CN207359119U - 一种实现人类面部表情的机器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现人类面部表情的机器，其特征在于：包括颈部底座、脸颊板、鼻骨、眼球，所述颈部底座上设有支撑架，支撑架两侧对称设有支撑转轴，支撑转轴装配在脸颊板下端的通孔中，支撑架上装配有头部支撑杆，两个脸颊板之间靠近底部装配有下颌板，两个脸颊板之间位于下颌板的上方设有上颌板，两个脸颊板的内侧位于上颌板上方分别设有支撑板一，支撑板一上设有鼻骨；所述脸颊板的内侧面分别设有支撑板二，两个支撑板二之间设有眼球支撑板，两个所述脸颊板内侧位于眼球上方对称设有眼皮支撑架，本实用新型以舵机控制的、具有多模块的、结构简单的面部表情机器人样机。

Description

一种实现人类面部表情的机器

技术领域

本实用新型涉及自动化机械技术领域，具体涉及一种实现人类面部表情的机器。

背景技术

20世纪以来，随着经济和科技的高速发展，机器人已逐渐走进工厂进入人类生活，其中以能与人类交互的仿人机器人最为引人瞩目，欧美及日韩等过等国开展仿人面部表情的机器人的研究工作较早。日本作为机器人大国，在高仿真度的仿人机器人研究领域处于领先地位。如小林弘研制出世界上第一个能够上课的仿人机器人“佐屋”。

麻省理工学院的辛西娅·布雷齐尔博士创造出可以和人类进行视觉交流的机器人它的面部表情拥有与人类面部表情类似的特征可以根据人的动作和表情表达出自己的喜怒哀乐还能做出与人类接近的手势甚至是耸肩、扭屁股之类。

在国内，仿人面部机器人的研究还处于起步阶段，由诌人啁制造的硅胶高仿机器人，需要79道制作工序，而且材料价格昂贵，高端技术人员欠缺，制造过程十分复杂。我国哈尔滨工业大学智能机械研究所在1996年研制了孙中山先生机器人。在2004年对其进行了改造，选用制作电影时的材料作为面部表皮加入了心理模型系统。

这些机器人基本完成了在外形上与人相似但是内部机械结构复杂质量过大造价昂贵。

发明内容

为克服所述不足，本实用新型的目的在于提供实现人类面部表情的机器，以舵机控制的、具有多模块的、结构简单的面部表情机器人样机。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现人类面部表情的机器，包括颈部底座、脸颊板、鼻骨、眼球，所述颈部底座上设有支撑架，支撑架两侧对称设有支撑转轴，支撑转轴装配在脸颊板下端的通孔中，支撑架上装配有头部支撑杆，头部支撑杆与颈肌气缸的下端装配在一起，颈肌气缸的上端与头部连接杆装配在一起，所述头部连接杆的两端分别与一个脸颊板的上端内侧面固定连接在一起；

两个脸颊板之间靠近底部装配有下颌板，所述下颌板两侧对称设有连接板，连接板通过转轴装配在脸颊板上，实现下颌板在两个脸颊板之间上下转动，所述连接板之间设有传动杆，传动杆上套装从动齿轮，从动齿轮与四号舵机输出端的主动齿轮啮合在一起；

两个脸颊板之间位于下颌板的上方设有上颌板，两个脸颊板的内侧位于上颌板上方分别设有支撑板一，支撑板一上设有鼻骨；

所述脸颊板的内侧面分别设有支撑板二，两个支撑板二之间设有眼球支撑板，眼球支撑板的侧边设有转轴，转轴装配在支撑板二上的安装孔内，所述眼球支撑板上对称设有两个眼球，眼球的后侧分别与眼球丝杠的两端连接，眼球丝杠通过连接件与一号舵机的输出端啮合在一起，一号舵机设在眼球支撑板上，二号舵机放在支撑板二上，二号舵机的输出端通过联轴器与眼球支撑板后侧的连接轴连接在一起；

两个所述脸颊板内侧位于眼球上方对称设有眼皮支撑架，眼皮支撑架上设有安装孔，安装孔内设有眼皮转轴，眼皮转轴的一端固定有眼皮，眼皮位于眼球上方，眼皮转轴的另一端与眼皮连杆二的一端垂直连接，两个眼皮连杆二的另一端通过眼皮连杆一连接在一起，所述眼皮连杆一上装配有从动齿轮，从动齿轮与三号舵机的输出端的主动齿轮啮合在一起，三号舵机带动眼皮上下活动，实现眨眼功能；

