CN101570019A - 仿人面部表情机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿人面部表情机器人。它包括一个本体机架，在本体机架上仿人体面部眉、眼、颌的位置相应安装有两个眉毛转动部件、两个眼睑转动部件、连个眼球转动部件及一个下颌转动部件：连个眉毛转动部件分别由连接杆对称地固定于本体机架的上部；两个眼睑转动部件分别固定于左右两对称的支座上，再由支座固定在本体机架上；连个眼球转动部件通过一个舵机架连接在本体机架上；下颌转动部件由另一个舵机架固定于本体机架上。本发明建立了一个通用的简单仿人面部表情机器人，能够作为人机交互的研究平台，结构简单，造价低。

Description

仿人面部表情机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是一种仿人面部表情机器人。

技术背景

自从1954年第一台电子程序可编的工业机器人诞生以来，服役机器人已经超过100万台，当代机器人技术的发展已经进入智能机器人阶段。仿人机器人的研究开始于上个世纪60年代，发展迅速，目前已成为智能机器人领域的主要研究方向之一。人在进行情感表达时，语言只表达7％的内容，声调也只能表达38％的内容，而55％的内容全由人的表情与动作来表达。可见仿人表情机器人技术的研究在实现人与机器人的交互中起着重要的作用。

仿人机器人发展至今业已取得喜人的成果。对于仿人表情机器人，与人进行交流协作对于设计必须考虑三个重要因素：1)与人外形大小、样貌相似；2)容易控制；3)把大量传感器和驱动装置装入头部中。这就意味着机械结构设计要在有限空间里完成，并为未来配置传感器等其他智能装置预留大量空间。对应的解决方法可以采用先进的人工肌肉作为驱动，人工肌肉具有占用空间少、运动结构多元化等特点。如欧美和日本的一些科研机构及公司所研制的机器人。这些机器人基本完成了在外形上与人相似，但是内部机械结构复杂，重量过大，造价昂贵。驱动大都选择了直流电机和步进电机，在扭矩要求较大的场合必须另外设计减速装置，增加了结构设计复杂性。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种仿人面部表情机器人，内部结构简单，空间利用率大。

为达到上述的墓地，本发明的构思是：

现有的人类面部表情机器人大多结构复杂，造价昂贵，并且不易于控制，本发明就是以较为简单的结构实现现有的人类面部表情机器人所能达到的功能。

本发明不仅使用了独特的结构并且通过对人面部表情运动分析，选用了大量能使得通用零件，如关节轴承、直线滑轨和轴承座的零件，简化了实现表情自由度的数量，设计出与人外形1∶1接近的仿人表情机器人。使得机器人运动更加的平稳，结构更加简单，降低成本，并易于控制，并且由于使用了大量的通用零件使得维护及更新十分简单。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种仿人面部表情机器人，包括本体构架，其特征在于所述本体构架上仿人体面部安装有两个眉毛转动部件、两个眼睑转动部件、两个眼球转动部件以及一个下颌运动部件。所述两个眉毛转动部件分别由连接杆对称的固定于本体构架的上部；所述两个眼睑转动部件分别固定于左右两个对称的支座上，再由所述支座固定在本体构架上；所述两个眼球转动部件通过一个舵机架连接在本体构架上；所述下颌运动部件由另一个舵机架固定于所述本体构架上。

上述每个所述眉毛转动部件的结构：由一个眉毛舵机、一个眉毛舵机臂、一条眉毛组成；所述眉毛与眉毛舵机臂通过螺栓联接，眉毛舵机臂安装在舵机的输出轴上，所述眉毛舵机与所述连杆连接。

上述每个所述眼睑转动部件的结构：由一个眼睑舵机、一个眼睑舵机臂、一个眼睑组成。所述眼睑由螺栓紧固在所述眼睑舵机臂上，所述眼睑舵机臂安装在所述眼睑舵机输出轴上，眼睑舵机由一根连杆固定在所述支座上。

