的可装配性和工艺性的同时，也在功能上能够实现更多的动作，更好地满足仿生企鹅机器人外观和功能上的需求。
一种仿生企鹅机器人，包括造型外壳以及与所述造型外壳相匹配的机械本体，所述机械本体包括：
面部表情模块，包括能够进行张嘴动作的张嘴机构及进行眨眼动作的眨眼机构；
头部运动模块，能够进行点头、摆头及颈部伸长和弯曲动作；
翅膀运动模块，能够进行翅膀的前后摆动、上下拍动动作；
腿部运动模块，能够进行摆动及直线行走。
本发明机器人机械本体主要是支撑舵机安装以及外壳连接，在运动过程中支撑整个仿生企鹅的重量，整体能够实现直线行走，头部点头摆头，翅膀拍动摆动，直立行走等动作，无论是从外观上还是功能上都能够更好地满足需求。
进一步地，所述张嘴机构包括上喙、下喙、凸轮、复位弹簧和驱动部件，所述上喙与下喙的前端形状与所述企鹅的嘴巴形状相同，所述凸轮设于所述上喙与下喙之间的后端，所述上喙与下喙后端连接所述复位弹簧，所述凸轮连接所述驱动部件并在驱动部件的驱动下进行转动，实现上喙与下喙之间的开合动作。
进一步地，所述眨眼机构包括安装固定座，以及安装在所述安装固定座的上眼皮、下眼皮，所述上眼皮与下眼皮之间呈开合状，所述上眼皮与下眼皮之间安装眼球，
所述上眼皮铰接眼皮上推杆，所述下眼皮铰接眼皮下推杆，所述上眼皮与下眼皮之间连接弹簧，
所述眨眼机构呈左右对称设置，左右对称的眼皮上推杆与眼皮下推杆之间连接剪叉连杆，所述剪叉连杆在驱动部件的驱动下带动所述眼皮上推杆与眼皮下推杆运动，驱动上眼皮与下眼皮实现眨眼动作。
进一步地，张嘴动作的幅度为15-25°，眨眼动作的角度范围为50-70°，所述驱动部件采用微型直流电机。
考虑到头部空间有限，对电机的尺寸严格限制，因此采用微型的直流电机。由于微型直流电机的输出力矩较小，因此选用带有减速器微型电机。微型直流电机不能实现角度的控制，对于眨眼，张嘴的角度限制，不宜用微型直流电机直接驱动。考虑到角度的限制，眨眼及张嘴动作通过电机驱动凸轮实现。
为了便于装配和安装，眨眼和张嘴机构作为一个独立模块。张嘴动作的具体实现是微型电机直接驱动凸轮运动，上喙及下喙在弹簧作用下始终保持与凸轮接触，电机旋转一周能够实现嘴巴张合两次，通过控制电机的电压改变张合嘴巴的频率。眨眼动作的具体实现是通过推动眼皮推杆实现上下眼皮同步等速的转动从而实现眨眼动作。
进一步地，所述头部运动模块包括安装在主框架上部的固定盘，所述固定盘上通过连杆支撑座安装可进行上下伸缩的剪叉机构，所述剪叉机构的上端及下端连接驱动部件，所述剪叉机构在驱动部件作用下实现伸缩。头颈部运动机构设计，仿生企鹅头部能够实现左右摆头，上下点头的动作。点头和伸脖子动作的实现是通过舵机等驱动部件直接驱动异形剪叉机构实现的。左右摆头的动作是通过舵机直接驱动实现的。同时为了降低重心，点头伸脖子和摇头的舵机安装在固定盘上。在头部运动机构中为了降低重心，点头伸脖子和摇头的舵机安装在固定盘上。
进一步地，所述翅膀运动模块安装在主框架内，包括翅膀U型板以及安装在所述翅膀U型板上的翅膀连接柱，所述翅膀U型板通过万向接头及连接杆与前后摆翅齿轮组件连接；
所述翅膀U型板的两侧连接驱动盘，所述驱动盘通过拍翅连杆与上下拍翅齿轮组件连接。
进一步地，所述前后摆翅齿轮组件连接摆翅舵机，所述上下拍翅齿轮组件连接拍翅舵机；
所述摆翅舵机、前后摆翅齿轮组件、拍翅舵机、上下拍翅齿轮组件均安装在舵机固定板上。
进一步地，所述翅膀连接柱安装翅膀，所述翅膀采用软质硅胶制成，与身体无缝连接，走路时，企鹅的翅膀会向后抬起，最大的抬起角度可与地面平行，能够实现前后摆动，上下拍动的动作。
进一步地，所述腿部运动模块包括由多个舵机以及连接于所述舵机之间的U型板组成的可弯曲腿部，以及安装在所述腿部下端的脚掌和脚踝。
