CN115502991A - 仿生人头嘴脸单元的驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿生人头嘴脸单元的驱动机构，包括嘴角运动单元、嘴唇运动单元、脸颊运动单元以及舌头运动单元，舌头运动单元包括舌头安装框架、上齿、下齿、舌头、下颚和下颚安装框架，舌头由舌头驱动舵机驱动舌头驱动连杆拉动舌头拉杆来实现舌头做伸缩和上下运动，嘴角运动单元包括布置在两侧嘴角的各一个控制点，嘴唇运动单元包括上嘴唇两个控制点，脸颊运动单元包括两个脸颊控制点，嘴角运动单元、嘴唇运动单元和脸颊运动单元的各个控制点的运动均由舵机通过驱动连杆带动驱动连杆末端的表皮连接磁铁来实现，表皮连接磁铁连接外皮。优点，本发明下齿随着下颚一起运动，实现嘴巴的张合，舌头做伸缩和上下运动，嘴角、嘴角与脸颊的运动实现微笑嘟嘴等动作。

Description

仿生人头嘴脸单元的驱动机构

技术领域

本发明属于智能仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生人头嘴脸单元的驱动机构。

背景技术

嘴部与脸颊驱动机构在面部表情机器人呈现各种拟人逼真的表情的过程中起到至关重要的作用，设计一款能够类似真人嘴部与脸颊运动的仿真嘴部与脸颊驱动机构是面部表情机器人研究领域的重要研究方向。当前，多数仿真人头机器人在完成面部表情不涉及舌头机构部分的运动。

发明内容

本发明提出一种仿生人头嘴脸单元的驱动机构，用于提高仿真人头表情的丰富度，采用的技术方案是：一种仿生人头嘴脸单元的驱动机构，包括嘴角运动单元、嘴唇运动单元、脸颊运动单元以及舌头运动单元， 舌头运动单元包括舌头安装框架、上齿、下齿、舌头、下颚和下颚安装框架，舌头安装框架和下颚安装框架连接一体，上齿设置在舌头安装框架上，下齿设置在下颚，下颚摆动设置下颚安装框架上，舌头伸缩式设置舌头安装框架上，舌头由舌头驱动舵机驱动舌头驱动连杆拉动舌头拉杆来实现舌头做伸缩和上下运动，舌头位于上齿和下齿之间，嘴唇运动单元设置在舌头安装框架，嘴角运动单元和脸颊运动单元均设置在下颚安装框架；嘴角运动单元包括布置在两侧嘴角的各一个控制点，嘴唇运动单元包括上嘴唇两个控制点，脸颊运动单元包括布置在脸颊两侧的两个脸颊控制点，嘴角运动单元、嘴唇运动单元和脸颊运动单元的各个控制点的运动均由舵机通过驱动连杆带动驱动连杆末端的表皮连接磁铁来实现，表皮连接磁铁连接外皮。

对本发明技术方案的优选，下颚由安装在下颚安装框架上的下颚驱动舵机驱动做上下摆动运动；下颚驱动舵机的数量为二，两台下颚驱动舵机上的舵机盘分别连接下颚的两侧，两台下颚驱动舵机同步运动。下齿固定在下颚上，下齿随着下颚一起运动，实现嘴巴的张合。

对本发明技术方案的优选，舌头驱动连杆的一端铰接在舌头驱动舵机的舵机盘上，舌头驱动连杆的另一端连接舌头拉杆，舌头拉杆的另一端连接舌头。

对本发明技术方案的优选，舌头设置在舌头安装角铁上，舌头拉杆的另一端连接舌头安装角铁，舌头拉杆与舌头安装角铁之间螺纹副连接。

对本发明技术方案的优选，舌头拉杆贯穿旋转轴套，旋转轴套铰接在轴套支撑架上并绕着轴旋转，轴套支撑架设置在舌头安装框架上。在舌头驱动连杆带动舌头拉杆伸缩，也带动旋转轴套在轴套支撑架上旋转，舌头进行上下和伸缩运动。

