CN107618044B - 一种用于仿人机器人的头眼协调运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于仿人机器人的头眼协调运动装置，由两个眼部运动机构、头形外壳和颈部运动机构组成；所述两个眼部运动机构安装在头形外壳的两个眼部位置，所述颈部运动机构安装在头形外壳的下方。本发明结构清晰紧凑，尺寸合理，动作协调，兼具刚性结构的强度和柔性结构的灵活性，能够实现眼部的正常运动以及抬头、低头、摇头、转头等头部运动。

Description

一种用于仿人机器人的头眼协调运动装置

技术领域

本发明涉及仿人机器人技术领域，特别地涉及一种用于仿人机器人的头眼协调运动装置。

背景技术

仿人机器人具有人的外形，能够效仿人体的运动功能、感知系统及社交能力，并能承袭人类的部分经验。属于服务机器人范畴，在外形和行为设计上模拟人类，是一种容易获得人类好感、亲近感并能满足情感认同的一种机器人。相较其他机器人，仿人机器人具有更大的适应性和灵活性，更适合在人类生活、工作的环境中与人类协同作业，或代替人类工作。它不仅可以在辐射、粉尘等复杂环境中代替人类作业，而且还将被广泛应用于多个领域，比如医疗、教育、娱乐、消防等。

仿人机器人头部系统是仿人机器人系统的一个重要组成部分。从外形看它是仿人机器人仿人程度最直观的标志，给人以亲切感，消除人与机器人之间的心理障碍，有助于提高其社交能力。从功能上来讲，机器人头部继承了听觉、视觉、嗅觉等功能，是仿人机器人认知外界环境、实现与人无障碍交流的重要感知系统。

目前所研究的仿人机器人头眼协调机构各种各样，有些研究成果已经达到比较高的水平，但由于头部内部结构复杂，价格昂贵，目前很难应用在实际服务机器人上。而市面上的各类仿人机器人头部运动灵活性差，或者只着重解决某一方面的问题。例如柔索驱动方式的颈部结构稳定性、刚行和准确度不够；正交多轴的颈部结构柔性不足，头眼结构运动空间易受束缚。总结来说，常常存在以下三方面的问题：一是结构复杂，价格昂贵；二是尺寸异常，不符合外形仿人的要求；三是结构存在缺陷，功能不全，应用十分不便。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于仿人机器人的头眼协调运动装置，基于仿生机理，该结构合理、紧凑，兼具刚性结构的强度和刚度以及柔性结构的灵活性，从而实现低头、抬头、摇头和转头等动作，并结合眼球运动来模拟人类的头眼协调运动。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于仿人机器人的头眼协调运动装置，由两个眼部运动机构、头形外壳和颈部运动机构组成；所述两个眼部运动机构安装在头形外壳的两个眼部位置，所述颈部运动机构安装在头形外壳的下方。

所述头形外壳由额部外壳和头部主体通过螺钉连接组成。

所述两个眼部运动机构结构相同，分别通过螺钉安装在头形外壳的两个眼部位置，其中眼部运动机构的眼部底板与头部主体通过螺钉连接，所述眼部底板上表面通过螺钉连接固定有一个步进电机和三块固定顶块，所述三块固定顶块用来承载轴承座，所述轴承座前侧固定有一左右扫视传感装置，所述步进电机的输出轴与连接轮轴连接，所述连接轮轴和张紧套座过盈配合，所述张紧套座通过两个轴承和轴承座连接，所述轴承上端有轴承端盖，所述张紧套座与左右扫视板之间通过螺钉连接；所述左右扫视板上表面安装有一个双轴步进电机，左电机轴通过轴承和左侧板连接，所述轴承外侧有一轴承端盖，右侧端盖与右侧板锁合，同时与右电机轴连接，作为驱动实现上下摆动，右电机轴与所述右侧端盖之间有轴承、轴承端盖，轴承座固定轴承的同时与双轴步进电机和左右扫视板连接，起到固定和承载作用；摄像头安装板外表面装有摄像头，所述摄像头安装板两侧分别与左侧板和右侧板连接；所述左右扫视板下表面安装有上下扫视传感装置。眼部运动机构可以分为上下扫视机构和左右扫视机构，使得摄像头能够进行上下左右方向的扫视。

