CN108714902A - 仿人表情机器人头部结构及机器人头部控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例适用于机器人技术领域，提供了一种仿人表情机器人头部结构及机器人头部控制系统。仿人表情机器人头部结构包括头骨外壳、用于控制眉毛转动的上层机构、用于控制眼球及眼睑转动的中层机构、以及用于控制嘴巴张合与咧开及舌头吞吐的下层机构；上层机构、中层机构以及下层机构均安装于头骨外壳内，上层机构安装于中层机构的上端，中层机构的下端安装在下层机构的上端。机器人头部控制系统包括仿人表情机器人头部结构、用于负重表情决策的上位机以及用于负责控制仿人表情机器人头部结构工作的下位机。本发明结构设计紧凑，节省了空间，并且其自由度高、控制简单、造价低廉以及实用性强，能够广泛应用于产品的二次开发及人机交互研究。

Description

仿人表情机器人头部结构及机器人头部控制系统

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种仿人表情机器人头部结构及机器人头部控制系统。

背景技术

国内仿人表情机器人的研发工作在进入21世纪之后才陆续出现，以哈尔滨工业大学为代表，表情机器人研究在最近十几年发展迅速。仿人头机器人在能够做出基本表情的基础上具有人脸检测、语音情感识别与合成、情感行为决策等能力，能够通过机器视觉、语音交互、情感表达等方式与人进行有效地情感交互。

然而，现有的仿人表情机器人大多结构复杂，造价昂贵，并且控制复杂，其用于展示偏多，实际用途偏少，不具备实用性。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种仿人表情机器人头部结构及机器人头部控制系统，旨在解决现有技术中的仿人表情机器人结构复杂、造价昂贵以及实用性不强的问题。

本发明实施例是这样实现的，提供一种仿人表情机器人头部结构，其包括具有嘴巴的头骨外壳、用于控制眉毛转动的上层机构、用于控制眼球及眼睑转动的中层机构、以及用于控制嘴巴张合与咧开及舌头吞吐的下层机构；

所述上层机构、中层机构以及下层机构均安装于所述头骨外壳内，所述上层机构安装于所述中层机构的上端，所述中层机构的下端安装在所述下层机构的上端；

所述中层机构包括中层支撑架、眼球、上眼睑、下眼睑、第一控制机构、第二控制机构以及第三控制机构；所述上眼睑与下眼睑均可转动地连接于所述中层支撑架的前端，所述第三控制机构的驱动端驱动所述上眼睑与下眼睑相互闭合与张开，所述眼球置于所述上眼睑与下眼睑构成的空间内，所述第二控制机构的驱动端驱动所述眼球上下转动，所述第一控制机构的驱动端驱动所述眼球左右转动。

进一步地，所述第一控制机构包括第一舵机和第一连杆，所述第一舵机安装于所述中层支撑架上，所述第一舵机的舵机臂与所述第一连杆的一端球铰连接，所述第一连杆的另一端与所述眼球的内部侧端球铰连接。

进一步地，所述第二控制机构包括第二舵机和第二连杆，所述第二舵机安装于所述中层支撑架上，所述第二舵机的舵机臂与所述第二连杆的一端球铰连接，所述第二连杆的另一端与所述眼球的内部上端球铰连接。

进一步地，所述第三控制机构包括第三舵机、上眼睑连杆以及下眼睑连杆，所述第三舵机安装于所述中层支撑架上，所述第三舵机的舵机臂均与所述上眼睑连杆及下眼睑连杆的一端球铰连接，所述上眼睑连杆的另一端与所述上眼睑的外部侧端球铰连接，所述下眼睑连杆的另一端与所述下眼睑的外部侧端铰连接。

进一步地，所述眼球的内侧中部通过万向节可转动地连接于所述中层支撑架上。

进一步地，所述上层机构包括上层支撑架、眉毛控制舵机以及眉毛转动件，所述上层支撑架安装在所述中层支撑架上端，所述眉毛控制舵机安装在所述上层支撑架上，所述眉毛控制舵机的输出端与所述眉毛转动件连接。

