CN109420343A - 机械仿生动物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械仿真动物，包括仿生动物躯干、颈部组件、头部组件以及与仿生动物躯干相适应的肢体组件；头部组件通过颈部组件与仿生动物躯干相连接；肢体组件对称设置于仿生动物躯干上，肢体组件包括大腿骨架、小腿骨架、足架、第一舵机和第二舵机，大腿骨架的一端通过第一舵机与仿生动物躯干转动连接，小腿骨架的一端通过第二舵机与大腿骨架的另一端转动连接，小腿骨架的另一端与足架固定连接；以通过第一舵机和第二舵机仿真动物的髋关节和膝关节而驱动大腿骨架和小腿骨架前后摆动且互不干扰，进而使大腿骨架和小腿骨架的运动呈现多种姿态，肢体动作灵活性强，使得仿真效果更加逼真。

Description

机械仿生动物

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机械仿生动物。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，现代生活中机器人技术的应用日益增多。其中机械仿生动物对于机器人课程的教学起着不可忽视的作用，仿生动物的肢体动作的协调性、连贯性相比工业机器人较强。然而，目前的机械仿生动物机构复杂而动作简单、肢体的动作幅度有限且灵活性较差，不能有效拓展多种运动轨迹的研究项目，无法满足教学的需要；阻碍了机械仿生动物的结构和控制理论的进一步发展。

发明内容

基于此，有必要提供一种结构简单且灵活程度较高的机械仿生动物。

一种机械仿生动物，包括仿生动物躯干、颈部组件、头部组件以及与所述仿生动物躯干相适应的肢体组件；所述头部组件通过所述颈部组件与所述仿生动物躯干相连接；所述肢体组件对称设置于所述仿生动物躯干上，所述肢体组件包括大腿骨架、小腿骨架、足架、第一舵机和第二舵机，所述大腿骨架的一端通过所述第一舵机与所述仿生动物躯干转动连接，所述小腿骨架的一端通过所述第二舵机与所述大腿骨架的另一端转动连接，所述小腿骨架的另一端与所述足架固定连接；所述第一舵机用于驱动所述大腿骨架相对于所述仿生动物躯干前后摆动，所述第二舵机用于驱动所述小腿骨架相对于所述大腿骨架前后摆动，以使所述肢体组件完成肢体动作。

在其中一个实施例中，所述肢体组件还包括第一舵机安装座和第二舵机安装座，所述第一舵机通过所述第一舵机安装座固定于所述仿生动物躯干的底部，所述第二舵机通过所述第二舵机安装座固定于所述大腿骨架靠近所述小腿骨架的一端。

在其中一个实施例中，所述第一舵机具有第一输出轴，所述第一输出轴与所述大腿骨架固定连接；所述第二舵机具有第二输出轴，所述第二输出轴与所述小腿骨架固定连接。

在其中一个实施例中，所述肢体组件还包括第一连接臂和第二连接臂；所述第一连接臂的两端分别与所述第一输出轴和所述大腿骨架固定相连；所述第二连接臂的两端分别与所述第二输出轴和所述小腿骨架固定相连。

在其中一个实施例中，所述颈部组件包括第三舵机、舵盘；所述第三舵机设置在所述仿生动物躯干的颈部位置，所述舵盘固定在所述第三舵机的输出轴上，所述头部组件设置于所述舵盘上；所述第三舵机用于驱动所述舵盘相对于所述仿生动物躯干旋转而使所述头部组件做摇头动作。

在其中一个实施例中，所述头部组件包括第四舵机、舵机安装座以及头部骨架，所述第四舵机通过所述舵机安装座固定于所述舵盘上，所述头部骨架固定于所述第四舵机的输出轴上；所述第四舵机用于驱动所述头部骨架相对于所述仿生动物躯干上下摆动而使所述头部骨架做点头动作。

在其中一个实施例中，所述第四舵机与所述舵盘呈锐角设置，以使所述头部骨架偏离所述舵盘的旋转轴线而倾向远离所述仿生动物躯干的一侧。

在其中一个实施例中，所述头部组件还包括眼部模组，所述眼部模组包括LED灯珠、光电传感器和摄像头中的至少一个。

在其中一个实施例中，所述机械仿生动物还包括颈部壳体、头部壳体以及设于所述仿生动物躯干上的仿真动物尾巴；所述颈部壳体包覆于所述颈部组件上，所述头部壳体包覆于所述头部组件上，所述头部壳体上于所述眼部模组处设有开口。