对本发明技术方案的优选，上齿通过上齿安装板设置在舌头安装框架上，两个上嘴唇驱动舵机设置在上齿安装板上，两个嘴角驱动舵机和两个脸颊驱动舵机均设置在下颚安装框架上。

对本发明技术方案的优选，嘴角运动单元的两个控制点的驱动连杆末端通过铰接的第二驱动连杆安装表皮连接磁铁。

对本发明技术方案的优选，脸颊运动单元的两个控制点的驱动连杆末端垂直设置延长杆，延长杆的末端设置表皮连接磁铁。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1、本发明机构，实现下齿随着下颚一起运动，实现嘴巴的张合；舌头的伸缩运动以及舌头的上下运动；脸颊、嘴唇和嘴角的运动，实现微笑、悲伤、嘟嘴等多种表情。

2、本发明机构的应用，提高面部表情机器人表情的逼真与充足度，进一步提高面部表情机器人的拟人性。

附图说明

图1是本发明的外形结构图。

图2是本发明的结构示意图（图中未示意出嘴唇运动单元、嘴角运动单元和脸颊运动单元）。

图3是本发明的详细结构示意图。

图4是本发明中的舌头运动结构的示意图（图中直观的看到舌头拉杆穿过旋转轴套并与连杆铰接）。

图5是图4的第二视角结构示意图。

图6是图1的舌头伸出状态的侧面示意图。

图7是实施例中表情机器人的外皮连接结构外形结构示意图。

图8是图7的剖视图。

图9是图7中硅胶外皮在不同运动状态下连接点的状态变化示意图（图中的α和β分别为运动的两个极限位置角）。

图10是表情机器人的外皮连接结构内的卡扣组件示意图。

图11是表情机器人的外皮连接结构用在表情机器人的人头机器人上的示意图（图中I、II、III、VI、V和IV处均安装有表情机器人的外皮连接结构）。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图11和具体实施方式做进一步的描述。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1和2所示，仿生人头嘴脸单元的驱动机构，分为下齿7随着下颚11一起运动、舌头5的伸缩运动和上下运动、嘴角运动、嘴唇运动以及脸颊运动。

如图2、3和4所示，下齿7固定在下颚11上，下颚11由两台舵机同时驱动，下颚11的运动实现嘴巴的张合；下颚11与下颚驱动舵机13的下颚驱动舵机盘17连接，下颚驱动舵机13为市售的舵机，舵机盘与舵机一起外购获得。下颚驱动舵机13安装在下颚舵机安装角铁14上，下颚舵机安装角铁14用螺钉固定在下颚安装框架12上。下颚11的两侧固连在下颚驱动舵机13的下颚驱动舵机盘17上由下颚驱动舵机13直接驱动。

如图2、3、4和5所示，上齿3安装在上齿安装板2上，上齿安装板2用螺钉固定在舌头安装框架1上，上齿3是固定不动的。下齿7固定在下颚11上随着下颚11一起运动，舌头固定框架1和下颚安装框架12用螺钉固连成一体。

如图2、3、4和5所示，舌头5的伸缩运动和上下运动，舌头5的运动由一台舌头驱动舵机15驱动完成，舌头驱动舵机15为市售的舵机，舵机盘与舵机一起外购获得。本实施例中，舌头驱动舵机15上的舵机盘为摆杆。

如图2、3、4和5所示，舌头驱动舵机15安装在舌头舵机安装板10上，舌头舵机安装板10用螺钉固连在舌头安装框架1上，舌头驱动舵机15的舵机盘通过舌头驱动连杆16和舌头拉杆9来驱动舌头5运动。舌头驱动舵机15的舵机盘和舌头驱动连杆16以及舌头拉杆9之间通过铰链连接保证可以相对运动。

