CN102699914A - 一种机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人，包括机器人主体以及通过无线通信网络平台与机器人主体进行通讯的远程交互平台，所述机器人主体包括移动装置和移动装置上方的功能模块，所述移动装置包括机械腿、机械腿下端的底盘、设置在底盘内部的直流无刷电机、直流无刷电机驱动器、与直流无刷电机相连的驱动轮和万向轮，所述功能模块包括多自由度的机械腰、机械颈、机械头、机械臂和机械手。本发明结构精巧、动作灵活、仿真度高，各部分结构可以多自由度活动，支持无线远程控制与信息传输，能够很好地实现路径规划、自主导航、人脸识别、人机对话以及迎宾待客等多种功能。

Description

一种机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种可远程控制的高仿真、高灵活性和强互动性的机器人。

背景技术

    销售行业传统的接待方式是由员工亲自接待客户，并向客户介绍产品信息，该方式浪费了人力资源；为了替代人的工作，各种迎宾机器人开始受到关注。

    虚拟现实技术（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景。

中国专利98202179.8公开了一种模特机器人，包括壳体、底座、肩关节驱动器、肘关节驱动器、腰关节驱动器、胯关节驱动器、膝关节驱动器、大臂骨架、小腿骨架、光敏传感器、发声装置、可编程控制器及电源驱动装置，中国专利200410046644.0公开了一种模特机器人，由人形壳体、底座、电动装置、语音电路和驱动控制电路组成，所述人形壳体能在电动装置和驱动控制电路的控制下自动模仿人的迎宾动作，所述语音电路能自动播放迎宾语言，上述两种设计具有语言表达功能，能够表演一些简单的迎宾动作，主要用于演示服装，效果好于衣架或者模型展示，花费低于模特队表演，但无法远程控制，机器人各部分结构动作自由度低，互动性差。

中国专利200710171273.2公开了一种迎宾机器人，包括底座、安装在底座上的外壳，所述外壳内设有集成语音电路的控制电路、电源，底座内设有电动装置，电动装置与控制电路电连接，所述控制电路中集成有单片机和存储器，所述底座底部设有行走轮和路线传感器，行走轮与电动装置通过传动机构连接，所述外壳上还设有触摸屏，所述路线传感器和触摸屏均和控制电路电连接，另外，所述外壳的前方固定安装有一个轮椅，该设计具有迎宾、引路、语音提示和助残等功能，而且有一定的人机互动性，但亦无法远程控制，动作灵活性不够，尤其是腰部、颈部、头部和手臂的动作自由度低，仿真度不高。

另外，中国专利201010553200.1公开了一种迎宾机器人***，包括机器人载体和远程交互平台，两者通过无线网络通信,机器人载体包括主控模块、人机交互模块、无线通讯模块、运动模块、电源模块和传感器模块;所述主控模块分别与所述人机交互模块、无线通讯模块、运动模块、传感器模块和电源模块连接；所述远程交互平台用于显示客人的需求信息。该设计虽然可以远程控制，并具有人脸识别、人机对话、自主避障和导航功能，但其运动模块仅能够实现移动的的动作，无法实现腰部、颈部、头部以及手臂的多自由度运动，动作的仿真度依然不高。

同时，上述各公开的专利文献中的技术方案均无有效利用虚拟现实技术，所设计的机器人对周围现实环境的空间感知不足，导航的精确性和避障的有效性不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种机器人，结构精巧、动作灵活、仿真度高，各部分结构可以多自由度活动，支持无线远程控制与信息传输，能够很好地实现路径规划、自主导航、人脸识别、人机对话以及迎宾待客等多种功能。 

    为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种机器人，包括机器人主体以及通过无线通信网络平台与机器人主体进行通讯的远程交互平台，所述机器人主体包括移动装置和移动装置上方的功能模块，所述移动装置包括机械腿、机械腿下端的底盘、设置在底盘内部的直流无刷电机、直流无刷电机驱动器、与直流无刷电机相连的驱动轮和万向轮，所述功能模块包括多自由度的机械腰、机械颈、机械头、机械臂和机械手。

