一種智能機(jī)器貓的制作方法
【專利摘要】提供一種智能機(jī)器貓，其包括頭部、軀干、前肢、后肢和尾巴五個(gè)部分，智能機(jī)器貓的頭部包括攝像頭、聽覺傳感器、氣味傳感器和超聲波測距儀，用以實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器貓的視覺、聽覺、嗅覺和測距功能；腿腳部分又由分別代表智能機(jī)器貓大腿、小腿及腳掌的三個(gè)剛性構(gòu)件和一個(gè)代表智能機(jī)器貓腳趾的柔性構(gòu)件通過三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)聯(lián)接而成；尾巴的關(guān)節(jié)部分用彈簧構(gòu)成，利用三根鋼絲繩的拉力平衡，使之能夠向任意方向改變姿態(tài)。所述智能機(jī)器貓可以實(shí)現(xiàn)：直線行走、奔跑、越障、小幅度跳躍、原地旋轉(zhuǎn)、爬樹、匍匐前進(jìn)等現(xiàn)實(shí)中貓可以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作。
【專利說明】一種智能機(jī)器貓
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種智能機(jī)器貓，所述智能機(jī)器貓通過仿照貓的身體特征實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的靈活性、穩(wěn)定性、實(shí)用性。
【背景技術(shù)】
[0002]美國Bostondynamics實(shí)驗(yàn)室研制的BigDog,它能以不同步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá)52KG的物體，爬升斜坡可達(dá)35°，其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)來控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。
[0003]上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研制成功的JTUWM-111，該機(jī)器人采用開式鏈腿機(jī)構(gòu)，每條腿有3個(gè)自由度，具有結(jié)構(gòu)簡單、外形靈巧、體積小、重量輕等特點(diǎn)。它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對角線動(dòng)態(tài)行走。但其步行速度較慢，極限步速僅為1.7km / h;另外，其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí)實(shí)用性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，通過綜合分析各種足式仿生機(jī)器人所存在的優(yōu)缺點(diǎn)，本發(fā)明研究設(shè)計(jì)出了一種智能機(jī)器貓，該智能機(jī)器貓屬于四足仿生貓，實(shí)現(xiàn)了仿生貓的直線行走、奔跑、越障、小幅度跳躍、原地旋轉(zhuǎn)、爬樹、匍匐前進(jìn)等動(dòng)作。
[0005]依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，智能機(jī)器貓包括頭部、軀干、前肢、后肢和尾巴五個(gè)部分，智能機(jī)器貓的頭部包括攝像頭、聽覺傳感器、氣味傳感器和超聲波測距儀，用以實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器貓的視覺、聽覺、測距功能；腿腳部分又由分別代表智能機(jī)器貓大腿、小腿及腳掌的三個(gè)剛性構(gòu)件和一個(gè)代表智能機(jī)器貓腳趾的柔性構(gòu)件通過三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)聯(lián)接而成；尾巴的關(guān)節(jié)部分用彈簧部分構(gòu)成，利用三根鋼絲繩的拉力平衡，使之能夠向任意方向改變姿態(tài)；
