CN109968368B - 一种机器人仿生眼部 - Google Patents
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Abstract
一种机器人仿生眼部，包括主框架、左眼球、右眼球以及眼球支架，左眼球和右眼球设在眼球支架上，眼球支架设在主框架的前端；还包括眼球水平转动机构和眼球竖向转动机构；眼球水平转动机构包括设在主框架上的等腰双摇杆机构，主框架上设有用于驱动等腰双摇杆机构转动的水平驱动单元，左眼球后端设有左驱动杆，右眼球后端设有右驱动杆，左驱动杆通过左连接件与等腰双摇杆机构的左摇杆相连接，右驱动杆通过右连接件与等腰双摇杆机构的右摇杆相连接；眼球竖向转动机构包括竖向驱动单元，竖向驱动单元通过驱动左驱动杆和右驱动杆上下移动而带动左眼球和右眼球上下转动。本发明降低了电机数量，使得眼球的转动更加真实和传神。
Description
技术领域
本发明涉及机器人仿生技术领域，具体涉及一种机器人仿生眼部。
背景技术
科学技术不断发展，在仿生领域也有着很大的进展，机器人从过去的只能做肢体动作发展到现在机器人也拥有丰富的额表情，机构设计也越来越微小，眼睛的转动是面部表情最不可缺少的一部分。
目前已有一种机械眼，以公开号为CN20516694的面部表情机器人眼部结构装置为例，该装置利用舵机驱动两组曲柄连杆结构分别来实现眼球在左右和上下四个自由度的转动。但是，其只能机机械僵硬的转动，缺少了人眼实际转动的外翻内翻角度不同的特点。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种机器人仿生眼部，可以实现眼球的内翻和外翻，更加仿生。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种机器人仿生眼部，包括主框架、左眼球、右眼球以及眼球支架，左眼球和右眼球设在眼球支架上，眼球支架设在主框架的前端；
还包括眼球水平转动机构和眼球竖向转动机构；眼球水平转动机构包括设在主框架上的等腰双摇杆机构，主框架上设有用于驱动等腰双摇杆机构转动的水平驱动单元，左眼球后端设有左驱动杆，右眼球后端设有右驱动杆，左驱动杆通过左连接件与等腰双摇杆机构的左摇杆相连接，右驱动杆通过右连接件与等腰双摇杆机构的右摇杆相连接；
眼球竖向转动机构包括竖向驱动单元，竖向驱动单元通过驱动左驱动杆和右驱动杆上下移动而带动左眼球和右眼球上下转动。
由上可知，本发明在较为紧凑的空间中完成眼球的两个自由度转动，同时也使两眼球两个自由度的转动分别同步进行，降低了电机数量；另外本发明利用等腰双摇杆机构的转动角度不同，在水平转动时使得左眼球和右眼球在同步水平转动时存在转动角度差，使得眼球的转动更加真实和传神。
作为本发明的一种改进，所述左眼球上设有左眼睑，右眼球上设有右眼睑，左眼睑和右眼睑的两端分别枢接在眼球支架上，主框架设有左眼睑驱动机构和右眼睑驱动机构，左眼睑驱动机构驱动左眼睑绕左眼球上下转动，右眼睑驱动机构驱动右眼睑绕右眼球上下转动。
作为本发明的一种改进，所述左眼睑驱动机构和右眼睑驱动机构分别包括扭簧、舵机和绳索，扭簧分别设在左眼睑和右眼睑的一端并给予左眼睑和右眼睑弹簧回复力，舵机固定在主框架上，左眼睑和右眼睑的一端分别设有绳索连接部，绳索一端与绳索连接部固定连接、另一端与舵机的输出轴连接，舵机通过牵拉绳索带动左眼睑和右眼睑发生转动。
作为本发明的一种改进，所述舵机的输出轴上设有转盘，绳索一端与绳索连接部固定连接、另一端与转盘外边缘固定连接。
