CN205852814U - 十六自由度仿人机器人头颈机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及十六自由度仿人机器人头颈机构，包括一对眼眉单元、一对眼睛眼睑单元、一个下颌单元、一个结构连接单元和一个颈部单元；结构连接单元的下端与颈部单元的上端相连，一对眼睛眼睑单元分别安装在结构连接单元上部左、右两侧，一对眼眉单元分别与一对眼睛眼睑单元对应连接，下颌单元安装在结构连接单元上。本实用新型的整体动作协调性好，通过头颈控制机构，以准确、协调和迅速地实现多种头颈器官的灵活运动，来表达机器人的多种表情。

Description

十六自由度仿人机器人头颈机构

技术领域

本实用新型涉及仿真机器人设备技术领域，具体的说是十六自由度仿人机器人头颈机构。

背景技术

目前的仿人机器人头颈机构结构复杂繁琐，运动灵活性差，运动精度低，特别是眼睛眼睑运动机构不够灵活；传动过程过于繁琐，运动副不合理，机构运动摩擦阻力大、噪声大，机构卡死现象时有发生；结构层次性差，整体结构的可安装维修性差；整体外观乃至局部尺寸、以及每个器官所能运动的幅度与速度都与人类的头部、颈部相差较大，整体机构动作协调性不高。

发明内容

本实用新型提出一种十六自由度仿人机器人头颈机构，目的在于解决现有仿人机器人头颈机构复杂繁琐、运动灵活性差、运动精度低、摩擦阻力大、结构层次性差、整体机构动作协调性不高的问题。

本实用新型按照与正常成年人肢体尺寸比例1:1设计，包括双眼眉的平移和旋转动作、双眼的偏转和俯仰动作、一对上下眼睑开合动作、下颌开合动作、颈部旋转动作、颈部俯仰动作、颈部倾斜动作共计十六个自由度。

十六自由度仿人机器人头颈机构，所述头颈机构包括一对眼眉单元、一对眼睛眼睑单元、一个下颌单元、一个结构连接单元和一个颈部单元；所述结构连接单元的下端与颈部单元的上端相连，一对眼睛眼睑单元分别安装在结构连接单元上部左、右两侧，一对眼眉单元分别与一对眼睛眼睑单元对应连接，下颌单元安装在结构连接单元上。

每个眼眉单元均包括眼眉平移舵机、眼眉旋转舵机、眼眉、齿条、眼眉浮动架，眼眉平移舵机上装有齿轮，齿轮与安装在眼眉浮动板上的齿条啮合，眼眉旋转舵机与眼眉相连，眼眉旋转舵机通过眼眉浮动架安装在眼眉浮动板上。

眼眉平移舵机上安装有眼眉舵机固定架，眼眉舵机固定架与对应的眼眉浮 动板之间装有滚珠滑组。

每个眼睛眼睑单元均包括眼睛、上眼睑、下眼睑，所述眼睛上安装有眼睛转环，眼睛转环的一侧通过设置的一号眼睛连杆、一号眼睛转杆的配合连接有一号眼睛舵机，眼睛转环的另一侧通过设置的二号眼睛连杆、二号眼睛转杆的配合连接有二号眼睛舵机，上眼睑通过设置的上眼睑连杆连接有上眼睑舵机，下眼睑通过设置的下眼睑连杆连接有下眼睑舵机。

所述下颌单元包括下颌舵机、下颌舵机支架、下颌轴承座、下颌连杆、下颌，所述下颌舵机安装在下颌舵机支架上，下颌舵机通过下颌连杆与下颌的左侧连接，下颌的右侧与下颌轴承座相连。

