CN104338323A - 可以多方位转动的机器人眼球 - Google Patents

Abstract

可以多方位转动的机器人眼球，眼球枢接在眼球座上，眼球座里安装有驱动眼球摆动的摆动式电磁铁或电磁驱动机构或电机，眼球座后部连接有一只枢轴，眼球座和枢轴枢接在眼球底板的两个支架上，另一个相同结构的眼球也同样安装在眼球底板上，两个眼球的枢轴平行；两个枢轴上分别安装有齿轮，眼球底板上安装有电机，电机输出轴的齿轮与两个眼球枢轴的齿轮相啮合。眼球座里的摆动式电磁或电磁驱动机构或电机可以驱动眼球摆动，同时，眼球底板上的电机还可以带动两个眼球同步转动。

Description

可以多方位转动的机器人眼球

技术领域

本发明属于一种电动的可以多方位转动的机器人眼球。

背景技术

公告号为CN201223724Y的发明提出了一种用摆动式电磁铁驱动眼球摆动的设计方案，但是该眼球不能转动。公开号为CN101219279的发明专利“仿人机器人眼球灵活转动的运动机构”，两个眼球的转动都由电机来驱动，需要蜗轮、蜗杆等减速机构以及四连杆、传动带、导轨、滑块等机构，还需要带编码器的电机，这类设计，结构比较复杂，体积比较大，造价也比较高。而且，这种眼球也很难做出像动画片中那样的眼球在眼框中做圆周状打转的动作。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是要设计一种能多方位转动的机器人眼球，该眼球不但能够以眼球直径为转轴左、右、上、下摆动，还能够像动画片中的动作一样，做出双眼瞳孔在眼框中做圆周状打转的动作。而且，比起现有的电机驱动的能够左、右、上、下摆动的机器人眼球，结构更简单，体积更小，造价更低。

本发明是这样实现的：空心半球形的眼球连接在眼球枢轴上，眼球枢轴枢接在眼球座的两片支撑板上，眼球座里安装有驱动眼球摆动的摆动式电磁铁或电磁驱动机构或电机驱动机构；眼球座后面连接有一根枢轴，枢轴的轴心线与前面的眼球处于居中位置时瞳孔的垂直平分线相重合，眼球座和枢轴枢接在一对眼球支架上，两个这样结构相同的眼球座、枢轴和支架并列安装在眼球底板上，两根枢轴相互平行，每根枢轴上固连有一个与枢轴同轴心的被动齿轮，眼球底板上安装有一个电机，电机输出轴的齿轮与两个被动齿轮相啮合，可带动两个眼球同步转动；每个眼球座后部的枢轴上设有两个相互绝缘的导电环，两个导电环分别与眼球座里的电磁铁或电磁线圈或电机的两根导线相连，眼球底板相应部位设有两对连接电源线的电刷，两对电刷分别有弹性的压在两对导电环上，可以对两个转动中的电磁铁或电磁线圈或电机不间断供电。

眼球座里安装有摆动式电磁铁，电磁铁铁芯的一端有平面的极靴，眼球座相对的两侧向极靴方向伸出两片支撑板，两片支撑板之间枢接有一根枢轴，枢轴的轴线与极靴的平面平行，枢轴面对平面极靴的一边连接有一个永磁铁，永磁铁内部的磁力线与枢轴轴线相垂直，并且永磁铁的两极共同面对极靴，枢轴向永磁铁反方向伸出一只插管，眼球瞳孔后部连接有一只插杆，插杆插进枢轴的插管中，把眼球与摆动式电磁铁的摆动输出部分即枢轴连接在一起。给摆动式电磁铁加以不同方向的电流，可以驱动眼球以枢轴为轴心向两个方向摆动一定角度，断电后，在永磁铁和平面极靴的作用下，眼球回到居中的位置。

