CN109202936A - 一种两自由度服务机器人头部及服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度服务机器人头部，其中，所述具有两自由度服务机器人头部包括：摇头电机组件、点头电机组件、相机云台组件以及头部外壳，通过摇头电机组件和点头组件的设置，使机器人可以实现摇头和点头的动作；通过相机云台组件的设置，使机器人可以采集环境影像并根据环境影像驱动摇头电机组件和点头电机组件的动作；头部外壳的设置，使机器人具有拟人化的逼真外观，并可采集和播放语音，通过语音驱动摇头电机组件和点头电机组件的动作。本发明公开的一种两自由度服务机器人头部结构紧凑、人机交互效果好。

Description

一种两自由度服务机器人头部及服务机器人

技术领域

本发明涉及服务机器人领域，具体而言，涉及一种两自由度服务机器人头部。

背景技术

服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。服务机器人应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。

作为一种贴近人类生活的机器人，拟人化的设置是不可或缺的，头部是服务机器人拟人化最显著的特征之一，同时头部也是服务机器人各种传感设备的集中搭载平台。拟人化的机器人头部一般具有眼、鼻、嘴、耳、仿真皮肤等人体面部特征，在与人交互的过程中会给人带来以亲切感。更加先进的则不仅具有拟人的外观，还具有人体感官的生理功能，如视觉、嗅觉、味觉和听觉等。为完成点头、摇头或摆头动作，服务机器人头部下方的颈关节位置通常设置一至三个自由度。有的机器人头部还在嘴部或眼球处设置自由度，使得机器人可以完成转动眼球、张合嘴部等拟人动作。机器人头部的其他空间一般用来安装拾音器、扬声器、摄像头等传感器件以及伺服电机、驱动器等驱动部件。机器人头部设计的基本要求是结构紧凑、重量较轻、运动灵活。

现有的服务机器人中，大多数只能完成嘴部和眼睛的张合动作，只有少数服务机器人能做出点头和摇头的动作。同时，大多数服务机器人的动作是循环进行的，且不能识别环境的影像和语音，导致人机交互性差。

发明内容

为了克服现有技术中机器人头部不能点头和摇头、头部搭载的传感器感知范围受限以及人机交互不理想等缺陷，本发明提供了一种两自由度服务机器人头部，该两自由度服务机器人头部能做出点头和摇头动作，可使所搭载的传感器感知范围更大，人机交互效果更好，并可作为一种机器人人机交互标准模块应用在各类服务机器人上。

相应的，本发明实施例提供了一种两自由度服务机器人头部，所述两自由度服务机器人头部包括摇头电机组件、点头电机组件、相机云台组件和头部外壳：

所述摇头电机组件包括摇头电机组合件、摇头电机安装套筒以及摇头电机联轴器，所述摇头电机组合件通过滚动轴承与摇头电机安装套筒连接；所述摇头电机联轴器与所述摇头电机组合件的输出轴进行连接；

所述点头电机组件包括点头电机支撑板、点头电机轴座、点头电机组合件和点头电机联轴器，所述点头电机组合件与所述点头电机支撑板连接固定，所述点头电机联轴器与所述点头电机组合件的输出轴进行连接；所述点头电机轴座连接固定在点头电机支撑板上；

所述点头电机组件设置在摇头电机组件正上方且与摇头电机组件相连接，所述相机云台组件嵌入到中空的头部外壳内且作为一整体与点头电机组件相连接。

可选的实施方式，所述摇头电机组合件包括摇头电机光电编码器、摇头直流电机以及摇头电机行星减速器。

可选的实施方式，所述点头电机组合件包括点头电机光电编码器、点头直流电机以及点头电机行星减速器。

可选的实施方式，所述相机云台组件包括连接轴、连接板、相机云台支撑板、双目相机，所述连接轴一端通过滚动轴承与点头电机轴座连接，另一端与连接板连接固定；所述连接板的一端与联轴器连接固定，另一端与连接轴的轴座连接固定；所述相机云台支撑板嵌入到头部外壳内且与连接板连接固定；所述双目相机的主体部分放置在相机云台支撑板上，相机部分则嵌入到头部外壳的双目相机安装孔位中。

可选的实施方式，所述头部外壳包括左外壳、右外壳以及扬声器，所述头部外壳中的左外壳和右外壳通过卡扣卡紧且由螺钉加以固定；所述扬声器与左外壳和右外壳通过螺钉固定；所述左外壳和右外壳分别设置有双目相机安装孔位。

