CN101850554A

CN101850554A - 低噪声仿人机器人头系统

Info

Publication number: CN101850554A
Application number: CN 201010160590
Authority: CN
Inventors: 高丙团
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: CN101850554B

Abstract

一种低噪声仿人机器人头系统，包括颈部动作驱动部件、下颚动作驱动部件、多根驱动绳索和动作控制系统，依人体结构位置，下颚动作驱动部件设在颈部动作驱动部件上方，动作控制系统通过相应的驱动绳索统连接控制颈部、下颚动作驱动部件。本系统有四个自由度的运动，三个自由度的颈部运动和一个自由度的嘴部运动。本系统的运动噪声不超过30dB(A)。

Description

低噪声仿人机器人头系统

技术领域

本发明描述一个可用于诸如语音智能评估和个人防护用品的噪声测试等多种应用的低噪声仿人机器人头系统。

背景技术

当前已经有很多仿人机器人头/颈，但开发一个能够低/无噪声模仿人头运动的机器人头/颈依然极具挑战性。目前存在的仿人机器人头依据颈部机构总体上可以分为四类，即串联型、并联型、球副性和弹簧型。由于串联型结构简单且易于通过直流电机实现控制，因此是最常见的；并联型往往由一个被动的支撑轴和几个主动的驱动臂组成，虽然并联机构具有强度高、负载能力强和定位精度高等优点，但它造价较高且难以得到较大的工作空间进而难以模拟人头的大范围运动；球副型是指机器人颈部运动基于一个球副实现；弹簧型是指通过一个压缩弹簧来模拟人颈椎的功能，通常采用电机或人工肌肉进行驱动，从构型上看弹簧型对人类头颈进行了较为逼近的仿生且实现起来比较经济。

在生化试验、战争、毒气泄漏和诸如地震后的抢险救灾等特殊或紧急情况下，人们往往需要佩戴各种各样的诸如防毒面具和防化服这样的个人防护用品(Personal ProtectiveEquipment，PPE)。穿戴的PPE在人们在运动过程中，特别是头部运动，将在耳边产生较大的噪声，这些噪声也将不可避免的影响到穿戴者对周围环境的观察以及和同伴或外部的沟通交流，而对于处在上述特殊情境下的人们，一个误听可能就会导致他们的死亡或者延误了抢救国家和人民生命或财产的最佳时机。因此，研究在特定情况下这些噪声对人们通讯交流产生的影响从而克服这些影响直接关系到人民的生命和财产的安全，是至关重要的。

要进行这样的声学研究，使用目前声学研究中常用的静态人体模型肯定是不行的。如果通过真人进行同样也是不实际的，原因有四：首先，人的动作很难有较好的重复性；其次，人长时间载着不同的PPE进行重复测试和实验非常劳累和不适；再次，多次实验雇佣人工费用较高；最后，对于恶劣环境下不允许/不可能进行真人的基础测试研究。因此，研制一个低噪声的仿人机器人头/脖势在必行，该机器人头/脖的特殊之处：首先，该仿人机器人头/脖应该具有真人尺寸的头/脖；其次，它具有和真人头/脖相似的运动范围和速度；最后，该机器人头/脖在不穿戴任何PPE下的运动应该如真人的头/脖运动一样“无声无息”。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明开发了一种基于压缩弹簧结构的低噪声的仿人机器人头系统，它可实现一个自由度的嘴部运动和三个自由度的颈部运动。所开发的机器人头的外围尺寸与平均成人头的大小相当，机器人头在运动和生物表现上能够模仿真人头。该仿人机器人头可直接用于研究由于人头和其穿戴的个人防护用品间的相互运动产生的噪声的水平及特征。

简单来说，本系统具有四个自由度的运动：低仰头、左右歪头、左右摇头和嘴部运动，其中前三个自由度分别对应于机器人术语中的俯仰(pitch)、滚动(roll)和偏航(yaw)。系统中采用的主要机械组件为固定的滑轮、固定的球轴承、驱动绳索、压缩弹簧、转轴和铝合金圆盘，由于诸如电机和减速器等这样发声元件没有嵌在所发明的机器人头中，该机器人头在运动过程本身几乎不发出噪声，具体技术方案如下：

一种低噪声仿人机器人头系统，包括颈部动作驱动部件、下颚动作驱动部件、多根驱动绳索和动作控制系统，依人体结构位置，下颚动作驱动部件设在颈部动作驱动部件上方，动作控制系统通过相应的驱动绳索统连接控制颈部、下颚动作驱动部件；