进一步地，所述下层机构包括下层支撑架、嘴巴张合控制舵机、两个嘴巴咧开件、两个嘴巴裂开控制舵机、舌头件、舌头连杆组件以及舌头吞吐控制舵机；

所述下层支撑架安装在所述中层支撑架下端，所述嘴巴张合控制舵机、两个嘴巴裂开控制舵机以及舌头吞吐控制舵机均安装在所述下层支撑架下端，所述的两个嘴巴裂开控制舵机分别位于所述下层支撑架的前端两侧，并且所述的两个嘴巴裂开控制舵机的输出端均与所述嘴巴咧开件连接，所述舌头件的一端可移动地穿过所述下层支撑架后，并与所述舌头连杆组件的一端转动连接，所述舌头连杆组件的另一端与所述舌头吞吐控制舵机传动连接；

所述头骨外壳包括上部头骨和下巴，所述下巴通过销轴与所述上部头骨转动连接，并由所述嘴巴张合控制舵机的舵机臂控制所述下巴转动。

进一步地，所述舌头连杆组件包括第一驱动杆和第二驱动杆，所述第一驱动杆的一端与所述舌头吞吐控制舵机的舵机臂转动连接，所述第一驱动杆的另一端与所述第二驱动杆的一端转动连接，所述第二驱动杆的另一端与所述舌头件转动连接。

进一步地，所述仿人表情机器人头部结构还包括硅胶面皮，所述硅胶面皮通过胶水粘接在所述头骨外壳的外表层。

本发明实施例还提供了一种机器人头部控制系统，该机器人头部控制系统包括上述的仿人表情机器人头部结构、用于负重表情决策的上位机以及用于负责控制所述仿人表情机器人头部结构工作的下位机；

所述上位机接收外部声音及图像信息并传输至所述下位机，所述下位机根据接收的声音及图像信息控制所述仿人表情机器人头部结构进行相应表情动作。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的仿人表情机器人头部结构包括上层机构、中层机构以及下层机构，上层机构用于控制控制眉毛转动，中层机构包括第一、第二及第三控制机构，其分别用于控制眼球左右转动、眼球上下转动以及上眼睑与下眼睑相互闭合与张开，下层机构用于控制嘴巴张合与咧开及舌头吞吐。该仿人表情机器人头部结构设计紧凑，节省了空间，并且其自由度高、控制简单、造价低廉以及实用性强，能够广泛应用于产品的二次开发及人机交互研究。

附图说明

图1是本发明实施例提供的仿人表情机器人头部结构分解结构示意图；

图2是图1中的上层机构、中层机构及下层机构的分解结构示意图；

图3是图2中的上层机构的结构示意图；

图4是图2中的中层机构的结构示意图；

图5是图4所示的中层机构另一角度的结构示意图；

图6是图2中的下层机构的结构示意图；

图7是图6所示的下层结构另一角度的结构示意图；

图8是本发明实施例的机器人头部控制系统流程示意图。

在附图中，各附图标记表示：

1、头骨外壳；11、上部头骨；12、下巴；2、硅胶面皮；3、上层机构；4、中层机构；5、下层机构；6、上位机；7、下位机；31、上层支撑架；32、眉毛控制舵机；33、眉毛转动件；41、中层支撑架；42、眼球；43、上眼睑；44、下眼睑；45、第一控制机构；451、第一舵机；452、第一连杆；46、第二控制机构；461、第二舵机；462、第二连杆；47、第三控制机构；471、第三舵机；472、上眼睑连杆；473、下眼睑连杆；48、万向节；51、下层支撑架；52、嘴巴张合控制舵机；53、嘴巴咧开件；54、两个嘴巴裂开控制舵机；55、舌头件；56、舌头连杆组件；57、舌头吞吐控制舵机；561、第一驱动杆；562、第二驱动杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1与图2所示，是本发明实施例提供的一种仿人表情机器人头部结构。该仿人表情机器人头部结构包括具有嘴巴可开合的头骨外壳1、硅胶面皮2、上层机构3、中层机构4以及下层机构5。其中，上层机构3用于控制眉毛转动，中层机构4用于控制眼球及眼睑转动，下层机构5用于控制嘴巴张合与咧开及舌头吞吐。硅胶面皮2通过胶水粘接在头骨外壳1的外表层，上层机构3、中层机构4以及下层机构5均安装于头骨外壳1内，上层机构3安装于中层机构4的上端，中层机构4安装在下层机构5的上端，使上层机构3位于头骨外壳1内的上部，中层机构4位于头骨外壳1内的中部，下层机构5位于头骨外壳1的嘴巴处。