可选的实施方式，所述两自由度服务机器人头部下方设置有基座；所述基座包括躯干支架、脖子支架和摇头电机组件支撑板，所述脖子支架连接固定在所述躯干支架上，所述摇头电机组件支撑板连接固定在所述脖子支架上；所述摇头电机安装套筒连接固定在所述基座的摇头电机组件支撑板上；所述基座的躯干支架两侧设置有基座安装通孔。

可选的实施方式，所述摇头电机联轴器与所述点头电机支撑板连接固定，所述摇头电机组合件的动作通过摇头电机联轴器传递到点头电机组件、相机云台组件和头部外壳。

可选的实施方式，所述点头电机联轴器与所述连接板连接固定，所述连接板与相机云台支撑板连接固定，所述相机云台支撑板嵌入到头部外壳；所述点头电机组合件的动作通过点头电机联轴器传递到头部外壳上。

另外，本发明实施例还提供了一种服务机器人，包括上述任意一项所述两自由度服务机器人头部的服务机器人。

本发明提供了一种两自由度服务机器人头部，该两自由度服务机器人头部结构简单紧凑，各个部件连接合理，人机交互效果好。摇头电机组件和点头组件的设置，使两自由度服务机器人头部可以通过电机组件的动作实现摇头和点头这两个拟人化的动作；基座的设置，方便了两自由度服务机器人头部的安装与拆卸，且在摇头和点头动作时保持了整体结构的平衡。相机云台组件的设置，使两自由度服务机器人头部可以采集环境中的影像；头部外壳的设置，使机器人具有拟人化的逼真外观，并可采集和播放语音，通过语音驱动摇头电机组件和点头电机组件的动作，更符合服务机器人的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的两自由度服务机器人头部的三维结构爆炸视图；

图2是本发明实施例的两自由度服务机器人头部的局部剖视图；

图3是本发明实施例的基座的三维结构视图；

图4是本发明实施例的两自由度服务机器人头部摇头电机组件的三维结构视图；

图5是本发明实施例的两自由度服务机器人头部点头电机组件的三维结构视图；

图6是本发明实施例的两自由度服务机器人头部点头电机组件和相机云台组件组合的三维结构视图；

图7是本发明实施例的两自由度服务机器人头部的头部外壳的三维结构视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例中两自由度服务机器人头部的三维结构爆炸视图，图2是本发明实施例的两自由度服务机器人头部的局部剖视图。如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种两自由度服务机器人头部，该两自由度服务机器人头部包括摇头电机组件02、点头电机组件03、相机云台组件04以及头部外壳05。具体的，所述摇头电机组件02连接并驱动点头电机组件03，所述点头电机组件03连接并驱动所述相机云台组件04，所述头部外壳05为中空且罩在上述三个组件的外侧。

具体的，所述两自由度服务机器人头部下方设置有基座01，所述摇头电机组件02连接固定在所述基座01上。

图3是本发明实施例中基座的三维结构视图，所述基座01包括躯干支架011、脖子支架012和摇头电机组件支撑板013，脖子支架012连接固定在所述躯干支架011，摇头电机组件支撑板013连接固定在所述脖子支架012上。具体的，躯干支架011两侧上设置有便于将基座固定定位的基座安装通孔014；具体的，躯干支架011顶部设置有脖子支架安装孔位015，与脖子支架012上的孔位相对应，安装时可用螺栓结构将脖子支架012连接固定在躯干支架011上；具体的，摇头电机组件支撑板013两侧分别设置有支撑板安装卡座016，所述支撑板安装卡座016设置有通孔，与脖子支架上的孔位相对应，便于采用螺栓结构将摇头电机组件支撑板013连接固定在脖子支架012上；具体的，摇头电机组件支撑板013上设置有摇头电机安装套筒安装孔位017，摇头电机组件支撑板013对整个摇头电机组件02起到支撑和固定的作用。

图4是本发明实施例中两自由度服务机器人头部摇头电机组件的三维结构视图，所述摇头电机组件02包括摇头电机组合件2、摇头电机安装套筒024以及摇头电机联轴器025。其中，摇头电机组合件2包括摇头电机光电编码器021、摇头直流电机022以及摇头电机行星减速器023，三者同轴且在安装完成后连为一体组成摇头电机组合件2；摇头电机组合件2通过滚动轴承与摇头电机安装套筒024连接，具体的，摇头电机安装套筒024底部上设置有套筒安装通孔，与摇头电机安装套筒安装孔位017相对应，安装时可用螺钉等结构将摇头电机安装套筒024连接固定在摇头电机组件支撑板013上；具体的，摇头电机安装套筒024上设置有圆形通孔，与摇头电机联轴器025上的联轴器连接通孔相对应，安装时可用螺钉等结构将摇头电机联轴器025与摇头电机安装套筒024连接固定；摇头电机联轴器025与摇头电机组合件2的输出轴相连，具体的，摇头电机联轴器025一端与摇头电机安装套筒024连接，另一端则与点头电机支撑板031通过螺钉结构连接固定，摇头电机组件02的动作可通过上述结构传递到点头电机组件03、相机云台组件04和头部外壳这三个组件上，上述三个组件作为一个整体跟随摇头电机组件02的动作而运动。