如图2、3、4和5所示，舌头5为已知技术中的仿真舌头，舌头5采用螺钉固定在舌头安装角铁6上，舌头安装角铁6上设计有内螺纹孔用于与舌头拉杆9上的外螺纹连接，舌头拉杆9穿过旋转轴套4然后与舌头驱动连杆16铰接，舌头驱动连杆16与舌头驱动舵机15的舵机盘铰接，舌头5的运动通过舌头驱动舵机15驱动舌头驱动连杆16及舌头拉杆9来实现。

如图2、3、4和5所示，舌头拉杆9穿过旋转轴套4上的孔并且可以沿着孔横向运动，旋转轴套4铰接在轴套支撑架8上并可以绕着轴旋转，轴套支撑架8采用螺钉固定在舌头安装框架1上；舌头拉杆9在旋转轴套4上做伸缩与旋转运动，因此可以实现舌头5的上下、伸缩动作。

如图2、3、4和5所示，下齿7随着下颚11一起运动，两台下颚驱动舵机13同步启动，由下颚驱动舵机13的舵机盘直接输出动力驱动下颚11运动，实现嘴巴的张合。舌头5的上下、伸缩动作：舌头驱动舵机15启动，由舌头驱动舵机15的舵机盘带动舌头驱动连杆16摆动，舌头驱动连杆16带动舌头拉杆9伸缩，舌头5进行伸缩运动；同时旋转轴套4与铰接在轴套支撑架8上并可以绕着轴旋转，在舌头驱动连杆16带动舌头拉杆9伸缩，也带动旋转轴套4在轴套支撑架8上旋转，舌头5进行上下运动。

如图3所示，嘴角运动单元的两个嘴角驱动舵机26固定在下颚安装框架12上，嘴角驱动舵机26的舵机盘上固定安装嘴角驱动连杆24，嘴角驱动连杆24的末端铰接嘴角第二驱动连杆23，嘴角第二驱动连杆23末端螺钉固定表皮连接磁铁22；脸颊运动单元的两个脸颊驱动舵机27安装在下颚安装框架12上，脸颊驱动连杆25铰接在脸颊驱动舵机盘上，表皮连接磁铁22通过螺钉固定在延长杆18上，延长杆18安装在脸颊驱动连杆25上，表皮连接磁铁22用于吸合外皮上设置的另外一个磁铁，通过嘴角驱动舵机26输出动力带动磁铁从而拉动外皮实现嘴角的上扬、下垂。

如图3所示，嘴唇运动单元的两个嘴唇驱动舵机19均通过嘴唇驱动舵机安装角铁20安装在上齿安装板2上，嘴唇驱动连杆21铰接在嘴唇驱动舵机19的嘴角驱动舵机盘上，表皮连接磁铁22采用螺钉固定在嘴角驱动连杆21上，表皮连接磁铁22用于连接外皮，表皮连接磁铁22用于吸合外皮上设置的另外一个磁铁，通过嘴唇驱动舵机19输出动力带动磁铁从而拉动外皮实现嘴唇的凸起和收缩。

如图1-6所示，本实施例的一种仿生人头嘴脸单元的驱动机构，1）舌头运动机构：下齿7随着下颚11一起运动，下颚11运动，下颚11两台下颚驱动舵机13同步启动，由下颚驱动舵机13的舵机盘直接输出动力驱动下颚11运动，实现嘴巴的张合。舌头5的上下、伸缩动作：舌头驱动舵机15启动，由舌头驱动舵机15的舵机盘带动连杆16摆动，连杆16带动舌头拉杆9伸缩，舌头5进行伸缩运动；同时旋转轴套4与铰接在轴套支撑架8上并可以绕着轴旋转，在连杆16带动舌头拉杆9伸缩，也带动旋转轴套4在轴套支撑架8上旋转，舌头5进行上下运动。