[0006]其中，攝像頭采用美國OmniVision公司開發(fā)的CMOS彩色圖像傳感器芯片0V7725 ；聽覺傳感器采用BYG71-007聲音傳感器；氣味傳感器采用MQ2傳感器，主要用于檢測可燃性氣體；超聲波測距儀采用HC — SR04測距模塊；軀干為一塊整體的軀體結(jié)構(gòu)板，前肢和后肢與軀干的聯(lián)接通過髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)的齒輪軸29與軀干對應(yīng)位置的軸孔通過軸承聯(lián)接，髖關(guān)節(jié)與腿部采用鑲嵌、粘貼固定在一起；髖關(guān)節(jié)中圓柱齒輪27、圓柱齒輪36為主動(dòng)輪；后肢中錐齒輪3、錐齒輪11為主動(dòng)輪；前肢中錐齒輪17、錐齒輪22為主動(dòng)輪，主動(dòng)輪與電機(jī)通過聯(lián)軸器聯(lián)接；前肢與后肢都有髖關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)處軸26與圓柱齒輪27采用鍵聯(lián)接；圓柱齒輪28與軸30采用鍵聯(lián)接；錐齒輪31與軸30采用鍵聯(lián)接；錐齒輪32與軸33采用鍵聯(lián)接；齒輪軸29與關(guān)節(jié)34采用軸33起到銷的作用進(jìn)行聯(lián)接；圓柱齒輪36與軸35采用鍵聯(lián)接，髖關(guān)節(jié)處有兩個(gè)自由度及兩個(gè)伺服電機(jī)。
[0007]更優(yōu)選地，前肢或后肢均包括爪子，爪子的腳底部分模仿真貓做了六個(gè)“肉墊”;其中五個(gè)小“肉墊”是使用橡膠材料做成的防滑結(jié)構(gòu)，表面有磨砂及突出結(jié)構(gòu)；另外一個(gè)大的“肉墊”為用薄橡膠材料包裝的六維力傳感器，傳感器采用彈性體結(jié)構(gòu)。
[0008]此外，智能機(jī)器貓的內(nèi)部有太陽能電池板。
[0009]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:能源利用方面，采用清潔的電能，智能機(jī)器貓的內(nèi)部有電池板，在其不工作時(shí)會(huì)展開收集太陽能，為電池蓄電，模擬了貓咪喜歡曬太陽的習(xí)慣，體現(xiàn)了節(jié)能減排的理念；爪子的仿生設(shè)計(jì)，仿照貓爪的結(jié)構(gòu)，我們在智能機(jī)器貓的爪子底部裝有橡膠墊，用于緩沖之用，并在腳掌中間裝了六維力傳感器，全方位測試智能機(jī)器貓的受力，為其平衡的維持提供必要的數(shù)據(jù)。智能機(jī)器貓克服了普通四足機(jī)器人的穩(wěn)定性差、轉(zhuǎn)向不靈活、實(shí)用性差等缺點(diǎn)，智能機(jī)器貓擁有和真正的貓一樣的可以收縮的利爪，便于實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)靈活旋轉(zhuǎn)，通過對貓的步態(tài)研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)四足仿生機(jī)器人的原地迅速旋轉(zhuǎn)，將足式仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性大大提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的智能機(jī)器貓的后肢主視圖；
[0011]圖2是本發(fā)明的智能機(jī)器貓的前肢主視圖；
[0012]圖3是本發(fā)明的智能機(jī)器貓前肢后肢的髖關(guān)節(jié)主視圖；
[0013]圖4是本發(fā)明的智能機(jī)器貓尾巴的直立時(shí)示意圖；
[0014]圖5是本發(fā)明的智能機(jī)器貓尾巴的彎曲時(shí)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。另外，不應(yīng)當(dāng)將本發(fā)明的保護(hù)范圍僅僅限制至下述具體結(jié)構(gòu)或部件或具體參數(shù)。
[0016]附圖中各個(gè)附圖標(biāo)記分別標(biāo)識(shí)如下部件:1.后腿第一關(guān)節(jié)，2.軸，3.錐齒輪，4.錐齒輪，5.軸，6.后腿第二關(guān)節(jié)，7.扭簧，8.軸，9.后腿第三關(guān)節(jié)，10.軸，11.錐齒輪，12.錐齒輪，13.軸，14.腳掌，15.前腿第一關(guān)節(jié)，16.軸，17.錐齒輪，18.錐齒輪，19.軸，20.前腿第二關(guān)節(jié)，21.軸，22.錐齒輪，23.錐齒輪，24.軸，25.腳掌，26.軸，27.圓柱齒輪，28.圓柱齒輪，29.圓柱齒輪軸，30.軸，31.錐齒輪，32.錐齒輪，33.軸，34.髖關(guān)節(jié)，35.軸，36.圓柱齒輪，37.圓柱齒輪。
