CN115338887A - 一种三自由度仿人机器人头部系统 - Google Patents
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Abstract
一种三自由度仿人机器人头部系统,它包含旋转关节、俯仰关节、偏摆关节、相机和头部外壳;俯仰关节和偏摆关节布置在头部外壳内,俯仰关节的固定部布置在旋转关节的输出端上,偏摆关节的固定部布置在俯仰关节的输出端上,头部外壳和相机均安装在偏摆关节的输出端上,头部外壳上设置有观察口,相机的镜头正对观察口。本发明结构紧凑,模块化设计,通用性好,三自由度头部系统提高了仿人机器人头部的运动灵活性及可操作性,易于集成到仿人机器人平台上。
Description
技术领域
本发明属于仿人机器人技术领域,具体涉及一种三自由度仿人机器人头部系统。
背景技术
仿人机器人是一类具有仿人外观、且能够模仿人类形态与行为的高智能、高灵活性的机器人,一般包含机器人头、臂、手、腰、足等关键组成部分,具有与人类相似的感知、决策、行为和交互能力,是机器人领域中的主要研究方向之一。仿人机器人头部系统作为仿人机器人中的重要组成部分,其通过搭载视觉传感器具备与人类相似的视觉感知能力,从而能够实现人类头部的一些基本动作,如目标识别、目标注视、目标跟踪等。目前的仿人机器人头部大多为只包含旋转和俯仰的二自由度结构,存在运动灵活性不足的问题。除此之外,目前仿人机器人头部还普遍存在结构复杂、体积较大和成本高的问题。
发明内容三自由度仿人机器人头部系统
本发明为克服现有技术的不足,提供一种三自由度仿人机器人头部系统,该头部系统结构紧凑、灵活性高和可操作性强。
一种仿人机器人头部系统包含旋转关节、俯仰关节、偏摆关节、相机和头部外壳;俯仰关节和偏摆关节布置在头部外壳内,俯仰关节的固定部布置在旋转关节的输出端上,偏摆关节的固定部布置在俯仰关节的输出端上,头部外壳和相机均安装在偏摆关节的输出端上,头部外壳上设置有观察口,相机的镜头正对观察口。
进一步地,所述相机为RGB-D相机。
本发明相比现有技术的有益效果是:
本发明采用了旋转、俯仰和偏摆三个自由度,提高了仿人机器人头部的运动灵活性及可操作性,使其更加仿人化;本发明设计的仿人机器人头部系统通过串联模块化关节模组构成,结构紧凑、拆装方便,且易于进行运动学建模与控制;本发明采用的模块化关节模组采用带有编码器反馈的伺服电机驱动方式,易于实现高速度、高精度的关节控制,满足敏捷性头部追踪动作的要求;本发明采用的相机为RGB-D相机,可以同时采集二维彩色图像与深度图像,通过自带图像处理算法可以进行目标识别、目标位姿检测、目标跟踪等任务,为仿人机器人系统提供更加丰富的环境信息。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明:
附图说明
图1为本发明仿人机器人头部系统的立体图;
图2为去掉头部外壳后的立体图;
图3为本发明的整体结构爆炸图;
图4为本发明的俯仰关节的安装座的结构示意图;
图5为本发明的偏摆关节的安装座的结构示意图;
图6为本发明的仿人机器人头部系统控制过程示意图。
其中,1、安装基座,2、模块化关节模组C,3、安装座F,4、模块化关节模组D,5、俯仰关节座,6、安装座H,7、模块化关节模组E,8、偏摆关节座,9、相机安装座,10、相机,11、头部外壳,12、上位机,13、控制器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,因此只作为示例,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1和图2所示,本实施方式的一种三自由度仿人机器人头部系统包含旋转关节A、俯仰关节B、偏摆关节C、相机10和头部外壳11;俯仰关节B和偏摆关节C布置在头部外壳11内,俯仰关节B的固定部布置在旋转关节A的输出端上,偏摆关节C的固定部布置在俯仰关节B的输出端上,头部外壳11和相机10均安装在偏摆关节C的输出端上,头部外壳11上设置有观察口,相机10的镜头正对观察口。
如图3所示,旋转关节A包含安装基座1和模块化关节驱动模组C2;模块化关节模组C2布置在安装基座1内,模块化关节模组C2的固定部安装在安装基座1上,俯仰关节B的固定部安装在模块化关节驱动模组C2的输出端上。
进一步地,所述俯仰关节B包含安装座F3、模块化关节模组D4和俯仰关节座5;安装座F3固定在旋转关节A的输出端上,模块化关节模组D4的固定部安装在安装座F3上,俯仰关节座5安装在模块化关节模组D4的输出端上。
进一步地,所述偏摆关节C包含安装座H6、模块化关节模组E7和偏摆关节座8;安装座H6固定在俯仰关节B的输出端上,模块化关节模组E7的固定部安装在安装座H6上,偏摆关节座8固定在模块化关节模组E7的输出端上,相机安装座9固定在偏摆关节座8上,头部外壳11和相机10均固定在相机安装座9上。