图5是本发明实施例中两自由度服务机器人头部点头电机组件的三维结构视图，所述点头电机组件03包括点头电机支撑板031、点头电机轴座036、点头电机组合件3和点头电机联轴器035。其中，点头电机组合件3包括点头电机光电编码器032、点头直流电机033以及点头电机行星减速器034，三者同轴且在安装完成后连为一体组成点头电机组合件3。具体的，点头电机组合件3通过螺钉等结构与点头电机支撑板031连接固定；具体的，点头电机联轴器035的一端与点头电机组合件3的输出轴相连，另一端通过螺栓等结构连接固定在相机云台组件04的连接板042上；具体的，点头电机轴座036通过螺栓等结构连接固定在点头电机支撑板031上。

需要说明的是，光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。用光电元件测量，可以达到较高精度，能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。使用过程中，光电编码器将电机的速度、位置反馈给伺服驱动器或PLC，然后通过伺服驱动器或PLC对电机做出控制。

需要说明的是，行星减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。本发明实施例中，各个机构的动作不需要太高的转数而需要较大的转矩，因此行星减速器在降速同时提高输出扭矩，使机器人各个动作可以正常进行。

图6是本发明实施例中两自由度服务机器人头部点头电机组件和相机云台组件组合的三维结构视图，所述相机云台组件04包括连接轴041、连接板042、相机云台支撑板043、双目相机(图中未示出)。其中，连接轴041一端通过滚动轴承与点头电机轴座036连接，特别的，连接轴041与滚动轴承连接后，用卡簧045进行固定，防止连接轴041在运动过程中的轴向运动。连接轴041的另一端设置有连接轴轴座，连接轴轴座通过螺钉等结构与连接板042的一端连接固定。同时，连接板042的另一端通过螺栓等结构与点头电机联轴器035连接固定；具体的，相机云台支撑板043嵌入在头部外壳内，并与连接板042通过螺栓等结构连接固定；具体的，为了点头电机能够驱动头部外壳运动，相机云台支撑板下方延伸出两块竖板，所述竖板通过螺钉等结构与连接板042连接固定。通过连接板042两端和两块竖板的连接结构，可将点头电机组件03的动作传递到相机云台组件04和头部外壳上05，上述两个组件作为一个整体跟随点头电机组件03的动作而运动；具体的，双目相机的主体部分放置在相机云台支撑板043上，相机部分则嵌入到头部外壳预设的双目相机孔位054中，使相机有更广的视野和视角，更好地采集环境影像。

图7是本发明实施例中两自由度服务机器人头部的头部外壳的三维结构视图，所述头部外壳05包括左外壳051、右外壳052以及扬声器053。具体的，左外壳051与右外壳052通过卡扣卡紧且由螺钉加以固定，左外壳051和右外壳052组合成头部外壳，头部外壳的设计使点头和摇头动作更加形象逼真；头部外壳罩在摇头电机组件02、点头电机组件03和相机云台组件04上，对上述三个组件起到保护作用。具体的，扬声器053安装在头部外壳两侧，并通过螺栓等结构与头部外壳连接固定；具体的，头部外壳上预留有双目相机孔位054，便于将双目相机嵌入到头部外壳上。

本发明实施例中提供了一种两自由度服务机器人头部，在运行过程中，双目相机可对周围环境进行影像采集，采集完的图像经过图像识别处理后，将数据反馈到系统中，系统根据反馈的数据来驱动直流摇头电机023和直流点头电机033，以进行点头和摇头动作。同时，直流摇头电机023和直流点头电机033的动作数据由摇头电机光电编码器021和点头电机光电编码器032测得，然后反馈到系统中，系统根据光电编码器的数据，对直流摇头电机023和直流点头电机033进行驱动。