作为本发明的一种改进，所述舵机与绳索连接部之间设有滑轮，滑轮设在主框架上，绳索的中部缠绕在滑轮上。
作为本发明的一种改进，所述眼球竖向转动机构包括竖向驱动单元和水平设置的伸缩杆，伸缩杆可自由伸缩地设在一支撑块上，伸缩杆左端与左驱动杆连接、右端与右驱动杆连接，竖向驱动单元驱动支撑块上下移动而带动左眼球和右眼球上下转动。
作为本发明的一种改进，所述左驱动杆包括左弧形杆和左连接块，左弧形杆上端与左眼球后端固定连接，左弧形杆下端与左连接块一端连接，左弧形杆下端通过左连接件与等腰双摇杆机构的左摇杆相连接，左连接块另一端与伸缩杆左端连接；所述右驱动杆包括右弧形杆和右连接块，右弧形杆上端与右眼球后端固定连接，右弧形杆下端与右连接块一端连接，右弧形杆下端通过右连接件与等腰双摇杆机构的右摇杆相连接，右连接块另一端与伸缩杆右端连接。
作为本发明的一种改进，所述支撑块的前端面上设有凹槽，所述伸缩杆置于凹槽内，所述伸缩杆包括左套块和右滑杆，所述左套块的右端面设有滑动孔，右滑杆的左端插装在滑动孔内，左套块在滑动孔侧壁上开有导向滑槽，右滑杆的左端上设有可沿导向滑槽滑动的滑块。
作为本发明的一种改进，所述竖向驱动单元包括由竖向电机驱动的丝杆以及设在丝杆上滑动螺母，支撑块固定连接在滑动螺母上。
作为本发明的一种改进，所述眼球支架包括通过螺栓相互可拆卸连接的前支架和后支架，前支架和后支架分别设在眼球的前侧和后侧，前支架和后支架分别包括支座，且支座两侧分别设有左眼眶和右眼眶，左眼球设在前支架和后支架的左眼眶上，右眼球设在前支架和后支架的右眼眶上，左眼睑两端分别枢接在左眼眶的两端，右眼睑两端分别枢接在右眼眶的两端。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在较为紧凑的空间中完成眼球的两个自由度转动，同时也使两眼球两个自由度的转动分别同步进行，降低了电机数量；另外本发明利用等腰双摇杆机构的转动角度不同，在水平转动时使得左眼球和右眼球在同步水平转动时存在转动角度差，使得眼球的转动更加真实和传神。
附图说明
图1为本发明机器人仿生眼部的立体图；
图2为图1的内部结构图；
图3为本发明机器人仿生眼部眼球水平转动机构的示意图；
图4为本发明机器人仿生眼部眼球竖向转动机构的示意图；
图5为图4的局部分解图；
图6为本发明机器人仿生眼部伸缩杆的示意图；
图7为本发明机器人仿生眼部左眼睑驱动机构和右眼睑驱动机构的示意图；
图8为本发明机器人仿生眼部眼球支架的示意图；
图9为本发明机器人仿生眼部主框架的示意图。
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的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例
请参考图1至图9，一种机器人仿生眼部，包括主框架100、左眼球220、右眼球230以及眼球支架210，左眼球220和右眼球230设在眼球支架210上，眼球支架210设在主框架100的前端；
还包括眼球水平转动机构和眼球竖向转动机构；
眼球水平转动机构包括设在主框架100上的等腰双摇杆机构300，主框架100上设有用于驱动等腰双摇杆机构300转动的水平驱动单元，左眼球220后端设有左驱动杆500，右眼球230后端设有右驱动杆600，左驱动杆500通过左连接件310与等腰双摇杆机构300的左摇杆301相连接，右驱动杆600通过右连接件320与等腰双摇杆机构300的右摇杆302相连接；
眼球竖向转动机构包括竖向驱动单元710，竖向驱动单元710通过驱动左驱动杆500和右驱动杆600上下移动而带动左眼球220和右眼球230上下转动。
