本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有超聲波眼睛的人形機(jī)器人。

背景技術(shù)：

超聲波是振動(dòng)頻率高于20KHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他能量信號(hào)(通常是電信號(hào))的傳感器。目前，超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器探測(cè)距離可調(diào)、進(jìn)度可控，性價(jià)比高等特點(diǎn)。在機(jī)器人行業(yè)中,超聲波傳感器運(yùn)用尤其廣泛，具有多種用途，例如，用于輪式機(jī)器人、人形機(jī)器人、旋翼機(jī)器人的避障與探測(cè)距離，在醫(yī)用機(jī)器人中用于測(cè)量身高等，它可以得知機(jī)器人與物體之間的距離,從而使機(jī)器人作出快速穩(wěn)定的各種反應(yīng)。超聲波傳感器的體積有大有小，可以在不同設(shè)備上方便安裝,一般在用于機(jī)器人避障或探測(cè)距離時(shí)，都會(huì)將其安裝在胸部\后背\手\腳等各部位,如果需要檢測(cè)多個(gè)空間方向的數(shù)據(jù),只能增加超聲波傳感器的數(shù)量,才能實(shí)現(xiàn)全方位檢測(cè)，無(wú)形中增加了成本和程序的復(fù)雜性。此外，在應(yīng)用時(shí)也只是考慮其作為探測(cè)距離或避障使用,很少會(huì)考慮到其美觀性，以及與其他設(shè)備的配合性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，提供一種具有超聲波眼睛的人形機(jī)器人，將超聲波傳感器放在人形機(jī)器人眼睛部位，通過(guò)與頭部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合，使得人形機(jī)器人探測(cè)角度更加廣泛，更加具有指向性，并且降低了機(jī)器人硬件成本和程序的復(fù)雜性，提高了人形機(jī)器人的觀賞性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

1.一種具有超聲波眼睛的人形機(jī)器人，其特征在于，包括機(jī)器人頭部，所述機(jī)器人頭部固定有超聲波測(cè)距模塊，所述超聲波測(cè)距模塊包括安裝在機(jī)器人眼睛部位的超聲波傳感器，所述機(jī)器人頭部具有能帶動(dòng)頭部運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)，所述舵機(jī)及所述超聲波測(cè)距模塊均連接機(jī)器人主控板，由主控板發(fā)出控制信號(hào)，控制所述超聲波測(cè)距模塊與機(jī)器人頭部同步運(yùn)動(dòng)并發(fā)出探測(cè)信號(hào)，使機(jī)器人通過(guò)頭部運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多方位超聲波掃描探測(cè)。

2.所述機(jī)器人頭部包括頭部前殼，所述頭部前殼的眼睛部位上具有與超聲波傳感器尺寸相適配的安裝孔，所述安裝孔向內(nèi)拉伸出安裝凸臺(tái)，所述超聲波測(cè)距模塊固定在安裝凸臺(tái)上，兩個(gè)超聲波傳感器分別嵌套在所述安裝孔內(nèi)。

3.所述安裝凸臺(tái)四角預(yù)留安裝螺紋孔，所述超聲波測(cè)距模塊螺紋連接在安裝凸臺(tái)上。

4.所述頭部前殼的眼睛部位周圍具有起加固和美觀作用的加強(qiáng)箍。

5.所述超聲波測(cè)距模塊采用一塊包括兩個(gè)超聲波傳感器的超聲波測(cè)距模塊，所述超聲波測(cè)距模塊的信號(hào)控制端連接機(jī)器人主控板，由主控板控制其中一個(gè)傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)，通過(guò)另一個(gè)傳感器接收反射回響信號(hào)；通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔即可得到探測(cè)距離，距離＝時(shí)間*聲速(340M/S)/2。

6.所述超聲波測(cè)距模塊采用兩塊只有一個(gè)超聲波傳感器的的超聲波測(cè)距模塊，兩塊超聲波測(cè)距模塊的信號(hào)控制端分別連接機(jī)器人主控板，由主控板分別控制每個(gè)傳感器即發(fā)射超聲波信號(hào)又接收反射回響信號(hào)。

7.所述舵機(jī)包括水平輸出軸舵機(jī)和/或垂直輸出軸舵機(jī)；所述機(jī)器人頭部的底座上具有將水平輸出軸舵機(jī)的輸出軸水平安裝和/或?qū)⒋怪陛敵鲚S舵機(jī)的輸出軸垂直安裝的安裝裝置。