[0017]智能機(jī)器貓的設(shè)計(jì)思想為:根據(jù)外部給定的任務(wù)，借助各類傳感器，如:腳掌底部的六維力傳感器，頭部的攝像頭和超聲波測距儀等，確定機(jī)器人的行走路線；這些思考動(dòng)作由宏觀規(guī)劃決策模塊來完成。另外，多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制模塊將任務(wù)分配到機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，通過多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來完成具體的任務(wù)；單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制模塊通過對機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的伺服控制，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)完成運(yùn)動(dòng)。
[0018]本發(fā)明的主要設(shè)計(jì)方法如下:
[0019]一.步態(tài)規(guī)劃
[0020]腿腳部分又由分別代表智能機(jī)器貓大腿、小腿及腳掌的三個(gè)剛性構(gòu)件和一個(gè)代表智能機(jī)器貓腳趾的柔性構(gòu)件通過三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)聯(lián)接而成；如附圖2所示，關(guān)節(jié)34、19、24、25分別代表智能機(jī)器貓的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及趾關(guān)節(jié)。該智能機(jī)器貓每條腿與腳趾部分有六個(gè)自由度，可滿足智能機(jī)器貓?zhí)S運(yùn)動(dòng)特征要求，并具有剛、柔構(gòu)件混合的空間跳躍機(jī)構(gòu)，即為理想的仿貓的跳躍機(jī)構(gòu)模型。
[0021]二.前肢
[0022]前肢主要包括3個(gè)關(guān)節(jié)以及爪子部分。
[0023]軸16與前肢第一關(guān)節(jié)采用軸承聯(lián)接；軸16與錐齒輪17采用鍵聯(lián)接；錐齒輪18與軸19采用鍵聯(lián)接；前肢的第一第二關(guān)節(jié)間用軸19起到銷的作用進(jìn)行聯(lián)接，其中與第二關(guān)節(jié)為過盈配合，與第一關(guān)節(jié)為間隙配合；軸21與前肢第二關(guān)節(jié)間采用軸承聯(lián)接；軸21與錐齒輪22采用鍵聯(lián)接；錐齒輪23與軸24采用鍵聯(lián)接；第二關(guān)節(jié)與第三關(guān)節(jié)用軸24起到銷的作用進(jìn)行聯(lián)接，且其中軸24與第三關(guān)節(jié)間為過盈配合，與第二關(guān)節(jié)間為間隙配合。
[0024]爪子部分是智能機(jī)器貓的特色部分。在每個(gè)爪子的腳底部分模仿真貓做了六個(gè)“肉墊”，其中五個(gè)小“肉墊”是使用橡膠材料做成的防滑結(jié)構(gòu)，表面有磨砂及突出結(jié)構(gòu)，大大增加了智能機(jī)器貓的防滑與抗震的能力；另外一個(gè)大的“肉墊”是用薄橡膠材料包裝的六維力傳感器，傳感器采用彈性體結(jié)構(gòu)，靈敏度高、剛性好、維間耦合小、有機(jī)械過載保護(hù)功能，由傳感器、綜合解耦及數(shù)據(jù)處理三部分組成。六維力傳感器能同時(shí)檢測三維空間的全力信息，即三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量。
[0025]三.后肢
[0026]錐齒輪3與其軸2采用鍵聯(lián)接，該軸與后肢第一關(guān)節(jié)間又采用軸承聯(lián)接；錐齒輪4與軸4采用鍵聯(lián)接；錐齒輪3與軸5采用鍵聯(lián)接；后肢的第一關(guān)節(jié)與第二關(guān)節(jié)間用軸5起到銷的作用進(jìn)行聯(lián)接，且軸5與第一關(guān)節(jié)間為間隙配合，與第二關(guān)節(jié)間為過盈配合；后肢的第三關(guān)節(jié)與第二關(guān)節(jié)采用軸8起到銷的作用進(jìn)行聯(lián)接；扭簧7套在軸8上；錐齒輪11與其軸10采用鍵聯(lián)接，其軸與第三關(guān)節(jié)采用軸承進(jìn)行聯(lián)接；錐齒輪12與其軸13采用鍵聯(lián)接；后肢的第三關(guān)節(jié)與第四關(guān)節(jié)采用軸13起到銷的作用進(jìn)行聯(lián)接，且軸13與第三關(guān)節(jié)為間隙配合，與第四關(guān)節(jié)為過渡配合。
