CN106493738A - 一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人，包括上身结构、腰板和下身结构；上身结构为框架式结构，包括外形模拟人体上半身形状的主框架，主框架包括头部、肩部和胸腹部，腰板水平设置，上身结构中的胸腹部连接所述腰板；所述下身结构左右对称设置，包括大腿结构、小腿结构和脚部结构；本发明能够实现仿人行走，在行走的过程中模拟人膝盖弯曲的动作，并且进一步能够模拟膝盖弯曲一侧的腿向前行走、另一侧的腿暂时不向前行走的动作，实现两条腿交替向前移动，仿人程度较以往得到了质的提高，能够更强烈、更持久地吸引幼儿的注意力，更便于向幼儿进行相关的讲解，提高幼儿对于科技的兴趣，增强幼儿的科学素养。

Description

一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种仿人行走的幼儿助教用机器人。

背景技术

随着经济社会的发展，机器人得到了日益广泛的应用。虽然目前我国还处于机器人应用的初始阶段，但机器人的应用已经能为各行各业带来巨大的经济利益。

在幼儿教育中，机器人还是一个新鲜事物。一些幼儿园应用了机器人模型，吸引了幼儿的注意力。由于机器人模型只是外形拟人，并不具备行动能力，因此幼儿很快就会失去对机器人模型的注意。市场上出现的一些能够前进的机器人，或者结构复杂、造价昂贵，或者不具备仿人行走的能力。

二胎政策放开后，每年新生婴儿可达到2000万以上，许多父母也越来越愿意为孩子的成长和教育花钱，但是目前市场上还缺少一种能够仿人行走的幼教用机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本较低并能够仿人行走的幼教用机器人，其大腿结构与小腿结构之间既能相对转动，又连接得稳定可靠。

为实现上述目的，本发明的一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人包括上身结构、腰板和下身结构；

上身结构为框架式结构，包括外形模拟人体上半身形状的主框架，主框架包括头部、肩部和胸腹部，肩部左侧连接有左后臂杆，肩部右侧连接有右后臂杆，左后臂杆的底端连接有左前臂杆，右后臂杆的底端连接有右前臂杆，左、右前臂杆向前伸出且二者之间连接有主托板；

所述腰板水平设置，上身结构中的胸腹部的底端连接所述腰板；所述下身结构左右对称设置，包括大腿结构、小腿结构和脚部结构；

大腿结构包括左大腿结构和右大腿结构，小腿结构包括左小腿结构和右小腿结构，脚部结构包括左脚部结构和右脚部结构；左大腿结构与右大腿结构左右对称设置，左小腿结构和右小腿结构左右对称设置，左脚部结构和右脚部结构左右对称设置；左大腿结构、右大腿结构、左小腿结构和右小腿结构均为框架式结构；

左大腿结构的顶部与所述腰板的左端部相连接，右大腿结构的顶部与所述腰板的右端部相连接；

所述左大腿结构的底部通过左销轴与左小腿结构的顶部转动连接，右大腿结构的底部通过右销轴与右小腿结构的顶部转动连接；所述左销轴与左小腿结构固定连接且左销轴与左大腿结构转动连接，所述右销轴与右小腿结构固定连接且右销轴与右大腿结构转动连接；

所述左大腿结构上设有左膝盖电机，左膝盖电机连接所述左销轴；所述右大腿结构上设有右膝盖电机，右膝盖电机连接所述右销轴；

所述脚部结构包括左右对称设置的左脚部结构和右脚部结构；左脚部结构包括左脚框架，左脚框架内设有左固定板，左固定板前方和后方的左脚框架分别安装有左行走轮，各左行走轮的轮轴上分别安装有左从动皮带轮；左固定板上安装有左行走电机，左行走电机的输出轴上安装有左主动皮带轮；左主动皮带轮与左从动皮带轮之间通过左传动皮带传动连接；左行走轮的底端向下伸出左脚框架并支撑在地面上；