在其中一个实施例中，所述仿生生物躯干包括躯干底板、躯干侧板及躯干壳体，所述躯干侧板侧立于所述底板远离所述颈部组件的一端，所述躯干底板、所述躯干侧板和所述躯干壳体围合形成腔体，所述腔体内设置有电池及电路板。

本发明提供的机械仿生动物，通过第一舵机和第二舵机仿真动物的髋关节和膝关节，以分别驱动大腿骨架和小腿骨架实现前后摆动的动作而互不干扰；进而使大腿骨架和小腿骨架的运动呈现多种姿态，肢体动作灵活性强，使得仿真效果更加逼真。

附图说明

图1为本发明一实施方式的仿真机械动物整体结构示意图；

图2为图1中示出的仿真机械动物的分解结构示意图；

图3为图1中示出的仿真机械动物的内部结构示意图；

图4为图2和图3中示出的肢体组件的分解结构示意图；

图5为图2和图3中示出的颈部组件和头部组件的连接结构示意图；

图6为图5中示出的颈部组件和头部组件的分解结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明一实施方式的机械仿生动物，包括仿生动物躯干100、颈部组件200、头部组件300以及肢体组件400；其中，头部组件300通过颈部组件200与仿生动物躯干100相连接；肢体组件400与仿生动物躯干100相适应，也就是说，对于仿生动物的种类不同，肢体组件400的数量及安装位置可以做适应性调整；需要说明的是，本实施例中，仿生动物指的是具有偶数个肢体组件400的动物，肢体组件400是对称设置于仿生动物躯干100上，以维持机械仿真动物肢体运动的协调性，可以理解的，在机械仿真动物具有四只腿时，上述的对侧设置是指前肢彼此对称设置，后肢彼此对侧设置。比如所仿真的动物为狗、猫、猪、牛等具有四腿的动物时，上述的肢体组件400的数量与仿真动物相适应，且分别设置在仿真动物躯干的四肢相对应处，在此不再一一赘述。

结合图3所示，在上述实施方式中，肢体组件400包括大腿骨架440、小腿骨架480、足架490、第一舵机410和第二舵机460，大腿骨架440的一端通过第一舵机410与仿生动物躯干100转动连接，小腿骨架480的一端通过第二舵机460与大腿骨架440的另一端转动连接，小腿骨架480的另一端与足架490固定连接；第一舵机410用于驱动大腿骨架440相对于仿生动物躯干100前后摆动，第二舵机460用于驱动小腿骨架480相对于大腿骨架440前后摆动，以使肢体组件400完成肢体动作。

具体的，上述实施方式中，由于大腿骨架440和小腿骨架480分别通过第一舵机410和第二舵机460实现前后摆动的动作，这时，第一舵机410和第二舵机460类似于动物的髋关节和膝关节，使得大腿骨架440和小腿骨架480可以多角度摆动而互不干扰，进而实现大腿骨架440和小腿骨架480的运动呈现多种姿态，肢体动作灵活性强，使得仿真效果更加逼真。

结合图4所示，在一些实施方式中，肢体组件400还包括第一舵机安装座430和第二舵机安装座450，进而可以通过第一舵机安装座430将第一舵机410固定在仿生动物躯干100的底部，并通过第二舵机安装座450将第二舵机460固定在大腿骨架440靠近小腿骨架480的一端。可以理解的，第一舵机410具有第一输出轴411，第一输出轴411与大腿骨架440固定连接；第二舵机460具有第二输出轴461，第二输出轴461与小腿骨架480固定连接。进而在需要调节大腿骨架440的运动姿态时，第一舵机410的第一输出轴411转动，由于第一舵机410固定在仿生动物躯干100的底部，因此，大腿骨架440可相对于仿生动物躯干100摆动；相应的，与大腿骨架440相连的小腿骨架480也随大腿骨架440摆动，并在第二舵机460的驱动下，使得小腿骨架480可以相对于大腿骨架440摆动；配合大腿骨架440相对于仿生动物躯干100和小腿骨架480相对于大腿骨架440的摆动，机械仿真动物便可做出多种姿态，比如下蹲、卧地、抬腿等模仿动物姿态，使仿真效果更逼真。