眼球座里的电磁铁铁芯的一端有半圆弧面的极靴，眼球座相对的两侧向极靴方向伸出两片支撑板，两片支撑板之间枢接一根枢轴，枢轴的轴线与极靴圆弧的轴线平行，枢轴内装有一个同轴心的，径向充磁的，圆筒形或圆柱形或正棱柱体的永磁铁，并且永磁铁的两极共同面对极靴的圆弧面，枢轴一边伸出一只插杆，眼球瞳孔后部连接有一只插管，插杆插进眼球瞳孔后部的插管中，把眼球与摆动式电磁铁的摆动输出部分即枢轴连接在一起。给摆动式电磁铁加以不同方向的电流，可以驱动眼球以枢轴为轴心向两个方向摆动一定角度，断电后，在永磁铁和半圆弧面极靴的作用下，眼球转回居中的位置。

眼球座里可以并排安装两个电磁线圈，两个电磁线圈当中固定有一只铁磁性材料制作的复位杆，两个电磁线圈前面是一个滑槽，一个永磁铁套可滑动的设在滑槽中，里面固定一个永磁铁，永磁铁套前方伸出两片支架，两片支架前端固连一只插杆，线圈座向前伸出有两片支撑板，两片支撑板前端枢接有一根枢轴，枢轴与前述方式一样与眼球连接在一起，枢轴后部伸出一只摆杆，摆杆后端有一开槽，摆杆插在永磁铁套前方的两片支架里面，固连在两片支架前端的插杆插在摆杆的开槽中。两个电磁线圈并联，通电以后，同一个平面上的两个电磁线圈产生相反的极性，驱动对面的永磁铁向一个方向滑动，并通过插杆、摆杆带动眼球转动，对两个电磁线圈加以不同方向的电流，可以驱动眼球以枢轴为轴心向两个方向摆动一定角度，断电后，定位杆将永磁铁吸引回居中的位置，并带动眼球转回居中的位置。

电磁驱动机构还可以由两个永磁铁和一个电磁线圈组成，眼球如前述方式一样连接在一根枢轴上，枢轴枢接在摆动式电磁铁的两个支撑板前的轴孔中，枢轴向眼球的反方向伸出一只摇臂，摇臂末端有一个磁铁座，里面并排固定有两个永磁铁，同一个平面的两个永磁铁极性相反；面对永磁铁的支撑板内固定有一个电磁线圈，电磁线圈的一个平面与两个永磁铁的一个平面成间隙配合；摆动式电磁铁里安装有一只可双向复位的扭力弹簧，扭力弹簧的簧圈套在枢轴下部，两只簧叉中部夹住一个固定在支板上的定位柱，摇臂后部伸出一只拨杆，两只簧叉的末端把拨杆夹在当中，当眼球处于居中位置时，电磁线圈位于两个永磁铁当中，对电磁线圈加以不同方向的电流，可以驱动永磁铁并带动眼球以枢轴为轴心向两个方向摆动一定角度，断电后，扭力弹簧将摇臂连带眼球拨回居中的位置。

眼球座里可以安装电机驱动装置：眼球座里安装一个电机，眼球枢轴后部连接有一个齿轮，电机输出轴的齿轮与枢轴后连接的齿轮相啮合，电机可以驱动眼球摆动，眼球座里还安有一只可双向复位的扭力弹簧，扭力弹簧的簧圈套在枢轴下部，两只簧叉中部夹住一个固定在眼球座里的定位柱，齿轮上伸出一只拨杆，两只簧叉的末端把拨杆夹在当中，断电后，扭力弹簧使眼球回到居中的位置。

眼球座后的枢轴安装有角度传感装置：在一个眼球座后部枢轴的齿轮上固定有一个永磁铁，枢轴支架的对应部位安装有两个与永磁铁配合使用的霍尔传感器，电机可以使用微型直流减速电机，当永磁铁转动到霍尔传感器对面的位置，霍尔传感器就给相关电路发出一个信号，让电机断电停止转动，使眼球停止在该位置。两个霍尔传感器可以分别安在支架轴孔的垂直方向和水平方向的直径方向，就可以让眼球停止在既能水平方向又能竖直方向摆动的位置。让电磁铁带动眼球摆向一边，控制电路可以关闭霍尔传感器的信号，并让电机带动眼球做不停转动，就可以做出瞳孔在眼眶中打转的动作。当然，也可以用干簧管等其他磁性传感器代替霍尔传感器。也可以在枢轴上安装角度传感器，这样可以控制眼球做更精细的转动，但成本较高。

