CN105818152B - 机器人头部运动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人头部运动系统，该系统包括立轴，所述立轴的上部伸入到所述头部内，所述立轴的下部可旋转地固定在所述躯干上，从而实现机器人头部的水平旋转，在所述立轴的上方，在所述头部内设置有横轴，且所述头部可绕着所述横轴旋转，从而实现机器人头部的俯仰运动，其中，立轴通过轴承固定在机器人的躯干上，通过立轴上的齿轮带动固定在头部上的齿条转动而带动机器人头部旋转，通过该运动系统能够调整机器人头部上的投影仪的方向和角度。

Description

机器人头部运动系统

技术领域

本发明涉及一种机器人上的运动系统，具体涉及一种机器人头部运动系统。

背景技术

机器人技术是当今社会的一个重要发展研究方向，人们为了各自目的、实现各种功能而设计出多种机器人，而机器人是否能够执行一些特定的动作和执行动作的数量及质量是衡量机器人性能的一个重要指标，其中，机器人头部的灵活程度既能反应机器人的拟人化程度，也能够便于机器人执行一些特殊的工作，如通过设置在其头部的投影仪播放视频文件时，可以通过机器人头部的移动来调节播放的效果，然而现有技术中尚未有该类型的机器人。

由于上述原因，本发明人对现有的机器人头部构造做了深入研究，以便设计出一种能够解决上述问题的机器人头部运动系统。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种机器人头部运动系统，该系统包括立轴，所述立轴的上部伸入到所述头部内，所述立轴的下部可旋转地固定在所述躯干上，从而实现机器人头部的水平旋转，在所述立轴的上方，在所述头部内设置有横轴，且所述头部可绕着所述横轴旋转，从而实现机器人头部的俯仰运动，其中，立轴通过轴承固定在机器人的躯干上，通过立轴上的齿轮带动固定在头部上的齿条转动而 带动机器人头部旋转，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

(1)一种机器人头部运动系统，所述机器人包括躯干和头部，其特征在于，该系统包括立轴1，

所述立轴的上部伸入到所述头部内，所述立轴的下部可旋转地固定在所述躯干上，

在所述立轴1的上方，在所述头部内设置有横轴2，且所述头部可绕着所述横轴2旋转。

(2)根据上述(1)所述的机器人头部运动系统，其特征在于，在所述立轴上设置有可旋转的齿轮3，在所述齿轮下方设置有齿条4，所述齿轮3与所述齿条4互相啮合，所述齿条4与所述机器人的头部固定连接。

(3)根据上述(1)所述的机器人头部运动系统，其特征在于，所述齿条4呈弧形，

所述横轴2的轴线经过所述齿条4的弧形所在圆的中心。

(4)根据上述(1)所述的机器人头部运动系统，其特征在于，在所述立轴1顶部设置有支架5，所述支架5用于支撑所述横轴2并将其可旋转地固定在立轴1的正上方；所述齿轮3的轴线与横轴2的轴线平行。

(5)根据上述(1)所述的机器人头部运动系统，其特征在于，所述立轴1为阶梯轴，在所述立轴上设置有至少三段直径不同的轴段，且从下向上，该阶梯轴上轴段的直径依次增大。

(6)根据上述(5)所述的机器人头部运动系统，其特征在于，所述立轴1通过第一轴承6和第二轴承65可旋转地固定在机器人的躯干上，所述第一轴承6包括外圈61、内圈62和带有滚动体的保持架63。

(7)根据上述(6)所述的机器人头部运动系统，其特征 在于，所述第一轴承6的内圈62套在所述立轴的一个轴段外侧，并且该内圈62顶在立轴的另一个轴段底部。

(8)根据上述(7)所述的机器人头部运动系统，其特征在于，在所述内圈和外圈的侧壁上都沿着该轴承的轴线方向开设有螺栓孔64；

在所述第一轴承上设置有穿过螺栓孔64的螺栓，穿过外圈上螺栓孔的螺栓将所述外圈与机器人的躯干固定在一起，穿过内圈上螺栓孔的螺栓将所述内圈与立轴固定在一起。

(9)根据上述(1)所述的机器人头部运动系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述头部中的投影仪7、反射镜8和显示屏9，其中，在所述头部的侧壁上开设有供所述投影仪上光束通过的投影孔81，