所述结构连接单元的下部设有鼻子、上颌，结构连接单元的侧部安装有面部装饰板。

所述颈部单元包括头颈底座、安装在头颈底座上的颈部轴承座、安装在颈部轴承座颈部旋转舵机支架、安装在颈部旋转舵机支架上的颈部旋转舵机、与颈部旋转舵机通过颈部转轴相连的颈部俯仰舵机支架、安装在颈部俯仰舵机支架上的颈部俯仰舵机、与颈部俯仰舵机通过舵机交叉支架连接的颈部倾斜舵机。

本实用新型的有益效果有以下几点：

1.本实用新型的头颈机构自由度多达十六个，大量采用成品件，齿轮、齿条、滚珠滑组、L型杆端关节轴承、微型轴承、交叉滚子轴承取代简单滑杆滑销，减小了运动副的摩擦阻力，同时大量采用舵机输出轴与运动部件直连的形式，避免了传动过程中的阻力，避免因机械传动过程中卡死现象的发生，使其运动灵活性提高，尤其是眼睛眼睑运动机构采用连杆与L型杆端关节轴承的结合使眼睛的左右偏转在-35°～+35°范围内和俯仰转动在-35°～+35°范围内。

2.本实用新型的整体结构乃至每个器官所能运动的幅度都与正常成年人头部相近。

3.本实用新型的整体动作协调性好，通过头颈控制机构，以准确、协调和迅速地实现多种头颈器官的灵活运动，来表达机器人的多种表情。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的右侧的眼眉单元结构示意图；

图3是本实用新型的右侧眼睛与眼脸单元结构示意图；

图4是本实用新型的右侧眼睛与眼脸单元局部结构示意图；

图5是本实用新型的下颌单元结构示意图；

图6是本实用新型的结构连接单元结构示意图；

图7是本实用新型的颈部单元结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本实用新型进一步阐述。

如图1至图7所示，十六自由度仿人机器人头颈机构包括两个眼眉单元100、两个眼睛眼睑单元200、下颌单元300、结构连接单元400、颈部单元500。

如图2所示，每个眼眉单元100均包括眼眉平移舵机1、眼眉旋转舵机2、眼眉舵机固定架3、眼眉舵机浮动架4、眼眉浮动板5、齿条7和眼眉11。

如图3所示，每个眼睛眼睑单元包括一号眼睛舵机12、二号眼睛舵机13、眼睛眼睑安装板14、两个一号舵角快速调节器15、一号眼睛连杆16、二号眼睛连杆17、二号眼睛转杆19、眼睛转环20、眼睛21、上眼睑舵机22、下眼睑舵机23、眼睑舵机支架24、两个二号舵角快速调节器25、上眼睑连杆26、下眼睑连杆27、两个一号L型杆端关节轴承28、上眼睑转环29、下眼睑转环30、上眼睑31、下眼睑32。

如图5所示，下颌单元包括下颌舵机35、下颌舵机支架36、下颌轴承座37、两个下颌微型轴承38、两个下颌转轴39、两个开口挡圈40、二号舵角快速调节器25、下颌连杆41、二号L型杆端关节轴承28、下颌42。

如图6所示，结构连接单元包括一号结构连接板43、二号机构连接板44、三号结构连接板45、四号结构连接板46、五号结构连接板47、鼻子48、上颌49、面部装饰板50。

如图7所示，颈部单元包括颈部旋转舵机51、颈部俯仰舵机52、颈部倾斜舵机53、头颈底座54、颈部旋转舵机支架55、颈部旋转联轴器58、颈部俯仰舵机支架60、舵机交叉支架61、倾斜舵机支架62。