作为本发明的一种优选技术方案，所述机械腰包括至少三个并联的直线推杆Ⅰ、通过十字万向节设置在直线推杆Ⅰ底端的底板、依次通过球面轴承和弹簧设置在所述直线推杆Ⅰ顶端的顶板、套设在弹簧外部的旋筒以及用于控制所述直线推杆Ⅰ的电机驱动装置；所述机械颈包括支座、至少三套设置在支座上面的直线推杆Ⅱ和横向设置在所述直线推杆Ⅱ顶端的颈位板；所述机械头包括两个对称设置在所述颈位板上面的口腔板、通过横轴设置在两个口腔板之间的上唇和下唇、与上唇和下唇均相切的凸轮、与凸轮轴接且设置在口腔板侧壁上的减速电机、上唇和下唇之间的拉簧、口腔板顶端的托板、托板上的舵机Ⅰ、由舵机Ⅰ控制的俯仰架、设置在俯仰架上的舵机Ⅱ、由舵机Ⅱ控制的转动装置以及设置在转动装置上的两个摄像头；所述机械臂包括与所述机械颈相连的上臂、通过转轴与上臂相连的下臂、与下臂相连的手腕、设置在上臂内部的大扭矩直流减速电机、齿轮、设置在下臂内部的直流减速电机和齿轮；所述机械手包括手掌、手指和控制手套，所述手掌包括连接板、掌壳和安装在掌壳内并与所述手指相连的摆指装置，所述手指包括至少两个指关节和设置在相邻指关节之间的屈指装置。 

作为本发明的一种优选技术方案，所述摆指装置包括减速电机Ⅰ、减速电机Ⅰ的固定架、与减速电机Ⅰ轴接的齿轮Ⅰ、与齿轮Ⅰ啮合的冠齿轮Ⅰ、与冠齿轮Ⅰ同轴连接的编码盘Ⅰ、与冠齿轮Ⅰ相连的摇摆杆以及设置在所述手指与所述掌壳之间的推力轴承。 

作为本发明的一种优选技术方案，所述屈指装置包括相邻指关节之间的连接轴、减速电机Ⅱ、与减速电机Ⅱ轴接的齿轮Ⅱ、与齿轮Ⅱ啮合并与所述连接轴同轴的冠齿轮Ⅱ以及与冠齿轮Ⅱ轴接的编码盘Ⅱ，所述冠齿轮Ⅱ与所述指关节的内壁固定连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述机器人主体还包括主控模块以及分别与所述主控模块相连的感应模块、人机交互模块块、无线通讯模、电源模块、视频模块、音频模块和人脸识别模块，所述主控模块包括内嵌式工控机和单片机，所述人机交互模块包括设置在所述机械腰侧面的触摸屏模块和显示模块。

作为本发明的一种优选技术方案，所述感应模块包括虚拟现实技术模块、弯曲传感器、超声波传感器、红外传感器、陀螺仪、光电编码器、电位器、电子尺、触觉传感器和加速度传感器，所述弯曲传感器设置在所述控制手套上，所述陀螺仪设置在所述机械腰的顶板上，所述光电编码器与所述驱动轮相连，所述电子尺设置在所述直线推杆Ⅰ和直线推杆Ⅱ的侧壁上，所述电位器设置在所述机械臂内部并分别与所述大扭矩直流减速电机、直流减速电机以及单片机相连。 

作为本发明的一种优选技术方案，所述无线通讯模块通过所述无线通信网络平台与所述远程交互平台进行通讯，所述无线通信网络平台采用ZigBee平台。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的电源模块包括蓄电池、备用电池和直流稳压模块。 