8.所述安裝裝置包括將舵機(jī)輸出軸水平安裝的架構(gòu)件，所述架構(gòu)件的兩端具有將舵機(jī)輸出軸水平安裝的連接孔；在水平輸出軸舵機(jī)的下方具有安裝垂直輸出軸舵機(jī)的卡件，所述卡件中心部位具有將舵機(jī)輸出軸垂直安裝的連接孔。

9.所述舵機(jī)采用數(shù)字舵機(jī)，所述數(shù)字舵機(jī)的信號(hào)控制端分別連接機(jī)器人主控板，當(dāng)需要機(jī)器人頭部上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由主控板控制水平輸出軸舵機(jī)發(fā)送角度命令，控制機(jī)器人頭部抬頭/低頭相應(yīng)角度；當(dāng)需要機(jī)器人頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度時(shí)，由主控板向垂直輸出軸舵機(jī)發(fā)送角度命令，控制機(jī)器人頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度；并帶動(dòng)超聲波傳感器同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器在舵機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的多方位掃描探測(cè)。

10.所述機(jī)器人主控板包括超聲波數(shù)據(jù)主動(dòng)檢測(cè)單元，用于檢測(cè)超聲波傳感器的反饋數(shù)據(jù)，將超聲波傳感器的反饋數(shù)據(jù)與設(shè)定的閥值做對(duì)比，如果超出規(guī)定的閥值，機(jī)器人停止當(dāng)前主程序執(zhí)行，跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，執(zhí)行異常處理程序后，再返回繼續(xù)執(zhí)行主程序。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供的一種具有超聲波眼睛的人形機(jī)器人，將超聲波傳感器安裝在人形機(jī)器人頭部眼睛部位當(dāng)機(jī)器人眼睛使用，通過(guò)與頭部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合，從而達(dá)到只使用一組超聲波傳感器即可掃描檢測(cè)頭部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的超聲波數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多角度空間掃描檢測(cè)，使得人形機(jī)器人探測(cè)角度更加廣泛，更加具有指向性，檢測(cè)空間環(huán)境效率更高、更快，降低了機(jī)器人硬件成本和程序的復(fù)雜性；并且超聲波傳感器放在人形機(jī)器人頭部眼睛部位不僅僅作為眼睛的效果，還能通過(guò)程序模仿人類眼睛的功能，眼睛大小及位置符合人體工程學(xué)原理，使人形機(jī)器人更加像人，提高了人形機(jī)器人的觀賞性。

附圖說(shuō)明

圖1-1為本發(fā)明的人形機(jī)器人頭部前殼實(shí)施例正視圖。

圖1-2為本發(fā)明的人形機(jī)器人頭部前殼實(shí)施例后視圖。

圖2為本發(fā)明的超聲波眼睛和人形機(jī)器人頭部前殼組合的實(shí)施例正視圖。

圖3為本發(fā)明的超聲波眼睛和人形機(jī)器人頭部前殼組合的實(shí)施例后視圖之一。

圖4為本發(fā)明的超聲波眼睛和人形機(jī)器人頭部前殼組合的實(shí)施例后視圖之二。

圖5為本發(fā)明的具有超聲波眼睛的人形機(jī)器人頭部舵機(jī)安裝示意圖。

圖6為主控板的超聲波數(shù)據(jù)主動(dòng)檢測(cè)單元的工作流程圖。

附圖標(biāo)記列示如下：1-機(jī)器人頭部前殼，2-安裝孔，3-安裝凸臺(tái)，4-螺紋孔，5-加強(qiáng)箍，6-底座，7-超聲波傳感器，8-HC-SR04模塊，9-左超聲波測(cè)距模塊，10-右超聲波測(cè)距模塊，11-水平輸出軸舵機(jī)，12-垂直輸出軸舵機(jī)，13-架構(gòu)件，14-架構(gòu)件連接孔，15-卡件，16-卡件連接孔，17-信號(hào)控制端。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是將超聲波傳感器固定在人形機(jī)器人頭部的眼睛部位，將機(jī)器人的頭部殼體做造型，切除機(jī)器人頭部殼體眼睛部位的型材，留出超聲波傳感器尺寸大小的安裝孔，并向內(nèi)部拉伸出安裝凸臺(tái)。達(dá)到超聲波傳感器一物兩用，既作為眼睛，又用于探測(cè)距離，節(jié)約了空間，提高了人形機(jī)器人的美觀性和實(shí)用性。在不影響機(jī)器人的動(dòng)作的情況下，充分利用眼睛位置的優(yōu)勢(shì)，利用超聲波傳感器，解決了人形機(jī)器人的美觀、探測(cè)與避障以及與其他設(shè)備的配合的問(wèn)題。

