专利名称：多点感应触摸机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及家用机器人，具体涉及一种多点感应触摸机器人。
背景技术：
随着机器人技术的发展，家用机器人逐渐走入普通人的家庭。家用机器人是为人类服务的特种机器人，从事家庭服务，维护、保养、修理、运输、清洗、监护等工作，除了上述功能，有的家用机器人还用于家庭娱乐，与人进行交流沟通。另外一方面，人们通过视觉、听觉、触觉等收集外界的信息，由大脑产生正确的思考从而认识外界事物。例如触觉就是一种非常重要的感觉。肌肤的接触能使人产生一种愉悦感；孩子如果经常得到父母的抚摸，会发育得更健康。当孩子单独在家时，通过这类机器人进行互动，作为情感交流的伙伴，可以消除孤独感。但是，现今的这类机器人在动作、感觉和情感表达方面还有很大的可完善性。待解决的问题包括感应触摸机器人立体式多点感应触控系统的多维角度伸展及运用；感应触摸机器人的语音识别数量，背景噪音进一步过滤；感应触摸机器人多人多语言混合识别； 感应触摸机器人触摸交互动态界面的输入和数据文件的自动运行的开发；感应触摸机器人混合情感状态时的情绪动作产生。
实用新型内容针对上述问题，本实用新型主要运用了电容式感应触摸技术、背景噪音滤波技术、 立体式多点感应触控技术、弹性导体连接技术、触摸交互动态界面的输入和数据文件的自动生成技术、灯光柔性过滤技术，提出一种多点感应触摸机器人，其包括头部结构，其包括头部外壳以及设置在头部外壳内的由上主板系统8控制的头部上下旋转装置3和LED矩阵系统11，所述头部上下旋转装置3包括头部上下旋转驱动电机 10 ；连接结构，其连接头部结构和身体结构；身体结构，其包括身体外壳以及设置在身体外壳内的下主板系统14控制的头部左右旋转装置17，所述头部左右旋转装置17包括头部左右旋转驱动电机4 ；手臂结构，其包括左手臂和右手臂，左手臂设置有左手臂旋转机构22来控制左手臂旋转，右手臂设置有右手臂旋转机构18来控制右手臂旋转。本实用新型的有益效果包括本实用新型的多点感应触摸机器人围绕着感觉与情感两个方面展开，通过感觉系统与人交互，其中采用了多通道人机交互技术，利用多个感觉和效应通道的并行和协作进行交互，这类似于人的信息传输信息在神经系统中的传输，是由不同的感觉通道，传输不同的信息。本实用新型的多点感应触摸机器人在速度、节奏、灯光等多种手段的配合下，可以表现不同的情感，塑造不同的人的性格和形象，展示复杂的心境和情感冲突，能够与人互动以及能对周围环境做出响应，从而可以很好的引起人们的感情共鸣。集中体现了当今人机交互传感技术和网络技术的发展前沿。本实用新型的多点感应触摸机器人具有立体式多点感应触控系统，实现了触控系统从平面到立体的功能改进，增强了人机交互触摸技术的实用性。触摸感应采用弹性导体连接，提高触摸的可靠性。采用步进电机的开环控制方式，使机器人达到指定转动角度的情况下，使系统成本降低。采用新型三维多角度变速结构形式，使其活动有更大的灵活性。采用微型步进电机，有效减少噪音，降低成本，适合批量化生产。使用灯光柔性过滤技术，使嘴灯光线更加柔和，使其交互更人性化。