驱动眼球座后部枢轴的电机也可以使用舵机、步进电机等伺服电机，这样就不需要外加传感器，也能控制眼球的转动角度。

本发明利用眼球座里的摆动式电磁铁或电磁驱动机构或电机驱动机构可驱动眼球做出三点定位的摆动，利用电机驱动眼球座后的枢轴，可以驱动眼球座带动眼球转动，两种动作的结合不但可以让两个眼球做出多方位的摆动，还可以带动两个眼球做出两个瞳孔在眼眶中打转的动作，不但比现有的机器人眼球动作更丰富，而且结构相对简单，体积相对小巧，控制相对简便，制造成本便宜。

附图说明

图1是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例1中的单个眼球部件侧视方向剖视图。

图2是图1所示实施例的俯视方向半剖视图。

图3是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例1整体俯视图。

图4是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例1整体后视图。

图5是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例2中电磁驱动机构和眼球部分侧视方向剖视图。

图6是图5所示实施例的俯视方向半剖视图。

[0018]图7是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例3中单个眼球部件侧视方向剖视图。

图8是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例3中单个眼球部件俯视方向剖视图。

图9是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例4中眼球座的一个支撑板的侧视图。

图10是图9所示支撑板的后视图。

图11是图9所示支撑板的仰视图。

图12是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例4中眼球座的另一个支撑板侧视图。

图13是图12所示支撑板的俯视图。

图14是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例4中所用的扭力弹簧俯视图。

图15是图14所示扭力弹簧的侧视图。

图16是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例4中连接眼球的枢轴和与之连在一起的磁铁座和永磁铁的立体示意图。