上述眼球转动部件由两部分组成：眼球左右转动部件和眼球上下转动部件。

上述眼球左右转动部件的结构：由一个眼球左右转动舵机、一个眼球左右转动舵机臂、一个左右转动关节轴承、一个眼球部件组成。眼球左右转动舵机通过螺钉与所述舵机架相联，左右转动关节轴承分别连接眼球左右转动舵机臂与眼球部件，眼球部件通过一个轴承座固定在底板上，底板与本体构架固定连接。

上述眼球上下转动部件的结构：由一个眼球上下转动舵机、一个眼球上下转动舵机臂、一个上下转动关节轴承、一个眼球部件组成。所述眼球上下转动舵机通过螺钉与一个舵机架相联，所述舵机架固定在本体构架上，上下转动关节轴承分别连接眼球上下转动舵机臂与眼球部件，眼球部件通过一个轴承座固定在底板上。

上述眼球部件的结构：由一根转轴、一个滑轨、一个滑块、一个眼球组成，所述眼球接在所述转轴上，所述转轴安装在所述轴承座上，通过固定于所述滑块上的一个叉型连接杆与所述转轴相配合。

上述下颌运动部件的结构：由一个下颌舵机、一个下颌舵机臂、一个下颌、一个下颌关节轴承组成。所述下颌舵机通过螺钉与一个下颌舵机架相联，所述下颌舵机架固连在一个下颌支架上，所述关节轴承分别连接所述下颌舵机臂和所述下颌，下颌上端固定在一个轴承座上，轴承座和下颌支架用螺栓固定在一个上板上，上板与本体构架固定连接。

上述的眉毛转动部件的眉毛舵机的型号为Hitec HS-82MG。

上述的眼睑转动部件的眼睑舵机型号为Tower Pro SG-90。

上述的眼球左右转动部件的眼球左右转动舵机的型号为Hitec HS-645MG。

上述的眼球上下转动部件的上下转动舵机的型号为Hitec HS-645MG。

上述下颌运动部件的下颌舵机的型号为Hitec HS-645MG。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质的特点和显著优点：本发明大量选用通用零件，如轴承、直线导轨、轴承座等；简化了实现表情的自由度数量；设计出与人外形1∶1机器人。这样就使本机器人更加平稳，结构更加简单，降低了成本，并易于控制。

附图说明

图1是本发明一个实例的整体结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1示例的眉毛转动部件结构示意图。

图4是图3的左视图。

图5是图1示例的眼睑转动部件结构示意图。

图6是图5的左视图。

图7是图1示例的眼球左右转动部件结构示意图。

图8是图1示例的眼球上下转动部件结构示意图。

图9是图1示例的下颌运动部件结构示意图。

图10是图1示例的眼球部件结构示意图。

具体实施方法

本发明的一个优选实例结合附图说明如下；

参见图1和图2，本仿人面部表情机器人包括一个本体构架0，所述本体构架上仿人体面部安装有两个眉毛转动部件1、两个眼睑转动部件2、两个眼球转动部件3以及一个下颌运动部件4。所述两个眉毛转动部件1分别由连接杆8对称的固定于本体构架0的上部；所述两个眼睑转动部件2分别固定于左右两个对称的支座13上，再由所述支座13固定在本体构架0上；所述两个眼球转动部件3通过一个舵机架20连接在本体构架0上；所述下颌运动部件4由另一个舵机架35固定于所述本体构架0上。

参见图3和图4上述每个所述眉毛转动部件1的结构：由一个眉毛舵机5、一个眉毛舵机臂6、一条眉毛7组成；所述眉毛7与眉毛舵机臂6通过螺栓联接，眉毛舵机臂6安装在舵机5的输出轴上，所述眉毛舵机5与所述连杆8连接。眉毛对表情主要作用在4个自由度上，眉毛两端的4个自由度可近视为2个1组，绕某个中心做旋转运动。因此，将眉毛4个自由度简化到1个旋转自由度，眉毛长54mm，转动中心位于三分点的位置。由舵机直接驱动，转动范围为±20°。