可选地,如图3-图5所示,上述中模块化关节模组C2的输出端通过螺钉固连在俯仰关节的固定部上,安装基座1与模块化关节模组C2的固定部之间设置轴孔配合精度,模块化关节模组C2的固定部与输出端安装面之间有同轴精度,模块化关节模组C2的输出端与安装座F3之间设置轴孔配合精度;
模块化关节模组D4的固定部通过螺钉安装在安装座F3上,模块化关节模组D4的输出端通过螺钉固连在俯仰关节座5上,安装座F3与模块化关节模组D4的固定部之间设置轴孔配合精度,模块化关节模组D4的固定部与输出端安装面之间有同轴精度,模块化关节模组D4的输出端与俯仰关节座5之间设置轴孔配合精度。
安装座H6与模块化关节模组E7的固定部之间设置轴孔配合精度,模块化关节模组E7的固定部与输出端安装面之间有同轴精度,模块化关节模组E7的输出端与偏摆关节座8之间设置轴孔配合精度。
作为一种可能的实施方式,上述的模块化关节模组C2、模块化关节模组D4、模块化关节模组E7均包含电机、减速器、编码器和制动器,
对于模块化关节模组C2:包含电机、减速器、编码器和制动器;减速器的输入端安装在电机的输出端上,俯仰关节B的固定部安装在减速器的输出端上,编码器安装在电机的输出端上,制动器的齿轮套与电机的输出轴相连,制动器的磁扼固定在电机外壳上。
对于模块化关节模组D4:包含电机、减速器、编码器和制动器;
减速器的输入端安装在电机的输出端上,偏摆关节C的固定部安装在减速器的输出端上,编码器安装在电机的输出端上,制动器的齿轮套与电机的输出轴相连,制动器的磁扼固定在电机外壳上。
对于所述模块化关节模组E7:包含电机、减速器、编码器和制动器;减速器的输入端安装在电机的输出端上,相机10应该是经过相机安装座9、和偏摆关节座8安装在减速器的输出端,编码器安装在电机的输出端上,制动器的齿轮套与电机的输出轴相连,制动器的磁扼固定在电机外壳上。
优选地,所有的电机采用无框力矩电机,此种电机体积小、精度高,转子是中空,易走线。所有的减速器安装在无框力矩电机的转子输出轴。
上述中通过电机和减速器带动相应的模块化关节模组输出端的旋转,编码器反馈模块化关节模组实时位置,制动器为仿人机器人头部系统提供断电位置保护。本实施方式的三自由度头部系统提高了仿人机器人头部的运动灵活性及可操作性,使其更加仿人化;采用电机+减速器+编码器+制动器集成于一体的模块化关节模组,结构简单,拆装方便,更容易进行模块化生产,且关节模组内采用了制动器,可实现关节头部的断电保护,避免了因断电后头部的坍塌引起的头部结构、双目相机损伤及精度破坏。
较佳地,所述相机10为RGB-D相机,如图3所示,相机10通过螺钉固定在相机安装座9上,相机安装座9安装在偏摆关节座8上,仿人头部外壳11通过螺钉固定在相机安装座9上,RGB-D相机可同时采集二维彩色图像与深度图像,可以进行目标识别、目标位姿检测、目标跟踪等任务,为仿人机器人系统提供更加丰富的环境信息。
优选地,所述旋转关节A的旋转范围为±90°,俯仰关节B的俯仰范围为-35°-50°。偏摆关节C的偏摆范围为±35°。相比现有技术(例如CN202805199U,实现了旋转、偏摆和俯仰运动的三自由度头部,但其结构复杂),而本实施方式采用模块化关节模组,拆装方便;该对比文献由于万向节的限制,其点头自由度最大角度为±20°、摆头自由度最大角度为±20°,工作空间范围小,而本实施方式采用模块化关节模组,结构简单,头部工作范围仅需考虑头部结构干涉情况,可实现摇头(旋转)±90°、点头(俯仰)-35°~50°、摆头(偏摆)±35°,与人类头部活动范围相似。
作为一种可能的实施方式,如图1和图6所示,仿人机器人头部系统还包含上位机12和控制器13,上位机12处理来自相机10的视觉图像信息,并将运动命令传输至控制器13,所述控制器13根据接收到的运动命令控制模块化关节模组C2、模块化关节模组D4和模块化关节模组E7执行相应的动作。
工作原理:控制器13(例如运动控制)控制模块化关节模组C2运动,其输出端与安装座F3固连,从而带动安装座F3、模块化关节模组D4、俯仰关节座5、安装座H6、模块化关节模组E7、偏摆关节座8、相机安装座9、相机10和头部外壳11一起旋转,实现头部的旋转运动;运动控制器13控制模块化关节模组D4运动,其输出端与俯仰关节座5固连,从而带动俯仰关节座5、安装座H6、模块化关节模组E7、偏摆关节座8、相机安装座9、相机10和头部外壳11一起旋转,实现头部的俯仰运动;运动控制器13控制模块化关节模组E7运动,其输出端与偏摆关节座8固连,从而带动偏摆关节座8、相机安装座9、相机10和头部外壳11一起旋转,实现头部的偏摆运动,运动中,上位机12处理来自相机10的视觉图像信息,并将运动命令传输至控制器13,所述控制器13根据接收到的运动命令控制模块化关节模组C2、模块化关节模组D4和模块化关节模组E7执行相应的动作。