所述反射镜8是可移动的，其可以移动至所述投影孔81处并将所述投影仪上光束反射至显示屏9。

(10)根据上述(1)所述的机器人头部运动系统，其特征在于，所述显示屏是透光的，

优选地，所述显示屏为机器人的眼睛；

优选地，所述显示屏具有预定的弧度。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的运动系统中通过齿轮齿条传递动力实现头部俯仰，其俯仰运动更为平稳、安全；

(2)根据本发明提供的运动系统中机器人头部绕着其重心旋转俯仰，在俯仰的过程中重心稳定，不易发生侧翻事故；

(3)根据本发明提供的运动系统中电机的旋转圈数固定，从而限定了该机器人头部的运动幅度，避免各个部件因为头部运动幅度过大而互相干扰，提高了机器人的可靠性，同时也能提高该机器人的拟人度；

(4)根据本发明提供的运动系统中投影仪控制系统既能通过供投影播放视频文件，又可以通过显示屏显示视频文件，而且其内部构造简单，生产成本低，两种播放方式切换方便快捷，操作简单。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的机器人头部运动系统整体结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的机器人头部运动系统中第一轴承结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的通过显示屏播放视频文件时的结构示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的通过投影仪播放视频文件时的结构示意图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的涡轮电机内部结构示意图。

附图标号说明：

1-立轴

2-横轴

3-齿轮

4-齿条

5-支架

6-第一轴承

61-外圈

62-内圈

63-保持架

64-螺栓孔

65-第二轴承

7-投影仪

71-风扇

8-反射镜

81-投影孔

9-显示屏

10-电位器

11-头部

12-躯干

13-驱动电机

14-第二减速齿轮

15-第一减速齿轮

16-输出轴

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的机器人头部运动系统，如图1中所示，所述机器人包括躯干12和头部11，该系统包括立轴1，所述立轴的上部伸入到所述头部11内，所述立轴1的下部可旋转地固定在所述躯干12上，在所述立轴1的上方，在所述头部内设置有横轴2，且所述头部可绕着所述横轴2旋转。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，在所述立轴上设 置有轴线与所述横轴平行的齿轮3，所述齿轮可旋转地固定在所述立轴上，在所述齿轮下方设置有齿条4，所述齿轮3与所述齿条4互相啮合，所述齿轮的转动能够带动齿条移动，优选地，所述齿条呈弧形，在齿轮的带动下所述齿条绕着所述横轴旋转，优选地，所述齿条固定在所述机器人的头部上，进一步地，所述齿条与机器人头部中需要做俯仰动作的部件固结，以齿轮的旋转作为动力，齿条带动所有需要做俯仰动作的部件一同绕着所述横轴旋转，从而完成了机器人头部的俯仰作业。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，所述齿条4呈弧形，所述横轴2的轴线经过所述齿条4的弧形所在圆的中心，即，其弧形的半径长度与所述齿条到所述横轴中心的距离相等。所述齿条的弧形外形是圆一部分的形状，是圆周上任意的一段，所述半径即为该弧形所在圆的半径。

在一个优选的实施方式中，在所述立轴上还设置有与所述齿轮相连的电机，其用于给所述齿轮提供旋转的动力，所述齿轮向两个方向旋转的圈数/转数是预定的，即当所述齿条的边缘旋转到齿轮下方时，齿轮单方向锁死，不能继续沿着该方向旋转，只能向相反的方向旋转，从而保证齿轮和齿条一直接触，不会脱离，进而确保了机器人头部在俯仰过程中的安全和稳定。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，在所述立轴1顶部设置有支架5，所述支架5用于支撑所述横轴2并将其可旋转地固定在立轴1的正上方，且所述立柱和立轴之间的相对距离和相对位置不变。所述横轴只能被动旋转，自身没有旋转的动力，其主要用于支撑所述机器人的头部11，为机器人的头部提供一个能起到支撑作用的旋转中心。

