一种模仿帝机器人的制作方法

本实用新型涉及一种娱乐用设备，尤其是涉及一种模仿帝机器人。

背景技术：

机器人是综合了人的特长和机器特长的一种拟人电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程的产物，它是工业以及非 产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。发展机器人技术可以解放大量地劳动力，节省了人力及物力，对国民发展起到不 可估量的因素。

目前，仿人体行动的机器人应用领域涉及很多方面，例如机器人会执行任务，如开车、在不平坦的地面行走、清理残骸、打穿一面墙、关闭阀门、连接消防水管。更有甚者，这些仿人体行动的机器人将应用于战场：美国国会曾通过法案规定：到2015年前，1/3的地面战斗将使用机器人士兵。为此投入美国历史上最大的单笔军备研究费1270亿美元，以完成未来战场上士兵必须完成的一切战斗任务，包括进攻、防护、寻找目标。据悉，美军未来一个旅级作战单元，将至少包括151个机器人战士。

这意味着仿人体行动的机器人有着巨大的发展前景，但是我国这类机器人的相关活动数据较少，发展较为缓慢，然而近年来，不少娱乐活动都有模仿秀这类节目，通过给予嘉宾一个动作命令的指示，模仿得最像的得以胜出，其观赏性和有趣性都吸引了众多观众的观看与参与，而这种节目正是活动数据采集非常好的来源，通过机器人来模仿人类活动，不但增加了这类节目的观赏性，还能够采集大量人体活动的数据，可用于医疗、军事等其他科研方面的研究。

然而我国在这方面的技术仍然处于相对空白，而国外的kinect技术虽然比较便利，但是在应用上比较单一，一般只能用于游戏娱乐领域，因此错过了采集大量良好活动数据的机会，故需要新技术来改变这一局面。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的技术问题，改善技术缺陷造成的不便之处，本实用新型提出一种实用的、使用效果好的新方案，具体内容如下：

一种模仿帝机器人，包括机器人、感应器、摄像头和电脑，其特征在于，所述的机器人由头部、躯干、四肢以及支架组成，所述的支架安装在躯干后部，延伸出脚架支撑在底面，所述的感应器为5个穿戴式感应器，所述的摄像头与电脑连接。

所述的机器人的头部设置有高清摄像传感装置、无线电收发端口以及中央处理器，其头部底端设置有一个具有前后摆动、左右摆动和水平旋转3个自由度的颈部关节，所述的躯干在腰部位置设置有4段腰关节，每一段腰关节规格相同，所述的腰关节由伺服电机驱动，可进行前后摆动、左右摆动和水平旋转3个自由度的活动，上述任意一个腰关节以及高清摄像传感装置都与中央处理器连接。

所述的四肢分别为两条手臂以及两条腿，所述的手臂分别设置在躯干上部两侧，设置有肩关节、肘关节以及腕关节3个由伺服电机驱动的关节，每一个关节都具有左右摆动、前后摆动以及水平旋转3个自由度，所述的腿设置在躯干底面两侧，设置有髋关节、膝关节以及踝关节3个由伺服电机驱动的关节，每一个关节都具有左右摆动、前后摆动以及水平旋转3个自由度，上述任意一个关节都与中央处理器连接。

所述的支架连接在躯干的后胸处，设置于腰部的4段关节的上方，并且向外延伸35cm，延伸的末端设置有可进行垂直摆动、左右摆动以及左右旋转的机械关节，所述的机械关节往躯干两侧各延伸出两根脚架支撑在底面上，所述的脚架可进行长度调整，通过弹簧卡笋定位，每侧的两根脚架依据如下特征支撑：两根脚架贴边于机器人躯干侧方，分别向前和向后延伸，向前延伸的脚架其与躯干竖直方向上的夹角为38°，向后延伸的脚架其与躯干竖直方向上的夹角为52°。

所述的摄像头为kinect部件，用于采集使用者行动的图像数据。

所述的电脑通过蓝牙方式与感应器连接，通过无线电方式与机器人连接，将kinect采集的图像数据转化为参考系数据，并与感应器采集的参考系数据进行比对，将比对结果转化为各个关节摆动、旋转角度的命令信号，并将该命令信号通过无线电方式发送至机器人的中央处理器，中央处理器将该命令信号进行识别，并转化为对应的每一个关节伺服电机活动的指令，由伺服电机完成指令的执行。

本实用新型具有如下优势：

1、结构相对简单，制造成本不高，便于推广；

2、对使用者肢体活动的识别精度增加，便于更好地模仿使用者的活动方式；

3、趣味性强，可以最大限度模仿使用者的动作，有比较好的视觉效果；

4、能将活动数据参数化，便于对这些数据进行采集和后续研究。

附图说明

图1为本实用新型的机器人结构图。

图2为本实用新型伺服电机驱动的关节活动示意图。

图3为本实用新型系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本实用新型的实施方式进行说明。

请参照附图1所示，一种模仿帝机器人，包括机器人、感应器、摄像头和电脑，其特征在于，所述的机器人由头部1、躯干2、四肢3以及支架4组成，所述的支架4安装在躯干2后部，延伸出脚架402支撑在底面，所述的感应器为5个穿戴式感应器，所述的摄像头与电脑连接。

所述的机器人的头部1设置有高清摄像传感装置101、无线电收发端口以及中央处理器，其头部1底端设置有一个具有前后摆动、左右摆动和水平旋转3个自由度的颈部关节102，所述的躯干2在腰部位置设置有4段腰关节103，每一段腰关节103规格相同，所述的腰关节103由伺服电机驱动，可进行前后摆动、左右摆动和水平旋转3个自由度的活动，上述任意一个腰关节103以及高清摄像传感装置101都与中央处理器连接。