所述颈部运动机构顶部是颈部活动板，颈部活动板下表面固定有异步电机，电机轴穿过颈部活动板与固定于头部主体上的法兰盘固定连接，从而实现头形外壳的左右转动；所述颈部运动机构后侧有一个十字万向节联轴器，所述十字万向节联轴器能够绕两个垂直的基准轴旋转，并通过上支撑杆、下支撑杆分别与颈部活动板和底板螺钉连接，模拟人的脊柱，起支撑作用；所述颈部运动机构前侧有两个相同的气缸装置，其中左侧气缸装置的推杆与颈部活动板之间依次连接有异形支撑件、球铰链、轴承端盖、轴承和轴承座，左侧气缸装置下方连接有一异形支撑件，异形支撑件与底板之间通过轴承端盖、轴承和轴承座连接；异形支撑件在起支撑连接作用的同时能够减少颈部的占用空间，起到美观拟人的作用；右侧气缸装置的连接与左侧气缸装置相同。

与现有技术对比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明装置采用异步电机和气缸推杆作为驱动，很好的提高了运动灵活性，能够实现眼部的正常运动以及抬头、低头、摇头、转头等头部运动，尤其是颈部运动机构，采用双气缸与万向节的结合兼具刚性结构的强度和刚度以及柔性机构的灵活性。本发明整体机构动作协调，通过头眼协调运动装置能够准确的实现人体头部的运动形态。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明头部结构的局部剖视图。

图3是本发明眼部机构的结构示意图。

图4是图3的局部分解图。

图5是图3的局部分解图。

图6是本发明颈部运动机构的分解图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

如图1和图2所示，一种用于仿人机器人的头眼协调运动装置，由两个眼部运动机构1，2、头形外壳3和颈部运动机构4组成；所述两个眼部运动机构1，2安装在头形外壳3的两个眼部位置，所述颈部运动机构4安装在头形外壳3的下方。所述头形外壳3由额部外壳3-1和头部主体3-2通过螺钉3-3连接组成。

如图3、图4和图5所示，所述两个眼部运动机构1，2结构相同，分别通过螺钉3-4安装在头形外壳3的两个眼部位置，其中眼部运动机构1的眼部底板1-1与头部主体3-2通过螺钉3-4连接，所述眼部底板1-1上表面通过螺钉连接固定有一个步进电机1-16和三块固定顶块1-14、1-15、1-25，所述三块固定顶块1-14、1-15、1-25用来承载轴承座1-17，所述轴承座1-17前侧固定有一左右扫视传感装置1-18，所述步进电机1-16的输出轴与连接轮轴1-24连接，所述连接轮轴1-24和张紧套座1-21过盈配合，所述张紧套座1-21通过两个轴承1-22、1-23和轴承座1-17连接，所述轴承1-22上端有轴承端盖1-20，所述张紧套座1-21与左右扫视板1-2之间通过螺钉连接；所述左右扫视板1-2上表面安装有一个双轴步进电机1-3，左电机轴通过轴承1-4和左侧板1-5连接，所述轴承1-4外侧有一轴承端盖1-6，右侧端盖1-13与右侧板1-12锁合，同时与右电机轴连接，作为驱动实现上下摆动，右电机轴与所述右侧端盖1-13之间有轴承1-9、轴承端盖1-11，轴承座1-10固定轴承1-9的同时与双轴步进电机1-3和左右扫视板1-2连接，起到固定和承载作用；摄像头安装板1-8外表面装有摄像头1-7，所述摄像头安装板1-8两侧分别与左侧板1-6和右侧板1-7连接；所述左右扫视板1-2下表面安装有上下扫视传感装置1-19。

