仿生鹦鹉

摘要

本发明属于仿生机器领域，涉及一种仿生鹦鹉，包括鸟头、鸟身、鸟足、鸟翼、鸟尾、控制系统以及翅膀扑翼伸缩机构；鸟头以及鸟尾分别设置在鸟身两端部；鸟翼设置在鸟身上；鸟足设置在鸟身底部；翅膀扑翼伸缩机构置于鸟身内部并与鸟翼相连；控制系统置于鸟身内部；控制系统与翅膀扑翼伸缩机构相连并通过翅膀扑翼伸缩机构驱动鸟翼进行扑翼伸缩运动。本发明提提供了一种结构合理、外形逼真、功能完善，仿生效果良好的仿生鹦鹉。

说明书

技术领域

本发明属于仿生机器领域，涉及一种仿生机械，尤其涉及一种仿生鹦鹉。

背景技术

人类在仿生鹦鹉的研究上不断寻求突破，目前国际上有关仿生鹦鹉的研制主要分为仿生鹦鹉扑翼机和仿生鹦鹉玩具。仿生鹦鹉扑翼机和仿生鹦鹉玩具主要侧重于运用电子技术对鹦鹉的运动特性、特殊功能进行模拟，对于鹦鹉的结构特性、信息流动等方面的研究都有所欠缺，并且发明功能较为单一，仿生效果较差。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提提供了一种结构合理、外形逼真、功能完善，仿生效果良好的仿生鹦鹉。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿生鹦鹉，其特征在于：所述仿生鹦鹉包括鸟头、鸟身、鸟足、鸟翼、鸟尾、控制系统以及翅膀扑翼伸缩机构；所述鸟头以及鸟尾分别设置在鸟身两端部；所述鸟翼设置在鸟身上；所述鸟足设置在鸟身底部；所述翅膀扑翼伸缩机构置于鸟身内部并与鸟翼相连；所述控制系统置于鸟身内部；所述控制系统与翅膀扑翼伸缩机构相连并通过翅膀扑翼伸缩机构驱动鸟翼进行扑翼伸缩运动。

作为优选，本发明所采用的翅膀扑翼伸缩机构包括翅膀扑翼结构，所述鸟翼包括外翼；所述翅膀扑翼结构与外翼相连并驱动外翼进行扑翼运动。

作为优选，本发明所采用的翅膀扑翼结构包括电机、电机支架、电机齿轮、翼摇杆、摇杆、右部曲柄齿轮、左部曲柄齿轮以及传动齿轮；所述电机通过电机支架设置在鸟身内部；所述电机与电机齿轮相连并驱动电机齿轮绕电机齿轮的轴向转动；所述电机齿轮与传动齿轮相啮合；所述传动齿轮与左部曲柄齿轮同轴；所述电机齿轮通过传动齿轮带动左部曲柄齿轮同步转动；所述左部曲柄齿轮与右部曲柄齿轮相啮合；所述摇杆包括左部摇杆以及右部摇杆；所述翼摇杆包括左部翼摇杆以及右部翼摇杆；所述外翼包括左部外翼以及右部外翼；所述右部曲柄齿轮通过右部摇杆以及右部翼摇杆与右部外翼相连；所述左部曲柄齿轮通过左部摇杆以及左部翼摇杆与左部外翼相连；所述左部外翼以及右部外翼在电机的驱动下进行扑翼运动。

作为优选，本发明所采用的电机是直流减速电机。

作为优选，本发明所采用的翅膀扑翼伸缩机构还包括与翅膀扑翼结构相连的翅膀伸缩机构；所述翅膀伸缩机构驱动鸟翼进行伸缩运动。

作为优选，本发明所采用的翅膀伸缩机构包括左部翅膀伸缩机构以及右部翅膀伸缩机构，所述左部翅膀伸缩机构以及右部翅膀伸缩机构的结构完全相同；所述左部翅膀伸缩机构包括舵机、舵机臂、外翼主动杆、外翼从动杆、从动摇杆、舵机连杆以及主动摇杆；所述舵机通过舵机臂、舵机连杆以及外翼主动杆与外翼相连；所述舵机通过主动摇杆以及外翼主动杆与外翼相连；所述翼摇杆通过从动摇杆以及外翼从动杆与外翼相连；所述从动摇杆通过螺栓和轴套与外翼主动杆相连。

