儿童陪伴机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，特别涉及儿童陪伴机器人。

背景技术：

目前，机器人在各行各业中得到广泛应用，无论是军事、制造、航天，还是教育、娱乐、医疗、抢险救灾、家庭服务和社会服务，机器人都能起到举足轻重的作用。随着双职工家庭越来越多，越来越多的儿童在早期的成长期间缺少必要的陪伴和启蒙教育。这就使得社会对情感陪伴和早期教育类的家庭服务机器人的需求越来越旺盛。

伴随着人工智能技术的发展，机器人的交互体验会变得更智能、更富有情感。现有技术中的陪伴类机器人大多注重语音交互方面的智能化和情感化，却忽略了在机器人身体结构的拟人化，肢体动作有限、动作僵硬。这是由于陪伴类机器人通常要做成人形的外观以吸引人的注意力，但人体结构十分复杂，如果照搬模仿人体的手臂、腿部等关节，需要用很多电机，成本高，控制复杂，结构也不够紧凑。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中肢体动作有限、动作僵硬的技术问题，提出一种儿童陪伴机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

儿童陪伴机器人，包括依次连接的上部、躯干、下部和底部；所述上部包括头部和颈部，所述头部和所述颈部驱动所述上部；所述躯干包括胸部和腰部，所述胸部和所述腰部驱动所述躯干；所述下部包括髋部；所述底部包括腿部；所述头部、所述颈部、所述胸部、所述腰部、所述髋部和所述腿部依次连接使所述头部、所述颈部、所述胸部、所述腰部和所述髋部均具有至少一个运动自由度。

在一些优选的实施方式中，所述头部、所述颈部、所述胸部、所述腰部、所述髋部和所述腿部之间的连接方式包括如下之一或多种：转动连接、平动连接或振动连接。

在进一步优选的实施方式中，所述转动连接通过带轮和同步带实现，所述带轮与所述同步带连接，通过电机驱动所述带轮与所述同步带。

在一些优选的实施方式中，所述头部、所述颈部、所述胸部、所述腰部、所述髋部和所述腿部相邻之间的运动方向不同。

在一些优选的实施方式中，所述头部、所述颈部、所述胸部、所述腰部、所述髋部和所述腿部之间的连接方式为转动连接；所述头部的头部转动方向的轴线与所述颈部的颈部转动方向的轴线之间成第一夹角；所述颈部转动方向的轴线与所述胸部的胸部转动方向的轴线之间成第二夹角；所述胸部转动方向的轴线与所述腰部的腰部转动方向的轴线之间成第三夹角；所述腰部转动方向的轴线与所述髋部的髋部转动方向的轴线之间成第四夹角。

在一些优选的实施方式中，所述头部和所述颈部之间为嵌套式连接；所述胸部与所述腰部之间为嵌套式连接；所述腰部与所述髋部之间为嵌套式连接。

在进一步优选的实施方式中，所述腿部承载所述髋部，所述腰部嵌套在所述髋部的内部，所述胸部嵌套在所述腰部的内部，所述颈部嵌套在所述头部的内部。

在一些优选的实施方式中，所述腿部包括大带轮、固定圆盘和底部同步带；所述髋部包括髋部小带轮；所述大带轮安装在所述固定圆盘上，所述大带轮通过所述底部同步带与所述髋部小带轮配合传动。

在一些优选的实施方式中，所述腰部包括腰部同步带和腰部大带轮；所述髋部包括腰部小带轮；所述腰部大带轮与所述腰部同步带相连，所述腰部同步带与所述腰部小带轮连接。

在进一步优选的实施方式中，还包括张紧轮，所述张紧轮用于调节所述同步带的包角。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明模拟人体结构，通过六大人体结构来驱动上部、躯干、下部和底部，上部主要由头部和颈部驱动，躯干主要由胸部和腰部驱动，下部则由髋部驱动。六大人体结构头部、颈部、胸部、腰部、髋部和腿部，依次连接，为串联的机械结构，便于实现联动，可实现至少五个自由度。从整体上看，上部和躯干各自至少有两个运动自由度，下部具有一个运动自由度，可实现灵活、复杂的肢体动作，比如跳舞之类的动作，从而使机器人能更好地陪伴儿童。

此外，六大人体结构的动作由上部、躯干和下部来体现，结构紧凑，加之类串联的机械结构，使得整个儿童陪伴机器人易于控制，系统易于搭建，从而降低成本。

在优选的实施方式中，本发明还具有如下有益效果：

进一步地，六大人体结构头部、颈部、胸部、腰部、髋部和腿部之间的连接采用嵌套式连接，使得机器人的结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明的儿童陪伴机器人的整体结构示意图；

