一种幼儿智能陪伴机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域。

背景技术：

根据发展心理学理论，在婴幼儿的成长过程中，他们需要借助大量的探索活动以及与他人的互动和交流，逐步认识世界、发展能力、增长身心机能，从而实现智能和人格的健康成长发展。现代社会由于日常工作的繁忙，父母陪伴孩子的时间是有限的，而祖父母年纪较长，多偏好安静平稳的环境，与孩子活泼好动的年龄特征和发展需要有所差异，因此在带领孩子的过程中较难提供与孩子的探索需要相匹配的互动与协助，对孩子的充分发展具有一定的限制。

随着IT技术的发展及其与传统玩具的结合，市面上已经出现了不少能与幼儿进行一些互动的幼儿陪伴游戏产品。但是其大多形式单一，多为幼儿操作后再进行回应的方式，仅限于提供简单的娱乐、通讯和教育内容推送功能，无法更真实地模拟真人与幼儿“互动”的方式，无法根据孩子当下的状态和需要，主动发起邀请，开展有针对性的互动。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种幼儿智能陪伴机器人，解决了传统幼儿陪伴游戏产品不能根据孩子当下的状态和需要，主动发起邀请并开展有针对性的互动的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种幼儿智能陪伴机器人，包括可转动头部和躯干部分，所述可转动头部上设有眼部、耳部和嘴部，可转动头部包括球状的上壳体，躯干部分包括下壳体，所述耳部为设于上壳体外侧的音响，眼部为设于上壳体外侧的触摸屏，触摸屏的左侧设有红外传感器，触摸屏的右侧设有超声波传感器，嘴部为设于上壳体外侧的麦克风，上壳体内设上安装板，上安装板上设有点头电机，点头电机的输出轴水平伸出并且点头电机的输出轴通过连接件连接上壳体，上安装板上设有第一线路板；

上壳体位于下壳体的上侧，上壳体底端设有开口，下壳体顶端设有顶口，下壳体的底部设有全向底盘，下壳体的前面设有LED灯，全向底盘上设有第一全向轮、第二全向轮、第三全向轮、带动第一全向轮的第一行走电机、带动第二全向轮的第二行走电机和带动第三全向轮的第三行走电机，第一全向轮、第二全向轮、第三全向轮呈三角形依次布置，全向底盘上设有转头电机，上安装板的下侧固定连接一根竖向的转轴，该转轴由转头电机带动；

下壳体内设位于全向底盘上侧的下安装板，下安装板上设有第二线路板。

所述转轴竖直设置，转轴依次从开口和顶口向下伸入下壳体内，转轴与开口的边沿相间隔，所述转头电机的输出轴向上伸出并对接转轴的底端。

所述下安装板与下壳体的内壁面固定连接，所述连接件为竖向的柱状体，连接件的顶端固定在上壳体的内壁面上、底端固定在点头电机输出轴上。

所述点头电机、转头电机、第一行走电机、第二行走电机、第三行走电机均为步进电机。

上壳体的底部伸入下壳体的顶口内。

下壳体对应第一全向轮、第二全向轮和第三全向轮设有三个伸出孔，第一全向轮、第二全向轮和第三全向轮分别通过三个伸出孔向下伸出下壳体外。

所述第一线路板上设有第五驱动器、超声波接口、点头电机接口、音响接口、音频放大模块、红外接口、触摸屏接口、头部控制器、FLASH存储器、音频处理模块和麦克风接口，音响接口连接音频放大模块，音频放大模块和麦克风接口均连接音频放大模块，红外接口、第五驱动器、FLASH存储器、超声波接口、音频处理模块和触摸屏接口均连接头部控制器，点头电机接口连接第五驱动器；

所述第二线路板上设有LED灯接口、电源模块、第三驱动器、第三行走电机接口、第二驱动器、第二行走电机接口、第一驱动器、第一行走电机接口、第四驱动器、转头电机接口和躯干控制器，第三驱动器连接第三行走电机接口，第二驱动器连接第二行走电机接口，第一驱动器连接第一行走电机接口，第四驱动器连接转头电机接口，LED灯接口、第四驱动器、第三驱动器、第二驱动器和第一驱动器均连接躯干控制器；