作为优选，本发明所采用的舵机的型号是SG90。

作为优选，本发明所采用的仿生鹦鹉还包括与鸟足相连并驱动鸟足进行站立及抓握运动的脚部姿态调节机构；所述鸟足包括左部鸟足以及右部鸟足；所述左部鸟足以及右部鸟足的结构完全相同；所述左部鸟足与右部鸟足并行设置在鸟身底部；所述左部鸟足通过大腿轴与右部鸟足相连；所述左部鸟足包括大腿杆、关节轴、小腿杆、脚趾甲、脚趾以及弹簧；所述大腿杆通过关节轴与小腿杆相连；所述大腿杆和小腿杆之间设置有弹簧；所述脚趾是多个，多个脚趾自前而后依次通过销轴和皮筋连接并形成铰链状的整体结构；所述铰链状的整体结构的中间部位与小腿杆的底部相连；所述脚趾甲设置在最前端的脚趾上；所述脚部姿态调节机构包括第二舵机、控制线、大腿线轮、控线槽以及控线轴；所述控线轴与大腿轴相平行；所述控线槽套装在控线轴上；所述大腿线轮套装大腿轴上；所述控制线的一端自前而后依次与多个脚趾相连，另一端绕过大腿线轮以及控线槽与舵机相连；所述舵机通过控制线以及大腿线轮带动大腿杆绕大腿轴的轴向转动；所述舵机通过控制线和皮筋带动多个脚趾向内收缩或对外展开。

作为优选，本发明所采用的第二舵机的型号是MG996R。

作为优选，本发明所采用的仿生鹦鹉还包括设置在鸟头内部的头部姿态调节机构，所述头部姿态调节机构是摆锤机构。

作为优选，本发明所采用的仿生鹦鹉还包括设置在鸟身内部的尾部姿态调节机构；所述尾部姿态调节机构包括槽轮、细线、绕线轴以及控尾齿轮；所述细线的一端缠绕在控尾齿轮上，另一端通过绕线轴以及槽轮与鸟尾相连；所述传动齿轮与控尾齿轮相啮合；所述控尾齿轮通过细线带动鸟尾进行摆动。

作为优选，本发明所采用的控制系统包括主控芯片、电源以及电机驱动电路；所述电源以及电机驱动电路分别与主控芯片相连；所述主控芯片的型号是STM32F103C8T6；所述电源包括降压部件以及与降压部件相连的稳压部件；所述降压部件采用的芯片型号是XL2596；所述稳压部件采用的芯片型号是RT9193；所述电机驱动电路采用的芯片型号是RZ7889。

作为优选，本发明所采用的仿生鹦鹉还包括与控制系统相连的语音交互模块，所述语音交互模块置于鸟身。

作为优选，本发明所采用的仿生鹦鹉还包括与控制系统相连的摄像头，所述摄像头置于鸟头。

本发明的优点是：

本发明提供了一种仿生鹦鹉，包括鸟头、鸟身、鸟足、鸟翼、鸟尾、控制系统以及翅膀扑翼伸缩机构；鸟头以及鸟尾分别设置在鸟身两端部；鸟翼设置在鸟身上；鸟足设置在鸟身底部；翅膀扑翼伸缩机构置于鸟身内部并与鸟翼相连；控制系统置于鸟身内部；控制系统与翅膀扑翼伸缩机构相连并通过翅膀扑翼伸缩机构驱动鸟翼进行扑翼伸缩运动。本发明采用摆锤机构，使鹦鹉在任意姿态下，眼睛能够平视前方；采用线控对铰链机构进行控制，使脚部具有站立抓握功能；采用绕线轴转动，拉动连接尾羽一端的绳线，使尾羽具有上下摆动的功能，同时运用一个电机实现了翅膀扇动及尾部姿态调节的多个动作。此外，还可以扩展到语音交互系统以及摄像头，充分模仿并拓展鹦鹉语言能力等，将科学的音乐、语言、心理治疗方案融入，低成本高效益。本发明基于目前仿生鹦鹉结构与功能研究的局限性，本发明通过对虹彩吸蜜鹦鹉的结构形态及功能特点的还原，使发明达到形似以及神似的效果，并且在自闭症儿童的辅助治疗、儿童智力开发、关爱老人等方面有较好应用，使自然界中生物更广泛的融入人类的生活，和谐共处，拉进人与自然的距离。

