CN201073550Y - 一种具有丰富运动自由度的智能服务机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种具备丰富的运动自由度、并能智能控制的移动式互动服务机器人。机器人本体结构包括头颈、手臂、躯体、底座等结构，具备9个独立的运动自由度。系统采用PID反馈控制，能够精确控制伺服电机的速度，从而控制各关节的速度、方向和位置。这是一个标准的机器人学习和游戏操作交互平台，能够运行多种不同的、能和这个控制台的标准接口相兼容的应用程序，主要包括学习、游戏程序和机器人本身的学习程序。本实用新型将移动式的拟人机器人与学习、娱乐等相结合，用户可以通过视频、音频等信息与机器人进行交互，在学习和娱乐的过程中，机器人可以进行肢体动作和语音交流。本实用新型可应用于机器人研究以及教育玩伴、场馆导游、家庭娱乐等。

Description

一种具有丰富运动自由度的智能服务机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及的是一种具备丰富的运动自由度、并能智能控制的机器人，属于电动类、教育类、娱乐类的服务机器人，可应用于机器人研究、场馆导游、家庭娱乐等。

背景技术

目前，在电动机器人玩具市场，大多是由电机、减速器驱动，由遥控装置进行接收、发射，只能完成一些固定的简单动作，智能水平难尽人意。在国内智能类的机器人玩具中，有代表性的如海尔机器狗、广东银辉智能机器狗等，其丰富的动作大大提高了孩子的兴趣，但缺乏语音对话等功能，且价格昂贵，性价比不高。

近几年，拟人机器人以其传统机器人所不能比拟的人形外观和动感行为引起了人们的极大关注。依靠核心技术的提高以及消费市场的拓展，拟人机器人在最近几年取得了长足的发展，市场售价也在不断地下降。例如，Wow Wee公司从2004年起陆续推出了RobosapienV1、V2机器人，以其逼真的人形造型和低廉的价格在市场上热卖。

但是，目前的机器人都没有和计算机平台相结合，其动作都是基于前期的设计任务经过编程而完成的，聪明程度还是不尽如人意。家长们反映，小孩子在玩过几天后就失去了兴趣，他们觉得它始终是一个玩具，无法给他们带来持续的游戏新鲜感和成就感。

为了克服目前市场上的机器人玩具存在的功能简单、交互性不强等问题，本发明给出了一种融学习和娱乐等功能于一体，集机器人技术和计算机技术为一身的新型移动式机器人平台。它有动感的立体造型，可以感知到用户的某些反应从而让使用者在游戏中进行学习和娱乐，从而提高工作效率。用户可以通过看、听、摸来和机器人进行交互，这是一种与和人交流类似但却又不完全相同的感受。这种拟人机器人带来的物理上的视觉、触觉和动作感受是和屏幕上的虚拟机器人角色完全不同的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种集动感造型和娱乐、游戏等功能于一体的移动式互动智能服务机器人。

本实用新型提供的智能服务机器人由拟人机器人本体结构、环境感知模块、主控模块、行为控制模块、通讯模块和界面显示组成，各部分分别介绍如下：

1、拟人机器人本体结构具有多个运动自由度，它包括头颈、躯体、手臂以及移动式的移动底座等。

2、行为控制模块，主要由LED显示板、脖子、肘关节、肩关节、腰关节和驱动轮等组成，其功能是将大脑决策输出到电机或喇叭上，对外界作出反应，使机器人能够完成前进、后退、转弯等运动功能，具有丰富的肢体动作。所有的动作通过电动机和减速器来进行传动，声音通过扬声器发出。

3、各类环境感知模块内置于在机器人的本体结构中，包括视觉感知模块(摄像头)、听觉感知模块(麦克风)、多功能传感器模块(如红外传感器、声纳传感器、温度传感器等)。

4、机器人的大脑是一个嵌入式的CPU、RTOS实时操作系统，操作系统和内存、外存等构成主控模块，通过与外部环境的交互，可以实现环境感知模块的感知信息与机器人肢体动作的映射，从而实现机器人的智能行为。

5、通讯模块，采用GPRS或无线以太网等，通过无线通讯方式与终端实现双向通信，可上网和遥控等，可以上网下载软件和更新信息，也可以访问其他设备等。

6、系统的显示界面为宽屏的液晶显示器，并带有灵敏的触摸面板，用户可以和机器人通过触摸面板来进行交互。

这是一个标准的机器人学习和游戏操作交互平台，能够运行多种不同的、能和这个控制台的标准接口相兼容的应用程序。概括起来，主要包括学习、游戏程序和机器人的学习程序，最简单的情况是机器人仅仅作为学习、游戏软件的状态输出设备。机器人的学习程序通过智能感知模块来获取信息并且在显示屏上或者是通过机器人本身表达出来。

本发明互动平台可以扮演多种角色：比如家庭教师，学习、游戏伙伴以及学习者等。

作为学习、娱乐工具的附加部分，本发明具有明显的优势。它让孩子同一个具有人类特性的具体物体交流，可以让孩子学到很多丰富的、具有吸引力的知识。真实的交流可以更好地锻炼小孩的积极性，孩子将把他们的注意力从荧光屏上转移到机器人的相应动作上来，从而避免长期注视荧光屏带来的后果。