图1A-1D分别是本实用新型的外部结构的右视图、正视图、左视图和后视图；图2A是本实用新型的外部结构的正视图，图2B是沿图2A中的剖线A-A的截面图， 图2C是沿图2B中的剖线b-b的截面图；图3是本实用新型的内部结构示意图；图4是本用新型的上主板系统的结构示意图；图5是本用新型的下主板系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对多点感应触摸机器人进行详细描述。图1A-1D显示了本实用新型的多点感应触摸机器人的外部结构，如图所示，外壳 (包括头部外壳、身体外壳幻可以是塑料、金属等，优选地为双色注塑工艺，亚克利透明层。脖子上设置有旋转装置，使得头部结构相对于身体结构可转动。左耳朵20和右耳朵16具有红外传感器，来感应物体的靠近。嘴部内设置有LED矩阵系统，用来展现嘴部表情，通过灯光过滤技术，可以准确清晰的表现各种表情。本实用新型的机器人设置有开关指示灯用来指示机器人的开关。本实用新型的机器人的电源输入接收12V电源，支持采用内置电池和插电两种方式。下面参照图2A-2C来详细描述本实用新型的多语音感应触摸机器人的功能。机器人主要包括头部结构，连接结构，身体结构，手臂结构，底部结构。头部外壳1和2采用双色注塑工艺制成。身体外壳5采用高强度韧性好ABS工程塑料。机器人的头部可以通过连接机构，即脖子处的旋转装置相对于机器人的身体进行转动。脖子中设置有位于头部结构内的头部上下旋转装置3和位于身体结构内的头部左右旋转装置17。所述头部上下旋转装置3控制头部上下旋转，使得头部可以上下旋转25度，旋转精度可以精确到0.5度，配合下面所述的头部左右旋转装置17可以准确表达机器人的动作表情。所述头部上下旋转装置3包括头部上下旋转驱动电机10，头部上下转动机构电机10 连接有转轴机构21，用于控制头部上下运动。头部上下转动机构电机10采用超静音步进电机，可有效减少噪音，降低成本，寿命长适合批量化生产。所述头部左右旋转装置17使得头部可以左右各旋转88度，旋转精度可以精确到 0. 5度，配合上面所述头部上下旋转装置3可以准确表达机器人的动作表情。所述头部左右旋转装置17包括头部左右旋转驱动电机4，头部左右旋转驱动电机4连接到机器人的脖子。头部左右旋转驱动电机4采用超静音步进电机，低噪音低成本，寿命长利于批量生产。所述头部上下旋转装置3和所述头部左右旋转装置17可同时操作头部的运动。头部外壳内设置有上主板系统8，其实现头部所有功能，及头部和身体的通讯功能。上主板系统8包括上主板MCU、马达控制模块、I2C总线与下主板系统通讯模块、红外线模块、嘴灯模块，如图4所示。身体外壳5内设置有下主板系统14，其实现身体所有功能，及头部和身体的通讯功能。下主板系统14包括马达控制模块、触摸模块、I2C总线与上主板通讯模块、语音输入模块、下主板MCU、音频跟随模块、存储模块、功放模块、语音识别模块、音频输入模块，如图5所示。其中，马达控制模块采用PWM控制技术，驱动采用复合管驱动使上述驱动电机无噪声地稳定运行。触摸模块采用电容感应式触摸技术和弹性导体连接技术，使触摸的可靠性得到大幅度提高。I2C总线通讯模块是用于上、下主板系统8和14通过1 总线进行通讯，在稳定性不变的情况下，使系统的复杂程度大大降低。语音输入模块用于接收来自外部的语音，其采用背景噪声滤波技术，使语音输入信号更加清晰，使多语音识别率大大提升。音频跟随模块对外部音频信号进行处理，经过变换电路放大、滤波、限幅和检波， 变成与音乐幅度的对数成比例的检波信号送到下主板MCU的高速A/D转换接口，通过分析来控制机器人跟随音乐进行动作。存储模块用于存储大量的动态文件，以备上主板MCU和下主板MCU随时调用，本实用新型的机器人还支持外部Flash存储器。功放模块用于通过D类功率放大器实现功率的放大。语音识别模块采用多语音识别技术，实现对中、英、德三国语言的识别，在非特定人状态下识别率为96%，特定人状态下识别率为98%，并且对背景杂音有很好的抗干扰性。红外模块采用红外传感技术，可以检测到机器人周围的人为干预，使人机交互更加人性化。嘴灯模块根据Ekman归纳的六种基本情绪模型(喜、悲、怒、恐怖、惊讶、厌恶)，采用LED，基于柔性过滤技术，表现六种基本情绪。