具有温湿度播报功能的科技馆迎宾机器人头颈部装置的制作方法

本发明涉及服务机器人领域，具体涉及具有温湿度播报功能的科技馆迎宾机器人头颈部装置。

背景技术

现如今人们对能行走、会唱歌的迎宾机器人早已不觉得新鲜，随着科学技术的不断发展，人们在要求迎宾机器人高度仿人化的同时，对移动迎宾以外的功能要求也越来越高。

科技馆作为“普及科学技术知识、传播科学思想和科学方法”的平台，是面对群众尤其是青少年开展科普展览教育活动的重要阵地，本发明公开了一种具有温湿度播报功能的科技馆迎宾机器人头颈部装置，针对于传统迎宾机器人功能单一的问题，本发明所述机器人头颈部装置可以实现温湿度监测功能，针对于仿人化程度低的问题，本发明所述机器人头颈部装置可以实现语音播报的同时，完成张闭嘴动作和颈部俯仰回转动作，本发明所述温湿度传感器，可以实时监测场馆室内温湿度信息，并反馈到oled屏上供参观者了解，本发明应用于科技馆迎宾领域，对于互动性的要求较高，本发明摒弃了以往迎宾机器人非接触式传感器（超声波传感器、红外测距传感器）检测周边参观者的“传统”检测办法，采用触碰传感器，当参观者触摸触碰传感器时，主芯片stm32f407zgt7控制放音模块播报当前的温湿度信息，并且在语音播报的同时完成张闭嘴动作和颈部俯仰回转动作，从而实现机器人摆动头部、张嘴说话的高度仿人化动作，在提高了科技馆整体形象的同时，带给参观者的绝不仅仅是新鲜感，还有满满的科技感。

技术实现要素：

本发明为了解决目前科技馆迎宾机器人功能单一不具备温湿度监测功能，以及语音播报的同时嘴部不动作导致的仿人程度低的问题，公布了一种机器人头颈部装置，本发明所述机器人头颈部装置不但具有温湿度监测和播报功能，还可以在实现播报温湿度的同时，完成张闭嘴动作和颈部俯仰回转动作。

本发明为了解决上述问题所采取的技术方案是：所机器人包括头部、颈部和控制系统，所述头部包括面板、oled屏、支撑机构、触碰传感器、放音模块、碰撞传感器、张闭嘴机构、温湿度传感器和控制器，所述支撑机构包括oled屏支架、控制支撑板、控制支柱、触碰传感器支柱，所述放音模块包括喇叭、放音控制器、喇叭支架，所述张闭嘴机构包括双轴舵机、双轴舵机支架、拉绳导向、塑包金属绳、嘴巴构件、嘴巴支架、金属轴、支撑板子和金属绳收纳环；

所述oled屏由oled屏支架布置在面板仿人眼睛的位置，所述触碰传感器通过触碰传感器支柱与支撑板子固接，布置在所述面板仿人鼻子的位置，所述放音模块布置在面板仿人嘴巴的位置，所述放音控制器布置在喇叭支架上，所述喇叭通过喇叭支架与面板固接；所述碰撞传感器布置在在面板仿人上颚的位置且触碰端朝下，所述张闭嘴机构通过支撑板子与所述面板固接，所述双轴舵机通过双轴舵机支架与支撑板子固接，所述双轴舵机的两端输出轴分别固定于两个金属绳收纳环的轴孔内，所述塑包金属绳的一端与金属绳收纳环固接，另一端通过所述拉绳导向与嘴巴支架固接，所述嘴巴支架与嘴巴构件固定连接，所述嘴巴支架可绕金属轴回转，所述温湿度传感器和控制器布置在支撑板子上；

所述颈部包括双轴舵机舵盘、颈部双轴舵机、颈部舵机支架、单轴舵机齿盘、单轴舵机、单轴舵机支架、主支撑板、连接件，所述两个双轴舵机舵盘的轴孔与颈部双轴舵机的输出轴连接，所述双轴舵机舵盘与颈部舵机支架固接，颈部舵机支架与连接件固接，所述支撑板子固定安装在连接件上端面上，所述单轴舵机支架下端面与单轴舵机固接，上端面与颈部双轴舵机固接，所述单轴舵机的后端面与主支撑板固定连接；