右脚部结构包括右脚框架，右脚框架内设有右固定板，右固定板前方和后方的右脚框架分别安装有右行走轮，各右行走轮的轮轴上分别安装有右从动皮带轮；右固定板上安装有右行走电机，右行走电机的输出轴上安装有右主动皮带轮；右主动皮带轮与右从动皮带轮之间通过右传动皮带传动连接；右行走轮的底端向下伸出右脚框架并支撑在地面上；

所述腰板的左端部向下连接有左连接块，腰板的右端部向下连接有右连接块；大腿结构与小腿结构之间设有用于稳定大腿结构和小腿结构的两套连杆机构；两套连杆机构为左连杆机构和右连杆机构，左连杆机构和右连杆机构对称设置；

左连杆机构包括左上连杆和左下连杆，左上连杆的顶部与左连接块的后端部相铰接，左上连杆的底部与左下连杆相铰接；左小腿结构的顶部向后连接有凸出左小腿结构的左连接座，左下连杆的底部与左连接座相铰接；

右连杆机构包括右上连杆和右下连杆，右上连杆的顶部与右连接块的后端部相铰接，右上连杆的底部与右下连杆相铰接；右小腿结构的顶部向后连接有凸出右小腿结构的右连接座，右下连杆的底部与右连接座相铰接。

所述主托板的顶面前高后低设有坡度，且所述坡度小于等于3度；所述主容器的水平截面呈圆形，所述主容器中心处的竖向截面呈劣弧弓形。

所述左大腿结构的顶部与所述腰板的左端部固定连接。

所述左小腿结构内安装有用于监测左大腿结构与左小腿结构之间的相对角度的左角位移传感器，所述左大腿结构的底部向下铰接有第一左铰接杆，第一左铰接杆的底端铰接有第二左铰接杆，第二左铰接杆的底端连接所述左角位移传感器；

所述右小腿结构内安装有用于监测右大腿结构与右小腿结构之间的相对角度的右角位移传感器，所述右大腿结构的底部向下铰接有第一右铰接杆，第一右铰接杆的底端铰接有第二右铰接杆，第二右铰接杆的底端连接所述右角位移传感器。

本发明具有如下的优点：

本发明能够实现仿人行走，在行走的过程中模拟人膝盖弯曲（抬腿）的动作，并且进一步能够模拟膝盖弯曲一侧的腿向前行走、另一侧的腿暂时不向前行走的动作，实现两条腿交替向前移动，仿人程度较以往得到了质的提高，能够更强烈、更持久地吸引幼儿的注意力，更便于向幼儿进行相关的讲解，提高幼儿对于科技的兴趣，增强幼儿的科学素养。

上连杆、下连杆、左大腿结构和左小腿结构组成了一个平行四边行拉杆机构，从而使大腿结构与小腿结构之间的连接更为稳定可靠。

通过角位移传感器及其相关结构，本发明能够精确地对大腿结构与小腿结构之间的相对旋转角度进行监测与控制。

主容器中心处的竖向截面呈劣弧弓形，相较于呈优弧弓形时具有更好的稳定度。主托板的顶面前高后低设有坡度，从而能够防止在向前行走时主托板上承载的物品向前滑落，保证运送安全。当主托板上承载的物品向后滑动时，遇到挡檐后会被阻挡住，进一步保证了运送安全。另外，本发明结构较为简单，便于制造，成本较低，适于推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是图1中Ｂ处的放大图；

图4是图1中Ｃ处的放大图；

图5是图2中Ｄ处的放大图；

图6是右脚部结构的示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明的一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人包括上身结构、腰板1和下身结构；

上身结构为框架式结构，包括外形模拟人体上半身形状的主框架，主框架包括头部2、肩部3和胸腹部4，肩部3左侧连接有左后臂杆5，肩部3右侧连接有右后臂杆6，左后臂杆5的底端连接有左前臂杆7，右后臂杆6的底端连接有右前臂杆8，左、右前臂杆7、8向前伸出且二者之间连接有主托板9；