在一个优选的实施方式中，所述机器人头部11整体呈球形，所述立轴从所述头部的底部伸入到所述球形头部内，并且 在所述外壳上留有预定的空隙供所述外壳相对于立轴俯仰移动，避免在机器人头部俯仰过程中外壳与立轴刮碰。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，所述立轴1为阶梯轴，其竖直设置，位于下方的轴体最细，位于最上方的轴体最粗，在所述阶梯轴上，从一段到另一端至少有两个直径突变的区域，从而将其分成至少三段直径不同的轴段，且从下向上，该阶梯轴上轴段的直径依次增大。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，所述立轴1通过第一轴承6和第二轴承65可旋转地固定在机器人的躯干上，所述立轴1从上至下依次穿过第一轴承6和第二轴承65，并通过所述第一轴承和第二轴承可旋转地固定在机器人的躯干12上，从而使得其上的头部可旋转地安装在机器人的躯干上，从而实现机器人的头部转动；

进一步地，在所述立轴1的下部设置有驱动立轴旋转的驱动电机13，在该驱动电机的带动下，头部随着立轴的旋转而相对于躯干转动，其中，在所述驱动电机的转子上安装有第一减速齿轮15，在立轴1的下部设置有第二减速齿轮14，所述第二减速齿轮14与立轴固结，能够带动立轴旋转，所述第一减速齿轮15与所述第二减速齿轮14互相啮合，从而实现通过驱动电机控制立轴的旋转。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，所述第一轴承6和第二轴承65都固定在机器人的躯干中，具体来说，第二轴承65在下，第一轴承6在上，且两个轴承的轴线共线。

在一个优选的实施方式中，如图2中所示，所述第一轴承6包括外圈61、内圈62和带有滚动体的保持架63；在所述内圈和外圈的侧壁上都沿着该轴承的轴线方向开设有螺栓孔64；

进一步优选地，所述第一轴承6上的螺栓孔有多个，且所 述螺栓孔均布在外圈和内圈上；所述第二轴承65优选的为深沟球轴承。

在一个优选的实施方式中，所述第一轴承6和第二轴承65实现对主轴的上下两级支撑，确保主轴及其上头部的稳定性，在第一轴承3上通过螺栓穿过螺栓孔将所述外圈和机器人的躯干固定在一起，通过螺栓穿过螺栓孔将所述内圈和主轴固定在一起，提高了机器人头部对拉力、压力及剪力的抵抗能力。

本发明中所述的电机和驱动电机都优选的为涡轮电机。

在一个优选的实施方式中，本发明所述电机和驱动电机都是可以往复旋转的，优选地，所述驱动电机和电机上都设置有自锁系统，只能通过电源驱动其旋转，不能通外界的作用力带动迫使其旋转；并且电机向每一个方向都只能旋转预定的转数/圈数，机器人头部只能向每个方向旋转预定角度或者俯仰预定角度，使得机器人更为人性化，也能防止头部及躯干部的结构零件或者导线因为头部旋转/俯仰角度过大而损坏，提高机器人的使用寿命和安全性。

在一个优选的实施方式中，如图5中所示，所述电机和驱动电机都优选地为涡轮电机，在所述电机和驱动电机的内部，在输出轴16上都安装有电位器10，其用于对运动的位置进行反馈，从而精确地控制机器人头部的运动幅度。

在一个优选的实施方式中，如图3和图4中所示，在所述机器人的头部中还设置有投影仪7、反射镜8和显示屏9，其中，在所述头部的侧壁上开设有供所述投影仪上光束通过的投影孔81，所述反射镜8是可移动的，其可以移动至所述投影孔81处并将所述投影仪上光束反射至显示屏9；当所述反射镜8移动到投影孔上并将所述投影孔遮挡住的时候，从投影仪中出来的光束无法从所述投影孔81中传出，被所述反射镜8反射到所述显示屏 上，从而通过显示屏播放视频文件；当所述反射镜8不在所述投影孔81处时，投影仪上发出的光束能够通过投影孔81并最终照射到幕布上，实现投影播放，当然，也可以照射到墙面等其他合适的载体上进行播放。