头部外壳内设置有头部感应触控系统9 (优选设置在额头处)，其为立体式多点电容感应式触摸传感器，用来感应头部的触摸，并将信号传输至上主板系统8。身体外壳5内设置有身体感应触控系统13(优选设置在肚子处)，其为立体式多点电容感应式触摸传感器，用来感应头部的触摸，并将信号传输至下主板系统14。嘴灯模块用来控制LED矩阵系统11，采用灯光过滤技术，可以准确清晰的表现各种表情。头部设有左耳朵20和右耳朵16，它们具有红外传感器，用于感应物体靠近，把信息通过红外模块传送到上主板MCU，上主板MCU产生相应信号来控制机器人的头部和手臂运动。身体外壳5的两侧有左喇叭M和右喇叭19，分别控制左、右声道，用来接收下主控系统发出的声音，并播放。优选地，左喇叭M和右喇叭19内设置有高保真立体声系统。另外，机器人的右手臂设置有右手臂旋转机构18。通过右手臂旋转机构18可以控制右手臂在手臂所在平面上旋转200度的角度，右手臂旋转机构18上设置有音量调节装置，从而可以调节声音大小。机器人的左手臂设置有左手臂有旋转机构22，通过该旋转机构可以控制左手臂旋转200度的角度，向下主板系统14发送信号。底部结构15为配重模块，用于保持身体的稳定性。身体支架6用于支撑身体和头部。弹性导体12用于将身体感应触控系统13连接到下主板系统14，采用弹性导体连接技术，使安装方便快速可靠。本实用新型的机器人具有接口系统7，用于控制外部的信号输入系统，其包括电源系统、外部音频输入系统和USB通讯系统。所述USB通信系统通过USB接口 23，用来与上位机进行通信。本实用新型的机器人支持具有USB接口，利用上位机或电脑通过该USB接口可以对机器人进行数据更新。本实用新型的机器人还可以支持外部存储，例如支持SD卡。图3显示了本实用新型的内部结构示意图，在此不再赘述。下面举例说明多点触摸机器人的动作和发声原理1、根据音乐的节奏展示各种动作，在播放音乐时做出头部转动，上下快慢运动，嘴灯闪烁等跟随音乐的表现。本实用新型的机器人通过音频输入接口接收到来自外部的音频时，下主控系统14 的音频跟随模块将音频经过放大、滤波、限幅和检波，变成与音乐幅度的对数成比例的检波信号送到下主板MCU的高速A/D转换接口，通过下主板MCU分析后，通过马达控制模块来控制机器人的头部上下旋转装置3和头部左右旋转装置17，以及左右臂，使得机器人跟随音乐进行动作。包括控制机器人随着音乐自然律动，抬头、低头、摇动、转动、斜左转、斜右转。2、具有丰富的情绪表达能力，可以表现出高兴、愤怒、喜悦、悲哀等多种情绪，并发展出不同程度的表达。本实用新型的机器人采用多语音技术，当人说话时，通过语音识别模块可以进行汉语、英语、德语三种语言的识别，并进行简单对话。3、无噪音电机设计，机器人身上布满传感器，触摸到机器人的头部和肚子部位时， 它能做出不同的反应，并且发出声音。当人触摸到额头、小肚子时，头部感应触控系统9和身体感应触控系统13产生触摸信号，并分别发送给上主板系统8和下主板系统14。上主板系统8通过上主控MCU控制马达控制模块，来通过头部上下旋转装置3转动头部，或者通过嘴灯模块控制LED矩阵系统11，产生表情，例如当感应到人触摸的力度超过一阈值时，产生怒的表情。下主板系统14通过下主控MCU控制马达控制模块，来通过头部左右旋转装置17 旋转头部以及左右臂，并且可以控制左喇叭19和右喇叭M播放出相应声音。下主板系统 14也可以将信号发送至上主板系统8，来控制LED矩阵系统11产生各种表情。另外，当物体靠近左、右耳朵时，红外传感器把信息传递给下主板系统14，可以与上述相同的方式来控制机器人的动作、表情和声音。4、转动左右臂，可产生不同动作。