图2为本发明的儿童陪伴机器人的内部结构示意图；

图3为本发明的儿童陪伴机器人的内部结构的分解图；

图4为本发明的儿童陪伴机器人的腿部的结构分解图；

图5为本发明的儿童陪伴机器人的髋部的结构分解图；

图6为本发明的儿童陪伴机器人的腰部的结构分解图；

图7a为本发明的儿童陪伴机器人的胸部的结构分解图；

图7b为图7a的A区域的另一个角度的结构示意图；

图8为本发明的儿童陪伴机器人的颈部的结构分解图；

图9本发明的儿童陪伴机器人的头部的结构分解图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参考图1至图3，儿童陪伴机器人包括上部100、躯干200、下部300和底部400，上部100包括头部100H和颈部100N，躯干200包括胸部200C和腰部200W，下部300包括髋部300K，底部400包括腿部400B，头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W、髋部300K和腿部400B依次连接使头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W和髋部300K均具有至少一个运动自由度。当然，上部100、躯干200、下部300和底部400都包括各自的外壳(图中未示出)。

参考图1至图3，本发明模拟人体结构，通过设置在机器人内部的六大人体结构来驱动外面的上部100、躯干200、下部300和底部400，上部100主要由头部100H和颈部100N驱动，躯干200主要由胸部200C和腰部200W驱动，下部300则由髋部300K驱动。六大人体结构头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W、髋部300K和腿部400B，依次连接，为串联的机械结构，便于实现联动，可实现至少五个自由度。从整体上看，上部100和躯干200各自至少有两个运动自由度，下部300具有一个运动自由度，可实现灵活、复杂的肢体动作，比如跳舞之类的动作，从而使机器人能更好地陪伴儿童。

头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W、髋部300K和腿部400B之间的连接方式包括如下之一或多种：转动连接、平动连接或振动连接。从以简单的结构来模仿人体运动的角度出发，连接方式采用转动连接是较好的，因为实际上人体的运动很多都是围绕关节展开的，人体运动以转动为主，转动连接能更好地模仿人体运动。

下面结合转动连接对本发明的工作原理作进一步的说明：

参考图1至图3，具体的，儿童陪伴机器人的结构可以这样设置：从机器人的内部看，胸部200C转动带动头部100H和颈部100N，腰部200W转动带动头部100H、颈部100N和胸部200C，髋部300K转动带动头部100H、颈部100N、胸部200C和腰部200W；腿部400B放置于水平面上，可根据实际使用情况来设置成可运动或不运动的。如此，髋部300K转动带动头部100H、颈部100N、胸部200C和腰部200W转动，而头部100H、颈部100N、胸部200C和腰部200W又可同时单独转动，儿童陪伴机器人可实现联动。这种联动从机器人的外部看，下部300带动躯干200和上部100转动，而躯干200自身还有至少两个转动自由度，如此，躯干200除了在下部300的带动下转动，躯干200自身还可以向至少两个方向转动，使转动运动得到叠加，实现多种运动，机器人能更好地模仿人体运动。上部100也是如此，下部300和躯干200可同时对其带动，使更多的转动运动得到叠加，从而更好地模仿人体的运动。

当然，儿童陪伴机器人的结构还可以有其它的设置，比如：胸部200C转动带动颈部100N、腰部200W转动带动胸部200C、髋部300K转动带动胸部200C和腰部200W，本发明不以此为限。

为通过简单的结构模仿尽可能多的人体运动，六大人体结构头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W、髋部300K和腿部400B相邻之间的运动方向不同，具体来看，六大人体结构的运动方向可为均不相同或者部分相同。以转动连接为例来说明如何设置：头部100H的头部转动方向的轴线与颈部100N的颈部转动方向的轴线之间成第一夹角；颈部转动方向的轴线与胸部200C的胸部转动方向的轴线之间成第二夹角；胸部转动方向的轴线与腰部200W的腰部转动方向的轴线之间成第三夹角；腰部转动方向的轴线与髋部300K的髋部转动方向的轴线之间成第四夹角。参考图2，更具体的，为贴切地模拟人体的运动，头部100H的头部转动方向的轴线与水平面平行或近似平行，以实现抬起和放下上部100；颈部100N的颈部转动方向的轴线与竖直方向平行或近似平行，以实现转动上部100；胸部200C的胸部转动方向的轴线与水平面平行或近似平行且与头部转动方向的轴线垂直或近似垂直，以实现左右摆动躯干200；腰部200W的腰部转动方向的轴线与水平面平行或近似平行且与胸部转动方向的轴线垂直或近似垂直，以实现前伸和后仰躯干200；髋部300K的髋部转动方向的轴线与竖直方向平行或近似平行，以实现转动躯干200。

以上对本发明进行了说明，但本发明还可以有一些变型的形式，比如：

头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W、髋部300K和腿部400B之间的连接方式采用平动连接，实现伸缩或者左右移动；