胶软垫缓冲，脚部与身体连接处为软质硅胶材料。尾部硅胶材质可以有柔软的效果，或实现摆动功能。
进一步地，所述造型外壳的材料采用ABS硬壳和硅胶表面，机器人各个关节活动处均用软质塑胶连接而成，非关节活动处为硬质塑胶。
本发明在外观设计以幼年帝企鹅为原型，以外观仿真和动作仿真为目标，整体效果要求装配后机器人实体达到与企鹅外形和动作相似的效果。机器人外壳材料主要采用ABS硬壳和硅胶表面，如图1所示。机器人各个关节活动处均用软质塑胶连接而成，非关节活动处为硬质塑胶。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明主要在现有技术的基础上以外观和动作仿真为目标，模仿企鹅的形态，做到形态上的真正仿生。实现在外观上和动作上的高度相似，整体效果要求装配后实体达到与外观图仿真的效果。在实现外观仿真的同时，在张嘴眨眼机构，头颈部运动机构，翅膀运动机构以及腿部运动机构上实现高度仿真，在考虑结构的可装配性和工艺性的同时，也在功能上能够实现更多的动作，更好地满足外观和功能上的多种需求。
附图说明
图1、2为仿生企鹅机器人的整体外观图；
图3为面部表情机构模块示意图；
图4为眨眼机构结构组成示意图；
图5为张嘴机构结构组成示意图；
图6为头部运动模块组成示意图；
图7为翅膀运动模块组成示意图；
图8为腿部机构结构组成示意图(重心侧移动)；
图9为腿部运动方式示意图(腿屈膝曲)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
参照图1-9，一种仿生企鹅机器人，包括造型外壳以及与造型外壳相匹配的机械本体，造型外壳的材料采用ABS硬壳和硅胶表面，机器人各个关节活动处均用软质塑胶连接而成，非关节活动处为硬质塑胶。
机械本体包括：
面部表情模块，包括能够进行张嘴动作的张嘴机构100及进行眨眼动作的眨眼机构200；
头部运动模块300，能够进行点头、摆头及颈部伸长和弯曲动作；
翅膀运动模块400，能够进行翅膀的前后摆动、上下拍动动作；
腿部运动模块500，能够进行摆动及直线行走。
如图3、5，张嘴机构100包括上喙101、下喙102、凸轮103、复位弹簧104和驱动部件105，上喙101与下喙102的前端形状与企鹅的嘴巴形状相同，凸轮103设于上喙101与下喙102之间的后端，上喙101与下喙102后端连接复位弹簧104，凸轮103连接驱动部件105并在驱动部件105的驱动下进行转动，实现上喙101与下喙102之间的开合动作。
如图4，眨眼机构200包括安装固定座201，以及安装在安装固定座201的上眼皮202、下眼皮203，上眼皮202与下眼皮203之间呈开合状，上眼皮202与下眼皮203之间安装眼球204，上眼皮202铰接眼皮上推杆205，下眼皮203铰接眼皮下推杆206，上眼皮202与下眼皮203之间连接弹簧207，眨眼机构200呈左右对称设置，左右对称的眼皮上推杆205与眼皮下推杆206之间连接剪叉连杆208，剪叉连杆208在驱动部件的驱动下带动眼皮上推杆205与眼皮下推杆206运动，驱动上眼皮202与下眼皮203实现眨眼动作。张嘴动作的幅度为15-25°，眨眼动作的角度范围为50-70°，驱动部件采用微型直流电机。
考虑到头部空间有限，对电机的尺寸严格限制，因此采用微型的直流电机。由于微型直流电机的输出力矩较小，因此选用带有减速器微型电机。微型直流电机不能实现角度的控制，对于眨眼，张嘴的角度限制，不宜用微型直流电机直接驱动。考虑到角度的限制，眨眼及张嘴动作通过电机驱动凸轮实现。
