一种替身机器人及替身实现方法

一种替身机器人及替身实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种替身机器人及替身实现方法。
【背景技术】
[0002]替身机器人用于代替人类完成某些动作，现有技术替身机器人的实现方式是通过建立机器人平台，预先设定机器人的动作程序，让机器人按照预定程序进行动作。这种替身机器人与人类的互动性差，无法完全替代人工。另外，现有工业上采用的机械装置，普遍应用于工业领域中较为固定的场合，完成固定的工作，对于出现的突发情况无法应对。然而，现实工作、生活中，有些高危场合需要人类完成某些工作，比如一些工业高危场合和一些真实危险的拍摄环境等，如果有与人类互动性的替身机器人代替人类完成这些工作，这将极大地降低危险场合给人类带来的困扰，在完成相应高危工作的同时保证人员安全。

【发明内容】

[0003]为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种互动性强的替身机器人及替身实现方法。
[0004]本发明所采用的技术方案为:一种替身机器人，它包括机器人本体、行走装置、舵机、电源模块、MCU、电机驱动模块和无线接收模块；所述行走装置设置所述在机器人本体下方；所述机器人本体上设置九个所述舵机，其中第一所述舵机设置在所述机器人本体的头部，第二所述舵机设置在左机械臂的手腕处，第三所述舵机设置在左机械臂的手肘处，第四、第五所述舵机设置在左机械臂的肩膀处，第六所述舵机设置在右机械臂的手腕处，第七所述舵机设置在右机械臂的手肘处，第八、第九所述舵机设置在右机械臂的肩膀处；所述电源模块、MCU、电机驱动模块和无线接收模块设置在机器人本体上，所述电源模块为所述MCU提供3.3V电压，所述舵机、电机驱动模块和无线接收模块均与所述MCU连接，所述电机驱动模块与所述行走装置连接；所述无线接收模块接收人体的动作信号并传输至所述MCU，所述MCU控制所述舵机动作，并通过所述电机驱动模块控制所述行走装置移动。
[0005]所述舵机采用大扭力金属齿舵机MG946R。
[0006]所述电源模块包括12V电池和型号为AMSl117的稳压器，所述12V电池与所述稳压器连接，所述稳压器对所述12V电压稳压后输出3.3V电压，为所述MCU供电。
[0007]所述MCU采用低功耗微控制器STM32F103。
[0008]所述电机驱动模块采用驱动芯片L298N。
[0009]所述无线接收模块采用低功耗的单片射频收发芯片NRF2401。
[0010]所述机器人本体的头部设置一摄像头，用于采集所述机器人本体前方的环境信息。
[0011]一种采用所述替身机器人的替身实现方法，其包括以下步骤:1)设置一包括替身机器人、设置在人体上的发射终端和上位机的替身效果实现系统；替身机器人包括机器人本体、行走装置、舵机、电源模块、MCU、电机驱动模块、无线接收模块和摄像头；发射终端包括电源模块、MCU、陀螺仪、电位器、无线发射模块和摇杆，人体左、右手臂的肱二头肌附近各设置一陀螺仪，人体左手臂的肘关节和左手拇指腕掌关节处各设置一电位器，人体右手臂的肘关节和右手拇指腕掌关节处各设置一电位器；2)发射终端发射人体手臂动作信号；陀螺仪实时检测人体上臂的运动情况，并将检测到的上臂运动信号传输至MCU ;人体肘关节处的电位器将其电阻值发送给发射终端处的MCU ;人体拇指腕掌关节处的电位器将其电阻值发送给发射终端处的MCU ;MCU对接收到的上臂运动信号、人体肘关节处电位器的电阻值和人体拇指腕掌关节处电位器的电阻值进行计算、模数转换、调制处理，得到人体手臂动作和手指动作的数字信号，并通过无线发射模块发送给替身机器人上的无线接收模块；3)替身机器人接收人体手臂动作和手指动作信号，并做出与人体相同的动作；无线接收模块将接收到的人体手臂动作和手指动作的数字信号均传输至替身机器人处的MCU，MCU对接收到的数字信号进行解调、数模转换和计算处理后，得到人体手臂动作和手指动作的模拟信号；MCU根据人体手臂动作和手指动作的模拟信号控制替身机器人机械臂上的舵机进行相应动作；4)发射终端发射摇杆动作信号；机器人本体的头部设置的摄像头实时采集机器人本体前方的环境信息，并将采集到的信息传输至上位机，人体通过上位机了解机器人本体所在的位置，并控制摇杆动作，摇杆动作信号传输至发射终端处的MCU，MCU对接收到的摇杆动作信号进行处理后通过无线发射模块发送给替身机器人上的无线接收模块；5)替身机器人接收摇杆动作信号，控制行走装置做出与摇杆动作相同的动作；无线接收模块将接收到的摇杆动作信号传输至替身机器人处的MCU，MCU对接收到的摇杆动作信号进行处理后通过电机驱动模块驱动行走装置移动。