作为本发明的一种优选技术方案，所述视频模块包括与所述摄像头相连的视频采集卡和分类器，所述音频模块包括语音识别模块和语音模块，所述人脸识别模块包括与所述摄像头相连并设置在内嵌式工控机内的图像存储模块和图像对比模块。 

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明结构精巧、动作灵活、仿真度高，支持无线远程控制与信息传输，能够很好地实现路径规划、自主导航、人脸识别、人机对话以及迎宾待客等多种功能，各部分结构可以多自由度活动，具体来讲，移动装置能够使机器人主体自由移动，机械腰和机械颈不仅可以伸缩，而且可以向任意角度倾斜，机械头可以俯仰和转动，机械臂和机械手可以摆动和弯折。 

附图说明

图1是本发明的通讯原理图。

图2是机器人主体的信号控制原理图。

图3是机器人主体的结构示意图。

图4是移动装置的仰视图。

图5是机械腰的结构示意图。

图6是机械颈的结构示意图。

图7是机械头的侧视图。

图8是机械头的立体图。

图9是机械臂的结构示意图。

图10机械手的结构示意图。  

图中：1、机械腿  2、机械腰  21、直线推杆Ⅰ  22、十字万向节  23、底板  24、球面轴承  25、弹簧  26、旋筒  27、顶板  28、电子尺  3、机械颈  31、支座  32、直线推杆Ⅱ  33、颈位板  4、机械头  41、口腔板  42、横轴  43、上唇  44、下唇  45、凸轮  46、托板  47、舵机Ⅰ  48、俯仰架  49、舵机Ⅱ  410、转动装置  411、摄像头   412、减速电机  5、机械臂  51、上臂  52、下臂  53、手腕  54、大扭矩直流减速电机  55、直流减速电机  6、机械手  61、连接板  62、掌壳  63、指关节  64、减速电机Ⅰ  65、固定架  66、齿轮Ⅰ  67、冠齿轮Ⅰ  68、摇摆杆  69、连接轴  610、减速电机Ⅱ  611、齿轮Ⅱ  612、冠齿轮Ⅱ  7、底盘  71、直流无刷电机  72、驱动轮  73、万向轮  74、光电编码器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

同时参看附图1、3和4，本发明一个具体实施方式的结构中包括机器人主体以及通过无线通信网络平台与机器人主体进行通讯的远程交互平台，机器人主体包括移动装置和移动装置上方的功能模块，移动装置包括机械腿1、机械腿1下端的底盘7、设置在底盘7内部的直流无刷电机71、直流无刷电机驱动器、与直流无刷电机71相连的驱动轮72和万向轮73，功能模块包括多自由度的机械腰2、机械颈3、机械头4、机械臂5和机械手6，远程交互平台用于控制机器人主体并利用虚拟现实技术显示机器人主体的空间方位和行走路线，直流无刷电机驱动器能够驱动直流无刷电机71转动，继而带动驱动轮72滚动，驱动轮72的滚动通过齿轮传动能够使光电编码器74工作，光电编码器74可以检测并反馈直流无刷电机71的转动量信息，万向轮73起到辅助移动和转向的作用。

参看附图5，机械腰2包括六套并联的直线推杆Ⅰ21、通过十字万向节22设置在直线推杆Ⅰ21底端的底板23、依次通过球面轴承24和弹簧25设置在直线推杆Ⅰ21顶端的顶板27、套设在弹簧25外部的旋筒26以及用于控制直线推杆Ⅰ21的电机驱动装置，六套直线推杆Ⅰ21相互配合，各自按照指令完成一定的伸缩量，可以实现机械腰2的整体伸缩或者任意方向的倾斜，闲置时可以卸掉旋筒26，利用弹簧25的弹性将机器人主体在机械腰处折叠起来，便于存放，节省空间。

参看附图6，机械颈3包括支座31、三套设置在支座31上面的直线推杆Ⅱ32和横向设置在直线推杆Ⅱ32顶端的颈位板33，三套直线推杆Ⅱ32相互配合，各自按照指令完成一定的伸缩量，实现机械颈3的伸缩或者任意方向的倾斜。