上述实施例中，请一同参阅图3所示，上层机构3包括上层支撑架31、眉毛控制舵机32以及眉毛转动件33。上层支撑架31安装在中层机构4的上端，眉毛控制舵机32安装在上层支撑架31上，眉毛控制舵机32的输出端与眉毛转动件33连接；具体地，在上层支撑架31上的左右两侧安装有两个相互对称的眉毛控制舵机32，通过眉毛控制舵机32驱动眉毛转动件33进行转动，以模仿人体的眉毛动作。

上述实施例中，请一同参阅图4与图5所示，中层机构4包括中层支撑架41、眼球42、上眼睑43、下眼睑44、第一控制机构45、第二控制机构46以及第三控制机构47；中层支撑架41安装在上层支撑架31的下端，上眼睑43与下眼睑44的两端通过销轴均可转动地连接于中层支撑架41的前端，第三控制机构47的驱动端驱动上眼睑43与下眼睑44相互闭合与张开，眼球42置于上眼睑43与下眼睑44构成的空间内，第二控制机构46的驱动端驱动眼球42上下转动，第一控制机构45的驱动端驱动眼球42左右转动。眼球42的内侧中部通过万向节48可转动地连接于中层支撑架41上，以辅助眼球42的转动。具体地，在中层支撑架41的左右两侧均安装有相互对称的眼球42、上眼睑43、下眼睑44、第一控制机构45、第二控制机构46以及第三控制机构47，通过第一控制机构45、第二控制机构46以及第三控制机构47分别相应地驱动眼球42左右转动、眼球42上下转动及上眼睑43与下眼睑44相互闭合与张开，以模仿人体的眼球及眼睑动作。

上述的第一控制机构45包括第一舵机451和第一连杆452，第一舵机451安装于中层支撑架41上，第一舵机451的舵机臂与第一连杆452的一端球铰连接，第一连杆452的另一端与眼球42的内部侧端球铰连接；具体地，在第一舵机451的舵机臂上设置有一个球体件，在眼球42的内部侧端中部位置设置有一个球体件，第一连杆452的一端可转动地套设在第一舵机451的舵机臂上的球体件上，第一连杆452的另一端可转动地套设在眼球42的内部侧端中部位置的球体件上，从而能够通过第一舵机451的舵机臂驱动第一连杆452带动眼球42进行左右转动。

上述的第二控制机构46包括第二舵机461和第二连杆462，第二舵机461安装于中层支撑架41上，第二舵机461的舵机臂与第二连杆462的一端球铰连接，第二连杆462的另一端与眼球42的内部上端球铰连接。具体地，在第二舵机461的舵机臂上设置有一个球体件，在眼球42的内部上端中部位置设置有一个球体件，第二连杆462的一端可转动地套设在第二舵机461的舵机臂上的球体件上，第二连杆462的另一端可转动地套设在眼球42的内部上端中部位置的球体件上，从而能够通过第二舵机461的舵机臂驱动第二连杆462带动眼球42进行上下转动。