上述仿人机器人头部系统具有自由度高、结构简单、设计紧凑和易于控制的优点,是一种通用性的仿人机器人头部系统,能够轻松、简单的集成应用到仿人机器人平台上。
本发明已以较佳实施案例揭示如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例,均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:包含旋转关节(A)、俯仰关节(B)、偏摆关节(C)、相机(10)和头部外壳(11);俯仰关节(B)和偏摆关节(C)布置在头部外壳(11)内,俯仰关节(B)的固定部布置在旋转关节(A)的输出端上,偏摆关节(C)的固定部布置在俯仰关节(B)的输出端上,头部外壳(11)和相机(10)均安装在偏摆关节(C)的输出端上,头部外壳(11)上设置有观察口,相机(10)的镜头正对观察口。
2.根据权利要求1所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:所述旋转关节(A)包含安装基座(1)和模块化关节驱动模组(C2);
模块化关节模组(C2)布置在安装基座(1)内,模块化关节模组(C2)的固定部安装在安装基座(1)上,俯仰关节(B)的固定部安装在模块化关节驱动模组(C2)的输出端上。
3.根据权利要求1所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:所述俯仰关节(B)包含安装座(F3)、模块化关节模组(D4)和俯仰关节座(5);
安装座(F3)固定在旋转关节(A)的输出端上,模块化关节模组(D4)的固定部安装在安装座(F3)上,俯仰关节座(5)安装在模块化关节模组(D4)的输出端上。
4.根据权利要求1所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:所述偏摆关节(C)包含安装座(H6)、模块化关节模组(E7)和偏摆关节座(8);
安装座(H6)固定在俯仰关节(B)的输出端上,模块化关节模组(E7)的固定部安装在安装座(H6)上,偏摆关节座(8)固定在模块化关节模组(E7)的输出端上,相机安装座(9)固定在偏摆关节座(8)上,头部外壳(11)和相机(10)均固定在相机安装座(9)上。
5.根据权利要求2所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:所述模块化关节模组(C2)包含电机、减速器、编码器和制动器;
减速器的输入端安装在电机的输出端上,俯仰关节(B)的固定部安装在减速器的输出端上,编码器安装在电机的输出端上,制动器的齿轮套与电机的输出轴相连,制动器的磁扼固定在电机外壳上。
6.根据权利要求3所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:所述模块化关节模组(D4)包含电机、减速器、编码器和制动器;
减速器的输入端安装在电机的输出端上,偏摆关节(C)的固定部安装在减速器的输出端上,编码器安装在电机的输出端上,制动器的齿轮套与电机的输出轴相连,制动器的磁扼固定在电机外壳上。
7.根据权利要求4所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:所述模块化关节模组(E7)包含电机、减速器、编码器和制动器;
减速器的输入端安装在电机的输出端上,相机(10)安装在减速器的输出端上,编码器安装在电机的输出端上,制动器的齿轮套与电机的输出轴相连,制动器的磁扼固定在电机外壳上。
8.根据权利要求1所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:所述相机(10)为RGB-D相机。
9.根据权利要求1所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:所述旋转关节(A)的旋转范围为±90°,俯仰关节(B)的俯仰范围为-35°-50°。偏摆关节(C)的偏摆范围为±35°。
10.根据权利要求1所述一种三自由度仿人机器人头部系统,其特征在于:还包含上位机(12)和控制器(13),上位机(12)处理来自相机(10)的视觉图像信息,并将运动命令传输至控制器(13),所述控制器(13)根据接收到的运动命令控制模块化关节模组(C2)、模块化关节模组(D4)和模块化关节模组(E7)执行相应的动作。
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