头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W、髋部300K和腿部400B之间的连接方式采用振动连接，实现振动或者摆动；

头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W、髋部300K和腿部400B之间的连接方式采用转动连接、平动连接或振动连接的结合，比如头部100H与颈部100N之间除了转动连接之外还采用平动连接，头部100H可以实现转动和伸缩，使头部具有多个运动自由度，其它部位也可以这样设置。

参考图1，六大人体结构的动作由上部100、躯干200和髋部300来表现，结构紧凑，加之串联的机械结构，使得整个儿童陪伴机器人易于控制，从而降低成本。

参考图2和图3，为使得结构更加紧凑，六大人体结构之间的连接采用嵌套式连接。具体的，头部100H和颈部100H之间为嵌套式连接，胸部200C与腰部200W之间为嵌套式连接，腰部200W与髋部200K之间为嵌套式连接。这种嵌套式连接使得一个机构围住或半包围另一个机构，使整体结构得到收拢，从而使得结构更加紧凑。

具体的，在本发明中，腿部300B承载髋部300K，腰部200W嵌套在髋部300K的内部，胸部200C嵌套在腰部200W的内部，颈部100N嵌套在头部100H的内部。当然，根据实际需要，还可以有其它嵌套式连接，比如髋部300K嵌套在腰部200W的内部、腰部200W嵌套在胸部200C的内部，本发明不以此为限。

在本发明中，转动连接通过带轮和同步带实现，带轮与同步带连接，通过电机驱动带轮与同步带。具体采用同步带轮和步进电机。还可设置张紧轮，用于调节同步带的包角。采用步进电机驱动，使用同步带轮传递运动，并使用张紧轮增加同步带包角，使得机器人在运动时速度平稳，噪声少。

以下对头部100H、颈部100N、胸部200C、腰部200W、髋部300K和腿部400B的具体结构作进一步的说明：

参考图4，腿部300B包括底盘B8、固定支架B7、固定圆盘B6、轴承内端盖B5、轴承外端盖B4、滚珠轴承B3、大带轮B2、底部同步带B1；固定支架B7安装于底盘B8上；固定圆盘B6安装于固定支架B7上；轴承内端盖B5安装于髋部底盘K7的中间的延伸轴(图中未示出)上；轴承外端盖B4固定在大带轮B2上；滚珠轴承B3安装于大带轮B2和轴承外端盖B4之间；大带轮B2安装在固定圆盘B6上，通过底部同步带B1与髋部小带轮K9配合传动，大带轮B2、底部同步带B1和髋部小带轮K9构成髋部300K与腿部300B之间的关节，实现髋部300K与腿部300B的转动连接。

参考图5，髋部300K包括张紧支架K1、髋部张紧轮K2、带轮固定架K3、腰部驱动电机固定板K4、腰部小带轮K5、腰部驱动电机K6、髋部底盘K7、髋部驱动电机固定板K8、髋部小带轮K9、髋部驱动电机K10、轴承固定架K11；张紧支架K1用于固定髋部张紧轮K2，安装在带轮固定架K3上；带轮固定架K3安装于髋部底盘K7上；腰部驱动电机固定板K4安装在带轮固定架K3上，用来固定腰部驱动电机K6；腰部驱动电机K6通过腰部驱动电机固定板K4安装在带轮固定架K3上；髋部底盘K7与底部300B通过轴承(图中未示出)相连；髋部驱动电机固定板K8安装在髋部底盘K7上；髋部驱动电机K10通过髋部驱动电机固定板K8安装在髋部底盘K7上；轴承固定架K11安装在髋部底盘K7上，用于固定髋部300K与腰部200W相连的支撑轴承W15。

参考图6，腰部200W包括腰部同步带W1、腰部大带轮W2、带轮轴承W3、带轮轴承外端盖W4、带轮轴承内端盖W5、胸部支撑架W6、胸部固定架W7、胸部驱动电机固定板W8、胸部张紧轮W9、胸部张紧支架W10、胸部驱动电机W11、胸部小带轮W12、支撑轴承内端盖W13、支撑轴承外端盖W14、支撑轴承W15、腰部支撑支架W16；腰部同步带W1用于腰部200W的传动，一端连接于腰部大带轮W2，另一端与髋部300K安装的腰部小带轮K5连接；带轮轴承W3安装于腰部大带轮W2之内；带轮轴承外端盖W4用于固定带轮轴承W3的外径；带轮轴承内端盖W5用于固定带轮轴承W3的内径；胸部支撑架W6用于支撑胸部零件；胸部固定架W7用于固定胸部零件；胸部驱动电机固定板W8用于固定胸部驱动电机W11，安装于胸部固定架W7上；胸部张紧轮W9用于增大胸部大带轮C14的传动包角，通过胸部张紧支架W10安装于胸部固定架W7上；胸部张紧支架W10用于固定胸部张紧轮W9，安装在胸部固定架W7上；胸部驱动电机W11通过胸部驱动电机固定板W8安装在胸部固定架W7上；胸部小带轮W12安装于胸部驱动电机W11上，用于传递胸部运动；支撑轴承内端盖W13用于固定带轮轴承W3的内径，安装于腰部支撑支架W16上；支承轴承外端盖W14用于固定支承轴承W15的外径，安装于胸部固定架W7上；支承轴承W15用于支撑腰部200W运动，安装于支承轴承外端盖W14和腰部支撑支架W16之间；腰部支撑支架W16用于固定支撑轴承W15，并通过螺钉与胸部支撑架W6及胸部固定架W7相连；腰部大带轮W2用于为腰部驱动电机K6传动，与腰部同步带W1相连，腰部同步带W1与腰部小带轮K5连接，腰部同步带W1、腰部大带轮W2和腰部小带轮K5构成腰部200W与髋部300K之间的关节，实现腰部200W与髋部300K的转动连接。

