基于KE15Z的十一自由度体操机器人的制作方法

本实用新型涉及机械电子领域，具体地说，涉及一种应用于教学、娱乐的十一自由度竞技体操机器人机械结构及其控制系统。

背景技术：

竞技体操机器人是一个高技术的研究平台，通过机械结构设计、控制电路设计、软件设计，实现整个机器人的运动，并完成规定的舞蹈动作。

娱乐型竞技体操机器人机械结构设计中借鉴了人类的身体构造，与工业机器人相比，具有更强的娱乐性和灵活性。竞技体操机器人体积小、质量轻，通过简单的机械加工就可完成机械结构的制作，整个机械结构通过舵机连接，具有结构简单，材料、加工成本低，产品附加值高的特点。

在控制方面，采用了嵌入式系统，可以方便地根据需要对机器人进行编程，从而实现不同的动作。控制器将控制信号输出给舵机，通过舵机实现了各个关节的旋转运动，通过不同舵机间的配合实现整个机器人的协调运动。

通过研究和改进机器人的机械结构，控制电路、控制算法，能够推动仿人型机器人的研究水平。当前，竞技体操机器人在娱乐和青少年科普等领域有着越来越高的应用价值。未来，在家庭、娱乐等领域，体操机器人的研究成果将具备广泛的应用前景，借助语音识别、图像识别、模式识别等技术，将使得机器人更加智能，能够在更多的领域代替人类。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于设计一种十一个自由度的竞技体操机器人的机械结构及其控制系统。其采用的技术方案如下：

本实用新型机器人机械结构具备十一个自由度，主要由头部舵机、颈部连接件、肩部构件、上臂连接件、上臂舵机、肘部上板、肘部下板、下臂舵机、腕部连接件、手部构件、肩部连接件、电池仓、胸部舵机、胸腹连接件、腹部舵机、腰部连接件、胯部平板、大腿连接件、控制电路板、大腿舵机、膝盖上板、膝盖下板、小腿舵机、脚腕连接件、脚步构件组成。所有舵机齿轮与舵机轮盘内齿轮孔过盈配合，头部舵机、颈部连接件与肩部构件、肩部连接件通过螺栓连接，通过头部舵机的往复运动实现点头动作。上臂连接件通过螺丝与舵机齿轮盘固定后与上臂舵机连接，通过上臂舵机旋转实现胳膊的抬起与放下。肘部上板与肘部下板平齐固定，上臂与下臂通过螺栓连接起来。下臂舵机通过螺丝与肘部下板连接，通过下臂舵机旋转实现招手动作。下臂舵机使用螺丝固定在腕部连接件上，腕部连接件使用螺栓与手部构件连接，手部构件在俯卧撑及侧手翻时起支撑作用。电池仓使用螺栓固定在手部构件下侧，在手臂抬起时可利用电池重量改变重心。肩部连接件通过螺丝与胸部舵机连接，胸部舵机旋转可使双臂向前或向后抬起。使用螺丝通过胸腹连接件将胸部舵机与腹部舵机连接在一起，使整个躯干直立；腹部舵机通过螺丝与腰部连接件连接，通过腹部舵机旋转实现弯腰俯身动作。腰部连接件通过螺栓固定在胯部平板上，将整个上半身与平板固定在一起。控制电路板使用螺栓固定在胯部平板下方，用于对动作代码进行解析，并产生舵机控制信号。大腿连接件使用螺丝与大腿舵机连接，并通过螺栓固定在胯部平板两端，大腿舵机旋转可实现腿部向外侧劈叉运动。大腿舵机底部使用螺丝与膝盖上板连接。膝盖上板与膝盖下板通过螺栓十字交叉连接，形成膝盖结构，对机身起支撑作用。膝盖下板通过螺丝与小腿舵机连接，小腿舵机旋转可实现向前或向后踢腿。小腿舵机底部通过螺栓与脚腕连接件连接，脚腕连接件固定在脚步构件中心，将整个机身直立固定。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型相比传统的十自由度体操机器人设计方案，在头部增加了一个自由度，能够完成点头，或配合机身其他结构完成更多类型的创意动作。控制电路基于NXP KE15Z设计，并建立完善的KE15Z运行程序库。KE15Z电路板电源兼容DC 5v和3.3v，该器件具有最大256KB的闪存和32KB SRAM，以及可以扩展非常丰富的模拟和数字外设，可以轻松访问MCU I/O引脚。此款MCU产品采用ARM Cortex-M0+内核，运行频率为72MHz，不仅具备更加强大的性能，还拥有更高的存储容量，并集成了更多的抗干扰IP，为机器人的运动控制提供了充分的保障。关节处采用TS-315型总线舵机，相比传统的数字舵机，可以大大减少连线的数量，使机器人外形更佳整洁，减少因线束过多导致动作过程中的约束。