附图说明

图1是本发明所提供的仿生鹦鹉的结构示意简图；

图2是本发明所提供的仿生鹦鹉的结构示意图；

图3是本发明所提供的仿生鹦鹉的侧视结构剖视状态示意图；

图4是本发明所采用的翅膀扑翼结构的结构示意图；

图5是本发明所采用的翅膀伸缩结构的结构示意图；

图6是本发明所采用的脚部姿态调节机构的结构示意图；

图7是本发明所采用的尾部姿态调节机构的结构示意图；

图8是本发明所采用的控制系统的结构框图；

其中

1-鸟头；11-摆锤机构；2-鸟身；3-鸟足；31-大腿杆；32-大腿线轮；33-大腿轴；34-控线槽；35-控线轴；36-关节轴；37-小腿杆；38-脚趾甲；39-脚趾；310-弹簧；4-鸟翼；41-外翼；42-舵机；43-电机支架；44-电机齿轮；45-翼摇杆；46-摇杆；47-右部曲柄齿轮；48-控尾齿轮；49-左部曲柄齿轮；410-传动齿轮；411-舵机臂；413-外翼主动杆；414-外翼从动杆；415-从动摇杆；416-舵机连杆；417-主动摇杆；5-鸟尾；51-槽轮；52-细线；55-绕线轴。

具体实施方式

本发明考虑到自然界中鹦鹉品种繁多，为使使用者的体验较好，本发明对孤寡老人、留守儿童及具有语言障碍的相关人群进行了问卷调查。调查数据显示，虹彩吸蜜鹦鹉可爱的外形及其良好的语言交互能力受到了广泛的认可和接纳，最终选定仿生对象为虹彩吸蜜鹦鹉。通过对虹彩吸蜜鹦鹉的观察及研究，虹彩吸蜜鹦鹉主要由头部、翅膀、身体、尾部、脚部几个部分组成，并且羽色鲜艳，广受喜爱。其结构主要由头部、翅膀、身体、尾部、脚部几个部分组成，其功能是：鹦鹉的语言能力、抓握能力较为突出。要逼真地模仿出鹦鹉的扑翼动作需要三个自由度的翅膀。但为了简化机构、节省空间和减轻重量，本发明简化为两个自由度的翅膀，尾部用一个单自由度转动副代替。简化后的结构简图如图1所示。

参见图2以及图3，本发明提供了一种仿生鹦鹉，包括鸟头1、鸟身2、鸟足3、鸟翼4、鸟尾5、控制系统以及翅膀扑翼伸缩机构；鸟头1以及鸟尾5分别设置在鸟身2两端部；鸟翼4设置在鸟身2上；鸟足3设置在鸟身2底部；翅膀扑翼伸缩机构置于鸟身2内部并与鸟翼4相连；控制系统置于鸟身2内部；控制系统与翅膀扑翼伸缩机构相连并通过翅膀扑翼伸缩机构驱动鸟翼4进行扑翼伸缩运动。

在对生物飞行方式的分析与简化的基础上，实现仿生扑翼伸缩的驱动机构主要可以分为两大类：一类是仅仅实现上、下拍动的单自由度扑翼驱动机构；另一类是实现复杂运动形式如扭转、折叠等动作的多自由度扑翼驱动机构。目前现阶段的扑翼伸缩器大都采用单自由度扑翼机构，单自由度扑翼机构的结构简单、重量轻；而多自由度扑翼驱动机构可以实现扑动、扭转与挥摆等动作，但是机构相对复杂且不易实现。因此本发明选用单自由度扑翼驱动机构。基于此，本发明所采用的翅膀扑翼伸缩机构包括翅膀扑翼结构。鸟翼4包括外翼41；翅膀扑翼结构与外翼41相连并驱动外翼41进行扑翼运动。参见图4，翅膀扑翼结构包括电机、电机支架43、电机齿轮44、翼摇杆45、摇杆46、右部曲柄齿轮47、左部曲柄齿轮49以及传动齿轮410；电机通过电机支架43设置在鸟身2内部；电机与电机齿轮44相连并驱动电机齿轮44绕电机齿轮44的轴向转动；电机齿轮44与传动齿轮410相啮合；传动齿轮410与左部曲柄齿轮49同轴；电机齿轮44通过传动齿轮410带动左部曲柄齿轮49同步转动；左部曲柄齿轮49与右部曲柄齿轮47相啮合；摇杆46包括左部摇杆以及右部摇杆；翼摇杆45包括左部翼摇杆以及右部翼摇杆；外翼41包括左部外翼以及右部外翼；右部曲柄齿轮47通过右部摇杆以及右部翼摇杆与右部外翼相连；左部曲柄齿轮49通过左部摇杆以及左部翼摇杆与左部外翼相连；左部外翼以及右部外翼在电机的驱动下进行扑翼运动。电机是直流减速电机。电机驱动电机齿轮，电机齿轮与传动齿轮相啮合，传动齿轮与曲柄齿轮(左)固定且与控尾齿轮相啮合，传动齿轮与曲柄齿轮(右)相啮合并充当曲柄驱动前置双曲柄机构完成翅膀的扑动。