所述两个眼眉单元100为相互独立单元，图2所示为右侧的眼眉单元100，眼 眉平移舵机1均安装在对应侧的眼眉舵机固定架3上，眼眉平移舵机1的输出端分别装有齿轮6，齿轮6与安装在对应眼眉浮动板5上的齿条7啮合，眼眉旋转舵机2通过对应眼眉舵机浮动架4安装在对应侧的眼眉浮动板5上，眼眉浮动板5均设有安装轴承的腔体，腔体内对应装有眼眉微型轴承9，眼眉微型轴承9内均装有眼眉联轴器10，眼眉联轴器10一端与对应侧的眼眉旋转舵机2输出端连接，眼眉联轴器10的另一端与眼眉11的杆端连接，从而眼眉11就与对应侧的眼眉旋转舵机2直连，眼眉舵机固定架3与对应的眼眉浮动板5之间均装有滚珠滑组8，滚珠滑组8的一面与对应眼眉舵机固定架3连接，滚珠滑组8另一面与对应的眼眉浮动板5连接，从而眼眉浮动板5可以沿垂直方向运动。

眼眉单元的动作流程：眼眉平移舵机1正转或反转带动齿轮6旋转，齿轮6、齿条7啮合带动眼眉浮动板5与安装在其上的零部件整体上下运动，同时眼眉旋转舵机2正转或反转带动眼眉11的旋转，此串联机构眼眉11就具有上下运动和平面旋转运动两个自由度了，即可实现多种眼眉11的位置姿态。

以眼眉11初始位置时眼眉11杆端轴心所在的水平面为基准，眼眉11初始位置置为0mm，眼眉11的上下平移范围为-4mm～+10mm，最大平移速度87mm/s；眼眉11初始角度为8°，眼眉11的转动范围为-12°～+29°，最大转动速度256deg/s。

所述两个眼睛眼睑单元200为相互独立单元，图3所示为右侧的眼睛眼睑单元200，眼睛机构中一号眼睛舵机12与对应的二号眼睛舵机13安装在对应的眼睛眼睑安装板14上，一号眼睛舵机12与二号眼睛舵机13的舵机臂分别装有一号舵角快速调节器15，一号眼睛连杆16的一端通过一号舵角快速调节器15与对应侧的一号眼睛舵机12的舵机臂铰接，二号眼睛连杆17的一端通过对应侧的一号舵角快速调节器15与对应侧的二号眼睛舵机13的舵机臂铰接。眼睛眼睑安装板14前端中间均装有一号眼睛转杆18，眼睛转环安装在对应侧的一号眼睛转杆18上，眼睛转环20为尼龙材质，二号眼睛转杆19安装在对应侧的眼睛转环20的左侧，一号眼睛转杆18和二号眼睛转杆19与对应侧的眼睛转环20均为间隙配合，眼睛转环20上均安装眼睛21，眼睛21为硅胶材质的空心半球，一号眼睛连杆16上设有的90°折弯端与一号眼睛转杆18对应铰接，二号眼睛连杆17上设有的90°折弯端与二号眼睛转杆19对应铰接，一号眼睛连杆16与二号眼睛连杆17均为弹性 细杆。

眼睛的动作流程：一号眼睛舵机12正转或反转带动舵机臂旋转，舵机臂通过一号舵角快速调节器15拉动一号眼睛连杆16，一号眼睛连杆16带动一号眼睛转杆18旋转，眼睛转环20即可上下旋转，同时二号眼睛舵机13正转或反转带动舵机臂旋转，舵机臂通过一号舵角快速调节器15拉动对应侧的二号眼睛连杆17，二号眼睛连杆17带动二号眼睛转杆19与对应侧的眼睛转环20绕一号眼睛转杆18旋转，此并联机构可以使眼睛转环20在与其初始位轴线一定角度范围内的任意方向自由转动，试验证明，由于一号眼睛连杆16与二号眼睛连杆17为弹性细杆，不会造成欠自由度卡死的问题。

以眼睛21正视时眼睛21轴线为基准，眼睛21的左右范围初始角度为0°，眼睛21的左右转动范围为-35～+35°，最大转动速度270deg/s；眼睛21上下范围的初始角度为0°，眼睛21的上下转动范围为-35～+35°，最大转动速度270deg/s。