[0012]所述步骤I)中，所述陀螺仪采用整合性六轴运动处理组件MPU6050，所述电位器采用WDD3OT-4型号的电位器，所述无线发射模块采用低功耗的单片射频收发芯片NRF2401。
[0013]由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为:1、与人类的互动性强，能够根据人体的手臂和手指的动作做出与人体相同的动作，真正实现替身效果。2、能够用于高危场合，代替人类完成高危工作的同时能够保证人员安全。
【附图说明】
[0014]图1是本发明替身机器人的电路结构示意图；
[0015]图2是替身效果实现系统的电路结构示意图；
[0016]图3是陀螺仪和肘关节处电位器在手臂上的布置示意图；其中，图(a)是主视图，图(b)是俯视图，图(C)是上臂支架与下臂支架有夹角时的状态示意图；
[0017]图4是掌腕关节处电位器在手掌上的布置示意图；其中，图(a)是主视图，图(b)是俯视图，图(C)是侧视图。
[0018]图中:1、机器人本体；2、舵机；3、电源模块；4、MCU ;5、电机驱动模块；6、无线接收模块；7、陀螺仪；8、电位器；9、无线发射模块；10、摇杆；11、固定装置；12、上臂支架；13、下臂支架；14、手掌固定装置；15、腕掌关节支架；16、拇指固定装置；17、拇指支架。
【具体实施方式】
[0019]如图1所示，本发明提供了一种替身机器人，其包括机器人本体(图中未示出)、行走装置1、舵机2、电源模块3、MCU4、电机驱动模块5和无线接收模块6。行走装置I设置在机器人本体下方，行走装置I采用车轮或履带。
[0020]机器人本体上设置九个舵机2，其中第一舵机设置在机器人本体的头部，第二舵机设置在左机械臂的手腕处，第三舵机设置在左机械臂的手肘处，第四、第五舵机设置在左机械臂的肩膀处，第六舵机设置在右机械臂的手腕处，第七舵机设置在右机械臂的手肘处，第八、第九舵机设置在右机械臂的肩膀处。通过在机械臂上设置舵机，使得替身机器人能够模仿人体的伸、屈、收、展、举等动作；进一步地，在左、右机械臂的手腕处设置舵机，使得替身机器人能够模仿人体的抓、剪切等动作；在左右机械臂的肩膀处各设置两个舵机使得机械臂能够前后左右地运动。
[0021]电源模块3、MCU4、电机驱动模块5和无线接收模块6设置在机器人本体上。电源模块3为MCU4提供3.3V电压。舵机2、电机驱动模块5和无线接收模块6均与MCU4连接，电机驱动模块5与行走装置I连接。无线接收模块6接收人体的动作信号并传输至MCU4，MCU4根据接收到的人体动作信号控制舵机2动作，并通过电机驱动模块5控制行走装置I移动。
[0022]在一个优选的实施例中，舵机2采用大扭力金属齿舵机MG946R。
[0023]在一个优选的实施例中，电源模块3包括12V电池和型号为AMS1117的稳压器。12V电池与稳压器连接，稳压器对12V电压稳压后输出3.3V电压，为MCU4供电。
[0024]在一个优选的实施例中，MCU4采用低功耗微控制器STM32F103。
[0025]在一个优选的实施例中，电机驱动模块5采用高电压、大电流电机驱动芯片L298N。
[0026]在一个优选的实施例中，无线接收模块6采用低功耗的单片射频收发芯片NRF2401。
[0027]在一个优选的实施例中，为方便实时采集机器人本体前方的环境信息，在机器人本体的头部设置一摄像头。
[0028]采用本发明的替身机器人模拟人体动作，实现替身的效果，其过程为:
[0029]I)如图2所示，设置一包括替身机器人、设置在人体上的发射终端和上位机(图中未示出)的替身效果实现系统。
[0030]替身机器人包括机器人本体、行走装置1、舵机2、电源模块3、MCU4、电机驱动模块5、无线接收模块6和摄像头。
[0031]发射终端包括电源模块3、MCU4、陀螺仪7、电位器8、无线发射模块9和摇杆10。人体左、右手臂的肱二头肌附近各设置一陀螺仪7，人体左手臂的肘关节和左手拇指腕掌关节处各设置一电位器8，人体右手臂的肘关节和右手拇指腕掌关节处各设 置一电位器8。