图17是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例4电磁驱动机构和眼球部分侧视方向剖视图。

图18是根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例5眼球座与眼球部分侧视方向剖视图。

图19是图18所示实施例5中眼球枢轴和与之连接在一起的齿轮的立体示意图。

具体实施方式

结合附图，对根据本发明提出的可以多方位转动的机器人眼球实施例详细说明如下：

图1、图2、图3和图4所示的实施例1中，眼球(1)是空心半球体，半球体中部有瞳孔(2)，瞳孔(2)后部连接有一只插杆(3)，插杆(3)插进枢轴(5)前面的插管(4)中，枢轴(5)后部连接有一个磁铁座(6)，磁铁座(6)里安有一块矩形的永磁铁(7)，永磁铁(7)内部的磁力线垂直于枢轴(5)的轴线，并且永磁铁(7)的两极共同面对枢轴(5)；枢轴(5)的两端枢接在眼球座的两个支撑板(8)、(9)前面的轴孔中，两个支撑板(8)、(9)后部是眼球座圆筒形的壳体(10)，里面安装有一个由铁芯(11)、平面的极靴(12)和螺线管(13)组成的电磁铁，在未通电的情况下，平面的极靴(12)与永磁铁(7)的两极相互吸引，可以使永磁铁(7)和眼球如图1和图2所示保持在居中的位置。眼球座圆筒形的壳体(10)枢接在眼球底板(14)上的一个支架(15)的轴孔中，圆筒形壳体(10)的后部连接有一根同轴心的枢轴(16)，枢轴(16)枢接在眼球底板(14)上另一个支架(17)的轴孔中，圆筒形壳体(10)和枢轴(16)的轴心线与眼球在居中位置时瞳孔(2)的垂直平分线相重合，枢轴(16)上套接有两个圆环形的导电环(18)、(19)，两个导电环中间有一个绝缘环(20)，两个导电环(18)、(19)分别与电磁铁螺线管的两根导线相连接，两个固定在眼球底板(14)相应部位的电刷(21)、(22)分别压在两个导电环(18)、(19)上，两个电刷(21)、(22)分别连接电源的正、负极，可以通过两个导电环给转动中的电磁铁不间断的供电。枢轴(16)后部连接一个同轴心的齿轮(23)，齿轮上安装有一个永磁铁(24)，支架(17)的相应部位安有两个霍尔开关(25)、(26)，霍尔开关(25)安在支架(17)孔轴垂直方向的直径方向，霍尔开关(26)安在支架(17)孔轴水平方向的直径方向。另一套相同结构的眼球(27)连同眼球座(28)、枢轴(29)、导电环(30)、(31)及齿轮(32)枢接在眼球底板(14)另一对支架(33)、(34)上，两个枢轴(16)、(29)相互平行。眼球底板(14)上还安装有一个微型直流减速电机(35)，电机(35)的输出轴上有齿轮(36)，齿轮(36)与两个齿轮(23)、(32)相啮合，可以带动两个齿轮(23)、(32)并带动两个眼球(1)、(27)同步、同方向转动。当眼球位于如图1和图2所示的位置时，眼球(1)的枢轴(4)是垂直方向的，给电磁铁加以不同方向的电流，可以驱动眼球(1)左、右摆动，断电后眼球回到居中的位置，另一个眼球(27)也同样。电机(35)驱动枢轴(16)和枢轴(29)转动圆心角90度时，永磁铁(24)随之转到另一个霍尔传感器(26)对面，有关电路收到信号，令电机停止转动，这时两个眼球的枢轴是水平方向的，给两个电磁铁加以不同方向的电流，可以驱动两个眼球以枢轴为轴心上、下摆动。电路可以中断霍尔传感器的信号，驱动眼球不停转动；当眼球在电磁铁驱动下摆向一边，并在电机驱动下不停转动时，就可以做出瞳孔围绕中心做圆周打转的动作。

该实施例中的霍尔传感器可以用干簧管等其它磁性传感器代替。也可以在枢轴上安装角度传感器来更精确的控制枢轴的转动角度，使眼球的动作更加丰富，但成本较高。

图5和图6中，圆筒形的眼球座(47)里装有一个电磁铁，该电磁铁连接在铁芯(48)外的极靴(46)的外端面是圆弧形的，圆筒形的眼球座(47)向前伸出两个支撑板(44)、(45)，两个支撑板(44)、(45)前端枢接有一根枢轴(42)，枢轴(42)轴线平行于极靴(46)圆弧的轴线，枢轴(42)是空心的，里面装有一个圆柱形的永磁铁(43)，圆柱形永磁铁(43)是径向充磁的，所以其内部磁力线与枢轴(42)轴线相垂直，并且，永磁铁(43)的两极分别共同面对极靴(46)和枢轴(42)。枢轴(42)向电磁铁反方向伸出有一只插杆(41)，眼球(38)的瞳孔(39)后部伸出有一只插管(40)，插杆(41)插进插管(40)中，把眼球(38)与枢轴(42)连接在一起。给电磁铁加以不同方向的电流，可以驱动眼球(38)以枢轴(42)为轴心向两个方向摆动一定角度，断电后，在永磁铁(43)和极靴(46)的作用下，眼球(38)转回居中的位置。除了电磁铁部分，该实施例2的其余部分与实施例1相同，转动机制也一样，省略未画，不再赘述。枢轴(42)里面的永磁铁也可以是径向充磁的圆筒形或棱柱型。