转动机器人右臂时，通过机器人右臂上设置的音量调节开关将信号发送给下主板系统14，下主板系统14通过下主控MCU调节左右喇叭的音量。转动机器人左臂时，控制信号传输给下主板系统14，下主板系统14通过下主控 MCU控制左右胳膊和机器人头部的左右转动，并且可以经由下主板系统8，来控制机器人的头部的左右转动和表情，从而使得机器人表演一段舞蹈。综上所述，本实用新型的多点触摸机器人的内部整体系统，由驱动电机机构，表情阵列机构，二自由度转动机构，手臂转动机构，及硬件电路结构，声音感应装置，感应触摸机构，红外装置，上下通讯装置，电源组成。机器人由头部结构，连接结构，身体结构，手臂结构，底部结构组成。多点触摸机器人通过电容感应式触摸传感器，红外传感器，声音传感器，温度传感器组成的传感器引导系统，在驱动与高速MCU控制支配下，组合机光电一体，完成触摸互动、语音对话、音乐舞动动作，从而组成多点触摸机器人系统。由于采用立体式多点感应触控系统，弹性导体连接技术及灯光柔性过滤技术，提高了触摸与机器交互性能及触摸可靠性，从而保证了多点触摸机器人处于最佳的运行状态。结合形态仿生学，抽象出符合人类审美要求的机器人外形，给人以亲切感、安全感和舒适感；研究仿人形机器人的骨骼结构、面部器官和前肢的运动范围与规律，规划出机器人眼球、眼睑、下颚、颈部及前肢的空间位置、驱动部件和传动机构，规划机器人的各种传感器和控制模块；利用仿人的基本动作、语音命令，复合出一些情感动作。本实用新型还具有如下优点1、多点感应触摸机器人通过背景噪音滤波技术，实现多语种(中、英、德)识别， 使其识别率提高。2、多点感应触摸机器人采用立体式多点感应触控系统，实现了触控系统从平面到立体的功能改进，增强了人机交互触摸技术的实用性。3、多点感应触摸机器人通过一些特殊的处理方法产生的控制代码来控制LED嘴灯的闪烁感应。从而实现感应触摸与机器人表情反应跟随的实时交互。4、触摸感应采用弹性导体连接，提高触摸的可靠性。5、多点感应触摸机器人运用触摸交互动态界面技术和数据文件的自动生成技术。6、多点感应触摸机器人采用步进电机的开环控制方式，使机器人达到指定转动角度的情况下，使系统成本降低。(本公司国内首创)7、多点感应触摸机器人基于Ekman归纳的六种基本情绪模型(喜、悲、怒、恐怖、惊讶、厌恶)，采用了基于模糊规则的模糊控制系统作为从情感到动作的控制模型，不仅定性和定量地得到了多语音感应触摸机器人最后的情绪执行动作，而且还考虑了混合情感状态时的情绪动作产生功能的开发。8、多点感应触摸机器人采用新型三维多角度变速结构形式，使其活动有更大的灵活性。9、多点感应触摸机器人动力系统采用微型步进电机，有效减少噪音，降低成本，适
合批量化生产。10、多点感应触摸机器人使用灯光柔性过滤技术，使嘴灯光线更加柔和，使其交互更人性化。11、多点感应触摸机器人实现了外观无螺钉孔设计。(达到国际同类产品先进水平)12、多点感应触摸机器人解决了灯光与音乐的同步性，视觉和听觉的和谐统一，频率范围0. 5-30HZ。
权利要求1.一种多点感应触摸机器人，其特征在于，包括头部结构，其包括头部外壳以及设置在头部外壳内的由上主板系统(8)控制的头部上下旋转装置C3)和LED矩阵系统(11)，所述头部上下旋转装置C3)包括头部上下旋转驱动电机(10)；连接结构，其连接头部结构和身体结构；身体结构，其包括身体外壳以及设置在身体外壳内的下主板系统(14)控制的头部左右旋转装置(17)，所述头部左右旋转装置(17)包括头部左右旋转驱动电机；手臂结构，其包括左手臂和右手臂，左手臂设置有左手臂旋转机构02)来控制左手臂旋转，右手臂设置有右手臂旋转机构(18)来控制右手臂旋转。
