本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及企鵝仿生機(jī)器人。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的企鵝仿生機(jī)器人分為兩大類(lèi)，觀賞型機(jī)器人和實(shí)用型機(jī)器人。

觀賞型機(jī)器人主要依靠外形吸引人群，使用熱固性塑料制造一個(gè)企鵝外殼，刷上顏料就能很逼真，其仿生效果好，但其缺點(diǎn)是：功能單一，過(guò)于看重企鵝的實(shí)體，一些功能性元件無(wú)法配置，缺乏與人們之間的互動(dòng)性，因此觀賞型的企鵝機(jī)器人只能當(dāng)做一個(gè)模型或者是裝飾品使用。

實(shí)用型企鵝仿生機(jī)器人，主要依靠其多功能的特點(diǎn)而吸引人群，主要包括人臉識(shí)別功能、語(yǔ)音功能、尋跡功能等。實(shí)用型仿生機(jī)器人主要通過(guò)自身的多功能彌補(bǔ)外形的缺點(diǎn)，所謂企鵝仿生機(jī)器人只是空有一個(gè)名字，甚至外殼都是設(shè)計(jì)成的圓柱形。為了防止企鵝仿生機(jī)器人傾倒而導(dǎo)致的機(jī)器人整體的損壞，采用了四輪底盤(pán)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，相當(dāng)于在一個(gè)貨車(chē)上面搭載了一個(gè)擁有各式各樣傳感器的人機(jī)交互模塊。它能夠通過(guò)各式各樣的傳感器采集環(huán)境信號(hào)，如通過(guò)安裝一個(gè)超聲波傳感器在仿生機(jī)器人的前面，超聲波傳感器能夠發(fā)出超聲波，通過(guò)反射回來(lái)的測(cè)定前方障礙物離機(jī)器人有多遠(yuǎn)，如果過(guò)于接近，達(dá)到一個(gè)預(yù)先程序設(shè)定的警戒距離，企鵝仿生機(jī)器人就會(huì)轉(zhuǎn)彎，或者是進(jìn)行其他規(guī)避動(dòng)作。而語(yǔ)音功能則是通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)里面預(yù)置語(yǔ)音指令為命令，通過(guò)語(yǔ)音模塊檢測(cè)人們的聲波，一旦匹配，則執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或者是播放相應(yīng)的語(yǔ)音作為應(yīng)答。而人臉識(shí)別主要是依靠CCD攝像機(jī)或者是其他的高像素?cái)z像機(jī)搭配上一些固定的算法，如設(shè)定一個(gè)人臉的標(biāo)準(zhǔn)圖片，掃描攝像機(jī)的圖片，尋找一個(gè)位置進(jìn)行一定比例的放大和縮小后能和標(biāo)準(zhǔn)圖片相差不大，如若有，則識(shí)別為人臉。實(shí)用型企鵝仿生機(jī)器人有很強(qiáng)大的功能，還存在的缺點(diǎn)是：不能體現(xiàn)出企鵝仿生機(jī)器人的仿生特點(diǎn)，過(guò)于看中功能，整個(gè)機(jī)器人的規(guī)劃都是基于零部件，而不是按照企鵝的實(shí)體尺寸來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而且對(duì)于企鵝仿生來(lái)說(shuō)，最重要的其實(shí)就是企鵝的仿生步態(tài)，這是一個(gè)極為重要的技術(shù)要點(diǎn)，也是技術(shù)難點(diǎn)。但現(xiàn)在的功能型仿生機(jī)器人都是通過(guò)四輪驅(qū)動(dòng)來(lái)行動(dòng)，不能逼真實(shí)現(xiàn)模仿企鵝的步態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有企鵝仿生機(jī)器人存在的上述問(wèn)題，申請(qǐng)人進(jìn)行研究及設(shè)計(jì)，提供一種能模仿企鵝步態(tài)的企鵝仿生機(jī)器人。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用如下方案：

一種企鵝仿生機(jī)器人，包括軀干組件、手臂組件、腳部組件及頭部組件，所述軀干組件包括軀干支撐架、安裝于軀干支撐架上的腳部驅(qū)動(dòng)軸、電源及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、及安裝于軀干支撐架底部的底盤(pán)組件，所述底盤(pán)組件上安裝有支撐輪；所述手臂組件包括固定于軀干支撐架頂部的手臂支撐橫板及安裝于手臂支撐橫板兩端的手臂；所述腳部組件包括上端借助曲柄與腳部驅(qū)動(dòng)軸活動(dòng)連接的腳支撐臂，所述腳支撐臂的下端安裝有腳支撐板，所述軀干支撐架上安裝有橫向定位桿，所述橫向定位桿的端部置于所述腳支撐臂的豎向滑槽中，腳支撐臂由腳部驅(qū)動(dòng)軸及曲柄驅(qū)動(dòng)時(shí)，腳支撐臂的上端繞著所述腳部驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軌跡為圓形，其下端的軌跡為橢圓軌跡。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述支撐輪包括位于底盤(pán)組件左右兩側(cè)的側(cè)支撐輪、位于左右中部的并分別位于前后兩側(cè)的前轉(zhuǎn)向輪及后支撐輪，所述兩側(cè)支撐輪的高度位置相同，所述前轉(zhuǎn)向輪與后支撐輪的高度位置相同且低于所述側(cè)支撐輪。