此外，翅膀扑翼伸缩机构还包括与翅膀扑翼结构相连的翅膀伸缩机构；翅膀伸缩机构驱动鸟翼4进行伸缩运动。参见图5，翅膀伸缩机构包括左部翅膀伸缩机构以及右部翅膀伸缩机构，左部翅膀伸缩机构以及右部翅膀伸缩机构的结构完全相同；左部翅膀伸缩机构包括舵机42、舵机臂411、外翼主动杆413、外翼从动杆414、从动摇杆415、舵机连杆416以及主动摇杆417；舵机42通过舵机臂411、舵机连杆416以及外翼主动杆413与外翼41相连；舵机42通过主动摇杆417以及外翼主动杆413与外翼41相连；翼摇杆45通过从动摇杆415以及外翼从动杆414与外翼41相连；从动摇杆415通过螺栓和轴套与外翼主动杆413相连。舵机42的型号是SG90。舵机驱动舵机臂转动从而驱动连杆机构，通过控制舵机顺转反转一定的角度完成翅膀的收缩与展开。

参见图6，仿生鹦鹉还包括与鸟足3相连并驱动鸟足3进行站立及抓握运动的脚部姿态调节机构；鸟足3包括左部鸟足以及右部鸟足；左部鸟足以及右部鸟足的结构完全相同；左部鸟足与右部鸟足并行设置在鸟身2底部；左部鸟足通过大腿轴33与右部鸟足相连；左部鸟足包括大腿杆31、关节轴36、小腿杆37、脚趾甲38、脚趾39以及弹簧310；大腿杆31通过关节轴36与小腿杆37相连；大腿杆31和小腿杆37之间设置有弹簧310；脚趾39是多个，多个脚趾39自前而后依次通过销轴和皮筋连接并形成铰链状的整体结构；铰链状的整体结构的中间部位与小腿杆37的底部相连；脚趾甲38设置在最前端的脚趾39上；脚部姿态调节机构包括第二舵机、控制线、大腿线轮32、控线槽34以及控线轴35；控线轴35与大腿轴33相平行；控线槽34套装在控线轴35上；大腿线轮32套装大腿轴33上；控制线的一端自前而后依次与多个脚趾39相连，另一端绕过大腿线轮32以及控线槽34与舵机相连；舵机通过控制线和皮筋以及大腿线轮32带动大腿杆31绕大腿轴33的轴向转动；舵机通过控制线带动多个脚趾39向内收缩或对外展开。第二舵机的型号是MG996R。控制线缠绕固定在大腿轴套上并与绕线槽相连；控制线穿过关节轴上的孔通过大腿杆内孔隙经过大腿轴套与绕线槽相连；大腿杆脚趾上各连一条细线在脚掌处汇成一股，并通过大腿杆、小腿杆内的孔隙与绕线槽相连。舵机转动拉紧细线使大腿轴套顺时针旋转、关节轴逆时针旋转，同时脚趾向内收，完成站立抓握动作。脚部姿态调节机构的结构相对复杂，但结构更灵活，功能较为完善，大腿、小腿以及脚趾都可以做出相关的动作，使仿生效果更好。

参见图3，仿生鹦鹉还包括设置在鸟头1内部的头部姿态调节机构，头部姿态调节机构是摆锤机构11。摆锤机构11使鹦鹉在任意姿态下，眼睛都能平视前方以保证眼部摄像头稳定采集信息。