具体的，在一些实施方式中，第一舵机安装座430具有侧壁431和底壁432，侧壁431和底壁432围合成一上方开口的槽体，第一舵机410安装在该槽体内，并通过侧壁431往外开设的耳部4311固定于仿生动物躯干100的底部。可以理解的，侧壁431上预留有凹槽4312，使第一舵机410的第一输出轴411露出于凹槽4312而驱动大腿骨架440相对于仿生动物躯干100前后摆动。

在一些实施方式中，肢体组件400还包括第一连接臂420和第二连接臂470；第一连接臂420的两端分别与第一输出轴411和大腿骨架440固定相连；第二连接臂470的两端分别与第二输出轴461和小腿骨架480固定相连。本实施方式中，第一连接臂420的一端具有第一轴套421，另一端具有第一安装孔422，第一轴套421套设固定在第一输出轴411上，穿过第一安装孔422的连接件将第一连接臂420固定在大腿骨架440上；相应的，第二连接臂470的一端具有第二轴套471，另一端具有第二安装孔472，第二轴套471套设固定在第二输出轴461上，穿过第二安装孔472的连接件将第二连接臂470固定在小腿骨架480上。此时，第一输出轴411和第二输出轴461转动时，可以分别通过第一连接臂420和第二连接臂470驱动相应的大腿骨架440和小腿骨架480摆动。

具体的，大腿骨架440包括底板441和两侧板442，底板441的两端分别与两侧板442连接，以两侧板围成“U”字形结构。相应的，在与第一连接臂420相固定的侧板442上设置通孔，该通孔的位置和第一连接臂420上的第一安装孔422相对，以使连接件可以穿过第一安装孔422和通孔将第一连接臂420和侧板442固定连接。需要说明的是，连接件可以是螺钉或螺栓一类的销钉结构，也可以是指焊接所形成的连接结构，也就是说，第一连接臂420可以跟大腿骨架440一体成型，也可以通过第一连接臂420将大腿骨架440连接在第一输出轴411上，以便于大腿骨架440与第一舵机410的安装与拆卸，从而便于维护，而且，通过第一连接臂420上第一安装孔422和侧板442上的通孔位置设置，可以将第一连接臂420连接在侧板442的不同位置，进而可以适应性调节第一舵机410和大腿骨架440的组装位置，满足仿真多种动物的需要。

可以理解的，小腿骨架480可以采用与大腿骨架440相同的结构，即小腿骨架480也包括底板481和两侧板482，底板481的两端分别与两侧板482连接，以两侧板围成“U”字形结构，在此不再一一赘述。

需要说明的是，上述实施方式中，大腿骨架440的侧板设有第一轴套定位孔4421，小腿骨架480的侧板上设有第二轴套定位孔4821。第一连接臂420和大腿骨架440连接时，第一连接臂420上的第一轴套421定位在第一轴套定位孔4421内，第二连接臂470和小腿骨架480连接时，第二连接臂470上的第二轴套471定位在第二轴套定位孔4821内。通过第一轴套定位孔4421可以快速将第一连接臂420上的第一安装孔422与大腿骨架440上的通孔对准，从而提高第一连接臂420与大腿骨架440的装配效率；相应的，通过第二轴套定位孔4821可以快速将第二连接臂470上的第二安装孔472与小腿骨架480上的通孔对准，从而提高第二连接臂470与小腿骨架480的装配效率，。

在一些实施方式中，大腿骨架440的底板441上和小腿骨架480的底板481上分别开设有连接孔，以便将第二舵机安装座450安装在大腿骨架440上，具体的，第二舵机安装座450于大腿骨架440的底板上的连接孔相对处设有第一连接部451，通过第一连接部451与连接孔的连接而将第二舵机安装座450固定在大腿骨架440的底板上。相应的，足架490与小腿骨架480连接的一侧设有第二连接部491，第二连接部491与小腿骨架480的底板上的连接孔相连接而将足架490固定在小腿骨架480上。

上述实施方式中，足架490包括支撑件492和足底板493，支撑件492固定于足底板493上，第二连接部491设于支撑件492的顶部。具体的，在本实施方式中，支撑件492呈倒“U”字形。

结合图5和图6所示，在一些实施方式中，颈部组件200包括第三舵机203、舵盘204；第三舵机203设置在仿生动物躯干100的颈部位置，舵盘204固定在第三舵机203的输出轴上，头部组件300设置于舵盘204上；第三舵机203用于驱动舵盘204相对于仿生动物躯干100旋转而使头部组件300做摇头动作。具体的，第三舵机203通过安装架202固定在仿生动物躯干100上，使得第三舵机203通过第三舵机203的输出轴驱使舵盘204旋转，进而安装在舵盘204上的头部组件300相对于仿生动物躯干100转动而仿真摇头效果。