附图说明

图1本发明机器人结构示意图(前视)。

图2本发明机器人结构示意图(侧视)。

图3本发明机器人的运动自由度分布图。

图4本发明机器人的机构控制原理图。

图中标号：1为LED显示板，2为脖子转动关节，3为机器人手臂，4为液晶宽屏显示屏，5为摄像头，6为红外传感器，7为机器人底盘，8为机器人胸部，9为机器人腕关节，10为机器人肩关节，11为声纳传感器，12为机器人头部，13为机器人计算单元，14为机器人腰部关节1，15为机器人腰部关节2，16为机器人驱动轮，17为机器人随动轮，18为脖子部件的旋转自由度，19和20分别为左肩关节和腕关节运动自由度，21为腰部弯曲自由度，22为另一个腰部弯曲自由度，23和24分别为底座左轮和右轮运动自由度，25和26分右手腕关节和肩关节自由度，27为CAN接口卡，28为主控板，29为电机闭环控制，30为直流伺服电机，31为编码器，32为驱动器，33为控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施进一步描述本发明。

本发明结构如图1和图2所示，主要包括头部12、脖子2、胸部8、两个胳膊3以及底盘7等部分结构。在头部12处，装有LED显示板1，具备不同的表情显示；脖子2具有1个运动自由度，胸部8的前部装有15英寸宽屏的液晶显示器4，胸部8的后部装有双核的CPU主板、内存、外存等计算单元13；机器人的腰部是两个运动关节14和15，能够实现躯体的前倾、后仰等功能；机器人的底座7是一个双轮16的差动驱动和换向机构，在底盘的后部有2个支撑随动轮17；机器人的每个手臂3具有腕关节9和肩关节10两个运动自由度。

本发明系统的运动自由度(如图3所示)，共有9个：包括脖子部件的旋转自由度18、左手肩关节运动自由度19、左手腕关节运动自由度20、腰部弯曲自由度21和22、底座的左轮运动自由度23、底座右轮运动自由度24、右手腕关节运动自由度25和右手肩关节运动自由度26。这9个运动自由度由9个伺服电机控制。

控制系统根据整个机器人的运动自由度要求分解为对9个伺服电机发送控制命令。图4是伺服电机的控制原理图。控制系统通过CAN接口卡27实现与PC主控板28的通讯连接，并同步控制9个伺服电机的运动。9个伺服电机控制均采用独立的PID闭环回路控制29，在伺服电机30的前端，装有光电编码器31，它是一种通过光电转换将电机输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电机的转速。编码器31将电机的速度或位置信息实时地发送给控制器33，通过脉宽调制(PWM)技术和微处理器一起控制加在电机上的电压，将相关信息输送给具有过流保护功能的驱动器32，最终驱动伺服电机30以要求的速度和方便同运行，以达到理想的位置。

Claims (4)

1.一种具有丰富运动自由度的智能服务机器人，能够运行多种不同的、能和标准接口相兼容的应用程序，这些应用程序主要为学习、游戏程序和机器人本身的学习程序，系统由拟人机器人本体结构、环境感知模块、主控模块、行为控制模块、通讯模块和界面显示组成，其中：

拟人机器人本体结构具有多个运动自由度，它包括头颈、躯体、手臂以及移动式的移动底座；

行为控制模块，主要由LED显示板、脖子、肘关节、肩关节、腰关节和驱动轮组成，其功能是将大脑决策输出到电机或喇叭上，对外界作出反应，使机器人能够完成前进、后退、转弯运动功能，所有的动作通过电动机和减速器来进行传动，声音通过扬声器发出；

各类环境感知模块内置于在机器人的本体结构中，包括视觉感知模块、听觉感知模块、多功能传感器模块；

机器人的大脑是一个嵌入式的CPU、RTOS实时操作系统，操作系统和内存、外存构成主控模块，通过与外部环境的交互，实现环境感知模块的感知信息与机器人肢体动作的映射，从而实现机器人的智能行为；

通讯模块，采用GPRS或无线以太网，通过无线通讯方式与终端实现双向通信，可上网和遥控；

显示界面为宽屏的液晶显示器，并带有灵敏的触摸面板，用户和机器人通过触摸面板来进行交互；

其特征在于头部(12)处，装有LED显示板(1)，具备不同的表情显示；脖子(2)具有1个运动自由度，胸部(8)的前部装有(15)英寸宽屏的液晶显示器(4)，胸部(8)的后部装有双核的CPU主板、内存、外存的计算单元(13)；机器人的腰部是两个运动关节(14)和(15)，能够实现躯体的前倾、后仰等功能；机器人的底座(7)是一个双轮(16)的差动驱动和换向机构，在底盘的后部有2个支撑随动轮(17)；机器人的每个手臂(3)具有腕关节(9)和肩关节(10)两个运动自由度。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于所述视觉感知模块由摄像头组成，听觉感知模块由麦克风组成，多功能传感器模块由红外传感器、声纳传感器和温度传感器组成。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于机器人的运动自由度分为9个：包括脖子部件的旋转自由度(18)、左手肩关节运动自由度(19)、左手腕关节运动自由度(20)、腰部弯曲自由度(21)和(22)、底座的左轮运动自由度(23)、底座右轮运动自由度(24)、右手腕关节运动自由度(25)和右手肩关节运动自由度(26)，9个自由度由9个伺服电机控制。

4.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于控制系统通过CAN接口卡(27)实现与PC主控板(28)的通讯连接，并同步控制9个伺服电机的运动；9个伺服电机控制均采用独立的PID闭环回路控制(29)，在伺服电机(30)的前端，装有光电编码器(31)，光电编码器(31)是一种通过光电转换将电机输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器光；光电编码器(31)将电机的速度或位置信息实时地发送给控制器(33)，通过脉宽调制技术和微处理器一起控制加在电机上的电压，将相关信息输送给具有过流保护功能的驱动器(32)，最终驱动伺服电机(30)以要求的速度和方便同运行，以达到理想的位置。

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