为了便于装配和安装，眨眼和张嘴机构100作为一个独立模块。张嘴动作的具体实现是微型电机直接驱动凸轮运动，上喙及下喙在弹簧作用下始终保持与凸轮接触，电机旋转一周能够实现嘴巴张合两次，通过控制电机的电压改变张合嘴巴的频率。眨眼动作的具体实现是通过推动眼皮推杆实现上下眼皮203同步等速的转动从而实现眨眼动作。
张嘴眨眼机构200设计，达到逼真仿生效果，仿生企鹅的面部能够实现张嘴，眨眼动作，与真实的帝企鹅特征一致。
如图6，头部运动模块300包括安装在主框架600上部的固定盘303，固定盘303上通过连杆支撑座304安装可进行上下伸缩的剪叉机构302，剪叉机构302的上端及下端连接驱动部件，剪叉机构在驱动部件作用下实现伸缩。头颈部运动机构设计，仿生企鹅头部能够实现左右摆头，上下点头的动作。点头和伸脖子动作的实现是通过舵机301等驱动部件直接驱动异形剪叉机构实现的。左右摆头的动作是通过舵机直接驱动实现的。同时为了降低重心，点头伸脖子和摇头的舵机安装在固定盘上。在头部运动机构中为了降低重心，点头伸脖子和摇头的舵机安装在固定盘上。
如图7，翅膀运动模块400安装在主框架内，包括翅膀U型板401以及安装在翅膀U型板401上的翅膀连接柱402，翅膀U型板401通过万向接头403及连接杆与前后摆翅齿轮组件404连接；翅膀U型板401的两侧连接驱动盘405，驱动盘405通过拍翅连杆409与上下拍翅齿轮组件407连接。前后摆翅齿轮组件404连接摆翅舵机408，上下拍翅齿轮组件407连接拍翅舵机406；摆翅舵机、前后摆翅齿轮组件、拍翅舵机、上下拍翅齿轮组件均安装在舵机固定板上。
仿生企鹅翅膀能够实现前后摆动、上下拍动的动作。上下拍动动作的实现是通过拍翅连杆与上下拍翅齿轮组件形成的四连杆机构以及齿轮啮合驱动实现的。前后摆动的动作是通过舵机万向节驱动实现的。同时为了降低重心，摆翅和拍翅的舵机直接放置在主框架内部，在翅膀运动机构中为了降低重心，摆翅和拍翅的舵机直接放置在主框架内部。翅膀连接柱安装翅膀，翅膀采用软质硅胶制成，与身体无缝连接，走路时，企鹅的翅膀会向后抬起，最大的抬起角度可与地面平行，能够实现前后摆动，上下拍动的动作。
如图8、9，腿部运动模块500包括由多个舵机501以及连接于舵机501之间的U型板502组成的可弯曲腿部，以及安装在腿部下端的脚掌504和脚踝503。胶软垫缓冲，脚部与身体连接处为软质硅胶材料。尾部硅胶材质可以有柔软的效果，或实现摆动功能。腿部运动机构设计，其下肢单腿由6个28舵机构成6个自由度，其中三个自由度实现抬腿，另外两个自由度实现重心偏移，一个舵机实现转弯。抬腿3个舵机的输出轴相互平行，侧移2个舵机的输出轴相互平行，抬腿和侧移的舵机输出轴在空间上是相互垂直布局，运动控制实现抬腿迈步行走。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仿生企鹅机器人，包括造型外壳以及与所述造型外壳相匹配的机械本体，其特征在于，所述机械本体包括：
面部表情模块，包括能够进行张嘴动作的张嘴机构(100)及进行眨眼动作的眨眼机构(200)；
头部运动模块(300)，能够进行点头、摆头及颈部伸长和弯曲动作；
翅膀运动模块(400)，能够进行翅膀的前后摆动、上下拍动动作；
腿部运动模块(500)，能够进行摆动及直线行走。
2.根据权利要求1所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，所述张嘴机构(100)包括上喙(101)、下喙(102)、凸轮(103)、复位弹簧(104)和驱动部件(105)，所述上喙(101)与下喙(102)的前端形状与所述企鹅的嘴巴形状相同，所述凸轮(103)设于所述上喙(101)与下喙(102)之间的后端，所述上喙(101)与下喙(102)后端连接所述复位弹簧(104)，所述凸轮(103)连接所述驱动部件(105)并在驱动部件(105)的驱动下进行转动，实现上喙(101)与下喙(102)之间的开合动作。