一種具有超聲波眼睛的人形機(jī)器人，包括機(jī)器人頭部，機(jī)器人頭部固定有超聲波測(cè)距模塊，超聲波測(cè)距模塊包括安裝在機(jī)器人眼睛部位的超聲波傳感器，機(jī)器人頭部具有能帶動(dòng)頭部運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)，舵機(jī)及超聲波測(cè)距模塊均連接機(jī)器人主控板，由主控板發(fā)出控制信號(hào)，控制超聲波測(cè)距模塊與機(jī)器人頭部同步運(yùn)動(dòng)并發(fā)出探測(cè)信號(hào)，使機(jī)器人通過(guò)頭部運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多方位超聲波掃描探測(cè)。

圖1-1、圖1-2為本發(fā)明的人形機(jī)器人頭部前殼實(shí)施例的正視圖、后視圖。機(jī)器人頭部包括頭部前殼1，頭部前殼1的眼睛部位上具有與超聲波傳感器尺寸相適配的安裝孔2，安裝孔向內(nèi)拉伸出安裝凸臺(tái)3，凸臺(tái)四角預(yù)留安裝螺紋孔4，用于固定超聲波測(cè)距模塊；前殼的眼睛部位周圍還具有加強(qiáng)箍5，起到對(duì)頭部前殼構(gòu)件加固以及美觀的作用。

圖2、3、4分別為本發(fā)明的超聲波眼睛和人形機(jī)器人頭部前殼組合的實(shí)施例正視圖、后視圖。超聲波測(cè)距模塊包括兩個(gè)超聲波傳感器7，作為機(jī)器人的眼睛。超聲波測(cè)距模塊固定在安裝凸臺(tái)上時(shí)，兩個(gè)超聲波傳感器7嵌套在安裝孔2內(nèi)。其中，如圖3所示中所用的超聲波測(cè)距模塊為一塊包括兩個(gè)超聲波傳感器的超聲波測(cè)距模塊8，超聲波測(cè)距模塊8通過(guò)螺紋孔4采用螺紋連接的方式固定在安裝凸臺(tái)上。兩個(gè)超聲波傳感器7為一收一發(fā)，通過(guò)其中一個(gè)傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)，通過(guò)另一個(gè)傳感器接收反射回響信號(hào)，超聲波測(cè)距模塊8的信號(hào)控制端17連接主控板(圖中未畫出)。圖4中是采用兩塊只有一個(gè)超聲波傳感器的超聲波測(cè)距模塊9、10，分別安裝在機(jī)器人頭部前殼的左、右眼睛部位，左超聲波測(cè)距模塊9和右超聲波測(cè)距模塊10分別采用螺紋連接的方式固定在安裝凸臺(tái)上，每個(gè)傳感器即發(fā)射超聲波信號(hào)又接收反射回響信號(hào)，兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊9、10的信號(hào)控制端17分別連接主控板(圖中未畫出)。

圖5為本發(fā)明的具有超聲波眼睛的人形機(jī)器人頭部舵機(jī)安裝實(shí)施例示意圖。包括水平輸出軸舵機(jī)11和/或垂直輸出軸舵機(jī)12；機(jī)器人頭部的底座上具有將水平輸出軸舵機(jī)的輸出軸水平安裝和/或?qū)⒋怪陛敵鲚S舵機(jī)的輸出軸垂直安裝的安裝裝置。