参见图5和图6，上述每个眼睑转动部件2的结构：由一个眼睑舵机9、一个眼睑舵机臂10、一个眼睑11组成。所述眼睑11由螺栓紧固在所述眼睑舵机臂10上，所述眼睑舵机臂10安装在所述眼睑舵机9输出轴上，眼睑舵机9由一根连杆12固定在所述支座13上。眼睑睁开的幅度对表情有很大影响，眼睑分为上、下眼睑，但下眼睑运动太小，因此将眼睑运动简化为可近视包围眼睛并与眼睛水平同轴转动的一个自由度，亦是由舵机直接驱动，转动范围为60°。

上述眼球转动部件3有两部分组成：眼球左右转动部件14和眼球上下转动部件15。眼球转动部件双眼具有上下转动和左右转动4个自由度。将双眼左右、上下转动考虑为同步同方向运动，整个眼睛结构只有2个自由度。饶水平方向的转动采用双摇杆机构如，眼睛上下转动范围为±15°。由于在垂直方向上机构零件的重力将成为负载加于电机驱动上，将眼睛饶垂直方向的转动由1个曲柄滑块机构和1个导杆机构组合实现。舵机通过曲柄滑块机构驱动滑块水平直线移动，眼睛的左右转动由滑块的直线移动带动导杆的左右转动，直线滑轨承受了大部分零件的重力。眼睛左右转动范围为±30°。

参见图7，上述眼球左右转动部件16的结构：由一个眼球左右转动舵机16、一个眼球左右转动舵机臂17、一个左右转动关节轴承18、一个眼球部件19组成。眼球左右转动舵机16通过螺钉与所述舵机架20相联，左右转动关节轴承18分别连接眼球左右转动舵机臂17与眼球部件19，眼球部件19通过一个轴承座21固定在底板22上，底板22与本体构架0固定连接。

参见图8，上述眼球上下转动部件15的结构：由一个眼球上下转动舵机23、一个眼球上下转动舵机臂24、一个上下转动关节轴承25、一个眼球部件19组成。所述眼球上下转动舵机23通过螺钉与一个舵机架26相联，所述舵机架26固定在本体构架0上，上下转动关节轴承25分别连接眼球上下转动舵机臂24与眼球部件19，眼球部件19通过一个轴承座21固定在底板22上。

参见图10，上述眼球部件19的结构：由一根转轴26、一个滑轨27、一个滑块28、一个眼球29组成，所述眼球29连接在所述转轴26上，所述转轴26安装在所述轴承座21上，通过固定于所述滑块28上的一个叉型连接杆30与所述转轴26相配合。

参见图9，上述下颌运动部件4的结构：由一个下颌舵机31、一个下颌舵机臂32、一个下颌33、一个下颌关节轴承34组成。所述下颌舵机31通过螺钉与一个下颌舵机架35相联，所述下颌舵机架35固连在一个下颌支架36上，所述关节轴承34分别连接所述下颌舵机臂32和所述下颌33，下颌33上端固定在一个轴承座37上，轴承座37和下颌支架36用螺栓固定在一个上板38上，上板38与本体构架0固定连接。下颌运动部件4的作用下颌的运动可以带动嘴唇的张合，因此将下颌饶水平方向的转动简化嘴巴的4个自由度。在后来的实验中验证基本能辅助实现几中基本表情。该自由度由双摇杆机构实现，舵机半周转带动下颌上下转动30°。下颌水平向上10°表示闭合，向下20°表示张开，张开幅度为20mm。

本项发明建立了一个通用的简单仿人面部表情机器人机构，能够作为人机交互研究平台。克服了现有的机器人的结构复杂、造价昂贵的缺点。

Claims (9)

1.一种仿人面部表情机器人，包括一个本体构架(0)，其特征在于所述本体构架上仿人体面部安装有两个眉毛转动部件(1)、两个眼睑转动部件(2)、两个眼球转动部件(3)以及一个下颌运动部件(4)。所述两个眉毛转动部件(1)分别由连接杆(8)对称的固定于本体构架(0)的上部；所述两个眼睑转动部件(2)分别固定于左右两个对称的支座(13)上，再由所述支座(13)固定在本体构架(0)上；所述两个眼球转动部件(3)通过一个舵机架(20)连接在本体构架(0)上；所述下颌运动部件(4)由另一个舵机架(35)固定于所述本体构架(0)上。