本发明实施例中提供的一种两自由度服务机器人头部，其基座、头部外壳材质可以为轻质铝合金或者塑料，有质量轻、强度好以及耐蚀性能好的特点。

另外，本发明实施例还提供了一种服务机器人，该服务机器人包含上述实施例中的任意一项两自由度服务机器人头部，机器人头部以下的其他部位不作具体限定。

本发明实施例提供了一种两自由度服务机器人头部，该两自由度服务机器人头部结构简单紧凑，各个部件连接合理，人机交互效果好。摇头电机组件和点头组件的设置，使两自由度服务机器人头部可以通过电机组件的动作实现摇头和点头这两个拟人化的动作；基座的设置，方便了两自由度服务机器人头部的安装与拆卸，且在摇头和点头动作时保持了整体结构的平衡。相机云台组件的设置，使两自由度服务机器人头部可以采集环境中的影像；头部外壳的设置，使机器人具有拟人化的逼真外观，并可采集和播放语音，通过语音驱动摇头电机组件和点头电机组件的动作，更符合服务机器人的要求。

以上对本发明实施例所提供的一种两自由度服务机器人头部及服务机器人进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述两自由度服务机器人头部包括摇头电机组件、点头电机组件、相机云台组件和头部外壳；

所述摇头电机组件包括摇头电机组合件、摇头电机安装套筒以及摇头电机联轴器，所述摇头电机组合件通过滚动轴承与摇头电机安装套筒连接；所述摇头电机联轴器与所述摇头电机组合件的输出轴进行连接；

所述点头电机组件包括点头电机支撑板、点头电机轴座、点头电机组合件和点头电机联轴器，所述点头电机组合件与所述点头电机支撑板连接固定，所述点头电机联轴器与所述点头电机组合件的输出轴进行连接；所述点头电机轴座连接固定在点头电机支撑板上；

所述点头电机组件设置在摇头电机组件正上方且与摇头电机组件相连接，所述相机云台组件嵌入到中空的头部外壳内且作为一整体与点头电机组件相连接。

2.根据权利要求1所述两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述摇头电机组合件包括摇头电机光电编码器、摇头直流电机以及摇头电机行星减速器；其中，摇头电机光电编码器为摇头电机组合件首端，摇头直流电机在摇头电机组合件的中间位置，摇头电机行星减速器为摇头电机组合件末端。

3.根据权利要求1所述两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述点头电机组合件包括点头电机光电编码器、点头直流电机以及点头电机行星减速器；其中，点头电机光电编码器为点头电机组合件首端，点头直流电机在点头电机组合件的中间位置，点头电机行星减速器为点头电机组合件末端。

4.根据权利要求1所述两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述相机云台组件包括连接轴、连接板、相机云台支撑板、双目相机，所述连接轴一端通过滚动轴承与点头电机轴座连接，另一端与连接板连接固定；所述连接板的一端与联轴器连接固定，另一端与连接轴的轴座连接固定；所述相机云台支撑板嵌入到头部外壳内且与连接板连接固定；所述双目相机的主体部分放置在相机云台支撑板上，相机部分则嵌入到头部外壳的双目相机安装孔位中。

5.根据权利要求1所述两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述头部外壳包括左外壳、右外壳以及扬声器，所述头部外壳中的左外壳和右外壳通过卡扣卡紧且由螺钉加以固定；所述扬声器有两个，分别设置在左外壳和右外壳上并通过螺钉固定；所述左外壳和右外壳分别设置有双目相机安装孔位。

6.根据权利要求1所述两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述两自由度服务机器人头部下方设置有基座；所述基座包括躯干支架、脖子支架和摇头电机组件支撑板，所述脖子支架连接固定在所述躯干支架上，所述摇头电机组件支撑板连接固定在所述脖子支架上；所述摇头电机安装套筒连接固定在所述基座的摇头电机组件支撑板上；所述基座的躯干支架两侧设置有基座安装通孔。

7.根据权利要求1所述两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述摇头电机联轴器与所述点头电机支撑板连接固定，所述摇头电机组合件的动作通过摇头电机联轴器传递到点头电机组件、相机云台组件和头部外壳。

8.根据权利要求4所述两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述点头电机联轴器与所述连接板连接固定，所述连接板与相机云台支撑板连接固定，所述相机云台支撑板嵌入到头部外壳；所述点头电机组合件的动作通过点头电机联轴器传递到头部外壳上。

9.根据权利要求1所述两自由度服务机器人头部，其特征在于，所述两自由度服务机器人头部的头部外壳材质为塑料。

10.一种服务机器人，其特征在于，包括权利要求1至9任意一项所述两自由度服务机器人头部的服务机器人。