头部控制器和躯干控制器通过串口线电连接，第五驱动器、音频放大模块、红外接口、触摸屏接口、头部控制器、FLASH存储器和音频处理模块均通过导线电连接电源模块；

LED灯接口、超声波接口、第三驱动器、第二驱动器、第一驱动器、第四驱动器和躯干控制器均连接电源模块；

所述电源模块包括外部电源接口、锂电池充电模块、12V锂电池、3.3V稳压器、8V稳压器和5V稳压器，外部电源接口、12V锂电池、3.3V稳压器、8V稳压器和5V稳压器均与锂电池充电模块连接，外部电源接口连接外部12V供电电源，3.3V稳压器的输出端为LED灯接口、FLASH存储器、躯干控制器和头部控制器供电，5V稳压器的输出端为第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器、第五驱动器、音频放大模块、红外接口、触摸屏接口和超声波接口供电；

第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器和第五驱动器均设有电机电源输入端，第一驱动器的电机电源输入端、第二驱动器的电机电源输入端、第三驱动器的电机电源输入端、第四驱动器的电机电源输入端和第五驱动器的电机电源输入端均连接8V稳压器的输出端；

所述触摸屏与触摸屏接口通过导线电连接，转头电机通过导线电连接转头电机接口，音响通过导线电连接音响接口，红外传感器通过导线电连接红外接口，麦克风通过导线电连接麦克风接口，LED灯通过导线电连接LED灯接口，超声波传感器通过导线电连接超声波接口，第三行走电机通过导线电连接第三行走电机接口、第二行走电机通过导线电连接第二行走电机接口、第一行走电机通过导线电连接第一行走电机接口，转头电机通过导线电连接转头电机接口，点头电机通过导线电连接点头电机接口。

所述第一驱动器、所述第二驱动器、所述第三驱动器、所述第四驱动器和所述第五驱动器的型号均为A4988型驱动器；

所述音频放大模块的型号为TEA2025B；所述头部控制器和所述躯干控制器均为ARM9控制器；音频处理模块的型号为TLV320AIC23；

转头电机接口、音响接口、红外接口、触摸屏接口、麦克风接口，LED灯接口、超声波接口、第三行走电机接口、第二行走电机接口、第一行走电机接口和转头电机接口均为接线端子；

所述超声波传感器的型号为RB-URF02型超声波传感器；所述红外传感器的型号为RB-02S017A型人体红外热释电传感器；

所述锂电池充电模块的型号为CN3702；所述3.3V稳压器的型号为AMS1117；所述5V稳压器的型号为LM7805；所述8V稳压器的型号为LM7808；

所述第三行走电机、所述第二行走电机、所述第一行走电机、所述转头电机和所述点头电机的型号均为STP-42D；所述外部电源接口的型号为DC-036型直流电源插座；

所述触摸屏的型号为4inch HDMI LCD型IPS触摸屏。

本发明所述的一种幼儿智能陪伴机器人，解决了传统幼儿陪伴游戏产品不能根据孩子当下的状态和需要，主动发起邀请并开展有针对性的互动的问题，本发明可根据幼儿发声的音频，智能判断幼儿的情绪状态，并根据幼儿的情绪状态对幼儿发出特定的邀请，并播放相关的音频信息。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是图2中的A-A视图；

图4是本发明的第一线路板19的原理图方框图；

图5是本发明的第二线路板17的原理图方框图；

图6是本发明的电源模块37的原理图方框图；

图中：可转动头部1、触摸屏2、音响3、麦克风4、躯干部分5、LED灯6、第一全向轮7A、第二全向轮7B、第三全向轮7C、上壳体8、点头电机9、上安装板10、开口11、顶口12、下安装板13、转头电机14、底盘15、下壳体16、第二线路板17、转轴18、第一线路板19、连接件20、第一行走电机21A、第二行走电机21B、第三行走电机21C、红外传感器22、超声波传感器23、音响接口24、音频放大模块25、红外接口26、触摸屏接口27、超声波接口28、头部控制器29、FLASH存储器30、点头电机接口31、第五驱动器32、麦克风接口33、音频处理模块34、LED灯接口35、躯干控制器36、电源模块37、第三驱动器38、第三行走电机接口39、第二行走电机接口40、第一行走电机接口41、转头电机接口42、第四驱动器43、第一驱动器44、第二驱动器45、外部电源接口46、12V锂电池47、5V稳压器48、8V稳压器49、3.3V稳压器50、锂电池充电模块51、伸出孔81、配重块221。