颈部动作驱动部件包括颈部俯仰/滚动运动装配体和颈部偏航运动装配体；

所述俯仰/滚动运动装配体包括定平台及其上方的动平台，二者之间设置颈部弹性体，在未受外力情况下，两平台平行；在定平台上设有多个通孔，相应的驱动绳索穿过相应通孔驱动动平台向对应位置倾斜，驱动绳索复位后，颈部弹性体驱动动平台复位；

所述颈部偏航运动装配体包括头部安装板、转轴、轴承和绳索转向装置；所述头部安装板通过转轴以及轴承安装在动平台顶面；所述绳索转向装置有两个，分别设在动平台顶面的转轴两边，与第一、二绳索转向装置所在位置处的动平台设有第一、二通孔；所述头部安装板连接有同轴转动的滚轮，两根驱动绳索分别依次穿过第一、二通孔、第一、二绳索转向装置后绕在滚轮上，并且一端固定到滚轮上，另一端连接动作控制系统；转轴与滚轮之间固定；驱动绳索通过带动滚轮进而带动头部安装板转动；

下颚动作驱动部件包括固定上颚、活动下颚和下颚恢复装置；固定上颚和活动下颚转动连接；下颚恢复装置与相应的驱动绳索共同控制活动下颚的开合。

对于颈部俯仰/滚动运动装配体，所述动平台底面边缘设置多个滑轮，各个滑轮与定平台上通孔位置对应；所述各根驱动绳索一端依次穿过相应通孔和滑轮后，再固定在定平台上，驱动绳索的另一端连接动作控制系统。

对于颈部俯仰/滚动运动装配体，所述动平台和定平台的形状都是圆形；动平台底面边缘的滑轮有4个，均匀设在动平台底面的前、后、左和右位置，对应的，在定平台上设有4个通孔。

对于颈部偏航运动装配体，所述绳索转向装置是L形管道或转向滑轮。

所述头部安装板和动平台之间还设有帮助头部安装板复位的拉簧。

对于下颚动作驱动部件，所述下颚恢复装置是

设在固定上颚和活动下颚转动连接处的扭簧；

或包括下颚弹性体及固定板，下颚弹性体连接在活动下颚与固定板之间。

所述颈部弹性体是压缩弹簧，定平台及和动平台的中心在压缩弹簧的轴线上；所述下颚弹性体是两个支撑弹簧，对称设在活动下颚的下方。

所述驱动绳索中的运动路径中，驱动绳索长度不变的路径上设有绳索导管；相应的驱动绳索穿在相应的绳索导管内。

所述动作控制系统是闭环控制系统，包括工业控制计算机、基于PCI总线的运动控制卡、电机驱动组件和传感器；工业计算机通过基于PCI总线的运动控制卡控制电机驱动组件，进而控制各驱动绳索的动作；传感器设置采集到颈部的俯仰/滚动以及偏航运动信号传入工业计算机；所述电机驱动组件设置隔音箱内。

还包括高度可调仿人体支架，包括仿人上半身和高度可调的身体支架；所述颈部动作驱动部件和下颚动作驱动部件设在仿人上半身内；高度可调的身体支架包括基座、四根丝杠和一个用来连接基座和仿人上半身的支撑连接器；丝杠的一端与基座固定，基座和支撑连器通过丝杠连接并固定，高度通过丝杠与连接器的固定位置进行调节。

本系统主要由低噪声机器人头、远程驱动绳索和导管组合、隔音箱和控制计算机组成。本系统的核心部件是颈部和具有可动下颚的头部。颈部包含可实现Pictch和Roll两个自由度运动的部分以及可实现一个自由度Yaw运动的部分。实现Pitch和Roll两个自由度运动的部分包含一个模拟人颈椎的压缩弹簧和模拟人肌肉的四根驱动绳索组成，压缩弹簧通过绳索驱动可实现围绕其中轴的两个自由度的侧弯运动。一个自由度Yaw运动的部分是一个通过绳索驱动的由定滑轮、转轴和球轴承组成的旋转机构。可动下颚的头部具有固定的上嘴唇和可动的下颚组成，嘴部的运动通过绳索驱动下颚的运动实现。所有的驱动绳索由安装在隔音箱的电机组件实现驱动控制，驱动绳索从电机输出端到机器人头部分由带有导管，导管具有绳索的导向、保护驱动绳索和降低噪声的功能。系统的控制闭环控制器以一台工业计算机为核心。由于本系统的机械组件仅为驱动绳索、绳索导管、固定的滑轮、固定的球轴承、压缩弹簧、支架和传感器，并没有嵌入发声的器件或装置，所以本系统的运动噪声不超过30dB(A)。