参考图7a和图7b，胸部200C包括颈部驱动电机C1、颈部小带轮C2、颈部驱动电机固定板C3、外壳支撑架一C4、外壳支撑架二C5、颈部驱动电机固定架C6、胸部固定架C7、胸部支撑轴承C8、支撑轴承外端盖C9、支撑轴承内端盖C10、带轮轴承内端盖C11、带轮轴承外端盖C12、带轮轴承C13、胸部大带轮C14、胸部同步带C15；颈部驱动电机C1用于驱动颈部200N，通过颈部驱动电机固定板C3安装于颈部驱动电机固定架C6上；颈部小带轮C2安装于颈部驱动电机C1上；外壳支撑架一C4和外壳支撑架二C5用于连接固定外壳体，安装于颈部驱动电机固定支架C6上；胸部固定架C7用于固定胸部零件，安装于胸部支撑架W6上；胸部支撑轴承C8用于辅助支撑胸部零件；支撑轴承外端盖C9和支撑轴承内端盖C10分别用来固定胸部支撑轴承C8的外径和内径；带轮轴承外端盖C12和带轮轴承内端盖C11分别用来固定带轮轴承C13的外径和内径；带轮轴承C13安装于胸部大带轮C14之间；胸部大带轮C14安装于胸部固定架C7上，胸部大带轮C14用于胸部驱动电机W11的传动，与胸部同步带C15相连，胸部同步带C15与胸部小带轮W12连接，胸部大带轮C14、胸部同步带C15和胸部小带轮W12构成胸部200C与腰部200W之间的关节，实现胸部200C与腰部200W的转动连接。

参考图8，颈部100N包括头部驱动电机固定架N1、头部驱动电机N2、头部驱动电机固定板N3、颈部支撑架N4、颈部带轮轴承内端盖N5、颈部带轮轴承外端盖N6、颈部带轮轴承N7、颈部带轮N8、颈部同步带N9；头部驱动电机固定架N1用于固定头部驱动电机N2，头部驱动电机固定架N1的下端连接颈部支撑架N4，上端则用于连接头部零件；头部驱动电机N2用于驱动头部100H，通过头部驱动电机固定板N3安装于头部驱动电机固定架N1上；颈部支撑架N4用于支撑及连接颈部100N和头部零件；颈部带轮轴承内端盖N5和颈部带轮轴承外端盖N6用于固定颈部带轮轴承N7；颈部带轮轴承N7安装于颈部带轮N8内；颈部支撑架N4与颈部带轮N8连接，颈部带轮轴承外端盖N6安装在颈部带轮N8上，颈部带轮轴承内端盖N5安装于颈部驱动电机固定架C6上，颈部带轮轴承N7；颈部带轮N8用于为颈部驱动电机C1传动，与颈部同步带N9相连，颈部同步带N9与颈部小带轮C2连接，颈部带轮N8、颈部同步带N9和颈部小带轮C2构成颈部200N与胸部200C之间的关节，实现颈部200N与胸部200C的转动连接。

参考图9，头部100H包括头部带轮轴承内端盖H1、头部带轮轴承外端盖H2、头部带轮轴承H3、头部带轮H4、头部同步带H5、头部支撑架H6、头部支撑轴承H7、头部支撑轴承外端盖H8、头部支撑轴承内端盖H9；头部带轮轴承内端盖H1和头部带轮轴承外端盖H2用于固定头部带轮轴承H3，头部带轮轴承H3安装于头部带轮H4内；头部带轮H4用于为头部驱动电机N2传动，与头部同步带H5相连，头部同步带H5与头部驱动电机N2的带轮连接，头部带轮H4、头部同步带H5和头部驱动电机N2的带轮构成头部100H与颈部100N之间的关节，实现头部100H与颈部100N的转动连接。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。