由上可知，本发明在较为紧凑的空间中完成眼球的两个自由度转动，同时也使两眼球两个自由度的转动分别同步进行，即在水平面左右转动以及在垂直面上下转动，降低了电机数量；另外本发明利用等腰双摇杆机构的转动角度不同，在水平转动时使得左眼球和右眼球在同步水平转动时存在转动角度差，使得眼球的转动更加真实和传神。
其中，所述水平驱动单元包括步进电机410、一对同步带轮和连接一对同步带轮的同步带420，第一同步带轮420与步进电机410输出轴同轴连接，第二同步带轮430与等腰双摇杆机构300的左摇杆或右摇杆的一端通过传动轴传动连接，在实施例中，第二同步带轮430与等腰双摇杆机构300的左摇杆301的一端通过传动轴传动连接。
在本实施例中，所述等腰双摇杆机构300的左摇杆301和右摇杆302的外侧分别设有凸出部330，左驱动杆500通过左连接件310与等腰双摇杆机构300左摇杆301的凸出部330相连接，右驱动杆600通过右连接件320与等腰双摇杆机构300右摇杆320的凸出部330相连接。
在本实施例中，所述左眼球220上设有左眼睑221，右眼球230上设有右眼睑231，左眼睑221和右眼睑231的两端分别枢接在眼球支架210上，主框架100设有左眼睑驱动机构和右眼睑驱动机构，左眼睑驱动机构驱动左眼睑221绕左眼球220上下转动，右眼睑驱动机构驱动右眼睑231绕右眼球230上下转动。通过眼睑实现眼球的闭眼和开眼效果，令仿生更加真实传神。
在上述基础上，所述左眼睑驱动机构和右眼睑驱动机构分别包括扭簧850(950)、舵机810(910)和绳索820(920)，扭簧850(950)分别设在左眼睑221和右眼睑231的一端并给予左眼睑221和右眼睑231弹簧回复力，舵机810(910)固定在主框架100上，左眼睑221和右眼睑231的一端分别设有绳索连接部240，绳索820(920)一端与绳索连接部240固定连接、另一端与舵机810(910)的输出轴连接，舵机810(910)通过牵拉绳索820(920)带动左眼睑221和右眼睑230发生转动。利用舵机牵拉绳索带动左眼睑和右眼睑发生转动，而当舵机牵拉力撤销时，左眼睑和右眼睑在扭簧的作用下回复原位，从而实现左眼睑和右眼睑的闭眼和开眼动作。
本实施例在上述基础上作进一步改进，所述舵机810(910)的输出轴上设有转盘830(930)，绳索820(920)一端与绳索连接部240固定连接、另一端与转盘830(930)外边缘固定连接。利用转盘的外边缘将绳索牵拉缠绕，可以减少转动圈数及时间，提高眼睑转动反应效率。
另外，所述舵机810(910)与绳索连接部240之间设有滑轮840(940)，滑轮840(940)设在主框架100上，绳索820(920)的中部缠绕在滑轮840(940)上。利用滑轮可以平衡牵拉过程，使得舵机牵拉绳索时更加平稳。另外绳索采用钢丝绳。
眼球竖向转动机构的竖向驱动单元可以采用单独驱动左驱动杆和右驱动杆方式，而实现左眼球和右眼球上下转动，例如竖向驱动单元为气缸时可以即可实现上述驱动方式。而在本实施例中，采用同时驱动左驱动杆和右驱动杆方式，也即是，所述眼球竖向转动机构包括竖向驱动单元710和水平设置的伸缩杆720，伸缩杆720可自由伸缩地设在一支撑块730上，伸缩杆720左端与左驱动杆500连接、右端与右驱动杆600连接，竖向驱动单元710驱动支撑块730上下移动而带动左眼球220和右眼球230上下转动。由于左驱动杆和右驱动杆分别与等腰双摇杆机构摇杆连接而实现眼球水平转动，而为了实现同时驱动左驱动杆和右驱动杆方式，将左驱动杆和右驱动杆通过伸缩杆连接，则可以在不妨碍左驱动杆和右驱动杆在正常的水平摆动情况下，同时驱动左驱动杆和右驱动杆上下移动。