所述两个眼睛眼睑单元200为相互独立单元，图3所示为右侧的眼睛眼睑单元200，眼睑机构中上眼睑舵机22与下眼睑舵机23通过对应侧的眼睑舵机支架24安装在对应侧的眼睛眼睑安装板14上，上眼睑舵机22与下眼睑舵机23分别装有二号舵角快速调节器25，上眼睑连杆26的一端通过对应侧的二号舵角快速调节器25与对应侧的上眼睑舵机22的舵机臂铰接，下眼睑连杆27的一端通过对应侧的二号舵角快速调节器25与对应侧的下眼睑舵机23的舵机臂铰接。眼睛眼睑安装板14前端上、下两侧分别装有上眼睑转环29、下眼睑转环30，上眼睑转环29与下眼睑转环30均通过铰接的方式与对应侧的眼睛眼睑安装板14连接。所述上眼睑31与下眼睑32分别安装在上眼睑转环29与下眼睑转环30上，上眼睑连杆26的另一端通过一侧的一号L型杆端关节轴承28与对应侧的上眼睑转环29连接，下眼睑连杆27的另一端通过另一侧的一号L型杆端关节轴承28与对应侧的下眼睑转环30连接。

眼睑的动作流程：上眼睑舵机22正转或反转带动舵机臂旋转，舵机臂通过二号舵角快速调节器25拉动对应侧的上眼睑连杆26，上眼睑连杆26带动对应侧的上眼睑转环29绕铰接处的销轴旋转，上眼睑31即可绕铰接处的销轴上下旋转，下眼睑32原理同上，完成眼睑的张开闭合。

以眼睛正视时眼睛轴线为基准，上眼睑31转动的初始角度为35°，上眼睑31的转动范围为-10°～+55°，最大转动速度371deg/s；下眼睑32转动的初始角度为-35°，下眼睑32的转动范围为-20°～-45°，最大转动速度143deg/s。

所述下颌单元300如图5所示，下颌舵机35安装在下颌舵机支架36上，下颌舵机35的舵机臂通过二号舵角快速调节器25与下颌连杆41的一端连接，下颌连杆41的里一端通过L型杆端关节轴承28与下颌42的左侧连接，下颌42两端各装有下颌转轴39，左侧下颌转轴39与下颌舵机支架36内的下颌微型轴承38装配，右侧下颌转轴39与下颌轴承座37内的下颌微型轴承38装配，两个下颌转轴39的末端均配有开口挡圈40。

下颌的动作流程：下颌舵机35正转或反转带动舵机臂旋转，舵机臂通过二号舵角快速调节器25拉动下颌连杆41，下颌连杆41带动下颌42绕下颌转轴39旋转，完成下颌42张开闭合。

以下颌42轴心所在的水平面为基准，下颌42转动的初始角度为-70°下颌42的转动范围为-70°～-102°，最大转动速度159deg/s。

所述结构连接单元400如图6所示，一号结构连接板43为结构连接单元400的基础板，二号结构连接板44通过一号结构连接板43中间沉头孔内的螺栓与一号结构连接板43连接，三号结构连接板45、四号结构连接板46分别和一号结构连接板43两端的上表面连接，五号结构连接板47与一号结构连接板43中间下表面连接，鼻子48与上颌49和五号结构连接板47连接,面部装饰板50与一号结构连接板43连接。

所述颈部单元500如图7所示，头颈底座54为颈部单元500的基础，头颈底座54上安装有颈部轴承座56，颈部旋转舵机支架55安装在颈部轴承座56上，颈部旋转舵机51安装在颈部旋转舵机支架55上，颈部轴承座56内装有交叉滚子轴承57，交叉滚子轴承57内装配有颈部转轴59，颈部转轴59的一端通过颈部旋转联轴器58与颈部旋转舵机51直连，颈部转轴59的另一端与颈部俯仰舵机支架60连接，颈部俯仰舵机52的机身安装在颈部俯仰舵机支架60上，舵机交叉支架61的一端与颈部俯仰舵机52的舵盘连接，另一端与颈部倾斜舵机53的舵盘连接，颈部倾斜舵机53的机身安装倾斜舵机支架62。