参看附图7和8，机械头4包括两个对称设置在颈位板33上面的口腔板41、通过横轴42设置在两个口腔板41之间的上唇43和下唇44、与上唇43和下唇44均相切的凸轮45、与凸轮45轴接且设置在口腔板41侧壁上的减速电机412、上唇43和下唇44之间的拉簧、口腔板41顶端的托板46、托板46上的舵机Ⅰ47、由舵机Ⅰ47控制的俯仰架48、设置在俯仰架48上的舵机Ⅱ49、由舵机Ⅱ49控制的转动装置410以及设置在转动装置410上的两个摄像头411，减速电机412带动凸轮45同步转动，配合拉簧的回复功能，使上唇43和下唇44实现张合动作，口腔板41和横轴42用于固定上唇43、下唇44和减速电机412；另外，舵机Ⅰ47通过控制俯仰架48来调整摄像头411的俯仰角度，舵机Ⅱ49通过控制转动装置410来实现摄像头411的左右转动。 

参看附图9，机械臂5包括与机械颈3相连的上臂51、通过转轴与上臂51相连的下臂52、与下臂52相连的手腕53、设置在上臂51内部的大扭矩直流减速电机54、齿轮、设置在下臂52内部的直流减速电机55和齿轮，大扭矩直流减速电机54和直流减速电机55能够带动齿轮转动，进而实现上臂51与下臂52的屈伸动作。

参看附图10，机械手6包括手掌、手指和控制手套，手掌包括连接板61、掌壳62和安装在掌壳62内并与手指相连的摆指装置，手指包括至少两个指关节63和设置在相邻指关节63之间的屈指装置；摆指装置包括减速电机Ⅰ64、减速电机Ⅰ64的固定架65、与减速电机Ⅰ64轴接的齿轮Ⅰ66、与齿轮Ⅰ66啮合的冠齿轮Ⅰ67、与冠齿轮Ⅰ67同轴连接的编码盘Ⅰ、与冠齿轮Ⅰ67相连的摇摆杆68以及设置在手指与掌壳62之间的推力轴承，减速电机Ⅰ64依次带动齿轮Ⅰ66、冠齿轮Ⅰ67和摇摆杆68进行运动，手指被对应的摇摆杆68带动而进行摇摆动作；屈指装置包括相邻指关节63之间的连接轴69、减速电机Ⅱ610、与减速电机Ⅱ610轴接的齿轮Ⅱ611、与齿轮Ⅱ611啮合并与连接轴69同轴的冠齿轮Ⅱ612以及与冠齿轮Ⅱ612轴接的编码盘Ⅱ，冠齿轮Ⅱ612与指关节63的内壁固定连接，减速电机Ⅱ610依次带动齿轮Ⅱ611和冠齿轮Ⅱ612进行运动，冠齿轮Ⅱ612可以带动指关节63围绕连接轴69进行相对转动，进而表现为指关节63的弯折动作，编码盘Ⅰ和编码盘Ⅱ能够分别测量冠齿轮Ⅰ66和冠齿轮Ⅱ611的转动量并进行信息反馈。

参看附图2，机器人主体还包括主控模块以及分别与主控模块相连的感应模块、人机交互模块、无线通讯模、电源模块、视频模块、音频模块和人脸识别模块，主控模块包括内嵌式工控机和单片机，人机交互模块包括设置在机械腰侧面的触摸屏模块和显示模块，用于显示产品信息。