所述腰板1水平设置，上身结构中的胸腹部4的底端连接所述腰板1；所述下身结构左右对称设置，包括大腿结构、小腿结构和脚部结构；

大腿结构包括左大腿结构23和右大腿结构24，小腿结构包括左小腿结构25和右小腿结构26，脚部结构包括左脚部结构和右脚部结构；左大腿结构23与右大腿结构24左右对称设置，左小腿结构25和右小腿结构26左右对称设置，左脚部结构和右脚部结构左右对称设置；左大腿结构23、右大腿结构24、左小腿结构25和右小腿结构26均为框架式结构；

左大腿结构23的顶部与所述腰板1的左端部相连接，右大腿结构24的顶部与所述腰板1的右端部相连接；

所述左大腿结构23的底部通过左销轴27与左小腿结构25的顶部转动连接，右大腿结构24的底部通过右销轴28与右小腿结构26的顶部转动连接；所述左销轴27与左小腿结构25固定连接且左销轴27与左大腿结构23转动连接，所述右销轴28与右小腿结构26固定连接且右销轴28与右大腿结构24转动连接；

所述左大腿结构23上设有左膝盖电机，左膝盖电机连接所述左销轴27；所述右大腿结构24上设有右膝盖电机，右膝盖电机连接所述右销轴28；

所述脚部结构包括左右对称设置的左脚部结构和右脚部结构；左脚部结构包括左脚框架29，左脚框架29内设有左固定板30，左固定板30前方和后方的左脚框架29分别安装有左行走轮31，各左行走轮31的轮轴上分别安装有左从动皮带轮32；左固定板30上安装有左行走电机，左行走电机的输出轴上安装有左主动皮带轮34；左主动皮带轮34与左从动皮带轮32之间通过左传动皮带33传动连接。左行走轮31的底端向下伸出左脚框架29并支撑在地面上，左脚框架29内设有与左行走电机相连接的左蓄电池；

右脚部结构包括右脚框架35，右脚框架35内设有右固定板36，右固定板36前方和后方的右脚框架35分别安装有右行走轮37，各右行走轮37的轮轴上分别安装有右从动皮带轮38；右固定板36上安装有右行走电机，右行走电机的输出轴上安装有右主动皮带轮39；右主动皮带轮39与右从动皮带轮38之间通过右传动皮带40传动连接；右行走轮37的底端向下伸出右脚框架35并支撑在地面上，右脚框架35内设有与右行走电机相连接的右蓄电池，左、右蓄电池为左、右行走电机提供电能。电机与蓄电池均为常规部件，图未示所述左、右膝盖电机，左、右行走电机以及左、右蓄电池。

所述主托板9的顶面前高后低设有坡度，且所述坡度小于等于3度，所述主托板9的后端向上凸起设有挡檐41。

所述主容器13的水平截面呈圆形，所述主容器13中心处的竖向截面呈劣弧弓形。经试验，主容器13中心处的竖向截面呈劣弧弓形，相较于呈优弧弓形时具有更好的稳定度。

主托板9的顶面前高后低设有坡度，从而能够防止在向前行走时主托板9上承载的物品向前滑落，保证运送安全。当主托板9上承载的物品向后滑动时，遇到挡檐41后会被阻挡住，进一步保证了运送安全。

所述左大腿结构23的顶部与所述腰板1的左端部固定连接。

所述左小腿结构25内安装有用于监测左大腿结构23与左小腿结构25之间的相对角度的左角位移传感器42，所述左大腿结构23的底部向下铰接有第一左铰接杆43，第一左铰接杆43的底端铰接有第二左铰接杆44，第二左铰接杆44的底端连接所述左角位移传感器42；

所述右小腿结构26内安装有用于监测右大腿结构24与右小腿结构26之间的相对角度的右角位移传感器47，所述右大腿结构24的底部向下铰接有第一右铰接杆45，第一右铰接杆45的底端铰接有第二右铰接杆46，第二右铰接杆46的底端连接所述右角位移传感器47。角位移传感器为常规装置，具体结构不再详述。