颈部动作流程：颈部旋转舵机51正转或反转带动颈部转轴59之上的零部件 旋转，颈部俯仰舵机52正转或反转带动舵机交叉支架61、颈部倾斜舵机53、倾斜舵机支架62整体俯仰，颈部倾斜舵机53正转或反转带动倾斜舵机支架62倾斜，完成颈部的旋转、俯仰、倾斜。

以颈部旋转轴心所在的前视基准面为基准，颈部转动的初始角度为0°，颈部的转动范围为-70°～+70°，最大转动速度467deg/s。

以颈部俯仰轴心所在的上视基准面为基准，颈部俯仰的初始角度为0°，颈部的俯仰范围为-40°～+40°，最大转动速度430deg/s。

以颈部倾斜轴心所在的右视基准面为基准，颈部倾斜的初始角度为0°，颈部的倾斜范围为-45°～+45°，最大转动速度360deg/s。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.十六自由度仿人机器人头颈机构，包括一对眼眉单元、一对眼睛眼睑单元、一个下颌单元、一个结构连接单元和一个颈部单元；其特征在于：所述结构连接单元的下端与颈部单元的上端相连，一对眼睛眼睑单元分别安装在结构连接单元上部左、右两侧，一对眼眉单元分别与一对眼睛眼睑单元对应连接，下颌单元安装在结构连接单元上。

2.根据权利要求1所述的十六自由度仿人机器人头颈机构，其特征在于：每个眼眉单元均包括眼眉平移舵机、眼眉旋转舵机、眼眉、齿条、眼眉浮动架，眼眉平移舵机上装有齿轮，齿轮与安装在眼眉浮动板上的齿条啮合，眼眉旋转舵机与眼眉相连，眼眉旋转舵机通过眼眉浮动架安装在眼眉浮动板上。

3.根据权利要求2所述的十六自由度仿人机器人头颈机构，其特征在于：眼眉平移舵机上安装有眼眉舵机固定架，眼眉舵机固定架与对应的眼眉浮动板之间装有滚珠滑组。

4.根据权利要求1所述的十六自由度仿人机器人头颈机构，其特征在于：每个眼睛眼睑单元均包括眼睛、上眼睑、下眼睑，所述眼睛上安装有眼睛转环，眼睛转环的一侧通过设置的一号眼睛连杆、一号眼睛转杆的配合连接有一号眼睛舵机，眼睛转环的另一侧通过设置的二号眼睛连杆、二号眼睛转杆的配合连接有二号眼睛舵机，上眼睑通过设置的上眼睑连杆连接有上眼睑舵机，下眼睑通过设置的下眼睑连杆连接有下眼睑舵机。

5.根据权利要求1所述的十六自由度仿人机器人头颈机构，其特征在于：所述下颌单元包括下颌舵机、下颌舵机支架、下颌轴承座、下颌连杆、下颌，所述下颌舵机安装在下颌舵机支架上，下颌舵机通过下颌连杆与下颌的左侧连接，下颌的右侧与下颌轴承座相连。

6.根据权利要求1所述的十六自由度仿人机器人头颈机构，其特征在于：所述结构连接单元的下部设有鼻子、上颌，结构连接单元的侧部安装有面部装饰板。

7.根据权利要求1所述的十六自由度仿人机器人头颈机构，其特征在于：所述颈部单元包括头颈底座、安装在头颈底座上的颈部轴承座、安装在颈部轴承座颈部旋转舵机支架、安装在颈部旋转舵机支架上的颈部旋转舵机、与颈部旋转舵机通过颈部转轴相连的颈部俯仰舵机支架、安装在颈部俯仰舵机支架上的颈部俯仰舵机、与颈部俯仰舵机通过舵机交叉支架连接的颈部倾斜舵机。