另外，所述左驱动杆500包括左弧形杆510和左连接块520，左弧形杆510上端与左眼球220后端固定连接，左弧形杆510下端与左连接块520一端连接，左弧形杆510下端通过左连接件310与等腰双摇杆机构300的左摇杆301相连接，左连接块520另一端与伸缩杆720左端连接；所述右驱动杆600包括右弧形杆610和右连接块620，右弧形杆610上端与右眼球230后端固定连接，右弧形杆610下端与右连接块620一端连接，右弧形杆610下端通过右连接件320与等腰双摇杆机构300的右摇杆302相连接，右连接块620另一端与伸缩杆720右端连接。具体地，左弧形杆下端通过左连接件与等腰双摇杆机构左摇杆的凸出部相连接，右弧形杆下端通过右连接件与等腰双摇杆机构右摇杆的凸出部相连接。
在本实施例中，所述支撑块730的前端面上设有凹槽731，所述伸缩杆720置于凹槽731内，所述伸缩杆720包括左套块721和右滑杆722，所述左套块721的右端面设有滑动孔723，右滑杆722的左端插装在滑动孔723内，左套块721在滑动孔723侧壁上开有导向滑槽725，右滑杆722的左端上设有可沿导向滑槽725滑动的滑块726。伸缩杆既可以在凹槽内自由移动，而且不会从凹槽滑脱，伸缩杆的左套块可以采用相互连接的上板和下板实现，上板和下板之间设有间隔作为滑动孔，上板和下板上开有导向滑槽即可使得右滑杆上的滑块沿导向滑槽滑动。
在本实施例中，所述竖向驱动单元710包括由竖向电机驱动的丝杆711以及设在丝杆711上滑动螺母712，支撑块730固定连接在滑动螺母712上。通过丝杆带动支撑块上下移动。
在本实施例中，所述眼球支架210包括通过螺栓相互可拆卸连接的前支架212和后支架211，前支架212和后支架211分别设在眼球的前侧和后侧，前支架212和后支架211分别包括支座213，且支座213两侧分别设有左眼眶214和右眼眶215，左眼球220设在前支架212和后支架211的左眼眶214上，右眼球230设在前支架212和后支架211的右眼眶215上，左眼睑221两端分别枢接在左眼眶214的两端，右眼睑231两端分别枢接在右眼眶215的两端。前支架和后支架分别从前侧和后侧夹持眼球再用螺栓相互连接，由于眼球的半圆面直径最大，因此既方便拆卸，又保证眼球稳定转动不会滑脱。另外左眼眶214内端与支座213之间设有左支轴216，右眼眶215内端与支座213之间设有右支轴217，左支轴216和右支轴217上分别枢接有扭簧850(950)，左眼睑221一端枢接在左支轴216上，左支轴216上扭簧850的两自由端分别支撑在左眼睑221一端与支座213之间，右眼睑231一端枢接在右支轴217上，右支轴217上扭簧950的两自由端分别支撑在右眼睑231一端与支座213之间。
在本实施例中，所述主框架100包括底板110和顶板130，底板110和顶板130的后端通过侧板120固定连接，等腰双摇杆机构300的机架303固定在底板110顶面的前端，眼球支架210的支座213固定连接在等腰双摇杆机构300的机架303顶面，水平驱动单元设在底板110的底面，所述左眼睑驱动机构和右眼睑驱动机构的舵机810(910)设在顶板130底面的后端，所述滑轮810(910)设在顶板底面的中部。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种机器人仿生眼部，其特征在于：包括主框架、左眼球、右眼球以及眼球支架，左眼球和右眼球设在眼球支架上，眼球支架设在主框架的前端；