所述控制系统以主芯片stm32f407zgt7为主，所述主芯片stm32f407zgt7与oled屏、触碰传感器、温湿度传感器、放音模块、碰撞传感器、张闭嘴机构、颈部控制连接，所述oled屏的驱动芯片为ssd1306，所述oled屏的rst、d/c、scl、sda引脚分别与主芯片stm32f407zgt7的pa0、pa1、pa2、pa3引脚连接，所述触碰传感器的sig1引脚与主芯片stm32f407zgt7的pd0引脚连接用于反馈和响应触碰信号，所述温湿度传感器以stc89c52rc芯片、dht11芯片为主，所述stc89c52rc芯片的txd、rxd引脚与主芯片stm32f407zgt7的pa10、pa9引脚连接，用于双机通信，所述dht11芯片的out引脚接上拉电阻r2再与stc89c52rc芯片的p1.0引脚连接，电源指示灯与电阻r3串联接在vcc与gnd之间，所述放音模块以xfs5152ce芯片和tpa2005didrbr芯片为主，所述stc89c52rc芯片的p2.2、p2.3、p2.4、p2.5引脚分别于xfs5152ce芯片的spi_si、spi_so、spi_sck、spi_ssel引脚连接，用于把读取的温湿度文本信息转换成音频信息，所述碰撞传感器的sig2引脚与主芯片stm32f407zgt7的pd5引脚连接，用于张闭嘴机构动作的限位，所述张闭嘴机构中双轴舵机1-7a的s1引脚与主芯片stm32f407zgt7的pa7引脚连接，用于控制驱动所述张闭嘴机构动作，所述颈部中颈部双轴舵机、单轴舵机的s2、s3引脚分别与主芯片stm32f407zgt7的pa11、pa15引脚连接，用于控制颈部完成俯仰和回转动作。

本发明具有以下有益效果：1、本发明应用于科技馆迎宾领域，为了增加所述机器人头颈部装置的互动性，本发明采用所述触碰传感器触发头颈度动作，而非传统迎宾机器人非接触式检测参观人员的方式，增加了机器人头颈部装置的互动性特点；2、与传统迎宾机器人呆滞死板的面部表情相比，本发明公开了一种可以现实语音播报的同时完成张闭嘴动作和颈部俯仰回转动作的高度仿人化的机器人头颈部装置；3、相比传统迎宾机器人功能单一没有温湿度监测功能的问题，本发明公开了一种在实现语音播报的同时，还可以完成机器人张闭嘴动作和颈部俯仰回转动作的机器人头颈部装置。

附图说明

图1本发明整体结构示意图；

图2本发明整体结构示意图的后方图；

图3本发明张闭嘴机构和颈部的结构示意图；

图4本发明工作流程示意图；

图5本发明控制系统主芯片stm32f407zgt7、oled屏、双轴舵机、颈部双轴舵机、单轴舵机、触碰传感器和碰撞传感器的电路原理图；

图6本发明控制系统温湿度传感器和放音模块的电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述具有温湿度播报功能的科技馆迎宾机器人头颈部装置包括头部1、颈部2和控制系统3，所述头部1包括面板1-1、oled屏1-2、支撑机构1-3、触碰传感器1-4、放音模块1-5、碰撞传感器1-6、张闭嘴机构1-7、温湿度传感器1-8和控制器1-9，所述支撑机构1-3包括oled屏支架1-3a、控制支撑板1-3b、控制支柱1-3c、触碰传感器支柱1-3d；所述放音模块1-5包括喇叭1-5a、放音控制器1-5b、喇叭支架1-5c；所述张闭嘴机构1-7包括双轴舵机1-7a、双轴舵机支架1-7b、拉绳导向1-7c、塑包金属绳1-7d、嘴巴构件1-7e、嘴巴支架1-7f、金属轴1-7g、支撑板子1-7h和金属绳收纳环1-7i；

所述oled屏1-2由oled屏支架1-3a布置在面板1-1仿人眼睛的位置，所述触碰传感器1-4通过触碰传感器支柱1-3d与支撑板子1-7h固接，布置在所述面板1-1仿人鼻子的位置；所述放音模块1-5布置在面板1-1仿人嘴巴的位置；所述放音控制器1-5b布置在喇叭支架1-5c上，所述喇叭1-5a通过喇叭支架1-5c与面板1-1固接；所述碰撞传感器1-6布置在在面板1-1仿人上颚的位置且触碰端朝下；所述张闭嘴机构1-7通过支撑板子1-7h与所述面板1-1固接，所述双轴舵机1-7a通过双轴舵机支架1-7b与支撑板子1-7h固接，所述双轴舵机1-7a的两端输出轴分别固定于两个金属绳收纳环1-7i的轴孔内，所述塑包金属绳1-7d的一端与金属绳收纳环1-7i固接，另一端通过所述拉绳导向1-7c与嘴巴支架1-7f固接，所述嘴巴支架1-7f与嘴巴构件1-7e固定连接，所述嘴巴支架1-7f可绕金属轴1-7g回转；所述温湿度传感器1-8和控制器1-9布置在支撑板子1-7h上。