[0027]后肢包括4個(gè)關(guān)節(jié)和爪子。關(guān)節(jié)處也均采用直齒錐齒輪連接，采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力來源，髖關(guān)節(jié)處有兩個(gè)自由度，兩個(gè)伺服電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)后肢的前后、左右的擺動(dòng)。在后肢的第一膝關(guān)節(jié)處和第二膝關(guān)節(jié)處均安裝了扭簧，通過的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)蓄力，在釋放后實(shí)現(xiàn)貓的跳躍。
[0028]四.髖關(guān)節(jié)
[0029]前肢與后肢都有髖關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)處軸26與圓柱齒輪27采用鍵聯(lián)接；圓柱齒輪28與軸30采用鍵聯(lián)接；錐齒輪31與軸30采用鍵聯(lián)接；錐齒輪32與軸33采用鍵聯(lián)接；齒輪軸29與關(guān)節(jié)34采用軸33起到銷的作用進(jìn)行聯(lián)接；圓柱齒輪36與軸35采用鍵聯(lián)接。髖關(guān)節(jié)處有兩個(gè)自由度，兩個(gè)伺服電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)后肢的前后、左右的擺動(dòng)。
[0030]五.頭部設(shè)計(jì)
[0031]智能機(jī)器貓的頭部相當(dāng)于它的的信息采集器，包括攝像頭、聽覺傳感器、氣味傳感器、超聲波測距儀等一些重要原件，這些元件集成在一張電路板上，其中雙攝像頭采用美國OmniVi sion公司開發(fā)的CMOS彩色圖像傳感器芯片0V7725，聽覺部分采用聲音傳感器BYG71-007，氣味傳感器采用MQ2主要用于檢測可燃性氣體，超聲波測距模塊安置在攝像頭下面，采用HC — SR04測距模塊，通過上述傳感器結(jié)合用以實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器貓的視覺、聽覺、嗅覺、測距等功能。
[0032]在特征提取部分，通常每隔5-10ms，求取20_30ms窗幅的短時(shí)間頻譜，然后以特征向量的形式輸出。在如上的特征參數(shù)序列中，譯碼器求出最適合的詞語，或者詞語序列。即若設(shè)特征序列為X(=xlx2x3-xt) (xi為特征向量，t為時(shí)間序列的長度)，設(shè)單詞序列為W(=wlw2w3***wk) (wi為詞語，K為詞語數(shù))，求出滿足下式的W:
[0033]argmaxlogPr (ff | X)(3.1)
[0034]式中,argmaxf (i)的意義是求給出f (i)的最大值所對應(yīng)的i。直接計(jì)算式(3.1)的概率模型是無法實(shí)現(xiàn)建立的。因此，要利用貝葉斯公式把式(3.1)變換成下列形式:
[0035]argmax (log Pr (X | ff) +log Pr (W))(3.2)
[0036]并計(jì)算對數(shù)如此。式(3.2)中的第一項(xiàng)是詞語或詞語序列W發(fā)話時(shí)，音響現(xiàn)象X產(chǎn)生的概率。計(jì)算中用到的概率模型為音響模型。式(3.2)中的第二項(xiàng)是與詞語或詞語序列W發(fā)生有關(guān)的先驗(yàn)概率，在詞語識(shí)別的場合，它就是與詞匯的發(fā)生有關(guān)的先驗(yàn)概率，而在連續(xù)語音識(shí)別的場合，它則是單詞序列W能否成為句子的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。如果不能被視為句子的詞語序列則其取值會(huì)比較小；如果能被視為句子的詞語序列，則其取值會(huì)比較大；如果屬于頻繁出現(xiàn)的詞語序列，其取值將會(huì)更大。在上述的計(jì)算中所采用的概率模型，稱為語言模型。
[0037]六.軀體設(shè)計(jì)
[0038]一般來說，多足機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)安裝在一塊整體的軀體結(jié)構(gòu)板上，這樣便于實(shí)現(xiàn)軀體的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，增加行程，提高移動(dòng)速度。本設(shè)計(jì)中前肢和后肢與身體的聯(lián)接通過髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)的齒輪軸29與身體對應(yīng)位置的軸孔通過軸承聯(lián)接，髖關(guān)節(jié)與腿部采用鑲嵌、粘貼固定在一起；髖關(guān)節(jié)中圓柱齒輪27、圓柱齒輪36為主動(dòng)輪；后肢中錐齒輪3、錐齒輪11為主動(dòng)輪；前肢中錐齒輪17、錐齒輪22為主動(dòng)輪，主動(dòng)輪與電機(jī)通過聯(lián)軸器聯(lián)接。