附图说明

图1是本系统的总体设计示意图；

图2是嘴唇的运动原理和结构示意图；

图3(a)是颈部的主体结构示意图；

图3(b)是颈部的运动原理示意图；

图4是获得颈部滚动运动机构设计示意图；

图5是机器人头颈颚的总体设计结构示意图；

图6是隔音箱的示意图；

上述附图中的直线条中，较粗的线条表示绳索套管、较细的线条表示驱动绳索。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作详细陈述。

本例的仿人机器人头系统包括仿人上半身和高度可调的身体支架；颈部动作驱动部件和下颚动作驱动部件设在仿人上半身内；高度可调的身体支架包括基座、四根丝杠和一个用来连接基座和仿人上半身的支撑连接器；丝杠的一端与基座固定，基座和支撑连器通过丝杠连接并固定，高度通过丝杠与连接器的固定位置进行调节。

如图1所示，仿人上半身107设有一个仿人头颅101，两个眼晴102，一个鼻子103，一个自由度的下颚动作驱动部件104、两个人造耳朵105，三个自由度的颈部动作驱动部件106、远程绳索驱动组合108(绳索驱动组合为绳索及其导管，图中的滑轮用来表示绳索导管的导向功能)、一台插有PCI运动控制板的工业计算机109，一个隔音箱110、电机驱动组件111、仿人身体支撑连接器112、固定螺丝113、四根长丝杠114和一块底座115。

本系统的闭环控制由基于图形化用户接口(Graphical User Interface GUI)编程软件开发并运行在工业计算机109上。

为了进行语音识别评估，可在机器人头的嘴部104后面安装一个扬声器两个耳朵105里面安装一对灵敏麦克风，同时机器人头颅101上可以配戴诸如头盔和防毒面具这样的个人防护用品，机器人身上107还可以基于测试的需要穿上各种不同的防护服装。机器人头的大小和男性成人头部大小相仿，而且具有高度可调支架的机器人头系统其仿人上半身107与男性成人身体平均大小相仿，机器人从耳朵105到底座115的高度调节范围为1.2m-1.8m。在语音识别评估时，采用两个(或两个以上)放置在不同位置的机器人头系统，其中一个机器人头的耳朵105接受从另一个机器人头嘴部104发出语音，当然还有包含由于机器人头运动带来的各种环境噪声。

本系统的核心部分为图1中的下颚动作驱动部件104和颈部动作驱动部件106，下面将对这两个部分进行详细说明。

对于下颚动作驱动部件，如图2所示，颚动作驱动部件是一个自由度运动的结构，包含固定上颚200和活动下颚201，通过控制下腭的运动模仿人说话时的嘴部运动。下颚的后面通过两个转轴和固定上颚相固定，固定点位于耳朵的下方。本例中，两根支撑弹簧202用来约束其运动，当没有驱动力加在其驱动绳索上时，弹力将下嘴唇带到上嘴唇处，一旦有驱动力加在其驱动绳索上时，该驱动力可以克服弹簧力将下嘴唇移离上嘴唇。图2中，固定的滑轮204用来表示其驱动绳索的在绳索导管作用下的驱动方向的改变；绳索导管具有导向功能同时它还具有保护绳索和遮蔽噪声的功能。所采用绳索导管的内里的直径略大于驱动绳索的直径。绳索导管它的两端分别固定在隔音箱里和头部，如图2所示，在头部的一端通过机械手段固定在固定板203上，例如在固定板203和导管之间采用连接器或直接固定板203上加工一个阶梯孔并用强力胶固定导管，绳索导管的另一端在隔音箱中可采用类似的固定方式。支撑弹簧202的一端同样固定在固定板203上，固定板203和固定上颚200是刚性连接或是一体的头颅，固定板203和图4中的头部安装板401刚性连接。