2）下齿7随着下颚11一起运动，下颚11由两台舵机同时驱动，下颚11的运动实现嘴巴的张合；下颚11的两侧固连在下颚驱动舵机13的下颚驱动舵机盘17上由下颚驱动舵机13直接驱动。

3）嘴唇运动，嘴唇驱动舵机19安装在上齿安装板2上，嘴唇驱动连杆21铰接在嘴角驱动舵机盘上，表皮连接磁铁22采用螺钉固定在嘴唇驱动连杆21上，表皮连接磁铁22用于吸合外皮上设置的另外一个磁铁，通过舵机输出动力带动磁铁从而拉动外皮实现嘴唇的凸起和收缩。

4）嘴角运动以及脸颊运动，嘴角驱动舵机26和脸颊驱动舵机27固定安装在下颚安装框架12上，嘴角驱动连杆24固定在嘴角驱动舵机盘上，嘴角第二驱动连杆23铰接在嘴角驱动连杆24上，表皮连接磁铁22螺钉固定在嘴角第二驱动连杆23上；脸颊驱动连杆25铰接在脸颊驱动舵机盘上，表皮连接磁铁22螺钉通过延长杆18安装在脸颊驱动连杆25上，表皮连接磁铁用于吸合外皮上设置的另外一个磁铁，通过舵机输出动力带动磁铁从而拉动外皮实现嘴角的上扬、下垂。

本实施例的一种仿生人头嘴脸单元的驱动机构的应用，提高面部表情机器人表情的逼真与充足度，进一步提高面部表情机器人的拟人性。

如图7-图11所示，本实施例还提出一种表情机器人的外皮连接结构。

当前，多数仿真人头机器人通过绳来拉动硅胶外皮，此驱动方式驱动精确度不够，采用刚性体传递动力解决了绳驱动的缺点，但是采用刚性体与硅胶外皮的连接存在调试过程中拆装不方便和在驱动外皮过程中连接点只能在一个固定方向平面贴合使得表情表达不够逼真的缺点。

因此，本实施例提出一种采用外皮驱动机构与硅胶外皮的连接结构，具体的，本实施例的表情机器人的外皮连接结构21的设置为，一个外皮运动控制点设置一个表情机器人的外皮连接结构21。

如图7和8所示，一种表情机器人的外皮连接结构21，包括外皮驱动机构211、硅胶外皮连杆212以及铰接在硅胶外皮连杆端头处的硅胶外皮213。外皮驱动机构211设置在表情机器人的骨架上，对应位置为任意一个外皮运动控制点的位置处。硅胶外皮连杆212的一端铰接外皮驱动机构211。

本实施例中外皮驱动机构211，优选采用舵机，舵机安装在对应的舵机支架上，舵机支架安装到表情机器人的内部骨架上。舵机通过舵机盘输出动力给硅胶外皮连杆212，硅胶外皮连杆212与硅胶外皮213连接的一端的曲面弧度是根据运动控制点处硅胶皮肤的曲面设计从而与硅胶皮肤的连接更为贴合。

如图9所示，硅胶外皮连杆212与舵机盘的连接为铰接，硅胶外皮连杆212与硅胶外皮213连接端设计有一个圆柱形凹槽，在圆柱形凹槽内设计有球形铰接槽，球形铰接槽与第一卡扣214上的球形端配合连接，球形铰接能够避免连杆在驱动硅胶皮肤运动过程由于连杆的位置发展生变化导致与硅胶外皮不贴合，第一卡扣214与第二卡扣215通过卡扣的方式连接的优点是方便表情机器人调试过程中硅胶外皮的拆装，第二卡扣215采用硅胶专用胶水粘结到硅胶外皮213上。

本实施例的表情机器人的外皮连接结构21，采用刚性杆驱动硅胶外皮213提高了运动的可控性，硅胶外皮连杆212与硅胶外皮213中间采用卡扣式连接有利于表情机器人调试过程中硅胶外皮的拆装，第一卡扣214与硅胶外皮连杆212间采用球形铰接其优点在于能够使硅胶外皮与连杆驱动点在运动过程中仍然保持贴合。