[0032]如图3所示，在人体的手臂上通过固定装置11设置上臂支架12和下臂支架13，电源模块3、MCU4和无线发射模块9固定在上臂支架12上远人体肘关节处，陀螺仪7设置在上臂支架12上近人体肘关节处。肘关节处电位器8的底座固定设置在上臂支架12上，电位器8的旋钮固定在下臂支架13上，人体手臂伸屈带动电位器8旋钮旋转，从而改变肘关节处电位器8的电阻值。
[0033]如图4所示，在人手手掌固定装置14上设置腕掌关节支架15，通过拇指固定装置16设置拇指支架17，腕掌关节处电位器8的底座固定设置在腕掌关节支架15上，电位器8的旋钮固定在拇指支架17上，拇指伸屈带动电位器8旋钮旋转，从而改变腕掌关节处电位器8的电阻值。
[0034]2)发射终端发射人体手臂动作信号；
[0035]陀螺仪7实时检测人体上臂的运动情况，并将检测到的上臂运动信号传输至MCU4 ;人体肘关节处的电位器8将其电阻值发送给发射终端处的MCU4 ;人体拇指腕掌关节处的电位器8将其电阻值发送给发射终端处的MCU4。
[0036]MCU4根据接收到的人体肘关节处电位器8的电阻值计算得到人体手臂中上臂与下臂之间的夹角，MCU4根据接收到的上臂运动信号以及上臂与下臂之间的夹角计算得到下臂运动信号。
[0037]MCU4根据接收到的人体拇指腕掌关节处电位器8的电阻值先计算得到人体手掌的大拇指与食指之间的夹角，进一步计算得到人体手指的运动信号。
[0038]MCU4对人体上臂与下臂的运动信号以及人体手指的运动信号均进行模数转换和调制等处理后，将处理得到的人体手臂动作和手指动作的数字信号通过无线发射模块9发送给替身机器人上的无线接收模块6。
[0039]3)替身机器人接收人体手臂动作和手指动作信号，并做出与人体相同的动作；
[0040]无线接收模块6将接收到的人体手臂动作和手指动作的数字信号均传输至替身机器人处的MCU4，MCU4对接收到的数字信号进行解调、数模转换和计算等处理后，得到人体手臂动作和手指动作的模拟信号。MCU4根据人体手臂动作和手指动作的模拟信号控制替身机器人机械臂上的舵机2进行相应动作，从而使得替身机器人做出与人体手臂和人体手指相同的动作。
[0041]4)发射终端发射摇杆动作信号；
[0042]机器人本体的头部设置的摄像头实时采集机器人本体前方的环境信息，并将采集到的信息传输至上位机。人体通过上位机了解机器人本体所在的位置，并控制摇杆10动作，摇杆动作信号传输至发射终端处的MCU4，MCU4对接收到的摇杆动作信号进行处理后通过无线发射模块9发送给替身机器人上的无线接收模块6。
[0043]5)替身机器人接收摇杆动作信号，控制行走装置做出与摇杆10动作相同的动作；
[0044]无线接收模块6将接收到的摇杆动作信号传输至替身机器人处的MCU4，MCU4对接收到的摇杆动作信号进行处理后通过电机驱动模块5驱动行走装置I移动。
[0045]上述步骤I)中，陀螺仪7采用整合性六轴运动处理组件MPU6050。电位器8采用WDD35D-4型号的电位器。无线发射模块9采用低功耗的单片射频收发芯片NRF2401。
[0046]本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种替身机器人，其特征在于:它包括机器人本体、行走装置、舵机、电源模块、MCU、电机驱动模块和无线接收模块；所述行走装置设置所述在机器人本体下方； 所述机器人本体上设置九个所述舵机，其中第一所述舵机设置在所述机器人本体的头部，第二所述舵机设置在左机械臂的手腕处，第三所述舵机设置在左机械臂的手肘处，第四、第五所述舵机设置在左机械臂的肩膀处，第六所述舵机设置在右机械臂的手腕处，第七所述舵机设置在右机械臂的手肘处，第八、第九所述舵机设置在右机械臂的肩膀处； 所述电源模块、MCU、电机驱动模块和无线接收模块设置在机器人本体上，所述电源模块为所述MCU提供3.3V电压，所述舵机、电机驱动模块和无线接收模块均与所述MCU连接，所述电机驱动模块与所述行走装置连接；所述无线接收模块接收人体的动作信号并传输至所述MCU，所述MCU控制所述舵机动作，并通过所述电机驱动模块控制所述行走装置移动。2.