还包括眼球水平转动机构和眼球竖向转动机构；眼球水平转动机构包括设在主框架上的等腰双摇杆机构，主框架上设有用于驱动等腰双摇杆机构转动的水平驱动单元，左眼球后端设有左驱动杆，右眼球后端设有右驱动杆，左驱动杆通过左连接件与等腰双摇杆机构的左摇杆相连接，右驱动杆通过右连接件与等腰双摇杆机构的右摇杆相连接；
眼球竖向转动机构包括竖向驱动单元，竖向驱动单元通过驱动左驱动杆和右驱动杆上下移动而带动左眼球和右眼球上下转动；
所述左眼球上设有左眼睑，右眼球上设有右眼睑，左眼睑和右眼睑的两端分别枢接在眼球支架上，主框架设有左眼睑驱动机构和右眼睑驱动机构，左眼睑驱动机构驱动左眼睑绕左眼球上下转动，右眼睑驱动机构驱动右眼睑绕右眼球上下转动；
所述眼球竖向转动机构包括竖向驱动单元和水平设置的伸缩杆，伸缩杆可自由伸缩地设在一支撑块上，伸缩杆左端与左驱动杆连接、右端与右驱动杆连接，竖向驱动单元驱动支撑块上下移动而带动左眼球和右眼球上下转动。
2.根据权利要求1所述的机器人仿生眼部，其特征在于：所述左眼睑驱动机构和右眼睑驱动机构分别包括扭簧、舵机和绳索，扭簧分别设在左眼睑和右眼睑的一端并给予左眼睑和右眼睑弹簧回复力，舵机固定在主框架上，左眼睑和右眼睑的一端分别设有绳索连接部，绳索一端与绳索连接部固定连接、另一端与舵机的输出轴连接，舵机通过牵拉绳索带动左眼睑和右眼睑发生转动。
3.根据权利要求2所述的机器人仿生眼部，其特征在于：所述舵机的输出轴上设有转盘，绳索一端与绳索连接部固定连接、另一端与转盘外边缘固定连接。
4.根据权利要求2所述的机器人仿生眼部，其特征在于：所述舵机与绳索连接部之间设有滑轮，滑轮设在主框架上，绳索的中部缠绕在滑轮上。
5.根据权利要求1所述的机器人仿生眼部，其特征在于：所述左驱动杆包括左弧形杆和左连接块，左弧形杆上端与左眼球后端固定连接，左弧形杆下端与左连接块一端连接，左弧形杆下端通过左连接件与等腰双摇杆机构的左摇杆相连接，左连接块另一端与伸缩杆左端连接；所述右驱动杆包括右弧形杆和右连接块，右弧形杆上端与右眼球后端固定连接，右弧形杆下端与右连接块一端连接，右弧形杆下端通过右连接件与等腰双摇杆机构的右摇杆相连接，右连接块另一端与伸缩杆右端连接。
6.根据权利要求1所述的机器人仿生眼部，其特征在于：所述支撑块的前端面上设有凹槽，所述伸缩杆置于凹槽内，所述伸缩杆包括左套块和右滑杆，所述左套块的右端面设有滑动孔，右滑杆的左端插装在滑动孔内，左套块在滑动孔侧壁上开有导向滑槽，右滑杆的左端上设有可沿导向滑槽滑动的滑块。
7.根据权利要求1所述的机器人仿生眼部，其特征在于：所述竖向驱动单元包括由竖向电机驱动的丝杆以及设在丝杆上滑动螺母，支撑块固定连接在滑动螺母上。
8.根据权利要求1所述的机器人仿生眼部，其特征在于：所述眼球支架包括通过螺栓相互可拆卸连接的前支架和后支架，前支架和后支架分别设在眼球的前侧和后侧，前支架和后支架分别包括支座，且支座两侧分别设有左眼眶和右眼眶，左眼球设在前支架和后支架的左眼眶上，右眼球设在前支架和后支架的右眼眶上，左眼睑两端分别枢接在左眼眶的两端，右眼睑两端分别枢接在右眼眶的两端。
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- 2019-04-03 CN CN201910267256.1A patent/CN109968368B/zh active Active
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