所述腳支撐臂的下端腳支撐板的最低位置低于所述底盤(pán)組件上前轉(zhuǎn)向輪的最低位置。

當(dāng)所述前轉(zhuǎn)向輪與側(cè)支撐輪同時(shí)著地時(shí)，靠近著地側(cè)支撐輪的腳支撐板處于最高位置并與地面之間保持有間距。

當(dāng)所述前轉(zhuǎn)向輪與側(cè)支撐輪同時(shí)著地時(shí)，所述機(jī)器人的重心所在的豎直軸線(xiàn)位于所述前轉(zhuǎn)向輪與側(cè)支撐輪之間。

所述腳支撐板呈L型，包括與腳支撐臂固連的立板及位于立板下端并向前延伸的底板，所述底板呈向上彎曲的弧形狀，所述底板的彎曲弧度接近所述腳支撐板的運(yùn)動(dòng)軌跡所成的橢圓軌跡的弧度。

所述底盤(pán)組件上安裝有驅(qū)動(dòng)所述前轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向舵機(jī)。

所述頭部組件包括固定于手臂支撐橫板上的頭部支撐框、安裝于所述頭部支撐框中的搖頭舵機(jī)、安裝于所述搖頭舵機(jī)輸出軸上的點(diǎn)頭支架、安裝于所述點(diǎn)頭支架上的點(diǎn)頭舵機(jī)及安裝于點(diǎn)頭舵機(jī)輸出軸上的頭部框架。

所述手臂支撐橫板的端部安裝有手臂舵機(jī)，所述手臂舵機(jī)驅(qū)動(dòng)所述手臂向軀干支撐架的左右兩側(cè)擺動(dòng)。

所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝于軀干支撐架中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸連接軀干支撐架上固定的蝸輪蝸桿減速箱。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

本發(fā)明的企鵝仿生機(jī)器人，能夠模擬企鵝的行走步態(tài)，仿生效果好，使機(jī)器人能夠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際迎賓，實(shí)用性高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中企鵝仿生機(jī)器人的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為圖1的另一方向視圖。

圖3為本發(fā)明中軀干組件的主視圖。

圖4為本發(fā)明中軀干組件的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖5為本發(fā)明中頭部組件的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖6為本發(fā)明中手臂組件的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖7為本發(fā)明中底盤(pán)組件的立體結(jié)構(gòu)圖。

圖8為圖7的另一方向視圖。

圖9為本發(fā)明中腳部組件的行走軌跡圖。

圖10為本發(fā)明中企鵝仿生機(jī)器人右腳站立的初始平衡位置圖。

圖11為曲柄向后旋轉(zhuǎn)約45度后機(jī)器人的平衡位置圖。

圖12為曲柄旋轉(zhuǎn)180度后企鵝仿生機(jī)器人用左腳站立的平衡位置圖。

圖13為曲柄向后旋轉(zhuǎn)約225度后企鵝仿生機(jī)器人的平衡位置。

圖中：1、軀干組件；101、軀干支撐架；102、腳部驅(qū)動(dòng)軸；103、電源；104、驅(qū)動(dòng)電機(jī)；105、底盤(pán)組件；1051、轉(zhuǎn)向舵機(jī)；106、支撐輪；1061、側(cè)輔助輪；1062、前轉(zhuǎn)向輪；1063、后支撐輪；107、橫向定位桿；108、蝸輪蝸桿減速箱；2、手臂組件；201、手臂支撐橫板；202、手臂；203、手臂舵機(jī)；3、腳部組件；301、曲柄；302、腳支撐臂；3021、豎向滑槽；303、腳支撐板；3031、立板；3032、底板；4、頭部組件；401、頭部支撐框；402、搖頭舵機(jī)；403、點(diǎn)頭支架；404、點(diǎn)頭舵機(jī)；405、頭部框架。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1、圖2所示，本實(shí)施例的企鵝仿生機(jī)器人，包括軀干組件1、手臂組件2、腳部組件3及頭部組件4。