具体实施方式

如图1-图6所述的一种幼儿智能陪伴机器人，包括可转动头部1和躯干部分5，所述可转动头部1上设有眼部、耳部和嘴部，可转动头部1包括球状的上壳体8，躯干部分5包括下壳体16，所述耳部为设于上壳体8外侧的音响3，眼部为设于上壳体8外侧的触摸屏2，触摸屏2的左侧设有红外传感器22，触摸屏2的右侧设有超声波传感器23，红外传感器22和超声波传感器23也均设于上壳体8外侧，嘴部为设于上壳体8外侧的麦克风4，上壳体8内设上安装板10，上安装板10上设有点头电机9，点头电机9的输出轴水平伸出并且点头电机9的输出轴通过连接件20连接上壳体8，上安装板10上设有第一线路板19；

上壳体8位于下壳体16的上侧，上壳体8底端设有开口11，下壳体16顶端设有顶口12，下壳体16的底部内设全向底盘15，下壳体16的前面(前侧外表面)设有LED灯6，全向底盘15上设有第一全向轮7A、第二全向轮7B、第三全向轮7C、带动第一全向轮7A的第一行走电机21A、带动第二全向轮7B的第二行走电机21B和带动第三全向轮7C的第三行走电机21C，第一行走电机21A的输出轴固定连接第一全向轮7A的轮毂，第二行走电机21B的输出轴固定连接第二全向轮7B的轮毂，第三行走电机21C的输出轴固定连接第三全向轮7C的轮毂，第一全向轮7A、第二全向轮7B、第三全向轮7C呈三角形依次布置，第一全向轮7A、第二全向轮7B和第三全向轮7C围绕全向底盘15中心线沿圆周线间隔均布设置(全向底盘15中心线与下壳体16的中心线重合并均为竖直延伸)，第一全向轮7A、第二全向轮7B和第三全向轮7C均为竖直设置，第一全向轮7A所在的竖直面与所述圆周线相切，第二全向轮7B所在的竖直面与所述圆周线相切，第三全向轮7C所在的竖直面与所述圆周线相切。全向底盘15上设有转头电机14，上安装板10的下侧固定连接一根竖向的转轴18，该转轴18由转头电机14带动；全向底盘15上第一全向轮7A、第二全向轮7B、第三全向轮7C的布置结构以及三者分别与第一行走电机21A、第二行走电机21B、第三行走电机21C的连接结构均为现有技术，故不详细叙述，此外还可采用其他已公开专利中的全向底盘15的安装结构，例如采用专利号为ZL2013203466061，名称为“全向底盘结构及机器人”中公开的的全向底盘15的结构。

下壳体16内设位于全向底盘15上侧的下安装板13，下安装板13上设有第二线路板17。

所述转轴18竖直设置，转轴18的顶端与上安装板10的下板面通过焊接或者螺钉固定连接，转轴18依次从开口11和顶口12向下伸入下壳体16内，转轴18与开口11的边沿相间隔，所述转头电机14的输出轴向上伸出并对接转轴18的底端。

所述下安装板13与下壳体16的内壁面固定连接，所述连接件20为竖向的柱状体，连接件20的顶端固定在上壳体8的内壁面上、底端固定在点头电机9输出轴上。

所述点头电机9、转头电机14、第一行走电机21A、第二行走电机21B、第三行走电机21C均为步进电机。

上壳体8的底部伸入下壳体16的顶口12内。

下壳体16对应第一全向轮7A、第二全向轮7B和第三全向轮7C设有三个伸出孔81，第一全向轮7A、第二全向轮7B和第三全向轮7C分别通过三个伸出孔81向下伸出下壳体16外。

所述第一线路板19上设有第五驱动器32、超声波接口28、点头电机接口31、音响接口24、音频放大模块25、红外接口26、触摸屏接口27、头部控制器29、FLASH存储器30、音频处理模块34和麦克风接口33，音响接口24连接音频放大模块25，音频放大模块25和麦克风接口33均连接音频放大模块25，红外接口26、第五驱动器32、FLASH存储器30、超声波接口28、音频处理模块34和触摸屏接口27均连接头部控制器29，点头电机接口31连接第五驱动器32；

