CN106976098A - 一种服务机器人头颈结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种服务机器人头颈结构，包括头部和颈部，其中头部包括前外壳、后外壳和头部支撑架组件，主要采用槽型轻质塑料件进行组装而成，具有重量轻、造价低、外形流畅的特点。前外壳的外表面设置触控显示屏、眉毛显示块、脸颊显示块和摄像头组件，在向用户反馈视频信息的同时，还可完成各种拟人化的组合表情，丰富了机器人针对用户的情感表达。颈部包括外部组件、俯仰机构、左右旋转机构，较一般的机器人头部动作机构而言，具有重量轻，主要采用槽型轻质塑料件组装而成，并且结构简单、紧凑，成本低廉，能够由两个电机分别带动，进行点头与摇头动作。

Description

一种服务机器人头颈结构

技术领域

本发明涉及一种仿生机器人技术领域，特别是一种服务机器人头颈结构。

背景技术

“人形服务机器人”可以被定义为具有人类的外观和功能(例如头部、躯干、手臂、腿部)的某些属性，使用语音交互以及肢体动作来与人类进行沟通的一种服务机器人。传统的人形机器人大多具有摇头/转头功能，能够形象地模仿人类头部的动作，保证其更好地与人类进行交流与沟通。

智能机器人头颅(CN201620875529.2)，其包括：一上壳，其上设置智能家居模块、固定座、摄像头，固定座上设置有电路板、LED灯座，LED灯座中倾斜放置有LED，摄像头位于上壳的前部，一下壳，扣合于上壳，下壳上设置有一个嘴巴、两个眼睛、独立音腔喇叭，眼睛位于嘴巴上方，眼睛位于嘴巴上设置有发光LED，且眼睛的发光LED和嘴巴的发光LED之间通过引线串联的方式电性连接，上壳的侧边和下壳的侧边连接处设置有收容孔，收容孔中装设有独立音腔喇叭，下壳的底部还设置有大空腔、扣位；一侧壳，罩设于独立音腔喇叭，且侧壳扣合于上壳的侧边和下壳的侧边，上述构造，设计合理，功能丰富，外表美观，并实现了智能化的设计。

机器人点头转头动作机构(CN200720189946.2)，一种机器人点头转头动作机构，包括机身架、电机、曲轴、连杆、固定盘及转头盘，固定盘通过固定架与机身架连接，点头盘通过销轴挂置在固定盘上，点头盘的侧端与连杆相连，连杆的另一端与机身架上的曲轴连接，曲轴和点头电机相连，转头电机安装在点头盘的中部下端，点头盘上固接有套筒和限位杆，转头盘放置在套筒上，转头电机的输出轴插入在套筒中与活动轴相连，活动轴上套置有压簧及摩擦片，点头盘上摩擦片与活动轴上的摩擦片接触，在转头电机的作用下带动转头盘转动，转头盘上开有限位槽，点头盘上的限位杆插入在限位槽中。本发明的机器人点头转头动作机构可准确、方便地完成点头、转头动作，它结构简单，生产成本低。

一种可以点头的机器人(CN201620706242.7)本发明公开了一种可以点头的机器人，包括头部，头部下端安装有摇动手臂，机器人的前端安装有显示器和控制按键，机器人的底部安装有控制箱，控制箱的底部转动轮和万向轮，头部的底部安装有颈部版，颈部板的后面安装有固定板，固定板上安装有点头摆杆，点头摆杆后面安装有点头舵机，点头舵机的下方安装有摇头舵机，摇头舵机上安装有滤波电容盒，在摇头舵机的下方安装有底板，在底板上安装有固定杆，该装置采用摇动加上点头一起的模式，实现机器人的摇头和点头，具有一定人的功能，更加的贴近正常人，结构简易，适用性好，有着很好的应用前景。

现有的机器人头部动作机构大多具有1或者2个自由度，点头与摇头动作不能够同时进行。另外，所采用的零部件较多，成本较高，机构的空间利用率较低，导致机器人颈部的体积较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种服务机器人头颈结构，融合触控显示器、人工智能语音、电子表情、肢体语言的多维交互技术，且能够同时进行点头与摇头动作，从而提高与用户沟通的准确性与有效性。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种服务机器人头颈结构，其特征在于：它包括头部和颈部，其中所述头部包括前外壳、后外壳和头部支撑架组件，所述头部支撑架组件与前外壳固定，所述前外壳与后外壳对合连接，形成机器人仿生头部的外壳腔；所述前外壳的外表面设置触控显示屏、眉毛显示块、脸颊显示块和摄像头组件；所述头部支撑架组件包括支撑柱和矩形框架，所述支撑柱连接矩形框架的底边；