如圖1、圖2及圖3、圖4所示，軀干組件1包括軀干支撐架101、安裝于軀干支撐架101上的腳部驅(qū)動(dòng)軸102、電源103及驅(qū)動(dòng)電機(jī)104、及安裝于軀干支撐架101底部的底盤(pán)組件105，底盤(pán)組件105上安裝有支撐輪106；驅(qū)動(dòng)電機(jī)104安裝于軀干支撐架101中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)104的輸出軸連接軀干支撐架101上固定的蝸輪蝸桿減速箱108；軀干支撐架101上安裝有橫向定位桿107。如圖7、圖8所示，支撐輪106包括位于底盤(pán)組件105左右兩側(cè)的側(cè)輔助輪1061、位于左右中部的并分別位于前后兩側(cè)的前轉(zhuǎn)向輪1062及后支撐輪1063，兩側(cè)輔助輪1061的高度位置相同，前轉(zhuǎn)向輪1062與后支撐輪1063的高度位置相同且低于側(cè)輔助輪1061；底盤(pán)組件105上安裝有驅(qū)動(dòng)前轉(zhuǎn)向輪1062的轉(zhuǎn)向舵機(jī)1051。

企鵝仿生機(jī)器人的身體傳動(dòng)最為重要，各部件要求的定位精度較高，要控制雙腳運(yùn)動(dòng)能夠直立前進(jìn)必須保證雙腳能夠在同一平面上，采用蝸輪蝸桿減速箱108傳動(dòng)，同時(shí)從減速箱出來(lái)的腳部驅(qū)動(dòng)軸102應(yīng)當(dāng)盡量與空間坐標(biāo)系中的y軸(水平橫向)重合，安裝不錯(cuò)位，安裝由蝸輪蝸桿減速箱108開(kāi)始，然后固定腳部驅(qū)動(dòng)軸102，用腳部驅(qū)動(dòng)軸102上的軸肩進(jìn)行定位安裝，左端用鎖緊擋圈固定連接，然后安裝軸承。再安裝左右兩邊的定位基準(zhǔn)版，步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿減速箱108的定位較為關(guān)鍵，因此步進(jìn)電機(jī)的安裝板使用銷(xiāo)定位，固定承重鋼板，步進(jìn)電機(jī)使用定位環(huán)在鋼板上定位，然后用螺栓承受重量。支撐承重鋼板的鋼板起到連接定位作用，使用銷(xiāo)固定。蝸輪蝸桿減速箱108的支撐鋼板僅需要使用螺栓定位，防止過(guò)定位導(dǎo)致的傳動(dòng)軸誤差。

如圖1、圖6所示，手臂組件2包括固定于軀干支撐架101頂部的手臂支撐橫板201及安裝于手臂支撐橫板201兩端的手臂202；如圖6所示，手臂支撐橫板201的端部安裝有手臂舵機(jī)203，手臂舵機(jī)203驅(qū)動(dòng)手臂202向軀干支撐架101的左右兩側(cè)擺動(dòng)。兩個(gè)手臂組件2的手臂舵機(jī)203的相位差為180°。

如圖1、圖2所示，腳部組件3包括上端借助曲柄301與腳部驅(qū)動(dòng)軸102活動(dòng)連接的腳支撐臂302，腳支撐臂302的下端安裝有腳支撐板303，軀干支撐架101上安裝有橫向定位桿107，橫向定位桿107的端部置于腳支撐臂302的豎向滑槽3021中(見(jiàn)圖2)，腳支撐臂302由腳部驅(qū)動(dòng)軸102及曲柄301驅(qū)動(dòng)時(shí)，兩腳支撐臂302的曲柄301的相位差為180度，即當(dāng)一側(cè)的曲柄301位于腳部驅(qū)動(dòng)軸102下方時(shí)，另一側(cè)的曲柄301位于腳部驅(qū)動(dòng)軸102的上方。如圖9所示，腳支撐臂302的上端繞著腳部驅(qū)動(dòng)軸102轉(zhuǎn)動(dòng)的軌跡為圓形，其下端的軌跡為橢圓軌跡。如圖11、圖13所示，腳支撐臂302的下端腳支撐板303的最低位置低于底盤(pán)組件105上前轉(zhuǎn)向輪1062的最低位置；當(dāng)前轉(zhuǎn)向輪1062與側(cè)輔助輪1061同時(shí)著地時(shí)，靠近著地側(cè)輔助輪1061的腳支撐板303處于最高位置并與地面之間保持有間距。如圖13所示，當(dāng)前轉(zhuǎn)向輪1062與側(cè)輔助輪1061同時(shí)著地時(shí)，機(jī)器人的重心所在的豎直軸線(xiàn)位于前轉(zhuǎn)向輪1062與側(cè)輔助輪1061之間。如圖9所示，腳支撐板303呈L型，包括與腳支撐臂302固連的立板3031及位于立板3031下端并向前延伸的底板3032，底板3032呈向上彎曲的弧形狀，底板3032的彎曲弧度接近腳支撐板303的運(yùn)動(dòng)軌跡所成的橢圓軌跡的弧度。