两个所述脸颊之间的顶部固定有脑壳。

具体地，所述头部支撑杆与头部连接杆之间的中心距离为193mm。

具体地，所述颈肌气缸采用MA16*50-S的气缸。

具体地，所述一号舵机、二号舵机、三号舵机选型为转动角度为 180度的迷你舵机，型号都为SG90；四号舵机选型为MG996R。

本实用新型具有以下有益效果：面部表情机器人由机械本体、控制系统、舵机驱动系统等部分组成，控制系统根据实验人员的不同要求对机器人发出指令通过舵机驱动系统控制机器人各个结构的运动，最后实现所需的面部表情；

机器人采用4个舵机联动控制，实现机器人的不同面部表情。舵机能产生较大转矩，适用与需要角度不断变化并可以保持的机构。舵机转动角度范围0-180°通过周期为20ms的PWM信号控制，PWM信号高电平延时时间在0.5-2.5ms之间，高电平的延时时间决定了舵机的角度。这就解决了面部机器人难于控制表情的困难。另外与国内外同类机器人相比，本研究所涉及的机器人具有内部结构简单，空间利用率大，易于控制，重量较轻且成本低廉等优势；

且各功能互不干涉，可以同时实现，生动形象模仿人类表情。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的俯视图。

图3为本实用新型的侧视图。

图4为本实用新型的主视图。

图5为本实用新型的后视图。

图6为本实用新型眼球部位的放大图。

图中1脸颊板，2下颌板，21连接板，22上颌板，23传动杆， 24四号舵机，3鼻骨，31支撑板一，4眼球，41眼睛支撑板，42支撑板二，43眼皮，44一号舵机，45二号舵机，46三号舵机，47眼皮连杆一，48眼球丝杠，49眼皮连杆二，410眼皮支撑架，5头壳板， 6劲肌气缸，61头部连接杆，7颈部底座，71支撑架，72头部支撑杆,73支撑转轴。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1至6所示的一种实现人类面部表情的机器，包括颈部底座 7、脸颊板1、鼻骨3、眼球4，所述颈部底座7上设有支撑架71，支撑架71两侧对称设有支撑转轴73，支撑转轴21装配在脸颊板1下端的通孔中，起到支撑和连接的作用，脸颊板1可以相对颈部底座7 转动，支撑架71上装配有头部支撑杆72，头部支撑杆72与颈肌气缸6的下端装配在一起，颈肌气缸6的上端与头部连接杆61装配在一起，其装配方式为颈肌气缸6的上下均设有通孔，头部支撑杆72 和头部连接杆61分别穿过对应的通孔实现连接，所述头部连接杆61 的两端分别与一个脸颊板1的上端内侧面固定连接在一起，通过颈肌气缸6的运动来实现低头抬头功能；

两个脸颊板1之间靠近底部装配有下颌板2，所述下颌板2两侧对称设有连接板21，连接板21通过转轴装配在脸颊板1上，实现下颌板2在两个脸颊板1之间上下转动，所述连接板21之间设有传动杆23，传动杆23的端部穿过连接板21上的通孔，端部通过螺母固定，传动杆23上套装从动齿轮，从动齿轮与四号舵机24输出端的主动齿轮啮合在一起，四号舵机23控制下颌板2的张合；

两个脸颊板1之间位于下颌板2的上方设有上颌板22，两个脸颊板1的内侧位于上颌板22上方分别设有支撑板一31，支撑板一31 上设有鼻骨3；

所述脸颊板1的内侧面分别设有支撑板二42，两个支撑板二42 之间设有眼球支撑板41，眼球支撑板41的侧边设有转轴，转轴装配在支撑板二42上的安装孔内，所述眼球支撑板41上对称设有两个眼球4，眼球4的后侧分别与眼球丝杠48的两端连接，眼球丝杠48通过连接件与一号舵机4的输出端啮合在一起，连接件可以采用与眼球丝杠配合的涡轮杆，涡轮杆再经过联轴器与一号舵机的输出端连接在一起，一号舵机44放在眼球支撑板上，一号舵机44控制眼球支撑板 41左右运动，带动眼球4左右运动，二号舵机45放在支撑板二42 上，二号舵机45的输出端通过联轴器与眼球支撑板41后侧的连接轴连接在一起，控制眼部支撑板41绕与支撑板二连接的转轴转动，来控制眼睛的上下转动；

两个所述脸颊板1内侧位于眼球上方对称设有眼皮支撑架410，眼皮支撑架410上设有安装孔，安装孔内设有眼皮转轴，眼皮转轴的一端固定有眼皮42，眼皮42位于眼球4上方，眼皮转轴的另一端与眼皮连杆二49的一端垂直连接，两个眼皮连杆二49的另一端通过眼皮连杆一47连接在一起，所述眼皮连杆一47上装配有从动齿轮，从动齿轮与三号舵机46的输出端的主动齿轮啮合在一起，三号舵机46 带动眼皮42上下活动，实现眨眼功能；