在一些实施方式中，头部组件300包括第四舵机305、舵机安装座306以及头部骨架302，第四舵机305通过舵机安装座306固定于舵盘204上，头部骨架302固定于第四舵机305的输出轴305a上；第四舵机305用于驱动头部骨架302相对于仿生动物躯干100上下摆动而使头部骨架302做点头动作。具体的，舵机安装座306包括第一夹板306a、第二夹板306b和连接板306c，第一夹板306a和第二夹板306b平行设置于连接板306c的两端，且于第一夹板306a和第二夹板306b之间形成安装第四舵机305的空间，第四舵机305远离输出轴305a的一侧305b固定于第一夹板306a和第二夹板306b之间。连接板306c与舵盘204固定连接，以在第三舵机203转动舵盘204时，舵机安装座306带动第四舵机305绕第三舵机203的输出轴旋转，进而配合第四舵机305驱动头部骨架302上下摆动动作，头部组件300可以相对于仿生动物躯干100做摇头、点头的系列动作，进而实现头部组件300和颈部组件200的同步协调动作而呈现各种姿态，使得模仿动物的头部动作更加逼真。

如图5所示，在一些实施方式中，第四舵机305与舵盘204呈锐角设置，例如第四舵机305和舵盘204之间的夹角∠M为30°，以使头部骨架302偏离舵盘204的旋转轴线而倾向远离仿生动物躯干100的一侧，更接近仿真动物的颈部构造。

在一些实施方式中，头部骨架302具有架体302a和两耳部302b，两耳部302b分别设于架体302a的两侧，以连接第四舵机305的输出轴305a。具体的，第四舵机305的输出轴305a套接有连杆307，连杆307固定在其中一耳部302b上，进而第四舵机305转动时，带动头部骨架302摆动。需要说明的是，头部骨架302可以是由板材切割并弯折而成的一体结构，也可以是有多个构件相互连接而成，在此不作限制；其中架体302a可以根据仿真动物的外形适应性设置成一定的形状或结构，在此不再一一赘述。

在一些实施方式中，头部组件300还包括眼部模组，眼部模组包括LED灯珠、光电传感器和摄像头中的至少一个。可以理解的，眼部模组通过安装板304固定在头部骨架302上，具体的，眼部模组通过安装板304固定在架体302a上。如图3、图5和图6所示，眼部模块包括LED灯珠303的情形，LED灯珠303安装在安装板304上，并相应的位于与仿真动物躯体相适应的眼部位置。需要说明的是，当眼部模组包括光电传感器和/或摄像头时，通过光电传感器和/或摄像头采集的光电传感信息和图像信息可以作为肢体组件400、头部组件300和颈部组件200动作的参考，进行躲避障碍物，调节运动姿态或进行攀爬等模拟，使得机械仿真动物可以根据环境调节运动轨迹及姿势，使仿真效果更逼真。

可以理解的，在一些实施方式中，如图2所示，机械仿生动物还包括颈部壳体201、头部壳体301以及设于仿生动物躯干100上的仿真动物尾巴500；颈部壳体201包覆于颈部组件200上，头部壳体301包覆于头部组件300上。使所仿真的动物具有较真的外形，提高仿真动物的观赏性，以获得更加真实的体验。本实施方式中，头部壳体301上于眼部模组处设有开口301a，以供眼部模组可以通过开口301a形成仿真动物的眼部。

结合图3所示，在一些实施方式中，仿生生物躯干包括躯干底板103、躯干侧板105及躯干壳体，躯干侧板105侧立于躯干底板103远离颈部组件200的一端，躯干底板103、躯干侧板105和躯干壳体围合形成腔体，腔体内设置有电池104及电路板。其中，电路板包括安装在躯干底板103上的控制板109以及位于仿真生物躯干背部的接线板107，接线板107上设有多个接口108，以便于各组件的电控端口相连，提高可拆卸性，而且可以通过不同接口108进行多种功能拓展，以使机械仿真动物可以进行多种动物姿态的模仿。在本实施方式中，躯干侧板105的顶部开设卡槽106，以供仿真动物尾巴500的根部501卡设固定在仿生动物躯干100上。躯干壳体可以包括上壳体101和下壳体102，上壳体101和下壳体102分别扣接在躯干底板103的上方和下方，分开设置的壳体便于安装，且可以针对不同的仿真动物快速更换，以实现不同动物的外形仿真效果。