所述第二线路板17上设有LED灯接口35、电源模块37、第三驱动器38、第三行走电机接口39、第二驱动器45、第二行走电机接口40、第一驱动器44、第一行走电机接口41、第四驱动器43、转头电机接口42和躯干控制器36，第三驱动器38连接第三行走电机接口39，第二驱动器45连接第二行走电机接口40，第一驱动器44连接第一行走电机接口41，第四驱动器43连接转头电机接口42，LED灯接口35、第四驱动器43、第三驱动器38、第二驱动器45和第一驱动器44均连接躯干控制器36；

头部控制器29和躯干控制器36通过串口线电连接，第五驱动器32、音频放大模块25、红外接口26、触摸屏接口27、头部控制器29、FLASH存储器30和音频处理模块34均通过导线电连接电源模块37；

LED灯接口35、超声波接口28、第三驱动器38、第二驱动器45、第一驱动器44、第四驱动器43和躯干控制器36均连接电源模块37；

所述电源模块37包括外部电源接口46、锂电池充电模块51、12V锂电池47、3.3V稳压器50、8V稳压器49和5V稳压器48，外部电源接口46、12V锂电池47、3.3V稳压器50、8V稳压器49和5V稳压器48均与锂电池充电模块51连接，外部电源接口46连接外部12V供电电源(所述外部12V供电电源为现有技术，固不详细叙述)，3.3V稳压器50的输出端为LED灯接口35、FLASH存储器30、躯干控制器36和头部控制器29供电，5V稳压器48的输出端为第一驱动器44、第二驱动器45、第三驱动器38、第四驱动器43、第五驱动器32、音频放大模块25、红外接口26、触摸屏接口27和超声波接口28供电；

第一驱动器44、第二驱动器45、第三驱动器38、第四驱动器43和第五驱动器32均设有电机电源输入端，第一驱动器44的电机电源输入端、第二驱动器45的电机电源输入端、第三驱动器38的电机电源输入端、第四驱动器43的电机电源输入端和第五驱动器32的电机电源输入端均连接8V稳压器49的输出端；

所述触摸屏2与触摸屏接口27通过导线电连接，转头电机14通过导线电连接转头电机接口42，音响3通过导线电连接音响接口24，红外传感器22通过导线电连接红外接口26，麦克风4通过导线电连接麦克风接口33，LED灯6通过导线电连接LED灯接口35，超声波传感器23通过导线电连接超声波接口28，第三行走电机21C通过导线电连接第三行走电机接口39、第二行走电机21B通过导线电连接第二行走电机接口40、第一行走电机21A通过导线电连接第一行走电机接口41，转头电机14通过导线电连接转头电机接口42，点头电机9通过导线电连接点头电机接口31。

所述第一驱动器44、所述第二驱动器45、所述第三驱动器38、所述第四驱动器43和所述第五驱动器32的型号均为A4988型驱动器；

A4988型驱动器的VBB1管脚和VBB2管脚组成了所述电机电源输入端。

所述音频放大模块25的型号为TEA2025B；所述头部控制器29和所述躯干控制器36均为ARM9控制器；音频处理模块34的型号为TLV320AIC23；

转头电机接口42、音响接口24、红外接口26、触摸屏接口27、麦克风接口33，LED灯接口35、超声波接口28、第三行走电机接口39、第二行走电机接口40、第一行走电机接口41和转头电机接口42均为接线端子；

所述超声波传感器23的型号为RB-URF02型超声波传感器；所述红外传感器22的型号为RB-02S017A型人体红外热释电传感器；

所述锂电池充电模块51的型号为CN3702；所述3.3V稳压器50的型号为AMS1117；所述5V稳压器48的型号为LM7805；所述8V稳压器49的型号为LM7808；

所述第三行走电机21C、所述第二行走电机21B、所述第一行走电机21A、所述转头电机14和所述点头电机9的型号均为STP-42D；所述外部电源接口46的型号为DC-036型直流电源插座；