在一个优选的实施方式中，所述显示屏是透光的，从显示屏后方照射来的投影光束能够在显示屏的正面显示出来，并且光束在经过显示屏后不再刺眼，光线的强度等属性在显示屏的过滤下得以改变。

在一个优选的实施方式中，所述显示屏9可以是机器人上的任意一个部分，需要根据机器人的整体外观来设计选择，本发明中优选地将该显示屏作为机器人的眼睛，并且将两块圆形的显示屏连接在一起，使其更为生动形象。

在一个优选的实施方式中，所述显示屏具有预定的弧度，即显示屏可以不是平的，进一步优选的为球面的显示屏，由于其通过接收后方射来的光线进行图像显示，一定的弧度不会对显示效果造成影响，所述预定的弧度根据机器人的整体外形及显示屏区域的形状特性决定，可以是任意弧度，也可以是连续弧度等特殊外形或构造。

在一个优选的实施方式中，所述投影仪为DLP投影仪，其能够向外发出光束/光线。

在一个优选的实施方式中，所述反射镜至少包括一个镜面，其朝向机器人的内侧，即朝向投影仪和显示屏的方向。

在一个优选的实施方式中，在所述投影仪上安装有风扇71，用于给投影仪散热。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是 指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种机器人头部运动系统，所述机器人包括躯干和头部，其特征在于，该系统包括立轴(1)，

所述立轴的上部伸入到所述头部内，所述立轴的下部可旋转地固定在所述躯干上，

在所述立轴(1)的上方，在所述头部内设置有横轴(2)，且所述头部可绕着所述横轴(2)旋转，在所述立轴上设置有可旋转的齿轮(3)，在所述齿轮下方设置有齿条(4)，所述齿轮(3)与所述齿条(4)互相啮合，所述齿条(4)与所述机器人的头部固定连接，

在所述立轴(1)顶部设置有支架(5)，所述支架(5)用于支撑所述横轴(2)并将其可旋转地固定在立轴(1)的正上方；

所述立轴(1)为阶梯轴，在所述立轴上设置有至少三段直径不同的轴段，且从下向上，该阶梯轴上轴段的直径依次增大，

所述立轴(1)通过第一轴承(6)和第二轴承(65)可旋转地固定在机器人的躯干上；

所述系统还包括设置在所述头部中的投影仪(7)、反射镜(8)和显示屏(9)，其中，在所述头部的侧壁上开设有供所述投影仪上光束通过的投影孔(81)，

所述反射镜(8)是可移动的，其可以移动至所述投影孔(81)处并将所述投影仪上光束反射至显示屏(9)；

所述显示屏是透光的，

所述显示屏为机器人的眼睛；

所述显示屏具有预定的弧度。

2.根据权利要求1所述的机器人头部运动系统，其特征在于，

所述齿条(4)呈弧形，

所述横轴(2)的轴线经过所述齿条(4)的弧形所在圆的中心。

3.根据权利要求1所述的机器人头部运动系统，其特征在于，所述齿轮(3)的轴线与横轴(2)的轴线平行。

4.根据权利要求1所述的机器人头部运动系统，其特征在于，所述第一轴承(6)包括外圈(61)、内圈(62)和带有滚动体的保持架(63)。

5.根据权利要求4所述的机器人头部运动系统，其特征在于，所述第一轴承(6)的内圈(62)套在所述立轴的一个轴段外侧，并且该内圈(62)顶在立轴的另一个轴段底部。

6.根据权利要求5所述的机器人头部运动系统，其特征在于，

在所述内圈和外圈的侧壁上都沿着该轴承的轴线方向开设有螺栓孔(64)；

在所述第一轴承上设置有穿过螺栓孔(64)的螺栓，穿过外圈上螺栓孔的螺栓将所述外圈与机器人的躯干固定在一起，穿过内圈上螺栓孔的螺栓将所述内圈与立轴固定在一起。