颈部动作驱动部件包括颈部俯仰/滚动运动装配体和颈部偏航运动装配体：

如图3(a)显示了颈部实现Pitch和Roll两个自由度运动的结构，图3(b)用来说明该结构的运动原理。在该结构中，压缩弹簧或类似弹簧的颈部弹性体303具有和人颈椎相类似的功能，它通过弹簧弹力支撑着动平台301。压缩弹簧可在绳索控制力的作用下基于中轴做两个自由度的侧向弯曲运动，如果没有外部驱动力作用，压缩弹簧自身可以将颈部保持在初始状态。压缩弹簧的顶部和动平台301相固定，底部和定平台304相固定。四个对称安装的驱动绳索模拟人的颈部肌肉，如图3所示，当其驱动绳索驱动时，该结构可产生模拟人颈部的Pitch运动，当驱动绳索驱动时，该结构可产生模拟人颈部的Roll运动。四根驱动绳索的设计方案是一种较好的基本驱动方法，如果增加更多的驱动绳索则相当于增加更多的肌肉，可获得更好的Pitch和/或Roll运动。四根驱动绳索同样配备了绳索导管，绳索导管的功能如前所述，四根绳索导管一端固定在定平台304上，另一端固定在隔音箱中。四个定滑轮用来将输出到颈部的绳索驱动力加倍，这样进一步可降低对驱动电机容量的要求。

如图4描述了实现颈部Yaw运动的结构。该结构安装在动平台301上。图4中，两根驱动绳索和滚轮404一起用来实现Yaw运动。两根驱动绳分别索绕在滚轮上，并且一端对称固定在滚轮404上。本例的驱动绳索转向装置是转向滑轮，即图中所示的两个定滑轮用来改变驱动绳索的驱动方向并降低摩擦力。转轴405和安装板401和滚轮404通过螺钉固定。安装板401在滚轮404和图1中机器人头颅101充当一个转接模块。球轴承406安装在动平台401上。在无驱动外力作用时，约束弹簧(拉簧)407用来将本结构保持在初始位置。本处驱动绳索在通过定滑轮后穿过了绳索导管408，绳索导管的功能和前述相同，绳索导管的一端固定在动平台401上，另一端同样固定在隔音箱中。

本例中，所述安装板401、滚轮404、转轴405、定平台304和动平台301的转动轴位置上都设有通孔，驱动下颚动作的驱动绳索穿过这些通孔。

参考图5，将颈部动作驱动部件和下颚动作驱动部件结合起来。安装在动平台顶面的传感器512是一个两轴的倾角器用来监测两个自由度的颈部俯仰和偏航运动，典型的倾角器要求高分辨率、低噪声且对震动不敏感。安装在动平台底面的传感器514是用来监测颈部滚动运动的电位计，用来计算插入转轴的旋转角度。典型的电位计可以是一个空轴的导电薄膜旋转电位计，其外壳与动平台固定，中空轴与旋转轴配合固定。由连个传感器测得角度信号用来实现高质量颈部闭环运动控制。由于固定的上嘴唇(由固定上颚外套人造皮而成)501、两个固定的支撑弹簧和两个固定的滑轮都和头部安装板刚性固定，因此一个自由度的嘴唇运动和三个自由度的颈部运动可有效地结合起来。头部安装板、滚轮和转轴通过螺钉相互固定。球轴承固定在动平台上。带有绳索导管的驱动绳索通过电机驱动实现一个自由度的嘴部运动。每一根驱动绳索和绳索导管都通过单独的电机进行控制，因此，加上驱动下颚动作的一个电机，如图1所示驱动电机的总数是七个。嘴部的运动以及头部的俯仰、偏航和翻滚运动可通过七个电机实现独立运动和联动。例如机器人头可同时实现头部的翻滚运动和嘴唇的运动，即模仿人边摇头边说话。

在该本系统中，如图1所示使用了七根驱动绳索、七根绳索导管和七个驱动电机，其中两组用来实现颈部的Yaw运动、四组用来实现颈部的Pitch和Roll运动、一组用来实现嘴部的运动。绳索导管用来实现对驱动绳索的导向，将位于隔音箱中电机端的输出传送到机器人头部。在这儿使用绳索导管的优点主要包括极大的简化了机械结构的设计、绳索和导管组合本身几乎不产生噪声、使用导管可以对驱动绳索实现保护同时易于隔音箱的密封设计。驱动绳索材质为聚酯，典型的驱动绳索可以是具有高强度的聚酯编织线。绳索的导管采用典型的自行车刹车线导管，由于导管中具有一层润滑了的内里，驱动绳索和导管之间的摩擦非常小，因而采用绳索导管组合方案可保证低摩擦和低噪声传播。