3.根据权利要求2所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，所述眨眼机构(200)包括安装固定座(201)，以及安装在所述安装固定座(201)的上眼皮(202)、下眼皮(203)，所述上眼皮(202)与下眼皮(203)之间呈开合状，所述上眼皮(202)与下眼皮(203)之间安装眼球(204)，
所述上眼皮(202)铰接眼皮上推杆(205)，所述下眼皮(203)铰接眼皮下推杆(206)，所述上眼皮(202)与下眼皮(203)之间连接弹簧(207)，
所述眨眼机构(200)呈左右对称设置，左右对称的眼皮上推杆(205)与眼皮下推杆(206)之间连接剪叉连杆(208)，所述剪叉连杆(208)在驱动部件的驱动下带动所述眼皮上推杆(205)与眼皮下推杆(206)运动，驱动上眼皮(202)与下眼皮(203)实现眨眼动作。
4.根据权利要求2所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，张嘴动作的幅度为15-25°，眨眼动作的角度范围为50-70°，所述驱动部件采用微型直流电机。
5.根据权利要求1所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，所述头部运动模块(300)包括安装在主框架(600)上部的固定盘(303)，所述固定盘(303)上通过连杆支撑座(304)安装可进行上下伸缩的剪叉机构(302)，所述剪叉机构(302)的上端及下端连接驱动部件，所述剪叉机构在驱动部件作用下实现伸缩。
6.根据权利要求1所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，所述翅膀运动模块(400)安装在主框架内，包括翅膀U型板(401)以及安装在所述翅膀U型板(401)上的翅膀连接柱(402)，所述翅膀U型板(401)通过万向接头(403)及连接杆与前后摆翅齿轮组件(404)连接；
所述翅膀U型板(401)的两侧连接驱动盘(405)，所述驱动盘(405)通过拍翅连杆(409)与上下拍翅齿轮组件(407)连接。
7.根据权利要求6所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，所述前后摆翅齿轮组件(404)连接摆翅舵机(408)，所述上下拍翅齿轮组件(407)连接拍翅舵机(406)；
所述摆翅舵机、前后摆翅齿轮组件、拍翅舵机、上下拍翅齿轮组件均安装在舵机固定板上。
8.根据权利要求7所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，所述翅膀连接柱安装翅膀，所述翅膀采用软质硅胶制成，与身体无缝连接。
9.根据权利要求1所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，所述腿部运动模块(500)包括由多个舵机(501)以及连接于所述舵机(501)之间的U型板(502)组成的可弯曲腿部，以及安装在所述腿部下端的脚掌(504)和脚踝(503)。
10.根据权利要求1所述的一种仿生企鹅机器人，其特征在于，所述造型外壳的材料采用ABS硬壳和硅胶表面，机器人各个关节活动处均用软质塑胶连接而成，非关节活动处为硬质塑胶。
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