感应模块包括虚拟现实技术模块、弯曲传感器、超声波传感器、红外传感器、陀螺仪、光电编码器74、电位器、电子尺28、触觉传感器和加速度传感器，虚拟现实技术模块能够构建出机器人主体的现实工作空间所对应的虚拟空间，并结合感应模块中各传感器的检测信息来制定出最优行走路线，从而实现精确导航和自主避障，机器人主体的空间位置和路径信息同步显示在远程交互平台，弯曲传感器设置在控制手套上，使用者戴上手套后所做的手部动作信息被弯曲传感器检测到并传输到机械手6并使后者做出同步动作，超声波传感器用于远距离目标的距离测量和位置测量，红外传感器用于近距离目标的距离测量和位置测量，两者互相配合可以精确锁定目标位置，实现目标跟踪的功能，陀螺仪设置在机械腰2的顶板27上，用于检测机器人主体运动时的角速度和机械腰2的倾斜角度，光电编码器74与驱动轮72相连，用于反馈直流无刷电机71的转动量信号，电子尺28设置在直线推杆Ⅰ21和直线推杆Ⅱ32的侧壁上，用于反馈直线推杆Ⅰ21和直线推杆Ⅱ32的伸缩位移量，电位器设置在机械臂5内部并分别与大扭矩直流减速电机54、直流减速电机55以及单片机相连，用于输出与所需位移量成一定关系的电压，触觉传感器用于判断机器人主体是否接触物体，加速度传感器用于检测机器人主体行进时的加速度，内嵌式工控机将感应模块各传感器检测到的信息进行综合，通过虚拟现实技术使迎宾机器人在特定区域内进行精确的行走并控制在触摸屏模块上显示位置信息。 

无线通讯模块通过无线通信网络平台与远程交互平台进行通讯，无线通信网络平台采用ZigBee平台，遵从ZigBee协议，最大传输距离为1200m；电源模块包括蓄电池、备用电池和直流稳压模块，蓄电池提供的电源通过直流稳压模块降压整流，获得5V、12V、19V的电压，为迎宾机器人工作提供能量，当蓄电池没有电时，备用电源开始供电；视频模块包括与摄像头411相连的视频采集卡和分类器，摄像头411负责采集图像信息，通过对具体事物的观测得到时间和空间分布的信息，在已知训练样本所属类别的条件下设计分类器，待检样本经过预处理、选择与提取特征后进入分类器，通过该分类器对待识别样本进行识别，得到分类结果或识别结果，并将相应信息传输至内嵌式工控机，再由软件分辨处理后发出相应动作指令或反馈信息；音频模块包括语音识别模块和语音模块，语音识别模块用于储存、识别和输出词汇，语音模块利用语音识别功能将接收到的语音信号转换成文本***，语音识别模块包括语音采样训练***和语音识别***，负责采集周围的声音信息，将特定的声音信息传输至内嵌式工控机，由相应软件分辨处理后发出相应动作指令或反馈信息，语音模块自动增益控制电路、麦克风前置放大器、扬声器驱动线路、振荡器、内存、高音质语音录放电路和声音合成***，在内嵌式工控机的统一协调控制下，发出声音，可实现唱歌、问候以及基本的交谈；人脸识别模块包括与摄像头相连并设置在内嵌式工控机内的图像存储模块和图像对比模块，可以识别新老客户并与老客户对话或者为新客户建立客户档案。

本发明结构精巧、动作灵活、仿真度高，支持无线远程控制与信息传输，能够很好地实现路径规划、自主导航、人脸识别、人机对话以及迎宾待客等多种功能，各部分结构可以多自由度活动，具体来讲，移动装置能够使机器人主体自由移动，机械腰2和机械颈3不仅可以伸缩，而且可以向任意角度倾斜，机械头可以俯仰和转动，机械臂5和机械手6可以摆动和弯折。

上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (9)