所述颈部包括外部组件、俯仰机构、左右旋转机构，其中所述外部组件包括依次连接的颈部支撑架、颈部上支架、颈部下支架、颈套；所述颈部支撑架的中部设置中央通孔；所述颈部上支架的下部与颈部下支架的上部通过联轴器连接；所述俯仰机构包括俯仰电机、联轴器、俯仰主动齿轮、俯仰被动齿轮、蜗轮、蜗杆；所述蜗轮设置在所述联轴器的销轴的中部，所述俯仰电机的转矩输出端连接俯仰主动齿轮，与所述俯仰主动齿轮啮合的俯仰被动齿轮连接蜗杆的下端，蜗杆的上端与蜗轮啮合；左右旋转机构包括左右旋转电机、左右旋转主动齿轮、左右旋转被动齿轮；所述左右旋转电机安装在所述颈部支撑架上，转矩输出端连接左右旋转主动齿轮；所述左右旋转主动齿轮与左右旋转被动齿轮啮合，所述左右旋转被动齿轮套接在所述颈套的外侧。

所述矩形框架的第一侧边与前外壳内表面连接，所述控制电路板设置在第一侧边与前外壳之间；电子眉毛显示组件、电子脸颊显示组件、摄像头组件分别设置在所述控制电路板上；所述后外壳内的上部设置感应组件；所述矩形框架内设置通风组件，矩形框架的第二侧边上设置射频天线，矩形框架的底边上设置麦克风组件。

所述摄像头组件的视频信号输出端、麦克风组件的语音命令信号输出端、感应组件的手势命令信号输出端、红外传感器的红外检测信号输出端分别连接控制电路板的信号输入端。

所述控制电路板的控制信号输出端分别连接运动姿态组件、触控显示屏、眉毛显示块和脸颊显示块的控制信号输入端。

所述控制电路板还可设置在后外壳内的感应组件下方。

所述颈部支撑架还包含支撑平面、支撑立面，其中支撑立面和中央通孔垂直于支撑平面设置；所述颈套下部设置在中央通孔内，并可相对于所述中央通孔转动。

所述支撑平面通过固定于机器人胸腔壳体的内部；所述颈部下支架下端安装有一轴承挡板，所述轴承挡板上设置台阶面，将第三滚珠轴承限制在中央通孔内。

所述颈部上支架和颈部下支架之间的连接位置设置第一滚珠轴承；所述左右旋转被动齿轮下方设置第二滚珠轴承。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的一种服务机器人头颈结构包括头部和颈部，其中头部包括前外壳、后外壳和头部支撑架组件，主要采用槽型轻质塑料件进行组装而成，具有重量轻、造价低、外形流畅的特点。前外壳的外表面设置触控显示屏、眉毛显示块、脸颊显示块和摄像头组件，在向用户反馈视频信息的同时，还可完成各种拟人化的组合表情，丰富了机器人针对用户的情感表达。

本发明的红外传感器、声源定位组件、感应组件、麦克风组件、摄像头组件共同构成机器人的外部感知单元，用户可通过多种输入方式向机器人发出指令，例如手势、声音、点击选项等，方便用户向机器人提出需求。

本发明的颈部包括外部组件、俯仰机构、左右旋转机构，较一般的机器人头部动作机构而言，具有重量轻，主要采用槽型轻质塑料件组装而成，并且结构简单、紧凑，成本低廉，能够由两个电机分别带动，进行点头与摇头动作。

附图说明

图1为本发明的头颈结构示意图

图2为本发明的头部前外壳内部结构示意图

图3、图4为本发明的头部支撑架组件结构示意图

图5为本发明的头部前外壳外部结构示意图

图6为本发明的头部后外壳内部结构示意图

图7为本发明的颈部外部结构示意图

图8为本发明的颈部零件拆解示意图

图9为本发明的颈部内部结构剖视示意图

图10为本发明的左右旋转机构示意图

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的服务机器人头颈结构包括头部A和颈部B，头部A用于进行表情显示和用户指令感知，颈部B通过点头、摇头的动作对机器人的情感表达进行强化，优化交互效果。其中头部A包括前外壳1、后外壳2、头部支撑架组件3，头部支撑架组件3与前外壳1固定，对机器人仿生头部形成支撑；前外壳1与后外壳2对合连接，形成机器人仿生头部的外壳。前外壳1外表面设置触控显示屏4，不仅能够显示表情变化图像，还能够显示如视频、图像等相关信息，用户还可以通过触控屏对机器人进行设置以及修改一些显示的内容。