图7和图8所示的实施例3中，两个电磁线圈(60)、(61)并排安装在眼球座(62)里，一根软铁棒(63)安在两个电磁线圈(60)、(61)中间；两个电磁线圈(60)、(61)前面有一个滑槽，一个矩形的磁铁包(58)作为滑块设在滑槽中，磁铁包(58)里固定有一块永磁铁(59)，永磁铁(59)的一面与两个电磁线圈(60)、(61)的一面成间隙配合。磁铁包(58)向前伸出两片支架(55)、(56)，两片支架(55)、(56)前端插有一只拨杆(54)；眼球座(62)向前伸出有两片支撑板(52)、(53)，两片支撑板(52)、(53)前端枢接有一根枢轴(50)，枢轴(50)与前述实施例一样与眼球(49)相连接，枢轴(50)后部伸出一只摆杆(51)，摆杆(51)后部有一个开槽(57)，摆杆(51)后部伸进两片支架(55)、(56)中间，拨杆(54)插在开槽(57)当中。两个电磁线圈(60)、(61)并联，通电后同一平面上的两个电磁线圈端面极性相反，可驱动磁铁包(58)向一个方向滑动，反向通电可驱动磁铁包(58)向另一个方向滑动，磁铁包(58)的滑动就带动摆杆(51)、眼球(49)摆动。该实施例3的其余部分与实施例1相同，转动机制也一样，不再赘述。

图9、图10和图11分别是实施例4中使用的眼球座的一个支撑板的三视图。该支撑板(65)呈L型，内部有一个固定电磁线圈用的凸轴(66)，前端有一个轴孔(67)，后部连接有枢轴(68)。

图12和图13分别是与上述支撑板配合使用的另一个支撑板的二视图。该支撑板(69)也呈L型，内部有一个作为定位柱使用的凸轴(70)，前端有一个轴孔(71)，后部连接有空心短管(72)，短管(72)的外径与枢轴(68)的内径成过盈配合。

图14和图15分别是实施例4中使用的扭力弹簧的二视图。该扭力弹簧由簧圈(73)和两只簧叉(74)、(75)组成。

图16是实施例4中使用的枢轴和与枢轴连在一起的磁铁座立体示意图。枢轴(76)前方伸出一只用来连接眼球的短轴(77)，反方向伸出一只拨杆(78)，拨杆(78)后连接有一个磁铁座(79)，磁铁座(79)里并列安装有两个永磁铁(80)、(81)，两个永磁铁(80)、(81)同一方向的极性相反，磁铁座底部伸出一支拨杆(82)。

图17所示的实施例4中，支撑板(69)后部的短管(72)插进支撑板(65)后部枢轴(68)的轴孔里，将两个支撑板(65)、(69)连为一体组成眼球座；两个支撑板(65)、(69)前端的轴孔里枢接有枢轴(76)，枢轴(76)前面连接有眼球，支撑板(65)里固定一个电磁线圈(83)，枢轴(76)后面连接的磁铁座(79)里的两块永磁铁(80)、(81)面对电磁线圈(83)，扭力弹簧的簧圈(73)套在枢轴(76)底部，两只簧叉(74)、(75)中部夹住当中的定位柱(70)，两只簧叉(74)、(75)末端夹住磁铁座(79)底部伸出的拨杆(82)。给电磁线圈(83)加以不同方向的电流，可以驱动磁铁座(79)并带动眼球向不同方向摆动一定角度，断电后，在扭力弹簧的作用下，磁铁座(79)带动眼球转回居中的位置。除了该电磁驱动部分，该实施例4的其余部分与前述实施例相同，转动机制也一样，省略未画，不再赘述。

该实施例中的两块永磁铁(80)、(81)可以改为两个并联而且同一平面上极性相反的电磁线圈，一个电磁线圈(83)可以改为一个永磁铁，作用结果是一样的。

图18和图19中，眼球(85)如前述实施例一样连接在眼球枢轴(86)上，眼球枢轴(86)后部连接有一个扇形齿轮(88)，眼球座(87)里安装有一个微型直流电机(89)，电机(89)输出轴的齿轮(90)与扇形的齿轮(88)相啮合。齿轮(88)下部连接有一只拨杆(91)，眼球座(87)里如实施例4一样安装有一个扭力弹簧(92)，扭力弹簧两只簧叉(93)、(94)末端夹住扇形齿轮(88)底部伸出的拨杆(91)。电机(89)的两根导线如前述实施例一样连接在眼球座(87)后部枢轴的两个导电环上。电机(89)可驱动眼球(85)摆动，断电后扭力弹簧(92)使眼球回到居中的位置。该实施例5的其余部分与前述实施例相同，转动机制也一样，省略未画，不再赘述。