当正常运作的时候，该头部的高清摄像传感装置101相当于使用者的“眼睛”，如果使用者不佩戴视觉设备，那么这些采集到的视频信息将只会被传输到电脑处，而头部1的活动，则会根据使用者的头部活动情况进行动作。

所述的四肢3分别为两条手臂301以及两条腿302，所述的手臂301分别设置在躯干2上部两侧，设置有肩关节303、肘关节304以及腕关节305等3个由伺服电机驱动的关节，每一个关节都具有左右摆动、前后摆动以及水平旋转3个自由度，所述的腿302设置在躯干2底面两侧，设置有髋关节306、膝关节307以及踝关节308等3个由伺服电机驱动的关节，每一个关节都具有左右摆动、前后摆动以及水平旋转3个自由度，上述任意一个关节都与中央处理器连接。

这样设计，能够在最少关节数的前提下，最大限度模仿被模仿者的四肢活动情况，如抬起大腿、屈膝、曲踝、抬手等动作，活动性比较高，并且采用了伺服电机驱动，能够最精确地令关节活动在每一度都与被模仿者同步。

请结合附图1所示，所述的支架4连接在躯干2的后胸处，设置于腰部的4段腰关节103的上方，并且向外延伸35cm，延伸的末端设置有可进行垂直摆动、左右摆动以及左右旋转的机械关节401，此关节结构与万向节一致，不同之处在于在其中一个关节上，追加了可以绕定轴旋转的旋转关节，所述的机械关节401往躯干2两侧各延伸出两根脚架402支撑在底面上，所述的脚架402可进行长度调整，通过弹簧卡笋定位，每侧的两根脚架402依据如下特征支撑：两根脚架402贴边于机器人躯干2侧方，分别向前和向后延伸，向前延伸的脚架402其与躯干2竖直方向上的夹角为38°，向后延伸的脚架402其与躯干2竖直方向上的夹角为52°。

因为要模仿人的肢体动作，那么机体最大部分机能用在了活动关节上，实际上在保持平衡这方面就会十分困难，如果在设计时考虑到机器人站立的平衡问题，那么需要加大机器人本身配件数量以及程序设计的工作量，无疑增加了该机器人的设计制造成本。

从设计角度来说，本实用新型的目的在于采集人体肢体活动的数据，而不是在于完全仿真的程度，并且如果要达到模仿效果，某些高难度动作一般机器人甚至高级机器人都无法正确模仿，故此处采用了支架4作为辅助站立手段，且支架4因为在腰部延伸出去，又不在腰部关节处有阻挡，使得活动上不会有阻碍。并且，该支架4由于可以进行微调，所以在机器人进行低姿态姿势，如下蹲的时候，支架可以顺着往下沉，使得机器人不会被架空而是依旧不离地，模仿效果更佳真实。

所述的感应器为可穿戴式的头环、腕环以及踝环，穿戴用的带子长度可调，上述的任意一项都在中部都设置有位置传感器、蓝牙模块以及微处理器，所述的位置传感器的位置感应原理为：

头环建立参考系，并以此基准原点，所述头环的位置传感器具有高度感应器，能感应到距离地面的高度，以此定位Z轴，并且该感应器在穿戴时，位置传感器处于额头正中位置，面向的方向设定为X轴，则左右两向设置为Y轴；

腕环以及踝环的佩戴方式不限，通过探测与头环参考系之间的位置关系，定位踝关节以及腕关节的位置，微处理器将计算好的坐标信息通过蓝牙模块传送出去。

电脑采集人体活动数据，以坐标数据作为基准来反馈给机器人的各个伺服电机，令其作出对应的动作，此处举例说明感应器工作原理：

比如使用者处于低头状态，那么实际上额头处头环的感应器是面朝底面，那么除了本身作为参考原点的位置不变之外，还会给参考系追加一个头的俯倾角度，使得四肢的传感器的参考建立在使用者真实活动状态之上，令四肢的传感器的数据在参照时，不会出现“手脚分离”等不符合实际情况的坐标数据，从而使得机器人模仿更加精确。

所述的摄像头为kinect部件，用于采集使用者行动的图像数据。

由于视觉采集组件可以直接应用Kinect作为捕捉被模仿者肢体动作的方式，成本较低，且获得方式方便，能够在任何情况下在不经过调试之后，依然能够马上应用到该实用新型上，并且捕捉的图像命令数据的准确度较高，可以作为与精确坐标数据对比的一个重要依据。

请参照附图3所示，所述的电脑通过蓝牙方式与感应器连接，通过无线电方式与机器人连接，将kinect采集的图像数据转化为参考系数据，并与感应器采集的参考系数据进行比对，将比对结果转化为各个关节摆动、旋转角度的命令信号，并将该命令信号通过无线电方式发送至机器人的中央处理器，中央处理器将该命令信号进行识别，并转化为对应的每一个关节伺服电机活动的指令，由伺服电机完成指令的执行。

因为，在实际工作时，纯依照感应器的坐标数据，会因为一些不可预料的突发状况导致实际数据并不准确，例如佩戴方式不合理，会造成参考系可能产生数据混乱的情况，所以，通过kinect采集的图像数据与感应器采集的坐标数据进行比照，可以使得误差消除到最小的情况，令模仿的效果达到比较好的水平。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。