如图6所示，所述颈部运动机构4顶部是颈部活动板4-15，颈部活动板4-15下表面固定有异步电机4-16，电机轴穿过颈部活动板4-15与固定于头部主体3-2上的法兰盘4-14固定连接，从而实现头形外壳3的左右转动；所述颈部运动机构4后侧有一个十字万向节联轴器4-18，所述十字万向节联轴器4-18能够绕两个垂直的基准轴旋转，并通过上支撑杆4-17、下支撑杆4-19分别与颈部活动板4-15和底板4-1螺钉连接，模拟人的脊柱，起支撑作用；所述颈部运动机构4前侧有两个相同的气缸装置4-6、4-7，其中左侧气缸装置4-6的推杆4-8与颈部活动板4-15之间依次连接有异形支撑件4-9、球铰链4-10、轴承端盖4-11、轴承4-12和轴承座4-13，左侧气缸装置4-6下方连接有一异形支撑件4-5，异形支撑件4-5与底板4-1之间通过轴承端盖4-4、轴承4-3和轴承座4-2连接；异形支撑件4-9、4-5在起支撑连接作用的同时能够减少颈部的占用空间，起到美观拟人的作用；右侧气缸装置4-7的连接与左侧气缸装置4-6相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和权利之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于仿人机器人的头眼协调运动装置，其特征在于，由两个眼部运动机构（1，2）、头形外壳（3）和颈部运动机构（4）组成；所述两个眼部运动机构（1，2）安装在头形外壳（3）的两个眼部位置，所述颈部运动机构（4）安装在头形外壳（3）的下方；

所述两个眼部运动机构（1，2）结构相同，分别通过螺钉（3-4）安装在头形外壳（3）的两个眼部位置，其中眼部运动机构（1）的眼部底板（1-1）与头部主体（3-2）通过螺钉（3-4）连接，所述眼部底板（1-1）上表面通过螺钉连接固定有一个步进电机（1-16）和三块固定顶块（1-14、1-15、1-25），所述三块固定顶块（1-14、1-15、1-25）用来承载轴承座（1-17），所述轴承座（1-17）前侧固定有一左右扫视传感装置（1-18），所述步进电机（1-16）的输出轴与连接轮轴（1-24）连接，所述连接轮轴（1-24）和张紧套座（1-21）过盈配合，所述张紧套座（1-21）通过两个轴承（1-22、1-23）和轴承座（1-17）连接，所述轴承（1-22）上端有轴承端盖（1-20），所述张紧套座（1-21）与左右扫视板（1-2）之间通过螺钉连接；所述左右扫视板（1-2）上表面安装有一个双轴步进电机（1-3），左电机轴通过轴承（1-4）和左侧板（1-5）连接，所述轴承（1-4）外侧有一轴承端盖（1-6），右侧端盖（1-13）与右侧板（1-12）锁合，同时与右电机轴连接，作为驱动实现上下摆动，右电机轴与所述右侧端盖（1-13）之间有轴承（1-9）、轴承端盖（1-11），轴承座（1-10）固定轴承（1-9）的同时与双轴步进电机（1-3）和左右扫视板（1-2）连接，起到固定和承载作用；摄像头安装板（1-8）外表面装有摄像头（1-7），所述摄像头安装板（1-8）两侧分别与左侧板（1-5）和右侧板（1-12）连接；所述左右扫视板（1-2）下表面安装有上下扫视传感装置（1-19）；

所述颈部运动机构（4）顶部是颈部活动板（4-15），颈部活动板（4-15）下表面固定有异步电机（4-16），电机轴穿过颈部活动板（4-15）与固定于头部主体（3-2）上的法兰盘（4-14）固定连接，从而实现头形外壳（3）的左右转动；所述颈部运动机构（4）后侧有一个十字万向节联轴器（4-18），所述十字万向节联轴器（4-18）能够绕两个垂直的基准轴旋转，并通过上支撑杆（4-17）、下支撑杆（4-19）分别与颈部活动板（4-15）和底板（4-1）螺钉连接，模拟人的脊柱，起支撑作用；所述颈部运动机构（4）前侧有两个相同的气缸装置（4-6、4-7），其中左侧气缸装置（4-6）的推杆（4-8）与颈部活动板（4-15）之间依次连接有异形支撑件（4-9）、球铰链（4-10）、轴承端盖（4-11）、轴承（4-12）和轴承座（4-13），左侧气缸装置（4-6）下方连接有一异形支撑件（4-5），异形支撑件（4-5）与底板（4-1）之间通过轴承端盖（4-4）、轴承（4-3）和轴承座（4-2）连接；异形支撑件（4-9、4-5）在起支撑连接作用的同时能够减少颈部的占用空间，起到美观拟人的作用；右侧气缸装置（4-7）的连接与左侧气缸装置（4-6）相同。

2.根据权利要求1所述的用于仿人机器人的头眼协调运动装置，其特征在于，所述头形外壳（3）由额部外壳（3-1）和头部主体（3-2）通过螺钉（3-3）连接组成。

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