上述各实施例中使用的是直流减速电机，配合角度传感装置来控制眼球的转动角度，如果使用步进电机或舵机等伺服电机取代直流减速电机，就可以不用外设传感器，也能控制眼球的转动角度，但成本稍高一些。

Claims (6)

1.可以多方位转动的机器人眼球，包括空心半球形的眼球，眼球连接在眼球枢轴上，眼球枢轴枢接在眼球座的两片支撑板上，眼球座里安装有驱动眼球摆动的摆动式电磁铁，其特征是：眼球座里可以安装电磁线圈与永磁铁配合使用的电磁驱动机构或电机驱动机构；眼球座后面连接有一根枢轴，枢轴的轴心线与前面的眼球处于居中位置时瞳孔的垂直平分线相重合，眼球座和枢轴枢接在一对眼球支架上，两个这样结构相同的眼球、眼球座、枢轴和支架并列安装在眼球底板上，两根枢轴相互平行，每根枢轴上固连有一个与枢轴同轴心的被动齿轮，眼球底板上安装有一个电机，电机输出轴的齿轮与两个被动齿轮相啮合，可带动两个眼球同步转动；每个眼球座后部的枢轴上设有两个相互绝缘的导电环，两个导电环分别与眼球座里的电磁铁或电磁线圈或电机的两根导线相连，眼球底板相应部位设有两对连接电源线的电刷，两对电刷分别有弹性的压在两对导电环上，可以对两个转动中的电磁铁或电磁线圈或电机不间断供电。 

2.根据权利要求1所述的可以多方位转动的机器人眼球，其特征是两个电磁线圈排列在眼球座里，两个电磁线圈中间固定有一只铁磁性材料制作的定位杆，两个电磁线圈前面是一个滑槽，一个磁铁包可滑动的设在滑槽中，磁铁包里面固定一块永磁铁，磁铁包前方伸出两片支架，两片支架前端固连一只插杆，眼球座向前伸出有两片支撑板，两片支撑板前端枢接有一根枢轴，枢轴与与眼球连接在一起，枢轴后部伸出一只摆杆，摆杆后部有一开槽，摆杆插在永磁铁套前方的两片支架之中，固连在两片支架前端的插杆插在摆杆的开槽中。 

3.根据权利要求1所述的可以多方位转动的机器人眼球，其特征是眼球连接在一根枢轴上，枢轴枢接在眼球座的两个支撑板前，枢轴向眼球座方向伸出一只摇臂，摇臂末端有一个磁铁座，里面并排固定有两个永磁铁，同一个平面的两个永磁铁极性相反；眼球座里固定有一个电磁线圈，电磁线圈的一面面对永磁铁，当眼球处于居中位置时，电磁线圈位于两个永磁铁当中；眼球座里安装有一只可双向复位的扭力弹簧，扭力弹簧的簧圈套在枢轴下部，两只簧叉中部夹住一个固定在眼球座上的定位柱，摇臂后部伸出一只拨杆，两只簧叉的末端把拨杆夹在当中。 

4.根据权利要求1所述的可以多方位转动的机器人眼球，其特征是眼球座里安装一个电机，眼球枢轴后部连接有一个齿轮，电机输出轴的齿轮与枢轴后连接的齿轮相啮合；眼球座里还安有一只可双向复位的扭力弹簧，扭力弹簧的簧圈套在枢轴下部，两只簧叉中部夹住一个固定在眼球座里的定位柱，齿轮上伸出一只拨杆，两只簧叉的末端把拨杆夹在当中。 

5.根据权利要求1所述的可以多方位转动的机器人眼球，其特征是一个眼球座后的枢轴上安装有旋转角度控制装置。 

6.根据权利要求1或权利要求6所述的可以多方位转动的机器人眼球，其特征是安在眼球底板上驱动两根枢轴同步转动的电机为舵机或步进电机等伺服电机。