闭环控制系统包括安装在隔音箱中的电机驱动组件(电机、电机减速器、电机控制器、电源)、安装在机器人头部的传感器、基于工业计算机的控制系统及所开发的基于GUI的控制软件。发声的拉拽绳索的电机驱动组件被密封在隔音箱中。一股有两种被动的隔音方式，一个是隔音一个是吸音，隔音是阻断声音的传播路线，一股采用高密度材料实现，吸音是将声能转化成其它能量形式如热能，一股多孔的泡沫是比较好的选择。为了尽量降低系统的噪声，本发明中同时采用了两种被动的隔音方法。

如图6所示，隔音箱本身601是一个由1cm厚的不锈钢做成的密封的的箱子，箱体里面的六个面又采用10cm厚的丁基橡胶覆盖602，所采用的丁基橡胶对30Hz到4000Hz之间的声音频率具有很好的吸收功能。隔音箱的大小确保能够将七套电机驱动组件安装在其中。远程绳索驱动组合603的一端位于隔音箱中并和电机驱动组件605相固定。电源和控制信号电缆604的一端与分别外部电源和工业计算机中的运动控制板卡相连接，另一端则位于隔音箱中与电机驱动组件605相连接。根据所发明的机器人样机，隔音箱的外部尺寸的长宽高分别为62cm、46cm和57cm。

总之，四个自由度的运动由安装在隔音箱中的七套电机组件实现驱动，电机的控制器是安装在工业计算机中的运动控制卡，基于图形化的用户界面可以实现对一个自由度的嘴部运动和颈部三个自由度的Pitch、Roll和Yaw运动独立或联合的控制。所发明的仿人机器人系统的主要性能参数可总结如表1。

表1发明的低噪声仿人机器人头系统的基本参数

Claims

1.一种低噪声仿人机器人头系统，其特征是包括颈部动作驱动部件、下颚动作驱动部件、多根驱动绳索和动作控制系统，依人体结构位置，下颚动作驱动部件设在颈部动作驱动部件上方，动作控制系统通过相应的驱动绳索统连接控制颈部、下颚动作驱动部件；

2.根据权利要求1所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是对于颈部俯仰/滚动运动装配体，所述动平台底面边缘设置多个滑轮，各个滑轮与定平台上通孔位置对应；所述各根驱动绳索一端依次穿过相应通孔和滑轮后，再固定在定平台上，驱动绳索的另一端连接动作控制系统。

3.根据权利要求2所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是对于颈部俯仰/滚动运动装配体，所述动平台和定平台的形状都是圆形；动平台底面边缘的滑轮有4个，均匀设在动平台底面的前、后、左和右位置，对应的，在定平台上设有4个通孔。

4.根据权利要求1所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是对于颈部偏航运动装配体，所述绳索转向装置是L形管道或转向滑轮。

5.根据权利要求1所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是所述头部安装板和动平台之间还设有帮助头部安装板复位的拉簧。

6.根据权利要求1所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是对于下颚动作驱动部件，所述下颚恢复装置是

设在固定上颚和活动下颚转动连接处的扭簧；

7.根据权利要求6所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是所述颈部弹性体是压缩弹簧，定平台及和动平台的中心在压缩弹簧的轴线上；所述下颚弹性体是两个支撑弹簧，对称设在活动下颚的下方。

8.根据权利要求1所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是所述驱动绳索中的运动路径中，驱动绳索长度不变的路径上设有绳索导管；相应的驱动绳索穿在相应的绳索导管内。

9.根据权利要求1所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是所述动作控制系统是闭环控制系统，包括工业控制计算机、基于PCI总线的运动控制卡、电机驱动组件和传感器；工业计算机通过基于PCI总线的运动控制卡控制电机驱动组件，进而控制各驱动绳索的动作；传感器设置采集到颈部的俯仰/滚动以及偏航运动信号传入工业计算机；所述电机驱动组件设置隔音箱内。

10.根据权利要求1所述的低噪声仿人机器人头系统，其特征是还包括高度可调仿人体支架，包括仿人上半身和高度可调的身体支架；所述颈部动作驱动部件和下颚动作驱动部件设在仿人上半身内；高度可调的身体支架包括基座、四根丝杠和一个用来连接基座和仿人上半身的支撑连接器；丝杠的一端与基座固定，基座和支撑连器通过丝杠连接并固定，高度通过丝杠与连接器的固定位置进行调节。