本实施方式中oled屏1-2为现有技术，生产厂家为深圳显事电子有限公司，型号为12864oled。

本实施方式中触碰传感器1-4为现有技术，生产厂家为南京翼盟电子有限公司，型号为touch。

本实施方式中放音模块1-5为现有技术，生产厂家为深圳勤雄有限公司，型号为mperld。

本实施方式中双轴舵机1-7a为现有技术，生产厂家为智睿贸易有限公司，型号为rds3115。

本实施方式中温湿度传感器1-8为现有技术，生产厂家为江阴辉格仪器仪表有限公司，型号为dht11。

本实施方式中控制器1-9为现有技术，生产厂家为上海野火信息技术有限公司，型号为openduino。

具体实施方式二：结合图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述颈部2包括双轴舵机舵盘2-1、颈部双轴舵机2-2、颈部舵机支架2-3、单轴舵机齿盘2-4、单轴舵机2-5、单轴舵机支架2-6、主支撑板2-7、连接件2-8；

所述两个双轴舵机舵盘2-1的轴孔与颈部双轴舵机2-2的输出轴连接，所述双轴舵机舵盘2-1与颈部舵机支架2-3固接，颈部舵机支架2-3与连接件2-8固接，所述支撑板子1-7h固定安装在连接件2-8上端面上，所述单轴舵机支架2-6下端面与单轴舵机2-5固接，上端面与颈部双轴舵机2-2固接，所述单轴舵机2-5的后端面与主支撑板2-7固定连接。

本实施方式中颈部双轴舵机2-2为现有技术，生产厂家为创微电子有限公司，型号为rds3120。

本实施方式中单轴舵机2-5为现有技术，生产厂家为创微电子有限公司，型号为dg-2020。

具体实施方式三：结合图4、图5、图6说明本实施方式，本实施方式所述控制系统3以主芯片stm32f407zgt7为主，所述主芯片stm32f407zgt7与oled屏1-2、触碰传感器1-4、温湿度传感器1-8、放音模块1-5、碰撞传感器1-6、张闭嘴机构1-7、颈部2控制连接，所述oled屏1-2的驱动芯片为ssd1306，所述oled屏1-2的rst、d/c、scl、sda引脚分别与主芯片stm32f407zgt7的pa0、pa1、pa2、pa3引脚连接，所述触碰传感器1-4的sig1引脚与主芯片stm32f407zgt7的pd0引脚连接用于反馈和响应触碰信号，所述温湿度传感器1-8以stc89c52rc芯片、dht11芯片为主，所述stc89c52rc芯片的txd、rxd引脚与主芯片stm32f407zgt7的pa10、pa9引脚连接，用于双机通信，所述dht11芯片的out引脚接上拉电阻r2再与stc89c52rc芯片的p1.0引脚连接，电源指示灯与电阻r3串联接在vcc与gnd之间，所述放音模块1-5以xfs5152ce芯片和tpa2005didrbr芯片为主，所述stc89c52rc芯片的p2.2、p2.3、p2.4、p2.5引脚分别于xfs5152ce芯片的spi_si、spi_so、spi_sck、spi_ssel引脚连接，用于把读取的温湿度文本信息转换成音频信息，所述碰撞传感器1-6的sig2引脚与主芯片stm32f407zgt7的pd5引脚连接，用于张闭嘴机构1-7动作的限位，所述张闭嘴机构1-7中双轴舵机1-7a的s1引脚与主芯片stm32f407zgt7的pa7引脚连接，用于控制驱动所述张闭嘴机构1-7动作，所述颈部2中颈部双轴舵机2-2、单轴舵机2-5的s2、s3引脚分别与主芯片stm32f407zgt7的pa11、pa15引脚连接，用于控制颈部完成俯仰和回转动作。

工作原理

所述温湿度传感器1-8实时监测科技馆场馆内的温湿度信息，并展示在oled屏1-2上，当参观者触摸触碰传感器1-4时，所述放音模块1-5播报当前温湿度信息，于此同时完成张闭嘴动作和颈部俯仰回转动作，从而实现摆动头部、张嘴说话的高度仿人化动作。