上述的第三控制机构47包括第三舵机471、上眼睑连杆472以及下眼睑连杆473，第三舵机471安装于中层支撑架41上，第三舵机471的舵机臂均与上眼睑连杆472及下眼睑连杆473的一端球铰连接，上眼睑连杆472的另一端与上眼睑43的外部侧端球铰连接，下眼睑连杆473的另一端与下眼睑44的外部侧端铰连接。具体地，在第三舵机471的舵机臂上设置有两个间隔的球体件，在上眼睑43的外部侧端位置设置有一个球体件，在下眼睑44的外部侧端位置设置有一个球体件。上眼睑连杆472的一端可转动地套设在第三舵机471的舵机臂上的其中一个球体件上，上眼睑连杆472的另一端可转动地套设在上眼睑43的外部侧端位置的球体件上；下眼睑连杆473的一端可转动地套设在第三舵机471的舵机臂上的另一个球体件上，下眼睑连杆473的另一端可转动地套设在下眼睑44的外部侧端位置的球体件上，从而能够通过第三舵机471的舵机臂驱动上眼睑连杆472及下眼睑连杆473分别带动上眼睑43与下眼睑44同时转动，使上眼睑43与下眼睑44相互闭合与张开。

上述实施例中，请一同参阅图6与图7所示，下层机构5包括下层支撑架51、嘴巴张合控制舵机52、两个嘴巴咧开件53、两个嘴巴裂开控制舵机54、舌头件55、舌头连杆组件56以及舌头吞吐控制舵机57。其中，下层支撑架51安装在中层支撑架41下端，嘴巴张合控制舵机52、两个嘴巴裂开控制舵机54以及舌头吞吐控制舵机57均安装在下层支撑架51下端，两个嘴巴裂开控制舵机54分别位于下层支撑架51的前端两侧，并且两个嘴巴裂开控制舵机54的输出端均与嘴巴咧开件53连接，通过两个嘴巴裂开控制舵机54分别驱动两个嘴巴咧开件53相互咧开，以模仿人体的嘴巴咧开动作。舌头件55的一端可移动地穿过下层支撑架51后，并与舌头连杆组件56的一端转动连接，舌头连杆组件56的另一端与舌头吞吐控制舵机57传动连接，通过舌头吞吐控制舵机57驱动舌头连杆组件56带动舌头件55进行吞吐动作，以模仿人体的舌头动作。

上述的头骨外壳1包括上部头骨11和下巴12，下巴12通过销轴与上部头骨11转动连接，并由嘴巴张合控制舵机52的舵机臂520控制下巴12转动，使下巴12能够与上部头骨11相互闭合，从而控制头骨外壳1的嘴巴张合，以模仿人体的嘴巴动作。

上述的舌头连杆组件56包括第一驱动杆561和第二驱动杆562，第一驱动杆561的一端与舌头吞吐控制舵机57的舵机臂转动连接，第一驱动杆561的另一端与第二驱动杆562的一端转动连接，第二驱动杆562的另一端与穿过下层支撑架51的舌头件55一端转动连接，使舌头件55、第一驱动杆561、第二驱动杆562、舌头吞吐控制舵机57的舵机臂以及下层支撑架51构成一个曲柄滑块机构，便于舌头吞吐控制舵机57控制舌头件55进行吞吐动作。

上述的仿人表情机器人头部结构设计紧凑，节省了空间，并且其自由度高、控制简单、造价低廉以及实用性强，能够广泛应用于产品的二次开发及人机交互研究。

如图8所示，本发明实施例还提供了一种机器人头部控制系统，该机器人头部控制系统包括上述的仿人表情机器人头部结构、用于负重表情决策的上位机6以及用于负责控制仿人表情机器人头部结构工作的下位机7。上位机6接收外部声音及图像等信息并传输至下位机7，下位机7根据接收的声音及图像信息控制仿人表情机器人头部结构进行相应表情动作，以实现人机交互。

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原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人表情机器人头部结构，其特征在于，包括具有嘴巴的头骨外壳、用于控制眉毛转动的上层机构、用于控制眼球及眼睑转动的中层机构、以及用于控制嘴巴张合与咧开及舌头吞吐的下层机构；