所述腰板1的左端部向下连接有左连接块48，腰板1的右端部向下连接有右连接块49；大腿结构与小腿结构之间设有用于稳定大腿结构和小腿结构的两套连杆机构；两套连杆机构为左连杆机构和右连杆机构，左连杆机构和右连杆机构对称设置；

左连杆机构包括左上连杆50和左下连杆51，左上连杆50的顶部与左连接块48的后端底部相铰接，左上连杆50的底部左下连杆51相铰接；左小腿结构25的顶部向后连接有凸出左小腿结构25的左连接座52，左下连杆51的底部与左连接座52相铰接。

这样，左上连杆50、左下连杆51、左大腿结构23和左小腿结构25就组成了一个平行四边行拉杆机构，从而使大腿结构与小腿结构之间既能相对转动，又能稳定可靠地连接在一起。

右连杆机构包括右上连杆53和右下连杆54，右上连杆53的顶部与右连接块49的后端底部相铰接，右上连杆53的底部与右下连杆54相铰接；右小腿结构26的顶部向后连接有凸出右小腿结构26的右连接座，右下连杆54的底部与右连接座相铰接。图1和图2中，右连接座均被遮挡，图未示。

使用时，可以让机器人仅前后行走而不运送物品，也可以在主托板9放入演示用输送物品，然后交替启动左、右行走电机，并交替启动左、右膝盖电机。

左、右膝盖电机交替驱动左、右小腿结构25、26相对大腿结构旋转，从而模拟人抬腿行走的动作。左、右行走电机通过皮带传动结构驱动左、右从动皮带轮32、38旋转，从而带动左、右行走轮31、37旋转，左、右行走轮31、37带动本发明的一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人向前行走，将演示用输送物品送至指定的位置。

左、右膝盖电机转动时，左、右大腿结构23、24和左、右小腿结构25、26之间发生相对旋转，第一铰接杆和第二铰接杆将相对旋转运动转化为对角位移传感器的压力，从而使角位移传感器监测到大腿结构与小腿结构之间的相对旋转角度。

具体地，当左大腿结构23与左小腿结构25之间相对旋转（膝盖弯曲）时，左行走电机驱动左行走轮31向前移动一段距离；当左大腿结构23与左小腿结构25之间相对旋转（膝盖弯曲）至设定角度时，左膝盖电机和左行走电机停止动作，启动右膝盖电机和右行走电机。

当右大腿结构24与右小腿结构26之间相对旋转（膝盖弯曲）时，右行走电机驱动右行走轮37向前移动一段距离；当右大腿结构24与右小腿结构26之间相对旋转（膝盖弯曲）至设定角度时，右膝盖电机和右行走电机停止动作，在此期间左大腿结构23与左小腿结构25恢复直立的状态。

在左、右膝盖电机动作的同时，左、右行走电机配合动作，在大腿结构与小腿结构之间发生相对旋转（即膝盖弯曲）的同时，左、右行走轮31、37也跟着移动，从而模拟人迈步行走的动作。当然，本发明的动作与人行走的动作还是有不同之处，主要是迈步行走时，左、右行走轮31、37均不离开地面。即便如此，本发明的动作与以往相比，更为接近人的行走动作，仿人程度更高。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人，其特征在于：包括上身结构、腰板和下身结构；

上身结构为框架式结构，包括外形模拟人体上半身形状的主框架，主框架包括头部、肩部和胸腹部，肩部左侧连接有左后臂杆，肩部右侧连接有右后臂杆，左后臂杆的底端连接有左前臂杆，右后臂杆的底端连接有右前臂杆，左、右前臂杆向前伸出且二者之间连接有主托板；