本實(shí)施例中，包括底座6下方連接安裝水平輸出軸舵機(jī)11的架構(gòu)件13，架構(gòu)件13的兩端具有將舵機(jī)輸出軸水平安裝的連接孔14；在水平輸出軸舵機(jī)11的下方具有安裝垂直輸出軸舵機(jī)12的卡件15，卡件15中心部位具有將舵機(jī)輸出軸垂直安裝的連接孔16。頭部底座固定在機(jī)器人專用架構(gòu)件13上端，舵機(jī)11的輸出軸水平連接在專用架構(gòu)件13的兩端連接孔14上，舵機(jī)11下方連接機(jī)器人專用卡件15，卡件15連接垂直輸出軸舵機(jī)12。本實(shí)施例中，所述舵機(jī)采用數(shù)字舵機(jī)，兩個(gè)數(shù)字舵機(jī)的信號(hào)控制端分別連接機(jī)器人主控板，當(dāng)需要機(jī)器人頭部上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由主控板控制水平輸出軸舵機(jī)11發(fā)送角度命令，控制機(jī)器人頭部抬頭/低頭相應(yīng)角度；當(dāng)需要機(jī)器人頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度時(shí)，由主控板向垂直輸出軸舵機(jī)12發(fā)送角度命令，控制機(jī)器人頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度；帶動(dòng)超聲波傳感器同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器在舵機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的多方位掃描探測(cè)。

以具有兩個(gè)超聲波傳感器的HC-SR04超聲波測(cè)距模塊為例，信號(hào)控制端17的4pin接口定義：VCC供5V電源，GND為地線，TRIG為觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO為回響信號(hào)輸出端。其工作原理：主控板通過(guò)給超聲波測(cè)距模塊一個(gè)工作使能信號(hào)觸發(fā)超聲波測(cè)距模塊工作，超聲波測(cè)距模塊發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，計(jì)算反饋波的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)距離的檢測(cè)。(1)采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；(3)有信號(hào)返回，通過(guò)IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間；(4)測(cè)試距離＝(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。因此，將HC-SR04超聲波測(cè)距模塊的信號(hào)控制端連接機(jī)器人主控板，由主控板向超聲波測(cè)距模塊的TRIG觸發(fā)信號(hào)輸入端發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則由ECHO回響信號(hào)輸出端輸出高電平回響信號(hào)；回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。通過(guò)收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔即可得到探測(cè)距離，距離＝高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2。只需要提供一個(gè)10uS以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式：uS/58＝厘米或者uS/148＝英寸；或是：距離＝高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2；建議測(cè)量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。

同時(shí)，數(shù)字舵機(jī)的信號(hào)控制端也分別連接機(jī)器人主控板，機(jī)器人的主控板向舵機(jī)發(fā)送控制信號(hào),舵機(jī)的控制信號(hào)一般為周期是20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的角度為0－180度，根據(jù)使用的舵機(jī)型號(hào)不同，也可以達(dá)到0—360度；呈線性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)控制電路板中的信號(hào)調(diào)制芯片接收來(lái)自主控板的控制信號(hào)，獲得偏置電壓，芯片內(nèi)部本身帶有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20毫秒，寬度為1.5MS的基準(zhǔn)信號(hào)，獲得的偏置電壓信號(hào)會(huì)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，電壓差的正負(fù)值輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片將決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，因?yàn)槎鏅C(jī)的輸出軸與位置反饋電位計(jì)是相連的，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)反饋電位計(jì)(電位器)旋轉(zhuǎn)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行負(fù)反饋，當(dāng)電壓差為零時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置。舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

……

因此,機(jī)器人主控板向舵機(jī)發(fā)送角度命令,舵機(jī)就會(huì)向響應(yīng)角度旋轉(zhuǎn),因舵機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的頭部相連,舵機(jī)的角度運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于頭部的角度運(yùn)動(dòng),超聲波傳感器則是固定在頭部的，因而實(shí)現(xiàn)超聲波在舵機(jī)角度范圍內(nèi)的角度掃描。

機(jī)器人主控板中增加了一個(gè)超聲波數(shù)據(jù)主動(dòng)檢測(cè)單元，用于檢測(cè)超聲波傳感器的反饋數(shù)據(jù)。如圖6所示，為主控板的超聲波數(shù)據(jù)主動(dòng)檢測(cè)單元的工作流程圖。具體流程是：根據(jù)超聲波反饋的數(shù)據(jù)，與程序中設(shè)定的閥值做對(duì)比，判斷超聲波距離數(shù)值是否超出規(guī)定的閥值，如果超出規(guī)定的閥值，例如前方遇到障礙，則機(jī)器人停止當(dāng)前主程序執(zhí)行，跳轉(zhuǎn)到異常處理程序，執(zhí)行異常處理程序，例如將機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整為前方無(wú)障礙，再檢測(cè)超聲波距離數(shù)值是否符合設(shè)定，若符合，則程序返回主程序繼續(xù)執(zhí)行，從而達(dá)到避障作用。

應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實(shí)施方式可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說(shuō)明書和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。