所述触摸屏2的型号为4inch HDMI LCD型IPS触摸屏。

工作时，在出厂时，FLASH存储器30中预存储一些音乐音频、故事音频和语言音频，语言音频为事先录制好的安慰语言；

红外传感器22用于采集前方的人体信息，头部控制器29接收红外传感器22的信号，并判断红外传感器22是否采集到人体信息：如果采集到人体信息，则头部控制器29通过串口线向躯干控制器36发送前进信息；如果没有采集到人体信息，头部控制器29通过第五驱动器32控制转头电机14进行动作，使可转动头部1进行360度转动，同时，头部控制器29控制点头电机9动作，使可转动头部1进行上下45度的运动，头部控制器29实时接收红外传感器22的信号，如果红外传感器22采集到前方的人体信息，头部控制器29控制转头电机14和点头电机9均停止动作，使可转动头部1面向人体方向；

当所述可转动头部1已经面向人体方向后，头部控制器29接收超声波传感器23信号，超声波传感器23用于测量人体与所述可转动头部1的距离，躯干控制器36控制第一行走电机21A、第二行走电机21B和第三行走电机21C同时动作，躯干控制器36通过计算，对第一行走电机21A、第二行走电机21B和第三行走电机21C设定不同的转速，并结合第一全向轮7A、第二全向轮7B和第三全向轮7C实现所述一种幼儿智能陪伴机器人的全向移动，躯干控制器36接收到所述前进信息后，控制所述一种幼儿智能陪伴机器向人体方向前进；

当所述可转动头部1与人体的距离达到0.5米时，头部控制器29向躯干控制器36发送停止信息，躯干控制器36接收到停止信息后控制第一行走电机21A、第二行走电机21B和第三行走电机21C均停止动作，同时躯干控制器36控制LED灯6闪耀并向头部控制器29发送已停止信息；

头部控制器29接收到已停止信息后，从FLASH存储器30中调取音乐音频或故事音频，并通过音频处理模块34将音乐音频或故事音频处理成模拟信号，并通过音响3播放音乐或故事；

麦克风4实时采集幼儿的发音，并将幼儿的发音实时发送给音频处理模块34，音频处理模块34将幼儿的发音处理成数字发音音频数据，并将数字发音音频数据发送给头部控制器29，数字发音音频数据中包含麦克风4采集到的音频的电压信息和发音持续时间信息，音频的电压信息的大小和音频的分贝成正比，本实施例设定音频大小达到50分贝及判定幼儿处于生气状态，头部控制器29根据所述电压信息的高低和所述发音持续时间信息来判断幼儿是否处于生气状态，当所述发音持续时间大于1分钟并且音频大小达到50分贝时，头部控制器29判断幼儿处于生气状态，此时，头部控制器29从FLASH存储器30调取所述语言音频，并通过音响3播放所述语言音频，当幼儿不再发音后，麦克风4不再采集到幼儿的发音，音频处理模块34也不再向头部控制器29传送数字发音音频数据，头部控制器29再次调取FLASH存储器30中的音乐音频或故事音频，并通过音响3播放音乐或故事。

本发明出厂前根据心理学将音乐音频和故事音频分类为普通类和生气类，并将音乐音频和故事音频存储在FLASH存储器30中的两个不同的扇区，一个扇区存储普通类的音乐音频和故事音频，另一个扇区存储普通类的音乐音频和故事音频，当所述一种幼儿智能陪伴机器人判断幼儿未生气时，所述一种幼儿智能陪伴机器人播放普通类的音乐音频或故事音频；当所述一种幼儿智能陪伴机器人判断幼儿生气时，所述一种幼儿智能陪伴机器人播放生气类的音乐音频或故事音频；从而实现与幼儿的互动。

本发明设有配重块221，配重块221设于全向底盘15上，可以使所述一种幼儿智能陪伴机器人在行走时不易翻到。

本发明所述的一种幼儿智能陪伴机器人，解决了传统幼儿陪伴游戏产品不能根据孩子当下的状态和需要，主动发起邀请并开展有针对性的互动的问题，本发明可根据幼儿发声的音频，智能判断幼儿的情绪状态，并根据幼儿的情绪状态对幼儿发出特定的邀请，并播放相关的音频信息。