所述腰板水平设置，上身结构中的胸腹部的底端连接所述腰板；所述下身结构左右对称设置，包括大腿结构、小腿结构和脚部结构；

大腿结构包括左大腿结构和右大腿结构，小腿结构包括左小腿结构和右小腿结构，脚部结构包括左脚部结构和右脚部结构；左大腿结构与右大腿结构左右对称设置，左小腿结构和右小腿结构左右对称设置，左脚部结构和右脚部结构左右对称设置；左大腿结构、右大腿结构、左小腿结构和右小腿结构均为框架式结构；

左大腿结构的顶部与所述腰板的左端部相连接，右大腿结构的顶部与所述腰板的右端部相连接；

所述左大腿结构的底部通过左销轴与左小腿结构的顶部转动连接，右大腿结构的底部通过右销轴与右小腿结构的顶部转动连接；所述左销轴与左小腿结构固定连接且左销轴与左大腿结构转动连接，所述右销轴与右小腿结构固定连接且右销轴与右大腿结构转动连接；

所述左大腿结构上设有左膝盖电机，左膝盖电机连接所述左销轴；所述右大腿结构上设有右膝盖电机，右膝盖电机连接所述右销轴；

所述脚部结构包括左右对称设置的左脚部结构和右脚部结构；左脚部结构包括左脚框架，左脚框架内设有左固定板，左固定板前方和后方的左脚框架分别安装有左行走轮，各左行走轮的轮轴上分别安装有左从动皮带轮；左固定板上安装有左行走电机，左行走电机的输出轴上安装有左主动皮带轮；左主动皮带轮与左从动皮带轮之间通过左传动皮带传动连接；左行走轮的底端向下伸出左脚框架并支撑在地面上；

右脚部结构包括右脚框架，右脚框架内设有右固定板，右固定板前方和后方的右脚框架分别安装有右行走轮，各右行走轮的轮轴上分别安装有右从动皮带轮；右固定板上安装有右行走电机，右行走电机的输出轴上安装有右主动皮带轮；右主动皮带轮与右从动皮带轮之间通过右传动皮带传动连接；右行走轮的底端向下伸出右脚框架并支撑在地面上；

所述腰板的左端部向下连接有左连接块，腰板的右端部向下连接有右连接块；大腿结构与小腿结构之间设有用于稳定大腿结构和小腿结构的两套连杆机构；两套连杆机构为左连杆机构和右连杆机构，左连杆机构和右连杆机构对称设置；

左连杆机构包括左上连杆和左下连杆，左上连杆的顶部与左连接块的后端部相铰接，左上连杆的底部与左下连杆相铰接；左小腿结构的顶部向后连接有凸出左小腿结构的左连接座，左下连杆的底部与左连接座相铰接；

右连杆机构包括右上连杆和右下连杆，右上连杆的顶部与右连接块的后端部相铰接，右上连杆的底部与右下连杆相铰接；右小腿结构的顶部向后连接有凸出右小腿结构的右连接座，右下连杆的底部与右连接座相铰接。

2.根据权利要求1所述的一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人，其特征在于：所述主托板的顶面前高后低设有坡度，且所述坡度小于等于3度；所述主容器的水平截面呈圆形，所述主容器中心处的竖向截面呈劣弧弓形。

3.根据权利要求1或2所述的一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人，其特征在于：所述左大腿结构的顶部与所述腰板的左端部固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种幼儿助教用双腿行走仿人教育机器人，其特征在于：

所述左小腿结构内安装有用于监测左大腿结构与左小腿结构之间的相对角度的左角位移传感器，所述左大腿结构的底部向下铰接有第一左铰接杆，第一左铰接杆的底端铰接有第二左铰接杆，第二左铰接杆的底端连接所述左角位移传感器；

所述右小腿结构内安装有用于监测右大腿结构与右小腿结构之间的相对角度的右角位移传感器，所述右大腿结构的底部向下铰接有第一右铰接杆，第一右铰接杆的底端铰接有第二右铰接杆，第二右铰接杆的底端连接所述右角位移传感器。