本发明在服务机器人的颈部下方设置本体和底盘机构，其中底盘机构用于实现机器人的定向移动，必要时底盘机构还可用于搭载物品。底盘机构上设置驱动装置、驱动轮、导向轮、底盘红外传感器，驱动装置接收运动控制命令，向驱动轮输出相应的转矩；运动控制命令通过控制导向轮转过的角度，对整个服务机器人的运动方向进行控制。

如图2、图3、图4所示，头部支撑架组件3包括支撑柱6和垂直于前外壳1面板的矩形框架14，支撑柱6连接矩形框架14，对整个头部起到支撑作用，矩形框架14的第一侧边5与前外壳1内表面连接。矩形框架14包围的空间内设置通风组件11，矩形框14的第二侧边20上设置射频天线12，麦克风组件19安装在矩形框架14的底边上。

矩形框架14的第一侧边5与前外壳1之间固定有与前外壳1面板平行的第一控制电路板13。一对电子眉毛显示组件15分别安装在第一控制电路板13上部的两侧，一对电子脸颊显示组件16分别安装在第一控制电路板13下部的两侧，一对摄像头组件17分别安装在第一控制电路板13中部的两侧。摄像头组件17通过摄像头支架18安装在第一控制电路板13上。

如图5所示，电子眉毛显示组件15包括设置在前外壳1外表面、触控显示屏4上部的眉毛显示块21，电子脸颊显示组件16包括设置在前外壳1外表面、触控显示屏4下部的脸颊显示块22，眉毛显示块21和脸颊显示块22用于模拟人类的动态表情。摄像头组件17包括设置在前外壳1外表面、触控显示屏4两侧和上方的摄像头23，可用于观测机器人周围的环境状况以及具有拍照功能。红外传感器24设置在触控显示屏4上方的摄像头23旁边。

如图6所示，后外壳2内设置音响组件7、第二控制电路板8、发光组件9、感应组件10。两音响组件7分别固定安装在后外壳2的空腔内两侧，感应组件10固定安装在后外壳2的空腔内上侧，发光组件9固定安装后外壳2的空腔内中部。其中，第二控制电路板8安装在感应组件10下方。音响组件7通过排线25与第二控制电路板8连接。

红外传感器24、声源定位组件、感应组件10、麦克风组件19、摄像头组件17共同构成机器人的外部感知单元。其中，红外传感器24能够感知机器人前方的障碍物情况，进行分析与判断，第一控制电路板13或者第二控制电路板8中进行分析处理，向底盘机构输出运动控制命令，控制驱动轮的转速和导向轮的转角，控制运动速度和运动方向，令服务机器人做出避让动作。

声源定位组件通过麦克风组件19获取用户的语音命令信号，并将其输入第一控制电路板13或者第二控制电路板8中进行分析处理。感应组件10能够准确感知用户的肢体触摸动作，并将手势命令信号传输到第一控制电路板13或者第二控制电路板8中进行分析处理。

第一控制电路板13或者第二控制电路板8根据语音命令信号和手势命令信号得出驱动信号，并将驱动信号输入位于前外壳1外侧面的触控显示屏4、眉毛显示块21、脸颊显示块22，用以展现相应的情感表达模式；或者输入相应的运动姿态组件中，驱动机器人头颅的点头、摇头等姿态动作；或者输入音响组件7，用于播放一些交互性语音；或者输入发光组件9，用于发出不同颜色的光提示用户。

如图7所示，颈部B包括颈部支撑架26、颈部上支架27、颈套28、颈部下支架32。颈部支撑架26包含支撑平面29、支撑立面30和中央通孔46，其中支撑立面30和中央通孔46垂直于支撑平面29设置。支撑平面29通过螺丝固定于机器人胸腔壳体内部，支撑立面30分为两部分，分别设置在中央通孔46的两侧。

如图8所示，颈部上支架27、颈部下支架32均采用两部分对合的方式安装。颈部上支架27的下部与颈部下支架32的上部采用销轴的形式连接，由联轴器35进行固定，第一滚珠轴承34对二者进行轴向定位。颈部下支架32的上部设置销孔，下部嵌入颈套28内，使颈部上支架27、颈部下支架32、颈套28为一整体。即颈部上支架27的一部分通过联轴器35和第一滚珠轴承34固定在颈部下支架32的一部分之外，形成一个整体之后再与另一部分的整体对合。联轴器35的销轴上安装有蜗轮36，蜗轮36与一蜗杆41啮合。

如图9所示，俯仰电机38安装在颈部下支架32内部，俯仰电机38的转矩输出端连接有俯仰主动齿轮39,俯仰被动齿轮40与俯仰主动齿轮39啮合，并连接在蜗杆41的下端。俯仰电机38输出的力矩依次经由俯仰主动齿轮39、俯仰被动齿轮40、蜗杆41，传输到蜗轮36上，进而驱动颈部上支架27绕着颈部下支架32上部的联轴器35形成的关节轴线转动，来实现机器人的点头动作。