需要说明的是，上述实施方式中，肢体组件400和颈部组件200与仿真动物躯干的连接，可以根据仿真动物躯干的结构进行相应的安装；如将肢体组件400和颈部组件200分别安装于躯干底板103的下表面和上表面，具体的，第一舵机410通过第一舵机安装座430固定在躯干底板103的下表面上，第三舵机203通过安装架202固定在躯干底板103的上表面。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种机械仿生动物，包括仿生动物躯干、颈部组件、头部组件以及与所述仿生动物躯干相适应的肢体组件；所述头部组件通过所述颈部组件与所述仿生动物躯干相连接；所述肢体组件对称设置于所述仿生动物躯干上，其特征在于，所述肢体组件包括大腿骨架、小腿骨架、足架、第一舵机和第二舵机，所述大腿骨架的一端通过所述第一舵机与所述仿生动物躯干转动连接，所述小腿骨架的一端通过所述第二舵机与所述大腿骨架的另一端转动连接，所述小腿骨架的另一端与所述足架固定连接；所述第一舵机用于驱动所述大腿骨架相对于所述仿生动物躯干前后摆动，所述第二舵机用于驱动所述小腿骨架相对于所述大腿骨架前后摆动，以使所述肢体组件完成肢体动作。

2.根据权利要求1所述的机械仿生动物，其特征在于，所述肢体组件还包括第一舵机安装座和第二舵机安装座，所述第一舵机通过所述第一舵机安装座固定于所述仿生动物躯干的底部，所述第二舵机通过所述第二舵机安装座固定于所述大腿骨架靠近所述小腿骨架的一端。

3.根据权利要求1所述的机械仿生动物，其特征在于，所述第一舵机具有第一输出轴，所述第一输出轴与所述大腿骨架固定连接；所述第二舵机具有第二输出轴，所述第二输出轴与所述小腿骨架固定连接。

4.根据权利要求3所述的机械仿生动物，其特征在于，所述肢体组件还包括第一连接臂和第二连接臂；所述第一连接臂的两端分别与所述第一输出轴和所述大腿骨架固定相连；所述第二连接臂的两端分别与所述第二输出轴和所述小腿骨架固定相连。

5.根据权利要求1所述的机械仿生动物，其特征在于，所述颈部组件包括第三舵机、舵盘；所述第三舵机设置在所述仿生动物躯干的颈部位置，所述舵盘固定在所述第三舵机的输出轴上，所述头部组件设置于所述舵盘上；所述第三舵机用于驱动所述舵盘相对于所述仿生动物躯干旋转而使所述头部组件做摇头动作。

6.根据权利要求5所述的机械仿生动物，其特征在于，所述头部组件包括第四舵机、舵机安装座以及头部骨架，所述第四舵机通过所述舵机安装座固定于所述舵盘上，所述头部骨架固定于所述第四舵机的输出轴上；所述第四舵机用于驱动所述头部骨架相对于所述仿生动物躯干上下摆动而使所述头部骨架做点头动作。

7.根据权利要求6所述的机械仿生动物，其特征在于，所述第四舵机与所述舵盘呈锐角设置，以使所述头部骨架偏离所述舵盘的旋转轴线而倾向远离所述仿生动物躯干的一侧。

8.根据权利要求1所述的机械仿生动物，其特征在于，所述头部组件还包括眼部模组，所述眼部模组包括LED灯珠、光电传感器和摄像头中的至少一个。

9.根据权利要求8所述的机械仿生动物，其特征在于，所述机械仿生动物还包括颈部壳体、头部壳体以及设于所述仿生动物躯干上的仿真动物尾巴；所述颈部壳体包覆于所述颈部组件上，所述头部壳体包覆于所述头部组件上，所述头部壳体上于所述眼部模组处设有开口。

10.根据权利要求1-9任一项所述的机械仿生动物，其特征在于，所述仿生生物躯干包括躯干底板、躯干侧板及躯干壳体，所述躯干侧板侧立于所述底板远离所述颈部组件的一端，所述躯干底板、所述躯干侧板和所述躯干壳体围合形成腔体，所述腔体内设置有电池及电路板。