2.根据权利要求1所述的仿人面部表情机器人，每个眉毛转动部件(1)的结构：由一个眉毛舵机(5)、一个眉毛舵机臂(6)、一条眉毛(7)组成；所述眉毛(7)与眉毛舵机臂(6)通过螺栓联接，眉毛舵机臂(6)安装在舵机(5)的输出轴上，所述眉毛舵机(5)与所述连杆(8)连接。

3.根据权利要求1所述的仿人面部表情机器人，每个所诉眼睑转动部件(2)的结构：由一个眼睑舵机(9)、一个眼睑舵机臂(10)、一个眼睑(11)组成。所述眼睑(11)由螺栓紧固在所述眼睑舵机臂(10)上，所述眼睑舵机臂(10)安装在所述眼睑舵机(9)输出轴上，眼睑舵机(9)由一根连杆(12)固定在所述支座(13)上。

4.根据权利要求1所述的仿人面部表情机器人，所述眼球转动部件(3)由两部分组成，眼球左右转动部件(14)和眼球上下转动部件(15)。

5.根据权利要求4所述的仿人面部表情机器人，其特征在于所述眼球左右转动部件(14)的结构：由一个眼球左右转动舵机(16)、一个眼球左右转动舵机臂(17)、一个左右转动关节轴承(18)、一个眼球部件(19)组成。眼球左右转动舵机(16)通过螺钉与所述舵机架(20)相联，左右转动关节轴承(18)分别连接眼球左右转动舵机臂(17)与眼球部件(19)，眼球部件(19)通过一个轴承座(21)固定在底板(22)上，底板(22)与本体构架(0)固定连接。

6.根据权利要求4所述的仿人面部表情机器人，其特征在于所述眼球上下转动部件(15)的结构：由一个眼球上下转动舵机(23)、一个眼球上下转动舵机臂(24)、一个上下转动关节轴承(25)、一个眼球部件(19)组成。所述眼球上下转动舵机(23)通过螺钉与一个舵机架(26)相联，所述舵机架(26)固定在本体构架(0)上，上下转动关节轴承(25)分别连接眼球上下转动舵机臂(24)与眼球部件(19)，眼球部件(19)通过一个轴承座(21)固定在底板(22)上。

7.根据权利要求5或6所述的仿人面部表情机器人，其特征在于所述眼球部件(19)的结构：由一根转轴(26)、一个滑轨(27)、一个滑块(28)、一个眼球(29)组成，所述眼球(29)连接在所述转轴(26)上，所述转轴(26)安装在所述轴承座(21)上，通过固定于所述滑块(28)上的一个叉型连接杆(30)与所述转轴(26)相配合。

8.根据权利要求1所述的仿人面部表情机器人，其特征在于所述的下颌运动部件(4)的结构：由一个下颌舵机(31)、一个下颌舵机臂(32)、一个下颌(33)、一个下颌关节轴承(34)组成。所述下颌舵机(31)通过螺钉与一个下颌舵机架(35)相联，所述下颌舵机架(35)固连在一个下颌支架(36)上，所述关节轴承(34)分别连接所述下颌舵机臂(32)和所述下颌(33)，下颌(33)上端固定在一个轴承座(37)上，轴承座(37)和下颌支架(36)用螺栓固定在一个上板(38)上，上板(38)与本体构架(0)固定连接。

9.根据权利要求2、或3、或5、或6、或8所述的仿人面部表情机器人，其特征在于所述的眉毛转动部件(1)的眉毛舵机(5)的型号为Hitec HS-82MG。所述的眼睑转动部件(2)的眼睑舵机(9)型号为Tower Pro SG-90。所述的眼球左右转动部件(14)的眼球左右转动舵机(16)的型号为Hitec HS-645MG。所述的眼球上下转动部件(15)的上下转动舵机(23)的型号为Hitec HS-645MG。所述下颌运动部件(4)的下颌舵机(31)的型号为Hitec HS-645MG。

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