如图10所示，左右旋转电机42安装在颈部支撑架26上，左右旋转电机42的转矩输出端连接左右旋转主动齿轮43，左右旋转主动齿轮43与左右旋转被动齿轮37啮合，左右旋转被动齿轮37套接在颈套28外侧。颈套28下部与左右旋转被动齿轮37一同容纳在齿轮保护套31内，并可相对于齿轮保护套31转动。中央通孔46内表面设置轴向台阶面，左右旋转被动齿轮37由台阶面支撑，从而不能够沿着中央通孔46的竖直方向移动。第二滚珠轴承33设置在左右旋转被动齿轮37下方，对其进行轴向定位。

如图8所示，颈部下支架32下方的中央通孔46内侧安装有一轴承挡板44，轴承挡板44上设置台阶面，将第三滚珠轴承47限制在中央通孔46内，使之不能沿中央通孔46的竖直方向移动。轴承挡板44下方还安装有左右限位板45，限位开关位于左右限位板45的一侧。当驱动左右旋转电机42的旋转时，左右旋转主动齿轮43带动左右旋转被动齿轮37转动，使得颈部上支架27、颈部下支架32、颈套28绕着轴线同步转动，来实现机器人的摇头动作。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种服务机器人头颈结构，其特征在于：它包括头部和颈部，其中所述头部包括前外壳、后外壳和头部支撑架组件，所述头部支撑架组件与前外壳固定，所述前外壳与后外壳对合连接，形成机器人仿生头部的外壳腔；所述前外壳的外表面设置触控显示屏、眉毛显示块、脸颊显示块和摄像头组件；所述头部支撑架组件包括支撑柱和矩形框架，所述支撑柱连接矩形框架的底边；

所述颈部包括外部组件、俯仰机构、左右旋转机构，其中所述外部组件包括依次连接的颈部支撑架、颈部上支架、颈部下支架、颈套；所述颈部支撑架的中部设置中央通孔；所述颈部上支架的下部与颈部下支架的上部通过联轴器连接；所述俯仰机构包括俯仰电机、联轴器、俯仰主动齿轮、俯仰被动齿轮、蜗轮、蜗杆；所述蜗轮设置在所述联轴器的销轴的中部，所述俯仰电机的转矩输出端连接俯仰主动齿轮，与所述俯仰主动齿轮啮合的俯仰被动齿轮连接蜗杆的下端，蜗杆的上端与蜗轮啮合；左右旋转机构包括左右旋转电机、左右旋转主动齿轮、左右旋转被动齿轮；所述左右旋转电机安装在所述颈部支撑架上，转矩输出端连接左右旋转主动齿轮；所述左右旋转主动齿轮与左右旋转被动齿轮啮合，所述左右旋转被动齿轮套接在所述颈套的外侧；

所述颈部支撑架还包含支撑平面、支撑立面，其中支撑立面和中央通孔垂直于支撑平面设置；所述颈套下部设置在中央通孔内，并可相对于所述中央通孔转动；所述支撑平面通过固定于机器人胸腔壳体的内部；所述颈部下支架下端安装有一轴承挡板，所述轴承挡板上设置台阶面，将第三滚珠轴承限制在中央通孔内；所述颈部上支架和颈部下支架之间的连接位置设置第一滚珠轴承；所述左右旋转被动齿轮下方设置第二滚珠轴承。

2.如权利要求1所述的一种服务机器人头颈结构，其特征在于：所述矩形框架的第一侧边与前外壳内表面连接，所述控制电路板设置在第一侧边与前外壳之间；电子眉毛显示组件、电子脸颊显示组件、摄像头组件分别设置在所述控制电路板上；所述后外壳内的上部设置感应组件；所述矩形框架内设置通风组件，矩形框架的第二侧边上设置射频天线，矩形框架的底边上设置麦克风组件。

3.如权利要求1所述的一种服务机器人头颈结构，其特征在于：所述摄像头组件的视频信号输出端、麦克风组件的语音命令信号输出端、感应组件的手势命令信号输出端、红外传感器的红外检测信号输出端分别连接控制电路板的信号输入端。

4.如权利要求1或2或3所述的一种服务机器人头颈结构，其特征在于：所述控制电路板的控制信号输出端分别连接运动姿态组件、触控显示屏、眉毛显示块和脸颊显示块的控制信号输入端。

5.如权利要求4所述的一种服务机器人头颈结构，其特征在于：所述控制电路板还可设置在后外壳内的感应组件下方。