温湿度监测的控制过程如下：

所述温湿度传感器1-8以stc89c52rc芯片、dht11芯片为主，dht11的供电电压是3~5.5v，out引脚与stc89c52rc芯片之间通讯和同步采用单总线数据格式，一次通讯在4ms左右，一次完整的数据传输为40bit，高位先出，8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验，stc89c52rc芯片发送一次开始信号后，dht11从低功耗模式转换为高速模式，等待开始信号结束后，dht11发送相应信号，送出40bit的数据，并触发一次温湿信号的采集，采集和转化完成以后，stc89c52rc芯片读取寄存器中的温湿度数据，通过交叉串口线进行双机通讯将温湿度数据发送给主芯片stm32f407zgt7，主芯片stm32f407zgt7将温湿度数据传给oled屏进行显示。

oled屏1-2显示的控制过程如下：

所述主芯片stm32f407zgt7与oled屏的驱动芯片ssd1306采用i2c通讯协议，主芯片stm32f407zgt7通过开始条件初始化数据通讯，开始条件通过将sda从高拉低，而scl保持高电平建立，从机地址紧跟着开始条件作为标志用，对于ssd1306从机地址是b0111100，通过改变d/c位到low或者high，写模式的建立是通过设置r/w引脚逻辑0实现，应答信号将在接收到一个字节的数据后发生，应答信号的定义是在应答相关的时钟脉冲的高周期中把sda线拉低，传输完从机地址以后，控制字节或数字字节开始通过sda传输，应答位将会在接收到每个控制字节或者数据字节之后发生，所述主芯片stm32f407zgt7将的温湿度数据写入oled屏用于存储显示数据的gddram中，同时向ssd1306芯片发送相应的显示命令，驱动芯片会按照命令的要求进行逐帧扫描显示监测到的温湿度数据。

放音模块1-5的控制过程如下：

所述放音模块1-5中放音控制器1-5b以xfs5152ce芯片和tpa2005didrbr芯片为主，xfs5152ce芯片与stc89c52rc芯片达成spi通信协议，stc89c52rc芯片将dht11芯片上采集的温湿度信息转换成音频文件，通过ao_n、ao_p引脚输出给功放芯片tpa2005didrbr，功放芯片tpa2005didrbr把音频信号放大输出给所述喇叭1-5a，所述喇叭1-5a与串联的电阻r1和电容c1并联，用于减少信号干扰把滤波后的音频信号传给喇叭1-5a，播报温湿度信息。

张闭嘴动作和颈部俯仰回转动作的控制过程，以及工作原理如下：

所述主芯片stm32f407zgt7的pa7、pa11、pa15引脚分别于述双轴舵机1-7a、颈部双轴舵机2-2、单轴舵机2-5控制连接，当有参观者触摸所述触碰传感器1-4时，主芯片stm32f407zgt7检测到与触碰传感器1-4连接的pd0引脚的电平发生跳变，控制双轴舵机1-7a的输出轴转动，带动金属绳收纳环1-7i转动，所述金属绳收纳环1-7i与塑包金属绳1-7d的一端固接，金属绳收纳环1-7i转动使塑包金属绳1-7d牵引与嘴巴支架1-7f固接的嘴巴构件1-7e绕金属轴1-7g摆动，从而实现张闭嘴动作，其中碰撞传感器1-6固定在所述面板1-1最下端位置用于限位，当碰撞传感器1-6触发反馈信息给主芯片stm32f407zgt7时，实现张嘴动作同时触发主芯片stm32f407zgt7基本定时器tim6硬件计时，0.5s时停止张嘴动作，所述双轴舵机1-7a反转完成闭嘴动作，双轴舵机输出轴转动速度的控制采用pid算法，使输出轴转速平稳，当放音模块播报结束时，所述张闭嘴机构1-7复位到嘴巴闭合刚触发碰撞传感器的位置；

所述颈部2中单轴舵机2-5的下端面与主支撑板2-7固定连接，单轴舵机2-5转动带动与之固接的单轴舵机支架2-6转动，所述单轴舵机支架2-6与颈部双轴舵机2-2固接，所述颈部双轴舵机2-2带动颈部舵机支架2-3转动，带动与所述头部1固接的连接件2-8，从而完成机器人颈部俯仰回转的动作，当碰撞传感器1-6触发反馈信息给主芯片stm32f407zgt7时实现颈部动作，俯仰和回转动作同时进行，俯仰动作顺序为先向下转动30°再向上转动30°，回转动作顺序为先向左转45°再向右转45°，当放音模块播报完毕时，颈部2复位回到使所述头部1正视前方的位置。