本实施例的表情机器人的外皮连接结构21的应用，提高面部表情机器人驱动硅胶外皮的可控性，方便表情机器人调试过程中硅胶外皮的拆装。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种仿生人头嘴脸单元的驱动机构，其特征在于，包括嘴角运动单元、嘴唇运动单元、脸颊运动单元以及舌头运动单元，舌头运动单元包括舌头安装框架（1）、上齿（3）、下齿（7）、舌头（5）、下颚（11）和下颚安装框架（12），舌头安装框架（1）和下颚安装框架（12）连接一体，上齿（3）设置在舌头安装框架（1）上，下齿（7）设置在下颚（11），下颚（11）摆动设置下颚安装框架（12）上，舌头（5）伸缩式设置舌头安装框架（1）上，舌头（5）由舌头驱动舵机（15）驱动舌头驱动连杆（16）拉动舌头拉杆（9）来实现舌头（5）做伸缩和上下运动，舌头（5）位于上齿（3）和下齿（7）之间，嘴唇运动单元设置在舌头安装框架（1），嘴角运动单元和脸颊运动单元均设置在下颚安装框架（12）；嘴角运动单元包括布置在两侧嘴角的各一个控制点，嘴唇运动单元包括上嘴唇两个控制点，脸颊运动单元包括布置在脸颊两侧的两个脸颊控制点，嘴角运动单元、嘴唇运动单元和脸颊运动单元的各个控制点的运动均由舵机通过驱动连杆带动驱动连杆末端的表皮连接磁铁来实现，表皮连接磁铁连接外皮。

2.根据权利要求1所述的仿生人头嘴脸单元的驱动机构，其特征在于，下颚（11）由安装在下颚安装框架（12）上的下颚驱动舵机（13）驱动做上下摆动运动；下颚驱动舵机（13）的数量为二，两台下颚驱动舵机（13）上的舵机盘分别连接下颚（11）的两侧，两台下颚驱动舵机（13）同步运动。

3.根据权利要求1所述的仿生人头嘴脸单元的驱动机构，其特征在于，舌头驱动连杆（16）的一端铰接在舌头驱动舵机（15）的舵机盘上，舌头驱动连杆（16）的另一端连接舌头拉杆（9），舌头拉杆（9）的另一端连接舌头（5）。

4.根据权利要求3所述的仿生人头嘴脸单元的驱动机构，其特征在于，舌头（5）设置在舌头安装角铁（6）上，舌头拉杆（9）的另一端连接舌头安装角铁（6），舌头拉杆（9）与舌头安装角铁（6）之间螺纹副连接。

5.根据权利要求4所述的仿生人头嘴脸单元的驱动机构，其特征在于，舌头拉杆（9）贯穿旋转轴套（4），旋转轴套（4）铰接在轴套支撑架（8）上并绕着轴旋转，轴套支撑架（8）设置在舌头安装框架（1）上。

6.根据权利要求1所述的仿生人头嘴脸单元的驱动机构，其特征在于，上齿（3）通过上齿安装板（2）设置在舌头安装框架（1）上，两个上嘴唇驱动舵机（19）设置在上齿安装板（2）上，两个嘴角驱动舵机（26）和两个脸颊驱动舵机（27）均设置在下颚安装框架（12）上。

7.根据权利要求6所述的仿生人头嘴脸单元的驱动机构，其特征在于，嘴角运动单元的两个控制点的驱动连杆末端通过铰接的第二驱动连杆安装表皮连接磁铁。

8.根据权利要求6所述的仿生人头嘴脸单元的驱动机构，其特征在于，脸颊运动单元的两个控制点的驱动连杆末端垂直设置延长杆（18），延长杆（18）的末端设置表皮连接磁铁。

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