所述上层机构、中层机构以及下层机构均安装于所述头骨外壳内，所述上层机构安装于所述中层机构的上端，所述中层机构的下端安装在所述下层机构的上端；

所述中层机构包括中层支撑架、眼球、上眼睑、下眼睑、第一控制机构、第二控制机构以及第三控制机构；所述上眼睑与下眼睑均可转动地连接于所述中层支撑架的前端，所述第三控制机构的驱动端驱动所述上眼睑与下眼睑相互闭合与张开，所述眼球置于所述上眼睑与下眼睑构成的空间内，所述第二控制机构的驱动端驱动所述眼球上下转动，所述第一控制机构的驱动端驱动所述眼球左右转动。

2.如权利要求1所述的仿人表情机器人头部结构，其特征在于，所述第一控制机构包括第一舵机和第一连杆，所述第一舵机安装于所述中层支撑架上，所述第一舵机的舵机臂与所述第一连杆的一端球铰连接，所述第一连杆的另一端与所述眼球的内部侧端球铰连接。

3.如权利要求1所述的仿人表情机器人头部结构，其特征在于，所述第二控制机构包括第二舵机和第二连杆，所述第二舵机安装于所述中层支撑架上，所述第二舵机的舵机臂与所述第二连杆的一端球铰连接，所述第二连杆的另一端与所述眼球的内部上端球铰连接。

4.如权利要求1所述的仿人表情机器人头部结构，其特征在于，所述第三控制机构包括第三舵机、上眼睑连杆以及下眼睑连杆，所述第三舵机安装于所述中层支撑架上，所述第三舵机的舵机臂均与所述上眼睑连杆及下眼睑连杆的一端球铰连接，所述上眼睑连杆的另一端与所述上眼睑的外部侧端球铰连接，所述下眼睑连杆的另一端与所述下眼睑的外部侧端铰连接。

5.如权利要求1所述的仿人表情机器人头部结构，其特征在于，所述眼球的内侧中部通过万向节可转动地连接于所述中层支撑架上。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的仿人表情机器人头部结构，其特征在于，所述上层机构包括上层支撑架、眉毛控制舵机以及眉毛转动件，所述上层支撑架安装在所述中层支撑架上端，所述眉毛控制舵机安装在所述上层支撑架上，所述眉毛控制舵机的输出端与所述眉毛转动件连接。

7.如权利要求1至5中任意一项所述的仿人表情机器人头部结构，其特征在于，所述下层机构包括下层支撑架、嘴巴张合控制舵机、两个嘴巴咧开件、两个嘴巴裂开控制舵机、舌头件、舌头连杆组件以及舌头吞吐控制舵机；

所述下层支撑架安装在所述中层支撑架下端，所述嘴巴张合控制舵机、两个嘴巴裂开控制舵机以及舌头吞吐控制舵机均安装在所述下层支撑架下端，所述的两个嘴巴裂开控制舵机分别位于所述下层支撑架的前端两侧，并且所述的两个嘴巴裂开控制舵机的输出端均与所述嘴巴咧开件连接，所述舌头件的一端可移动地穿过所述下层支撑架后，并与所述舌头连杆组件的一端转动连接，所述舌头连杆组件的另一端与所述舌头吞吐控制舵机传动连接；

所述头骨外壳包括上部头骨和下巴，所述下巴通过销轴与所述上部头骨转动连接，并由所述嘴巴张合控制舵机的舵机臂控制所述下巴转动。

8.如权利要求7所述的仿人表情机器人头部结构，其特征在于，所述舌头连杆组件包括第一驱动杆和第二驱动杆，所述第一驱动杆的一端与所述舌头吞吐控制舵机的舵机臂转动连接，所述第一驱动杆的另一端与所述第二驱动杆的一端转动连接，所述第二驱动杆的另一端与所述舌头件转动连接。

9.如权利要求1所述的仿人表情机器人头部结构，其特征在于，所述仿人表情机器人头部结构还包括硅胶面皮，所述硅胶面皮通过胶水粘接在所述头骨外壳的外表层。

10.一种机器人头部控制系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的仿人表情机器人头部结构、用于负重表情决策的上位机以及用于负责控制所述仿人表情机器人头部结构工作的下位机；

所述上位机接收外部声音及图像信息并传输至所述下位机，所述下位机根据接收的声音及图像信息控制所述仿人表情机器人头部结构进行相应表情动作。