1.一种机器人，包括机器人主体以及通过无线通信网络平台与机器人主体进行通讯的远程交互平台，其特征在于：所述机器人主体包括移动装置和移动装置上方的功能模块，所述移动装置包括机械腿、机械腿下端的底盘、设置在底盘内部的直流无刷电机、直流无刷电机驱动器、与直流无刷电机相连的驱动轮和万向轮，所述功能模块包括多自由度的机械腰、机械颈、机械头、机械臂和机械手。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述机械腰包括至少三个并联的直线推杆Ⅰ、通过十字万向节设置在直线推杆Ⅰ底端的底板、依次通过球面轴承和弹簧设置在所述直线推杆Ⅰ顶端的顶板、套设在弹簧外部的旋筒以及用于控制所述直线推杆Ⅰ的电机驱动装置；所述机械颈包括支座、至少三套设置在支座上面的直线推杆Ⅱ和横向设置在所述直线推杆Ⅱ顶端的颈位板；所述机械头包括两个对称设置在所述颈位板上面的口腔板、通过横轴设置在两个口腔板之间的上唇和下唇、与上唇和下唇均相切的凸轮、与凸轮轴接且设置在口腔板侧壁上的减速电机、上唇和下唇之间的拉簧、口腔板顶端的托板、托板上的舵机Ⅰ、由舵机Ⅰ控制的俯仰架、设置在俯仰架上的舵机Ⅱ、由舵机Ⅱ控制的转动装置以及设置在转动装置上的两个摄像头；所述机械臂包括与所述机械颈相连的上臂、通过转轴与上臂相连的下臂、与下臂相连的手腕、设置在上臂内部的大扭矩直流减速电机、齿轮、设置在下臂内部的直流减速电机和齿轮；所述机械手包括手掌、手指和控制手套，所述手掌包括连接板、掌壳和安装在掌壳内并与所述手指相连的摆指装置，所述手指包括至少两个指关节和设置在相邻指关节之间的屈指装置。

3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于：所述摆指装置包括减速电机Ⅰ、减速电机Ⅰ的固定架、与减速电机Ⅰ轴接的齿轮Ⅰ、与齿轮Ⅰ啮合的冠齿轮Ⅰ、与冠齿轮Ⅰ同轴连接的编码盘Ⅰ、与冠齿轮Ⅰ相连的摇摆杆以及设置在所述手指与所述掌壳之间的推力轴承。

4.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于：所述屈指装置包括相邻指关节之间的连接轴、减速电机Ⅱ、与减速电机Ⅱ轴接的齿轮Ⅱ、与齿轮Ⅱ啮合并与所述连接轴同轴的冠齿轮Ⅱ以及与冠齿轮Ⅱ轴接的编码盘Ⅱ，所述冠齿轮Ⅱ与所述指关节的内壁固定连接。

5.根据权利要求4所述的机器人，其特征在于：所述机器人主体还包括主控模块以及分别与所述主控模块相连的感应模块、人机交互模块块、无线通讯模、电源模块、视频模块、音频模块和人脸识别模块，所述主控模块包括内嵌式工控机和单片机，所述人机交互模块包括设置在所述机械腰侧面的触摸屏模块和显示模块。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于：所述感应模块包括虚拟现实技术模块、弯曲传感器、超声波传感器、红外传感器、陀螺仪、光电编码器、电位器、电子尺、触觉传感器和加速度传感器，所述弯曲传感器设置在所述控制手套上，所述陀螺仪设置在所述机械腰的顶板上，所述光电编码器与所述驱动轮相连，所述电子尺设置在所述直线推杆Ⅰ和直线推杆Ⅱ的侧壁上，所述电位器设置在所述机械臂内部并分别与所述大扭矩直流减速电机、直流减速电机以及单片机相连。

7.根据权利要求6所述的机器人，其特征在于：所述无线通讯模块通过所述无线通信网络平台与所述远程交互平台进行通讯，所述无线通信网络平台采用ZigBee平台。

8.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于：所述的电源模块包括蓄电池、备用电池和直流稳压模块。

9. 根据权利要求8所述的机器人，其特征在于：所述视频模块包括与所述摄像头相连的视频采集卡和分类器，所述音频模块包括语音识别模块和语音模块，所述人脸识别模块包括与所述摄像头相连并设置在内嵌式工控机内的图像存储模块和图像对比模块。

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