如权利要求1所述的一种替身机器人，其特征在于:所述舵机采用大扭力金属齿舵机 MG946R。3.如权利要求1所述的一种替身机器人，其特征在于:所述电源模块包括12V电池和型号为AMS1117的稳压器，所述12V电池与所述稳压器连接，所述稳压器对所述12V电压稳压后输出3.3V电压，为所述MCU供电。4.如权利要求1或2或3所述的一种替身机器人，其特征在于:所述MCU采用低功耗微控制器STM32F103。5.如权利要求1或2或3所述的一种替身机器人，其特征在于:所述电机驱动模块采用驱动芯片L298N。6.如权利要求1或2或3所述的一种替身机器人，其特征在于:所述无线接收模块采用低功耗的单片射频收发芯片NRF2401。7.如权利要求1或2或3所述的一种替身机器人，其特征在于:所述机器人本体的头部设置一摄像头，用于采集所述机器人本体前方的环境信息。8.一种采用如权利要求1?7任一项所述的替身机器人的替身实现方法，其包括以下步骤: 1)设置一包括替身机器人、设置在人体上的发射终端和上位机的替身效果实现系统；替身机器人包括机器人本体、行走装置、舵机、电源模块、MCU、电机驱动模块、无线接收模块和摄像头；发射终端包括电源模块、MCU、陀螺仪、电位器、无线发射模块和摇杆，人体左、右手臂的肱二头肌附近各设置一陀螺仪，人体左手臂的肘关节和左手拇指腕掌关节处各设置一电位器，人体右手臂的肘关节和右手拇指腕掌关节处各设置一电位器； 2)发射终端发射人体手臂动作信号； 陀螺仪实时检测人体上臂的运动情况，并将检测到的上臂运动信号传输至MCU;人体肘关节处的电位器将其电阻值发送给发射终端处的MCU ;人体拇指腕掌关节处的电位器将其电阻值发送给发射终端处的MCU ; MCU对接收到的上臂运动信号、人体肘关节处电位器的电阻值和人体拇指腕掌关节处电位器的电阻值进行计算、模数转换、调制处理，得到人体手臂动作和手指动作的数字信号，并通过无线发射模块发送给替身机器人上的无线接收模块； 3)替身机器人接收人体手臂动作和手指动作信号，并做出与人体相同的动作； 无线接收模块将接收到的人体手臂动作和手指动作的数字信号均传输至替身机器人处的MCU，MCU对接收到的数字信号进行解调、数模转换和计算处理后，得到人体手臂动作和手指动作的模拟信号；MCU根据人体手臂动作和手指动作的模拟信号控制替身机器人机械臂上的舵机进行相应动作； 4)发射终端发射摇杆动作信号； 机器人本体的头部设置的摄像头实时采集机器人本体前方的环境信息，并将采集到的信息传输至上位机，人体通过上位机了解机器人本体所在的位置，并控制摇杆动作，摇杆动作信号传输至发射终端处的MCU，MCU对接收到的摇杆动作信号进行处理后通过无线发射模块发送给替身机器人上的无线接收模块； 5)替身机器人接收摇杆动作信号，控制行走装置做出与摇杆动作相同的动作； 无线接收模块将接收到的摇杆动作信号传输至替身机器人处的MCU，MCU对接收到的摇杆动作信号进行处理后通过电机驱动模块驱动行走装置移动。9.如权利要求8所述的一种替身实现方法，其特征在于:所述步骤I)中，所述陀螺仪采用整合性六轴运动处理组件MPU6050，所述电位器采用WDD3OT-4型号的电位器，所述无线发射模块采用低功耗的单片射频收发芯片NRF2401。
【专利摘要】本发明涉及一种替身机器人及替身实现方法，替身机器人包括机器人本体、行走装置、舵机、电源模块、MCU、电机驱动模块和无线接收模块；行走装置设置在机器人本体下方；机器人本体上设置九个舵机，分别设置在机器人本体的头部、左右机械臂的手腕处、手肘处和肩膀处；电源模块、MCU、电机驱动模块和无线接收模块设置在机器人本体上，电源模块为MCU提供3.3V电压，舵机、电机驱动模块和无线接收模块均与MCU连接，无线接收模块接收人体的动作信号并传输至MCU，MCU控制舵机动作，并通过电机驱动模块控制行走装置移动。本发明的有益效果为：能够根据人体的手臂和手指的动作做出与人体相同的动作，真正实现替身效果。
【IPC分类】B25J11/00, B25J19/00, B25J13/08
【公开号】CN104889996
【申请号】CN201510239550
【发明人】卓翔, 谢仕炜, 刘亚珊, 高雪冰
【申请人】卓翔, 谢仕炜, 高雪冰, 刘亚珊
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月12日