附图说明

图1：本实用新型基于NXP KE15Z十一自由度体操机器人外观结构示意图。

图2：本实用新型基于NXP KE15Z十一自由度体操机器人系统结构示意图。

符号说明

1、头部舵机；2、颈部连接件；3、肩部构件；4、上臂连接件；5、上臂舵机；6、肘部上板；7、肘部下板；8、下臂舵机；9、腕部连接件；10、手部构件；11、肩部连接件；12、电池仓；13、胸部舵机；14、胸腹连接件；15、腹部舵机；16、腰部连接件；17、胯部平板；18、大腿连接件；19、控制电路板；20、大腿舵机；21、膝盖上板；22、膝盖下板；23、小腿舵机；24、脚腕连接件；25、脚步构件。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明：如图1、图2所示，本实用新型主要由头部舵机1、颈部连接件2、肩部构件3、上臂连接件4、上臂舵机5、肘部上板6、肘部下板7、下臂舵机8、腕部连接件9、手部构件10、肩部连接件11、电池仓12、胸部舵机13、胸腹连接件14、腹部舵机15、腰部连接件16、胯部平板17、大腿连接件18、控制电路板19、大腿舵机20、膝盖上板21、膝盖下板22、小腿舵机23、脚腕连接件24、脚步构件25组成。其中头部一个自由度，躯干两个自由度，左右手臂各两个自由度，左右腿各两个自由度。该结构可以完成点头、鞠躬、挥手、侧手翻、倒立、前后滚翻、俯卧撑等动作。其中点头动作，通过头部舵机1往复转动实现。鞠躬动作，腹部舵机15向前旋转至垂直，后恢复直立，完成鞠躬动作。挥手动作，上臂舵机5抬起后下臂舵机8抬起放下往复运动，实现挥手动作。左侧手翻动作，左臂水平抬起，右臂举过头顶，左大腿舵机20向外侧运动，此时机身由于重心向左侧偏移，整个机身向左侧翻转后，右手构件10接触地面与左手构件支撑，此时为倒立状态，左臂向地面顶起，右腿放下支撑，机身继续翻转，左臂收回，右臂与右腿先后收回，完成左侧手翻动作，右侧手翻同理。前滚翻动作，胸部舵机13、腹部舵机15向前旋转至垂直，左右脚25向前倾斜，左右手10支撑地面后机身向前倒下，左右臂张开，胸部舵机13、腹部舵机15向反方向旋转，整个躯干与腿部被甩至前方，脚部舵机与胸部舵机13、腹部舵机15同时复位，恢复站立，后滚翻同理。俯卧撑动作，胸部舵机13、腹部舵机15向前旋转至垂直，左右脚25向前倾斜，左右手10支撑地面后机身向前倒下，左右下臂舵机5往复伸展并收回，实现俯卧撑动作。

用户通过上位机在线编程软件对机器人动作进行编程操作，生成动作代码，通过无线蓝牙串口发送至NXP KE15Z控制器中，控制器解析动作代码，通过UART发送舵机控制信号，控制各个舵机按照一定的顺序及速度协调运动，实现上述动作功能。

上面以举例方式对本实用新型进行了说明，但本实用新型不限于上述具体实例，凡基于本实用新型所做的任何改动或变型均属于本实用新型要求保护的范围。