仿生鹦鹉还包括设置在鸟身2内部的尾部姿态调节机构；参见图7，尾部姿态调节机构包括槽轮51、细线52、绕线轴55以及控尾齿轮48；细线52的一端缠绕在控尾齿轮48上，另一端通过绕线轴55以及槽轮51与鸟尾5相连；传动齿轮410与控尾齿轮48相啮合；控尾齿轮48通过细线52带动鸟尾5进行摆动。电机驱动齿轮传动机构使传动齿轮410转动，绕线轴固定在控尾齿轮上随之转动，轴上连接的细线通过槽轮限位连接着尾羽一端，绕线轴转动拉动细线完成尾羽的上下摆动，摆动范围α为11.26°。

参见图8，控制系统包括主控芯片、电源以及电机驱动电路；电源以及电机驱动电路分别与主控芯片相连；主控芯片的型号是STM32F103C8T6；电源包括降压部件以及与降压部件相连的稳压部件；降压部件采用的芯片型号是XL2596；稳压部件采用的芯片型号是RT9193；电机驱动电路采用的芯片型号是RZ7889，RZ7889可通过接收PWM信号调节两路直流电机的转速。STM32F103C8T6作为主控，控制电机、舵机、语音交互模块和摄像头等子模块，以实现鹦鹉的运动和语音交互功能以及实时监控功能，同时，基于该STM32F103C8T6芯片，还对应设计芯片供电电路、晶振时钟电路和SWD程序烧写电路。

XL2596和RT9193满足控制系统最大功率要求和器件封装体积的要求。电源电压直接为电机供电，将电源电压由8.4V降压为5V为舵机、灯带、摄像头供电，将5V降压为3.3V为主控STM32供电。稳压电路均未超过稳压芯片最大电流极限，故该方案合理有效。

仿生鹦鹉还包括与控制系统相连的语音交互模块，语音交互模块置于鸟身2上。仿生鹦鹉还包括与控制系统相连的摄像头，摄像头置于鸟头1上。

本发明的使用方式是：

步骤一：按键唤醒

按压机身的按键分别可唤醒“复述模式”和“对话模式”。

步骤二：语言命令

若开启“复述模式”，使用者说出一句话，袅袅便重复一次。

若开启“对话模式”，使用者可发出各种指令或问题，本发明将会执行指令所对应的操作或回复对话。

本发明可用于对自闭症、语言障碍儿童进行辅助治疗，本发明可播放儿歌、故事、童谣等，通过有意或无意的“听”来训练孩子“听”的能力，为孩子营造一个有声语言模仿习得的环境，丰富其语言信息量，使孩子积累语言资料，建立语言库，奠定表达基础。家长可以随时引导孩子关注音频内容，并及时进行解释、教学。运用多种训练形式，让孩子参与语言活动，学习发音、讲单字词、说短句、日常用语、回答问题等，要求孩子逐渐参与进来。可以引入角色扮演，绘本讲解，模仿卡通片的情节等。运用“复述模式”在教学后辅助孩子进行发音练习，运用“对话模式”进行对话练习，引导孩子进行沟通交流，建立沟通意识，提高沟通能力。运用多媒体形式进行播放更能节省人力；采用可爱并极具亲和力的鹦鹉外表更易让孩子放开心扉与它成为朋友，增加交流兴趣。本发明可作为儿童早教机，让孩子在快乐中受教。本发明能翻译语句、背诵古诗词、播放各类音乐，并知晓百科知识，能自如应答孩子的十万个为什么。孩子可通过“对话模式”发出一系列的指令控制产品的相关操作。例如：使用者发出“扑动翅膀”的指令后，产品会做出相应的扑翼动作。“收拢翅膀”产品将会调整翅膀位置并收起翅膀。相比于其他早教产品，鹦鹉的可爱外形更能收获孩子的喜爱。产品兼或学习与玩乐的特点能让孩子远离手机与电视，健康成长。本发明可帮助打理老人生活，关爱空巢老人。在“对话模式”中，发出相应指令可随意设置定点音乐提醒老人起床或吃饭吃药。可实时询问天气、日期、地址、节日等相关问题。例如：使用者询问“距离春节还有几天？”产品便回做出相应回答。产品眼部有安装摄像头，家人可通过下载对应App实时观察家中情况，防止意外发生。相比于其他智能家居产品及宠物鸟，本产品有着多数老人所喜爱的鸟类外形和长寿、易“饲养”的优点。