2.根据权利要求1所述的多点感应触摸机器人，其特征在于，所述头部结构设置有头部感应触控系统(9)，其为立体式多点电容感应式触摸传感器， 将来自头部的触摸信号传输至上主板系统(8)。
3.根据权利要求1所述的多点感应触摸机器人，其特征在于，所述身体结构设置有身体感应触控系统(13)，其为立体式多点电容感应式触摸传感器，将来自身体的触摸信号传输至下主板系统(14)。
4.根据权利要求2或3所述的多点感应触摸机器人，其特征在于，所述上主板系统(8) 包括产生头部结构的控制信号并接收数据信号的上主板MCU ；马达控制模块，其电连接到所述上主板MCU，来控制所述头部上下旋转驱动电机(10)； 1 总线与下主板系统通讯模块，其与所述下主板系统(14)通信； 红外线模块，其电连接到所述上主板MCU，将感测到的物体远近的信号传送给所述上主板MCU ；以及嘴灯模块，其电连接到所述上主板MCU，所述嘴灯模块用于控制LED矩阵系统(11)。
5.根据权利要求2或3所述的多点感应触摸机器人，其特征在于，所述下主板系统 (14)包括产生身体结构的控制信号并接收数据信号的下主板MCU ；马达控制模块，其电连接到所述下主板MCU，来控制所述头部左右旋转驱动电机(4)； 触摸模块，其接收所述头部感应触控系统(9)和所述身体感应触控系统(1 的信号， 并传送给所述下主板MCU;1 总线与上主板通讯模块，其与所述上主板系统(8)通信； 语音输入模块，其接收外部的音频输入，并将信号传送给所述下主板MCU ； 音频跟随模块，其对外部音频信号进行处理，经过处理转换成与音乐幅度的对数成比例的检波信号送到所述下主板MCU ； 存储动态文件的存储模块；功放模块，其放大声音信号并传送至所述下主板MCU ；以及语音识别模块，用于识别外部的语音信号并传送至所述下主板MCU。
6.根据权利要求5所述的多点感应触摸机器人，其特征在于，所述身体感应触控系统(1 通过弹性导体(1 连接到下主控系统(14)。
7.根据权利要求1所述的多点感应触摸机器人，其特征在于，所述多点感应触摸机器人还包括底部结构，其具有用于保持机器人身体的稳定性的配重。
8.根据权利要求1所述的多点感应触摸机器人，其特征在于，所述头部结构设置左耳朵00)和右耳朵(16)，它们具有红外传感器，用于感应物体靠近，把信号传送到所述上主板MCU。
9.根据权利要求1所述的多点感应触摸机器人，其特征在于，所述左手臂旋转机构0 驱动控制左手臂旋转，以驱动头部上下旋转驱动电机(10) 和头部左右旋转装置(17)令机器人头部进行运动。
10.根据权利要求1所述的多点感应触摸机器人，其特征在于， 所述右手臂旋转机构(18)驱动右手臂旋转来调节机器人声音大小。
专利摘要一种多点感应触摸机器人，包括头部结构，其包括头部外壳以及设置在头部外壳内的由上主板系统(8)控制的头部上下旋转装置(3)和LED矩阵系统(11)，所述头部上下旋转装置(3)包括头部上下旋转驱动电机(10)；连接结构，其连接头部结构和身体结构；身体结构，其包括身体外壳以及设置在身体外壳内的下主板系统(14)控制的头部左右旋转装置(17)，所述头部左右旋转装置(17)包括头部左右旋转驱动电机(4)；手臂结构，其包括左手臂和右手臂，左手臂设置有左手臂旋转机构(22)来控制左手臂旋转，右手臂设置有右手臂旋转机构(18)来控制右手臂旋转。所述机器人实现了触控系统从平面到立体的功能改进。
文档编号G06F3/16GK202123513SQ20112014504
公开日2012年1月25日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者丰卉 申请人:富通彗(北京)科技有限公司