企鵝腳必須有一定的柔度的同時(shí)具備相當(dāng)?shù)膭偠?，它要承受整個(gè)社體的重量的同時(shí)保證自身上下的柔度，防止走路的時(shí)候發(fā)生傾倒，本發(fā)明中，曲柄的距離為50mm，腳部驅(qū)動(dòng)軸102及橫向定位桿107之間的距離為189mm，由此生成的腳支撐臂302前后擺動(dòng)時(shí)，其下端的腳支撐板303的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以看成是一個(gè)橢圓，如圖9所示，而為了使腳走的更加平滑，必須更加貼合運(yùn)動(dòng)軌跡，因此，腳支撐板303的折彎半徑必須盡可能的和橢圓的長(zhǎng)軸所在弧的曲率半徑相一致，再通過(guò)兩邊的倒角使得雙腳更加貼合地面，以使企鵝仿生機(jī)器人滿(mǎn)足柔度要求。

本發(fā)明中，底盤(pán)組件105中用于支撐側(cè)輔助輪1061的y軸鋁型材必須盡量短，以保證兩個(gè)側(cè)輔助輪1061不能干涉到腳支撐板303的運(yùn)動(dòng)。鋁型材的高度一定，根據(jù)雙腳的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)定好結(jié)構(gòu)高度，側(cè)輔助輪1061使用一整塊鋼板固定，提升剛度，避免懸臂梁的情況導(dǎo)致鋼板折彎損壞，為減輕重量可在兩個(gè)側(cè)輔助輪1061上的支撐鋼板上挖槽，由于側(cè)輔助輪1061的高度一定，此時(shí)要有一個(gè)搖擺步態(tài)，就必須使得側(cè)輔助輪1061在腳支撐板303和前轉(zhuǎn)向輪1062的連線(xiàn)的下方，可以在側(cè)輔助輪1061上面添加墊片，或者是伸長(zhǎng)y軸鋁型材和側(cè)輔助輪1061的安裝鋁板，以滿(mǎn)足企鵝仿生機(jī)器人的安裝要求。由于添加墊片后在企鵝向右邊傾倒時(shí)會(huì)出現(xiàn)側(cè)輔助輪1061安裝不穩(wěn)定的情況，因此本發(fā)明選擇延長(zhǎng)型材以及鋁板的長(zhǎng)度的方案，其方便調(diào)整的同時(shí)又要保證有一定的安裝強(qiáng)度。

如圖5所示，頭部組件4包括固定于手臂支撐橫板201上的頭部支撐框401、安裝于頭部支撐框401中的搖頭舵機(jī)402、安裝于搖頭舵機(jī)402輸出軸上的點(diǎn)頭支架403、安裝于點(diǎn)頭支架403上的點(diǎn)頭舵機(jī)404及安裝于點(diǎn)頭舵機(jī)404輸出軸上的頭部框架405。通過(guò)搖頭舵機(jī)402及點(diǎn)頭舵機(jī)404分別控制整個(gè)頭部搖頭及上下點(diǎn)頭。

本發(fā)明中，企鵝仿生機(jī)器人由上端腳部驅(qū)動(dòng)軸102驅(qū)動(dòng)，普通站立姿態(tài)由一只腳和前后輔助輪支撐；行進(jìn)時(shí)腳部驅(qū)動(dòng)軸102轉(zhuǎn)動(dòng)，軌跡如圖9所示；當(dāng)處于圖10位置時(shí)，右腳位于腳軌跡的下前端，左腳位于上后端；如圖11所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)104的驅(qū)動(dòng)促使右腳向下向后，左腳向上向前，企鵝仿生機(jī)器人前進(jìn)，向下留有一定余量，使得右腳伸到極點(diǎn)的時(shí)候重心向左偏移，整個(gè)身體向左傾倒，然后由左腳驅(qū)動(dòng)向前行進(jìn)；同樣，如圖12、圖13所示，左腳位于腳軌跡的下前端、右腳位于上后端，繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，機(jī)器人中心向右偏移。如此往復(fù)，本發(fā)明的機(jī)器人模仿企鵝步態(tài)行進(jìn)。

以上所舉實(shí)施例為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，僅用來(lái)方便說(shuō)明本發(fā)明，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，若在不脫離本發(fā)明所提技術(shù)特征的范圍內(nèi)，利用本發(fā)明所揭示技術(shù)內(nèi)容所作出局部改動(dòng)或修飾的等效實(shí)施例，并且未脫離本發(fā)明的技術(shù)特征內(nèi)容，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)特征的范圍內(nèi)。