两个所述脸颊1之间的顶部固定有脑壳5。

具体地，考虑到外形美观及加工，该发明外观设计为抽象人脸形，脸颊板1分别置于左右两侧，其他器官都连接在脸颊板1上。

本结构的整体外形尺寸为：长：184mm，宽：200mm，高：324mm。

另外鼻骨3、眼球4、眼皮42等器官几乎与成年人的器官大小相似。

具体地，根据工作所需力的大小来确定颈肌气缸6的推力和拉力，由此来选择颈肌气缸6时应使气缸的输出力稍有余量，若缸径选小了，输出力不够，颈肌气缸6不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费，在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少颈肌气缸6的尺寸，头部支撑杆71与头部连接杆61之间的中心距离为193mm，点头抬头走过的行程大约为31mm，结合运动过程中所产生的力矩，综上所述，该设计中颈肌气缸采用MA16*50-S的气缸，产品试验表明此气缸符合要求。

具体地，所述一号舵机44、二号舵机45、三号舵机46、四号舵机24均采用舵机，舵机具有小巧灵活、易操作易控制的特点，在现在传动机构中被广泛使用，按照舵机的转动角度分有180度舵机和 360度舵机。180度舵机只能在0度到180度之间运动，超过这个范围，舵机就会出现超量程的故障，轻则齿轮打坏，重则烧坏舵机电路或者舵机里面的电机。360度舵机转动的方式和普通的电机类似，可以连续的转动，不过我们只可以控制它转动的方向和速度，不能调节转动角度，考虑到此设计转动的角度，一号舵机44、二号舵机45、三号舵机46选型都为转动角度为180度的迷你舵机，型号都为SG90；四号舵机24所要承受的力矩较大，所以选型为MG996R。

控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘，舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。

本实用新型不局限于所述实施方式，任何人应得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (4)

1.一种实现人类面部表情的机器，其特征在于：包括颈部底座、脸颊板、鼻骨、眼球，所述颈部底座上设有支撑架，支撑架两侧对称设有支撑转轴，支撑转轴装配在脸颊板下端的通孔中，支撑架上装配有头部支撑杆，头部支撑杆与颈肌气缸的下端装配在一起，颈肌气缸的上端与头部连接杆装配在一起，所述头部连接杆的两端分别与一个脸颊板的上端内侧面固定连接在一起；

两个脸颊板之间靠近底部装配有下颌板，所述下颌板两侧对称设有连接板，连接板通过转轴装配在脸颊板上，实现下颌板在两个脸颊板之间上下转动，所述连接板之间设有传动杆，传动杆上套装从动齿轮，从动齿轮与四号舵机输出端的主动齿轮啮合在一起；

两个脸颊板之间位于下颌板的上方设有上颌板，两个脸颊板的内侧位于上颌板上方分别设有支撑板一，支撑板一上设有鼻骨；

所述脸颊板的内侧面分别设有支撑板二，两个支撑板二之间设有眼球支撑板，眼球支撑板的侧边设有转轴，转轴装配在支撑板二上的安装孔内，所述眼球支撑板上对称设有两个眼球，眼球的后侧分别与眼球丝杠的两端连接，眼球丝杠通过连接件与一号舵机的输出端啮合在一起，一号舵机设在眼球支撑板上，二号舵机放在支撑板二上，二号舵机的输出端通过联轴器与眼球支撑板后侧的连接轴连接在一起；

两个所述脸颊板内侧位于眼球上方对称设有眼皮支撑架，眼皮支撑架上设有安装孔，安装孔内设有眼皮转轴，眼皮转轴的一端固定有眼皮，眼皮位于眼球上方，眼皮转轴的另一端与眼皮连杆二的一端垂直连接，两个眼皮连杆二的另一端通过眼皮连杆一连接在一起，所述眼皮连杆一上装配有从动齿轮，从动齿轮与三号舵机的输出端的主动齿轮啮合在一起，三号舵机带动眼皮上下活动，实现眨眼功能；

两个所述脸颊之间的顶部固定有脑壳。

2.根据权利要求1所述的一种实现人类面部表情的机器，其特征在于：所述头部支撑杆与头部连接杆之间的中心距离为193mm。

3.根据权利要求1所述的一种实现人类面部表情的机器，其特征在于：所述颈肌气缸采用MA16*50-S的气缸。

4.根据权利要求1所述的一种实现人类面部表情的机器，其特征在于：所述一号舵机、二号舵机、三号舵机选型为转动角度为180度的迷你舵机，型号都为SG90；四号舵机选型为MG996R。