[0039]七?尾巴
[0040]尾巴的關(guān)節(jié)部分用彈簧部分構(gòu)成，利用三根鋼絲繩的拉力平衡，使之能夠向任意方向改變姿態(tài)。在這種情況下，它的自由度是2。
[0041]八.本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)中的其他類似機(jī)器人，在各個(gè)具體參數(shù)均有突破，在綜合性
[0042]能表現(xiàn)上更是其他類似機(jī)器人所無法比擬的，本發(fā)明的智能機(jī)器貓的具體性能參數(shù)如下:[0043]外觀材料:PC_ABS (白色)
[0044]
【權(quán)利要求】
1.一種智能機(jī)器貓，其特征在于，所述智能機(jī)器貓包括頭部、軀干、前肢、后肢和尾巴五個(gè)部分，智能機(jī)器貓的頭部包括攝像頭、聽覺傳感器、氣味傳感器和超聲波測距儀，用以實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器貓的視覺、聽覺、嗅覺和測距功能；腿腳部分又由分別代表智能機(jī)器貓大腿、小腿及腳掌的三個(gè)剛性構(gòu)件和一個(gè)代表智能機(jī)器貓腳趾的柔性構(gòu)件通過三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)聯(lián)接而成；尾巴的關(guān)節(jié)部分由彈簧構(gòu)成，利用三根鋼絲繩的拉力平衡，使之能夠向任意方向改變姿態(tài)； 其中，所述攝像頭采用美國OmniVision公司開發(fā)的CMOS彩色圖像傳感器芯片0V7725 ；所述聽覺傳感器采用BYG71-007聲音傳感器；所述氣味傳感器采用MQ2傳感器，用于檢測可燃性氣體； 所述軀干為一塊整體的軀體結(jié)構(gòu)板，前肢和后肢與軀干的聯(lián)接通過髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)的齒輪軸(29)與軀干對應(yīng)位置的軸孔通過軸承聯(lián)接，髖關(guān)節(jié)與腿部采用鑲嵌、粘貼固定在一起；髖關(guān)節(jié)中圓柱齒輪(27)、圓柱齒輪(36)為主動(dòng)輪；后肢中錐齒輪(3)、錐齒輪(11)為主動(dòng)輪；前肢中錐齒輪(17)、錐齒輪(22)為主動(dòng)輪,主動(dòng)輪與電機(jī)通過聯(lián)軸器聯(lián)接； 所述前肢與后肢都有髖關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)處軸(26)與圓柱齒輪(27)采用鍵聯(lián)接；圓柱齒輪(28)與軸(30)采用鍵聯(lián)接；錐齒輪(31)與軸(30)采用鍵聯(lián)接；錐齒輪(32)與軸(33)采用鍵聯(lián)接；齒輪軸(29)與關(guān)節(jié)(34)通過軸(33)起到銷的作用進(jìn)行聯(lián)接；圓柱齒輪(36)與軸(35)采用鍵聯(lián)接，髖關(guān)節(jié)處有兩個(gè)自由度和兩個(gè)伺服電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能機(jī)器貓，其特征在于，所述超聲波測距儀采用HC— SR04測距模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能機(jī)器貓，其特征在于，所述前肢或后肢均包括爪子，爪子的腳底部分模仿真貓做了六個(gè)“肉墊”，其中五個(gè)小“肉墊”是使用橡膠材料做成的防滑結(jié)構(gòu)，表面有磨砂及突出結(jié)構(gòu)；另外一個(gè)大的“肉墊”是用薄橡膠材料包裝的六維力傳感器，傳感器采用彈性體結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能機(jī)器貓，其特征在于，在智能機(jī)器貓內(nèi)部設(shè)置有太陽能電池板。
【文檔編號(hào)】B62D57/032GK103600786SQ201310520403
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】李天豪, 李勝, 蔡偉, 郭亞娜, 陳中樂, 趙婧文 申請人:李天豪